專利名稱：動態(tài)清洗控制的變壓吸附法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多床變壓吸附法(PSA)，該方法包括為循環(huán)一部分的清洗期間，具體講，本發(fā)明涉及一種在多床PSA系統(tǒng)的每個床控制循環(huán)進行的方法，以使由該方法生產(chǎn)的非吸附氣體組成的變化減至最小。
多年來，一直采用PSA法分離氣體混合物的各組分。PSA法在一延長的有原料氣入口端和非吸附氣出口端的容器中進行，且該容器中裝有優(yōu)先吸附氣體混合物中的一種或幾種組分的吸附劑。該氣體混合物并流地(從原料氣入口到非吸附氣出口)通過該容器，由此從該氣流中除去優(yōu)先吸附的組分。富集了不優(yōu)先吸附的一種或幾種組分的產(chǎn)品氣通過吸附床，并從非吸附氣出口排出該吸附床。開始吸附組分積累在吸附床的入口處，隨著吸附步聚的進行，吸附組分生成一吸附前沿，并向吸附床的非吸附出口逐漸移動。當(dāng)吸附氣體前沿到達吸附床的某一點處時，終止吸附步驟，該吸附床的吸附劑通過從吸附床中解吸吸附的組分進行再生。這通常是通過逆流放壓解吸該吸附床，和/或用非吸附組分氣逆流清洗該吸附床來完成。當(dāng)吸附床再生達到要求程度時，就重復(fù)進行循環(huán)。
有代表性的PSA循環(huán)包括一加壓步驟，吸附容器中的壓力升高到進行該法的吸附步驟所要求的壓力，這是通過將一種氣體(常常是待分離氣體混合物)引入該容器來完成的；一吸附或生產(chǎn)步驟；和一吸附床的再生步驟。該循環(huán)可以包括其它步驟，例如多級加壓或放壓步驟。
在傳統(tǒng)的PSA法中，吸附步驟通常是在中等到高的壓力，例如約5-約20巴的絕對壓力(bara)的范圍內(nèi)進行，而吸附床的再生步驟常常是在大氣壓或低于大氣壓的壓力下進行。這些方法通常是有效的，因此產(chǎn)生了始終如一的高純度非吸附產(chǎn)品氣。但是這些方法嚴重耗能，因為大部分的能量花費來將原料氣加壓到吸附步驟的操作壓力。
近來已開發(fā)出了低吸附壓力與再生壓力比的低壓PSA法。這些方法一般是在1-3巴的絕對壓力(bara)的吸附壓力下操作，而吸附床的再生壓力為約大氣壓。利用低能設(shè)備例如鼓風(fēng)機就能夠?qū)⒃蠚馊菀椎丶訅旱竭@些壓力，因為在大氣壓下再生吸附床不需要使用高能耗的真空產(chǎn)生設(shè)備。在這類低壓PSA法中，通常是利用每個循環(huán)中產(chǎn)生的一部分非吸附產(chǎn)品氣清洗吸附了氣體組分的吸附床，以便提高方法的操作特性。
人們非常希望，在多床吸附系統(tǒng)方法的各個吸附床中生產(chǎn)的產(chǎn)品氣的質(zhì)量變化極微。但是當(dāng)多床吸附系統(tǒng)以低的吸附壓力與排氣壓力比的操作條件，如3bara/大氣壓用于進行吸附方法時，產(chǎn)品氣的質(zhì)量要經(jīng)歷明顯的變化。當(dāng)設(shè)備是用于中等或高的壓力吸附時，這是不存在的問題，因為產(chǎn)品的質(zhì)量隨吸附壓力的增加而降低。
美國專利4472 177號公開了從空氣流中生產(chǎn)氧氣和氮氣的一種真空變壓吸附法。按照這篇專利公開的方法，從在約大氣壓的空氣中吸附氮氣，產(chǎn)生的氧氣作為非吸附產(chǎn)品氣。在該方法的吸附步驟完成后，氮氣通過吸附床從該吸附床的空隙空間沖洗出氧氣。當(dāng)在清洗氣的排出氣流中檢測出低的氧氣濃度時，就停止清洗步驟。
1994年1月28日申請的申請?zhí)枮?8/189008的共同未決美國專利申請公開了在PSA方法中防止清洗氣過量損失的方法，該方法是通過分析來自該方法清洗氣的排出廢氣流和當(dāng)廢氣流中的清洗氣濃度達到廢氣流的一預(yù)定容積時，終止清洗步驟。
由于低壓吸附法的吸引力，人們長期尋求多床系統(tǒng)中降低產(chǎn)品質(zhì)量變化的改進方法。本發(fā)明提出了實現(xiàn)一目標的高效率且費用經(jīng)濟的方法。
本發(fā)明包括在一PSA系統(tǒng)中，從含第一氣體組分和第二氣體組分的一氣體混合物中回收第一氣體組分的循環(huán)的PSA法，該PSA系統(tǒng)是由兩個或幾個優(yōu)先吸附第二氣體組分(與第一氣體組分相比)的吸附劑床組成。該系統(tǒng)的吸附床平行設(shè)置，以至少一個吸附床是在吸附步驟，而至少另一個吸附床進行再生的異相方式操作。本發(fā)明方法的部分循環(huán)包括至少如下步驟(a)使氣體混合物流入正好完成床再生的一個或幾個吸附床，由此將吸附床加壓到選定的吸附壓力，一般在約大氣壓到約20bara的范圍內(nèi)，并產(chǎn)生了富集第一氣體組分的非吸附產(chǎn)品氣。與此同時，通過在一選定的比吸附壓力低的排氣壓力下，從這些吸附床解吸富集了第二組分的氣體，使該系統(tǒng)的一個或幾個其它吸附床進行再生。在吸附床再生的至少部分期間內(nèi)，被再生的吸附床用非吸附產(chǎn)品氣進行清洗。重復(fù)步驟(a)，吸附步驟中的床和經(jīng)歷了再生步驟的床交替作用，直到系統(tǒng)的所有吸附床都進行了步驟(a)-(c)的部分循環(huán)為止，這樣就完成了一個全部循環(huán)。上述的全部循環(huán)重復(fù)進行，因此本發(fā)明方法基本上是連續(xù)的循環(huán)。
(b)在一個或幾個吸附床的吸附床的再生期間，定期測定特殊事件發(fā)生時來自被再生的吸附床的廢氣流中第一氣體組分的濃度和在一個或幾個吸附床的再生過程的初期特殊事件發(fā)生時排出這些吸附床的氣流中的第一氣體組分濃度之間的絕對差值，和(c)以降低吸附床中第一氣體組分濃度之間絕對差值的這一方式，定期地調(diào)整一個或一個或幾個吸附床和一個或幾個其他吸收床兩者的清洗期間的持續(xù)時間。
在一個優(yōu)選的實施方案中，第一氣體組分是氧氣，第二氣體組分是氮氣，而在另一個優(yōu)選的實施方案中，第一氣體組分優(yōu)選是氮氣，第二氣體組分優(yōu)選是氧氣。在許多優(yōu)選的實施方案中，被處理的氣體混合物優(yōu)選是空氣。
本方法的特殊事件可能是排出進行再生的吸附床氣流中的第一組分的極限濃度或在清洗期間開始后，時間特殊期間行程的現(xiàn)象。在一優(yōu)選的實施方案中，特殊事件是被再生的吸附床排出氣流中第一組分極限濃度的現(xiàn)象。在許多優(yōu)選的實施方案中，特殊事件是被再生吸附床排出氣流中第一組分最大濃度的現(xiàn)象。
在每個吸附床的再生步驟期間，或選定的吸附床的再生步驟期間可以測定排出物流中非吸附氣體組分濃度之間的絕對差值。同樣，在每個吸附床的再生期間，或在選定吸附床的再生期間，可以調(diào)節(jié)清洗期間的持續(xù)時間。而且，絕對差值的測定可以比清洗期間的調(diào)節(jié)進行得更頻繁。在調(diào)節(jié)步驟(c)中起作用的再生期間，可分成固定數(shù)量或可變數(shù)量的再生期間，其中不進行清洗期間的調(diào)節(jié)。在一優(yōu)選的實施方案中，當(dāng)在步驟(b)中測定的絕對差值超過一選定值時，只調(diào)節(jié)清洗期間。
當(dāng)一個吸附床正進行再生和另一個床正在進行再生的初期時，排氣流中非吸附氣體絕對差值的測定是根據(jù)測量值比較。在吸附床連續(xù)再生期間，或在吸附床不連續(xù)再生期間這種比較是以測量值為基礎(chǔ)進行的。同樣，清洗期間的調(diào)節(jié)可以在吸附床的再生期間緊接的進行絕對差值測定的后續(xù)再生期間中，或在吸附床的某些后來的再生期間中起作用。
對該系統(tǒng)的一個吸附床，或?qū)Χ€或幾個吸附床來說，都可以進行清洗期間的調(diào)節(jié)。在一個優(yōu)選的實施方案中，這種調(diào)節(jié)是對兩個吸附床進行的。而在兩個以上的吸附床情況下，是在順序地操作中進行的，優(yōu)選調(diào)節(jié)兩個最不同的吸附床，即這兩個吸附床中排放氣流中非吸附氣的濃度差是最大的。
在步驟(a)前，本發(fā)明方法還可以有其它的步驟，進入再生期間的吸附床的部分放壓步驟和進入吸附步驟的吸附床通過使前一個吸附床的氣體流入后一個吸附床(吸附床均壓)的部分加壓步驟。在步驟(a)前，本發(fā)明方法也可以有附加步驟，進入吸附步驟的吸附床通過使第一組分富集氣流入該吸附床(產(chǎn)品回填)的部分加壓步驟，與此同時，進入再生期間的吸附床通過從這些吸附床排出氣體的部分放壓步驟，而且本發(fā)明方法可以有如下的這些步驟，即產(chǎn)品氣回填步驟前的吸附床的均壓步驟，和步驟(a)前的產(chǎn)品氣回填步驟。
本發(fā)明方法優(yōu)選在一對兩個吸附床或多對的兩個吸附床中進行。
當(dāng)被處理的氣體是空氣時，吸附劑優(yōu)選一種含成的或天然的沸石。用于分離空氣的優(yōu)選吸附劑是選自X型和A型沸石的合成沸石。該沸石可以有可交換的陽離子，離子選自周期表IA族、IIA族、IIIA族、IIIB族和鑭系元素離子。優(yōu)選的沸石是選自鋰交換的X型沸石、鈣交換的X型沸石、鋰和鈣交換的X型沸石和它們的組合的X型沸石。
在本發(fā)明最優(yōu)的實施方案中，本發(fā)明的方法是一從空氣中回收氧氣富集氣的PSA法，該方法是在由兩個裝有優(yōu)選吸附氮氣(與氧氣相比)的吸附劑的吸附床組成的系統(tǒng)中進行的，這兩個吸附床平行設(shè)置，以一個吸附床吸附，而另一個吸附床進行再生的異相方式操作。該最優(yōu)選方法的步驟包括(a)在壓力為約大氣壓至約3巴(絕對)的吸附壓力下，將空氣通過第一吸附床，由此產(chǎn)生氧氣富集氣作為非吸附的產(chǎn)品氣，同時在一低于上述吸附壓力的壓力下，通過從第二吸附床解吸氮氣使第二吸附床再生，在至少部分的再生期間用氧富集氣清洗第二吸附床，在至少部分再生期間，監(jiān)測排出第二吸附床的氣流中的氧氣濃度；(b)重復(fù)步驟(a)至(c)，第一吸附床和第二吸附床交替作用。
(b)定期地測定在一給定的再生期間排出第二吸附床氣流中氧的最大濃度與在前面再生期間，排出第一吸附床的氣流中氧的最大濃度之間的絕對差值；和(c)以降低在現(xiàn)在再生期間排出第二吸附床的氣流中氧的最大濃度和在隨后的再生期間排出第一吸附床氣流中氧的最大濃度之間的絕對差值的方式調(diào)節(jié)后來的吸附床再生期間的在一個或二個吸附床中清洗步驟的持續(xù)時間。
參考本發(fā)明列舉的實施方案和附圖的下述描述，就會更清楚地理解本發(fā)明，其中

圖1是利用本發(fā)明方法從氣體混合物中適宜回收一種氣體的PSA系統(tǒng)的一個實施方案的簡圖；和圖2是表示在本發(fā)明的PSA法的一個循環(huán)內(nèi)排出氣流中氧濃度的變化與在一般PSA法的一個循環(huán)內(nèi)排出氣流中氧濃度的變化的比較。
理解本發(fā)明必須用的設(shè)備，閥件和管件均包括在附圖中。
利用包括平行設(shè)置的兩個或兩個以上內(nèi)裝吸附劑的容器的任何變壓吸附系統(tǒng)且異相操作都可實施本發(fā)明。例如，該系統(tǒng)可由一對吸附床、多對吸附床組成，在一個吸附循環(huán)中，不同的位相交替互換，或按順序作為一套操作三個或三個以上的吸附床。該系統(tǒng)以重復(fù)循環(huán)操作，當(dāng)系統(tǒng)的每個吸附床一通過吸附循環(huán)順序的每個步驟時，一個循環(huán)就完成了。本文中所使用的術(shù)語“部分循環(huán)”是說明循環(huán)的一部分，其中一個吸附床按順序地通過本發(fā)明方法的全部步驟。當(dāng)本發(fā)明方法在兩個可任意互換的吸附床中進行時，部分循環(huán)是一個循環(huán)的1/2，當(dāng)本發(fā)明法在用串聯(lián)的三個吸附床運行時，部分循環(huán)是一個循環(huán)的三分之一。在部分循環(huán)中，有一個吸附床在再生期間。
吸附循環(huán)步驟包括(如一個最小的循環(huán))一個吸附床的加壓步驟、一個吸附或生產(chǎn)步驟和一個吸附床的再生步驟。加壓步驟可在一級或幾級中進行，包括一個吸附床的一級或幾級的均壓步驟，其中從正好完成吸附步驟的吸附床的并流膨脹氣逆流地引入正好完成再生步驟的吸附床；作為第二級，是產(chǎn)品氣的回填步驟，其中非吸附的產(chǎn)品氣逆流地引入進行加壓的吸附床，和原料氣的加壓步驟，其中被處理的氣體混合物并流地引入該吸附床。優(yōu)選的循環(huán)包括例如一個第一加壓步驟，一個吸附床的均壓步驟，和作為一最后的加壓步驟，一原料氣加壓步驟。產(chǎn)品氣的回填加壓步驟可以被均壓步驟，或原料氣加壓步驟取代，或它可以夾在吸附床的均壓步驟和原料氣加壓步驟之間。用同樣的方式，吸附床的再生可以利用多級放壓步驟進行，包括上述的吸附床均壓加壓步驟的配對物，和逆流放壓或排氣步驟。
就本發(fā)明而論，吸附循環(huán)的關(guān)鍵步驟是清洗或沖洗步驟。在該步驟期間，從非吸附產(chǎn)品氣貯存容器或從另一個加壓或生產(chǎn)步驟的吸附床得到的非吸附產(chǎn)品氣通過在低壓下正進行再生的吸附床。該步驟在原料氣加壓步驟開始時或開始后可以開始，并可以繼續(xù)吸附床再生步驟的剩余部分的部分或全部。
本發(fā)明的方法使得可能一致地生產(chǎn)組成一致的非吸附產(chǎn)品氣，同時，在清洗期間保持損失的非吸附氣體量減至最小。在吸附床再生期間通過檢測在特殊事件發(fā)生時排出吸附容器的清洗氣流中的非吸附氣的濃度來完成。如上所述該事件可能是在一個吸附床的再生期間，清洗排出氣流中非吸附氣的極限濃度現(xiàn)象，即在清洗排出氣流中非吸附氣的最大濃度現(xiàn)象或非吸附氣的最小濃度現(xiàn)象，即在清洗排出氣流中解吸氣的最大濃度現(xiàn)象。在該清洗步驟發(fā)生后，該事件也可以是時間特定期的行程，或甚至表示來自一個吸附床清洗排出氣流中的非吸附氣濃度與時間的關(guān)系曲線存在的一拐點的現(xiàn)象。
優(yōu)選的事件是清洗排出氣流中非吸附氣體最大濃度的現(xiàn)象。利用這種事件，對PSA法的部分循環(huán)之間或部分循環(huán)中出現(xiàn)的非吸附產(chǎn)品氣純度的不一致性進行迅速修正。
本發(fā)明的方法可以用于被一種吸附劑從易吸附的任何其它氣體中分離不易被吸附的任何氣體。通過本發(fā)明的方法可以實現(xiàn)分離的典型實例包括氧氣-氮氣的分離，二氧化碳-甲烷或二氧化碳-氮氣的分離、氫氣-氬氣的分離和烯烴-烷烴的分離。本發(fā)明的方法特別適用于從含氮氣和含氧氣的氣體例如空氣中分離氮氣或氧氣，特別是在分離過程中，與氧氣相比，吸附劑易吸附氮氣。
雖然本發(fā)明可以在較高壓力，例如在高達約20bara或更高的壓力下進行吸附步驟的PSA法中使用，但是在吸附步驟壓力不超過5bara的壓力的PSA法中使用最有利。總的來說本發(fā)明施用于在壓力正好在大氣壓以上至約5bara的進行吸附的PSA法中產(chǎn)生有利的結(jié)果，且最適用于壓力為約1.25-約3bara的吸附壓力的PSA法中。低壓吸附法是優(yōu)選的。因為利用一低能耗設(shè)備例如鼓風(fēng)機就能夠?qū)⒌竭_系統(tǒng)的原料氣壓力容易地提高到進行吸附步驟所要求的壓力范圍。吸附床的再生步驟是在低于吸附壓力的壓力下進行，雖然吸附床的再生步驟可以在200mbara(絕對)或更低這樣低的壓力下進行，但是優(yōu)選避免在真空下進行，而且在約大氣壓或大氣壓以上的壓力下進行吸附床的再生步驟，以避免使用高能耗的真空產(chǎn)生設(shè)備。本發(fā)明方法的吸附與再生的壓力比通常為約1.1-約3，優(yōu)選約1.2-2.5以絕對壓力計。
進行吸附步驟的溫度并不關(guān)鍵，一般來說，溫度可以在約-50℃-約100℃或更高的范圍內(nèi)變化。本發(fā)明方法的最佳吸附溫度尤其取決于所使用的特殊吸附劑，方法進行中的壓力和具體的待分離的氣體。
為方便起見，本發(fā)明以用于使用優(yōu)選吸附氮氣(相對于氧氣)的吸附劑，在一兩床系統(tǒng)中分離富氧產(chǎn)品氣來詳細描述，在該兩床系統(tǒng)中，吸附床以1/2循環(huán)交替異相180°操作，因此一個吸附床進行吸附，而另一個吸附床進行再生。但是，應(yīng)當(dāng)理解，這樣的系統(tǒng)僅是適用于實施本發(fā)明方法的系統(tǒng)的一個實例。圖1示出了適用于實施本發(fā)明的一個系統(tǒng)?，F(xiàn)參看圖1，圖1示出了包括平行吸附裝置A和B的一個吸附系統(tǒng)，其中的每個吸附裝置內(nèi)裝吸附劑，該吸附劑優(yōu)選選擇吸收空氣中的氮氣，富氧產(chǎn)品氣貯存收集器C、氧氣傳感器D和程序邏輯控制器(PLC)E。通過加料管2向吸附床A和B提供原料空氣。管2連接加料管4和6，它們又分別與吸附床A和B的原料入口連接。在這4和6上分別安裝了閥8和10，因此原料空氣可以任意地直接進入吸附床A和B。在它們的非吸附產(chǎn)品氣出口端處，吸附床A和B分別與富氧產(chǎn)品氣排放管12和14連接。管12和14上分別安裝閥16和18，用于從吸附床A和B中的任一個中選擇性除去富氧產(chǎn)品氣。管12和14在閥16和18之間的一點處與管20連接。管20又與富氧產(chǎn)品氣貯存收集器C連接。通過管20的富氧產(chǎn)品氣的流量由閥21控制。富氧產(chǎn)品氣可以從貯存收集器C排放到產(chǎn)品氣貯罐，或如果需要，通過管22可排放到一最后用途的應(yīng)用處。
經(jīng)管24向吸附床A和B提供富氧產(chǎn)品氣的清洗氣，管24以分別經(jīng)過閥28和30與管12和14的流體相通的方式設(shè)置。管24上設(shè)置減壓部件26，以將非吸附產(chǎn)品氣的壓力降到清洗步驟進行的壓力。
吸附床A和B的非吸附氣產(chǎn)品端經(jīng)吸附床的均壓管32連通，經(jīng)管32的氣體的流動可以通過打開閥34來實現(xiàn)。
所示出的系統(tǒng)設(shè)置吸附床排氣管36，因此解吸的富氮廢氣可以從吸附床A和B排出。排氣管36分別經(jīng)閥38和40與管4和6連通。
氧氣傳感器D經(jīng)測試管42測量管36中廢氣的氧氣濃度，測量可連續(xù)地進行，或按一頻率選定的時間例如約0.01-約5秒進行測試，它經(jīng)管44向PLCE傳遞收集的模擬信息。氧氣濃度可以是瞬時值或是一平均值。平均值時(如果使用平均值)所使用的取樣頻率和樣品的數(shù)量是這樣選擇，使收集的濃度信息的靈敏度和精確度都最佳化。PLCE分析從氧氣濃度傳感器D收集的信息，并通過連接PLCE與閥門的管向系統(tǒng)的各個閥門發(fā)送信號，由此控制這些閥門的開和關(guān)。經(jīng)管48發(fā)送的信號控制閥8和10的運轉(zhuǎn)；經(jīng)管50發(fā)送的信號控制閥38和40的運轉(zhuǎn)；通過管52發(fā)出的信號控制閥34的運轉(zhuǎn)；通過管54發(fā)送的信號控制閥28和30的運轉(zhuǎn)；通過管56發(fā)送的信號控制閥16和18的運轉(zhuǎn)；和通過管58發(fā)送的信號控制閥21的運轉(zhuǎn)。
在本發(fā)明的方法中，PLCE通過比較一選定部分循環(huán)中從系統(tǒng)的一個吸附床清洗排出氣流中非吸附氣的濃度與比該選定部分循環(huán)早的一部分循環(huán)中從系統(tǒng)的另一吸附床的清洗排出氣流中的非吸附氣體濃度進行絕對差值的測定。該早的部分循環(huán)可以是緊跟前選定的部分循環(huán)的部分循環(huán)，或可以是緊跟前選定部分循環(huán)的部分循環(huán)前的一個部分循環(huán)。在本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中，測定是依據(jù)相繼部分循環(huán)的清洗排出氣流中非吸附氣濃度的比較。本發(fā)明的方法提供最新的數(shù)據(jù)信息，因此是最可靠的。
PLCE可以設(shè)置成以幾種方式的任何一種方式對選定的閥門進行調(diào)節(jié)。例如，設(shè)置成僅對清洗閥門28和30進行調(diào)節(jié)，因此只改變清洗步驟的持續(xù)時間，或調(diào)節(jié)閥門8、10、16、18、28和30改變一給定部分循環(huán)中的生產(chǎn)步驟的持續(xù)時間和清洗步驟的持續(xù)時間。當(dāng)對連續(xù)地順序相繼通過部份循環(huán)的三個或三個以上的吸附床系統(tǒng)中的一個以上吸附床進行同時調(diào)節(jié)時，優(yōu)選對該循環(huán)的再生步驟期間，來自各個吸附床的清洗排出氣流中，非吸附氣的濃度最偏離非吸附氣平均濃度的那些吸附床進行調(diào)節(jié)。如果需要，也可采用其它的調(diào)節(jié)組合方式。
調(diào)節(jié)可以在部分循環(huán)的一特定程序或隨機地進行。例如，閥門的調(diào)節(jié)可以在一個跟隨測定濃度差的部分循環(huán)中進行，或者在濃度差測定后，在每第二個部分循環(huán)或每第三個部分循環(huán)等進行。調(diào)節(jié)甚至可在間隔的部分循環(huán)中進行，即調(diào)節(jié)可在被固定數(shù)量的部分循環(huán)部分的部分循環(huán)中進行，在該固定數(shù)量的部分循環(huán)中不進行調(diào)節(jié)；或在可變間隔的部分循環(huán)中進行，即調(diào)節(jié)可在被不進行調(diào)節(jié)的可變數(shù)目循環(huán)分開的部分循環(huán)中進行。在任何情況下，優(yōu)選0-約5個部分循環(huán)不進行調(diào)節(jié)，分開的這些部分循環(huán)的要進行調(diào)節(jié)。
只當(dāng)來自系統(tǒng)的不同吸附床的清洗排出氣流中非吸附氣濃度之間不一致超過選定的值時，設(shè)置PLCE對一個吸附床的清洗持續(xù)時間進行調(diào)節(jié)，或?qū)SA法的各個步驟進行調(diào)節(jié)。修正非吸附氣純度不一致性的這種方法相對于其它的方法是優(yōu)選的，因為它產(chǎn)生少量的修正，過量修正的機會很少。
下表示出了許多吸附循環(huán)的一個，其中，本發(fā)明可以有利地使用。該循環(huán)的每個步驟詳細地進行了描述，就像這應(yīng)用于圖1所示的設(shè)備從空氣中生產(chǎn)富氧氣體那樣。
表1步驟 吸附床 A 吸附床 B1 均 壓 均 壓2 原料氣加壓 排氣放壓3 原料氣加壓 清洗/排氣4 生 產(chǎn) 清洗/排氣5 生 產(chǎn) 排 氣6 均 壓 均 壓
7排氣放壓原料氣加壓8清洗/排氣 原料氣加壓9清洗/排氣 生 產(chǎn)10 排 氣 生 產(chǎn)在步驟1開始時，圖1中的吸附床A正好完成循環(huán)的再生階段，而吸附床B正好完成循環(huán)的重產(chǎn)階段；這樣吸附床A中的壓力處于循環(huán)壓力最低點，吸附床B中的壓力處于循環(huán)壓力最高點。在步驟1期間，閥34開啟，而系統(tǒng)的其它閥門都關(guān)閉。放壓氣經(jīng)管32并流地流出吸附床B，并逆流入吸附床A，因此部分加壓吸附床A。該步驟的目的是將一些壓能貯存在正好完成了生產(chǎn)步驟的吸附床中，并且在這個吸附床再生前，回收一些吸附床B內(nèi)較富氧的空隙空間氣。雖然這個步驟設(shè)計成一個均壓步驟，但是該步驟不必須繼續(xù)到實現(xiàn)吸附床A和B之間完成均壓。
當(dāng)步驟1完成時，閥34關(guān)閉，閥8和40開啟。步驟2，原料氣加壓/排氣放壓步驟開始，現(xiàn)在吸附床A經(jīng)管2、閥8和管4，新鮮原料氣并流入吸附床A進一步進行部分加壓。
同時，從吸附床B的吸附劑逆流解吸的富氮氣經(jīng)管6、閥40和管36排出。
當(dāng)步驟2完成時，閥8和40保持開啟，閥16和30打開，壓力控制器26調(diào)節(jié)流過管24的富氧氣體的壓力達希望的清洗壓力，然后步驟3開始。在步驟3期間，全部其它閥門都保持關(guān)閉。在該步驟期間，吸附床A用新鮮原料氣繼續(xù)加壓，直到吸附床A的壓力達到所要求的吸附壓力。與此同時，在清洗壓力下，用富氧氣流經(jīng)管12、閥16、管20和24、閥30、管14及進入吸附床B，吸附床B的逆流清洗開始。清洗氣通過吸附床B，與從吸附床B內(nèi)的吸附劑解吸的富氮氣體一起經(jīng)管6、閥40和管36排出系統(tǒng)。
當(dāng)吸附床A加壓到所要的吸附壓力時，步驟3結(jié)束，步驟4開始。在步驟4期間，閥8、16、30和40保持開啟，閥21打開。所有其它閥門保持關(guān)閉。現(xiàn)在在吸附床A產(chǎn)生富氧產(chǎn)品氣，并通過管12、閥16、管20和閥21輸送到容器C。與此同時，吸附床B通過經(jīng)管24，閥30與管14進入吸附床B的低壓富氧產(chǎn)品氣繼續(xù)清洗，并通過管6、閥40與管36從吸附床B出來進入大氣。
當(dāng)吸附床B清洗達所要求程度時，步驟4終止。在這時，閥30關(guān)閉，而閥8、16、21和40保持開啟。通過吸附床B的清洗氣流停止，但是吸附床B通過開啟的閥40和管36繼續(xù)排氣。與此同時，原料空氣繼續(xù)進入吸附床A，富氧產(chǎn)品氣繼續(xù)從吸附床A出來流到容器C。當(dāng)原料空氣通過吸附床A時，吸附床A中吸附的氮氣前沿向前移動，并接近該吸附床的非吸附產(chǎn)品氣的出口。當(dāng)該吸附前沿到達吸附床A的某一點時，通過關(guān)閉閥8、16、21和40終止步驟5。終止點在吸附床的非吸附產(chǎn)品氣出口附近最佳，結(jié)果吸附系統(tǒng)可以最高的效率操作。吸附床A氮氣的實質(zhì)性的穿透要避免，以防止將富氧產(chǎn)品氣的純度降到低于可接受的最小值。在步驟5終結(jié)時，本發(fā)明方法循環(huán)的第一半就完成了。
在步驟1-5期間，通過閥門鍵控操作在各個上述步驟期間的相應(yīng)閥門，在吸附床A和B中進行相反的作用，完成循環(huán)的第二半。這樣，在步驟6期間，僅開啟閥32，均壓氣從吸附床A流到吸附床B；在步驟7期間，只打開閥10和38，新鮮的原料空氣通過管2和6流入吸附床B，而吸附床A進行逆流排氣放壓；在步驟8期間，只打開閥10、18、28和38，吸附床B用新鮮原料氣加壓到操作壓力，而吸附床A進行清洗和排氣；在步驟9期間，只打開閥10、18、21、28和38，吸附床B繼續(xù)生產(chǎn)富氧產(chǎn)品氣，而吸附床A繼續(xù)進行清洗和排氣；和在步驟10期間，只打開閥10、18、21和38，吸附床B繼續(xù)生產(chǎn)富氧產(chǎn)品氣，而吸附床A進行最后排氣。在步驟10結(jié)束時，現(xiàn)在的循環(huán)就完成了，開始下一個循環(huán)，吸附床A進行吸附，吸附床B進行再生。
上面的循環(huán)是一典型的操作循環(huán)，它盡可能生產(chǎn)較高純度例如93％(V.)或更高純度的富氧產(chǎn)品氣流。當(dāng)這種方法改變時，循環(huán)通過除去一些均壓步驟(步驟1和6)和/或通過加入一些產(chǎn)品氣回填步驟來改變。在這些變化中，通過均壓步驟以前提供的均壓可以通過產(chǎn)品氣回填步驟和/或原料氣加壓步驟來提供。而且，如果需要，從容器C可以提供步驟3和8的全部的清洗/排氣操作的清洗氣。
本發(fā)明的關(guān)鍵步驟是在每個部分循環(huán)的清洗/排氣和最后排氣步驟期間，測量通過管36的廢氣中的氧氣濃度。這種測量優(yōu)選在這些步驟期間連續(xù)地進行，盡管這不是十分必要，但是在特殊事件發(fā)生期間測量廢氣中的氧氣濃度是重要的事情。這種事件可以是氣流中極限氧氣濃度的現(xiàn)象，對本發(fā)明的目的來說，這是以在包括清洗/排氣和一部分循環(huán)的最后排氣步驟期間出現(xiàn)的最大氧氣濃度或最小氧氣濃度來定義的。該事件也可以是該部分循環(huán)的清洗步驟開始后時間特殊期間行程。對本發(fā)明的目的來說，術(shù)語“事件”是表示在一部分循環(huán)期間廢氣流中最大氧氣濃度的現(xiàn)象，在一個部分循環(huán)期間廢氣流中最小氧氣濃度現(xiàn)象或在一個部分循環(huán)的清洗程序開始后，時間特殊期間的行程。
在一個部分循環(huán)期間，在事件發(fā)生的精確時間測量氧氣濃度傳送到PLCE。PLCE就將現(xiàn)部分循環(huán)期間的測量值與在緊接的現(xiàn)循環(huán)的前一部分循環(huán)期間相應(yīng)的測量值進行比較。然后PLCE調(diào)節(jié)該部分循環(huán)清洗步驟的總持續(xù)時間，隨后的現(xiàn)部分循環(huán)立即轉(zhuǎn)向傾向于減少該現(xiàn)部分循環(huán)的標準測量值與緊接的前部分循環(huán)測量值之間的差。調(diào)節(jié)必須提前或延伸直接跟隨現(xiàn)部分循環(huán)的該部分循環(huán)的清洗程序開始時間和/或結(jié)束時間。對本發(fā)明方法的每個部分循環(huán)重復(fù)這種方法，這樣就形成了動態(tài)控制的吸附法。
優(yōu)選的事件是在一部分循環(huán)的清洗和排氣步驟期間氧氣濃度極限值的現(xiàn)象，而最優(yōu)選的事件是最大氧氣濃度值的現(xiàn)象。最大值的用途是提供最迅速地減少相繼部分循環(huán)之間氧氣濃度的差。
可以估計到，一個部分循環(huán)清洗程序的持續(xù)時間的變更必須會改變一個部分循環(huán)一個或幾個其它的步驟和/或該部分循環(huán)的持續(xù)時間。例如，一個部分循環(huán)清洗程序持續(xù)時間的增加，將要求縮短以前清洗程序的排氣階段和/或后續(xù)清洗程序的排氣階段的程度和/或增加全體部分循環(huán)的持續(xù)時間。在優(yōu)選的實施方案中，優(yōu)選調(diào)節(jié)多個排氣階段的持續(xù)時間，并保持總體部分循環(huán)時間為常數(shù)。
吸附循環(huán)可包含吸附和再生基本步驟外的幾個步驟。例如，在多級階段中使吸附床放壓是有利的，利用第一次放壓的產(chǎn)品氣部分加壓一個吸附床，利用第二次放壓的產(chǎn)品氣部分加壓吸附系統(tǒng)中的另一吸附床。
人們將會意識到，利用一般的設(shè)備監(jiān)控和自動調(diào)節(jié)本系統(tǒng)內(nèi)氣體的流量都在本發(fā)明范圍內(nèi)，因此，本系統(tǒng)可以用一種有效的方式完全自動連續(xù)地運行。
本發(fā)明通過下面的實施例作進一步說明，除非另有說明，其中的份、百分數(shù)和比率均以體積為基準。
實施例1這個試驗是在類似于圖1所示的系統(tǒng)的一個兩床實驗室規(guī)模的PSA系統(tǒng)中進行，利用大氣壓下的空氣為原料氣。床中所使用的吸附劑是UOP出售的UOP PSA O2HP13X沸石。整個PSA系統(tǒng)是在控制環(huán)境下保持20℃(原料氣溫度)恒溫下密封。操作循環(huán)與表1描述的循環(huán)類似。循環(huán)的持續(xù)時間為120秒，分配如下步驟1和6為5秒；步驟2和7為6秒；步驟3和8為24秒；步驟4和9為25秒；步驟5和10為0秒(即步驟5和10省略)。生產(chǎn)步驟在吸附壓力為0.5巴(表壓)(表壓)和排氣壓力為大氣壓(0巴表壓)下進行。
在試驗進行期間，步驟2、3、7、和8的持續(xù)時間響應(yīng)PLC的讀數(shù)自動調(diào)節(jié)。在清洗/排氣步驟期間，氧氣傳感器測量排氣中的氧氣濃度。將相繼半個循環(huán)排氣流中的最大氧氣濃度進行比較，調(diào)節(jié)上述步驟的持續(xù)時間，使朝向減少下半個循環(huán)清洗/排氣步驟的最大氧氣濃度差值。達到穩(wěn)定的狀態(tài)條件。特定狀態(tài)的結(jié)果在表II列出。在試驗運行的一個循環(huán)期間排氣流中氧氣濃度的圖形在圖2中以曲線A示出。
表II氧氣純度，％ 92.1比產(chǎn)品氣，Nm3/m34.9氧氣收率，％ 22.6實施例2重復(fù)實旋例1的方法步驟，只是不企圖進行調(diào)節(jié)在清洗/排氣步驟期間出現(xiàn)的最大氧氣濃度的差。不能夠建立穩(wěn)態(tài)條件，在試驗期間，氧產(chǎn)品氣的純度在60％和90％間波動。在一個循環(huán)期間排氣流中氧氣濃度的圖形以曲線B示于圖2。
圖2表明利用本發(fā)明在一低壓PSA法中得到的益處。如圖2所示，當(dāng)使用本發(fā)明的方法步驟時系統(tǒng)排氣流中氧氣濃度的變化很小(曲線A)這是與不使用本發(fā)明的方法步驟時排氣流中氧氣濃度變化比較而言的。
雖然本發(fā)明已經(jīng)具體參考了具體的吸附和具體的試驗進行了描述，這些特點僅是本發(fā)明舉例說明。例如，吸附循環(huán)可包括兩個床以上的均壓步驟，并且在使用PSA法分離除氧氣和氮氣以外氣體混合物時，也可以使用本發(fā)明。而且，各個步驟的持續(xù)時間和操作條件可以改變。本發(fā)明的范圍僅由附加的權(quán)利要求的范圍限制。
權(quán)利要求
1.在一由兩個或幾個吸附床為一組組成的系統(tǒng)中，從一含第一和第二組分的氣體混合物中回收第一組分富集氣的一種循環(huán)PSA方法，吸附床中的吸附劑，與第一氣體組分相比，優(yōu)選吸附第二氣體組分，所述的吸附床平行設(shè)置，并以至少一個吸附床進行吸附，而至少另一個吸附床進行再生的異相方式操作，該PSA法包括如下步驟(a)使上述氣體混合物流入上述至少一個吸附床，將上述至少一個吸附床加壓到一選定的吸附壓力，并將產(chǎn)生的第一組分富集氣作為非吸附的產(chǎn)品氣，同時周在一選定排氣壓力下解吸的第二組分富集氣再生上述的至少另一個吸附床，在至少一部分再生期間，用第一組分富集氣清洗上述的至少另一個吸附床；(b)重復(fù)步驟(a)，上述的至少一個吸附床和上述的至少另一個吸附床交替作用，直到上述系統(tǒng)的所有吸附床都經(jīng)歷步驟(a)為止；(c)定期地測定在上述的至少另一個吸附床選定的再生期間特殊事件發(fā)生時排出上述至少另一個吸附床的氣流中的第一組分的濃度和在上述的至少一個先于上述的至少另一個吸附床上述選定的再生期間的吸附床的再生期間，特殊事件發(fā)生時排出上述至少一個吸附床的氣流中的第一組分濃度之間的絕對差值；和(d)以降低上述絕對差值的方式定期地調(diào)節(jié)在上述的至少一個吸附床和上述至少另一個吸附床的一個或幾個中的清洗持續(xù)時間。
2.權(quán)利要求1的方法，其中上述的組包括一對或幾對交替操作的吸附床。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其中上述的特殊事件是排出進行再生的一個吸附床的氣流中第一組分的極限濃度，或是一個吸附床在開始清洗步驟后時間特別期間的行程現(xiàn)象。
4.權(quán)利要求3的方法，其中上述的特殊事件是排出進行再生吸附床的氣流中第一組分的極限濃度的現(xiàn)象。
5.權(quán)利要求4的方法，其中上述的特殊事件是排出進行再生吸附床的氣流中第一組分的最大濃度的現(xiàn)象。
6.權(quán)利要求1或2的方法，其中步驟(c)中進行的再生期間被分成固定數(shù)目的再生期間，其中步驟(c)不進行。
7.權(quán)利要求6的方法，其中期間的上述固定數(shù)目為0-約5。
8.權(quán)利要求1或2的方法，其中在步驟(c)中進行的再生期間被分成可變數(shù)目的再生期間，其中步驟(c)不進行。
9.權(quán)利要求1或2的方法，其中先于上述另一個吸附床的上述選定的再生期間的上述至少一個吸附床的上述再生期間和上述另一個吸附床的上述選定的再生期間是吸附床的連續(xù)再生期間。
10.權(quán)利要求1或2的方法，其中上述至少另一吸附床的上述選定的再生期間和執(zhí)行步驟(d)的調(diào)整中的再生期間是吸附床的相繼再生期間。
11.權(quán)利要求9的方法，其中上述至少另一吸附床的上述選定再生期間和執(zhí)行步驟(d)的調(diào)整中的再生期間是吸附床的相繼再生期間。
12.權(quán)利要求1或2的方法，其中上述的第一組分是氧氣，第二組分是氮氣。
13.權(quán)利要求1或2的方法，其中上述第一組分是氮氣第二組分是氧氣。
14.權(quán)利要求1或2的方法，其中在步驟(a)之前，上述至少一個吸附床部分加壓，上述至少另一個吸附床部分放壓，這是通過從上述的至少另一個吸附床到上述的至少一個吸附床的氣體流動來實現(xiàn)的。
15.權(quán)利要求1或2的方法，其中在步驟(a)之前，上述的至少一個吸附床通過第一組分富集氣流入其中部分加壓，而上述的至少另一個吸附床通過從中排出氣體部分放壓。
16.權(quán)利要求14的方法，其中在步驟(a)之前，上述的至少一個吸附床通過第一個組分富集氣流入其中進一步加壓，而上述的至少另一個吸附床通過從中排氣進一步放壓。
17.權(quán)利要求1或2的方法，其中上述的組包括至少三個吸附床，在一個循環(huán)中順序地操作，步驟(c)和(d)循環(huán)地進行，每個吸附床定期地起上述一個吸附床和上述另一個吸附床的作用。
全文摘要
在兩床系統(tǒng)中用空氣生產(chǎn)均勻純度的氧氣的變壓吸附法中吸附床異相操作。吸附循環(huán)包括加壓/生產(chǎn)步驟和吸附床再生步驟，進行再生的吸附床用其中作為非吸附產(chǎn)品氣的富氧氣的低壓氣進行清洗。定期監(jiān)測清洗氣排出氣中氧氣濃度，將在選定清洗步驟排出氣中最大氧氣濃度與在先清洗步驟排出氣中最大氧氣濃度比較，并以降低連續(xù)清洗步驟中氧氣濃度之間差值的方式，利用差值對選定的清洗步驟后的清洗步驟持續(xù)時間和定時進行調(diào)節(jié)。
文檔編號B01D53/047GK1139586SQ9610419
公開日1997年1月8日 申請日期1996年3月15日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月15日
發(fā)明者譚子明 申請人:美國Boc氧氣集團有限公司