[发明专利]空气纯化

说明书

本发明涉及在低温空气分离前从空气流去除水、二氧化碳和氧化亚氮，还任选去除烃。

空气的低温分离需要预纯化步骤用于去除高沸点物质和有害物质两者。主要的高沸点空气组分包括水和二氧化碳。若不实现从环境进料空气去除这些杂质，则水和二氧化碳将在分离过程的冷冻部分例如换热器和LOX池中凝析。这将引起压降、流量变化和操作问题。还必须回收各种有害物质，包括乙炔和其它烃。如果不去除，高沸点烃会在塔的LOX部分浓缩，导致潜在的爆炸危险。

已知还应去除氮的氧化物。次要的空气组分为氧化亚氮N₂O，其以约0.3ppm存在于环境空气。其具有与二氧化碳类似的物理性质，因此造成潜在的操作问题，因为在低温蒸馏装置的塔和换热器中形成固体。此外，已知氧化亚氮增强有机物质的燃烧且为冲击敏感的。因而，氧化亚氮还造成安全性危险。烃例如乙烯、乙炔、丁烷、丙烯和丙烷为其它杂质，在低温空气分离前期望将其去除。

空气的预纯化通常通过吸附性清除过程进行。这些可通过变温吸附(TSA)操作，如US4541851和5137548或U. Gemmingen（“Designs of Adsorptive Driers in Air Separation Plants (空气分离设备中吸附干燥器的设计)”，Reports on Technology 54/1994，Linde）所描述，通过变压吸附(PSA)操作，如US4711645、US5232474或C. W. Skarstrom（“Heatless Fractionation of Gases over Solid Adsorbents (气体经固体吸附剂的无加热分馏)”卷II，95，N. W. Li(编辑)，CRC Press，Cleveland，Ohio 1972）所描述，或通过那些过程的变体来操作，例如，如US 5614000描述的热增强PSA (TEPSA)或如US 5855650描述的TPSA。

通常，空气的预纯化通过在固体吸附剂上吸附并周期再生吸附剂，从空气吸附污染气体组分来进行。在这些方法中，将空气进料，与至少两个固体吸附剂层接触，以吸附待去除的组分，所述组分的浓度在吸附剂中逐渐提高。每一种去除的气体组分在吸附剂中的浓度不均一，但在吸附剂床的上游端最高，且经过吸附剂中的传质区域逐渐变小。若无限期地进行该方法，则传质区域逐渐向吸附剂床下游移动，直到待去除的组分从床的下游端穿透。在这发生前，有必要使吸附剂再生。

在变压吸附(PSA)系统中，这通过以下进行：停止待处理气体流入吸附剂，使吸附剂减压，并通常使具有低含量的在床上吸附的组分的再生气体流与产物进料方向逆流地通过该床。因为吸附要去除的组分，同时床处于在线，所以吸附过程将产生吸附热，导致热脉冲通过吸附剂向下游进展。在再生过程期间，必须提供热量，使已经吸附在床上的气体组分脱附。在PSA中，目标是在热脉冲抵达床的下游端之前开始再生；热脉冲的移动方向被再生气体的逆流流动反转，并将衍生自所讨论的气体组分吸附的热量用于在再生期间使该组分脱附。因此避免必须在再生步骤期间供热。然而，用于避免离开吸附剂床的热脉冲的短周期时间(进料时间通常为10-15分钟)需要床的频繁减压，在此期间进料气体被排出并损失(“转换损失”)。此外，通常使用两个吸附剂床，其中一个在线而另一个再生。一个床的减压和再生必须在短时间内发生，该时间内另一个床在线，且快速的再加压可导致进料和产物流的瞬变，这可能不利地影响设备操作。

已知备选程序为变温吸附(TSA)。在TSA中，延长周期时间(进料时间通常为2-12小时)，而且使上述热脉冲在进料或在线周期期间进展到吸附床的下游端外。为实现再生，因此必需供热以使吸附的气体组分脱附。为此，将所用的再生气体加热一段时间，以产生与正常进料方向逆流地移动通过床的热脉冲。该经加热再生气体的流通常后接冷再生气体的流，其继续置换向上游端通过床的热脉冲。TSA特征在于与PSA相比延长的周期时间。TSA为能量密集的，因为有必要供应加热到例如150-200℃的高温的再生气体，以确保被更强地吸附的组分从床脱附。通常还将待处理的空气预冷却，以使必须在床上吸附的水的量最小化，进一步增加设备和能源成本。