专利名称：分离混合气的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种分离混合气的方法，如从空气中分离氮和氧的方法，和从废气中分离特种活性成分的方法，以及用于该方法中的设备。
虽然有很多种方法用来从混合气，如空气中分离出特种成分的气体(气体产品)如氮气和氧气，但是近来普遍采用使用吸收剂的分离方法，这是因为容易设计这种装置并且设备便宜。通常将这种使用吸收剂的分离方法称作PSA法，其中，几个吸附塔装填有吸收剂，并进行如将混合气送入这些吸附塔，吸收特殊成分气体，解吸特殊成分气体，并通过转换阀交替进行吸收剂的再生的操作。原料气的供应是在压缩条件下进行，而特殊成分气体的解吸是在常压或抽真空下进行。在PSA方法的装置中，因为要连续不断地进行上述几项操作，所以开和关闭门的次数非常高，从而导致阀门寿命缩短。阀门频繁地开关增加了吸附塔内压力的波动。结果，特种气体成分纯度波动增加的障碍就产生了。在压力平衡时，瞬时大量地流入气体也会不可避免的产生噪音。况且在装置中的每个吸附塔不得不安装在同一平面上，以至该装置就需要庞大的空间。
本发明的一个目的就是省去频繁开关阀门的操作，消除由压力波动引起纯度的不均匀性以及噪音，实现高产并节约场地。
为了实现上述目的，本发明的首要一点就是指一种分离混合气体的方法，该方法包括在封闭空间中装填成层状粒状吸收剂的滞留过程，从延伸进上述粒状吸收剂层的喷咀里吹出原料混合气，将容易吸收的气体吸收到粒状吸收剂上，并留下难吸收气体的吸附-分离过程，它还包括上述装成多层状粒状吸收剂逐渐被送至除上述密封空间之外的另一密封空间的输送过程，再从上述另一密封空间的粒状吸收剂上解吸易吸收气体，并使粒状吸收剂再活化的解吸-活化过程，以及把活化后的粒状吸收剂送回到上述滞留过程的返回过程。
本发明的第二个要点是指分离混合气的装置(原文是method)包括一装有粒状吸收剂的吸附塔，一粒状吸收剂再活化设备，一向吸附塔上面引进原料气的供应混合气的设备，以及一导出混合气中分离出气体的输出设备，其中上述吸收塔内安装有数块隔板，隔板上铺着多层状颗粒吸收剂与对流上升气体接触，而吸收剂逐渐被送到下一过程，上述供给混合气设备的末端与在隔板下的吸附塔部分相联，再活化吸收剂的回流设备安装在上述再活化设备和吸附塔之间，安装吹出混合气的喷咀及粒状吸收剂流向下面的流动通道，而把喷咀的开口端放在粒状吸收剂之上的夹层中，以防止进入吸收剂颗粒。
本发明中，不象广泛使用的PSA法，使其中吸收剂固定在吸附塔中，而是将粒状吸收剂装进密封空间，例如吸附塔里的吸附空间里。使作为原料气的混合气从喷咀吹入成多层状的粒状吸收剂中，而使上层吸收剂与借助压力吹出的对流的混合气接触，以便把混合气中的易吸附气体吸收到吸收剂上。然后将吸收了的所说的易吸附气体的吸收剂逐渐送至除所说的空间之外的另一个空间内，如解吸活化器的空间里，并在那里解吸掉吸附的气体，吸收剂同时被活化。这样，活化后的吸收剂再回到第一个密封空间内重新循环使用。而且因为本发明中在粒状吸收剂的传送过程中能够重复使用的进行易吸附气体的吸附和解吸作用，所以在这个方法里，也不需要PSA方法中所需的大量阀门和频繁开关阀门，而且压力的起伏明显地减少而排除了本发明产品纯度的不均匀性。况且按照本发明，因为吸收剂装在吸收塔的吸收空间里呈类似多层状，混合气从喷咀吹出，所以在上述密封空间里，吸收剂只与混合气体静接触，这就能抑制由于吸收剂急速传输的碰撞而引起吸收剂的粉化现象。
现在进一步详细描述本发明。
本发明涉及混合气的分离，如有从空气、或工业气生产过程中的混合气中浓缩和回收特殊效用气体(如H2、Co、烃等)，含有害气体的净化等。
此外，在本发明使用的粒状吸收剂有沸石、硅胶、活性铝土、活性碳等，它们可单独使用。例如，可以用沸石分子筛作为氮的吸收剂，碳分子筛作为氧的吸收剂、沸石分子筛作为二氧化碳的吸收剂等。
另外，硅胶和活性铝土也适合使用于defumidification以及活性碳等可用来吸附空气中的烃。这些吸收剂为适应能够运输，就要求它们成颗粒状。在本发明中，颗泣状态就表明以此状态形成吸收剂能运输，而颗粒的形状和大小都不应作为问题提出，虽然如圆球形的最好，但不管形状是扁平的，丸粒状的、细粉、或超细粉末的都不会影响本发明。
图1是表示本发明具体装置的流程示意图。
图2是图1中圆圈A部分的放大图。
图3是图1中所说A部分的平面放大图。
图4是图1中圆圈B部分的放大图。
图5是粒度分级器24的剖面放大图。
图6是另一幅仍表示本发明具体装置的流程示意图。
图7是图6中圆圈A′部分的放大图。
以下是具体设备的实例说明实施例图1表示分离空气中氧作为产品气的实例，其中，把空气作为混合气(原料气)。图中，原料气通过空气过滤器1和连续吸附干燥器系统2，经鼓风机3压缩进入安装在吸附塔4下面的吸附一再活化器5内的热交换器5a中。在吸附-再活化器5内的热交换器5a中。在吸附-再活化器5中，从在吸附塔中吸收了氮气的粒状吸收剂(此后简称为吸收剂)14上解吸掉氮气(易吸附的气体)以活化吸收剂14，并靠真空泵6经常地保持吸附-再活化器5处于减压状态。热交换器5a加热所说吸收剂14，有助于解吸氮，这就是，当吸收剂14吸收气体时，吸收剂14是放热的，而解吸时，吸收剂14是吸热的，所以当吸收剂14的温度随着在上述吸附-再活化器5中解吸的增加而降低，氮气就难以解吸。本例中，热交换器5a的上部有从鼓风机3进来的原料气带进的压缩热，而所说的吸收剂14就被压缩热加热，抑制了吸收剂14的温度下降。因此，解吸速度和吸收剂14的类似情况就不会降低。于是加热了吸收剂14的原料气经后冷却器7冷却，再在一冷却水的水冷却系统8中进一步冷却，并被引进其中温度控制在-40°至40℃范围内的吸附塔4里。用一对隔板9和10把所说的吸附塔的空间竖着分隔成三部分，隔板9和11之间的空间形成为吸附空间11。在图2和图3的平面图中表示的上述隔板9上形成数个能吹出原料气的喷咀12和能逐渐流下吸收剂14的流动通道13。滤网12a盖在喷咀12的开口端，以便能防止吸收剂14进入。测流咀13a从通道13向下延伸到均匀流下分散到空间里的吸收剂14上。标数15是指为引进原料气安装在隔板9之下形成空间的一块隔板，而所说的测流咀13a穿过隔板15向下延伸。吹送压缩的原料气接触并吸附堆积在隔板9上的吸收剂14，吸收剂按它下部的次序取道流动通道13和测流咀13a向下流动。向下流动的吸收剂14通过在上述吸附空间11内接触-吸附而吸附了氮气。在吸附空间11的上部空间里充满了氧气，这就是说，原料气的氮气被所说的吸收剂14解吸并除去，结果氧气则保留并存储在吸附空间11的上面。标数16是产品氧气排出管线16，用来排出氧气而作为产品氧气，构成吸附空间11顶板的隔板10具有图4所示的结构。与图2所示隔板9的同样方式，盖有滤网12a的喷咀12和装有测流咀13a的流动通道13都设置在隔板10上。只在屏壁15′的中心形成切开的通道15a，并向该处引进容纳在吸附空间11上部的部分氧气。引入的氧气取道喷咀12，通过排气管17排放到外面和吸收剂14容器里的上层空间。这样，吸附塔4内的压力几乎保持不变。在吸附塔4中，使流经流动通道13和安装在隔板9上的喷咀13a流下来的吸收剂14(吸收了氮气的)通过总是以恒定速度反时针转动的回转阀18向下流到第一个缓冲容器19。第一个缓冲容器19安置在吸附塔4和上述的解吸-再活化器5之间，并具有保持解吸再活化容器5真空状态的作用。另一个总以恒定速度逆时针转动的旋转阀20安装在上述的第一缓冲器19的底下，它不断地将第一缓冲器19内的吸收剂14输进解吸-再活化器5中。正如上文所述，解吸-再活化器5靠真空泵6抽吸真空动力进行减压成减压状态(最好是10～500乇)，并由热交换器5a的效应加热，以至于有效的进行氮气的解吸。将其中解吸了氮气的活化后的吸收剂14由一安装在解吸-再活化器5下面的，以恒定速度逆时针转动的旋转阀21排送到第二缓冲器22里。设置第二缓冲器22是为了使吸附塔4内的压力不会通过输送系统23直接影响到解吸-再活化器5内。同时，第二个缓冲器22下面也安一个总是以恒定速度逆时针转动的第四个旋转阀22a，以便不断地供给经测定量的再活化后吸收剂进入传输系统23。在传输系统中，运输用的带式输送机(图中未表示)设置在水平段23a处，一斗式运输机(图中未表示出)设置在垂直段23b处。吸收剂14先水平输送，然后垂直输送回到吸附塔4的上部。在输送系统23的顶上安一个分级器24，目的是防止输送的吸收剂状况发生变化，所说变化是指分级并除去在上述输送过程中碰碎并粉化的吸附剂14，并防止由于掺了粉状吸收剂引起的输送状况的变化。所说的分级器24构成如图5所示。也就是说分级器有一外圆柱体25和一内圆柱体26，而且内圆柱体26由滤网构成。
同时一台低频振动马达27安装在外圆柱体25的下面，以便内外圆柱体25和26都能振动。安装在外圆柱体26下面的渐缩管28通过软管29向外排出分筛出来的粉状吸收剂。标数30是一个把软管和渐缩管28连结起来的软管夹。由于上述振动器24的左右两边通过橡皮软管(图中未表示)连结输送管23，所以它能振动。把以这种方式活化了的吸收剂14送到吸附塔4的上部，并如上文所述重新使用。
如上所述获得的产品氧气的纯度最好的记录是95.1%。反之，采用广泛使用填充分子筛的PSA三联塔装置所得氧气纯度为93%。(所说的PSA装置具有如上述例子的气体分离设备一样的性能)。另外，PSA固定床的产率约为50%，而在本实例中，最高产率为92%。
虽然在如图1所示实例中，由真空泵6将所得氮气进行真空排气，并排到大气里，但如果需要，氮气就可以不用排到大气里而收集起来。
图6表示生产产品氮气和氧气的实例。在这个例子中，使氮气纯度提高的同时，经6a通过分流部分产品氧气回到吸附塔4内，再穿过吸收剂14来增进氧气的产率。进一步详细说明，图1中所示隔板9的那部分可由图7中所示有排气管的部分所代替，而以与图2所示的隔板9装置一样的方式在隔板9下增添一块隔板9′，并在实例中把隔板9′的部分和从排气管线6a延伸的回流管线6a′连结起来。这样用回流管线6a′的方式把引到最下面隔板9′部分上的氮气从隔板9′的喷咀12向上吹到分布在隔板9′上的多层吸收剂14里，只吸收氮气，而使剩下的氮气从喷咀13a向下流向吸附塔4的最下面，而混合气上升，并通过排气管30排出。另一部分是如图1中的一样。标数相同所指部件相同。本发明实例增加氮气产品的纯度。这里所得氮气产品的纯度为99.93%。相反，以具有跟所述实例的装置大致相同性能的固定床PSA装置所得的氮气产品的纯度为88%。
如上所述，本发明的方法包括在密闭空间里加装多层粒状吸收剂的过程，从喷咀里把原料混合气吹入粒状吸收剂内的过程，借吹出的压力使上层的吸收剂和对流混合气接触，以便易吸附的气体吸收到吸收剂上的过程。上述已经吸收了易吸附气体的粒状吸收剂，为了解吸下易吸收的气体并进行活化的输送过程，以及再活化后的粒状吸收剂重新回到密闭空间，例如吸附空间的过程。因此，不象广泛采用的PSA装置所使用的分离方法，无须频繁的开关阀门的操作，并减少了吸附塔内压力的波动，以至于分离生产出纯度高的稳定产品气成为可能。特别是本发明中所公开的装置不用大量的阀门，由于不必频繁操作开关阀门，所以它的使用期长。因为在吸附塔内，不存在由于频繁开关阀门而引起的压力波动，所以产品气的纯度也能保持稳定。况且，能得到产率比广泛使用固定床PSA装置的产率几乎高2倍。因为装置可用立体方式构成是有利的，所以减少了实际所需空间，还有，与连续吸附塔相比(热再活化系统)，虽然由此发明的范围不同，但按照本发明的热真空再活化系统的装置表现出有效的再活化作用。而且由于采用本发明研制的隔板部件的输送床系统，所以限制了吸收剂的粉化。除此之外，它的优点是产品的数量和质量容易通过控制吸收剂的循环量，再活化设备中的再活化率(真空压力，温度等)等按需进行改变，而所需能量与损失不成比例。
权利要求
1.一种分离混合气的方法，该方法包括在密封空间中填装多层状吸收剂的滞留过程，从延伸进粒状吸收剂层中的喷咀里吹出原料混合气以吸收易吸收到粒状吸收剂上的气体，并留下难吸收气体的吸附-分离过程，装成多层状粒状吸收剂被逐渐送至除所说密封空间之外的另一密封空间的输送过程、从所说的另一密封空间的粒状吸收剂解吸易吸收气体，并使粒状吸收剂再活化的解吸-活化过程，以及把活化后的粒状吸收剂送回到所说的滞留过程的返回过程。
2.根据权利要求1的一种分离混合气的方法，其中使所说的另一密封空间是被加热的并降了压的。
3.根据权利要求1或2的一种分离混合气的方法，其中原料气预先经压缩机压缩，而所说的压缩机的压缩热加热了所说的另一密封空间。
4.一种分离混合气的装置(原文是method)包括一装有粒状吸收剂的吸附塔，一为粒状吸收剂再活化的设备，一向所说的吸附塔引进原料气的供应混合气的设备，以及一导出混合气中已分离气体的输出设备，其中所说的吸附塔内安装有数块隔板，隔板上堆积着层状的颗粒吸收剂与上升气流相对接触，并且颗粒状吸收剂逐渐送到下一过程，所说的提供混合气的设备的末端与在所说隔板下的吸附塔部分相连，再活化吸收剂的回流设备安装在所说的再活化设备和吸附塔之间，还要在所说的隔板处安装混合气的吹出喷咀及为所说的粒状吸收剂向下流的流动通道，而所说的喷咀的开口端放在所说的粒状吸收剂的夹层中，以防止粒状吸收剂进入。
全文摘要
本发明涉及从混合气体中分离特种成分气体的方法和设备，其中，把粒状吸收剂装进密封空间里成多层状，再把混合气体原料吹送到所说的吸收剂层内，并和与原料气体对流的所说的粒状吸收剂接触，使易吸附的气体被吸收剂吸收，再逐渐将所说的粒状吸收剂送至密封空间的外部，把所说的易吸附气体从所说的粒状吸收剂中解吸再活化，之后，将再活化的粒状吸收剂送回到所说的密封空间里重新使用，这样就无需频繁操作阀门进行开关，以至于能进行分离并生产出高纯优质的气体产品。
文档编号B01D53/12GK1077139SQ9310250
公开日1993年10月13日 申请日期1993年2月8日 优先权日1992年2月8日
发明者吉野明, 木山洋实, 三步一敦彦 申请人:大同酸素株式会社