利用冷冻的低温变压吸附制造技术

通过保留和利用内部冷冻效应，而不需要外部提供制冷作用，来加强变压吸附分离气体操作。（*该技术在2012年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及气体分离，更具体地说，涉及提高从空气中分离氧气的生产率。吸附方法已被广泛地用在气体的分离和纯化中。高表面积吸附剂具有在表面上吸附气体分子的亲和力。气体的吸附量取决于所用的特定吸附剂、被吸附的气体、以及吸附操作进行时的温度和压力条件。对大部分吸附剂，吸附量随被吸附气体组分分压的升高和吸附温度的降低而升高。因此，可以通过降低吸附温度来增加气体的吸附量。在大量的实际应用中，必须使吸附的气体解吸来再生吸附剂，以使得吸附过程重复循环。解吸步骤最好是在高温低压下进行。为了这种实际应用，因此，压力或者温度，或者它们两者在吸附和解吸步骤中基于循环必须变化。这两种气体分离的基本方法叫变压吸附(PSA)和变温吸附(TSA)。在近几年，PSA方法已经被开发用来从空气中制造氧气和氮气。在这些方法中，进料空气通过一吸附床吸附床上的吸附剂能从空气中选择吸附较容易吸附的组分，如氧气或氮气，同时不容易吸附的组分从吸附床中排放出去。PSA过程的行为明显地受吸附和解吸的温度条件所影响，设计的大部分PSA过程都是在普通的环境温度条件下操作的，而没有使用特殊的方法来控制适合于吸附操作的温度条件。在PSA系统中，吸附时放热，解吸时吸附剂吸热。在吸附步骤中吸附床的温度趋于升高，而在解吸步骤中所述床的温度趋于下降。在整个PSA循环的某一部分中，即吸附床加压至高吸附压力或降压至低解吸压力时，温度的变化最为明显，其条件是吸附剂基本上没有强吸附性杂质，该杂质只能通过吹扫有效地解吸，并且可阻止次强吸附组分的吸附。在吸附系统中开放的气体空间的加压或减压，例如，分布器装置或用来容纳吸附剂材料床的容器内液面上空间的加压或减压，由于其中气体的压缩和膨胀所做的可逆功也可以引起温度的变化。在如PSA过程的动态平衡过程中，吸附和压缩产生的热大量地被传递到流动的进料气体中，如空气流，而被带出吸附床。在典型的PSA操作中，如用于从空气中生产氧气和/或氮气的过程中，在吸附时的向前流动的气流超过了在解吸附时向后流动的气流。结果使得有一个焓的向前的净流动，当温度波动比床进口处附近区域温度波动较大时，它趋向于降低PSA系统中使用的吸附床的平均温度。用PSA方法从空气中生产氧气的温度效应已由Izami等人在"High Efficiency Oxygen Separation with Low Temperature and Low Pressure PSA"(AICHE，San Francisco，California，November 1989)中讨论过了。在研究报告中探索了五种分子筛型吸附剂，它们能从进料空气中选择吸附氮气，包括Na-X(有两种不同的Si/Al比率)、Ca-A，Ca-X和Si-X。业已发现含有碱土金属阳离子(Ca和Sr)的吸附剂在接近室温下所显示的N2/O2分离因子最佳，在约-30℃时，Na-X吸附剂的分离因子达最大值。在各种情况中，氮气的吸附能力随温度的降低而升高，和上面讨论的吸附理论所期望的相一致。用Ca-A和Na-X吸附剂作实验室规模的试验证明，在0℃至室温下Ca-A吸附剂性能最好，在0℃以下，Na-X的吸附性能最好。在这些试验中，吸附床是恒温的并能有效地维持在一个固定的温度下。用Na-X吸附剂材料进行了大规模的中间试验，在吸附床中引入了冷却旋管，同时在用来干燥进料气体的干燥剂部分与吸附床之间应用了交流换热区，从而使床温低于进料气流的温度。这些试验证明当吸附温度下降到-15℃时，吸附效率提高而成本下降了。试验进行条件更接近于绝热，而不是等温，温度是不一致的。这些实验表明，在低于室温下用Na-X吸附剂进行PSA过程是有利的。为获得所需低温床，应用了外部制冷。同时最优的解吸压力是约0.3个大气压。相反地，另外一些人发现低的吸附床温对PSA系统的性能有不良的影响。在US3，973，931中，Collins揭示，在从空气中生产氧气的超大气压PSA过程中，能发生很大的轴向温度变化。可以观察到在沸石分子筛材料的吸附床中温度变化超过50℃。发现在接近床的进料端建立了一个很大的温度梯度，导致了从床的进料端起一英尺左右处的温度最低，床的其它部位的温度慢慢地升高。在吸附一解吸重复循环后，在每一循环中温度分布维持在只有很少的变化。Collins发现对于使用超大气压PSA循环的氧气的纯度和回收，这些温度的变化是不利的。因此，Collins建议通过将进料气流加热到至少20°F(11℃)来改进操作结果。尽管所给的操作数据显示出仍存留了很大的轴向温度变化，但床的最低温度将因此升高，吸附床的其它部位温度也将升高。Collins认为进口端温度的下降是由于有个“任意的热交换步骤”存在，并指出当水蒸汽杂质在床的进口处从进料流吸附时，温度的下降最大。Collins提出几种方法来提高进料流的温度，包括对进料空气压缩机后冷却器进行控制成部分分流。按照Collins指出的方式，进料气体压缩热比为改进工艺而充分产生较高进料气温的热要多。PSA空气分离工艺包括有不同指导，诸如吸附材料的选择、吸附和解吸的压力高低、和建议的操作温度高低、即温度高于或低于环境温度均有建议。此外，如上所述，大多数商用PSA空气分离进程都在环境温度下操作，没有温度控制，也没有特别考虑吸附一解吸循环操作中出现的热效应。当然，在工艺中有为改进PSA操作以满足日益提高的实用商业分离空气和其它气体操作之需的愿望，该愿望体现在特别涉及到加强氧气或其它所需产品的回收工艺中，采取有利的PSA系统即利用而不是忽视在PSA操作循环中出现的热效应。然而，为了加强这些操作，要求PSA系统应避免使用相对昂贵的辅助设备，如Izami等人提出的使用外部制冷设备。本专利技术的目的之一是提供一种改进的PSA方法和设备来从空气中生产氧气和进行其它要求的气体分离。本专利技术的目的之二是提供一种PSA气体分离方法和设备。利用在吸附一解吸PSA循环过程中出现的热效应从而避免需要的外部制冷。本专利技术的目的之三是提供一种PSA方法和系统，提高从进料空气中生产氧气的总效率和经济性。考虑到这些和其它一些目的，在后面本专利技术将得到详细描述，新的特征将在所附的权利要求中特别指出。本专利技术包括一PSA方法和系统，其中提供了一种有控制地保留内部产生的自冷冻以降低吸附床平均温度的方法，因而，空气分离过程的总效率和经济性将得到提高。在下面结合附图对本专利技术作进一步描述。附图说明图1是本专利技术自冷冻PSA吸附床的一个实施例的示意图;图2是典型的两床PSA系统的方法流程图。本专利技术的目的是通过床温在环境温度以下，利用内部提供的必要冷冻而不需外部提供制冷来启动PSA过程和系统来实现的。因此，通过保持和利用PSA循环的内部冷冻效应，使得吸附床的平均温度下降，从而提高PSA空气或其它气体分离操作的总效率和经济性。在本专利技术的实施中，通过使用这里描述的PSA系统，结合沸石分子筛吸附剂，如Na-X型，按这里说明的吸附/解吸压力条件下操作能得到从空气中所需高性能的氧气分离和其它气体的分离。向前的焓的流动超过了向后的焓流动，因此产生了能有效地降低吸附床平均温度的净冷冻。为了防止冷冻的损失，要对容器进行保温、在有吸附床的吸附容器的端部空间内填充一些填充物，和在床的进料端区域使用交流热交换器，典型的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一个从进料气体混合物中分离比较容易吸附组分和不易吸附组分的变压吸附系统，它包括：（ａ）至少一个容纳有平衡型吸附剂材料的吸附床的吸附容器，吸附材料能选择性地吸附所述进料混合物中的较易吸附组分，对所述较易吸附组分仅是中等强度的吸附剂，含水率低于每千克约２５克水，所述吸附剂材料的床不需提供外部制冷装置。（ｂ）把进料气体混和物传送到吸附容器的进料端和除去从吸附剂材料床上解吸的更易吸附组分的管道；（ｃ）从容器相对一端收回不易吸附组分的管道；（ｄ）在邻近所述管道的吸附容器的进料端和相对一端安装的分布器装置，所述吸附剂床安装在所述分布器装置之间；（ｅ）所述吸附容器内的交流换热区，它安装在吸附床和分布器装置之间，该分布器装置安装在所述吸附容器的进料端。所述交流换热区包括有导热单元，用来贮存床中进行的吸附／解吸过程中解吸部分时向后流动流体的冷冻量；（ｆ）吸附容器壁上的保温装置，所述保温装置是用来防止在吸附／解吸循环过程中产生的大量的自冷冻的损失，这种损失是由于穿过吸附壁从吸附容器外界引入热量到吸附剂床或容器内交流换热区引起的，通过结合交流换热区和吸附容器的保温作用能保持内部产生的自冷冻在容器内，因此，在吸附／解吸循环操作内能降低吸附床的平均温度，而不需从外部提供制冷。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：FW莱维特，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]