[發明專利]一種多次交替均壓和充壓的低壓變壓吸附制氧系統及其操作方法

在審

• 申請號: 201710793341.2
• 申請日: 2017-09-06
• 公開（公告）號: CN107485967A
• 公開（公告）日: 2017-12-19
• 發明（設計）人: 祝顯強;林征宇;張新龍;史菊俊
• 申請（專利權）人: 江蘇昊泰氣體設備科技有限公司;西藏昊泰氣體設備科技有限公司
• 主分類號: B01D53/053
• 分類號: B01D53/053;C01B13/02
• 代理公司: 暫無信息
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技術領域

本發明屬于氣體分離技術領域，具體涉及一種多次交替均壓和充壓的低壓變壓吸附制氧系統。

背景技術

變壓吸附（pressure swing adsorption, PSA）是一種重要的分離技術，已在氣體分離、提純等領域獲得廣泛應用，尤其在中小規模的空氣分離制氧氮方面。基于PSA原理的制氧機由于產氧濃度高、自動化程度高等優點在家庭保健、醫院氧療以及高原富氧等領域獲得了較多的應用。而在這些應用領域變壓吸附制氧規模較小，隨著制氧規模的縮小，單位制氧能耗也隨之增大，運行費用增加。特別是在高原低氣壓的環境中，由于機械設備效率下降，制氧能耗很高，嚴重地阻礙了PSA制氧技術的廣泛應用。

新型制氧吸附劑開發及工藝流程優化是提高PSA制氧裝置性能的主要途徑。在新型制氧吸附劑開發較為困難的情況下，工藝流程優化則顯得尤為重要。均壓步驟是PSA制氧過程中重要的循環步驟，通過均壓回收吸附床內有用的機械能和組分，有利于獲得較好的制氧性能。國內專利CN103058144.A提出了利用兩個均壓罐回收完成吸附的塔內的氣體，依次的被用于沖洗和充壓，提高了氧氣回收率，但該沖洗氣的氧濃度較低，難以獲得高濃度的產品氧氣。國內專利CN104340961.A提出了充分回收尾氣的七閥兩步不等勢均壓流程，但為了防止吸附塔提前穿透而獲得高濃度氧氣，均壓完成后兩個吸附塔內壓力并不相等，回收的有用組分較少，制氧能耗仍然較高。美國專利US 8128734提出了完成解吸塔的吸附塔先逆向均壓再產品氧氣充壓的方法來提高制氧性能，但其均壓次數少，回收率提高的有限。國內專利CN101531342.A提出了五塔變壓吸附制氧的方法，通過吸附塔間多次均壓充分回收吸附床內機械能和有用組分，但其流程復雜。美國專利US6454838提出了具有四次出氣端均壓的六塔變壓吸附制氧的方法，有效地提高了氧氣回收率，然而流程復雜，且需要閥門等部件很多。

發明內容

本發明目的在于克服現有技術的缺點和不足提供一種多次交替均壓和充壓的低壓變壓吸附制氧系統，并提供該系統的操作方法。

現有典型的變壓吸附制氧系統，如圖1所示，空壓機排氣壓力較高，約為0.4~0.8 Mpa，吸附塔內裝填預處理的吸附劑和制氧吸附劑，完成吸附的吸附塔與完成解吸的吸附塔經過出氣端均壓和出氣端與進氣端的交錯均壓兩個均壓過程，且為了防止吸附塔提前穿透出氣端與進氣端的交錯均壓的時間很短，回收的有用組分很有限，制氧能耗較高。

本發明提出一種多次交替均壓和充壓的低壓變壓吸附制氧系統，如圖2所示，是對現有PSA制氧系統的改進，即完成吸附的吸附塔與完成解吸的吸附塔經過出氣端均壓，第一次保壓，第一次產品氧氣充壓，第一次出氣端和進氣端交錯均壓，第二次保壓，第二次產品氧氣充壓，第二次出氣端和進氣端交錯均壓的多次交替均壓和充壓過程，產品氧氣充壓使靠近出氣端的氮氣濃度退回至靠近進氣端位置，防止吸附劑層提前被穿透，有利于進行多次均壓過程，充分回收吸附完成后吸附塔內的有用組分，可以顯著提高氧氣回收率。同時，采用了較低吸附壓力的PSA流程，制氧能耗明顯降低。

一種多次交替均壓和充壓的低壓變壓吸附制氧系統包括低壓空氣壓縮機(1)、冷干機（2）、空氣緩沖罐P1、進氣管路（3）、裝填多層吸附劑的第一吸附塔A和第二吸附塔B、出氣端均壓管路（13）、出氣端和進氣端交錯均壓管路（10）、反吹控制閥(15)、出氧管路（18）、氧氣緩沖罐P2、產品氧氣充壓管路（19）。所用低壓空氣壓縮機(1)排氣壓力很低，約為0.2~0.35 MPa。裝填多層吸附劑的第一吸附塔A和第二吸附塔B高徑比較小，約為0.5~2.5，裝填了至少4層具有不同顆粒直徑的吸附劑，第一層為顆粒直徑較大（顆粒直徑為1~3 mm）的預處理吸附劑層，第二層為顆粒直徑較大（顆粒直徑為1.5~4 mm）用于保護的的制氧吸附劑層，其裝填高度至少為50 mm，第三層為顆粒直徑很小（顆粒直徑為0.3~1 mm）的主制氧吸附劑層，第三層為顆粒直徑較大（顆粒直徑為1.5~2 mm）用于輔助保護的的制氧吸附劑層，其裝填高度至少為30 mm。第一層預處理吸附劑層裝填能吸附水分、二氧化碳等雜質的三氧化二鋁等吸附劑。第二保護層和第四輔助吸附劑層為制氧性能一般的吸附劑，而第三層主制氧吸附劑為鋰型或者其他稀土等離子交換得到高性能的制氧吸附劑，且其吸附速率和產氧率很高，產氧率≥100NL/(h.kg)。

第一層預處理吸附劑層與第二保護層間，第二保護層與第三主制氧吸附劑層間以及第三主制氧吸附劑層間與第四輔助吸附劑層間通過分流板隔開，且各層間存在一定的間隙，該間隙是優選而非必要的。