一种全温程模拟旋转移动床变压吸附（FTrSRMPSA）的空分制氮工艺的制作方法

一种全温程模拟旋转移动床变压吸附（ftrsrmpsa）的空分制氮工艺
技术领域
1.本发明涉及从空气中分离制取纯氮的变压吸附（psa）技术领域，更具体的说是涉及一种全温程模拟旋转移动床变压吸附（ftrsrmpsa）的空分制氮工艺。


背景技术：

2.氮气（n2）的工业生产方法主要有深冷空气精馏（深冷空分）法与变压吸附法两种，膜分离法单纯制氮不经济而不常用。深冷空气精馏法主要适用于规模较大的纯氮制备，并可同时生产高纯氧气（n2）和氩气（ar）副产品，对于规模较小的制氮装置而言，其单位能耗高、建设投资大，氮气生产成本高；变压吸附（psa）方法是目前一些化工行业各种规模的空分制氮应用最为广泛的方法。
3.psa空分制氮与psa空分富氧工艺有较大的区别，其中，空分富氧的吸附机理主要是平衡吸附，空气中的氮气（n2）、二氧化碳（co2）、水及微量的碳氢化合物（cmhn）等作为吸附质，氧气（o2）与氩气（ar）作为非吸附相组分，常用的吸附剂有5a、13x、lix等，其中，lix型吸附剂对n2吸附容量较大，且在吸附剂上的o2/n2相对吸附分离系数也比较大，非常适合于空分富氧。空气中制取n2时，由于可以采用二种性质的分子筛而形成二种截然不同的吸附机理与相应的psa 工艺，一种是基于平衡分离机理，采用5a等平衡型分子筛为吸附剂的从吸附相提取n2产品的工艺，即，空气中的氮气（n2）、二氧化碳（co2）、水及微量的碳氢化合物（cmhn）等作为吸附质，该吸附机理与空分富氧工艺相同，显然，该法由于空气中70%的n2作为吸附质而从吸附相中获取产品，成本与能耗自然很高，故而，基于平衡吸附机理的psa空分制氮工艺一般在psa空分富氧共同生产才有经济效益；另一种是基于动力学分离机理，采用炭分子筛（cmsn2）为吸附剂的从气相提取产品的工艺，即，n2与ar作为非吸附相组分，而o2及微量的co2、水等作为吸附质组分，基于动力学吸附机理的psa空分制氮工艺简单、能耗低，目前在国内外已得到广泛应用。
4.炭分子筛（cmsn2）psa空分制氮的基本特点是：其一，对氧、氮的平衡吸附容量很接近，而且其吸附氧的量略大于氮，性质更类似于活性炭，无法进行氧、氮分离；其二，由于炭分子筛（cmsn2）的微孔形如狭缝，不同于沸石分子筛微孔的瓶颈状，在吸附开始后的较短时间内，氧的扩散速度比氮快得多，这种扩散速度上的差异使氧即使在很低的平衡选择性下，也成为被优先吸附的组分，从而使大量的氧被吸附而达到分离的目的，吸附几分钟后，氧的平衡吸附容量已达到饱和值的80%，而氮在同样时间其吸附容量才不到5%；其三，空气中的h2o 和co
2 的分子直径均为0.28nm，与氧气一起吸附，但对氧的吸附容量几乎没有什么影响，而ar 的分子直径为3.83nm，与氮气一起富集于气相。基于n2吸附分离的动力学机理，典型的psa工艺包括，一种bf-psa 循环工艺，即，二个轴向流固定床吸附塔，在高压下吸附，并提取纯氮；二床之间进行均压；包括产品冲洗的逆向降压，此期间废气放空；从原料端用原料气和从产品端用产品气对床层充压。在吸附步骤，吸附时间的长短十分重要，在第一分钟时间，氧的相对吸附容量明显大于氮，最大的差别在第一和第二分钟之间，如果时间太长将
达到平衡从而失去选择性，时间太短则造成吸附不充分，最佳的吸附时间（半个循环时间）为60s 左右。其空分制氮的psa装置有很大的操作弹性，通过对流量的调节，很容易控制氮气产品纯度从95%~99.9%（v）， 其中氩气含量在1.2%~1.5%之间变化，气体露点为-40℃左右，氮气回收率约为50%~29%。产品中氧气含量控制得越低，产品回收率就越低，能耗就越高。因此，轴向流固定床psa空分制氮最大的技术挑战便是“纯度与收率的矛盾”突出，并且吸附时间的控制对空分制氮起到关键的作用。若空气原料气发生波动，尤其是环境空气中的co2、h2o及微量的碳氢化合物（cmhn）组分及空压机油等杂质组分混入psa吸附塔，对于2塔的bf-psa空分制氮而言，其适应性相对较差，只能通过降低产品氮气的纯度或收率或处理量来应对，导致吸附剂使用寿命大幅度降低。此外，当氮气产品中要求的氧含量控制到小于0.1%时，就需要采用化学法将其脱除，比如采用钯金属催化剂并加入氢气使得微量的氧与配入的氢气进行反应实现脱氧，可使得氮气产品气中的氧浓度小于1ppmv，但氮气中残余氢的含量约为0.1%~1%，气体露点将低于0℃，可以用于焊接和退火操作的保护剂，如果再进一步吸附干燥，可获得低露点高纯度氮气，如采用活性炭或碳纤维或碳纳米管负载载型催化剂或铜催化剂脱氧。从某种意义上讲，影响轴向流固定床psa空分制氮工艺及装置性能最关键的因素仍然是吸附剂的性能，因此，目前国内空分制氮领域的研究与开发大多是集中在如何生产出质量更好的制氮炭分子筛（cmsn2）方面。目前，国外最好的炭分子筛的比产氮率在低纯度氮范围（97%~99.5%）有所提高，国内的炭分子筛与国外相比，在比产氮率和机械强度上仍然存在一定的差距。提高炭分子筛质量，改善吸附塔结构和开发直接生产高纯度氮产品方面尚有发展空间。
5.为了克服固定床变压吸附空分制氮工艺的一些缺陷，国内外相继从工艺过程及吸附塔结构及移动床层方面开发了一种psa径向流转轮吸附（rwpsa）工艺用于空分制氮，即，吸附剂是固定在吸附容器中不作相对的运动，但却是将吸附剂作为一个整体却通过驱动机构的带动作旋转运动，而物流（气体）包括空气原料气、逆放气、充压气等的进出转轮吸附器的位置是固定的，吸附与解吸的循环操作分别在不同的吸附器中各个吸附扇形室中同时进行的，弥补了经典的移动床吸附工艺吸附剂易损耗、无法适用于psa分离或净化过程的缺陷，同时相较于传统的固定床psa工艺，又大幅度降低了吸附剂装填量，提高了吸附效率，产品气纯度与收率有所提高，一定程度上突破了固定床psa工艺所存在的“纯度与收率之间的矛盾”技术瓶颈。但是，rwpsa工艺也具有明显的限制与缺点：第一，吸附转轮直径及高度（厚度）受到较大限制，导致吸附处理规模不够大，这是由于rwpsa本质上是移动床，要达到类似循环床或流化床等这些典型移动床吸附工艺的“稳态”传质，其轴向传质扩散或径向传质扩散能力必须受到限制。这一特点对轴向流或径向流固定床工艺而言却是优点；第二，转轮psa设备制造复杂，尤其是带有均压的设备更复杂，且均压次数不超过2次。目前多为国外公司制造或垄断，成本较高；第三，比较适合于单一吸附质组分的快速吸附与快速解吸且该吸附质组分的吸附机理以动力学吸附为主的工况，比如含vocs尾气的净化等。对于空分制氮的动力学吸附机理，rwpsa工艺比较适合。但当空气中含有较多的co2、水及碳氢化合物等杂质组分，rwpsa工艺中的吸附剂无法形成诸如固定床层中装填多种吸附剂的复合床层来进行处理，尤其易受空气中水滴和其它诸如压缩机带人的易污染的液滴损害；第四，rwpsa中的吸附剂在旋转时容易发生因剪切力的存在引起的抛摔，导致工艺物流气体在吸附床层中发生偏流或短流，使得传质效率大打折扣，吸附剂更容易粉化导致吸附剂使用寿命缩短。比
如，申请号us09584269公开了这类模块化转轮变压吸附装置，该专利装置可以构造成流体径向、轴向或相对转子轴线为倾斜圆锥方向流过吸附器部件，为了以高周期频率工作，径向流的优点是向心加速度将与流动通道平行以使浮力驱动的自由对流最稳定，以及粒状吸附剂的离心夹持有均匀的流量分布。该专利同样存在的缺陷是易受空气中水滴和其它易污染的液滴损害，以及快速的循环使吸附压力容器、吸附剂承受更大的交变应力等。对转轮变压吸附方法中，也常用规整式吸附剂替代粒状颗粒吸附剂，这样可减少吸附剂的交变应力及损失，但对于空分制氮而言，这类规整式吸附剂目前国内鲜有报道。


技术实现要素：

6.针对前述现有的各种固定床与转轮psa空分制氮工艺的一些问题，本发明提出了一种全温程模拟旋转移动变压吸附（full temperature range simulated rotated moving psa——ftrsrmpsa）新工艺用于psa空分制氮，该工艺是一种以轴向流固定床变压吸附（psa）为基础，将置于一多通道旋转阀中央且在其周围安置于一圆环形旋转托盘上多个轴向流固定床吸附塔且通过管道连接以及调控旋转阀旋转方向与旋转速度（ω1）、圆环形旋转托盘旋转方向与旋转速度（ω2），使得流经多通道旋转阀通道及通道进出口端与圆环形旋转托盘上的吸附塔进出口端连接的管道及吸附塔中旋转移动的吸附床层的气体，在不断地通过进出每个吸附塔进出口的位置及每个吸附床层在旋转同时完成各自的吸附与解吸步骤的传质，进而形成了“模拟旋转移动床”的变压吸附过程，实现了轴向流固定床变压吸附基础上的模拟旋转移动床变压吸附过程，使得空分制氮的吸附与解吸快速而多步骤的循环操作，在实现收率与纯度“双高”及避免深度吸附及共吸附的同时，适用于空气作为原料气相应的流量、组分浓度、压力或温度的波动工况，充分利用了轴向流固定床变压吸附及旋转轮吸附及模拟移动床的各种优势，克服了这些现有技术工艺的缺陷，具体方案如下：一种全温程模拟旋转移动床变压吸附（ftrsrmpsa）的空分制氮工艺，所述的全温程模拟旋转移动床变压吸附（ftrsrmpsa）系统是由n（3≤n≤20的自然整数）个装载有一种或多种吸附剂的轴向流固定床层吸附塔且安置在一个以旋转速度（ω2，秒（s）为单位）的圆环形旋转托盘上的吸附塔、有m（5≤m≤36的自然整数）个通道并安置在圆环形旋转托盘中央以旋转速度（ω1，秒（s）为单位）旋转的多通道旋转阀、多通道旋转阀与系统外物料气体进出的物料管道以及连接于经圆环形托盘内置管道至吸附塔上下与多通道旋转阀之间的工艺管道，以及相应的驱动圆环形旋转托盘及多通道旋转阀旋转方向及其调控其旋转速度（ω1与ω2）的驱动机构、缓冲罐、真空泵/或压缩机所构成而形成一个ftrsrmpsa系统，其特征在于，吸附塔进出口与m通道旋转阀进出口连接的管道是通过预设在圆环形旋转托盘的内置管道相连形成工艺管道且与m通道旋转阀通道数m相同，进出ftrsrmpsa系统物料气体的位置是由m通道旋转阀旋转的通道加以分配来固定，其物料气体包括空气为原料气（f）、n2产品气（n2pg）、冲洗气（p）、终充气（fr）以及逆放（d）气或/与抽真空气（v）或/与冲洗废气（pw）组成的解吸气（d），并相应的连接包括缓冲罐（器）、压缩机/抽真空泵/循环泵在内的设备，由m通道旋转阀进出口与吸附塔进出口之间通过圆环形旋转托盘中内置管道连接的工艺管道中工艺气体流动的位置是移动变化的，工艺气体是在ftrsrmpsa系统内流动，包括原料气（f）、n2产品气（n2pg）、冲洗气（p）、均压降气（ed）、顺放气（pp）\逆放气（d）气或/与抽真空气（v）或/与冲洗废气（pw）组成的解吸气（d）、均压升气（er）及终充气（fr），具体的空分制
氮吸附与解吸的循环过程为，来自ftrsrmpsa系统外的原料气空气（f），温度为10~90℃，压力为0.3~2.0mpa，流量为100~20,000nm3/h，进入m通道旋转阀原料气（f）进口，并经m通道旋转阀原料气（f）通道及出口、圆环形旋转托盘内置管道及圆环形旋转托盘上对应的处于吸附状态的一个或多个轴向流固定床吸附塔进口连接的工艺管道，从吸附塔底部进入进行吸附（a），经过m通道旋转阀旋转方向及旋转速度（ω1）与圆环形旋转托盘旋转方向及旋转速度（ω2）之间的调控匹配连续地步进，从吸附塔顶部流出的非吸附相气体正好经工艺管道进入m通道旋转阀n2产品气（n2pg）通道，并从m通道旋转阀n2产品气（n2pg）通道流出进入n2产品气（n2pg）缓冲罐后输出，n2产品气（n2pg）纯度为96~99.9%，处于吸附状态的吸附塔在完成吸附（a）步骤后，随着m通道旋转阀与圆环形旋转托盘继续旋转步进，结束吸附（a）步骤的吸附塔进入顺放（pp）与均压降（ed）步骤，顺放（pp）步骤流出的顺放气（pp）作为冲洗气（p）流经圆环形旋转托盘内置管道、m通道旋转阀顺放气（pp）通道、圆环形旋转托盘其它内置管道以及其它处于冲洗（p）步骤的吸附塔进行冲洗（p），结束顺放（pp）步骤的吸附塔，随后对另一个处于均压升（er）状态的吸附塔通过系统内的工艺管道进行均压降（ed），结束均压降（ed）步骤的吸附塔，随着m通道旋转阀与圆环形旋转托盘持续地旋转步进而进入逆放（d）或/与抽真空（v）或/与冲洗（p）步骤，从吸附塔流出的逆放气（d）或/与抽真空气（v）或/与冲洗废气（pw）所形成的解吸气（d），流经圆环形旋转托盘内置管道以及m通道旋转阀逆放气（d）/抽真空气（v）/冲洗废气（pw）通道及其出口端流出所形成的解吸气（d）进入解吸气（d）缓冲罐，一部分经变温吸附（tsa）净化后并经循环泵及增压后形成的循环气（cg）返回空气原料气（f）循环使用，所得到的纯度为96~99.9%的n2产品气（n2pg）收率大于等于60~70%，一部分或直接排放，或进入富氧提取系统，结束逆放（d）或/与抽真空（v）或/与冲洗（p）步骤的吸附塔，随着m通道旋转阀与圆环形旋转托盘连续不断地旋转步进而进入均压升（er）及/或等待（-）步骤，从处于均压降（ed）步骤的吸附塔流出并经圆环形旋转托盘内置管道及m通道旋转阀均压降气（ed）通道而进入处于均压升（er）步骤的吸附塔进行均压，使得处于均压升（er）步骤的吸附塔内的压力与处于均压降（ed）步骤的吸附塔内的压力相等为止，结束均压升（er）或/与等待区（-）步骤的吸附塔，随着m通道旋转阀与圆环形旋转托盘进一步连续旋转而进入终充（fr）步骤，来自系统外的终充气（fr）流经m通道旋转阀终充气（fr）通道与圆环形旋转托盘内置管道进入吸附塔进行充压直至吸附塔内的压力达到吸附（a）步骤所需的吸附压力为止，即，吸附塔的操作经历了由吸附（a）-顺放（pp）/均压降（ed）-逆放（d）/抽真空（v）-冲洗（p）-均压升（er）/等待（-）-终充（fr）步骤构成的吸附与解吸的循环过程，并准备下一轮吸附与解吸的循环操作，其中，每一个吸附塔或进行一个步骤或多个步骤且进行每一步骤，均通过旋转阀旋转方向及旋转速度（ω1）与圆环形旋转托盘旋转方向及旋转速度（ω2）之间的调控匹配，使得旋转中的m通道旋转阀中m个通道与圆环形旋转托盘旋转中的n个吸附塔吸附与解吸的循环操作中的时序表首尾连接成圆，并完整地形成变压吸附（psa）吸附与解吸过程的操作循环性，所有的物料气体及工艺气体被均匀交替地分布在系统中的m通道旋转阀中m个圆通道与圆环形旋转托盘中内置管道及各个吸附塔内，并将一个循环周期的变压吸附（psa）通过旋转的旋转阀（ω1）与接通的相应旋转的圆环形旋转托盘（ω2）上吸附塔分别同时进行吸附与解吸过程中的各个步骤，进出吸附塔的工艺气体位置是通过旋转阀旋转方向及旋转速度（ω1）与圆环形旋转托盘旋转方向及旋转速度（ω2）匹配而不断地变化，使得每个吸附塔重复吸附与解吸步骤，相当于每个固定床吸附塔在m通道旋
转阀与圆环形旋转托盘旋转的同时完成各自的吸附与解吸步骤，进而形成了“模拟旋转移动床”的变压吸附过程，由此，从空气中获得的产品n2，其纯度为96~99.9%，收率大于等于50~70%。
7.更进一步，所述的一种全温程模拟旋转移动床变压吸附（ftrsrmpsa）的空分制氮工艺，其特征在于，所述的m通道旋转阀及圆环形旋转托盘旋转方向及其调控其旋转速度（ω1与ω2）之间的调控匹配，包括，1）同向同步，顺时针或逆时针方向的同向旋转，且，ω1=ω2/≠0，2）同向异步，顺时针或逆时针方向的同向旋转，且，ω1＞ω2或ω1＜ω2或ω1≠0/ω2=0或ω1=0/ω2≠0，3）异向同步，顺时针/逆时针或逆时针/顺时针的异向旋转，且，ω1=ω2/≠0，4）异向异步，顺时针/逆时针或逆时针/顺时针的异向旋转，且，ω1＞ω2或ω1＜ω2或ω1≠0/ω2=0或ω1=0/ω2≠0，优选的，同向同步，顺时针或逆时针方向的同向旋转，且，ω1=ω2/≠0，与，同向异步中的顺时针或逆时针方向的同向旋转且ω1≠0/ω2=0，或，ω1=0/ω2≠0。
8.更进一步，所述的一种全温程模拟旋转移动床变压吸附（ftrsrmpsa）的空分制氮工艺，其特征在于，所述的n个轴向流固定床层吸附塔中所装载的吸附剂为，按比例混配的大小孔径的一种炭分子筛（cmsn2）及/或与5a分子筛、13x按比例混配的多种组合，优选的，按比例混配的大小孔径的炭分子筛（cmsn2）与5a分子筛、13x按比例混配的多种组合的吸附剂。
9.更进一步，所述的一种全温程模拟旋转移动床变压吸附（ftrsrmpsa）的空分制氮工艺，其特征在于，所述的均压降（ed）与均压升（er），其最多次数为2，最少次数为1，且，吸附操作压力大于等于0.6mpa。
10.更进一步，所述的一种全温程模拟旋转移动床变压吸附（ftrsrmpsa）的空分制氮工艺，其特征在于，所述的冲洗气（p），或来自系统内的处于顺放（pp）步骤流出的顺放气（pp），或来自系统外的n2产品气（n2pg），或来自抽真空（v）步骤后期的抽真空气（v）及冲洗废气（pw）形成的解吸气（d）经变温吸附（tsa）净化后并经循环泵及增压后形成的循环气（cg），通过m通道旋转阀通道（槽道）中一个或多个的开孔实现分批次进行冲洗，开孔数至多为3个，优选的，来自n2产品气（n2pg）为冲洗气（p），保证n2产品气（n2pg）纯度大于等于99%，或，优选的，来自顺放（pp）步骤的顺放气（pp）为冲洗气（p），保证n2产品气（n2pg）收率大于等于65%。
11.更进一步，所述的一种全温程模拟旋转移动床变压吸附（ftrsrmpsa）的空分制氮工艺，其特征在于，所述的逆放（d）步骤采用抽真空方式进行解吸，增设的真空泵，或与解吸气（d）流出m通道旋转阀的物流管道相连，或与圆环形旋转托盘上的吸附塔出口端连接的外置管道直接相连且在外置管道上设有控制阀门，优选的与圆环形旋转托盘上的吸附塔出口端连接的外置管道直接相连且在外置管道上设有控制阀门。
12.更进一步，所述的一种全温程模拟旋转移动床变压吸附（ftrsrmpsa）的空分制氮工艺，其特征在于，所述的终充气（fr），或来自系统外的空气原料（f），或n2产品气（n2pg），或来自抽真空（v）步骤后期的抽真空气（v）及冲洗废气（pw）形成的解吸气（d）经变温吸附（tsa）净化后并经循环泵及增压后形成的循环气（cg），在n2产品气（n2pg）纯度大于等于99%工况下，优选的采用n2产品气（n2pg）作为终充气（fr）。
13.更进一步，所述的一种全温程模拟旋转移动床变压吸附（ftrsrmpsa）的空分制氮
工艺，其特征在于，所述的纯度为99.9%的n2产品气（n2pg）经钯系催化剂加氢脱氧与/或活性炭或碳纤维或碳纳米管负载载型催化剂或铜催化剂脱氧、脱氢与干燥的化学吸附，获得纯度大于99.99%、露点小于-40℃的高纯度n2产品气（n2pg）。
14.更进一步，所述的一种全温程模拟旋转移动床变压吸附（ftrsrmpsa）的空分制氮工艺，其特征在于，所述的解吸气（d）直接或鼓风增压进入vpsa或vsa空分富氧装置，从中生产出浓度为85~95%富氧产品气，从中产生的富氮解吸气，或返回ftrsrmpsa空分制氮系统的原料气（f），或作为冲洗气（p），或作为终充气（fr），由此系统得到的n2产品气（n2pg）收率为大于等于70%，优选的，来自逆放（d）或/与抽真空（v）步骤前期产生的解吸气（d）作为空分富氧的原料气。
15.本发明的有益效果是：（1）通过本发明，可以将传统的固定复合床层psa的吸附与解吸循环操作模式模拟变成全温程旋转轮移动床psa工艺，获得比固定床层或典型的扇形吸附室旋转轮psa效率更高的n2产品的纯度与收率，突破了常规与固定吸附床层空分制氮所具有显著的“纯度与收率呈反比关系”的技术限制，又大幅度降低了旋转轮psa工艺与装备制造复杂性及成本，使得n2产品气的纯度为96~99.9%，收率为50~70%。
16.（2）本发明通过对多通道旋转阀与圆环形旋转托盘的旋转方向与旋转速度（ω1与ω2）之间的调控匹配，能够在传统的固定床psa工艺上实现多组合多步骤的吸附与解吸的psa循环操作，解决了传统的轴向流与径向流固定床psa空分制氮装置操作压力低、循环时间短，对低阻力降、气流分布均匀的吸附床和快开闭、长寿命的阀门等有着严格要求的限制问题，并能灵活地根据n2产品的技术指标要求及操作条件，进行调节且含盖了变压吸附（psa）、真空变压吸附（vpsa）等典型的轴向流或径向流固定床psa工艺，以及典型的扇形吸附室旋转轮psa或快轮psa的移动床工艺等现有的移动床psa工艺。
17.（3）本发明大幅度降低了传统的固定床psa空分制氮装置的程序控制阀门及调节阀门的数量，并能够替代空分制氮设备中成为核心零部件之一的气流分布器（板/盘），以及减少吸附剂装填量，使得轴向流固定床的高径比进一步减小，同时也减少了径向流固定床psa与快轮psa装置制造的复杂性并能替代国外进口，进一步降低了投资与生产成本。
18.（4）本发明通过多通道旋转阀与圆环形旋转托盘的旋转方向与旋转速度（ω1与ω2）之间的调控匹配来适应于空气原料气出现较大的波动工况，包括组分、浓度、压力、温度、流量等的波动，操作弹性较大，并无需旋转轮psa工艺所需的昂贵的规整式吸附剂，可采用常规的颗粒吸附剂并组成复合吸附剂床层。
19.（5）本发明通过多通道旋转阀转速ω1与圆环形旋转托盘转速ω2的调配、多通道旋转阀圆环形通道中开设通孔及工艺气体共用通道等措施，对空分制氮的动力学吸附与平衡吸附机理起到了较大的调控作用，实现了吸附与解吸的多步骤及多循环周期过程，进而提升了单位吸附剂或单吸附塔的产能，并打破了常规多通道旋转阀的制造过程中通道数受到限制的缺陷，进一步提升了传质效率与生产规模，获得高纯度与高收率的“双高”n2产品。
20.（6）本发明根据空气原料及其波动工况和产品n2技术指标的要求，通过调节多通道旋转阀及圆环形旋转托盘的旋转方向及旋转速度ω1与ω2的匹配以及吸附压力与温度，对吸附塔的高径比进行调整与设计，使得轴向流固定床中的径向扩散忽略不计而满足轴向流固定床成熟的传质模型，而轴向流扩散随着ω2的加快以及高径比的减少，其影响越来越
小，进而使得吸附塔内的传质过程更加趋近循环床为代表的移动床所具有的“稳态”效应，n2产品的纯度与收率更趋向于理论值的“双高”。
附图说明
21.图1为本发明实施例1流程示意图。
22.图2为本发明实施例2流程示意图。
23.图3为本发明实施例3流程示意图。
24.图4为本发明实施例4流程示意图。
具体实施方式
25.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
26.实施例1如图1所示，一种全温程模拟旋转移动床变压吸附（ftrsrmpsa）的空分制氮工艺，其中，全温程模拟旋转移动床变压吸附（ftrsrmpsa）系统是由装载有一种由按0.2:0.8比例的大小孔径炭分子筛（cmsn2）与按炭分子筛（cmsn2）:13x/5a分子筛为1:0.5混装而成的多种吸附剂组合的4个轴向流且高径比为2的轴向流固定床层吸附塔安置在一个以旋转速度为ω
2 = 50~160s的圆环形旋转托盘上的吸附塔（n=4）及相应的驱动机构、有m个通道（m=7）并安置在圆环形托盘中央的以旋转速度为ω
1 =50~160s的7通道旋转阀、空气原料气（f）增压机1、换热器1/2、冷却器、tsa净化装置、7通道旋转阀与由空气原料气（f）、n2产品气（n2pg）、解吸气（d）、冲洗废气（pw）及终充气（fr）构成的物料气体进出的物料管道以及连接于经圆环形旋转托盘内置管道至吸附塔上下与7通道旋转阀之间的工艺管道、原料气（f）n2产品气（n2pg）/解吸气（d）的缓冲罐分别与换热器1/2和解吸气（d）冷却器，以及7通道旋转阀冲洗废气（pw）通道出口端连接一个变温吸附（tsa）净化装置及净化气增压机2及增压机2出口与换热器2进出口及7通道旋转阀终充气（fr）通道进口端相连的物料管道所构成而形成一个ftrsrmpsa系统，其中，7通道旋转阀旋转速度ω1为50~160s，圆环形旋转托盘旋转速度ω2为50~160s，且两者之间的调配模式为同向同步，即，旋转方向同为逆时针方向且旋转速度相等，ω1=ω2=50~160s，7通道旋转阀中7个通道的作用分别为，1个通道供空气原料气（f），1个通道供氮气（n2）产品气（n2pg），1个通道作为共用供顺放气（pp）与冲洗气（p），1个通道作为共用供均压降气（ed）与均压升气（er），1个通道供逆放气（d）作为解吸气（d），1个通道供冲洗废气（pw），1个通道供终充气（fr）使用，从7通道旋转阀出口端流出的逆放气（d）为解吸气（d）与n2产品气（n2pg）物料管道分别与n2产品气（n2pg）及解吸气（d）缓冲罐连接，流出的冲洗废气（pw）物料管道和一个变温吸附（tsa）净化装置进口气端连接，净化装置流出的净化气经增压机2增压且经换热器2加热后作为终充气（fr）与7通道旋转阀终充气（fr）通道进口端连接，具体流程为，原料气为环境空气，经增压机1增压至0.3~0.4mpa并经原料气（f）缓冲罐与来自tsa净化装置的再生气在换热器1中进行加热至60~80℃后，从经连接于7通道旋转阀通道原料气（f）物料管道进入旋转阀原料气（f）通道（如m=1）并经该通道通孔的出口连接于圆环形旋转托盘内置管道及连接于吸附塔1的进口端所形成的工艺管道进入吸附塔1并进行吸附（a）步骤，其中，空气中的氮（n2）和微量的氩（ar）作为非吸附相气体，作为n2产品气
（n2pg）从吸附塔1的出口端流出并经过连接于吸附塔1、圆环形旋转托盘内置管道及7通道旋转阀n2产品气（n2pg）通道（如m=2）通孔组成的工艺管道，从连接于7通道旋转阀与换热器2（冷却）及n2产品气（n2pg）缓冲罐的n2产品气（n2pg）物料管道流出氮气（n2）纯度为96~99.9%（v/v）的n2产品气（n2pg），进入n2产品气（n2pg）缓冲罐或直接外输，吸附塔1中吸附剂吸附空气中氧气（o2），微量平衡氩（ar）、少量的水（h2o）、二氧化碳（co2）、碳氢化合物（cnhm）及残留氮气（n2），在吸附塔1的吸附（a）步骤结束后，随着7通道旋转阀与圆环形旋转托盘逆时针方向同向同步旋转步进至如图1中吸附塔2的初始位置吸附塔1进入解吸过程的顺放（pp）与均压降（ed）步骤，与此同时，吸附塔2依次步进至如图1中吸附塔3的初始位置，吸附塔3依次步进至如图1中吸附塔4的初始位置，吸附塔4依次步进至如图1中吸附塔1的初始位置，从吸附塔1进行的顺放（pp）所产生的顺放气（pp）工艺气体通过流经连接圆环形旋转托盘内置管道与7通道旋转阀工艺管道及旋转阀共用通道（如m=3）并作为冲洗气（p）对处于冲洗（p）步骤的吸附塔3进行真空冲洗（p），随着7通道旋转阀与圆环形旋转托盘继续同向同步旋转步进，结束顺放（pp）步骤的吸附塔1进入均压降（ed）步骤，所产生的均压降（ed）工艺气体通过流经连接圆环形旋转托盘内置管道与7通道旋转阀工艺管道及7通道旋转阀均压降（ed）/均压升（er）的共用通道（如m=4），与处于均压升（er）步骤的吸附塔4进行均压，使得吸附塔1与吸附塔4的压力相等，为0.15~0.2mpa，结束均压降（ed）步骤的吸附塔1，随着7通道旋转阀与圆环形旋转托盘继续同向同步旋转步进至如图1中吸附塔3的初始位置依次进入逆放（d）与冲洗（p）步骤，与此同时，其余3个吸附塔也依次同向同步旋转步进至各自新的位置，吸附塔1逆放（d）所产生的逆放气（d）为解吸气（d）工艺气体，通过流经连接圆环形旋转托盘内置管道与7通道旋转阀工艺管道及7通道旋转阀逆放气（d）通道（如m=5）及出口端与解吸气（d）冷却器相连的物料管道，并经冷却至环境温度进入解吸气（d）缓冲罐输出或排放，结束逆放（d）步骤的吸附塔1随着7通道旋转阀与圆环形旋转托盘继续同向同步旋转而进入冲洗（p）步骤，来自处于顺放（pp）步骤的吸附塔4流出的顺放气（pp）作为冲洗气（p）流经圆环形旋转托盘内置管道与7通道旋转阀工艺管道及7通道旋转阀顺放气（pp）/冲洗气（p）的共用通道（如m=3）进入吸附塔1进行冲洗（p），所产生的冲洗废气（pw）流经圆环形旋转托盘内置管道与7通道旋转阀工艺管道及7通道旋转阀冲洗废气（pw）通道（如m=6）并进入tsa净化装置进行净化脱除其中的co2、水及碳氢化合物（cnhm）等杂质，产生的净化气（pg）经增压机增压至0.3~0.4mpa且经换热器2加热后作为终充气（fr）使用，随着7通道旋转阀与圆环形旋转托盘继续同向同步旋转步进至如图1中吸附塔4的初始位置依次进入均压升（er）与终充（fr）步骤，与此同时，其余3个吸附塔也依次同向同步旋转步进至各自新的位置，此时，处于均压降（ed）步骤的吸附塔3流出的均压降气（ed）流经圆环形旋转托盘内置管道与7通道旋转阀工艺管道及7通道旋转阀均压降（ed）/均压升（er）的共用通道（如m=4）进行均压，使得吸附塔1的压力由常压升至与处于均压降（ed）步骤的吸附塔3的压力相等为止，为0.15~0.2mpa，结束均压升（er）步骤的吸附塔1随着7通道旋转阀与圆环形旋转托盘继续同向同步旋转步进而进入终充（fr）步骤，来自经过换热器2加热至60~80℃、压力为0.3~0.4mpa的净化气（pg）作为终充气（fr），流经7通道旋转阀终充气（fr）通道（如m=7）、旋转阀工艺管道与圆环形旋转托盘内置管道及吸附塔1进口端进入吸附塔1进行终充（压），使得吸附塔1内的压力达到吸附（a）步骤所需的压力0.3~0.4mpa，由此构成了吸附塔1完整且多步骤的变压吸附（psa）闭环式循环操作，即，吸附（a）-顺放（pp）/均压降（ed）-逆放（d）/冲洗（p）-均压升（er）/终充
（fr）步骤，然后该吸附塔1再进入下一个吸附与解吸的闭环式循环操作过程，而相应的进出吸附塔2、3与4的物料气体及工艺气体，也在吸附塔1吸附与解吸的闭环式循环操作过程中经由圆环形旋转托盘与7通道旋转阀连续地转动匹配并交替切换各个吸附塔的物料或/及工艺气体进出位置进行相应的吸附与解吸的闭环式循环操作步骤，每一个吸附塔的闭环式循环操作步骤都对应着其它3个吸附塔各自的闭环式循环操作步骤，由此，从环境空气为原料气中连续地生产出氮气（n2）产品气（n2pg），纯度为96~99.9%（v/v），产品气收率为50~70%。本案利用顺放气（pp）中n2纯度较高的特征来替代n2产品气（n2pg）作为冲洗气（p），由此提高了产品气收率，同时，利用经过tsa净化处理的冲洗废气（pw）作为终充气（fr）循环使用，减少了冲洗废气（pw）作为解吸气（d）的排放，又可避免空气原料气（f）作为终充气（fr）导致的杂质组分累积影响产品气纯度或产品气为终充气（fr）导致的产品气产量下降或收率降低的问题，实现了在空气制备氮气psa工艺过程的轴向流固定床层基础上进行的模拟旋转psa工艺的高纯度与高收率的“双高”。相较于经典的轴向流固定床的bf-psa空分制氮工艺，本实施例1所获得的n2产品的纯度与收率比较高，尤其是收率高出20%。
27.实施例2如图2所示，在实施例1基础上，将ftrsrmpsa系统中7通道旋转阀及圆环形旋转托盘旋转方向及其调控其旋转速度（ω1与ω2）之间的调控匹配模式调整为同向异步，即，7通道旋转阀旋转方向为逆时针方向，并将其旋转速度由实施例1中的ω1=50~160s调整为ω1=30~60s，而圆环形旋转托盘的旋转速度调整为ω2=0，即不转动，并在静止的圆环形旋转托盘与吸附塔设置外置管道连接真空泵及抽真空气（v）作为解吸气（d）物料管道及解吸气（d）缓冲罐形成本案的ftrsrmpsa系统，即，在实施例1中的ftrsrmpsa系统，每个吸附塔所进行的变压吸附的吸附与解吸的闭环式循环操作——吸附（a）-顺放（pp）/均压降（ed）-逆放（d）/冲洗（p）-均压升（er）/终充（fr）步骤中，本实施例的ftrsrmpsa系统中，采用抽真空（v）解吸步骤替代实施例1中的逆放（d）步骤，抽真空度为-0.08mpa，且，冲洗（p）步骤也成为真空冲洗（vp），7通道旋转阀逆放气（d）通道（如m=5）为空道，对应于抽真空气（v）作为解吸气（d）流经外置管道及物料管道而进入解吸气（d）缓冲罐，由此，本实施例中仅靠7通道旋转阀自身更快的旋转速度交替切换物料与工艺气体进入各个吸附塔并进行完整且多步骤的变压吸附（psa）闭环式循环操作，即，吸附（a）-顺放（pp）/均压降（ed）-抽真空（v）/真空冲洗（vp）-均压升（er）/终充（fr）步骤，而圆环形旋转托盘是静止不动。本实施例所有的物料气体及工艺气体被均匀交替地分布在系统中的7通道旋转阀中7个圆通道与圆环形旋转托盘中内置管道、外置管道及各个吸附塔内，并将一个循环周期的变压吸附（psa）通过旋转的7通道旋转阀（ω1）与接通的相应静止的圆环形旋转托盘（ω2=0）上4个吸附塔分别同时进行吸附与解吸过程中的各个步骤，进出每个吸附塔的工艺气体位置是通过7通道旋转阀旋转方向及旋转速度（ω1）而不断地变化，使得每个吸附塔重复吸附与解吸步骤，相当于每个固定床吸附塔在不旋转下随着7通道旋转阀旋转过程中完成各自的吸附与解吸步骤，进而形成了“模拟旋转移动床”的变压吸附过程，即psa4-1-1v/p操作模式，4个塔，有1个吸附塔始终处于吸附步骤，1次均压，抽真空解吸/真空冲洗，由此，从环境空气中获得的氮气（n2）产品气（n2pg），纯度为98~99.9%（v/v），产品气收率为50~70%。
28.本实施例与实施例1比较，本实施例用抽真空（v）解吸与真空冲洗（vp）步骤替代了实施例1中的逆放（d）常压解吸与常压冲洗（p）步骤，并且通过将7通道旋转阀旋转速度调配
至ω1=30~60s来对应于静止的圆环形旋转托盘及其4个吸附塔吸附与解吸的闭合循环操作过程，如此同样可以获得高纯度高收率的氮气（n2）产品气（n2pg）。
29.实施例3如图3所示，在实施例1或/与2的基础上，将从ftrsrmpsa系统所获得的纯度为99.0~99.9%（v/v）且未经换热器2冷却的n2产品气（n2pg）直接输送一个装填有钯金属催化剂的脱氧装置中，并同时通入99.99~99.999%的氢气（h2），在反应温度为70~80℃及反应压力为0.3~0.4mpa下进行催化脱氧，使得n2产品气（n2pg）中微量的氧与配入的氢气进行反应实现脱氧，由此所获得的n2产品气（n2pg）中的氧浓度小于1ppmv，但氮气中残余氢的含量约为0.1%~1%，气体露点将低于0℃，直接作为氮气保护气使用，或者，将氧浓度小于1ppmv、残余氢的含量约为0.1%~1%及露点低于0℃的n2接着通入一个碳纤维（cnfs）或碳纳米管（cnts）为基材负载铜活性组分吸附剂的干燥器，使得n2的纯度大于等于99.99%且露点小于-40℃。
30.实施例4如图4所示，在实施例1或/与2的基础上，将逆放气（d）为常压解吸气（d）或抽真空气（v）为解吸气（d）经输送泵输送直接进入一个由3塔组成的常压吸附（vsa）空分富氧装置，从装置中产出氧浓度为85~95%的富氧产品气，从装置中副产出浓度大于等于70~85%的富氮气，或返回到空气原料气（f），或经增压后作为终充气（fr），或作为二次冲洗气（p2），产生的二次冲洗废气（pw2）经tsa净化装置处理形成的净化气（pg）再经增压机2增压及经换热器2换热再作为终充气（fr），而此时以顺放气（pp）为一次冲洗气（p）所产生的一次冲洗废气（pw1）直接作为原料气（f）返回，由此，从本案的ftrsrmpsa空分制氮系统中所获得的n2产品气（n2pg）的收率大于等于70%，同时还副产富氧产品气。
31.显而易见的，上面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，或在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。