[发明专利]空气分离前的预净化

说明书

本发明涉及一种在将空气输入传统的空气分离装置之前除去其中所含的不需要气体之方法。

借助低温分离空气来制备氮、氧的传统空气分离装置(ASU)一般是一个在很低温度下运行的两级分馏塔。因为ASU的温度极低，须将水蒸汽和CO₂从输入其中的压缩空气中除去。否则，ASU的低温区段将被冻结，从而需要停产，加热阻塞区段，重新汽化及去除气体冻结形成的固态团块。这是很昂贵的。故为了防止ASU中的冻结，压缩空气进气中水汽及CO₂的含量必须分别小于0.1ppm及1.0ppm。

空气预净化的方法和装置，必须能完全符合上述杂质标准，并希望优于上述杂质标准，又必须能有效地完成预净化。因为预净化的费用是直接添加到ASU气体产物的成本中，所以这一点有特殊重要的意义。

目前用于空气预净化的工业方法包括反向热交换器法、变温吸附法及变压吸附法。前两种方法已由Wilson等人在IOMABROADCASTER Jan.-Feb.，1984，pp15-20中披露。

反向热交换器法借助在通道中交替地冷冻和汽化水汽和CO₂而除去之。这种系统需要有大量的即大于50％的产物气来清洗即再生它们的通道。因为存在这一重大缺点，且还有机械及噪声问题，故反向热交换器法作为预净化的一种手段近年来已日趋减少。

变温吸附法(TSA)预净化过程中，杂质在低温、约5℃下除去，而在高温即约150℃-250℃进行再生。用于此再生所需的产物气量仅为12-15％，比反向热交换器法有明显改善。然而，TSA法要求有冷冻装置以冷却进气，又要求有加热装置以加热再生气体，因此在费用和能耗两方面均有缺点。

变压吸附法(PSA)相对TSA而言，是有吸引力的选择，因为吸附和再生均在环境温度下进行。PSA法一般需要较TSA法为多的再生气，这从低温分离产物要求高收回率来说是个缺点。然而，在一具有足量的(即占进气量40％的)废气流的低温设备中，这一缺点可以减小，这种废气流作为再生气很理想，因为它不含杂质，即不含水汽和CO₂，并且无论如何是要排出放空的。然而尽管文献上有许多以PSA法为基础的预净化方法，但因高费用高能耗之故只有极少运用于工业生产中。

德国专利公告DE3045451(1981)描述了一种PSA预净化法，它在5-10℃，880KPa(9kg/cm²)吸附压力及98KPa(latm)再生压力下运行。进气加压后，流过13X沸石颗粒层除去大量水汽和CO₂，而后经过活性氧化铝颗粒层除去剩余的低浓度CO₂和水汽。据称活性氧化铝层占约20-80％床总体积。以此方式设置的吸附剂层，据称是为了减少吸附剂床中“冷点”的形成。一种与此德国专利近似的方法由Tomomura等人在KAGAU KOGAKU RONBUNSHU，13(5)，(1987)，PP548-553中披露，此法在28-35℃、0.65Mpa吸附压力及0.11Mpa再生压力下进行，达到7.1Sm³/min/m³单位分子筛体积的产率，排气损失为进入空气的6.3％。虽然6.3％似乎是个小数目，但每百分之一体积的进气损失对于每天生产200吨氮气的工厂而言，则平均每年运行损失一万美元。

日本专利公告昭59-4414(1984)描述了一种PSA预净化法，它是用分开的两个床层和吸附剂分别除去水汽和CO₂。含有活性氧化铝或硅胶的去除水汽塔靠低压吹洗再生，而含有13X沸石的去除二氧化碳塔则仅靠抽真空而不吹洗来再生。此方法需要约25％的再生气，从而可用于具有高产物回收率的低温法中。然而，在低温设备会产生相当多废气流的情况下，这种方法因真空泵的能耗大而使成本增大。

日本专利公告昭57-99316(1982)描述了一种方法，其中进气、排气及吹洗气流经一热交换器，导致吸附、解吸在几乎相同的温度下进行。据称该方法的优点是可减少所需的再生气的数量。

在日本专利公告昭55-95079(1980)披露的方法中，空气用PSA法分两阶段处理而除去水汽和CO₂，来自PSA装置的干燥空气产物用于吹洗第一阶区，而来自ASU的非纯净氮气流则用于吹洗第二阶区此方法据称在氧气总回收率上是有优越性的。