[發明專利]一種能提高氧氣回收率的兩級串聯變壓吸附制氧系統及其操作方法

有效

• 申請號: 201410053554.8
• 申請日: 2014-02-17
• 公開（公告）號: CN103768891A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 陳宗蓬;劉安漣;王晨;申廣浩;羅二平;賈吉來;謝東紅;俞曉峰;劉輝
• 申請（專利權）人: 上海穗杉實業有限公司
• 主分類號: B01D53/047
• 分類號: B01D53/047;C01B13/02
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于氣體分離技術領域，具體涉及一種兩級串聯變壓吸附制氧系統及其操作方法。

背景技術

變壓吸附(PSA)是一種重要的、具有廣泛應用的氣體分離方法，變壓吸附制氧方法是低溫深冷制氧工藝的重要補充，用于由空氣流生產氧氣的傳統PSA法通常采用如CaA，CaX，NaX，LiX型等氮吸附劑基于平衡吸附理論制氧，因這些吸附材料對氮氣的吸附能力比氧氣強，也即選擇性，通常選擇性達到3以上即可實現能效比不錯的工業制氧，改良的合成沸石氧氮的選擇性可以高達10，而且還在不斷的突破，這樣的選擇性結合合理的分離流程甚至可以實質上做到氮氣和氧氣間的完全分離，但是，針對空氣組分中的氬氣，因氧氣和氬氣在這些吸附材料上的吸附等溫線幾乎相同，常規的這些合成沸石對原料空氣中的氧氣與氬氣基本無選擇性，即使假定所有氮氣均被沸石吸附，富氧產品氣流中也因含有約5%的氬氣，從而使得采用常規的這種吸附氮氣的基于平衡吸附理論基礎PSA法一般不能產生氧氣濃度大于95%的產品氣，一般分離僅限制于88～95.7%的氧氣產品，這就大大限制了需要純度更高的諸如切割、醫療等氧氣應用（需要大于97%以上的氧氣，甚至需要99.5%以上的高純度氣體）。

因此，基于吸附方法來獲得更高的氧氣純度，人們不得不采用更為復雜的多級變壓吸附系統，國內專利CN1226142A就揭示了一種采用多級變壓吸附獲得了純度98.4%的變壓吸附方法，以沸石氮吸附劑祛除大量的氮氣，以基于動力學分離特性的碳分子篩實現氧氬的分離，兩級吸附系統采用了不同傳質機理，其前級采用了基于平衡吸附傳質機理的吸附系統，后級采用了基于動力學分離機理的吸附系統，盡管以單一動力設備實現了分離過程，但顯然其15%的氧氣回收率大大限制了其應用。

多級變壓吸附在國外有代表性的分離方法主要以US4190424、US4959483、US4913339、US5395427、US5137549、US4190424、US4959083、US5226933和US5470378為代表，現有的這些技術的多級PSA系統采用了至少兩級PSA，有的采用了氮吸附劑首先由進料空氣流產生含氧濃度大于95.0%的產品氣，再以碳分子篩組成的第二吸附床層分離其中的氬氣，有的先采用基于動力學分離原理的碳分子篩獲得貧氬富氧氣體再以采用基于平衡吸附理論的氮吸附劑繼續富集以生產高純度氧氣，但在其采用的各種方法中，即在兩段或者多段式PSA法中至少有兩個不同的傳質區，更典型的特征是至少在其中的一個傳質區采用了動力學分離原理的碳分子篩來實現氧與氬的分離，其系統循環復雜、采用了大量的緩沖罐、動力設備為獲得更高的氧氣產品進行必要的清洗、置換或排代步驟，能源消耗巨大、造價高昂。

中國專利CN201930684U揭示了一種氧氬混合氣非深冷變壓吸附分離裝置，采用兩個相同并均基于平衡吸附傳質機理的串聯吸附系統構建了一種分離流程，實現了氧氮氬分離，但是，因其流程構建的不足，導致其后級氧氬分離系統的氧氣回收率仍然局限于50%以下，如前級變壓吸附制取93%純度氧氣的氧氮分離系統的氧氣回收率為50%，則該串聯的兩級變壓吸附系統總的氧氣回收率局限于25%以下，應用受到一定程度的限制。

中國專利CN101733070A揭示了一種氧氮氬混合氣的分離流程，采用兩個相同的基于平衡吸附傳質機理的串聯吸附系統構建了一種分離流程，可實現氧氮氬分離，但是，因其流程構建的不足，導致其后級氧氬分離系統的氧氣回收率仍然局限于50%以下，如前級變壓吸附制取93%純度氧氣的氧氮分離系統回收率為50%，則系統總體的氧氣回收率局限于25%以下，應用受到一定程度的限制。

發明內容

本發明的目的在于針對前述現有技術的不足而提供一種可提高氧氣回收率的基于平衡吸附傳質機理的兩級串聯變壓吸附制氧系統，并提供該系統的控制操作方法。

本發明提出的可提高氧氣回收率的兩級串聯變壓吸附制氧系統，如圖1所示，其中，第一級PSA為裝有常規沸石等氮吸附劑的基于平衡吸附機理的氧氮分離變壓吸附分離系統，第二級PSA為裝有氧選擇性等吸附劑的基于平衡吸附機理的氧氬分離變壓吸附分離系統；本發明是對現有兩級串聯變壓吸附制氧系統的改進，即在第一級PSA與第二級PSA之間設置了一套貧氧氣回收回路，用于將第二級PSA產出的富含氬氣的貧氧廢氣返回至第一級PSA，作為預充壓氣體及清洗氣體，最終自第一級PSA的排氣口排出系統。本發明按照規定工步（步驟，也稱為時序）運行，可顯著提高氧氣回收率，因而也提高了總的氧氣回收率。