气体分离的串流变压吸附方法技术

本方法在由第一、第二吸附器及产品贮存器串联形成的回路中进行。原料为含污染物和产品组分的气体混合物（如：含Ｎ↓［２］和Ｏ↓［２］的空气）。本方法操作步骤包括：（１）进料气体进入第一吸附器，作暂时停留，然后加压，使吸附剂吸附大部分的污染物组分并产出纯净的产品气体；（２）通过第二吸附器和贮存器排出纯净的产品气体，第一吸附器并流减压；（３）对第一、二吸附器作逆流放空；（４）用贮存器中的纯净的产品气体对第一、二吸附器部分增压；然后重复步骤（１）～（４）（含）。本方法与吸附器并联布置的ＰＳＡ变压吸附系统相比有下列优点：吸附器中产品浓度梯度逆反的情况得以避免；有可能在逆流放空前将第一吸附器并流减压至一非常低的水平，因而提高本方法的效率。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及由两个吸附器和一个产品贮存器串联形成的回路分离气体混合物组分的变压吸附方法。
技术介绍
变压吸附(“PSA”)方法被广泛用于气体分离和吹扫。更确切地说，PSA方法用于从空气中制备氧。基本过程是在固定床吸附器中进行的，包括高压吸附氮制备氧和低压脱附氮使吸附剂再生的一系列循环操作步骤。基于在产品回收率和纯度及系统复杂性之间所作的权衡，该方法有许多不同的构型和操作步骤。本方法也已被开发用于从空气中去除氮(“N2”)生产基本上纯净的氧(“O2”)。下文将对特定的原料作出描述。但是，我们认为，该专利技术在处理其它气体混合物方面也能得到应用。典型的PSA方法利用一套并流布置的吸附器，每一吸附器顺序通过一个多级吸附/脱附循环。通常一个吸附器的吸附步骤与其他吸附器的脱附步骤同步进行，以便连续地产出O2。一个典型的用于分离空气中N2和O2组份的PSA系统包括三至四个并流吸附塔(“吸附器”)。每一吸附塔中均装填吸附剂颗粒床层。这一系统在美国专利3,430,418(Wagner)，3,564,816和3,636,679(Batta)及3,973,931(Collins)有说明。每一个系统大约需要一至两打的受控定时开关阀来完成和控制周期吸附过程。每一吸附器按下列基本步骤顺序操作，以便连续不断地将空气送入系统，并产生富O2产品气体。(1)将空气送入吸附器，加压，吸附空气中的N2，产生富O2产品气体，并由吸附器出口采出；(2)并流减压(“并流”意味着在吸附过程中与进料空气流动方向一致)，以回收吸附步骤结束后仍留在吸附器中的富O2气体，用于增压或吹扫其他吸附器。它通常包括吸附器的多级减压，通过出口端将减压气体转移至其他几个吸附器，以达到在吸附前吹扫或加压的目的；(3)吸附器通过进料空气入口逆流放空至吸附器的压力为大气压力，从而去除吸附剂所吸附的N2；(4)用从经过并流减压的另一吸附器中得到的吹扫产品气体，逆流吹扫经过泄压的吸附器以进一步去除吸附的N2；(5)用部分产品气体或从经过并流减压的另一吸附器中取得的气体，对吹扫的吸附器逆流加压。因此，一般来讲，现有技术包括增压和吸附、并流减压、逆流放空、逆流吹扫和逆流增压。现有多床层PSA技术所依据的一个硬件设计和操作方法的共同论题是，最大程度地利用在完成吸附步骤后仍滞留在吸附器传质区内的富O2(或吹扫的)产品气体。通常用吸附器间压力平衡法来促进气体的回收和利用。为了提高回收/利用方法的效率，有必要提高系统的复杂性；方法是采用大量开关阀完成压力逐渐降低的数对吸附器的多级压力平衡。现有的多床层PSA方法存在下列缺陷(a)在吸附阶段，沿吸附塔长度产生氧浓度梯度，浓度沿进料气体流动方向增加；吸附塔进料入口和产品出口的氧浓度分别等于进料空气和产品气体的浓度。氮浓度梯度恰与氧相反；它向进料入口沿相反方向增加。所以，吸附阶段发生后的并流减压过程中，从吸附器出口逸出的气体中氮含量总是随时间而逐渐增加。因此，经并流减压从吸附器中提取气体越多，则氮含量越高。(b)从吸附器经并流减压而获得的气体通常通过其他吸附塔(称为接收吸附塔)的产品出口端被送入这些接收吸附塔，以便吹扫或增压。由于上述气体中的氮含量通常随时间增加，常常在吹扫或加压的接收吸附塔中产生不理想的氧浓度分布-氧浓度向产品出口端递减。换言之，由采用另一吸附器中的并流减压气体吹扫接收吸附器或使接收吸附器增压造成的氧浓度梯度总是与图4所示的吸附过程中产生的氧浓度梯度相反。(c)由于使用并流减压气体吹扫和/或增压造成反向氧梯度，因而造成氮对接收吸附器出口的污染，这种污染将对接收吸附器中进行的后序的吸附步骤产生不利影响，产品氧难以达到所要求的纯度。在较高压力下较早结束并流减压步骤能避免这一情况发生。但这对在吸附步骤即将结束时仍留在吸附器内的已部分富氧气体的回收和利用造成严重的限制。大多数现有的PSA方法都存在在吹扫和/或增压阶段氧浓度梯度逆反的缺陷。一些PSA系统利用一空的或装填吸附剂的容器临时贮存从并流减压后的吸附器中获得的气体，以试图克服吹扫阶段的缺陷。然后，从上述容器中反向采出气体，用于在逆流放空步骤后对同一吸附器的吹扫(如参见美国专利3,142,547(Marsh等人)，和3,788,036(Lee等人)。在包括经由两吸附器的产品出口端进行气体转移在内的增压步骤中，这些系统仍存在上述缺陷。在美国专利4,715,867(Vo)所描述的PSA系统中，由于从一个吸附区将并流减压的气体送入另一吸附区的中点(而不是通过产品出口端)，氧浓度梯度逆反的问题得以部分缓解，上述吸附区被定义为一对串联吸附塔。但是，一半吸附区仍易产生氧浓度梯度逆反的现象。在简单的单塔PSA方法中(如美国专利4,194,892(Jone等人)，和4,892,566(Bansal等人))，由于不涉及两个吸附器的气体转移，不存在氧浓度梯度逆反的可能。但这一优点因其不能进行重要的并流减压过程而被抵消。结果，单塔方法的操作性能大大地次于多床层方法。基于上述考虑，本专利技术的目的在于提供一种方法，来消除不期望发生的污染物成分浓度梯度逆反现象，并进行更有效的并流减压。专利技术概述根据本专利技术，一种新型的PSA方法在包括两个吸附器和一个产品贮存器的回路中实现上述各单元串联布置和联接。该方法在实际运行时在回路中顺序进行下述步骤(1)将含有产品和污染物组分的混合气体引入第一吸附器，关闭吸附器出口阀，暂时将进料留在该吸附器内，加压到预定压力，于是部分污染物组分被吸附塔中的吸附剂吸附，形成富含产品的气体，沿吸附器的入口到出口，产品浓度梯度增加，而污染物成分浓度梯度递减；(2)将富含产品气体通过第二吸附器和产品贮存器排出，以达到对第一吸附器的并流减压，优选每次通过第二吸附器和产品贮存器中的一个；(3)从第一吸附器入口逆流放空吸附塔来吹扫塔，优选一次放空一个吸附器；(4)用贮存器中富含产品的气体对吸附塔逆流和部分增压；(5)反复重复步骤(1)～(4)，以便从贮存器中回收富含产品的气体。所述方法具有下列特点(a)塔串联操作避免了浓度梯度逆反的情形。更确切地说，吸附器间串联气体转移的结果是下列现象发生在进料气体增压和并流减压过程中，吸附塔中污染物和产品组份的浓度梯度都沿并流方向发生，而且沿吸附塔入口至出口，产品浓度梯度递增，而污染物浓度梯度递减。在逆流放空和部分增压时，梯度沿反方向缩回，但从吸附器入口至出口，污染物浓度递增、产品浓度梯度递减这一模式仍得以保持；(b)在进料气体加压过程中将第一吸附器与第二吸附器隔离，第一吸附器则可能被进料气体完全加压到任何压力值，维持任意长的时间而不会有污染物进入产品容器的危险。因此，该方法的运行周期时间可以是灵活的，而且整个第一吸附器的吸附能力可充分用于气体分离。比较而言，对单塔PSA(如Johes，美国专利4,194,892)来说，为了使该方法能正常运行，只有靠近进料口处的相对短的一段吸附塔被允许用进料空气完全加压。这一难以进行的增压操作要求一个较短的并严格控制的进料空气引入时段。更重要的是，由于在每一吸附周期中只有很短部分的吸附器能被完全加压，其结果是整个吸附器的吸附能力的利用受到严重限制；(c)第二吸附器的存在使得在逆流放空步骤前对第一吸附器并流减压至非常低的压力本文档来自技高网...

【技术保护点】
在回路中将进料气体分离为产品和污染物组分的变压吸附方法，回路包括串联连接的第一、二吸附器、其中的吸附剂和产品贮存器，每一吸附器都有入口和出口端，回收已去除污染物组分的富含产品的气体，包括：（ａ）将进料气体加入第一吸附器，暂时将进料留在该 吸附器内并加压到预定压力，于是部分污染物组分被吸附塔中的吸附剂吸附，形成富含产品的气体，沿吸附器的入口到出口，产品浓度梯度增加，而污染物成分浓度梯度递减；（ｂ）将富含产品气体通过第二吸附器和产品贮存器排出，以达到对第一吸附器的并流减压； （ｃ）从第一吸附器的入口逆流放空吸附塔来吹扫塔；（ｄ）用贮存器中富含产品的气体对吸附塔逆流和部分增压；（ｅ）反复重复步骤（ａ）～（ｄ），以便从贮存器中回收富含产品的气体。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：CY彭，
申请(专利权)人：艾伯塔省研究会，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]