一种变压吸附制备高纯度氧气的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种变压吸附制备高纯度氧气的装置和方法。本发明专利技术对现有的两级变压吸附制氧技术进行改进，将第二级变压吸附系统排出的富氩尾气作为第一级变压吸附系统吸附塔的一级清洗气，同时将第二级变压吸附系统分离提纯后获得的初期所产出的含氧相对较低的产品气作为第一级变压吸附系统吸附塔的最后清洗阶段的三级清洗气，提高了第一级变压吸附系统产生的初级氧产品气浓度，提高了整个系统氧气产品的回收率及降低能耗。且对第二级变压吸附系统的产品气进行初期、中期和后期阶段性解析分离，将中期产品气作为最终产品气，进一步提高了氧气的纯度，保证了最终产品气的氧气纯度在99.0％甚至99.7％以上。

【技术实现步骤摘要】
一种变压吸附制备高纯度氧气的装置和方法
本专利技术属于气体分离
，涉及利用变压吸附技术对空气进行分离制备高纯氧气的技术，具体涉及了一种基于平衡选择性吸附和动力学选择性吸附分离机理的变压吸附制备高纯度氧气的装置和方法。
技术介绍
氧气作为一种工业气体应用日益广泛，需求量也不断增加，广泛应用于冶金与化工等领域，在节能环保领域也被广泛使用，如垃圾焚烧、工业燃烧、污水处理等等。传统制氧方法为深冷法，但是造价高、占地空间大、流程复杂、能耗高，适用于大规模制氧。变压吸附分离技术是一项用于气体提纯和分离的技术，利用变压吸附从空气分离制备氧气，流程简单，操作方便，可以在常温下运行，维修率低，能耗低，占地面积小，可以在用氧气现场快速便捷地连续生产出廉价的氧气，并可以实现完全自动化。由于这些优点，变压吸附空分制氧技术已广泛应用于冶金、富氧燃烧、化工造气和医疗等领域。变压吸附制氧技术是利用物理吸附的原理通过分离空气来制取氧气的，变压吸附制氧的机理主要分为两种，一种是根据吸附剂对氮气的吸附能力大于对氧气的吸附能力来制取氧气；另一种是根据氧气在吸附剂微孔中的扩散速率大于氮气的扩散速率，并且在远离吸附平衡时来制取氧气。前者使用的吸附剂是平衡选择性吸附剂，如沸石分子筛；后者使用的吸附剂是动力学选择性吸附剂，如碳分子筛。由于氧气与氩气在沸石分子筛等吸附剂上的平衡吸附曲线基本一样，平衡吸附剂并不能实现氧氩的分离；而在碳分子筛等动力学选择性吸附剂上，氧气吸附的扩散速率很快，但氮氩吸附速率差别不大，很难实现氮氩的分离；因此无论使用平衡选择还是动力学选择的吸附过程，仅仅一级变压吸附很难制取纯度高于95％的氧气，这就大大限制了诸如切割、医疗等需要纯度更高的氧气应用。为了从空气中获得更高纯度的氧气，利用两级或多级变压吸附变压吸附来制氧便应运而生。中国专利CN201930684U公开了一种在第一级变压吸附系统获得的含氩富氧的产品气基础上生产纯度99.5％以上的高纯度氧气变压吸附分离装置，该专利选用一种特殊稀土X型沸石的氧选择性吸附剂，它是平衡吸附型分子筛。另一个中国专利CN103768891B公开了一种用两级两级串联变压吸附制氧系统及其操作方法，该专利的第一级为装有常规沸石等氮吸附剂的基于平衡选择性吸附机理的氧氮分离变压吸附分离系统，第二级为装有氧选择性吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氩分离变压吸附分离系统，并且改进了传统的两级变压吸附系统，在第一级与第二级变压吸附系统之间设置一含氧富氩尾气回收回路。上述两个专利共同特点是从第一级变压吸附系统获得的含氩富氧气体再经第二级变压吸附系统分离制备高纯氧气，第二级变压吸附系统都是基于平衡选择性吸附稀土负载分子筛吸附剂。由于基于平衡吸附的对氧氩的吸附选择性低，使得这类高纯氧制备的两级变压吸附系统存在分离效率低和能耗高等缺点，应用受到限制，所公开的技术至今还没有相关的工业应用。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种可以提高产品氧纯度和回收率的变压吸附制备高纯度氧气的装置和方法，通过两级变压吸附系统获得氧产品的纯度在99％以上。第一级变压吸附系统是基于平衡吸附来获得含氩的初级富氧产品，第二级变压吸附系统是基于碳分子筛等动力学型吸附剂，把初级富氧产品进一步提纯获得高纯氧产品，且将获得的产品氧进行阶段性解析，提取中期产品气作为最终产品，纯度达99％以上。同时第二级变压吸附系统的前期产品气和富氩尾气回收利用分别作为三级和一级清洗气对第一级变压吸附系统进行清洗，第一级变压吸附系统的初级产品气也作为二级清洗气对第一级吸附进行清洗，有效提高了第一级变压吸附系统产生的初级氧产品气浓度，提高了整个系统的氧气回收率及降低能耗。本专利技术所采用的技术方案如下：一种变压吸附制备高纯度氧气的方法，包括两级变压吸附系统，第一级变压吸附系统基于平衡吸附机理的吸附剂将氮气从经预处理的压缩空气中分离出去，获得初级氧产品气，初级氧产品气作为第二级变压吸附系统的原料气，经过第二级变压吸附系统的动力学选择性吸附剂分离除去氩气，获得产品气高纯氧，其中，第二级变压吸附系统排出的富氩尾气回收作为第一级变压吸附系统的一级清洗气，收集部分第一级变压吸附系统获得的初级氧产品气作为第一级变压吸附系统的二级清洗气，有效清洗氮气且减少第一级变压吸附系统清洗含氧气体用量，收集部分第二级变压吸附系统产出的前期产品气作为第一级变压吸附系统的三级清洗气，三级清洗气顺次对第一级变压吸附系统进行清洗，三级清洗有效提高了第一级变压吸附系统产生的初级氧产品气浓度，提高了整个系统的氧气回收率及降低能耗。进一步地，所述的第二级变压吸附系统获得的产品气分为前期产品气、中期产品气和后期产品气，收集产品纯度高的中期产品气作为最终产品气高纯氧，有效提高最终产品气纯度。且前期产品气收集作为三级清洗气对第一级变压吸附系统进行清洗，有效改善第一级变压吸附系统中氧气的浓度分布以及降低氩气浓度。进一步地，所述的前期产品气为第二级变压吸附系统初期产出的5％～25％的产品气，中期产品气为第二级变压吸附系统中期产出的75％～90％的产品气，后期产品气为第二级变压吸附系统后期产出的5％～10％的产品气。进一步地，所述的第一级变压吸附系统基于平衡吸附机理的吸附剂包括但不限于5A、10X、13X和LiLSX沸石分子筛吸附剂中的两种或两种以上组合；所述的第二级变压吸附系统基于动力学选择性的吸附剂包括但不限于碳分子筛吸附剂。碳分子筛等动力学型吸附剂对氧氩的分离选择性远远高于银或稀土负载的沸石分子筛吸附剂，对氧氩的分离性能好，因此，系统效率高，能耗低，可以获得很高的氧气回收率和氧气纯度。进一步地，所述的第一级变压吸附系统和第二级变压吸附系统的操作能够相对独立运行，在第一级变压吸附系统产出的初级产品气氧含量尚未达到第二级变压吸附系统原料气纯度要求时，可暂不开启第二级变压吸附系统，有效节省能耗。且对于只要求达成初级产品气氧含量要求的氧气产品，第一级变压吸附系统运行即可完成，不需要运行第二级变压吸附系统。实施两级变压吸附系统的分段控制，操作灵活，可有效较低能耗。一种变压吸附制备高纯度氧气的装置，其特征在于，包括两级变压吸附系统，第一级变压吸附系统装填基于平衡吸附机理的吸附剂，第二级变压吸附系统装填动力学选择性吸附剂，第一级变压吸附系统初级产品气出口连接初级产品气储罐，初级产品气储罐连接第二级变压吸附系统原料气入口，同时初级产品气储罐连接至第一级变压吸附系统构成二级清洗管路；第二级变压吸附系统产品气出口分别连接前期产品气储罐、中期产品气储罐和后期产品气排放管路，第二变压吸附系统尾气排出口连接尾气储罐，尾气储罐连接至第一级变压吸附系统构成一级清洗管路，所述前期产品气储罐连接至第一级变压吸附系统构成三级清洗管路；两级变压吸附系统、储罐及管路上都设置有自动控制阀门，自动控制阀门连接PLC控制系统。进一步地，所述的第一级变压吸附系统包括至少两个吸附塔，所述的第二级变压吸附系统至少包括两个吸附塔。进一步地，所述的所述前期产品气储罐收集第二级变压吸附系统初期产出的5％～25％的产品气，中期产品气储罐收集第二级变压吸附系统中期产出的75％～90％的产品气，第二级变压吸附系统后期产出的5％～10％的产品气作为后期产品气，从排放本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变压吸附制备高纯度氧气的方法，其特征在于，包括两级变压吸附系统，第一级变压吸附系统基于平衡吸附机理的吸附剂将氮气从经预处理的压缩空气中分离出去，获得初级氧产品气，初级氧产品气作为第二级变压吸附系统的原料气，经过第二级变压吸附系统的动力学选择性吸附剂的分离提纯获得产品气高纯氧，其中，第二级变压吸附系统排出的富氩尾气回收作为第一级变压吸附系统的一级清洗气，收集部分第一级变压吸附系统获得的初级氧产品气作为第一级变压吸附系统的二级清洗气，收集部分第二级变压吸附系统产出的前期产品气作为第一级变压吸附系统的三级清洗气，三级清洗气顺次对第一级变压吸附系统进行清洗。

【技术特征摘要】
1.一种变压吸附制备高纯度氧气的方法，其特征在于，包括两级变压吸附系统，第一级变压吸附系统基于平衡吸附机理的吸附剂将氮气从经预处理的压缩空气中分离出去，获得初级氧产品气，初级氧产品气作为第二级变压吸附系统的原料气，经过第二级变压吸附系统的动力学选择性吸附剂的分离提纯获得产品气高纯氧，其中，第二级变压吸附系统排出的富氩尾气回收作为第一级变压吸附系统的一级清洗气，收集部分第一级变压吸附系统获得的初级氧产品气作为第一级变压吸附系统的二级清洗气，收集部分第二级变压吸附系统产出的前期产品气作为第一级变压吸附系统的三级清洗气，三级清洗气顺次对第一级变压吸附系统进行清洗。2.根据权利要求1所述的一种变压吸附制备高纯度氧气的方法，其特征在于，所述的第二级变压吸附系统获得的产品气分为前期产品气、中期产品气和后期产品气，收集中期产品气作为最终高纯氧产品气。3.根据权利要求2所述的一种变压吸附制备高纯度氧气的方法，其特征在于，所述前期产品气为第二级变压吸附系统初期产出的5％～25％的产品气，中期产品气为第二级变压吸附系统中期产出的75％～90％的产品气，后期产品气为第二级变压吸附系统后期产出的5％～10％的产品气。4.根据权利要求1所述的一种变压吸附制备高纯度氧气的方法，其特征在于，所述的第一级变压吸附系统基于平衡吸附机理的吸附剂包括但不限于5A、10X、13X和LiLSX沸石分子筛吸附剂中的两种或两种以上组合。5.根据权利要求1所述的一种变压吸附制备高纯度氧气的方法，其特征在于，所述的第二级变压吸附系统基于动力学选择性的吸附剂包括但不限于碳分子筛吸附剂。6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种变压吸附制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：石军雄，潘广通，李安武，李攀，
申请(专利权)人：大连力德气体科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21