专利名称：从多元混合气中吸附分离多量组分的变压吸附工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于化工工艺及设备制造领域。
用变压吸附法(下称PSA法)分离二元和二元以上的含有需吸附大量组分的混合气在近年来得到广泛的应用，除了从空气中制取氧气，还可适用于从甲醛尾气中提取氢气或从含大量二氧化碳的天然气中除去二氧化碳等系统中。下面以从空气中制取氧气为例展开本发明的叙述。
从空气中制取氧气，已成为深冷法的主要替代方法，在5000Nm3/h以下需93％氧气时，PSA法足以与深冷法竞争。由于PSA法生产氧气的技术进步，其投资和能耗逐渐降低。其生产的氧气已广泛用于冶金、玻璃窑炉、污水处理等领域。
常用的PSA法制取氧气的过程，以二塔为例，如图1所示，每个吸附器需经过吸附(A)，压力平衡(降压ED)，抽空解吸(VC)和压力平衡(升压ER)等步骤。变压吸附工艺顺序如图2列表所示。以A塔为例，压缩空气从吸附器A底部进入吸附器，通过吸附剂的吸附作用，产品氧气由吸附器顶部送出。吸附阶段结束后，关闭A塔进出口阀门1A、3A，打开阀门4，将吸附器A中的剩余气体与已经抽空的吸附器B进行压力平衡(吸附器A降压)，然后关闭阀门4，打开阀2A对吸附器A进行抽空(此时B塔进行吸附)，抽空完毕，由停止吸附的吸附器B向吸附器A进行压力平衡(吸附器A升压)。压力平衡完后，吸附器A又重新进入吸附。
现行流程中的吸附器一般是比较理想的立式容器。但是对变压吸附法生产氧气而言，需要吸附掉大量的氮气(空气中含氮按体积计为79％)，对于等截面积的吸附器，随着吸附的进行，气体通过吸附器的流速变化太大。如生产93％纯度的氧装置，氧气收率取50％，则通过吸附器的气体流速，吸附终了(产品气)为吸附开始(空气)的1/9。显然，这么低的气速对气体扩散是不利的。同时，由于纵向扩散的影响，对提高产品纯度也不利，从而使吸附剂的利用率降低。其次，由于吸附剂的再生是采用抽真空解吸，所以要求较高的真空度，并希望真空泵的能耗较低，所以吸附剂高度不能太高，一般限制在2～3m。这样，从吸附剂的利用率来看，需要较长的吸附路径，因而要求吸附剂层高度足够高，而从真空泵的能耗和获取高真空度的效率来看吸附剂层高度不能太高。这给设计工艺条件造成了许多困难，往往难以兼顾。
鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是探索一种更为合理的从多元混合气气中吸附分离多量组分的变压吸附工艺，使其能克服现有技术的以上缺点。
本发明的目的是通过如下的手段实现的。
从多元混合气中吸附分离多量组分的变压吸附工艺，采用变压吸附法，用两个或两个以上的吸附器分离二元或二元以上混合气的气体成分，每个吸附器经过吸附，压力平衡(升压)，抽空解吸和压力平衡(降压)等工艺步骤实现变压吸附操作，吸附器内置有一个倒锥形内筒，此倒锥形内筒把吸附器内的吸附剂分成两部分；原料混合气从吸附器下端进入吸附器内倒锥形内筒外的空间，到达吸附器上腔后折入锥形内筒内向下，产品气体亦从吸附器下端输出；吸附剂再生由塔顶抽真空。
采用如上的工艺后，减小了原料混合气在吸附过程中气体流速的变化，提高吸附剂的利用率；解吸时减小了抽空的阻力，有利于真空度的提高，降低了真空泵的能耗。
如下图1是现有变压吸附两塔PSA流程示意图。
图2是变压吸附工艺顺序列表。
图3是本发明的二塔PSA流程示意图。
下面结合附图3对本发明的工艺作更为详细的叙述。
如图3所示，本发明对常用的变压吸附制取氧的工艺改进之处在于在吸附器内放入一个同心的倒锥形内筒，工艺步骤与通常的PSA工艺(图1)相同，即经过吸附，压力平衡(降压)，抽空，压力平衡(升压)四个阶段。不同的是，其一为吸附时压缩空气经1A阀从吸附器下端进入锥形内筒外的环形空间吸附剂，到达吸附器顶部后，折向锥形内筒内的吸附剂，产品氧也由吸附器底部经3A阀输出。可以看出，随着吸附过程的进行，气体量愈来愈少，而气体所流过的吸附剂截面积也愈来愈小，这样气速的变化就减小了，因而可以提高吸附剂的利用率；其二为解吸时，从塔顶经2A阀抽空，对于通常的工艺，就相当于从吸附塔的中部进行抽空，减小了抽空的阻力，有利于真空度的提高，降低了真空泵的能耗。
一般情况下所述倒锥形内筒可与吸附器的塔身同中心轴。从物料衡算的角度看，锥形内筒上端口的截面积与该位置由吸附器塔身与锥形内筒上端口外沿包围的环形截面的面积相等；产品气量与进口混合气量比可取等于下端口截面积与环形截面积之比。
实施例1制氧装置二塔流程，其原料空气量为3800Nm3/h，产品气量500Nm3/h，采用图1流程塔径Φ＝2600mm，吸附剂层高4100mm。采用本发明图3的工艺，吸附塔直径Φ＝3000mm，园锥管上端直径Φ＝2100mm，下端直径Φ＝1000mm。采用同样量的吸附剂，吸附剂层高3080mm。与现有技术图1流程相比，吸附路径增加2060mm，改进了吸附器结构及抽真空点位置，可以使气体在吸附过程中空塔速度变化减小及吸附剂总高度降低，有利于吸附剂的抽空再生，从而提高了吸附剂利用率，减少吸附剂用量。
本发明工艺虽然是以用空气制取氧气为例叙述的，但其基本方法可以等同地用于其它混合气需除去大量组分的变压吸附工艺中，如从甲醛尾气中提取氢气、含高达70％以上二氧化碳的天然气浓缩甲烷等。同样的道理，本发明工艺的使用范围也完全适用于多塔流程。
权利要求
1.一种从多元混合气中吸附分离多量组分的变压吸附工艺，采用变压吸附法，用两个或两个以上的吸附器分离二元或二元以上混合气的气体组分，每个吸附器经过吸附，压力平衡(降压)，抽空解吸和压力平衡(升压)等工艺步骤实现变压吸附操作，其特征在于，吸附器内置有一个倒锥形内筒，此倒锥形内筒把吸附器内的吸附剂分成两部分；原料混合气从吸附器下端进入吸附器倒锥形内筒外的空间，到达吸附器上腔后折入锥形内筒内向下，产品气体亦从吸附器下端输出；吸附剂再生由塔顶抽真空。
2.根据权利要求1所述从多元混合气中吸附分离多量组分的变压吸附工艺，其特征在于，所述倒锥形内筒与吸附器的塔身同中心轴。
3.根据权利要求1或2所述从多元混合气中吸附分离多量组分的变压吸附工艺，其特征在于，锥形内筒上端口的截面积与该位置由吸附器塔身与锥形内筒上端口外沿包围的环形截面的面积相等。
4.根据权利要求3所述从多元混合气中吸附分离多量组分的变压吸附工艺，其特征在于，锥形内筒下端口截面积与环形截面积之比可取等于产品气量与进口混合气量之比。
全文摘要
本发明公开了一种从多元混合气中吸附分离多量组分的变压吸附工艺，用变压吸附法分离二元或二元以上混合气，每个吸附器经过吸附，压力平衡(降压)，抽空解吸和压力平衡(升压)等工艺步骤实现变压吸附操作。吸附器内置有一倒锥形内筒将吸附器内的吸附剂分成两部分；原料混合气从吸附器下端进入吸附器内倒锥形内筒外的空间，到达吸附器上腔后折入锥形内筒内向下，产品气体亦从吸附器下端输出；吸附剂再生由塔顶抽真空。本发明工艺减小了原料混合气在吸附过程中的气体的流速变化，提高吸附剂的利用率；解吸时减小了抽空的阻力，有利于真空度的提高，降低了真空泵的能耗。
文档编号B01D53/047GK1583220SQ0313561
公开日2005年2月23日 申请日期2003年8月18日 优先权日2003年8月18日
发明者陶鹏万, 古共伟, 陈健, 郜豫川 申请人:西南化工研究设计院