專利名稱：分離混合氣的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種分離混合氣的方法，如從空氣中分離氮和氧的方法，和從廢氣中分離特種活性成分的方法，以及用于該方法中的設備。
雖然有很多種方法用來從混合氣，如空氣中分離出特種成分的氣體(氣體產品)如氮氣和氧氣，但是近來普遍采用使用吸收劑的分離方法，這是因為容易設計這種裝置并且設備便宜。通常將這種使用吸收劑的分離方法稱作PSA法，其中，幾個吸附塔裝填有吸收劑，并進行如將混合氣送入這些吸附塔，吸收特殊成分氣體，解吸特殊成分氣體，并通過轉換閥交替進行吸收劑的再生的操作。原料氣的供應是在壓縮條件下進行，而特殊成分氣體的解吸是在常壓或抽真空下進行。在PSA方法的裝置中，因為要連續(xù)不斷地進行上述幾項操作，所以開和關閉門的次數非常高，從而導致閥門壽命縮短。閥門頻繁地開關增加了吸附塔內壓力的波動。結果，特種氣體成分純度波動增加的障礙就產生了。在壓力平衡時，瞬時大量地流入氣體也會不可避免的產生噪音。況且在裝置中的每個吸附塔不得不安裝在同一平面上，以至該裝置就需要龐大的空間。
本發(fā)明的一個目的就是省去頻繁開關閥門的操作，消除由壓力波動引起純度的不均勻性以及噪音，實現(xiàn)高產并節(jié)約場地。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的首要一點就是指一種分離混合氣體的方法，該方法包括在封閉空間中裝填成層狀粒狀吸收劑的滯留過程，從延伸進上述粒狀吸收劑層的噴咀里吹出原料混合氣，將容易吸收的氣體吸收到粒狀吸收劑上，并留下難吸收氣體的吸附-分離過程，它還包括上述裝成多層狀粒狀吸收劑逐漸被送至除上述密封空間之外的另一密封空間的輸送過程，再從上述另一密封空間的粒狀吸收劑上解吸易吸收氣體，并使粒狀吸收劑再活化的解吸-活化過程，以及把活化后的粒狀吸收劑送回到上述滯留過程的返回過程。
本發(fā)明的第二個要點是指分離混合氣的裝置(原文是method)包括一裝有粒狀吸收劑的吸附塔，一粒狀吸收劑再活化設備，一向吸附塔上面引進原料氣的供應混合氣的設備，以及一導出混合氣中分離出氣體的輸出設備，其中上述吸收塔內安裝有數塊隔板，隔板上鋪著多層狀顆粒吸收劑與對流上升氣體接觸，而吸收劑逐漸被送到下一過程，上述供給混合氣設備的末端與在隔板下的吸附塔部分相聯(lián)，再活化吸收劑的回流設備安裝在上述再活化設備和吸附塔之間，安裝吹出混合氣的噴咀及粒狀吸收劑流向下面的流動通道，而把噴咀的開口端放在粒狀吸收劑之上的夾層中，以防止進入吸收劑顆粒。
本發(fā)明中，不象廣泛使用的PSA法，使其中吸收劑固定在吸附塔中，而是將粒狀吸收劑裝進密封空間，例如吸附塔里的吸附空間里。使作為原料氣的混合氣從噴咀吹入成多層狀的粒狀吸收劑中，而使上層吸收劑與借助壓力吹出的對流的混合氣接觸，以便把混合氣中的易吸附氣體吸收到吸收劑上。然后將吸收了的所說的易吸附氣體的吸收劑逐漸送至除所說的空間之外的另一個空間內，如解吸活化器的空間里，并在那里解吸掉吸附的氣體，吸收劑同時被活化。這樣，活化后的吸收劑再回到第一個密封空間內重新循環(huán)使用。而且因為本發(fā)明中在粒狀吸收劑的傳送過程中能夠重復使用的進行易吸附氣體的吸附和解吸作用，所以在這個方法里，也不需要PSA方法中所需的大量閥門和頻繁開關閥門，而且壓力的起伏明顯地減少而排除了本發(fā)明產品純度的不均勻性。況且按照本發(fā)明，因為吸收劑裝在吸收塔的吸收空間里呈類似多層狀，混合氣從噴咀吹出，所以在上述密封空間里，吸收劑只與混合氣體靜接觸，這就能抑制由于吸收劑急速傳輸的碰撞而引起吸收劑的粉化現(xiàn)象。
現(xiàn)在進一步詳細描述本發(fā)明。
本發(fā)明涉及混合氣的分離，如有從空氣、或工業(yè)氣生產過程中的混合氣中濃縮和回收特殊效用氣體(如H2、Co、烴等)，含有害氣體的凈化等。
此外，在本發(fā)明使用的粒狀吸收劑有沸石、硅膠、活性鋁土、活性碳等，它們可單獨使用。例如，可以用沸石分子篩作為氮的吸收劑，碳分子篩作為氧的吸收劑、沸石分子篩作為二氧化碳的吸收劑等。
另外，硅膠和活性鋁土也適合使用于defumidification以及活性碳等可用來吸附空氣中的烴。這些吸收劑為適應能夠運輸，就要求它們成顆粒狀。在本發(fā)明中，顆泣狀態(tài)就表明以此狀態(tài)形成吸收劑能運輸，而顆粒的形狀和大小都不應作為問題提出，雖然如圓球形的最好，但不管形狀是扁平的，丸粒狀的、細粉、或超細粉末的都不會影響本發(fā)明。


圖1是表示本發(fā)明具體裝置的流程示意圖。
圖2是圖1中圓圈A部分的放大圖。
圖3是圖1中所說A部分的平面放大圖。
圖4是圖1中圓圈B部分的放大圖。
圖5是粒度分級器24的剖面放大圖。
圖6是另一幅仍表示本發(fā)明具體裝置的流程示意圖。
圖7是圖6中圓圈A′部分的放大圖。
以下是具體設備的實例說明實施例圖1表示分離空氣中氧作為產品氣的實例，其中，把空氣作為混合氣(原料氣)。圖中，原料氣通過空氣過濾器1和連續(xù)吸附干燥器系統(tǒng)2，經鼓風機3壓縮進入安裝在吸附塔4下面的吸附一再活化器5內的熱交換器5a中。在吸附-再活化器5內的熱交換器5a中。在吸附-再活化器5中，從在吸附塔中吸收了氮氣的粒狀吸收劑(此后簡稱為吸收劑)14上解吸掉氮氣(易吸附的氣體)以活化吸收劑14，并靠真空泵6經常地保持吸附-再活化器5處于減壓狀態(tài)。熱交換器5a加熱所說吸收劑14，有助于解吸氮，這就是，當吸收劑14吸收氣體時，吸收劑14是放熱的，而解吸時，吸收劑14是吸熱的，所以當吸收劑14的溫度隨著在上述吸附-再活化器5中解吸的增加而降低，氮氣就難以解吸。本例中，熱交換器5a的上部有從鼓風機3進來的原料氣帶進的壓縮熱，而所說的吸收劑14就被壓縮熱加熱，抑制了吸收劑14的溫度下降。因此，解吸速度和吸收劑14的類似情況就不會降低。于是加熱了吸收劑14的原料氣經后冷卻器7冷卻，再在一冷卻水的水冷卻系統(tǒng)8中進一步冷卻，并被引進其中溫度控制在-40°至40℃范圍內的吸附塔4里。用一對隔板9和10把所說的吸附塔的空間豎著分隔成三部分，隔板9和11之間的空間形成為吸附空間11。在圖2和圖3的平面圖中表示的上述隔板9上形成數個能吹出原料氣的噴咀12和能逐漸流下吸收劑14的流動通道13。濾網12a蓋在噴咀12的開口端，以便能防止吸收劑14進入。測流咀13a從通道13向下延伸到均勻流下分散到空間里的吸收劑14上。標數15是指為引進原料氣安裝在隔板9之下形成空間的一塊隔板，而所說的測流咀13a穿過隔板15向下延伸。吹送壓縮的原料氣接觸并吸附堆積在隔板9上的吸收劑14，吸收劑按它下部的次序取道流動通道13和測流咀13a向下流動。向下流動的吸收劑14通過在上述吸附空間11內接觸-吸附而吸附了氮氣。在吸附空間11的上部空間里充滿了氧氣，這就是說，原料氣的氮氣被所說的吸收劑14解吸并除去，結果氧氣則保留并存儲在吸附空間11的上面。標數16是產品氧氣排出管線16，用來排出氧氣而作為產品氧氣，構成吸附空間11頂板的隔板10具有圖4所示的結構。與圖2所示隔板9的同樣方式，蓋有濾網12a的噴咀12和裝有測流咀13a的流動通道13都設置在隔板10上。只在屏壁15′的中心形成切開的通道15a，并向該處引進容納在吸附空間11上部的部分氧氣。引入的氧氣取道噴咀12，通過排氣管17排放到外面和吸收劑14容器里的上層空間。這樣，吸附塔4內的壓力幾乎保持不變。在吸附塔4中，使流經流動通道13和安裝在隔板9上的噴咀13a流下來的吸收劑14(吸收了氮氣的)通過總是以恒定速度反時針轉動的回轉閥18向下流到第一個緩沖容器19。第一個緩沖容器19安置在吸附塔4和上述的解吸-再活化器5之間，并具有保持解吸再活化容器5真空狀態(tài)的作用。另一個總以恒定速度逆時針轉動的旋轉閥20安裝在上述的第一緩沖器19的底下，它不斷地將第一緩沖器19內的吸收劑14輸進解吸-再活化器5中。正如上文所述，解吸-再活化器5靠真空泵6抽吸真空動力進行減壓成減壓狀態(tài)(最好是10～500乇)，并由熱交換器5a的效應加熱，以至于有效的進行氮氣的解吸。將其中解吸了氮氣的活化后的吸收劑14由一安裝在解吸-再活化器5下面的，以恒定速度逆時針轉動的旋轉閥21排送到第二緩沖器22里。設置第二緩沖器22是為了使吸附塔4內的壓力不會通過輸送系統(tǒng)23直接影響到解吸-再活化器5內。同時，第二個緩沖器22下面也安一個總是以恒定速度逆時針轉動的第四個旋轉閥22a，以便不斷地供給經測定量的再活化后吸收劑進入傳輸系統(tǒng)23。在傳輸系統(tǒng)中，運輸用的帶式輸送機(圖中未表示)設置在水平段23a處，一斗式運輸機(圖中未表示出)設置在垂直段23b處。吸收劑14先水平輸送，然后垂直輸送回到吸附塔4的上部。在輸送系統(tǒng)23的頂上安一個分級器24，目的是防止輸送的吸收劑狀況發(fā)生變化，所說變化是指分級并除去在上述輸送過程中碰碎并粉化的吸附劑14，并防止由于摻了粉狀吸收劑引起的輸送狀況的變化。所說的分級器24構成如圖5所示。也就是說分級器有一外圓柱體25和一內圓柱體26，而且內圓柱體26由濾網構成。
同時一臺低頻振動馬達27安裝在外圓柱體25的下面，以便內外圓柱體25和26都能振動。安裝在外圓柱體26下面的漸縮管28通過軟管29向外排出分篩出來的粉狀吸收劑。標數30是一個把軟管和漸縮管28連結起來的軟管夾。由于上述振動器24的左右兩邊通過橡皮軟管(圖中未表示)連結輸送管23，所以它能振動。把以這種方式活化了的吸收劑14送到吸附塔4的上部，并如上文所述重新使用。
如上所述獲得的產品氧氣的純度最好的記錄是95.1%。反之，采用廣泛使用填充分子篩的PSA三聯(lián)塔裝置所得氧氣純度為93%。(所說的PSA裝置具有如上述例子的氣體分離設備一樣的性能)。另外，PSA固定床的產率約為50%，而在本實例中，最高產率為92%。
雖然在如圖1所示實例中，由真空泵6將所得氮氣進行真空排氣，并排到大氣里，但如果需要，氮氣就可以不用排到大氣里而收集起來。
圖6表示生產產品氮氣和氧氣的實例。在這個例子中，使氮氣純度提高的同時，經6a通過分流部分產品氧氣回到吸附塔4內，再穿過吸收劑14來增進氧氣的產率。進一步詳細說明，圖1中所示隔板9的那部分可由圖7中所示有排氣管的部分所代替，而以與圖2所示的隔板9裝置一樣的方式在隔板9下增添一塊隔板9′，并在實例中把隔板9′的部分和從排氣管線6a延伸的回流管線6a′連結起來。這樣用回流管線6a′的方式把引到最下面隔板9′部分上的氮氣從隔板9′的噴咀12向上吹到分布在隔板9′上的多層吸收劑14里，只吸收氮氣，而使剩下的氮氣從噴咀13a向下流向吸附塔4的最下面，而混合氣上升，并通過排氣管30排出。另一部分是如圖1中的一樣。標數相同所指部件相同。本發(fā)明實例增加氮氣產品的純度。這里所得氮氣產品的純度為99.93%。相反，以具有跟所述實例的裝置大致相同性能的固定床PSA裝置所得的氮氣產品的純度為88%。
如上所述，本發(fā)明的方法包括在密閉空間里加裝多層粒狀吸收劑的過程，從噴咀里把原料混合氣吹入粒狀吸收劑內的過程，借吹出的壓力使上層的吸收劑和對流混合氣接觸，以便易吸附的氣體吸收到吸收劑上的過程。上述已經吸收了易吸附氣體的粒狀吸收劑，為了解吸下易吸收的氣體并進行活化的輸送過程，以及再活化后的粒狀吸收劑重新回到密閉空間，例如吸附空間的過程。因此，不象廣泛采用的PSA裝置所使用的分離方法，無須頻繁的開關閥門的操作，并減少了吸附塔內壓力的波動，以至于分離生產出純度高的穩(wěn)定產品氣成為可能。特別是本發(fā)明中所公開的裝置不用大量的閥門，由于不必頻繁操作開關閥門，所以它的使用期長。因為在吸附塔內，不存在由于頻繁開關閥門而引起的壓力波動，所以產品氣的純度也能保持穩(wěn)定。況且，能得到產率比廣泛使用固定床PSA裝置的產率幾乎高2倍。因為裝置可用立體方式構成是有利的，所以減少了實際所需空間，還有，與連續(xù)吸附塔相比(熱再活化系統(tǒng))，雖然由此發(fā)明的范圍不同，但按照本發(fā)明的熱真空再活化系統(tǒng)的裝置表現(xiàn)出有效的再活化作用。而且由于采用本發(fā)明研制的隔板部件的輸送床系統(tǒng)，所以限制了吸收劑的粉化。除此之外，它的優(yōu)點是產品的數量和質量容易通過控制吸收劑的循環(huán)量，再活化設備中的再活化率(真空壓力，溫度等)等按需進行改變，而所需能量與損失不成比例。
權利要求
1.一種分離混合氣的方法，該方法包括在密封空間中填裝多層狀吸收劑的滯留過程，從延伸進粒狀吸收劑層中的噴咀里吹出原料混合氣以吸收易吸收到粒狀吸收劑上的氣體，并留下難吸收氣體的吸附-分離過程，裝成多層狀粒狀吸收劑被逐漸送至除所說密封空間之外的另一密封空間的輸送過程、從所說的另一密封空間的粒狀吸收劑解吸易吸收氣體，并使粒狀吸收劑再活化的解吸-活化過程，以及把活化后的粒狀吸收劑送回到所說的滯留過程的返回過程。
2.根據權利要求1的一種分離混合氣的方法，其中使所說的另一密封空間是被加熱的并降了壓的。
3.根據權利要求1或2的一種分離混合氣的方法，其中原料氣預先經壓縮機壓縮，而所說的壓縮機的壓縮熱加熱了所說的另一密封空間。
4.一種分離混合氣的裝置(原文是method)包括一裝有粒狀吸收劑的吸附塔，一為粒狀吸收劑再活化的設備，一向所說的吸附塔引進原料氣的供應混合氣的設備，以及一導出混合氣中已分離氣體的輸出設備，其中所說的吸附塔內安裝有數塊隔板，隔板上堆積著層狀的顆粒吸收劑與上升氣流相對接觸，并且顆粒狀吸收劑逐漸送到下一過程，所說的提供混合氣的設備的末端與在所說隔板下的吸附塔部分相連，再活化吸收劑的回流設備安裝在所說的再活化設備和吸附塔之間，還要在所說的隔板處安裝混合氣的吹出噴咀及為所說的粒狀吸收劑向下流的流動通道，而所說的噴咀的開口端放在所說的粒狀吸收劑的夾層中，以防止粒狀吸收劑進入。
全文摘要
本發(fā)明涉及從混合氣體中分離特種成分氣體的方法和設備，其中，把粒狀吸收劑裝進密封空間里成多層狀，再把混合氣體原料吹送到所說的吸收劑層內，并和與原料氣體對流的所說的粒狀吸收劑接觸，使易吸附的氣體被吸收劑吸收，再逐漸將所說的粒狀吸收劑送至密封空間的外部，把所說的易吸附氣體從所說的粒狀吸收劑中解吸再活化，之后，將再活化的粒狀吸收劑送回到所說的密封空間里重新使用，這樣就無需頻繁操作閥門進行開關，以至于能進行分離并生產出高純優(yōu)質的氣體產品。
文檔編號B01D53/12GK1077139SQ9310250
公開日1993年10月13日 申請日期1993年2月8日 優(yōu)先權日1992年2月8日
發(fā)明者吉野明, 木山洋實, 三步一敦彥 申請人:大同酸素株式會社