[發明專利]周期性再生的VSA型制氧法

在審

• 申請號: 201710346367.2
• 申請日: 2017-05-17
• 公開（公告）號: CN107399719A
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發明（設計）人: P·J·L·珀蒂;C·莫內羅
• 申請（專利權）人: 喬治洛德方法研究和開發液化空氣有限公司
• 主分類號: C01B13/02
• 分類號: C01B13/02;B01D53/047
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所11247
• 代理人: 張蓉珺,林柏楠

技術領域

本發明涉及包含周期性或例外(exceptional)再生的VSA(真空變壓吸附)型制氧法。

背景技術

通過PSA(變壓吸附)型單元由大氣空氣制氧在最近幾十年中顯著擴展。已對吸附劑、該技術和工藝本身作出改進。

通常，術語PSA用于表示實施吸附劑在高壓(所謂吸附壓力)和低壓(所謂再生壓力)之間經歷的周期性變壓的任何氣體凈化或分離法。因此，這一通用名稱PSA無區分地用于表示下列周期性工藝，基于所涉及的壓力級或基于吸附器回到其起始點所需的時間(周期時間)給予它們更專用的名稱也是常見做法：

-VSA工藝，其中基本在大氣壓(優選0.95至1.25巴abs之間的大氣壓)下進行吸附并且解吸壓力低于大氣壓，通常50至400毫巴abs。

-MPSA或VPSA工藝，其中在高于大氣壓的高壓下(通常1.35至6巴abs之間的高壓下)進行吸附并在低于大氣壓的低壓下(通常200至650毫巴abs之間的低壓下)進行解吸。

-實際PSA工藝，其中高壓基本高于大氣壓，通常在3至50巴abs之間，且低壓基本等于或高于大氣壓，通常在1至9巴abs之間。

-RPSA(快速PSA)工藝，其壓力周期的持續時間通常小于1分鐘。

-URPSA(超快速PSA)工藝，其壓力周期的持續時間為大約最多幾秒。

在上述定義下，本發明同等涉及VSA和VPSA工藝。

為了簡化文本，僅使用術語VSA涵蓋如剛剛已定義的本發明的范圍。要重申，其更具體涉及VSA O2制氧單元(通常85至95摩爾％，更通常90至93摩爾％)。

無論PSA的類型如何，吸附器都先在高壓下開始吸附期直至其載滿要截留的成分，然后通過減壓和提取吸附的化合物再生，然后再調節，在實踐中再加壓，以重新開始新的吸附期。吸附器由此已實施一個“壓力周期”并且PSA工藝的原理是將這些周期相繼串在一起；其因此是周期性工藝。吸附器回到其初始狀態花費的時間被稱作周期時間(Tc)。原則上，各吸附器在被稱作時間相位(Tp)或更簡稱為相的時間偏移下遵循相同周期。PSA工藝因此通過Tp＝Tc/N涉及N個體積的遵循相同周期和時間偏移的吸附劑。

VSA O2單元有大量可能的周期，在此不必列出。

最常見的工業周期包含1至4個吸附器，也就是1至4個一體體積(unitary volumes)的吸附劑。

不同于許多工藝，在制氧的情況下，原材料，即大氣空氣是免費的并且該單元的能量消耗是制氧成本中的重要，甚至主要項目之一，特別是在高生產量，例如大于120噸/天的情況下，其中由于規模效應，四舍五入到Nm3制氧量的投資比重較低。

因此，比能量的較低增加是有利的，因為其直接并顯著影響生產成本。

基本趨勢之一因此是使用越來越專用于N2/O2分離，也就是表現出最佳N2/O2選擇性組合、N2容量、動能...的吸附劑并且有可能管理熱效應以接近最佳等溫操作。

由于這些專用吸附劑與更基礎的吸附劑(例如鈣A型沸石)相比具有高成本，限制投資和由此限制總制氧成本的另一趨勢當然是通過特別使用越來越短的周期而降低其需求量。

這一趨勢在幾年前開始并且很快認識到主要問題之一：使用的吸附劑越少，污染的風險越高，此外還增加了剛剛提到的更專用的沸石反而對這種污染越來越敏感的事實。實際上應該指出，對于給定的O2產量，吸附劑體積的降低遠遠超過每小時引入的空氣量。與吸附劑體積的降低相比，氧提取效率-大約50/60％-改變相對較小。

因此在工業VSA O2單元上通常在工作4或5年后更換吸附劑以恢復初始性能水平。通常將該沸石運往供應商，將其再活化，再調節并使其可再次供應給工業使用。這一裝料通常用于隨后裝填另一新單元或清潔過的單元。

預先供應足夠的沸石裝載量足以在例如一周左右的相對較短前置期中實施更換。

但是，這一程序具有相對較高的成本并帶來風險。在一定量的吸附劑的停工成本上還必須增加排出、儲存、運輸、再活化和裝填的成本。在現場和在工廠中的裝卸操作過程中，損失5至10％的產品并且必須被新的吸附劑替代。大部分的風險與裝填相對應，在此期間明顯必須避免任何濕氣侵入。為此，必須采取有效措施避免吸附劑與潮濕大氣空氣的任何長時間接觸。惡劣氣候狀況有可能延遲這些裝填操作并造成成本支出。

因此容易理解對尋找隨時間經過保持VSA O2單元的初始-和最大-性能水平而不必定期更換大量吸附劑或不需要安裝與能夠承受高熱應力的大型吸附器的復雜尺寸相關的昂貴再生系統的另一方式的所有興趣。