專利名稱：綜合的空氣分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種綜合的空氣分離方法，其中一個(gè)預(yù)凈化單元與一個(gè)空氣分離單元聯(lián)合用以在空氣被分離之前先從其中除去雜質(zhì)。特別是，本發(fā)明涉及這樣一種方法在該方法中，預(yù)凈化單元包含吸附床，該吸附床按照一壓力擺動(dòng)的吸附循環(huán)進(jìn)行操作。更具體是涉及這樣一種方法，在該方法中壓力擺動(dòng)吸附循環(huán)包含連續(xù)地使吸附床經(jīng)受例如廢氮之類的廢氣流的沖洗。
有許多低溫精餾過程可將空氣分離為它的各種組分。按照這些方法，將空氣壓縮，冷卻至某一適于其精餾的溫度，然后將它引入空氣分離單元，該空氣分離單元包含一個(gè)或多個(gè)塔，在塔中空氣被蒸餾為它的各種組分。該空氣分離單元可以包含一個(gè)或多個(gè)蒸餾塔，每個(gè)蒸餾塔有塔板或填料以使待分離的空氣的氣相和液相之間密切接觸。
除氧、氮和氬以外，空氣也含有高沸點(diǎn)組分，例如二氧化碳，烴類和水。如果這些高沸點(diǎn)組分在空氣冷卻之前沒有從空氣中除去，這些組分在空氣冷卻期間將冷凝并且在主熱交換器中形成冰。另外，蒸餾塔會(huì)濃縮這些高沸點(diǎn)組分成為液態(tài)塔底產(chǎn)物。假如是烴類，就可能產(chǎn)生操作上的危害。為了防止這些問題，提供預(yù)純化單元，這種預(yù)純化單元與空氣分離裝置相聯(lián)合，以除去高沸點(diǎn)組分，例如水分，二氧化碳和烴類。這樣的預(yù)純化作用是通過按照壓力擺動(dòng)吸附循環(huán)方式運(yùn)行的吸附床而實(shí)現(xiàn)的。
普通的壓力擺動(dòng)吸附循環(huán)有加料，減壓，沖洗及再加壓階段。在加料階段，將壓縮空氣加至床內(nèi)產(chǎn)生純化空氣流，然后該純化空氣流在主熱交換器內(nèi)被冷卻。在加料階段完成以后，將該床減壓至大氣壓。減壓作用引發(fā)了被吸附在吸附劑上的雜質(zhì)的解吸。減壓階段是以用廢氣流沖洗吸附床而結(jié)束的，當(dāng)可從雙塔空氣分離單元的低壓塔得到廢氮?dú)饬鲿r(shí)，一般就用廢氮?dú)饬髯鳛樵搹U氣流。此后，來自另一正經(jīng)歷加料階段的吸附床的一部分純化空氣被通到剛經(jīng)歷完清洗階段的吸附床以使其再加壓。
可以使用不是同步運(yùn)行的兩個(gè)吸附床，當(dāng)一個(gè)吸附床進(jìn)行加料時(shí)，另一吸附床則進(jìn)行再生，也就是經(jīng)歷減壓，沖洗和再加壓的階段。即使是使用兩個(gè)以上的吸附床，吸附床也僅間歇地進(jìn)行沖洗。正如下面將要討論的那樣，本發(fā)明人在此已發(fā)現(xiàn)。通過進(jìn)行壓力擺動(dòng)吸附循環(huán)以使廢氣流不斷地被用來沖洗處于循環(huán)中沖洗階段的床，可以實(shí)現(xiàn)高的運(yùn)行效率。
本發(fā)明提供了一種綜合的空氣分離方法。按照此方法，空氣是通過壓縮原料空氣流，冷卻原料空氣流至適于它精餾的溫度，然后精餾空氣而將它分離，并產(chǎn)生廢氣流。在進(jìn)一步使用前將廢氣流加溫。原料空氣流在冷卻之前，先通過壓力擺動(dòng)吸附過程將其預(yù)純化。壓力擺動(dòng)吸附過程包括使至少三個(gè)用來吸附雜質(zhì)的吸附床的每一個(gè)床都經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)，該循環(huán)包括一個(gè)加料階段用以在壓力下吸附雜質(zhì)。隨后使吸附床再生，即通過一減壓階段引發(fā)雜質(zhì)解吸，一沖洗階段完成雜質(zhì)的解吸以及一再加壓階段使至少三個(gè)吸附床的每一個(gè)床均再加壓回至壓力態(tài)。沖洗階段是這樣運(yùn)行的在等于這至少三個(gè)吸附床的每一個(gè)床所經(jīng)歷的整個(gè)循環(huán)時(shí)間除以吸附床總數(shù)的一段時(shí)間內(nèi)，將廢氣流分別通至這三個(gè)吸附床的每一個(gè)內(nèi)。結(jié)果，該沖洗氣流被連續(xù)地用以使一個(gè)吸附床經(jīng)歷沖洗階段。
在兩床系統(tǒng)中，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)吸附床進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)另一吸附床在被再生，所以存在著一段時(shí)間，在這段時(shí)間中，雖然可得到?jīng)_洗氣流，卻未用以沖洗吸附床。因此，本發(fā)明需要三個(gè)或更多的吸附床，以使沖洗氣流被連續(xù)地使用。本發(fā)明的效果是增加每一個(gè)吸附床被沖洗氣流沖洗的時(shí)間，以使在沖洗結(jié)束時(shí)，與現(xiàn)有技術(shù)相比有更多的雜質(zhì)從吸附床上被解吸。結(jié)果，首先就是可有更多的雜質(zhì)被吸附。因此，應(yīng)用本發(fā)明就可減少空氣分離裝置中預(yù)純化單元所需要的吸附劑的數(shù)量。
雖然說明書末的權(quán)利要求清楚地指出了申請(qǐng)人認(rèn)為是其發(fā)明的內(nèi)容，但是可以相信，與附圖結(jié)合起來，將可以更好地理解本發(fā)明。其中

圖1為實(shí)施本發(fā)明方法的空氣分離裝置示意圖；圖2為本發(fā)明的預(yù)純化單元的示意圖；圖3為說明本發(fā)明的壓力擺動(dòng)吸附方法的循環(huán)的示意圖。
參看圖1，其中顯示了用以分離空氣的空氣分離裝置1。輸入的空氣在過濾器10中過濾除去塵粒等，然后在壓縮機(jī)12中被壓縮?？諝鈮嚎s所產(chǎn)生的壓縮熱是通過后冷卻器14除去的。然后，在預(yù)純化單元16中空氣被純化，再在主熱交換器18中被冷卻至某一溫度使其適于在空氣分離單元20內(nèi)進(jìn)行精餾。
空氣分離單元20可以包括單獨(dú)一個(gè)蒸餾塔，該蒸餾塔用以把空氣分離成塔底實(shí)氧液體和實(shí)氮的或甚至高純度的塔頂餾出物。本發(fā)明并不受限于實(shí)際所用的蒸餾方法或?qū)嵤┰摲椒ㄋ褂玫恼麴s塔的數(shù)目。例如，空氣分離單元20可以是雙塔，其中高壓和低壓塔可通過冷凝一再沸器在操作上彼此相連。壓縮并經(jīng)冷卻的空氣應(yīng)導(dǎo)入高壓塔底部從而產(chǎn)生實(shí)氮的塔頂餾出物和實(shí)氧的塔底產(chǎn)品(本領(lǐng)域中稱為粗制液態(tài)氧)。該粗制液態(tài)氧須在低壓塔內(nèi)進(jìn)一步精煉為氣態(tài)氮塔頂餾出物和液態(tài)氧塔底產(chǎn)品?？諝夥蛛x單元20也可是一個(gè)單塔氧氣或氮?dú)獍l(fā)生器。
為了便于說明，可以假定空氣分離單元20產(chǎn)生廢氮?dú)饬?2。然而，如果并下需要氧，也可用緊靠雙塔空氣分離單元貯槽上方的氣態(tài)氧構(gòu)成廢氣流22。此外，空氣分離單元20產(chǎn)生產(chǎn)品流24，按本領(lǐng)域熟悉的方式，產(chǎn)品流24可以是在主熱交換器18中汽化的液態(tài)氧或是在主熱交換器18中被加熱至環(huán)境條件的氣態(tài)氧或氮。
參照?qǐng)D2，預(yù)純化單元16設(shè)有第一、第二和第三吸附床26，28和30。每一個(gè)床均包含吸附劑以吸附較高沸點(diǎn)的雜質(zhì)，例如活性氧化鋁(AA)7×12篩目顆粒(由La Roche Chemicals，P.O.Box1031，Airline Highway，Baton Rouge，La.70821-1031制造)來自后冷卻器14的壓縮空氣進(jìn)入集管32并順序分別通過第一、第二和第三吸附床26-30中的每一個(gè)，產(chǎn)生產(chǎn)品流，該產(chǎn)品流經(jīng)產(chǎn)品集管36被排出至主熱交換器18。
第一，第二和第三床層26-30中的每一個(gè)床層均經(jīng)歷通過開/關(guān)閥門38-66的操作來進(jìn)行的加料，減壓，沖洗和再加壓階段，雖然沒有在圖中顯示，這些閥門可以通過可編程的或模擬控制器遙控啟動(dòng)。另外參考圖3，下面列出了一個(gè)閥門程序表以說明實(shí)施圖3的壓力擺動(dòng)吸附方法時(shí)，閥38-66的操作程序。開啟的閥門采用符號(hào)“o”表示。
在最初的半分鐘，閥38，46，48，52和62打開，結(jié)果，在后冷卻器14中經(jīng)冷卻的壓縮空氣形成的原料空氣流加至第一吸附床26使第一吸附床處于加料階段。因?yàn)殚y62也是打開的，產(chǎn)品從第一吸附床26排出至產(chǎn)品集管36。閥46和52是打開的，使第二吸附床28處于沖洗階段。而打開的閥48使第三吸附床30處于減壓階段。
在隨后的第0.5至12分鐘之間的時(shí)間間隔內(nèi)，第一吸附床26繼續(xù)處于加料階段。然而第二吸附床28此刻是處于再加壓階段。為此目的，閥56和58是打開以使第二吸附床28接受一部分高壓的產(chǎn)品流。閥54和48開啟使第三吸附床30處于沖洗階段。
在第12至12.5分鐘的時(shí)間間隔內(nèi)，第一吸附床26處于減壓狀態(tài)。為此目的，閥44開啟。通過將閥40和64設(shè)置在開啟位置，第二吸附床28此刻處于加料階段。第三吸附床30繼續(xù)處于沖洗階段。
在下一個(gè)時(shí)間間隔，從第12.5至24分鐘，通過打開閥50和44，第一吸附床26處于沖洗階段。通過將閥58和60置于開啟位置，則第三吸附床30處于再加壓階段。
后繼的下一個(gè)時(shí)間間隔，從第24至24.5分鐘，通過將閥46置于開啟位置，第二吸附床28處于減壓階段。同時(shí)，前已加壓的第三吸附床30通過將閥42和66置于開啟位置，此時(shí)處于加料階段。
最后的時(shí)間間隔，從第24.5至36分鐘，用部分從第三吸附床30產(chǎn)生的產(chǎn)品流將第一吸附床26再加壓(在它回復(fù)至生產(chǎn)線之前)。為此目的，閥56和60置于開啟位置。通過開啟閥52和46，第二吸附床28此時(shí)處于沖洗階段。
隨著各床在起吸附作用后即被再生，上述參考程序不斷重復(fù)?？梢钥吹?，在所說明的實(shí)施例中，每個(gè)床處于加料階段的時(shí)間等于沖洗階段的時(shí)間，而循環(huán)的總時(shí)間約等于沖洗階段時(shí)間(或加料階段時(shí)間)的三倍。
下面是一個(gè)例子，用以說明與已有技術(shù)的兩床方法相比，按照本發(fā)明用預(yù)純化單元進(jìn)行壓力擺動(dòng)吸附循環(huán)時(shí)所節(jié)省的吸附劑。從這一計(jì)算例可以看到，與兩床法相比，本發(fā)明的三床法差不多可節(jié)省吸附劑4,808公斤。產(chǎn)品CO2＝1ppm峰值吸附劑活性氧化鋁(AA)7×12篩目顆粒
在本例中，，加料壓力和溫度約為3大氣壓和35℃。加料流率約為每分鐘140標(biāo)準(zhǔn)立方米。沖洗氣流的壓力約為1巴(絕對(duì))，溫度約為35℃。沖洗氣流的流率約為每分鐘71標(biāo)準(zhǔn)方立米。
除了前述的所需吸附劑較少的優(yōu)點(diǎn)之外，從預(yù)純化單元16出來的產(chǎn)物流率的最大波動(dòng)約從9.0降至1.31。這將會(huì)改進(jìn)下游空氣分離單元20的操作。
雖然本發(fā)明已參照較佳實(shí)施例進(jìn)行描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將知道，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍時(shí)，可以作出許多變化，補(bǔ)充和省略。
權(quán)利要求
1.一種綜合的空氣分離方法，其特征在于它包括通過壓縮原料空氣流，冷卻原料空氣流至適于它精餾的溫度，精餾空氣從而產(chǎn)生廢氣流，加溫該廢氣流；以及在冷卻原料空氣流之前，通過壓力擺動(dòng)吸附方法預(yù)純化原料空氣流以產(chǎn)生純化原料空氣流；壓力擺動(dòng)吸附方法包括使至少三個(gè)吸附床的每一個(gè)都經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)，這個(gè)循環(huán)包括一個(gè)加料階段，吸附包含在原料空氣流之內(nèi)的雜質(zhì)，從而產(chǎn)生所述的純化的原料空氣流；一個(gè)減壓階段，引發(fā)所述雜質(zhì)被解吸；一個(gè)沖洗階段完成所述雜質(zhì)的解吸；以及一個(gè)再加壓階段使至少三個(gè)床層的每一個(gè)再加壓；所述的沖洗階段是在一段持續(xù)時(shí)間內(nèi)將廢氣流導(dǎo)入至少三個(gè)吸附床中的每一個(gè)床，該持續(xù)時(shí)間等于至少三個(gè)吸附床中的每一個(gè)床所經(jīng)歷的整個(gè)循環(huán)時(shí)間除以吸附床的總數(shù)。從而使沖洗氣流連續(xù)地用于使所述吸附床經(jīng)歷所述的沖洗階段。
2.如權(quán)利要求1所述的綜合空氣分離方法，其特征還在于所述的廢氣流包含廢氮?dú)饬鳌?br> 3.如權(quán)利要求1所述的綜合空氣分離方法，其特征還在于所述減壓階段的進(jìn)行方法是通過將至少三個(gè)床中的每一個(gè)床減壓至大氣壓。
4.如權(quán)利要求1所述的綜合空氣分離方法，其特征還在于所述的再加壓階段的進(jìn)行方法是將所述的純化的原料空氣流的一部分導(dǎo)入所述的至少三個(gè)床中的每一個(gè)。
5.如權(quán)利要求1所述的綜合空氣分離方法，其特征還在于所述的吸附床的總數(shù)等于3。
6.如權(quán)利要求5所述的綜合空氣分離方法，其特征還在于所述的總的時(shí)間間隔等于加料階段的加料時(shí)間間隔的三倍。
7.如權(quán)利要求6所述的綜合空氣分離方法，其特征還在于所述沖洗階段的持續(xù)時(shí)間約等于加料階段的持續(xù)時(shí)間。
8.如權(quán)利要求7所述的綜合空氣分離方法，其特征還在于所述的廢氣流包括廢氮?dú)饬鳌?br> 9.如權(quán)利要求7所述的綜合空氣分離方法，其特征還在于所述的減壓階段的進(jìn)行方法是將壓力減至大氣壓。
10.如權(quán)利要求7所述的綜合空氣分離方法，其特征還在于所述再加壓階段的進(jìn)行方式是將一部分經(jīng)純化的原料氣體流導(dǎo)入到至少三個(gè)床的每一個(gè)中。
全文摘要
一種空氣分離方法，其中使用了一個(gè)預(yù)純化單元，它裝有三個(gè)或更多個(gè)經(jīng)受壓力擺動(dòng)吸附過程的吸附床。每個(gè)吸附床經(jīng)歷加料、減壓、清洗和再加壓的階段。清洗階段是用空氣分離單元的廢氣流進(jìn)行的，清洗階段持續(xù)的時(shí)間等于循環(huán)的總時(shí)間除以吸附床的數(shù)目。
文檔編號(hào)B01D53/047GK1150917SQ9610667
公開日1997年6月4日 申請(qǐng)日期1996年5月23日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月24日
發(fā)明者R·庫馬爾 申請(qǐng)人:波克股份有限公司