專利名稱：氣體分離方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種從含多種組分的氣體混合物中分離和回收有用氣體的方法和系統(tǒng)，特別地，本發(fā)明涉及一種適合從空氣中分離氧氣和氮氣或從含有貴重氣體和氮氣的氣體混合物中分離貴重氣體和氮氣以及獲得每種氣體的產(chǎn)品的氣體分離方法和系統(tǒng)。
背景技術：
低溫空氣分離方法已被廣泛用于從空氣為原料氣中分離和回收空氣中含有的氧氣和氮氣。在這些低溫空氣分離方法中，原料空氣被液化，利用氮氣和氧氣的沸點差將氧氣和氮氣蒸餾出來。由于這種低溫空氣分離方法的系統(tǒng)費用高，它適合用于消耗大量產(chǎn)品的系統(tǒng)中。
利用吸附劑進行分離的變壓吸附方法(Pressure Swing Adsorptionmethod，以下簡稱“PSA法”)最近被用于空氣組分的分離和回收。當采用這種PSA法從空氣中分離和回收氧氣作為產(chǎn)品時，使用沸石作為吸附劑。當加壓的空氣進入填充沸石的吸附塔中時，易被沸石吸附的氮氣被沸石吸附和保留，不易被沸石吸附的氧氣通過吸附塔并流出(吸附步驟)。然后，當填充沸石吸附劑的吸附塔中的壓力下降直到低于吸附步驟中吸附塔的壓力時，吸附步驟中沸石吸附劑吸附和保留的氮氣解吸，從吸附塔流出并回收(再生步驟)。
在PSA法中，在相對高的壓力下進行的吸附步驟和在相對低的壓力下進行的再生步驟在短時間內(nèi)交替重復。因此，容易增加單位質(zhì)量吸附劑的所需產(chǎn)品的回收量，PSA法的系統(tǒng)在規(guī)模上可減小。
例如，在PSA法中，當使用兩個吸附塔交替進行吸附步驟和再生步驟時，所需的產(chǎn)品能夠從兩個吸附塔中連續(xù)回收。在幾乎所有的PSA法中，不易被吸附劑吸附的、通過和流出吸附塔的組分能高純度地回收。當易被吸附劑吸附的組分作為需要的產(chǎn)品被回收時，吸附劑吸附這個易吸附的組分，但吸附劑也同時吸附少量的不易吸附的其它組分。另外，不易吸附的其它組分停留在吸附劑間的空隙空間中。在降低吸附塔的壓力的再生步驟中，使吸附塔中不易吸附的其它組分和解吸氣體一起流出。因此，易吸附的產(chǎn)品組分中包含相當量的不易吸附的其它組分。而且再生步驟中從吸附塔流出的易吸附組分和不易吸附組分間的混合比依賴于所用吸附劑的性質(zhì)而定。
因此，當易吸附的組分作為高純度產(chǎn)品回收時，在吸附步驟前的再生步驟中，必需在吸附步驟末使用易被吸附和回收為產(chǎn)品的組分(在前面的步驟中解吸回收的產(chǎn)品)沖洗吸附塔。這導致分離和回收步驟的復雜性。另外，這也需要提供沖洗的附加設備，例如壓縮機。
為了回收高純度的需要的氣體產(chǎn)品，基于PSA法分離氣體的常規(guī)設備和方法主要以含有多種組分氣體的氣體混合物中僅僅一種組分為目標。
例如，未審查的日本專利申請、第一次公布號昭55-147119公開了從氣體混合物中高純度地分離和回收多組分中的每一種組分的PSA法。這個分離方法使用由一個填充有選擇性吸附空氣中H2O和CO2的吸附劑的預備塔和一個填充選擇性吸附氮氣而不是氧氣的另一種吸附劑的主塔。這個分離方法提供富含氧氣的空氣和高純度的氮氣。
未審查的日本專利申請，第一次公布號昭55-147119公開的基于PSA法分離空氣的常規(guī)方法參照圖3解釋如下。
PSA空氣分離系統(tǒng)50包含填充有選擇性吸附H2O和CO2的吸附劑的預備塔Y1和Y2和填充有選擇性吸附氮氣的另一種吸附劑如沸石的主塔Z1和Z2。這些塔組成兩對包含預備塔Y1和主塔Z1、預備塔Y2和主塔Z2的處理系統(tǒng)。這些處理系統(tǒng)連接起來以便交替地被供應原料空氣。當一個處理系統(tǒng)被供應原料空氣和吸附氮氣生產(chǎn)富含氧氣的空氣(吸附步驟)時，另一個處理系統(tǒng)解吸前面的吸附步驟中吸附劑吸附的氮氣，提供高純度的氮氣(再生步驟)。
例如，當預備塔Y1和主塔Z1的聯(lián)合處于吸附步驟和預備塔Y2和主塔Z2的聯(lián)合處于再生步驟時，包含這些聯(lián)合的系統(tǒng)操作如下。
當包含預備塔Y1和主塔Z1的處理系統(tǒng)處于吸附步驟時，原料空氣MA進入管線51、通過閥門51和送風機52，因此原料空氣被加壓到預定壓力，加壓的原料空氣通過管線53、閥門52和管線54，供應給預備塔Y1。在預備塔Y1中，H2O和CO2被吸附并被從原料空氣中除去。然后H2O和CO2被吸附除去的空氣M通過閥門53，然后進入填充了沸石吸附劑的主塔Z1。當通過主塔Z1時，空氣M中的氮氣組分被沸石吸附劑吸附。不易被沸石吸附劑吸附的氧氣被濃縮成為富含氧氣的空氣。富含氧氣的空氣被迫流進管線55，通過閥門54和管線56，回收在富含氧氣的空氣罐57中。此后，富含氧氣的空氣經(jīng)管線58供應給使用點。
當包含預備塔Y2和主塔Z2的處理系統(tǒng)處于再生步驟時，打開閥門65，主塔Z2中累積的含氧氮氣被迫流入管線65。接著含氧的氮氣通過閥門65和管線69和60，回收在廢氣罐61中。廢氣用于預備塔Y1和Y2的再生清洗。此后，主塔Z2中的吸附劑吸附的氮氣通過關閉閥門65、打開閥門63和66、運轉(zhuǎn)真空泵62而解吸。解吸的氮氣通過閥門63和預備塔Y2、管線64、閥門66、和經(jīng)真空泵62的管線63和67，然后回收在氮氣儲存罐68中作為高純度的氮氣氣體產(chǎn)品。此后氮氣氣體產(chǎn)品經(jīng)管線70供應給使用點。
如上解釋，包含預備塔Y1和主塔Z1、預備塔Y2和主塔Z2的處理系統(tǒng)通過操作閥門交替進行吸附步驟和再生步驟。在該方法中，為了生產(chǎn)高純度的氮氣氣體產(chǎn)品，在吸附步驟之后和再生步驟之前，進行一個清洗步驟。在清洗步驟中，回收的氮氣被迫流出氮氣儲存罐68，進入到管線71、閥門67、管線72、循環(huán)送風機73、管線74、閥門75和76，供應給主塔Z1或Z2。進入的氮氣氣體清洗主塔Z1或Z2，即，主塔Z1或Z2中的氮氣濃度因氮氣進入而增加。因此，增加氮氣氣體的純度。
但是，在再生步驟中，用于解吸的氮氣以吸附步驟中原料空氣的流向的相反方向進入到主塔Z1或Z2中。換句話說，從主塔Z1或Z2中解吸的氮氣具有較高的純度，但在再生步驟中，由于該氮氣通過吸附H2O和CO2的預備塔Y1或Y2，因此氮氣和H2O和CO2一起流出。因此氮氣包含較高百分比的H2O和CO2雜質(zhì)。因此，除去這些雜質(zhì)是必需的，這導致需要提供附加設備，例如另外的送風機、空氣流動設備和精制設備例如干燥器。由于這個原因，分離系統(tǒng)變得復雜，系統(tǒng)費用也增加。
如上面的解釋，在未審查的日本專利申請、第一次公布號Sho55-147119公開的空氣分離方法中，使用氮氣產(chǎn)品清洗主塔而廢棄的含相當高濃度的氧氣的廢氣經(jīng)用于導入原料空氣的管線回收。相比之下，未審查的日本專利申請、第一次公布號Hei 1-297119公開的空氣分離方法中，含相當高濃度的氧氣的廢氣作為富含氧氣的空氣產(chǎn)品的一部分回收。這些方法也存在著問題，氮氣產(chǎn)品被H2O和CO2污染，系統(tǒng)復雜。
未審查的日本專利申請、第一次公布號Sho52-52181公開了一種99％的高純度或更高的氧氣的回收方法，其中，填充有分子篩炭(molecularsieve carbon，以下簡稱“MSC”)的吸附塔和填充有沸石的吸附塔連接，原料氣被迫連續(xù)地接觸性地流過這些塔。總的來說，當氧氣用沸石從空氣中回收時，沸石非常不吸附氬氣，因此氧氣產(chǎn)品被氬氣污染。因此吸附和分離后的氧氣濃度低于約95％。在這個方法中，為了生產(chǎn)濃度為95％或更高的氧氣產(chǎn)品，根據(jù)原料氣的組分，使用兩種吸附劑。
在未審查的日本專利申請、第一次公布號Sho52-52181公開的這種吸附分離方法中，從填充第一種吸附劑的第一個吸附塔流出和包含高百分比含量的主要氣體組分的氣體混合物，被用作填充有第二種吸附劑的第二個吸附塔的原料氣，或作為氣體產(chǎn)品回收。因此，需要一個泵單元從一個吸附塔輸送解吸的氣體到另一個吸附塔或在吸附塔中循環(huán)解吸的氣體。系統(tǒng)復雜，系統(tǒng)費用增加。
如上面解釋，基于PSA法的幾乎所有常規(guī)氣體分離方法和系統(tǒng)分離和回收粗氣體混合物中的僅僅一種高純度組分。需要能生產(chǎn)多種高純度組分的分離方法和系統(tǒng)。
考慮到上述問題，本發(fā)明的一個目的是提供一種基于PSA法的氣體分離方法和系統(tǒng)，包含在氣體混合物中的多種組分能被高純度地同時分離和回收，系統(tǒng)簡單，系統(tǒng)費用低，操作容易。
發(fā)明內(nèi)容
為了達到目的，本發(fā)明提供了一種權利要求1的氣體分離方法，其中，采用壓力變換吸附方法從包含至少兩種主要氣體組分的氣體混合物中分離和回收至少兩種主要氣體組分，其中，該方法包括如下步驟加壓氣體混合物、交替重復用不易吸附第一種主要氣體組分、易吸附第二種主要氣體組分的第一種吸附劑分離第一種主要氣體組分作為第一種氣體產(chǎn)品的步驟；和用易吸附第一種主要氣體組分、不易吸附第二種主要氣體組分的第二種吸附劑分離第二種主要氣體組分作為第二種氣體產(chǎn)品的步驟，并由此從所述氣體混合物中同時生產(chǎn)第一種和第二種產(chǎn)品。
權利要求2的氣體分離方法是根據(jù)權利要求1所述的氣體分離方法，其中，在第一種和第二種主要氣體組分分離為第一種和第二種氣體產(chǎn)品的步驟中，第一種和第二種氣體產(chǎn)品儲存在產(chǎn)品罐中；和在第一種和第二種主要氣體組分分離為第一種和第二種氣體產(chǎn)品的步驟后，用儲存在產(chǎn)品罐中的第一種和第二種氣體產(chǎn)品沖洗第一種和第二種吸附劑。
權利要求3的氣體分離方法是根據(jù)權利要求1或2所述的氣體分離方法，其中，氣體混合物是空氣。
權利要求4的氣體分離方法是根據(jù)權利要求1或2所述的氣體分離方法，其中，氣體混合物包含氮氣和氪氣與氙氣中的至少一種。
權利要求5的氣體分離方法是根據(jù)權利要求1或2的氣體分離方法，其中，第一種吸附劑是沸石，第二種吸附劑是分子篩炭。
權利要求6的氣體分離方法是根據(jù)權利要求1或2的氣體分離方法，其中，主要氣體組分之一是包含氪氣與氙氣中至少一種的氮氣；第一種吸附劑是選擇性吸附氮氣的Na-A型沸石；第二種吸附劑是選擇性吸附氪氣和氙氣的活性炭。
權利要求7的氣體分離系統(tǒng)是采用壓力變換吸附系統(tǒng)從包含至少兩種主要氣體組分的氣體混合物中分離至少兩種主要氣體組分的分離氣體的系統(tǒng)，其中，系統(tǒng)包括氣體加壓設備、填充有不易吸附第一種主要氣體組分、易吸附第二種主要氣體組分的第一種吸附劑的第一個吸附塔；填充有易吸附第一種主要氣體組分、不易吸附第二種主要氣體組分的第二種吸附劑的第二個吸附塔；以及，將氣體混合物交替地通到第一個和第二個塔以及第一種和第二種主要氣體組分從第一個和第二個塔通過其流出的管線與閥門。
權利要求8的氣體分離系統(tǒng)是根據(jù)權利要求7的氣體分離系統(tǒng)，其中，系統(tǒng)進一步包括存儲第一種主要氣體組分、提供有與第一個吸附塔連接的管線的第一個產(chǎn)品罐；第一種主要氣體組分通過其從第一個產(chǎn)品罐流回第一個吸附塔的管線；存儲第二種主要氣體組分、提供有與第二個吸附塔連接的管線的第二個產(chǎn)品罐；以及，第二種主要氣體組分通過其從第二個產(chǎn)品罐流回第二個吸附塔的管線。
附圖簡述
圖1是基于本發(fā)明的PSA法分離氣體的第一種系統(tǒng)的示意圖。
圖2是基于本發(fā)明的PSA法分離氣體的第二種系統(tǒng)的示意圖。
圖3是基于PSA法分離氣體的常規(guī)方法的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明分離氣體的方法和系統(tǒng)參照圖進行解釋。
第一種方案圖1是表示基于第一種方案的PSA法分離氣體的系統(tǒng)的示意圖。在第一種方案中，空氣MA被用作原料氣體混合物M，空氣的主要氣體組分氧氣和氮氣作為氣體產(chǎn)品被分離和回收。
本方案的系統(tǒng)包括壓縮作為原料氣體混合物M的空氣MA的壓縮機1、每個都填充了對空氣主要氣體組分氧氣(O2)和氮氣(N2)有不同吸附性質(zhì)的吸附劑的吸附塔2A和2B。特別地，吸附塔2A填充有選擇性吸附氮氣、不易吸附氧氣的沸石吸附劑，吸附塔2B填充有選擇性吸附氧氣、不易吸附氮氣的MSC吸附劑。壓縮機1和吸附塔2A和2B用管線和閥門連接起來，因此交替地進入吸附塔2A和2B的空氣MA通過吸附塔2A和2B，從吸附塔2A和2B流出并被回收。
空氣MA被壓縮機1加壓至100-1,000kPa(這是壓縮機的計量壓力，也稱表壓)，優(yōu)選至200-800kPa。加壓的空氣MA被迫通過管線3和4和原料供應閥門5a，進入吸附塔2A。由于吸附塔2A填充了選擇性吸附氮氣的沸石吸附劑，如上面解釋，氮氣被優(yōu)先吸附。不易被沸石吸附劑吸附的氧氣被迫從吸附塔2A的出口流出，通過產(chǎn)品卸出閥門6a和管線7，生產(chǎn)為氧氣體積濃度(以下的“％”表示“體積％”)為85-95％的富含氧氣的氣體MO。
特別地，在吸附塔2A中，吸附了氮氣的沸石吸附劑的范圍隨時間的推移增加到吸附塔2A的出口。當從吸附塔2A流向管線7的富含氧氣的氣體中氮氣量超過容許量時，吸附塔2A的吸附步驟完成。特別地，關閉原料供應閥門5a和產(chǎn)品卸出閥門6a，同時打開吸附塔2B配備的原料供應閥門5b和產(chǎn)品卸出閥門6b。
打開原料供應閥門5b和產(chǎn)品卸出閥門6b，空氣通過管線8和原料供應閥門5b進入吸附塔2B，而不是吸附塔2A。由于吸附塔2B填充了選擇性吸附氧氣的MSC吸附劑，如上解釋，氧氣被選擇性吸附。不易被MSC吸附的氮氣被迫從吸附塔2B的出口流出，通過產(chǎn)品卸出閥門6b和管線9，生產(chǎn)為氮氣濃度為99-99.99％的富含氮氣的氣體MN。
特別地，在吸附塔2B中，吸附了氧氣的MSC的范圍隨時間的推移增加至吸附塔2B的出口。當從吸附塔2B的出口流向管線9的富含氮氣的氣體中的氧氣量超過容許量時，關閉原料供應閥門5b和產(chǎn)品卸出閥門6b結束吸附塔2B中的吸附步驟。同時打開吸附塔2A配備的原料供應閥門5a和產(chǎn)品卸出閥門6a。然后空氣MA進入其中前面吸附步驟使用的沸石吸附劑事先再生的吸附塔2A，因此再次生產(chǎn)出富含氧氣的氣體MO。
通過這種方式操作這些閥門，使到吸附塔2A和2B的空氣進入交替地改變，富含氧氣的氣體MO作為產(chǎn)品從吸附塔2A生產(chǎn)出，富含氮氣的氣體MN作為產(chǎn)品從另一個吸附塔2B生產(chǎn)出。
如上面解釋，吸附塔2A或2B中的吸附步驟中，由于填充在另一個吸附塔2B或2A中的吸附劑在前面的吸附步驟中被使用，吸附劑被容易被吸附的組分飽和。為了解吸易被吸附的該組分和再生該吸附劑，進行再生步驟。
在本方案中，再生步驟進行如下。
例如，當吸附步驟中使用的吸附塔2A再生時，關閉原料供應閥門5a和產(chǎn)品卸出閥門6a。吸附塔2A配備的廢氣閥門10a打開，吸附塔2A的內(nèi)部和大氣相通，吸附劑保留的和吸附塔2A中累積的氣體通過管線11排放到大氣中。當吸附塔2A的壓力下降時，吸附劑(沸石)吸附的氮氣解吸。因此沸石吸附劑再生。在再生步驟后，關閉廢氣閥門10a維持吸附塔2A直到下一個吸附步驟。
類似地，吸附塔2B進行再生。當吸附塔2B再生時，關閉原料供應閥門5b和產(chǎn)品卸出閥門6b。吸附塔2B配備的廢氣閥門10b打開，吸附塔2B的內(nèi)部和大氣相通，吸附劑保留的和吸附塔2B中累積的氣體通過管線12排放到大氣中。在再生步驟后，關閉廢氣閥門10b維持吸附塔2B直到下一個吸附步驟。
吸附塔2A和2B的吸附步驟和再生步驟的時間，即當吸附塔2A處于吸附步驟時吸附塔2B的再生時間和當吸附塔2A處于再生步驟時吸附塔2B的吸附時間，優(yōu)選相等。但是，可能增加吸附步驟和再生步驟中的一個時間。當吸附步驟和再生步驟中的一個時間增加時，另一個步驟可能在繼續(xù)也可能被停止，和通過關閉閥門得以維持。
在上面的方案中，空氣MA被用作原料氣體混合物M，富含氧氣的氣體MO和富含氮氣的氣體MN被分離和回收。但是，當氪氣和氮氣是主要氣體組分時，這些氣體組分能用另外的吸附劑組合，例如沸石吸附劑和活性炭吸附劑的組合，進行分離和回收，。
當用沸石吸附劑和活性炭吸附劑分離和回收氪氣和氮氣時，用壓縮機壓縮氣體混合物至100-2,000kPa，優(yōu)選至200-1,000kPa分離和生產(chǎn)氪氣濃度為99-99.999％的富含氪氣的氣體產(chǎn)品和氮氣濃度為99-99.999％的富含氮氣的氣體產(chǎn)品。
第二個方案第二個方案參照圖2進行解釋。在第二個方案中，圖1表示的系統(tǒng)中產(chǎn)品罐13A和13B配備了管線7和9，吸附塔2A和2B的產(chǎn)品流經(jīng)管線7和9。吸附塔2A和2B生產(chǎn)的產(chǎn)品儲存在產(chǎn)品罐13A和13B中，這些產(chǎn)品在再生步驟中用于沖洗吸附塔2A和2B。這些操作將詳細地進行解釋。
而且，圖2和圖1的相同部分，使用圖1中相同的參考數(shù)字。因此在本方案中忽略這些相同部分的解釋。
在吸附塔2A的吸附步驟中，流過產(chǎn)品卸出閥門6a和管線7的富含氧氣的氣體MO進入并儲存在富含氧氣的氣體罐13A中。儲存的富含氧氣的氣體經(jīng)管線14供應給使用點。在吸附塔2A的吸附步驟完成后，操作閥門使原料空氣M進入吸附塔2B。然后吸附塔2B處于吸附步驟，吸附塔2A處于再生步驟。
在本方案的吸附塔2A的再生步驟中，富含氧氣的氣體MO被迫從富含氧氣的氣體罐13A經(jīng)管線15和沖洗閥門16a流回吸附塔2A。因此富含氧氣的氣體MO解吸沸石吸附劑吸附的氮氣，其被迫和氮氣一起經(jīng)廢氣閥門10a和管線11從系統(tǒng)中流出。由于這個原因，吸附塔2A中的吸附劑(沸石)吸附的組分(氮氣)被不易吸附的在吸附步驟作為產(chǎn)品回收的組分(富含氧氣的氣體MO)沖洗。易被吸附的組分的解吸變得容易。
在吸附塔2B的再生步驟中，吸附塔2B中的MSC吸附劑經(jīng)沖洗作為氣體產(chǎn)品的富含氮氣的氣體MN進行類似的再生。特別地，富含氮氣的氣體MN被迫經(jīng)管線18和沖洗閥門16b從富含氮氣的氣體罐13B流回吸附塔2B。因此，富含氮氣的氣體MN解吸MSC吸附劑吸附的氧氣，這被迫和氧氣一起經(jīng)廢氣閥門10b和管線12從系統(tǒng)中流出。由于本原因，吸附塔2B中的吸附劑(MSC)吸附的組分(氧氣)被不易吸附的在吸附步驟作為產(chǎn)品回收的組分(富含氮氣的氣體MN)沖洗。易吸附的組分的解吸變得容易，有效地進行再生。
在第一個和第二個方案中，吸附塔2A和2B的出口配備的管線7和9優(yōu)選配備平衡罐(未表示在圖中)，使吸附步驟后再生步驟前吸附塔2A和2B中的和具有類似的氣體產(chǎn)品濃度的氣體進入并儲存在平衡罐中。再生步驟后，儲存在平衡罐中的氣體在低壓條件下返回到吸附塔2A和2B中，使吸附塔2A和2B的壓力與平衡罐的壓力彼此相等。因此有效地使用原料氣體和改進氣體產(chǎn)品的回收百分比是可能的。
在第一個和第二個方案中，解釋了分離包含兩種主要氣體組分的氣體混合物的方法和系統(tǒng)。但是，本發(fā)明并不局限于這些方案。本發(fā)明能用于包含多種氣體的氣體混合物。特別地，通過包含對氣體混合物中每一種組分有合適的吸附性質(zhì)的吸附劑的多個吸附塔，彼此不同的多種組分能同時被回收。
實施例實例1在圖1所示的系統(tǒng)中，吸附塔2A填充有Na-X型沸石吸附劑，另一個吸附塔2B填充有MSC吸附劑。另外，活性氧化鋁也填充在吸附塔2A和2B的入口部分以吸附和除去水分。空氣MA經(jīng)壓縮機1加壓至700kPa，準備原料氣體混合物M。然后原料氣體混合物M供應給吸附塔2A和2B。填充了Na-X型沸石吸附劑的吸附塔2A中生產(chǎn)氧氣濃度為93％的富含氧氣的氣體，填充了MSC吸附劑的吸附塔2B中生產(chǎn)氮濃度為99％的富含氮氣的氣體。
在本實例中，用其它堿金屬離子或堿土金屬離子交換Na-X型沸石中的全部或部分Na離子的沸石吸附劑、Ca-A型沸石、發(fā)光沸石等可替代Na-X型沸石吸附劑被使用。
實例2在圖1所示的系統(tǒng)中，吸附塔2A填充有Na-A型沸石吸附劑，吸附塔2B填充有活性炭吸附劑。包含干燥的氮氣和干燥的氪氣的原料氣體混合物M經(jīng)壓縮機1加壓至700kPa，供應給吸附塔2A和2B。氪氣濃度為99.99％的富含氪氣的氣體從填充Na-A型沸石吸附劑吸附塔2A生產(chǎn)。氮氣濃度為99.5％的富含氮氣的氣體從填充活性炭吸附劑的吸附塔2B生產(chǎn)。
另外，原料氣體混合物M以和上面的過程相同的方式分離，不同之處是包含氮氣和氪氣的原料氣體混合物M改變?yōu)榘獨夂碗瘹獾脑蠚怏w混合物M。氙氣濃度為99.99％的富含氙氣的氣體以和氪氣相同的方式從填充了Na-A型沸石吸附劑的吸附塔2A生產(chǎn)。氮氣濃度為99.5％的富含氮氣的氣體從填充了活性炭吸附劑的吸附塔2B生產(chǎn)。
而且，由于實例2中分離的氪氣和氙氣極其稀有，將它們排放到系統(tǒng)外在經(jīng)濟上是不可取的。因此，圖1所示的廢氣的管線11和12和與壓縮機1配置的原料氣進入管連接，因此包含氪氣和氙氣的廢氣在系統(tǒng)中循環(huán)。有效地減少分離中稀有的氪氣和氙氣的損失。
工業(yè)應用性本發(fā)明的氣體分離方法和系統(tǒng)按照上面解釋的方式進行，它們具有下面的工業(yè)應用性。
在本發(fā)明中，包含多種組分氣體的原料氣體混合物進入填充了不同吸附性質(zhì)的吸附劑的吸附塔中，每種組分被分離和回收。因此，使用基于PSA法的這種簡單系統(tǒng)從原料氣體混合物中富集和回收兩種組分作為氣體產(chǎn)品。
另外，這些氣體產(chǎn)品作為吸附步驟中不易被吸附劑吸附的組分被回收。也就是說，這些氣體產(chǎn)品在被加壓以維持原料氣體混合物進入吸附塔的壓力時生產(chǎn)。因此本發(fā)明不需要壓縮機加壓和輸送氣體產(chǎn)品給使用點。由于這個原因，系統(tǒng)費用和運轉(zhuǎn)費用減少。
由于本發(fā)明中引入原料氣體混合物的壓縮機交替地供應原料氣體給兩個吸附塔，操作中不需要暫停，壓縮機可有效地使用。
在PSA型的塔中使用的供應原料氣體混合物的壓縮機進行額外操作，致使壓縮和排放交替重復。但是，本發(fā)明中的壓縮機不必進行這樣的額外操作。由于這一點，壓縮機總是在持續(xù)操作，增加了該設備的壽命。
在本發(fā)明中，產(chǎn)品罐配備了產(chǎn)品進入管，吸附步驟回收的氣體產(chǎn)品儲存在產(chǎn)品罐中。儲存的氣體產(chǎn)品在再生步驟中被用作用于解吸易被吸附劑吸附的組分的沖洗氣體。因此氣體產(chǎn)品的生產(chǎn)百分比被明顯地提高。
而且本發(fā)明中，由于吸附塔配備了平衡罐，吸附步驟后再生步驟前吸附塔排放的廢氣進入在再生步驟后的低壓吸附塔。因此再生步驟后的低壓吸附塔的壓力增加使得吸附塔的壓力和平衡罐的壓力相等。原料氣體混合物并不浪費地排放，被有效地利用。增加了氣體產(chǎn)品的生產(chǎn)百分比。
權利要求
1.一種氣體分離方法，其中，采用壓力變換吸附方法從包含至少兩種主要氣體組分的氣體混合物中分離和回收至少兩種主要氣體組分，其中，該方法包括如下步驟加壓氣體混合物；交替重復其中用不易吸附第一種主要氣體組分、易吸附第二種主要氣體組分的第一種吸附劑分離第一種主要氣體組分作為第一種氣體產(chǎn)品的步驟；和其中用易吸附第一種主要氣體組分、不易吸附第二種主要氣體組分的第二種吸附劑分離第二種主要氣體組分作為第二種氣體產(chǎn)品的步驟，并由此從所述氣體混合物中同時生產(chǎn)第一種和第二種氣體產(chǎn)品。
2.根據(jù)權利要求1所述的氣體分離方法，其中，在第一種和第二種主要氣體組分分離為第一種和第二種氣體產(chǎn)品的步驟中，第一種和第二種氣體產(chǎn)品儲存在產(chǎn)品罐中；和在第一種和第二種主要氣體組分分離為第一種和第二種氣體產(chǎn)品的步驟后，用儲存在產(chǎn)品罐中的第一種和第二種氣體產(chǎn)品沖洗第一種和第二種吸附劑。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的氣體分離方法，其中，氣體混合物是空氣。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的氣體分離方法，其中，氣體混合物包含氮氣、和選自氪氣與氙氣中的至少一種氣體。
5.根據(jù)權利要求1或2的氣體分離方法，其中，第一種吸附劑是沸石，第二種吸附劑是分子篩炭。
6.根據(jù)權利要求1或2的氣體分離方法，其中，氣體混合物包含氮氣、和選自氪氣與氙氣中的至少一種氣體；第一種吸附劑是選擇性吸附氮氣的Na-A型沸石；第二種吸附劑是選擇性吸附氪氣和氙氣的活性炭。
7.采用壓力變換吸附系統(tǒng)從包含至少兩種主要氣體組分的氣體混合物中分離至少兩種主要氣體組分的氣體分離系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)包括氣體加壓設備；填充有不易吸附第一種主要氣體組分、易吸附第二種主要氣體組分的第一種吸附劑的第一個吸附塔；填充有易吸附第一種主要氣體組分、不易吸附第二種主要氣體組分的第二種吸附劑的第二個吸附塔；以及，將氣體混合物交替地通到第一個和第二個塔以及第一種和第二種主要氣體組分從第一個和第二個塔通過其流出的管線與閥門。
8.根據(jù)權利要求7的氣體分離系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)進一步包括存儲第一種主要氣體組分、提供有與第一個吸附塔連接的管線的第一個產(chǎn)品罐；第一種主要氣體組分通過其從第一個產(chǎn)品罐流回第一個吸附塔的管線；存儲第二種主要氣體組分、提供有與第二個吸附塔連接的管線的第二個產(chǎn)品罐；以及，第二種主要氣體組分通過其從第二個產(chǎn)品罐流回第二個吸附塔的管線。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種基于PSA方法分離氣體的方法和系統(tǒng)，氣體混合物含有的多種組分能高純度地同時被分離和回收，系統(tǒng)簡單，系統(tǒng)費用低，操作容易。分離氣體的方法包括以下步驟加壓包含兩種或更多種主要氣體組分的原料氣體混合物，例如，空氣MA，被壓縮機1加壓。交替地重復用不易吸附第一種主要氣體組分(氧氣)和易吸附第二種主要氣體組分(氮氣)的第一種吸附劑將第一種主要氣體組分的富含氧氣的氣體MO分離的步驟和用易吸附第一種主要氣體組分(氧氣)和不易吸附第二種主要氣體組分(氮氣)的第二種吸附劑將第二種主要氣體組分的富含氮氣的氣體MN分離的步驟，由此從氣體混合物中同時生產(chǎn)第一種和第二種氣體產(chǎn)品。
文檔編號B01D53/047GK1503687SQ0280823
公開日2004年6月9日 申請日期2002年3月20日 優(yōu)先權日2001年4月16日
發(fā)明者川井雅人, 中村章寬, 飛彈野龍也, 寬, 龍也 申請人:日本酸素株式會社