[发明专利]一种基于耦合分离技术制取高纯度氧气的方法及其装置

说明书

本发明属于气体分离技术领域，具体为一种基于耦合分离技术制取高纯度氧气的方法及装置。本发明是将变压吸附干燥技术与沸石膜分离技术相耦合，即制氧过程包括前级变压吸附干燥过程和后级沸石膜分离过程。其中，变压吸附干燥技术通过采用吸附塔去除空气中的水分，并加以压缩；沸石膜分离技术是采用沸石膜分离器进行氧和氮分离、氧和氩分离，祛除来自吸附干燥床层除去了水分的干燥的压缩空气中的氮气、氩气，从而获得纯度90%甚至99.5%以上的高纯度氧气；其中将沸石膜分离过程产生的废气的一部分回流到前级变压吸附干燥过程，作为再生阶段的清洗气。本发明可明显降低系统气量消耗，提高系统整体回收率。

技术领域

本发明属于气体分离技术领域，具体涉及一种自空气中制取高纯度氧气的方法及装置，采用本方法的典型应用是分离纯度达90％甚至99.5％以上的氧气。

背景技术

变压吸附(PSA)是一种重要的、具有广泛应用的气体分离方法，如变压吸附干燥、变压吸附制氧、制氮等等，其中，吸附干燥通常用以除掉压缩空气中含有的水分，以获得露点较低的干燥压缩空气。

由空气流生产氧气的传统PSA法，通常采用如CaA，CaX，NaX，LiX型等氮吸附剂基于平衡吸附理论制氧，但即使将空气中所有氮气吸附掉，也难以产生浓度大于95％的产品氧气，其产品气中含有约5％的氩气。因此，为了获得高纯度氧气，基于吸附方法时，人们不得不采用更为复杂的多级变压吸附系统，国内专利CN1226142A就揭示了一种采用多级变压吸附获得纯度98.4％的变压吸附方法，以沸石氮吸附剂祛除大量的氮气，以基于动力学分离特性的碳分子筛实现氧氩的分离，尽管以单一动力设备实现了分离过程，纯度仍然难以满足99.5％以上的要求，而且，其15％的氧气回收率大大限制了其应用。

膜分离技术是20世纪中期发展起来的一种高新技术，在应用于提纯氧气方面的工业化实践中，迄今为止，有代表性的能应用于空气分离的有机膜分离材料其氧氮分离的α(阿尔法)值大都在2～7之间，氧氩分离的选择性大都不超过3.5，同时具有氧氮、氧氩分离特性的分离材料更为少见，α即所谓氧氮或者氧氩的选择性，也即是膜分离材料对氧/氮、氧/氩的渗透量之比，模拟过程计算表明，氧氮分离选择性在7左右的膜分离材料可以直接自空气中获得大约60％以下纯度的氧气，采用多级膜分离过程的系统可以获得纯度甚至大于90％的氧气，如美国专利US626559揭示了一种从气态混合物中分离出一种纯净组分气体的方法和系统，可以有效地从环境空气中获取纯净氧气(纯度为60-90％)，所提供的系统和方法中至少用三级渗透器，但不是每级都需要一台压缩机,尽管就膜分离系统而言减少了能量需求，但显然，与变压吸附方法制取氧气比较，系统复杂，尤其分离效率非常低下，以至于无法工业化使用。

也有采用一种有机膜分离技术，如连续薄膜塔(CMC)来生产99％纯度的氧气的方法，还有以PSA方法产生的95％的氧气作为原料，再以一般有机膜分离方法或连续薄膜塔(CMC)的方法提纯氧气的各种方法，尤以4出口薄膜组件的薄膜循环分离系统为优，可以生产纯度99％以上的氧气，但是这种分离系统额外的压缩动力显得能源消耗非常高，CMC循环要求的特殊薄膜分离器也非常昂贵，制约了其工业应用。现已经商品化了的膜分离器其氧氩分离的选择性不超过3.5的分离系统，其分离效率也让人难以应用到诸如提纯99％以上的高纯度氧气方面。此外，采用这种有机的中空纤维膜因能源消耗过大而基本上无工业化应用价值而言。

同时，随工艺系统耦合，将需要更多数量的控制阀门，以及围绕中间工艺气体回收等所需的储罐，这些，不仅大幅增加了设备的复杂程度，还大幅增大了设备体积，设备的故障率也因为工艺系统复杂而优显突出。

发明内容

鉴于以上情况，针对以非深冷空分技术手段获得90％甚至纯度高达99.5％以上的高纯度氧气，本发明提出一种自空气中制取高纯度氧气的方法及装置，所述高纯度氧气是指纯度达到90％甚至达到99.5％以上的氧气。

本发明提出的自空气中制取高纯度氧气，是将变压吸附干燥技术与沸石膜分离技术相耦合，即制氧过程包括前级变压吸附干燥过程和次级沸石膜分离过程。其中：