一種vpsa空氣分離制富氧流程的製作方法
2023-07-07 12:27:31
專利名稱：一種vpsa空氣分離制富氧流程的製作方法
技術領域：
本發明涉及到一種採用真空變壓吸附(VPSA)從空氣中分離、富集氧氣的方法，屬 氣體分離領域。
背景技術：
氧氣是工業的重要原料，廣泛應用於冶金、化工、電力、化肥、玻璃、水處理、有色 金屬冶煉和醫療領域。變壓吸附法制氧工藝具有流程簡單、安全、投資少、能耗低、自動化 程度高、開停車方便迅速、啟動時間短，適應性強，制氧過程在常溫常壓下完成，氧氣純度在 50% 95%之間可任意調整，負荷可在30% 110%範圍內隨意變化等優點。自20世紀 80年代以來，隨著變壓吸附法分離空氣制富氧技術的成熟，在無需高純氧氣的場合，變壓吸 附(PSA)法已發展成為世界上獲取低成本氧氣的主要方法。目前，變壓吸附空氣分離制富氧的主要工藝包括PSA工藝和VPSA工藝。PSA工藝 主要採用加壓吸附、常壓解吸，其基本流程為加壓吸附，均壓降壓，順放，逆放，衝洗，均壓 升壓，產品氣升壓。VPSA工藝主要採用常壓吸附、真空解吸，其基本流程為常壓吸附，均壓 降壓，抽真空，均壓升壓，產品氣升壓。PSA工藝吸附壓力較高(0.2 0. 6MPa)投資小、設備 簡單，但能耗高，只適用於小規模製氧領域。VPSA工藝設備相對複雜，但氧收率高，能耗低， 適用於較大規模製氧領域。目前，伴隨鋼鐵、有色金屬冶煉、化工等行業的發展，VPSA大規 模製取富氧已成為變壓吸附氣體分離純化領域的一個重點發展方向。但在VPSA制富氧工藝中，現在多採用水環真空泵提供真空，且對不同的吸附劑的 解吸再生採用同一真空系統。由於水環真空泵工作過程中大量水的蒸發，致使VPSA系統仍 具有較高的能耗。
發明內容
本發明提供一種VPSA空氣分離制富氧流程，發明的目的在於通過改進工藝流程， 降低系統能耗，並以此降低富氧生產成本。本發明所提供的VPSA空氣分離制富氧流程，其制氧系統主要由吸附塔組、真空 泵、閥門和管道組成。上述吸附塔組由兩個吸附塔通過管道和閥門連接而成。其中，吸附 塔組下塔裝填活性氧化鋁、13X分子篩，用以吸附H20、C02 ；吸附塔組上塔裝填氧氮分離分子 篩，用以吸附N2。上述吸附塔組上塔底部以管道和閥門連接真空泵，其作用的是為上塔中氧氮分離 分子篩的再生提供真空，該真空泵為液環式真空泵，其工作液為具有極低飽和蒸氣壓的液 體，如1-甲基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽等離子液。下塔 底部通過管道與閥門連接另一真空泵，其作用的是為下塔中活性氧化鋁、13X分子篩的再生 提供真空。上、下塔中吸附劑真空解吸再生時，上塔與下塔相互獨立，各自由與其相連的真 空泵提供真空。由於水環真空泵工作過程中做功產生熱量，會使泵體中工作水環發熱，並引 起水大量受熱蒸發，致使整個制氧系統的能耗偏高，而採用具有低蒸氣壓特性的液體為工3作液的液環真空泵工作時，將不存在因大量工作液的蒸發而使系統能耗上升的狀況出現， 同時還可對系統提供更高的真空度，因此，上塔由其提供真空，有利於同時實現降低能耗、 氧氮分離吸附劑床層的充分解吸再生以及氧氣收率的提高。而吸附塔組下塔主要為吸附空 氣中的水和CO2，故仍保留採用常規的水環真空泵或羅茨真空泵等對其提供真空。本發明所提供的VPSA空氣分離制富氧流程，其步驟依次包括(1)吸附空氣自下而上通過一吸附塔組，在不同吸附劑作用下，依次吸附脫除 H20、C02 J2，一步製取富氧。富氧純度在45 95%間可調。富氧從塔頂輸出進入產品緩衝 罐，再經管道送至用戶。(2)吸附塔組上、下塔並行均壓降壓當吸附塔組中吸附劑吸附接近飽和後，即當 吸附雜質的傳質區前沿到達床層出口預留段某一特定位置時，停止吸附，同時關閉上下塔 之間的連接閥，塔組的上、下塔各自開始轉入再生過程。順著吸附方向，上塔與另一塔組的 已完成真空再生的上塔均壓，即上塔均壓降壓。同時，下塔與另一塔組的已完成真空再生的 下塔均壓，即下塔均壓降壓。(3)吸附塔組上、下塔並行抽真空塔組上、下塔均壓降後，逆著吸附方向，上、下 塔獨立且同時進行抽取真空。上塔以低蒸氣壓液體(如等離子液)液環真空泵抽取真空， 下塔以常規的水環真空泵或羅茨真空泵等抽取真空。(4)吸附塔組上、下塔並行均壓升壓上、下塔均壓升壓各自獨立且同時進行。逆 著吸附方向，塔組上塔與另一塔組已完成吸附步驟的上塔均壓；逆著吸附方向，塔組下塔與 另一塔組已完成吸附步驟的下塔均壓。(5)升壓開啟上、下間的連接閥，以產品氣和空氣對塔組升壓至吸附壓力，為下 一次吸附做好準備。本發明所提供的VPSA空氣分離制富氧流程，其特點在於同一吸附塔組中，上、下 塔在吸附及升壓兩個步驟時是作為一個連接在一起的整體工作的，而在其它步驟中上、下 塔的工作是完全獨立且並行的。本發明用於VPSA空氣分離制富氧，在實際運用時，VPSA制富氧系統中的吸附塔組 數可根據需要調整為兩組或兩組以上。多組吸附塔組聯合工作，即可連續製備富氧。本發明中，因採用吸附塔組和多真空系統、以及採用上述VPSA空氣分離制富氧流 程步驟，則與常規的VPSA制富氧流程相比，制氧系統能耗可降低12 17%，同時可提高氧 氣收率2 5%。
圖1是根據本發明內容所實施的一個兩塔組VPSA空氣分離制富氧系統的制氧流 程示意圖。
具體實施例方式以一個兩塔組VPSA空氣分離制富氧系統的制氧流程為例，並結合圖1對本發明進 行說明，但本發明的應用範圍並不限制於此。實施例1在一個兩塔組VPSA空氣分離制富氧系統中，以塔TA1、TBl所組成的塔組為例，描述工藝流程如下(1)吸附(A):開啟閥￥41、￥43、￥46、￥7，空氣從塔底進入塔1々1，在塔丁八1中，空氣 中H2(KO)2依次被活性氧化鋁、13X分子篩吸附脫除。再經閥VA3，從底部進入TB1，在塔TBl 中，N2被氧氮分離分子篩所吸附脫除，所形成的富氧產品氣經閥VA6、V7送入產品氣緩衝罐 V，當吸附雜質前沿到達吸附床層出口預留段某一特定位置時，關閉閥VA1、V7、VA3，停止吸 附。(2)塔組上、下塔並行均壓降壓(TAED、TBED)開啟閥VB6、VA5，關閉閥VB5，順著吸 附方向，塔TBl將其部分富氧送入已完成真空再生的塔TB2，直至TBl與TB2壓力平衡。同 時，開啟閥VA4、VA2，順著吸附方向，塔TAl將其部分已脫除H2(KO)2的氣體送入已完成真空 再生的塔TA2，直至TAl與TA2壓力平衡。(3)塔組上、下塔並行抽真空(TAV、TBV)關閉閥VA6，以真空泵P2對塔TBl抽真 空，TBl中氧氮分離分子篩得以充分解吸再生。同時，關閉閥VA4，以真空泵Pl對塔TAl抽 真空，TAl中活性氧化鋁和13X分子篩得以充分解吸再生。(4)塔組上、下塔並行均壓升壓(TAER、TBER)關閉閥VA5，開啟閥VA6、VB5，逆著吸 附方向，將已完成吸附動作的塔TB2中部分富氧引入塔TB1，直至TBl與TB2壓力平衡。同 時，關閉閥VA2，開啟閥VA4、VB2，將已完成吸附動作的塔TA2中部分已脫除H20、C02的氣體 引入塔TAl，直至TAl與TA2壓力平衡。(5)升壓(FR)關閉閥VA4，打開閥V7、VA3、VA1，產品氣緩衝罐V中產品氣經V7、 VA6自上而下對塔組升壓，同時空氣經VAl自下而上對塔組升壓，直至壓力升至吸附壓力。 至此，塔TA1、TBl及其相連的管道、閥門所組成的塔組完成一個吸附——再生周期，等待下 一次吸附。兩塔組VPSA空氣分離制富氧流程中，塔TA1、TB1所組成的塔組與塔TA2、TB2所組成的另一塔組的步序如下表
權利要求
1.一種VPSA空氣分離制富氧流程，其特徵在於制氧系統由兩組或兩組以上的吸附塔 組，以及真空泵、閥門和管道組成，其中每組吸附塔組由上、下兩個吸附塔通過管道和閥門 連接而成，吸附塔組上塔底部以管道和閥門連接真空泵，下塔底部通過管道與閥門連接另 一真空泵，吸附塔組的下塔裝填活性氧化鋁、13X分子篩，吸附塔組的上塔裝填氧氮分離的 分子篩類吸附劑；製取富氧時，每一吸附塔組的每一工作循環周期依次包括以下步驟(1) 吸附，(2)吸附塔組上、下塔並行均壓降壓，(3)吸附塔組上、下塔並行抽取真空，(4)吸附塔 組上、下塔並行均壓升壓，( 升壓。
2.根據權利要求1所述一種VPSA空氣分離制富氧流程，其特徵在於在吸附步驟中，空 氣自下而上通過吸附塔組，在不同吸附劑的作用下，依次被吸附脫除H20、CO2, N2，一步生成富氧。
3.根據權利要求1所述一種VPSA空氣分離制富氧流程，其特徵在於在吸附塔組上、下 塔並行均壓降壓步驟中，上、下塔均壓降壓各自獨立且同時進行。即，順著吸附方向，塔組上 塔與另一塔組已完成真空再生步驟的上塔均壓，而同時，順著吸附方向，塔組下塔與另一塔 組已完成真空再生步驟的下塔均壓。
4.根據權利要求1所述一種VPSA空氣分離制富氧流程，其特徵在於在吸附塔組上、下 塔並行抽取真空步驟中，塔組上、下塔獨立且同時進行抽取真空。即，逆著吸附方向，以與上 塔相連的真空泵對上塔抽真空，而同時，逆著吸附方向，以與下塔相連的真空泵對下塔抽真 空。
5.根據權利要求1所述一種VPSA空氣分離制富氧流程，其特徵在於在吸附塔組上、下 塔並行均壓升壓步驟中，上、下塔均壓升壓各自獨立且同時進行。即，逆著吸附方向，塔組上 塔與另一塔組已完成吸附步驟的上塔均壓，而同時，逆著吸附方向，塔組下塔與另一塔組已 完成吸附步驟的下塔均壓。
6.根據權利要求1所述一種VPSA空氣分離制富氧流程，其特徵在於在升壓步驟中，以 產品氣和空氣共同對吸附塔組升壓至吸附壓力。
7.根據權利要求1所述一種VPSA空氣分離制富氧流程，其特徵在於吸附塔組上塔底部 所連真空泵為液環式真空泵，真空泵的工作液為具有低飽和蒸氣壓的液體。
8.根據權利要求1所述一種VPSA空氣分離制富氧流程，其特徵在兩組或兩組以上的吸 附塔組按照一定的步序交替工作，實現富氧的連續製取。
全文摘要
本發明提供一種VPSA空氣分離制富氧流程。其VPSA制氧系統主要由兩組或兩組以上的吸附塔組，以及真空泵、閥門和管道組成，其中每組吸附塔組由上、下兩個吸附塔通過管道和閥門連接而成，吸附塔組的下塔裝填活性氧化鋁、13X分子篩，吸附塔組的上塔裝填氧氮分離的分子篩類吸附劑。吸附塔組上塔底部以管道和閥門連接真空泵，下塔底部通過管道與閥門連接另一真空泵。VPSA制富氧流程依次包括以下步驟(1)吸附；(2)塔組上、下塔並行均壓降壓；(3)塔組上、下塔並行抽取真空；(4)塔組上、下塔並行均壓升壓；(5)升壓。本發明中，因吸附塔組的採用、多真空系統的採用、以及採用上述VPSA空氣分離制富氧流程各步驟，則與常規的VPSA制富氧流程相比，制氧系統能耗可降低12～17％，同時可提高氧氣收率2～5％。
文檔編號B01D53/047GK102049170SQ20091021617
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月9日 優先權日2009年11月9日
發明者楊炯良, 郎治 申請人:成都華西工業氣體有限公司