专利名称：采用变压吸附分离法的氧气产生方法
技术领域：
本发明涉及采用变压吸附分离法的氧气产生方法，更详细地说，是涉及使用选择性吸附氮气的吸附剂的变压吸附法，从以氧气和氮气为主要成分的混合气体，例如空气中产生纯度为90％左右的氧气方法。
背景技术：
在处理以氧气及氮气为主要成分的混合气体，例如空气而产生浓缩氧的过程中广泛地使用变压吸附式的氧气产生方法(下文称为氧气PSA法)。这种氧气PSA法以选择性吸附氮气的沸石作为吸附剂，使用配备多个填充沸石的吸附塔的装置(氧气PSA装置)，它基本上通过对各吸附塔反复交替进行在较高压力下操作的吸附工序和在较低压力下操作的再生工序而连续地产生浓缩氧气。
在这样的氧气PSA装置中，利用沸石对氮气的高选择吸附特性而从空气中浓缩分离氧气，但是氧气和氩气对于沸石具有大致相同的吸附特性，因此分离浓缩得到的氧气中含有氩气，所以其最高浓度大约为95％。
另一方面，作为使用氧气的条件，在使用氧气切割金属时，若氧气浓度达不到99.5％左右，则在切割速度及切割面上存在问题，另外，在医院中使用医用氧气时，药典法上规定氧气浓度必须在99.5％以上。而在用电炉炼钢时，氧气浓度为95％以下就可以了。此外，大部分用氧部门，氧浓度达90％左右就足够了，所以说氧气PSA法的适用范围非常广泛。正因为如此，氧浓度在90％左右就可以了，但在大量消耗氧气的部门，为了得到更便宜的氧气，对于PSA法进行了各种改进。
作为提高氧气PSA法性能的着眼点，可举出2点，即为了使装置小型化，提高所使用的单位吸附剂的氧气产生量；为了降低动力消耗定额提高产品氧气回收率。
如上所述，氧气PSA法以吸附工序及再生工序为基本工序，但是为了提高氧气回收率，在这些基本工序中，还要附加压力回收工序和再加压工序等。另外，为了代替压力回收工序，还进行并流减压工序，将残留在吸附塔内的浓缩氧气作为产品或清扫用气体而加以利用，并且为了加大单位吸附剂的氧气产生量，也可在再生工序中，用一部分产品气体进行清扫操作，促进吸附剂的氮气解析。这种清扫操作是在经减压降低吸附塔内压力的阶段中，通过从产品出口端供给一部分产品气体而降低气相中易吸附成分的分压，促进氮气解析的方法，采用这种方法时不涉及常压再生、真空再生的工艺。
为了提高氧气PSA法的性能，以往的方法例如在特开昭63-144104号公报记载的方法，是在压力回收工序中，采用将2个吸附塔连接起来，从各个吸附塔的上部(产品气体出口)及下部(原料气体入口)两处同时进行气体回收的均压工序(上下同时均压)。此时，可以回收更多量的气体，但在气体接受侧的吸附塔中，比较浓的氧气气体回收到塔的上部，而空气或其中氮成分比空气多一些的气体回收到塔的下部。为此，使用该方法时产品回收率虽高，但单位吸附剂的氧气产生量变低。
此外，特开昭63-144103号公报所述的方法是在均压工序时，与上述相同地连接2个塔，从塔的上部及下部两处同时回收气体，但此时下部管线使用真空排气管线，将一部分回收气体从下部排出，调整由塔下部的回收量。用该方法时，与上述方法相比较，不仅存在着因气体回收量减少产品回收率不太高的问题，同时还在接受侧塔中因回收导致的升压小，故在后续加压工序中用于氧气充压的必要的氧气量增多，在产生氧气的吸附工序中塔的吸附压力降低。
也就是说在氧气PSA法中，由于保持高产品回收率和提高单位吸附剂的氧气产生量是二者择一的要求，所以尚未开发出可达到两者并存的工艺方法。
发明的公开因此，本发明的目的在于提供既可保持高产品回收率，又可提高氧气产生量，并且可望降低动力消耗定额的变压吸附式氧气产生方法。
为了达到上述目的，本发明的变压吸附式氧气产生方法是采用变压吸附分离法的氧气产生方法，其中使充填了沸石吸附剂的多个吸附塔交替地依次反复进行分别在较高的压力下进行的吸附工序和在低于大气压下进行的再生工序，由此从以氧气和氮气为主成分的混合气体中分离出氧气和氮气，产生氧气，其特征在于将上述吸附工序完毕后的吸附塔的出口端和上述再生工序完毕后的吸附塔的出口端连通，使得吸附工序完毕后的吸附塔内的残留气体回收到再生工序完毕后的吸附塔内，以此进行压力回收工序，同时从吸附工序完毕后的吸附塔及再生工序完毕后的吸附塔中的至少一个入口端将上述混合气体导入吸附塔内。
此外，本发明的特征还在于导入上述混合气体的吸附塔是再生工序完毕后的吸附塔，通过在约大气压下导入上述混合气体进行一次加压工序、在该一次加压工序完毕后的吸附塔内从出口端供给产品氧气的一部分的同时，从入口端继续导入约大气压的混合气体进行二次加压工序，导入上述混合气体的吸附塔是吸附工序完毕后的吸附塔，在与吸附工序大约相等的压力下导入上述混合气体、在上述吸附工序完毕后的吸附塔的压力回收工序时，同时进行从入口端的真空排气。
附图的简单说明
图1表示氧气PSA装置一个实例的系统图。
图2表示本发明第1实施例的流程图。
图3表示本发明第2实施例的流程图。
图4表示本发明第3实施例的流程图。
图5表示本发明第4实施例的流程图。
实施发明的最佳方式以下，结合图示的实施例，进一步详细说明本发明。
首先，图1表示用于实施本发明方法的氧气PSA装置的一个实例，表示具有分别填充了吸附剂沸石的三个吸附塔A、B、C，从以氧气和氮气为主要成分的混合气体空气中分离产生氧气的三塔式氧气PSA装置。
该氧气PSA装置具有上述三个吸附塔A、B、C以及原料空气升压至规定压力并送到上述吸附塔的鼓风机1、对上述吸附塔进行真空排气的真空泵2、暂时贮存从上述吸附塔导出的产品氧气的产品贮罐3、控制再生工序和加压工序时的气体流量的流量控制阀4、5以及控制产品氧气供给量的流量调节阀6、用于切换各吸附塔的吸附工序、再生工序等的多个自动阀11，12，13，14，15，16，17(对附属于各吸附塔的阀，对应于各个吸附塔A、B、C，添加a，b，c)和用于将大气压状态的空气导入到吸附塔内的空气导入管18。
上述氧气PSA装置是以规定的顺序开闭上述多个自动阀，连续产生氧气的装置，例如，通过反复进行图2的9个工序，将以氧气和氮气为主要成分的混合气，例如空气中的氧气和氮气分离，产生产品氧气。
以下，结合使用上述氮气PSA装置的图2所示的工艺图，说明本发明产生氧气方法的第1个实施例。
首先，工序1是分别将吸附塔A切换到吸附工序、吸附塔B切换到再生工序完毕后的压力回收工序、吸附塔C切换到吸附工序完毕后的压力回收工序的状态，在吸附塔A中进行氧气和氮气的分离。
也就是说，用鼓风机1，将升压到规定压力、例如500mmAq(约800Torr)的原料空气导入到吸附塔A中，空气中的氮气吸附到充填于塔内的沸石上，与氧气分离，非吸附成分氧气以产品氧气形式导出。
另外，对塔内压力比大气压低的吸附塔B及塔内压力较高的吸附塔C进行两者出口端互相连通的压力回收，一边用流量调节阀5(参照图1)调节吸附塔C内的气体流量，一边从出口侧导入到吸附塔B，同时从吸附塔B的入口侧通过空气导入管18吸入大气压状态的空气。由此在吸附塔B中将吸附塔C内比较富含氧气的气体回收到吸附塔B的出口侧，并同时进行从吸附塔B的入口侧不用鼓风机1加压即导入原料空气的一次加压工序。
在工序2中，吸附塔A继续进行从塔下部接受加压的原料空气，从塔顶部产生产品氧气的吸附工序，而吸附塔B进行从塔顶部接受来自吸附塔A产生的一部分产品氧气的二次加压工序。另外，吸附塔C进行用真空泵2排出塔内气体、使塔内压力降低，解析吸附在吸附剂上的氮气的真空再生工序。
在工序3中，吸附塔A继续进行吸附工序、吸附塔B继续进行二次加压工序，最后加压到与吸附工序时的压力、即与吸附压力大致相同的压力。吸附塔C用真空泵2进行排气，在达到较高真空度时一边进行真空排气，一边同时从塔顶从吸附塔A接受产生的一部分产品氧气，即处于所谓排气清扫状态(清扫再生工序)。
在工序4中，吸附塔A处于与工序1中的吸附塔C相同的压力回收工序、吸附塔B处于与工序1中的吸附塔A相同的吸附工序、吸附塔C处于与工序1中的吸附塔B相同的一次加压状态。以下，在工序5中，吸附塔A处于真空再生工序、吸附塔C处于二次加压工序，在工序6中，吸附塔A处于清扫再生工序状态。
此外，在工序7、8、9中，吸附塔C处于工序1～3中的吸附塔A的状态、吸附塔A处于吸附塔B的状态、吸附塔B处于吸附塔C的状态，工序9结束后，又回到工序1的状态。
各吸附塔就这样进行工序1～9，从工序9回到工序1，以此连续地产生氧气。如以60秒为循环时间，则通常各工序的时间为工序1、4、7为5～10秒，工序2、5、8为10～15秒，工序3、6、9为40～45秒。另外，各工序的压力通常是吸附压力为500mmAq(约800Torr)、真空再生压力为200Torr、一次加压工序的最终压力为500 Torr、二次加压工序的最终压力为760Torr左右。
如本实施例所示，在压力回收工序中，通过使吸附工序完毕后的塔内压力较高的吸附塔和再生工序完毕后的塔内压力比大气压低的吸附塔两者的出口端互相连通，将吸附工序完毕后的吸附塔的上部气体从顶部回收到再生工序完毕后的吸附塔内，从该吸附塔下部吸入大气压状态的空气，由此可以将吸附工序完毕后的吸附塔内较富含氧气成分的气体回收到再生工序完毕后的吸附塔内，同时可以高效率地进行该吸附塔的加压。
也就是说，再生工序完毕后的吸附塔在进入下一个吸附工序之前，必须在上述一次加压工序及二次加压工序中使塔内尽可能地加压到接近吸附压力的压力，但如上所述，在一次加压工序中，在将富含氧气成分的气体回收到再生工序完毕后的吸附塔的上部的同时，通过从塔下部吸入空气，可一边使回收气体量达到必要的足够量，一边可充分提高该吸附塔内的压力。因此，可使进入使用一部分产品氧气的二次加压工序的吸附塔内的压力比以往高，可降低产品氧气的使用量。
通过降低用于上述加压的产品氧气量，可以在稳定的状态下进行吸附工序中的吸附塔的吸附操作，并可增大产品氧气的产量。另外，在一次加压工序中吸入吸附塔的空气是与原料混合气组成相同的空气，而且，由于该空气不通过鼓风机1而由塔内的负压与大气压间的压差吸入到吸附塔内，所以不必经过鼓风机1带来的压缩动力，另外，与使用鼓风机相比，较之以往实际处理的空气量增加，所以可望降低动力费用，增加产品氧气的产量。
图3表示本发明的实施例2的流程图。与上述实施例1相比，在二次加压工序操作中，要继续吸入空气，直到塔内压力接近大气压为止。另外，在以下实施例中，对于与上述实施例1相同的部分不再详细说明。
也就是说，工序1与上述实施例1相同，吸附塔A接受来自鼓风机1的原料空气，进入产生产品氧气的吸附工序、吸附塔B进行再生工序完毕后的压力回收工序、吸附塔C进行吸附工序完毕后的压力回收工序，吸附塔B将吸附塔C出口侧的富含氧气成分的气体回收到出口侧，与此同时还处于从入口侧通过空气导入管18吸入空气的一次加压工序状态。
工序2是吸附塔A继续进行吸附工序、吸附塔B进行二次加压工序、吸附塔C进行通过真空泵2排出塔内气体的真空再生工序，此时，在吸附塔B中，从塔顶接受一部分产品氧气，同时还从塔下部吸入空气。因此，在吸附塔B中，用塔上部的产品氧气与塔下部的空气进行二次加压。
在工序3中，吸附塔A继续进行吸附工序、吸附塔B继续进行二次加压工序，但在该吸附塔B中，根据塔内压力可以停止从塔下部吸入空气、只从塔顶部接受产品氧气来进行加压。另外，吸附塔C一边从塔顶接受一部分产品氧气，一边进行真空排气的清扫再生工序。
以下，与上述实施例1相同地，在工序4中，吸附塔A中进行与工序1中吸附塔C相同的压力回收工序，吸附塔B中进行与工序1中吸附塔A相同的吸附工序，吸附塔C进行与工序1中吸附塔B相同的一次加压；在工序5中，吸附塔A进行真空再生工序、吸附塔C进行二次加压工序，在工序6中，吸附塔A进行清扫再生工序。而在工序7、8、9中，吸附塔C处于工序1～3中的吸附塔A的状态，吸附塔A处于吸附塔B的状态、吸附塔B处于吸附塔C的状态，工序9完毕后，又回到工序1。
如本实施例所示，即使在二次加压工序中，通过继续吸入空气使塔内压力达到接近大气压为止，空气吸入量也比上述实施例1多，所以可降低加压所需的产品氧气量，而进一步增加产品氧气的产量。另外，在二次加压工序中，停止吸入空气的压力也可为接近大气压，但通常以600～700Torr左右为宜。
图4表示本发明实施例3的流程图，与上述实施例相比，在压力回收工序时，要继续向吸附工序完毕后的回收气体放出侧的吸附塔导入原料空气(工序1、4、7)。
这样，通过向吸附工序完毕进入压力回收工序的吸附塔导入原料空气，可将该吸附塔内的压力保持在吸附压力，可抑制吸附剂上的氮气解析，所以可一边防止氮气混入由该吸附塔上部回收到再生工序完毕后的吸附塔的气体中，一边还可充分进行接受侧的吸附塔加压。
图5表示本发明实施例4的流程图，与上述实施例1相比，在进行压力回收时，从吸附工序完毕后的回收气体放出侧的吸附塔上部放出回收气体，同时还要从塔下部同时开始真空排气(工序1、4、7)。由此可使真空泵没有空闲时间，可望提高效率。
另外，在本发明中，可将各实施例组合起来进行实施，并且所使用的吸附塔数不限于3个，对于使用2个或4个以上吸附塔的形式也适用。
另外，吸附剂可使用与氧气相比氮气优先大量吸附的沸石，如MS-5A、MS-10X、MS-13X、丝光沸石，另外也可使用其中离子交换了沸石中的金属的可以以很高吸附速度充分吸附氮气的细孔径沸石等。
还有，以氧气和氮气作为主要成分的混合气体不限于空气，可使用任意组成的混合气体。此时，上述的空气导入管只要与原料混合气体的发生处或贮罐连接即可。
以下，使用如上述图1所示结构的装置，进行上述实施例1～4所示的操作方法和以往实例的上述上下同时均压法，说明测定氧气产生量、氧气回收率的实施结果。
吸附塔的内径155mm×高1.6m，吸附剂使用分子筛5A的1.6mm颗粒。运转条件设定为吸附压力500mmAq、真空再生压力200Torr。另外，循环时间取为60秒，相当于工序1的工序为5～10秒、相当于工序2的工序为10～15秒、相当于工序3的工序为40～45秒。实验结果如表1所示。
表1
>如上所述，利用本发明的变压吸附式氧气产生方法，在一次加压工序中，由于在吸附塔中导入原料气体或与原料气体组成大致相同的混合气体，所以一边可防止向再生工序完毕后的吸附塔内流入氮气、一边可对该吸附塔进行充分加压，可降低用于加压的产品氧气量，增加产品氧气的产生量。
特别是通过不使用鼓风机等加压手段，而将原料气体或与原料气体组成大致相同的混合气体吸入到再生工序完毕后的吸附塔中，与处理量相比可节约动力费用。
另外，在原料气体是空气时，由于吸附塔内的空气是在大气压下送入的，故可以不用鼓风机供给原料，因此，实质上可显著地提高氧气回收率。
权利要求
1.采用变压吸附分离法产生氧气的方法，其中使充填了沸石吸附剂的多个吸附塔交替依次反复进行分别在较高的压力下运行的吸附工序和在低于大气压的压力下运行的再生工序，由此从以氧气和氮气为主成分的混合气体中分离氧气和氮气，产生氧气，其特征在于使所述吸附工序完毕后的吸附塔的出口端和所述再生工序完毕后的吸附塔的出口端连通，使得吸附工序完毕后的吸附塔内的残留气体回收到再生工序完毕后的吸附塔内进行压力回收工序，同时从吸附工序完毕后的吸附塔及再生工序完毕后的吸附塔的至少一个入口端将所述混合气体导入吸附塔内。
2.根据权利要求1所述的采用变压吸附分离法产生氧气的方法，其特征在于导入所述混合气体的吸附塔是所述再生工序完毕后的吸附塔，通过在约为大气压下导入所述混合气体进行一次加压工序。
3.根据权利要求2所述的采用变压吸附分离法产生氧气的方法，其特征在于所述一次加压工序完毕后的吸附塔中，从出口端供给一部分产品氧气，同时从入口端继续导入所述约为大气压的混合气体，进行二次加压工序。
4.根据权利要求1所述的采用变压吸附分离法产生氧气的方法，其特征在于导入所述混合气体的吸附塔是所述吸附工序完毕后的吸附塔，所述混合气体以与吸附工序大约相同的压力被导入。
5.采用权利要求1所述的变压吸附分离法的氧气产生装置，其特征在于所述吸附工序完毕后的吸附塔在所述压力回收工序时，同时进行从入口端的真空排气。
全文摘要
本发明提供可保持高产品回收率、提高氧气产量、可望降低动力消耗定额的变压吸附式氧气产生方法。本发明中，吸附工序完毕后的吸附塔的出口端和再生工序完毕后的吸附塔的出口端连通，吸附工序完毕后的吸附塔内的残留气体回收到再生工序完毕后的吸附塔内，进行压力回收工序，同时从吸附工序完毕后的吸附塔及再生工序完毕后的吸附塔中的至少一个入口端将与原料气体组成大约相同的混合气体导入到吸附塔内。
文档编号B01D53/047GK1128979SQ9519050
公开日1996年8月14日 申请日期1995年6月2日 优先权日1994年6月2日
发明者林伸, 川井雅人 申请人:日本酸素株式会社