用中间压力传送氮压力回转吸附的制作方法

专利名称：用中间压力传送氮压力回转吸附的制作方法
技术领域：
本发明的背景在产物的纯度、压力、流速的特定范围内，压力回转吸附(简称PSA)是产氮普遍选用的工艺。这里所指的产物纯度、压力、流速的特定范围是受各种竞争技术限制的，这些竞争技术包括用低温生产液氮(LIN)，“液氮辅助”(“LIN-assist”)设备以及另一种可选用的低氧常压气体，例如由“外”(“exo”)发生器生产的那些气体。因此，提高氮PSA设计中的能源和资本的效率是有商业价值的，不但为该技术打开新的市场，而且在已有的市场范围内提供一个超过别的供货厂商的竞争优势。
氮PSA的能源和资本的效率最容易由两种分别称为流程回收率和生产率的性能测定来表示。回收率是产氮量除以产氮所需的压缩空气进给量。生产率是产氮量除以产氮所需的吸附物质体积。这两种因素均受流程条件、原材料、循环变量(如步骤时间)和流程中任何一步流速的影响。
氮PSA流程循环已经得到广泛注意和高度优化。主要的回收率生产步骤是所谓的压力平衡步骤。这一步骤发生在某一床被完全再生而另一床已完成它的产氮阶段。就这一点来说，再生床是在低压下(表压少于20磅/英寸2)，而别的床则是或接近它的最大吸附压力(一般表压值是90-140磅/英寸2)。最好是通过将气体从高压床传送到低压床以节约部分压力能量，这种传送要在将气体排出高压床和将进给导至低压床以前进行。
商业上的实践通常已简化成使两床之间的压力相等，其配置是在产物端使用某一产物，而在进给端则用进给。这一类压力平衡步骤可以说成“相等”，即产物端的产物流量和进给端的进给流量在数值上是相等的和“完全的”，在这一步骤结束时两个罐是等压的。而且这个平衡方案迫使气体在高压罐的两端传送，并将该气体导至低压罐的两端。
由于面对氮PSA工艺的最初挑战是高效地生产高纯度的产物，因此注意到需要的压力平衡步骤是相等的，完全的而且只限于在罐两端的气体，对提高产物纯度而优化PSA流程设计设置一挡板是重要的。事实上，只要去掉这些限制，就可以获得大为提高的生产率和再生率。
中床平衡是众所周知的，而且偶尔也用于氮PSA上。通常，这种技术是用于相对于标准压力平衡来说吸收床太长以致于在不用附加中床管路就不能恰当地起作用的情况下。在这些应用中，气体的传送完全被限制在两个床中相对应的点上，即没有任何气体被传送到别的床上更高或更低的点。
另一方面，美国5,176,722使人得知一种压力平衡步骤，在这种步骤中，气体是从高压床的产物端传送到低压床的进给端。在另一个实例中也显示了从高压床的产物端对低压床的两端的平衡。
日本Kuraray Kokai的63-79714(1988年4月)使人得知一种生产高纯度氮的三床真空再生PSA系统。这种系统，虽然明显地属于资本和能源密集型的，吸引人之处在于创造性地集中了真空再生的各种最有用的好处，而且这种方式还可以长时间使用而不会有损于几乎连续的产物生成。但是这种系统的高费用使其变成不经济，除非别的传统高纯度氮的资源不能利用。
最后提出了分床设计，在这种设计中吸附床由两个串联而分离的床组成。哈氏(Hay)的法国专利2,624,759公开了一种经由空气分离产氧的三床流程。虽然这些都是分离床，但他公开的管路和流程对气体从这些床之间的点传送到另外两个床之一的进给端是不允许的，而且该流程对气体从第二吸附装置(顶层)传送到这些床之间的点也是不允许的。相反，第一和第二吸附装置的再次增压来自别的两个第一吸附装置其中一个的产物端。当所述第一吸附装置正在进给时发生这种情况；因此，这种情况实际上不是一种典型的压力传送(或“平衡”)步骤。
伏氏(Vo)的美国专利4,715,867也同样使人得知一种分离床设计。然而这个专利清楚地使人得知，这些床能够通过一个较小的流程和硬件的变化组合成一个单床。由于该专利着重于用碳分子筛做为吸附剂进行空气分离，因而也很重要。伏氏公开一种采用标准PSA循环而在以下几方面是不同的流程(1)每个罐用串联的一个原始吸附床和一个辅助吸附床替换；(2)压力平衡是进给对进给和产物对中间，其中该中间点是原始床和辅助床之间的点；(3)再生这半个流程上的辅助床是用产物单独再加压的；这种情况和平衡步骤同时发生；(4)做为选择，清洗可以在产物气体转移和中间气体转移时进行；(5)做为选择，在床的再生期间，真空可以用于促使这些床的再生。
如本文中同一发明人的美国专利5,441,558中公开一种两个平行床的氮PSA流程，在该专利中，在不足于完全平衡的条件和控制下实现了进给端对进给端和产物端对产物端的压力平衡。
现有技术在吸附气体的分离法中，对从气体混合物中不太有力吸附气体的生产率和回收率实现提高方面的缺点被本发明克服了，本发明对不太有力吸附产物气体实现高生产率和回收率是通过控制气体在高压吸附床到低压吸附床之间的平衡或压力传送，这种传送是从高压吸附床的进给端和产物端的一个中间位置到低压吸附床，下面将要更加详细说明。
本发明的概述本发明是一种从进给气体混合物中分离富氮气体的方法，其中进给气体混合物至少包括氮和氧，使用多个吸附氧比吸附氮优先且更快捷的吸附床，在每个床上都要进行一系列的步骤，这些步骤包括在某一高压下的吸附以吸附氧，并作为一末被吸附产物回收一富氮气体；降低压力到一较低压从吸附物质中提取吸附的氧；以及再加压至接近吸附压力，改进包括，在多个床的第一个床的吸附步骤之后，将气体从该多个床的第一床的一中间点传送至接近多个床的第二个床进给端的一个点，以便能部分地降低第一床的压力和部分地增加第二床的压力。
优选的，接近第二个床的进给端的那个点是该第二床的进给端。
优选的，气体传送被进行到不足使第一床和第二床达到压力相平衡的程度。
优选的，在气体从第一床的一个中间点传送时，气体也从第一床的产物端传送到第二床的产物端。
优选的，气体从第一床的一个中间点被传送至该多个床的第二个床更接近进给端的一个点被进行一次以上。
优选的，这多个床是两个平行接管的吸附床，这两个吸附床以互相异相的步骤工作，以使一个床在作吸附时另一床在减压或重新增压。
优选的，这多个床由吸附氧比吸附氮更具动力学选择性的碳吸附剂装填。
一个可选的方案是，该中间点接近于从第一床产物端至第一床进给端的一半距离。
最好在减压以后，每个床经受一次具产物品质的气体的吹洗。
最好使减压、吹洗和再加压是在逆着吸附进给气体混合物流下进行。
附图的几个视图简要说明

图1a-e是该中间源压力平衡或气体在本发明一个两床氮PSA中传送的各种实施例一系列示意说明。
图2是更详细地描述图1e实施例的流路和控制阀的本发明一个实施例的示意说明。
图3是图1a-e对应于一个具有半周期为150秒的标准氮PSA流程的实施例生产率提高表，此流程没有中间源压力平衡或气体传送的好处。
图4是图1a-e对应于一个具有半周期为150秒的标准氮PSA流程的实施例回收率提高表，此流程没有中间源压力平衡或气体传送的好处。
图5是图1a-e对应于一个具有半周期为180秒的标准氮PSA流程的实施例生产率提高表，此流程没有用中间源压力平衡或气体传送的好处。
图6是图1a-e对应于一个具有半周期为180秒的标准氮PSA流程的实施例回收率提高表，此流程没有用中间源压力平衡或气体传送的好处。
发明的详细说明本发明对具有多个平行接管吸附床的氮PSA中产物端对产物端和进给端对进给的压力传送加以改进，此时通过使用一个或多个其起点在高压床进给端和产物端的某些中间点，末端在比高压床中间源点更接近低压床进给端一点的气压传送流。这一点可以是低压床的进给端。产物端对产物端的压力传送仍然维持作为该发明的一部分，或者传送接近到其产物端接受床上的一点。本发明的很多实施例在图1用(a)至(e)图示来说明。
本发明需要对现有技术的管路排列作些修改，现有技术不使用中间源压力传送。图2显示这样一种管路排列例，这种排列适合于图1(e)中所示的压力传送方案。
获得本发明好处的氮PSA布置的重要方面是(a)在压力传送步骤期间，气体从高压床的产物端和进给端的中间一点传送至该低压床上升气流或比所述高压床该中间点更接近该低压进给端的一点；(b)控制每个压力传送管路内所传送的气体量；(c)控制气体传送步骤的持续时间。
本发明对上述那些方案提供各种附加好处的可选用方案(a)将进给至进给端的气体传送减至最低程度或消除；(b)增加第三个压力传送管路，再次从高压床的一中间点传送到一个上升气流点或比高压床中间点更接近低压床进给端的一点；(c)通过每个管路的传送持续时间的独立控制，即允许通过一个或多个管路传送，而且各个周期可以不同。
对图2中例示氮PSA流程用中间压力传送的本发明修改压力传送布置改善了工艺循环的现行状态，这种工艺总是类似于图2的说明(但不用与阀8-12以及孔口D1和D2相关的管路和阀)，这种工艺循环状态由以下步骤组成步骤1床A从进给和产物端被增压。压缩空气经阀1和阀2(进给端)进入，而来自接受罐RT的产物流过阀20和18(产物端)。同时，床B经阀5和7被减压。
步骤2当床A的压力超过RT中的压力时，回流停止而产物生成过程重新开始。阀1、2、18和20仍然开着。同时，阀6打开，使具有富氧的排气流22的床B可迅速减压。来自床A的产物一小部分在再生期间流过阀14至吹洗床。
步骤3由于床A连续产生产物，阀5、6、7关闭，终止床B的排气。此时，由于清除来自吸附物质的吸附气体，压力开始在床B建立，以及吹洗气体的连续流进入该床。
步骤4闲置步骤5压力传送。一部分压力经阀16和17以一产物端对产物端方式和经阀4和5以进给端对进给端方式被从床A传送至床B。通过每个这些管路传送的气体量是由手控阀或孔口加以调节的。
步骤6闲置步骤7至12以床B在进给中而床A为再生的方式重复步骤1至6。进给将通过阀1和3流向B床，而产物则经由阀19和20流入接受罐RT，最后作为管路21内的产物流至一端。在一个两床流程中，床A和床B在处理步骤的时间上相位相差180度，因此当床A处于吸附状态时，床B就处于减压和/或再生状态。在中间气体压力传送期间，当一个床处于减压时，另一床正处于增压状态。通过气体压力传送到低压床进行减压的高压床上的一个恰当中间点约为高压床的进给端和产物端之间的一半路程点。在吸附和生产富氮产物气体期间，减压、吹洗和产物重新加压均以逆流被导至该床的进给气体混合物流中。
在本发明中，步骤5和11将由图1(a)至(e)所示类型的一种修改气体压力传送布置所替代。例如，使用图2所示系统的图1(e)的中间气体压力传送，步骤5将由床A进入设在床A的进给端和产物端之间一个中间点的孔D1的气体来开始，并在通过止回阀12、在其进给端或可选地在任何比床A的孔D1中间气体源点更接近床B进给端的点进入床B之前通过开着的阀8和10。这样的气体压力传送比一个全部而完全的平衡更少些，比全部平衡所要的时间也要少一些，而且可以与经阀16和17的产物端对产物端的气体压力传送时间无关。步骤11将是等同于从床B经过孔D2、阀9和10以及止回阀11至床A的中间气体传送。中间源气体压力传送至少部分地减少高压床压力，部分地相对于吸附压力对低压床加压。
一些实例。全部这些数据是使用相同种类的具动力学氧选择性碳分子筛吸附剂和床尺寸获得的，最大的吸附压力表压值为100磅/英寸2。
实例1(可比的)PSA的特性是使用不完全和不相等的压力传送得到的，但仍然被限制于产物端对产物端以及进给端对进给端管路。在不用本发明的中间气体压力传送情况下，这一特性被称为“标准”特性。这一特性是用美国专利5,441,558流程所期望的。在这些实验中，产物端对产物端的传送量在压差每平方英寸16至20磅的范围内，进给端对进给端的传送量在压差每平方英寸15至17英磅(psid)的范围内。对于一个离散的压力传送压差每平方英寸磅数(psid)是基于阀按百分比开口的方式加以修正的床之间的总压力传送，其中阀是在特别压力传送管路内。例如，如果在两个床之间传送的总压力值是压差50磅/英寸2，而中间压力传送阀打开50％，那么因为中间压力传送管路的压力传送压差是25磅/英寸2。
实例2实际使用图1(a)以150秒为半个周期的情形所得的性能。压力传送分两步进行产物端对产物端单独占1.0-1.5秒(压差为4-6磅/英寸2)，接着是产物端对产物端以及中间压力传送占4.0-4.4秒。产物端对产物端的总传送压差为17-19磅/英寸2，总中间传送压差是18-19磅/英寸2。
实例3实际使用图1(b)以150秒为半个周期的情形所得的性能。压力传送分两步进行产物端对产物端单独占有1.5秒(压差为6磅/英寸2)，接着是全部三个传送流占用3.5秒(产物端对产物端、中间、进给端对进给端)。流量分布是产物端对产物端压差18磅/英寸2，中间压差14磅/英寸2，进给端对进给端压差7磅/英寸2。
实例4实际使用图1(c)以180秒为半个周期的情形所得的性能。压力传送用一步进行，以压差17-19磅/英寸2从产物端传送至一个上中间点，而以压差17-21磅/英寸2从下中间点传送至进给端。
实例5实际使用图1(d)在150秒和180秒为半个周期情形所得的性能。五个数据点的详细情况如下图号 时间 产物 中间 进给 周期产物/全部 (压差磅/英寸2)(压差磅/英寸2) (压差磅/英寸2)(秒)1 0.8/4.41110 181502 1.5/3.51713 101503 1.3/3.71713 101504 1.5/3.51713 91805 1.5/3.51713 10180实例6实际特性是使用图1(e)在150秒和180秒为半个周期情形所得的性能。八个数据点的详细情况如下图号 时间 产物 进给 周期(产物/全部) (压差磅/英寸2) (压差磅/英寸2) (秒)6 1.0/5.0 19 16 1507 0.0/6.0 19 18 1508 0.0/6.0 19 17 1509 0.0/5.6 18 17 15010 0.0/6.4 21 17 15011 0.0/6.0 19 19 150**12 0.0/6.09 17 18013 0.0/6.2 20 16 180**传送从顶部至底部的1/3图3-6表示使用图1(a)至(e)与标准性能比较观察到的生产率和回收率的增加。由图1(a)至(e)代表本发明流程的全部数据和可以比较的标准流程是在相同的纯度值(ppm氧)基础上得到的。图1的各种实施例的几个实验是因为特殊实施例的几种结果而致时间或气体传送的轻微变化作出的。
图3表示对比于上述标准流程的图1(a)、(b)、(d)和(e)实施例在给定纯度下的生产率。除了图1(d)的一个实验因为有太多的气体是经中间气体传送管路传送至接近进给端而降低性能外，本发明的实施例比标准流程的生产率增进超出2至8％。本循环的半个周期为150秒。
图4表示与图3一样的实验，只报告回收率而不是生产率。除了图1(d)的一个实验外，回收率增进一般在1至5％的范围内。
图5表示对比于上述标准流程的图1(c)、(d)和(e)实施例在给定纯度下的生产率。本发明的实施例比标准的流程的生产率一般增进超出1～8％。本循环的半个周期为180秒。
图6表示与图5一样的实验，只报告回收率而不是生产率。回收率增进一般在1至4％的范围内。
从这些图表中可以推出下列结论(a)压力传送流的总量，持续时间和接口位置在本发明情况下的调整，能使所需的床体积降低8％，能使进给空气需要量比标准“现有技术”高纯度氮PSA工艺降低5％。
(b)各种压力传送流的适当控制和调整有利于获得一个好的性能。例如比较一下图4的数据点1-3。全部是使用图1(d)和压力传送步骤占大约5秒、半周期为150秒的循环获得的。在实验1中，过多的气体是经过最接近进给端的压力传送管路传送的，明显在暗地破坏了性能。调整可以象设计和操作氮PSA系统的人员所周知的那样，根据各自流量的简单估算来进行。
(c)从高压床的产物端传送的气体最好传送到低压床的产物端。这一方式保证了该床产物端的“清洁”。在180秒的情况下把图1(c)比作图1(d)和图1(e)这一实例的数据。因此，本发明的最佳实例应该是产物端对产物端的传送(图1(a)、(b)、(d)和(e))。
(d)图1(b)的实验显示仅仅通过增加一个中间传送管路(从各自罐上更接近的产物端至更接近进给端)至标准的产物端对产物端和进给端对进给端的布置，就可以获得8％的生产率和4％的回收率的增进。
提供给气体压力传送的时间和速度应该足以传送所需要的气体压力量，而不用在实际上干扰床内吸附物质的填料，而且仍然可以对吸附物质作动力学选择，最好是吸附氧超过吸附氮。
首先产物端对产物端的压力传送有利于起动，而且通常还有利于做到用中间压力传送。最好不要达到全部压力传送或全部压力平衡。中间压力传送最好不要超过进给端对进给端压力传送的1.5倍。
本发明基本优点是，相当数量的高纯度气体不会被流程循环所浪费，而是被传送到低压床，其中高纯度气体位于高压床的当中点和产物端到中部。另外，这一气体被传送到低压床上一个有利位置。作为一般规则，气体传送应该从高压床上的一个中间点送到低压床上的相应点，在这一个点大部分气体成分与这一点相容。由于低压床以逆流重新再生，这一相容点将出现在接近低压床上进给端的一个点。已经注意到的一个主要例外是，必须维持低压床产物端的产物纯度。为此，产物端对产物端的传送是重要的。
本发明的价值问题在于本发明使高纯度氮PSA适合于增长的市场范围，面对别的氮资源增加了这一工艺的竞争力。4-8％的性能增进通常将足以允许选择更小的压气机或更小的PSA设计，最后产生一个更具有竞争力的产物。
本发明已经对一些最佳实施例加以说明，但是本发明的范围应该从以下的权利要求中加以确定。
权利要求
1.一种从至少包含氮和氧的进给气体混合物中分离一富氮气体的方法，采用多个在氮和氧中最好更易吸附氧的吸附床，在每个吸附床都有一系列步骤，包括在某一高压下的吸附以吸附氧，并作为一未被吸附产物回收一富氮气体；降低压力到一较低压从吸附物质中提取吸附的氧；再加压至接近吸附压力，改进包括在所述多个床的第一个床吸附步骤后，将气体从所述第一床的一个中间点传送至更接近于多个床的第二个床进给端的一个点上，局部地降低所述第一床的压力及局部地对所述第二床加压。
2.按权利要求1所述的方法，其中所述更接近于第二个床进给端的点是所述第二床的一个进给端。
3.按权利要求1所述的方法，其中所述传送气体被进行到不足使所述第一床和所述第二床达到压力相平衡的程度。
4.按权利要求1所述方法，其中所述气体从所述第一床的一个中间点传送时，气体也从所述第一床的产物端传送至所述第二床的产物端。
5.按权利要求1所述的方法，其中将气体从所述多个床的所述第一床的一个中间点传送至更接近于第二个床进给端的一个点是多次进行的。
6.按权利要求1所述的方法，其中所述多个床是两个平行接管的吸附床，这些吸附床经所述步骤相互是异相工作的，即当一个床进行吸附时另一个床进行降压或再加压。
7.按权利要求1所述的方法，其中所述多个床均装有碳吸附剂，对吸附氧比吸附氮更具动力学选择性。
8.按权利要求1所述的方法，其中所述中间点约为从所述第一床产物端至所述第一床进给端距离的一半。
9.按权利要求1所述的方法，其中在所述降压后， 对各床用产物品质气体吹洗。
10.按权利要求9所述的方法，其中所述降压，所述吹洗和所述再加压均在逆着所述吸附进给气体混合物流下进行。
全文摘要
一种压力回转吸附氧的方法,该氧来自至少包含氮和氧的气体混合物,从进行吸附、降压和再加压的许多平行接管吸附床回收未被吸附的富氮产物,其中改进在于将压力传送从一个床导至另一个床,从完成吸附的床一个中间点至更接近于另一床的进给端一个点,再加压以增进生产率,并在该流程中回收富氮气体。
文档编号B01D53/04GK1185577SQ9712317
公开日1998年6月24日 申请日期1997年11月19日 优先权日1996年12月20日
发明者S·K·李, R·抛尔 申请人:气体产品与化学公司