專利名稱：含大量氧的氣體生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用空氣生產(chǎn)富氧氣體的方法，其中在高壓PM和低壓Pm(低于大氣壓)之間泵送進行“PSA”吸附(變壓吸附)。
這種設(shè)備存在用空氣經(jīng)沸石，如5A或13X類沸石分餾而制造工業(yè)用氧氣，可提供氧含量高達95%的富氧空氣(其余5%基本上由氬組成)。
但在大量應(yīng)用中，氧含量達到90/93%就已足夠。在這一含量范圍內(nèi)，生產(chǎn)氧量可達幾噸/天至幾百噸/天。
已開發(fā)的這種已知工業(yè)設(shè)備產(chǎn)量10-50T/j，與低溫設(shè)備所得液態(tài)氧比較，投資方面似乎很具有競爭性。
已提出在這些設(shè)備中應(yīng)用的不同類型循環(huán)包括2-4臺吸附器，其中之一進行生產(chǎn)，而其它則進行再生或處于中間階段(沖洗，增壓……)。
由于這些循環(huán)耗時一般90秒至幾分鐘，所以對于給定循環(huán)和預(yù)定操作時間，吸附器容積會隨著待生產(chǎn)物流而成比例增大。為避免吸附劑磨損，則在某些階段要滿足氣流速度要求就要使氣流達到最小橫截面，而對于大尺寸，這又直接或間接變?yōu)橄拗埔蛩亍Ｔ诹⒅挝狡饔脷怏w垂直循環(huán)的情況下，吸附器直徑就會太大，超過設(shè)備的某一尺寸(限制底和套的直徑，運輸問題……)。
在水平柱形吸附劑用氣體垂直循環(huán)的情況下，相同直徑時可使其中通過的流量比前一種情況大，但應(yīng)用大流量會導(dǎo)致在吸附劑兩側(cè)的內(nèi)部收集器中出現(xiàn)氣體分布問題以及使這些收集器中出現(xiàn)死角問題。另一方面，在相同階段，動力現(xiàn)象要求最短的時間以防止性能降低，而對于給定粒度的吸附劑而言，這又決定了最佳循環(huán)時間。
只要記住研磨，動力和技術(shù)方面的限制要求，則這種制氧設(shè)備的產(chǎn)量限制據(jù)說為60T/j。
在應(yīng)用條件要求大量富氧空氣，如300T/j時，實際上的解決辦法是設(shè)置大量裝置，并行操作(如3臺裝置，每臺50T/j，產(chǎn)量150T/j)或應(yīng)用低溫裝置解決。
本發(fā)明解決的問題是在生產(chǎn)投資比并行應(yīng)用多臺獨立裝置時的投入少的情況下提高工業(yè)制氧設(shè)備的實際產(chǎn)量限制。更具體地講，本發(fā)明目的是提出用單一裝置生產(chǎn)遠高于60T/j的氧產(chǎn)量，與并用多臺裝置時的費用相比，其生產(chǎn)成本中降低固定資產(chǎn)投資(土建，通用工程，裝備及啟動設(shè)施)并且還可降低流動資金投入(原材料，吸附劑……)。
本發(fā)明這些目的可用上述類型的方法達到，其中在多臺n吸附器上按時間T就每臺吸附器依序循環(huán)分配時間段T/n，并從一臺吸附器進入以下步驟a)并流生產(chǎn)氧的步驟，其中時間x，壓力至少等于大氣壓，至少在該生產(chǎn)步驟的大部分時間引入空氣;
b)減壓步驟，其中至少在其最后階段逆流減壓至泵送獲得的低于大氣壓;泵送后可通過富氧氣體逆流而沖洗-洗脫;在該泵送步驟期間達到的最低循環(huán)壓為Pm;
c)再壓縮步驟，其中至少包括用富氧氣逆流再壓縮階段，其特征在于聯(lián)合以下步驟d)吸附器的數(shù)量至少為3;
e)生產(chǎn)步驟時間長于分時段T/n;
f)逆流再加壓和必要時的沖洗-洗脫時間總和至多等于生產(chǎn)步驟時間;
g)b)的泵送步驟用“k”泵送系統(tǒng)(K≥1)進行，每一系統(tǒng)適宜于部分減壓水平并且在泵送時間y內(nèi)依序作用于相同吸附器，其中(k-1) (T)/(n) ＜y≤k (T)/(n) ，而“k”比至少一部分時間間隔T/n內(nèi)同時生產(chǎn)的最大吸附器數(shù)目少至少一臺裝置。
“泵送系統(tǒng)”指泵及其附屬馬達或泵段或泵體，此時多臺泵送系統(tǒng)可連于單一馬達上或多臺泵并行設(shè)置并在給定時刻從相同的單一吸附器泵送氣體。
按步驟c)逆流引入的減壓氣為來自另一吸附器的初始減壓氣和/或來自至少又一吸附器的生產(chǎn)氣。一部分步驟c)的再壓縮氣還可能由并流引入的空氣組成。
最大循環(huán)壓力一般為大氣壓至1.6×105Pa，而最小循環(huán)壓力為0.2×105-0.5×105Pa。
以下參照附圖詳述本發(fā)明。


圖1至8均示出了時間T內(nèi)的操作循環(huán)“壓力(縱坐標(biāo))一時間(橫坐標(biāo))”其中n臺吸附器組的吸附器以分時間T/n依序操作。
作為通常的情況，應(yīng)當(dāng)指出在氣體于吸附器中分別從待處理混合物入孔向生產(chǎn)氣出孔以及反過來的分別情況下循環(huán)時才應(yīng)用“并流”和“逆流”描述。在壓力圖線上，并流方向伸向與縱坐標(biāo)“(壓力)”軸平行的圖頂部，而逆流方向則正好相反。指出氣流方向的箭頭穿過圖時意指氣體經(jīng)過吸附器，即從一個開孔(入孔或出孔)到另一孔(分別為出孔或入孔)。
箭頭起始于或終止于圖時意指一個開孔關(guān)閉，即分別表示排空或填充。
圖及文字說明中應(yīng)用以下符號T 循環(huán)時間或區(qū)段;
n 吸附器組中吸附器數(shù);
T/n 依序的兩臺吸附器之間的分時段;
N 同時生產(chǎn)的吸附器數(shù);
t1 并流生產(chǎn)步驟開始;
t2 并流生產(chǎn)步驟結(jié)束或必要時的初始并流減壓步驟開始;
t3 必要時的初始并流減壓步驟結(jié)束或逆流減壓步驟開始;
t4 逆流減壓步驟在必要時的沖洗-洗脫之前結(jié)束;
t5 必要時的沖洗-洗脫步驟結(jié)束;
t6 必要時的部分再壓縮達到中壓的步驟開始;
t7 最終再壓縮步驟結(jié)束;
d1 并流生產(chǎn)步驟時間;
d2 必要時的并流減壓步驟時間;
d3 必要時的沖洗-洗脫之前的逆流減壓時間;
d4 沖洗-洗脫時間;
d5 逆流再壓縮時間;
d6 并流再壓縮時間;
d7 逆流泵送與必要時的沖洗-洗脫時間;
k 泵送系統(tǒng)數(shù)。
現(xiàn)參照圖1-8，其中對應(yīng)于循環(huán)區(qū)段和不同步驟的時間作為舉例以吸附時間為基礎(chǔ)給出，包括空氣進入吸附器，定為60s(秒);這一時間在“PSA”工業(yè)制氧情況下一般為30-120s，其中用的是直徑1-3mm的球狀吸附劑或直徑相當(dāng)?shù)钠渌６任絼?br> 圖1T sec120secn4T/n30N2d160secd210secd320secd410secd520secd730seck1這一循環(huán)中有4臺吸附器，兩臺同時生產(chǎn)，每一臺時間60s并且每臺吸附器逆流泵送后洗脫30s，采用了單一泵送系統(tǒng)，同時保證該泵送系統(tǒng)連續(xù)操作。
與該循環(huán)，即相同類型的循環(huán)(步驟順序相同，60s吸附時間相同，泵系統(tǒng)連續(xù)操作，每臺吸附器體積相同)但只包括單一吸附器在其操作的給定時刻進行生產(chǎn)相比，得到了三臺吸附器并且生產(chǎn)減少一半的設(shè)備。
就每立方米氧產(chǎn)品而言，既不大量降低產(chǎn)率，又不大量提高能耗。如圖1有4臺吸附器的設(shè)備與兩臺各包括3臺吸附器的單獨設(shè)備相同的產(chǎn)量，這表明產(chǎn)率提高了50%，而且每裝置的產(chǎn)量限制已得以由因子2相乘。
圖2T100secn5T/n20N3d160secd210secd310secd410secd510secd720seck1.
圖2的循環(huán)不同于前一循環(huán)，其中在吸附器組中增加了一臺吸附器，并且增加一臺連續(xù)生產(chǎn)的吸附器。循環(huán)時間T縮短到100sec，生產(chǎn)時間d1保持60sec并且泵送時間d7降為20sec。
圖3T120secn6T/N20secN3d160secd210secd330secd410secd510secd740seck2
在該方案中，泵送時間d7為40sec，為分時段T/n的2倍，因此用了兩套泵送系統(tǒng)(泵1和2)連續(xù)操作，每一臺適宜于其吸入和驅(qū)動背壓水平。
圖4T90secn3T/N30secN依序為1和2d140secd210secd310secd410secd510secd620secd720seck1僅用了三臺吸附器，單一泵并不連續(xù)操作，時間d7為分時段的2/3。另一方面，兩臺吸附器同時生產(chǎn)，至少在相當(dāng)于分時段T/n的一部分的給定時刻如此，在另一部分時間內(nèi)以單一吸附器進行生產(chǎn)。
應(yīng)當(dāng)注意到，再壓縮在10秒內(nèi)進行，其中在吸附器的兩端送入氣體，即空氣并流，并且最初減壓氣在初減壓期間從另一吸附器并流軸出并在再壓縮期間再逆流送入吸附器。在最終再壓縮階段，僅有空氣并流輸送。
圖5
T144secn6T/N24secN順序為2和3d160secd212secd336secd412secd524secd748seck2在該方案中，泵送期間(d7＝48sec)要求兩臺泵(泵1和泵2)，其中一臺在相對高壓下操作，而另一臺在不那么高的壓力下操作。在吸附器上的操作時間每種情況下均為24sec，均連續(xù)操作。
圖6T120secn6T/N20secN3d160secd20secd340secd520secd740seck2在該方案中，最大循環(huán)壓力PM等于或僅稍高于大氣壓Pa時，減壓就完全用兩臺泵(泵1和泵2)泵送進行，每一臺在分時間T/n期間操作。不進行洗脫，并且沿生產(chǎn)物流抽出氣體即可進行完全的再壓縮。
圖7T120secn6T/n20secN3d160secd210secd330secd520secd730seck2在此，泵送時間d7(30秒)超過20秒的分時段。即使壓力降低足夠溫和，也宜于采用兩泵，其中第一泵(泵1)僅操作10秒，而第二泵(泵2)在更大減壓量情況下操作，時間為分時段。該第二泵2因此連續(xù)操作，而第一泵1僅操作一半時間。應(yīng)注意到，再壓縮完全逆流進行，其中用來自另一吸附器初始減壓(d′5＝10秒)的氣體，然后用生產(chǎn)氣(d″5＝10秒)。
圖8T120secn4T/n30secN2d160secd20secd330sec
d40secd530secd725seck1其中泵送時間d7短于逆流減壓時間，因為在此之前已有曝露在吸附器逆流空氣中的步驟。
這一步驟可在啟動泵送步驟在大氣壓下開始。
從下表中可以看出，泵送時間d7總是短于或等于生產(chǎn)步驟d1的時間。與循環(huán)總時間T相比，這一泵送時間為循環(huán)時間T中的0.20(圖2的循環(huán))至0.33(圖5的循環(huán))。下表中，F(xiàn)ig.X表示圖X。
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權(quán)利要求
1.含大量氧的氣體生產(chǎn)方法，流量為例如60噸/天，其中空氣中存在的氮吸附，該方法中在多臺n吸附器上按時間T就每臺吸附器依序循環(huán)分配時間段T/n，并從一臺吸附器進入以下步驟a)并流生產(chǎn)氧的步驟，其中時間x，壓力至少等于大氣壓，至少在該生產(chǎn)步驟的大部分時間引入空氣；b)減壓步驟，其中至少在其最后階段逆流減壓至泵送獲得的低于大氣壓；泵送后可通過富氧氣體逆流而沖洗一洗脫；在該泵送步驟期間達到的最低循環(huán)壓為Pm；c)再壓縮步驟，其中至少包括用富氧氣逆流再壓縮階段，其特征在于聯(lián)合以下步驟d)吸附器的數(shù)量至少為3；e)生產(chǎn)步驟時間長于分時段T/n；f)逆流再加壓和必要時的沖洗-洗脫時間總和至多等于生產(chǎn)步驟時間；g)b)的泵送步驟“k”泵送系統(tǒng)(K≥1)進行，每一系統(tǒng)適宜于部分減壓水平并且在泵送時間y內(nèi)依序作用于相同吸附器，其中(k-1) (T)/(n) ＜y≤k (T)/(n) ，而“k”比至少一部分時間間隔T/n內(nèi)同時生產(chǎn)的最大吸附器數(shù)目少至少一臺裝置。
2.權(quán)利要求1的制氧方法，其中在生產(chǎn)步驟和逆流減壓步驟之間進行h)并流減壓步驟以為另一臺吸附器按步驟b)進行的沖洗一洗脫。
3.權(quán)利要求1的制氧方法，其中在生產(chǎn)步驟和逆流減壓步驟之間進行h)并流減壓步驟以為再壓縮步驟c)提供部分再壓縮氣。
4.權(quán)利要求2的制氧方法，其中先按i)進行減壓后按h)進行減壓。
5.權(quán)利要求1的制氧方法，其中步驟b)和/或c)的富氧氣體由生產(chǎn)氧氣組成。
6.權(quán)利要求1的制氧方法，其中再壓縮步驟(c)的逆流再壓縮期間用生產(chǎn)氣進行。
7.權(quán)利要求1的制氧方法，其中生產(chǎn)步驟至少部分在高壓下進行。
8.權(quán)利要求1的制氧方法，其中生產(chǎn)步驟至少部分在增壓情況下進行。
9.權(quán)利要求1的制氧方法，其中再壓縮步驟(c)包括至少一段時間用空氣并流再壓縮。
10.權(quán)利要求1的制氧方法，其中最高循環(huán)壓力PM在大氣壓至1.6×105Pa，而最低循環(huán)壓為0.2×105-0.5×105Pa。
11.權(quán)利要求的含大量氧的氣體生產(chǎn)方法，其中(b)的泵送時間為循環(huán)時間T的20-40%。
全文摘要
從空氣中選擇吸附氮的工藝用于包括多臺吸附器的系統(tǒng)以提供高壓富氧氣體，吸附器大氣壓下用泵減壓并用富氧氣體再壓縮而更新。泵送時間至多等于生產(chǎn)步驟的時間。
文檔編號B01D53/047GK1071601SQ9211167
公開日1993年5月5日 申請日期1992年10月17日 優(yōu)先權(quán)日1991年10月17日
發(fā)明者黑·利昂, 艾特伏·西爾維亞 申請人:喬治·克勞德工藝研究開發(fā)有限公司