[發明專利]一種基于耦合分離技術制取高純度氧氣的方法及其裝置

有效

• 申請號: 202110222393.0
• 申請日: 2021-03-01
• 公開（公告）號: CN112960650B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 陳奕璇;羅二平;羅鵬;李新;申廣浩;王晨;顧修筑;謝東紅;賈吉來
• 申請（專利權）人: 上海穗杉實業股份有限公司;中國人民解放軍空軍軍醫大學;穗杉（寧波）科技有限公司
• 主分類號: C01B13/02
• 分類號: C01B13/02
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于氣體分離技術領域，具體為一種基于耦合分離技術制取高純度氧氣的方法及裝置。本發明是將變壓吸附干燥技術與沸石膜分離技術相耦合，即制氧過程包括前級變壓吸附干燥過程和后級沸石膜分離過程。其中，變壓吸附干燥技術通過采用吸附塔去除空氣中的水分，并加以壓縮；沸石膜分離技術是采用沸石膜分離器進行氧和氮分離、氧和氬分離，祛除來自吸附干燥床層除去了水分的干燥的壓縮空氣中的氮氣、氬氣，從而獲得純度90%甚至99.5%以上的高純度氧氣；其中將沸石膜分離過程產生的廢氣的一部分回流到前級變壓吸附干燥過程，作為再生階段的清洗氣。本發明可明顯降低系統氣量消耗，提高系統整體回收率。

技術領域

本發明屬于氣體分離技術領域，具體涉及一種自空氣中制取高純度氧氣的方法及裝置，采用本方法的典型應用是分離純度達90％甚至99.5％以上的氧氣。

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，如變壓吸附干燥、變壓吸附制氧、制氮等等，其中，吸附干燥通常用以除掉壓縮空氣中含有的水分，以獲得露點較低的干燥壓縮空氣。

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，但即使將空氣中所有氮氣吸附掉，也難以產生濃度大于95％的產品氧氣，其產品氣中含有約5％的氬氣。因此，為了獲得高純度氧氣，基于吸附方法時，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，盡管以單一動力設備實現了分離過程，純度仍然難以滿足99.5％以上的要求，而且，其15％的氧氣回收率大大限制了其應用。

膜分離技術是20世紀中期發展起來的一種高新技術，在應用于提純氧氣方面的工業化實踐中，迄今為止，有代表性的能應用于空氣分離的有機膜分離材料其氧氮分離的α(阿爾法)值大都在2～7之間，氧氬分離的選擇性大都不超過3.5，同時具有氧氮、氧氬分離特性的分離材料更為少見，α即所謂氧氮或者氧氬的選擇性，也即是膜分離材料對氧/氮、氧/氬的滲透量之比，模擬過程計算表明，氧氮分離選擇性在7左右的膜分離材料可以直接自空氣中獲得大約60％以下純度的氧氣，采用多級膜分離過程的系統可以獲得純度甚至大于90％的氧氣，如美國專利US626559揭示了一種從氣態混合物中分離出一種純凈組分氣體的方法和系統，可以有效地從環境空氣中獲取純凈氧氣(純度為60-90％)，所提供的系統和方法中至少用三級滲透器，但不是每級都需要一臺壓縮機,盡管就膜分離系統而言減少了能量需求，但顯然，與變壓吸附方法制取氧氣比較，系統復雜，尤其分離效率非常低下，以至于無法工業化使用。

也有采用一種有機膜分離技術，如連續薄膜塔(CMC)來生產99％純度的氧氣的方法，還有以PSA方法產生的95％的氧氣作為原料，再以一般有機膜分離方法或連續薄膜塔(CMC)的方法提純氧氣的各種方法，尤以4出口薄膜組件的薄膜循環分離系統為優，可以生產純度99％以上的氧氣，但是這種分離系統額外的壓縮動力顯得能源消耗非常高，CMC循環要求的特殊薄膜分離器也非常昂貴，制約了其工業應用。現已經商品化了的膜分離器其氧氬分離的選擇性不超過3.5的分離系統，其分離效率也讓人難以應用到諸如提純99％以上的高純度氧氣方面。此外，采用這種有機的中空纖維膜因能源消耗過大而基本上無工業化應用價值而言。

同時，隨工藝系統耦合，將需要更多數量的控制閥門，以及圍繞中間工藝氣體回收等所需的儲罐，這些，不僅大幅增加了設備的復雜程度，還大幅增大了設備體積，設備的故障率也因為工藝系統復雜而優顯突出。

發明內容

鑒于以上情況，針對以非深冷空分技術手段獲得90％甚至純度高達99.5％以上的高純度氧氣，本發明提出一種自空氣中制取高純度氧氣的方法及裝置，所述高純度氧氣是指純度達到90％甚至達到99.5％以上的氧氣。

本發明提出的自空氣中制取高純度氧氣，是將變壓吸附干燥技術與沸石膜分離技術相耦合，即制氧過程包括前級變壓吸附干燥過程和次級沸石膜分離過程。其中：