循環(huán)擺動(dòng)吸附方法的改進(jìn)的制作方法
【專利摘要】對(duì)進(jìn)入循環(huán)擺動(dòng)吸附過(guò)程的在線運(yùn)轉(zhuǎn)床的原料氣中的吸附物濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，處理該數(shù)據(jù)，以預(yù)測(cè)完成該床的運(yùn)轉(zhuǎn)模式所需要的時(shí)間，響應(yīng)于該預(yù)測(cè)時(shí)間的變化，對(duì)并存的停用床的吹掃氣體流量和／或其它再生模式操作條件進(jìn)行修改，由此使停用床的再生模式與并存的運(yùn)轉(zhuǎn)床的運(yùn)轉(zhuǎn)模式同時(shí)完成。
【專利說(shuō)明】循環(huán)擺動(dòng)吸附方法的改進(jìn)
[0001]本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2009年4月21日，申請(qǐng)?zhí)枮?009101378149，發(fā)明名稱為“循環(huán)擺動(dòng)吸附方法的改進(jìn)”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及用于分離原料氣混合物的循環(huán)擺動(dòng)吸附(cyclical swingadsorption)方法。本說(shuō)明書中所使用的術(shù)語(yǔ)“分離”包括從氣流中除去污染物和/或雜質(zhì)，隨后可將該氣流進(jìn)一步分離。本發(fā)明特別地，但非排他地應(yīng)用于除去在原料氣中的二氧化碳或至少減少在原料氣中二氧化碳水平，以使該原料氣適合用于下游處理。本發(fā)明特別有用于從空氣中除去二氧化碳，該空氣將被用作空氣的低溫分離或純化方法中的原料氣。
【背景技術(shù)】
[0003]二氧化碳是相對(duì)高沸點(diǎn)的氣態(tài)物質(zhì)，將其與可能存在于原料氣中的其它高沸點(diǎn)物質(zhì)(例如水)除去在該混合物隨后將要在低溫(例如冷凍)過(guò)程中處理的情況下是必需的。如果不除去相對(duì)高沸點(diǎn)的物質(zhì)，則它們可以在后續(xù)處理中液化或固化，導(dǎo)致在下游過(guò)程中的壓降和流動(dòng)困難。還可能需要或希望在進(jìn)一步處理原料氣之前除去危險(xiǎn)性(例如爆炸性)物質(zhì)，從而減少在后續(xù)處理過(guò)程中積聚并由此出現(xiàn)爆炸危害的風(fēng)險(xiǎn)。烴類氣體，例如乙炔,可發(fā)生此類危害。
[0004]已知數(shù)種方法利用固體吸附劑的選擇吸附從原料氣混合物中分離一種或多種組分。這些方法包括變溫吸附(TSA)、變壓吸附(PSA)、熱變壓吸附(thermal pressure swingadsorption,TPSA)和熱增強(qiáng)的變壓吸附(TEPSA)。通常，該方法以循環(huán)方式進(jìn)行，其中一個(gè)吸附劑床處于運(yùn)轉(zhuǎn)(on-stream)模式,在該模式中吸附物從穿過(guò)該床的原料氣混合物中被吸附，與此同時(shí)另一個(gè)吸附劑床處于再生模式，在該再生模式中被吸附的吸附物從該床中脫附，并且這兩個(gè)床在所述兩種模式之間交替。
[0005]一般地，在空氣作為原料氣的這些處理中，將水和二氧化碳從空氣原料氣中除去，這通過(guò)使該混合物與吸附水和二氧化碳的一種或多種吸附劑接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)。水吸附材料典型為硅膠、氧化鋁或分子篩，二氧化碳吸附材料典型為分子篩，例如沸石。常規(guī)地，通過(guò)使原料空氣穿過(guò)單個(gè)吸附劑層或各單獨(dú)的吸附劑層來(lái)首先除去水，然后除去二氧化碳，為優(yōu)先吸附塔中的水和二氧化碳而選擇所述吸附劑。對(duì)于下游處理的有效操作，尤其希望將二氧化碳和其它高沸點(diǎn)組分去除至非常低的水平。
[0006]在吸附之后，切斷來(lái)自吸附劑床的原料氣流，將吸附劑與再生氣體流接觸，再生氣體從吸附劑中脫附被吸附的物質(zhì)，例如二氧化碳和水，從而使吸附劑再生，以便進(jìn)一步使用。
[0007]在用于除去二氧化碳和水的TSA過(guò)程中，典型地使用主空氣壓縮機(jī)(MAC)將大氣壓縮，隨后通過(guò)水冷，并在分離器中除去如此冷凝的水。可以使用例如冷凍的乙二醇將空氣進(jìn)一步冷卻。在該步驟中通過(guò)冷凝物的冷凝和分離除去大部分的水。然后使氣體通入吸附劑床系統(tǒng)中，在其中通過(guò)吸附將剩余的水和二氧化碳除去。[0008]通過(guò)使用平行布置的兩個(gè)吸附劑床，一個(gè)床可進(jìn)行操作，用于吸附，同時(shí)對(duì)另一個(gè)床進(jìn)行再生，在操作循環(huán)中它們的作用定期顛倒。常規(guī)將相等的時(shí)間花費(fèi)在吸附和再生。
[0009]隨著當(dāng)床處于運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)從原料氣中去除的組分被吸附，該吸附過(guò)程將產(chǎn)生吸附熱，引起熱脈沖向下游行進(jìn)而貫穿吸附劑。在進(jìn)料(feed)或運(yùn)轉(zhuǎn)期間，允許該熱脈沖從吸附床的下游端行進(jìn)出來(lái)。在再生過(guò)程中，必須提供熱量來(lái)使已經(jīng)吸附于床上的氣體組分脫附。在再生步驟中，使用產(chǎn)品氣體的一部分，例如來(lái)自下游過(guò)程的氮?dú)饬骰驈U氣流，將經(jīng)吸附的組分脫附，并且除被加熱之外還可以被壓縮。使熱氣體通過(guò)正在再生的床，以除去吸附物。常規(guī)在與吸附步驟相反的方向上進(jìn)行再生。
[0010]在PSA系統(tǒng)中，循環(huán)時(shí)間通常比在TSA系統(tǒng)中短，但是進(jìn)料溫度和壓力以及再生氣體常常是相似的。然而在PSA系統(tǒng)中，再生氣體的壓力低于原料氣的壓力，并且使用壓力的變化從吸附劑中除去二氧化碳和水。再生操作適宜在以上對(duì)于TSA所提及的熱脈沖到達(dá)床的下游端之前開始。通過(guò)再生過(guò)程使熱脈沖的方向顛倒，正談及的源自氣體組分的吸附的熱量保留在床中并用于在再生過(guò)程中脫附該組分。與TSA相反，不必需加熱再生氣體。
[0011]熱變壓吸附(TPSA)也適合于從原料空氣中除去二氧化碳和水。在TPSA系統(tǒng)中，典型地將水限制在一個(gè)區(qū)段，在該區(qū)段中放置了水吸附介質(zhì)，例如活化氧化鋁或硅膠。典型使用包含例如用于吸附二氧化碳的分子篩的單獨(dú)層，分子篩層和用于吸附水的區(qū)段通常是分開的。與TSA系統(tǒng)相反，水不會(huì)進(jìn)入分子篩層至任何明顯的程度，這有利地避免輸入大量的能量以便從分子篩層中脫附水的需要。TPSA方法例如描述于US專利No5，885，650和5，846，295中，其內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。
[0012]熱增強(qiáng)的PSA (TEPSA)，像TPSA，使用兩階段再生處理，其中通過(guò)TSA將預(yù)先吸附的二氧化碳脫附，通過(guò)PSA將吸附的水脫附。在該處理中，通過(guò)以下方式發(fā)生脫附:在低于原料氣流的壓力以及高于原料氣流的溫度下進(jìn)料再生氣體，隨后用冷的再生氣體置換熱的再生氣體。與PSA系統(tǒng)的循環(huán)時(shí)間相比，加熱的再生氣體允許延長(zhǎng)循環(huán)時(shí)間，從而減少轉(zhuǎn)換損失，因?yàn)橛纱矁?nèi)吸附所產(chǎn)生的熱量可以部分地被來(lái)自熱的再生氣體的熱量替代。TEPSA方法例如描述于US專利No5，614，000中，其內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。
[0013]與PSA相反，TSA、TEPSA和TPSA全都需要通過(guò)加熱再生氣體來(lái)輸入熱能，但是各程序具有其本身的特性優(yōu)缺點(diǎn)。再生氣體所需要的溫度一般為足夠高，例如50°C -200°C,從而對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出要求，這會(huì)提高成本。典型地，將有超過(guò)一種的吸附物在該方法中除去，并且通常這些組分中的一種或多種(例如水)將強(qiáng)吸附，另一種(例如二氧化碳)的吸附則弱得多。用于再生的高溫需要足以滿足較強(qiáng)烈吸附的組分的脫附需要。TSA、TPSA和TEPSA系統(tǒng)中采用的高溫可能要求使用絕熱容器、再生氣體預(yù)熱器和入口端預(yù)冷器，并且通常高溫迫使該系統(tǒng)有更苛刻和更高成本的機(jī)器規(guī)格。在運(yùn)行中，存在與使用沖洗預(yù)熱器有關(guān)的額外的能量成本。PSA系統(tǒng)通過(guò)避免應(yīng)對(duì)高溫的需要來(lái)避免許多的這些缺點(diǎn)，但是表征PSA的短的循環(huán)時(shí)間為其帶來(lái)自身缺點(diǎn)。
[0014]擺動(dòng)吸附系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮在待分離的原料氣混合物的組成中的潛在變化，通常以最壞可能的進(jìn)料條件為基礎(chǔ)，以適應(yīng)所有的潛在變化。通常，該系統(tǒng)的工藝條件是預(yù)選擇的，并在操作期間保持恒定，以便確保可以處理含有最高可能含量的吸附物的原料氣，而沒有超過(guò)系統(tǒng)除去吸附物的容量的風(fēng)險(xiǎn)，從而避免將不可接受的水平的吸附物通入到下游過(guò)程中。在從空氣中除去二氧化碳和水的情況下，考慮在進(jìn)行處理的位置的主要環(huán)境條件，因?yàn)槎趸嫉乃礁鶕?jù)污染程度而變化，原料氣中的水根據(jù)當(dāng)?shù)販囟群拖鄬?duì)濕度的變化而改變。在二氧化碳污染的特殊情況下，原料空氣的二氧化碳含量能夠響應(yīng)風(fēng)向的變化(如果在附近有排放二氧化碳的燃燒器煙?裝置)或響應(yīng)在當(dāng)?shù)貧夂驐l件的變化而快速且實(shí)質(zhì)性地變化。例如，圖1是顯示在2005年11月20日到23日的一段時(shí)間中，在位于英國(guó)Wigan的Air Products的空氣分離裝置的環(huán)境二氧化碳濃度變化的圖。在2005年11月20日到22日為有霧天氣,在此期間二氧化碳濃度高于約450ppm的正常水平,達(dá)到約680ppm的峰值。類似地，圖2是顯示在2006年9月4日到8日，在英國(guó)Grain島的Air Products的空氣分離裝置的環(huán)境二氧化碳濃度變化的圖。在空氣分離裝置的附近有LNG燃燒器煙囪裝置，由該煙?排放的二氧化碳對(duì)該裝置的影響取決于風(fēng)向。能夠看出，二氧化碳濃度的峰值超過(guò)lOOOOppm。
[0015]現(xiàn)有技術(shù)中已建議改變循環(huán)擺動(dòng)吸附過(guò)程的循環(huán)時(shí)間以適應(yīng)原料氣組成的變化。例如，US專利N0.3，808，773公開含有水和一種或多種第二組分的氣體的吸附純化，這通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn):使氣體通過(guò)分子篩床，以除去可吸附的組分，在吸附水蒸汽從其中穿過(guò)之前、優(yōu)選在最不易吸附的第二組分穿過(guò)時(shí)終止該氣流，然后使加熱的吹掃氣體在與氣流相反的方向上穿過(guò)分子篩，以便在100-200°C的相對(duì)低溫下再生該分子篩。描述了雙床系統(tǒng)，其中在一個(gè)床中進(jìn)行吸附，而另一個(gè)床經(jīng)歷再生，保持設(shè)定的時(shí)間。
[0016]US專利N0.4，197，095公開了使用雙床吸附過(guò)程從氣體原料中吸附組分，其中包括流速、入口和出口溫度、入口和出口壓力以及再生用壓力在內(nèi)的操作條件是感測(cè)的；計(jì)算為了再生該床所需要的吹掃氣流的量；計(jì)算在操作條件下的吹掃氣流速；以及控制再生時(shí)間，以便當(dāng)該床已經(jīng)再生時(shí)吹掃氣流動(dòng)停止。將循環(huán)時(shí)間控制在不短于再生時(shí)間的時(shí)間段，并且這些床在該時(shí)間終點(diǎn)時(shí)轉(zhuǎn)換。
[0017]US專利N0.4，472，178公開了利用TSA順序?qū)?lái)自貧水氣體原料流氣流中的二氧化碳吸附，其中，吸附床的貧二氧化碳?xì)怏w產(chǎn)物最初通過(guò)同流換熱器，以保留熱量，但在氣體達(dá)到預(yù)定的低溫之后，旁通該同流換熱器。當(dāng)氣體產(chǎn)物達(dá)到預(yù)定的二氧化碳濃度時(shí)，原料氣的流動(dòng)中斷，床的壓力降低，最初用吹掃氣體逆流吹掃床，所述吹掃氣體已經(jīng)由外部供應(yīng)的熱量進(jìn)行加熱并從同流換熱器中回收熱，直至在床中存在熱區(qū)段為止。所述吹掃在沒有外部供應(yīng)的熱量的情況下繼續(xù)進(jìn)行直至該熱區(qū)段大約在床的進(jìn)料端為止，然后中斷，該床用貧水氣體和貧二氧化碳?xì)怏w以逆流方式對(duì)床再增壓直至床達(dá)到預(yù)定壓力為止，使得吸附循環(huán)能夠再次引發(fā)。描述了雙床系統(tǒng)，其中在一個(gè)床中進(jìn)行吸附，而另一個(gè)床經(jīng)歷再生，保持設(shè)定的時(shí)間。
[0018]US專利N0.4，693，730公開了變壓吸附方法，其中來(lái)自并流減壓的排出物的特性被感測(cè)，采用與其響應(yīng)的校正作用來(lái)控制產(chǎn)品純度。該作用能夠調(diào)節(jié)由吸附劑床接收的吹掃氣體量，以控制再生程度。在舉例說(shuō)明的實(shí)施方案中，感測(cè)的特性是雜質(zhì)濃度和循環(huán)時(shí)間，調(diào)節(jié)雜質(zhì)含量目標(biāo)值，一個(gè)床的減壓的排出物特性產(chǎn)生影響所有床的校正作用。
[0019]US專利N0.5，989，313公開空氣的PSA預(yù)純化，其中通過(guò)“實(shí)時(shí)(real time) ”方法對(duì)至少兩種吸附劑中的每一種的循環(huán)時(shí)間進(jìn)行控制，在該方法中流向運(yùn)轉(zhuǎn)的吸附劑的實(shí)際合計(jì)氣流被聚集(基于在預(yù)定時(shí)間中所測(cè)量的流量值)，空氣進(jìn)料條件例如溫度、壓力、相對(duì)濕度被監(jiān)測(cè)。周期性地，流向該吸附劑的最高合計(jì)流量是以監(jiān)測(cè)的空氣進(jìn)料條件為基礎(chǔ)計(jì)算的，將實(shí)際合計(jì)流量值與當(dāng)前計(jì)算的最高合計(jì)流量值比較，當(dāng)達(dá)到在兩者之間的預(yù)定相互關(guān)系時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)的吸附劑與空氣原料去偶合，另一種吸附劑與該空氣原料偶合。也考慮對(duì)各吸附劑的循環(huán)時(shí)間的控制:負(fù)荷需求的變化，吹掃氣體與空氣原料之比以及在吸附劑床轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)生的擾亂。吹掃氣體與空氣原料之比能夠以空氣流量和柱回收率為基礎(chǔ)加以控制，如果床溫度是高的，例如在夏季，則可減少吹掃氣流。
[0020]US專利N0.6，277，174公開PSA方法，其中在吸附過(guò)程中監(jiān)控流向至少兩個(gè)床中的每一個(gè)的最高原料壓力，在脫附過(guò)程中監(jiān)控來(lái)自每一個(gè)床的最低抽空壓力，各個(gè)步驟時(shí)間在一個(gè)循環(huán)內(nèi)根據(jù)監(jiān)測(cè)的壓力來(lái)改變，以控制流向這些床和在這些床之間的流量來(lái)維持幾乎恒定的壓力比。吹掃和重疊均衡(overlap equalization)步驟時(shí)間能夠根據(jù)所監(jiān)測(cè)的壓力來(lái)調(diào)節(jié)。
[0021]US專利N0.6，402, 809公開了通過(guò)TSA處理將含有二氧化碳和/或水的氣體如空氣純化，其中選自進(jìn)入和/或離開吸附劑的再生氣體的流速、再生步驟的持續(xù)時(shí)間和進(jìn)入該吸附劑的再生氣體的再生溫度的至少一種能量參數(shù)是根據(jù)選自以下的至少一種操作條件:進(jìn)入和/或離開吸附劑的待純化氣體的壓力、進(jìn)入和/或離開吸附劑的待純化氣體的流速、進(jìn)入吸附劑的待純化氣體的溫度以及進(jìn)入吸附劑的待純化氣體中含有的雜質(zhì)含量；以及根據(jù)在再生結(jié)束時(shí)由吸附劑輸出的熱前緣(heat front)的熱剖面(thermal profile)來(lái)控制、修改和/或調(diào)節(jié)的。優(yōu)選在一個(gè)床中進(jìn)行吸附，而另一個(gè)床經(jīng)歷再生。
[0022]US專利N0.6，599，347公開了使用熱擺動(dòng)吸附方法從原料氣中吸附水和二氧化碳，其中與原料氣的水含量有關(guān)的一種或多種參數(shù)是直接或間接測(cè)定的，使用基于所述參數(shù)的條件對(duì)吸附劑進(jìn)行再生?？梢赃B續(xù)地或周期性地(如每小時(shí)或每日)測(cè)量原料氣參數(shù)，吹掃氣流和/或溫度根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)修改。
[0023]這些現(xiàn)有技術(shù)方法無(wú)一允許自動(dòng)控制擺動(dòng)吸附，由此吸附劑床再生的完成時(shí)間能夠通過(guò)運(yùn)轉(zhuǎn)的床被再生的床在線置換而加以改變，以與同時(shí)發(fā)生的吸附的完成時(shí)間相匹配。本發(fā)明的目的是提供這樣的控制，以使該系統(tǒng)能夠在用于原料氣中的吸附物正常濃度的最優(yōu)條件下進(jìn)行操作，但是比正常更快速地使再生的床可得使用，以適應(yīng)由高于正常水平的提高的吸附物濃度所引起的減少的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。與提供適應(yīng)于最高預(yù)期的吸附物濃度的操作的常規(guī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，這將允許正常操作有更長(zhǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，同時(shí)允許運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的減少以適應(yīng)于高于正常吸附物濃度，或(適應(yīng)于)對(duì)吸附物濃度的突然意外變化，而沒有替代床的完全再生所要求的時(shí)間限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024]本發(fā)明提供循環(huán)擺動(dòng)吸附方法，其中一個(gè)吸附劑床處于運(yùn)轉(zhuǎn)模式，其間將吸附物從通過(guò)該床的原料氣混合物中吸附，同時(shí)另一個(gè)吸附劑床處于再生模式，其間被吸附的吸附物從該床中脫附，所述床在所述模式之間交替，其中完成運(yùn)轉(zhuǎn)模式所需要的時(shí)間由在該模式過(guò)程中送入床中的原料氣混合物中的吸附物總量來(lái)確定，在所述運(yùn)轉(zhuǎn)模式的過(guò)程中監(jiān)測(cè)原料氣混合物中的吸附物濃度，從該監(jiān)測(cè)的濃度預(yù)測(cè)完成運(yùn)轉(zhuǎn)模式所需要的時(shí)間，響應(yīng)于所述預(yù)測(cè)時(shí)間的變化，對(duì)至少一種再生模式操作條件進(jìn)行修改，由此再生模式與并存(concurrent)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式同時(shí)完成。
[0025]本發(fā)明還提供用于實(shí)施所述方法的循環(huán)擺動(dòng)吸附裝置，該裝置包括:
[0026]至少兩個(gè)吸附劑床；[0027]控制電路,其用于維持一個(gè)床處于運(yùn)轉(zhuǎn)模式并持續(xù)一段時(shí)間，該時(shí)間由在該模式過(guò)程中送入床中的原料氣混合物中的吸附物的總量來(lái)確定，在此運(yùn)轉(zhuǎn)模式過(guò)程中能將吸附物從通過(guò)該床的原料氣混合物中吸附，維持另一個(gè)床處于再生模式，在此過(guò)程中被吸附的吸附物能夠從該床中脫附，并使所述床在所述模式之間交替；和
[0028]總吸附傳感器，其用于測(cè)量在運(yùn)轉(zhuǎn)模式過(guò)程中送入床中的原料氣混合物中的吸附物的總量，由此確定運(yùn)轉(zhuǎn)模式的持續(xù)時(shí)間；
[0029]濃度監(jiān)測(cè)器，其用于監(jiān)測(cè)在所述運(yùn)轉(zhuǎn)模式過(guò)程中原料氣混合物中的吸附物的濃度；和
[0030]處理器，其從所述監(jiān)測(cè)的濃度預(yù)測(cè)完成運(yùn)轉(zhuǎn)模式所需要的時(shí)間，
[0031]所述控制電路響應(yīng)于所述預(yù)測(cè)時(shí)間的變化，對(duì)至少一種再生模式操作條件進(jìn)行修改，由此再生模式與并存的運(yùn)轉(zhuǎn)模式同時(shí)完成。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1是顯示在2005年11月20日到23日期間，在位英國(guó)于Wigan的AirProducts的空氣分離裝置的環(huán)境二氧化碳濃度變化的圖。
[0033]圖2是顯示在2006年9月4日到8日期間，在英國(guó)Grain島的Air Products的空氣分離裝置的環(huán)境二氧化碳濃度變化的圖。
[0034]圖3是低溫空氣分離裝置用的前端預(yù)純化裝置的示意圖，所述前端預(yù)純化裝置使用根據(jù)本發(fā)明所操作的TSA從進(jìn)入該裝置的原料空氣中除去二氧化碳和水。
【具體實(shí)施方式】
[0035]本發(fā)明提供擺動(dòng)吸附系統(tǒng)的控制，以使該系統(tǒng)能夠在用于原料氣中的吸附物正常濃度的最優(yōu)條件下進(jìn)行操作，但是比正常更快速地使再生的床可得使用，以適應(yīng)由高于正常水平的提高的吸附物濃度所引起的減少的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。這通過(guò)如下來(lái)實(shí)現(xiàn):連續(xù)測(cè)定原料氣的吸附物濃度，從所得數(shù)據(jù)計(jì)算將要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的估算值，自動(dòng)改變用于正經(jīng)歷再生的床的吹掃氣體流量或其它操作參數(shù)，以便當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)床飽和時(shí)，該再生床達(dá)到所需再生水平。因此，可減少用于正常操作的吹掃氣體流量，以匹配正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，因此與常規(guī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)相比，減少了所需的吹掃氣體的量以及通過(guò)該再生床的壓降。這允許一直使用最低量的吹掃氣體。
[0036]因此根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供循環(huán)擺動(dòng)吸附方法，其中一個(gè)吸附劑床處于運(yùn)轉(zhuǎn)模式，其間將吸附物從通過(guò)該床的原料氣混合物中吸附，同時(shí)另一個(gè)吸附劑床處于再生模式，其間被吸附的吸附物從該床中脫附，所述床在所述模式之間交替，其中完成運(yùn)轉(zhuǎn)模式所需要的時(shí)間由在該模式過(guò)程中送入床中的原料氣混合物中的吸附物的總量來(lái)確定，在所述運(yùn)轉(zhuǎn)模式的過(guò)程中監(jiān)測(cè)原料氣混合物中的吸附物濃度，從該監(jiān)測(cè)的濃度預(yù)測(cè)完成運(yùn)轉(zhuǎn)模式所需要的時(shí)間，響應(yīng)于所述預(yù)測(cè)時(shí)間的變化對(duì)至少一種再生模式操作條件進(jìn)行修改，由此再生模式與并存的運(yùn)轉(zhuǎn)模式同時(shí)完成。
[0037]除了其中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和再生時(shí)間相匹配的方式，該吸附模式和再生模式能夠按照任何常規(guī)的方式操作。
[0038]在優(yōu)選的實(shí)施方案中，存在用于完成運(yùn)轉(zhuǎn)模式的最短時(shí)間，其基于原料氣混合物中吸附物的數(shù)據(jù)濃度，只有當(dāng)監(jiān)測(cè)濃度超過(guò)所述數(shù)據(jù)濃度時(shí)，用于完成的預(yù)測(cè)時(shí)間才變化至預(yù)測(cè)時(shí)間超過(guò)所述最短時(shí)間的程度。通常，數(shù)據(jù)濃度是在正常操作條件下在原料氣中常規(guī)預(yù)期的最高濃度。例如，在從英國(guó)(UK)的原料空氣中吸附二氧化碳的情況下，數(shù)據(jù)濃度適宜是約400ppm。
[0039]可通過(guò)在處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的吸附劑床上游的原料氣混合物中的測(cè)量和/或在處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的吸附劑床中的測(cè)量來(lái)監(jiān)測(cè)吸附物的濃度。將認(rèn)識(shí)到，當(dāng)在吸附劑床的上游進(jìn)行測(cè)量時(shí)，有更多的可利用時(shí)間來(lái)對(duì)再生條件進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是其估算的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間將不如在床中進(jìn)行測(cè)量時(shí)的準(zhǔn)確。可能的是，在越接近于床出口處進(jìn)行測(cè)量，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的估算越準(zhǔn)確，但是做出這種估算的能力只有在吸附物前部(absorbate front)已穿過(guò)該床到達(dá)測(cè)量位置之后才開始。結(jié)果，在能夠調(diào)節(jié)再生條件和控制器能夠開始工作之前有一個(gè)時(shí)間滯后，這意味著再生條件可能是次優(yōu)(sub-optimal)的。能夠在超過(guò)一個(gè)的位置進(jìn)行測(cè)量。
[0040]適合地，測(cè)量吸附物的出口濃度，以便驗(yàn)證估算的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間是準(zhǔn)確的，以及吸附物沒有離開該吸附劑床。這種測(cè)量可用于反饋到運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間估算軟件并對(duì)它的預(yù)測(cè)值進(jìn)行校正。
[0041]響應(yīng)于吸附物濃度的變化而修改的至少一種再生模式操作條件可以是吹掃氣體的流量和/或該氣體的溫度和/或用于TSA的再生加熱時(shí)間或?yàn)楂@得容量而引起的PSA循環(huán)時(shí)間的縮短。
[0042]雖然本發(fā)明將在下面被描述為應(yīng)用于具有兩個(gè)床的TSA系統(tǒng)，但是，它也用于其它吸附循環(huán)(尤其PSA、TEPSA&PSA系統(tǒng))并用于任何壓力、溫度、吸附劑和吸附物。它能夠應(yīng)用于具有多種原料、產(chǎn)物和再生物流(regeneration flows)的多個(gè)床。吸附床可以含有多個(gè)吸附劑層，能夠控制運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，從而使得原料氣中的各吸附物組分能夠保留在其自身的預(yù)定義的節(jié)段(section)內(nèi)。尤其，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，原料氣混合物中有兩種或更多種吸附物，完成運(yùn)轉(zhuǎn)模式所需要的時(shí)間由在該模式過(guò)程中送入床中的原料氣混合物中的兩種或更多種吸附物的總量來(lái)確定，所述運(yùn)轉(zhuǎn)模式過(guò)程中監(jiān)測(cè)確定所述運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的原料氣混合物中的所述吸附物的濃度，從該監(jiān)測(cè)濃度預(yù)測(cè)完成運(yùn)轉(zhuǎn)模式所需要的時(shí)間，響應(yīng)于所述預(yù)測(cè)時(shí)間的變化對(duì)至少一種再生模式操作條件進(jìn)行修改，由此使再生模式與并存的運(yùn)轉(zhuǎn)模式同時(shí)完成。
[0043]本發(fā)明特別適用于從空氣或其它含二氧化碳的氣體(如天然氣或合成氣(syngas))中除去二氧化碳,尤其在用于低溫空氣分離裝置的前端(front-end)預(yù)純化裝置中，以提供至少氧氣和/或氮?dú)猱a(chǎn)品流。
[0044]當(dāng)用于從空氣中除去二氧化碳時(shí)，適宜通過(guò)與吸附劑在第一區(qū)段中接觸來(lái)處理空氣，從而在第二區(qū)段中適宜在第二種吸附劑上除去二氧化碳之前除去水。合適的吸附劑包括氧化鋁、硅膠、活化氧化鋁、浸潰氧化鋁和分子篩，例如A型和X型沸石。水吸附劑材料優(yōu)選是硅膠、活化氧化鋁、浸潰氧化鋁或氧化鋁；二氧化碳吸附劑材料優(yōu)選是分子篩，例如沸石。沸石可以是有粘合的(bound)或無(wú)粘合劑的，優(yōu)選是沸石13X，更優(yōu)選無(wú)粘合劑的沸石13X。
[0045]優(yōu)選地，在復(fù)合床中布置水吸附劑和二氧化碳吸附劑，其中二氧化碳吸附劑在水吸附劑的下游，盡管在需要時(shí)可以使用分開的床。
[0046]在TSA方法中，適合在-50至80°C，優(yōu)選為0_60°C，尤其在10_50°C的溫度下將原料氣適送入吸附步驟中。適宜地，原料氣的壓力是至少0.1MPa，優(yōu)選為0.2-4MPa，更優(yōu)選為0.2-3MPa，理想為0.2-1.5MPa。優(yōu)選地，再生氣體包含從下游處理中回用的氣體，例如來(lái)自于空氣分離裝置的干燥且不含二氧化碳的富氮廢氣流。在高于床吸附溫度的溫度下，適宜在50-400°C、優(yōu)選65-240°C下進(jìn)行吸附劑的再生。適宜地，再生壓力是0.01_3MPa，優(yōu)選
0.03-lMPa。尤其合意的是，再生壓力不超過(guò)原料氣壓力的50%。
[0047]當(dāng)以其它形式的常規(guī)擺動(dòng)吸附處理進(jìn)入空氣分離裝置的原料空氣，從原料空氣中除去二氧化碳和水時(shí)，優(yōu)選的工藝參數(shù)列于表1中:
[0048]表1
[0049]
【權(quán)利要求】
1.循環(huán)擺動(dòng)吸附方法，其中一個(gè)吸附劑床處于運(yùn)轉(zhuǎn)模式，其間中將吸附物從通過(guò)該床的原料氣混合物中吸附，同時(shí)另一個(gè)吸附劑床處于再生模式，其間被吸附的吸附物從該床脫附，所述床在所述模式之間交替，其中完成運(yùn)轉(zhuǎn)模式所需要的時(shí)間由在該模式過(guò)程中送入床中的原料氣混合物中的吸附物總量來(lái)確定，在所述運(yùn)轉(zhuǎn)模式過(guò)程中監(jiān)測(cè)原料氣混合物中的吸附物濃度，從該監(jiān)測(cè)濃度預(yù)測(cè)完成運(yùn)轉(zhuǎn)模式所需要的時(shí)間，響應(yīng)于所述預(yù)測(cè)時(shí)間的變化，對(duì)至少一種再生模式操作條件進(jìn)行修改，由此使再生模式與并存的運(yùn)轉(zhuǎn)模式同時(shí)完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中存在用于完成運(yùn)轉(zhuǎn)模式的最短時(shí)間，其基于原料氣混合物中吸附物的數(shù)據(jù)濃度，只有當(dāng)監(jiān)測(cè)濃度超過(guò)所述數(shù)據(jù)濃度時(shí)，用于完成的預(yù)測(cè)時(shí)間才變化至預(yù)測(cè)時(shí)間超過(guò)所述最短時(shí)間的程度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述吸附物是二氧化碳。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述吸附物是二氧化碳，且所述數(shù)據(jù)濃度是約400ppm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述原料氣混合物是空氣，所述吸附物是二氧化碳，水在運(yùn)轉(zhuǎn)模式過(guò)程中另外被吸附。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過(guò)在運(yùn)轉(zhuǎn)吸附劑床上游的原料氣混合物中的測(cè)量來(lái)監(jiān)測(cè)吸附物的濃度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過(guò)在運(yùn)轉(zhuǎn)吸附劑床中的測(cè)量來(lái)監(jiān)測(cè)吸附物的濃度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述至少一種再生模式操作條件包括穿過(guò)處于再生模式的吸附劑床的吹掃氣體流量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述至少一種再生模式操作條件包括送入處于再生模式的吸附劑床中的吹掃氣體的熱量。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述方法是循環(huán)熱擺動(dòng)吸附法。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在原料氣混合物中存在兩種或更多種吸附物，完成運(yùn)轉(zhuǎn)模式所需要的時(shí)間由在該模式過(guò)程中送入床中的原料氣混合物中的兩種或更多種吸附物的總量來(lái)確定，所述運(yùn)轉(zhuǎn)模式過(guò)程中監(jiān)測(cè)確定所述運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的原料氣混合物中的所述吸附物的濃度，從該監(jiān)測(cè)濃度預(yù)測(cè)完成運(yùn)轉(zhuǎn)模式所需要的時(shí)間，響應(yīng)于所述預(yù)測(cè)時(shí)間的變化對(duì)至少一種再生模式操作條件進(jìn)行修改，由此使再生模式與并存的運(yùn)轉(zhuǎn)模式同時(shí)完成。
12.空氣分離方法，其中在主空氣壓縮機(jī)中將空氣壓縮，以提供壓縮空氣；通過(guò)循環(huán)擺動(dòng)吸附方法從壓縮空氣中除去二氧化碳，其中一個(gè)吸附劑床處于運(yùn)轉(zhuǎn)模式，其間從壓縮空氣中吸附二氧化碳，以提供不含二氧化碳的空氣原料，同時(shí)另一個(gè)吸附劑床處于再生模式，其間將二氧化碳從該床中脫附，所述床在所述模式之間交替；將不含二氧化碳的空氣原料送入空氣分離裝置中，以提供至少一種產(chǎn)品流，其富含不含二氧化碳的空氣原料的一種組分，其中完成運(yùn)轉(zhuǎn)模式所需要的時(shí)間由壓縮空氣中的二氧化碳總量來(lái)確定，在所述運(yùn)轉(zhuǎn)模式過(guò)程中監(jiān)測(cè)壓縮空氣中的二氧化碳濃度，從該監(jiān)測(cè)濃度預(yù)測(cè)完成運(yùn)轉(zhuǎn)模式所需要的時(shí)間，響應(yīng)于所述預(yù)測(cè)時(shí)間的變化，對(duì)至少一種再生模式操作條件進(jìn)行修改，由此使再生模式與并存的運(yùn)轉(zhuǎn)模式同時(shí)完成。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的空氣分離方法，其中通過(guò)在運(yùn)轉(zhuǎn)吸附劑床上游的原料氣混合物中的測(cè)量來(lái)監(jiān)測(cè) 吸附物的濃度。
14.用于實(shí)施權(quán)利要求1所述方法的循環(huán)擺動(dòng)吸附裝置，該裝置包括:至少兩個(gè)吸附劑床； 控制電路，其用于維持一個(gè)床處于運(yùn)轉(zhuǎn)模式并持續(xù)一段時(shí)間，該時(shí)間由在該模式過(guò)程中送入床中的原料氣混合物中的吸附物總量來(lái)確定，在此運(yùn)轉(zhuǎn)模式過(guò)程中能將吸附物從通過(guò)該床的原料氣混合物中吸附，維持另一個(gè)床處于再生模式，其間能將被吸附的吸附物從該床中脫附，并使所述床在所述模式之間交替；和 總吸附傳感器，其用于測(cè)量在運(yùn)轉(zhuǎn)模式過(guò)程中送入床中的原料氣混合物中的吸附物總量，由此確定運(yùn)轉(zhuǎn)模式的持續(xù)時(shí)間； 濃度監(jiān)測(cè)器，其用于監(jiān)測(cè)在所述運(yùn)轉(zhuǎn)模式過(guò)程中原料氣混合物中的吸附物的濃度；和 處理器，其用于從所述監(jiān)測(cè)濃度來(lái)預(yù)測(cè)完成運(yùn)轉(zhuǎn)模式所需要的時(shí)間， 所述控制電路響應(yīng)于所述預(yù)測(cè)時(shí)間的變化對(duì)至少一種再生模式操作條件進(jìn)行修改，由此使再生模式與并存的運(yùn)轉(zhuǎn)模式同時(shí)完成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的循環(huán)擺動(dòng)吸附裝置，其中所述總吸附傳感器與所述濃度監(jiān)測(cè)器相同。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的循環(huán)擺動(dòng)吸附裝置，其中濃度監(jiān)測(cè)器測(cè)量在運(yùn)轉(zhuǎn)吸附劑床上游的原料氣混合物中的吸附劑濃度。
17.根據(jù)權(quán)利要求14 的循環(huán)擺動(dòng)吸附裝置，其中濃度監(jiān)測(cè)器測(cè)量在運(yùn)轉(zhuǎn)吸附劑床中的吸附劑濃度。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的循環(huán)擺動(dòng)吸附裝置，其中控制電路控制通過(guò)處于再生模式的吸附劑床的吹掃氣體的流量。
19.根據(jù)權(quán)利要求14的循環(huán)擺動(dòng)吸附裝置，其中控制電路控制送入處于再生模式的吸附劑床中的吹掃氣體的熱量。
20.根據(jù)權(quán)利要求14的循環(huán)擺動(dòng)吸附裝置，其中所述裝置是循環(huán)熱擺動(dòng)吸附裝置。
21.用于實(shí)施權(quán)利要求12所述方法的空氣分離系統(tǒng),它包括: 提供壓縮空氣的主空氣壓縮機(jī)； 提供不含二氧化碳的空氣原料的權(quán)利要求14所述循環(huán)擺動(dòng)吸附裝置；和 空氣分離裝置，其用于分離所述不含二氧化碳的空氣原料，以提供富含該空氣原料的一種組分的至少一種產(chǎn)品流。
【文檔編號(hào)】B01D53/04GK103785271SQ201410090638
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2009年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2008年4月21日
【發(fā)明者】A.D.懷特, M.A.卡爾巴西, T.C.戈?duì)柕? C.J.賴斯維爾 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司