[发明专利]从空气中回收氧气的单床变压吸附法

说明书

本发明涉及进行空气分离的变压吸附系统，特别是涉及用单床变压吸附系统从空气中回收氧气。

变压吸附法(PSA)在工业上是有吸引力的方法，可用于分离和提纯含有至少一种不易吸附组分和至少一种易吸附组分的进料气体混合物中的至少一种组分。在空气情况下，易吸附组分典型为氮气，而不易吸附组分为氧气。吸附床中高吸附压力下易吸附组分即氮气进行吸附，然后通过将降低吸附床压力降到低解吸压力而从吸附床中进行解吸。

多床PSA方法尤其可有效地用于氧气生产规模为30000-120000NCFH或以上的制氧装置。对于流量要求在该范围以下的情形而言，就需要单床吸附系统。在同样转让给本申请人的题为“Single BedPressure Swing Adsorption System and Process”的US 5370728(LaSala etal.)中公开了单床PSA或VPSA(真空变压吸附法)，其中采用了一对外置缓冲罐，而其中一个罐提供高纯度氧气，该氧气既作为要求的产品，又作为操作循环的抽气期间吸附床的冲扫气体。第二缓冲罐收集减压期间从床中抽出的空隙气体(即低纯度氧气)并且在吸附床增压期间将该空隙气体送入吸附床。

图1中示出了LaSala et al.系统的流程图，其中采用单吸附床生产氧气。产品缓冲罐，下称“高纯度氧气罐”，与调节或平衡罐(下称“低纯度氧气罐”)一起用于回收产品并且改善该系统的动力需求。管线1经滤尘器-静气装置3和阀4将进料空气提供给进料压气机/真空抽气机2。管线5从进料压气机/真空抽气机2连到管线6和7，而管线6包括阀8和出口静气装置9，经该装置通过管线10排出气体。用阀15经与装置9相连的管线14也可完成排出气流。管线7包括出口缓冲装置11，进行进料气体冷却的后续冷却器12和阀13。排气管线14包含阀15。包含阀17的管线16连到阀4下游的管线1上。管线7和16均与从吸附装置19内吸附床底部延伸出来的管线18相连。管线20从吸附装置19的顶部延伸出来并与管线21，阀22和低纯度氧气罐23相连。管线24则与管线20相连并经止回阀25与高纯度氧气罐26相连。如下所述，在本发明连续生产产品的实施方案中并不需要止回阀25。相反，将产品气体通过阀29送入高纯度气罐26。产品氧气从高纯度氧气罐26经管线27抽出。管线20也经阀29与管线28和高纯度氧气罐26相连。

以上LaSala et al.的专利中图1所示的系统的操作涉及到按照以下顺序的5步骤循环或周期：(1)部分减压；(2)抽气；(3)冲扫；(4)部分增压和(5)加压和产品回收。假定高纯度氧气罐26已从吸附装置19中接收了高纯度氧气并且吸附装置19处于高吸附压力下，则操作顺序就通过将吸附装置19部分减压而开始循环。因此，阀13关闭并且阀15打开，使进料压气机/真空抽气机2可将空气抽到大气中。阀22打开并且吸附装置19开始从高吸附压力减压。空隙气体(void space gas)由吸附床中的空隙体积被置换并且经管线21送到低纯度氧气罐23，从而达到约14.5-15psia的压力。低纯度氧气罐23中的氧气浓度典型为85-89％。阀8，17和29在该过程中关闭，这直到吸附装置19中的压力降到中压，如16psia为止。该部分减压步骤的循环时间约为4-7秒。

装置抽空步骤在吸附装置19已将部分空隙气体驱赶到低纯度氧气罐23中并且吸附装置19中的压力已降到中压后出现。阀8和17打开并且阀4，15，13，22和29以及止回阀25关闭。因此，吸附装置19中的气体从管线18中出来后经阀17，管线16分流而进入进料压气机/真空抽气机2的入口。该空隙气体经出口静气装置9而排入大气中。该操作过程可使进料压气机/真空抽气机2进一步将吸附装置19抽空而达到大气压以下。

在该循环抽气期间平均计的抽空气体的大致组成为90％氮气和10％氧气。将吸附装置19抽空到大气压以下以引起吸附剂的空隙中的氮气分压差，从而使吸附剂解吸和再生并为下一循环作准备。装置抽空步骤要进行到吸附装置19中的压力达到低解吸压力，如大致5psia为止。该循环的该步骤操作时间为约25-40秒。

然后，在低解吸压力下进行装置冲扫步骤。阀29打开并且将产品气体从高纯度氧气罐26中侧流分流到吸附装置19的顶部。该氧气进入后将该装置中剩余的主要由解吸氮气构成的大量剩余空隙气体扫除。冲扫气流置换吸附装置19的空隙体积中存在的解吸气体。装置冲扫步骤在恒定的真空或其他解吸压力下进行，而阀8和17仍打开，控制阀29也打开，但所有其他阀关闭。