[发明专利]单床变压吸附系统和方法

说明书

本发明涉及用于空气分离的变压吸附系统。更具体地说，涉及在从空气中回收氧气的过程中，单床变压吸附系统的应用。

变压吸附(PSA)的方法和系统提供了一种工业上具有吸引力的从含有至少一种难吸附组分和至少一种易吸附组分的气体混合物原料中分离和提纯至少一种组分的方法。在较高的吸附压力下，在吸附剂床层中发生吸附，而将吸附剂床层的压力降低到较低的脱附压力，则使易吸附的组分从吸附剂床层脱附。吸附/脱附PSA方法的操作是公知的，例如在Wagner专利US 3,430,418中公开了一种含有四个或更多个床层的PSA系统。在这一专利中，PSA方法通常是在循环的基础上以如下操作程序进行的，该操作程序包括在每一床层中(1)随着进料气体被引入到床层的进料端，发生加压吸附，同时难吸附组分作为产物气体从床的产物端释放出；(2)随着空隙气体(voidspace gas)从床层的产物端释放，顺流减压到中等压力；(3)随着易吸附组分从床层的进料端释放，逆流减压到较低的脱附压力；(4)在较低的脱附压力下任选吹扫，随着吹扫气从床的进料端通至床的产物端，进一步脱出从吸附剂床层脱附的易吸附组分；和(5)从较低的脱附压力再升压到较高的吸附压力，从而随着另外进料气体通至床层，使该循环能够重复进行。在顺流降压步骤中放出的空隙气，在多床系统中通常用于各床之间的压力平衡，并在较低的脱附压力下作为吹扫气体进入床层。这类不同形式的操作程序用于含有一个或多个吸附剂床的系统。

在许多化工提炼厂，金属生产以及其它的工业应用领域，高纯气体物流通常用于各种目的，例如高纯氧气用于各种产业，如化学加工，炼钢厂，造纸厂，铅及玻璃生产过程。许多这类用途一般需要氧气的纯度在90-93％范围内，而流量高达100,000ft³/小时或更高。PSA工艺非常适于用(例如)上述各种处理技术以及其一些改进技术来分离空气生产氧气和氮气，尤其适合于较小规模的操作，因为此时低温空气分离装置在工业上是不可行的。在为制备高纯氧气产物而设计的这种PSA系统中，氧气作为空气的难吸附组分，而氮气作为空气中的易吸附组分，其吸附剂床层通常含有一种能够选择吸附氮气的吸附剂材料，当吸附/脱附循环在PSA系统中进行时，随着床层压力降低到较低的脱附压力，所述氯气脱附并从床层中移出。

在PSA-氧气和其它的PSA应用中，为了达到更低的投资成本、更高的系统可靠性，理想的是设计、制造、运输和设备的成本降到最低。因此希望使用操作部件数最少的PSA系统和方法，所述操作部件例如吸附剂容器、吸附剂量、相关的罐、阀、压缩设备、工艺管线等。通过选用单位产物能耗较低的方法，尽可能降低PSA系统的操作成本。用于生产氧气的这种方法理想地表现出高的氧气回收率，同时其压缩设备能够使用较低的压缩比。

如在上述Wagner专利中所述的含有四个或更多的吸附剂床层的PSA系统，用于某些气体分离操作，尤其是要达到大容量，高纯度和高回收率时是理想的。在其它的用途中，使用两个或三个床的PSA系统是可能的也是理想的。例如已经发现将两个床的PSA系统用于各种实际的工业PSA-氧气用途是很理想的。要分离的进料气体混合物通常压缩到较高的压力，一般为几个大气压，然后进行所希望的选择吸附。产生的高压产物气体，即进料空气中低选择性的氧气组分，通过一个管线去下游供使用。在典型的2-床PSA操作中，采用超过大气压力的条件。因此就整个循环而言，部分在大气压力之上运行，部分在大气压力之下运行。分离通常在压力非常接近1大气压时发生，产物气体然后压缩到要求的下游压力。已发现这是一种节省开支的操作方式，因为必须压缩的气体实质上是产物，而不是全部的进料气体物流。然而，由于该PSA工艺循环包括压力和真空两个条件，因此要完成该循环需要两台机器，即进料压缩机和真空式吸送器。这样的2-床系统对于生产能力为20,000NCFH-50,000NCFH或更高的氧气生产装置在成本上是有效的。对于流量要求低于这一范围的各种用途，2-床真空变压吸附(VPSA)系统的投资成本使这样的工艺不经济。

为了降低初始投资成本，使VPSA系统更适合于低流量的用途，已提出了VPSA的单床单机实施方案。由于VPSA-氧气装置的大部分投资成本涉及各空气压缩机、容器和在所述容器中使用的吸附剂的成本，因此可以理解的是，无论是在超过大气压力的操作的系统中还是在不用真空状态的系统中，如果将系统中包括的压缩机和吸附剂容器的数量减少一半，就可以显著降低投资成本。另外，单床PSA系统比多床PSA系统所需要的阀门要少得多。