一种多次反吹和交替均压的变压吸附制氧系统及其操作方法 |
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| 申请号 | CN201710561936.5 | 申请日 | 2017-07-11 | 公开(公告)号 | CN107469565A | 公开(公告)日 | 2017-12-15 |
| 申请人 | 江苏昊泰气体设备科技有限公司; 西藏昊泰气体设备科技有限公司; | 发明人 | 祝显强; 林征宇; 张新龙; 史菊俊; | ||||
| 摘要 | 一种多次反吹和交替均压的变压 吸附 制 氧 系统及其操作方法，即正在降压 解吸 的吸附塔经历第一次瞬间大流量反吹清洗，小流量反吹清洗及第二次瞬间大流量反吹清洗等多次反吹清洗；完成吸附的吸附塔与完成解吸的吸附塔经过第一次交错均压，保压，第一次产品氧气充压，第二次交错均压，第二次产品氧气充压的多次交替均压过程。多次反吹清洗使吸附塔解吸更彻底，且有效减少清洗所需的产品气。而多次交替均压充分回收了吸附塔内有用组分和机械能，且能有效地防止吸附剂层提前被穿透，可以显著提高氧气回收率，降低制氧能耗。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种多次反吹和交替均压的变压吸附制氧系统，主要包括空气压缩机（1）、冷干机（2）、空气缓冲罐P1、进气管路（3）、装填制氧吸附剂的第一吸附塔A和第二吸附塔B、第一交错均压管路（8）、第二交错均压管路（9）、第一反吹充压阀（12）、第二反吹充压阀（13）、产品氧气反吹管路（17）、出氧管路（20）、氧气缓冲罐P2、产品氧气反吹充压管路（21），其特征在于： |
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| 说明书全文 | 一种多次反吹和交替均压的变压吸附制氧系统及其操作方法技术领域[0001] 本发明属于气体分离技术领域，具体涉及一种多次反吹和交替均压的变压吸附制氧系统。 背景技术[0002] 变压吸附（pressure swing adsorption, PSA）是一种重要的分离技术，已在气体分离、提纯等领域获得广泛应用，尤其在中小规模的空气分离制氧氮方面。基于PSA原理的制氧机由于产氧浓度高、自动化程度高等优点在家庭保健、医院氧疗以及高原富氧等领域获得了较多的应用。而在这些应用领域用氧规模较小，随着用氧规模的缩小，制氧设备效率下降，能耗很高。 [0003] 新型制氧吸附剂开发及工艺流程优化是提高PSA制氧装置性能的主要途径。在新型制氧吸附剂开发较为困难的情况下，工艺流程优化则显得尤为重要。反吹和均压步骤是PSA制氧过程中重要的两个循环步骤，通过反吹清洗使吸附塔解吸更彻底，有利于获得高浓度产品气，但传统反吹过程采用产品氧气连续反吹的方法，损失了较多的产品氧气，氧气回收率较低。而通过均压回收吸附床内有用的机械能和组分，有利于获得较好的制氧性能。 [0004] 国内专利CN 101564636A提出了变压吸附制氧过程中反吹阶段间歇中断清洗气的方法，提高了氧气回收率，但由于清洗过程中反吹气量且压力低，难以快速地完成清洗解吸。国内专利CN103058144.A提出了PSA制氧过程中利用两个缓冲罐回收完成吸附的塔内中间气体，依次地被用于清洗和充压，提高了氧气回收率，但该清洗气的氧浓度较低，难以获得高浓度的产品氧气。国内专利CN104340961.A提出了充分回收尾气的七阀两步不等势均压的PSA制氧流程，但为了防止吸附塔提前穿透，两步不等势均压完成后两个吸附塔内压力并不相等，回收的有用组分较少，设备能耗仍然较高。美国专利US 8128734提出了PSA制氧过程中完成解吸的吸附塔先逆向均压再进行产品氧气充压的方法来提高制氧性能，但其均压次数少，氧气回收率的提高也有限。国内专利CN101531342.A提出了五塔PSA制氧的方法，通过吸附塔间多次均压充分回收吸附床内机械能和有用组分，但存在流程复杂的缺点。美国专利US6454838提出了具有四次出气端均压的六塔PSA制氧的方法，有效地提高了氧气回收率，然而出气端均压容易使高压吸附塔中不纯的产品气进入到低压吸附塔顶部，同时存在流程复杂的缺点，且需要很多阀门等部件。 发明内容[0005] 本发明目的在于克服现有技术的缺点和不足提供一种多次反吹和交替均压的变压吸附制氧系统，并提供该系统的操作方法。 [0006] 现有典型的变压吸附制氧系统，如图1所示，吸附塔内装填制氧吸附剂，完成吸附的吸附塔与完成解吸的吸附塔经过出气端均压和出气端与进气端的交错均压两个均压过程，且为了防止吸附塔提前穿透，吸附塔间的出气端均压和出气端与进气端的交错均压的时间均很短，回收的有用组分有限，氧气回收率低，制氧能耗较高。 [0007] 本发明提出一种多次反吹和交替均压的变压吸附制氧系统，如图2所示，是对现有PSA制氧系统的改进，即每个吸附塔经历进气吸附，第一次交错均压（降低压力），保压，第二次交错均压（降低压力），降压解吸，第一次瞬间大流量反吹清洗，长时间小流量反吹清洗，第二次瞬间大流量反吹清洗，第一次交错均压（升高压力），第一次产品氧气充压，第二次交错均压（升高压力），第二次产品氧气充压的多次反吹和交替均压过程，采用瞬间大流量反吹清洗和长时间小流量反吹清洗相结合的方式，使吸附塔解吸更彻底，同时能减少清洗气的损失。而产品氧气充压可有效防止吸附剂层提前被穿透，有利于进行多次交错均压过程，多次交错均压充分回收吸附完成后吸附塔内的有用组分，可以显著提高氧气回收率，制氧能耗明显降低。 [0008] 一种多次反吹和交替均压的变压吸附制氧系统，主要包括空气压缩机(1)、冷干机（2）、空气缓冲罐P1、进气管路（3）、装填制氧吸附剂的第一吸附塔A和第二吸附塔B、第一交错均压管路（8）、第二交错均压管路（9）、第一反吹充压阀（12）、第二反吹充压阀（13）、产品氧气反吹管路（17）、出氧管路（20）、氧气缓冲罐P2、产品氧气反吹充压管路（21），其特征在于：第一交错均压管路（8）通过第二均压阀（11）将第一吸附塔A的进气端与第二吸附塔B的出气端接通；第二交错均压管路（9）通过第一均压阀（10）将第一吸附塔A的出气端与第二吸附塔B的进气端接通； 产品氧气反吹充压管路（21）通过单向阀（14）和第一反吹充压阀（12）将第一吸附塔A的出气端接通，用于向第一吸附塔A产品氧气充压，产品氧气反吹充压管路（21）通过单向阀（14）、第一反吹和充压阀（12）和第一解吸阀（6）用于对第一吸附塔A瞬间大流量反吹清洗； 产品氧气反吹充压管路（21）通过单向阀（14）和第二反吹充压阀（13）将第二吸附塔B的出气端接通，用于向第二吸附塔B产品氧气充压，产品氧气反吹充压管路（21）通过单向阀（14）、第二反吹充压阀（13）和第二解吸阀（7）用于对第二吸附塔B瞬间大流量反吹清洗；产品氧气反吹管路（17）通过反吹控制阀（15）和第三反吹阀（16）将第一吸附塔A和第二吸附塔B的出气端接通，用于小流量反吹清洗吸附塔。 [0009] 装填制氧吸附剂的第一吸附塔A通过进气管路（3）和打开第一进气阀（4）开始进气吸附，而第二吸附塔B通过打开第二解吸阀（7）降压解吸。在第二吸附塔B降压解吸的中后期，打开第二反吹充压阀（13）通过产品氧气反吹充压管路（21）对第二吸附塔B进行第一次瞬间大流量产品氧气反吹清洗，而后快速关闭第二反吹充压阀（13），打开第三反吹阀（16）对第二吸附塔B进行小流量反吹清洗，之后关闭第三反吹阀（16），再一次打开第二反吹充压阀（13）通过产品氧气反吹充压管路（21）对第二吸附塔B进行第二次瞬间大流量产品氧气反吹清洗，之后关闭第二反吹充压阀（13）、第一进气阀（4）和第二解吸阀（7），此时第二吸附塔B完成解吸而第一吸附塔A完成吸附。之后打开第一均压阀（10）通过第二交错均压管路（9）接通第一吸附塔A的出气端和第二吸附塔B的进气端进行第一次交错均压，完成第一次交错均压后关闭第一均压阀（10），第一吸附塔A进入保压状态，同时第二吸附塔B通过打开第二反吹充压阀（13）和产品氧气反吹充压管路（21）进行第一次产品氧气充压，之后关闭第二反吹充压阀（13），再一次打开第一均压阀（10）通过第二交错均压管路（9）接通第一吸附塔A的出气端和第二吸附塔B的进气端进行第二次交错均压。完成第二次交错均压后再一次打开第二反吹充压阀（13）对第二吸附塔B进行第二次产品氧气充压，同时第一吸附塔A通过打开第一解吸阀（6）进入降压解吸过程，完成第二次产品氧气充压后第二吸附塔B通过打开第二进气阀（5）进入进气吸附过程，至此完成一个循环过程。各自动切换阀门按照下表的要求进行切换，第一吸附塔A和第二吸附塔B异相顺序运行，其运行步骤如下表所示：第一次和第二次的瞬间大流量反吹清洗时间很短，约为0 1 s，保压时间大于等于第一~ 次产品气充压时间，约为0 2 s。 ~ [0011] 第一次的保压时间大于等于第一次产品气充压时间，第二次的保压时间大于等于第二次产品气充压，而第二次的保压时间大于第一次的保压时间，第一次的保压时间约0 1 ~s，第二次的保压时间约0.5 2 s。 ~ [0012] 本发明中部分名词释义如下：所说的产品气，也可称之为产品氧气，是指较难被吸附剂吸附的气体，如相对于氮吸附剂来说，氧气是较为难吸附的气体； 所说的富氮废气是指较容易被吸附剂吸附的气体，如相对于氮吸附剂来说，氮气是较容易吸附的气体； 所说的吸附塔也可称之为吸附器，吸附床，是指至少装填了上述多层吸附剂的容器； 所说的保压是指将吸附塔的进气阀和出气阀均关闭，使吸附塔内压力保持不变的过程； 所说的均压是指将两个吸附塔的出气端或者吸附塔的出气端与另一吸附塔的进气端接通，使两个吸附塔内压力均衡的过程； 所说的产品氧气充压是指将吸附塔的出气端与产品气缓冲罐接通，将部分产品氧气充入吸附塔内，使吸附塔内压力升高的过程； 所说的变压吸附（PSA）所指的不仅是PSA方法，还包括与之相类似的周期性压力变化而吸附分离方法，其中周期性变化过程中较高压力可以大于或等于大气压力，较低的压力可以小于或等于大气压力，如真空变压吸附等方法。 [0013] 本发明同现有技术相比具有的有益效果是：1）利用瞬间大流量反吹清洗和长时间小流量反吹清洗的间歇反吹过程，有效提高吸附塔解吸程度，且减少了用于反吹清洗的产品气，提高制氧效率；2)经过多次交替均压和充压，不仅可以防止吸附剂层被提早穿透，而且充分回收吸附塔内有用组分，提高氧气回收率，降低能耗。附图说明 [0014] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 [0015] 图1是现有典型的两塔变压吸附制氧系统。 [0016] 图2是本发明的一种多次反吹和交替均压的变压吸附制氧系统。 [0017] 图2中：1.空气压缩机；2.冷干机；P1.空气缓冲罐；3.进气管路；A.装填制氧吸附剂的第一吸附塔；B.装填制氧吸附剂的第二吸附塔；4.第一进气阀；5.第二进气阀；6.第一解吸阀；7.第二解吸阀；8.第一交错均压管路；9.第二交错均压管路；10.第一均压阀；11.第二均压阀；12.第一反吹充压阀；13.第二反吹充压阀；14.单向阀；15.反吹控制阀；16.第三反吹阀；17.反吹管路；18.第一出氧控制阀；19.第二出氧控制阀；20.出氧管路；P2.氧气缓冲罐；21.产品氧气反吹充压管路。 具体实施方式[0018] 以下通过具体实施例对本发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，但所应理解的是，以下所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普遍技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均包括在本发明的范围内。 [0019] 本示例采用2个吸附塔多次反吹和交替均压的变压吸附制氧工艺，以第一吸附塔A为例，原料空气进入第一吸附塔A后，第一吸附塔A进入吸附步骤，在吸附塔的出气端得到体积分数约为93%的产品氧气，第二吸附塔进行降压解吸，在降压解吸的中后期部分产品氧气通过产品氧气反吹充压管路（21）和打开第二反吹充压阀（13）对第二吸附塔B进行第一次瞬间大流量反吹清洗，之后由第一吸附塔A出气端产生的部分产品氧气再通过打开第三反吹阀（16）对第二吸附塔B进行小流量反吹清洗，再一次打开第二反吹充压阀（13）对第二吸附塔B进行第二次瞬间大流量反吹清洗，此时第二吸附塔经历降压和多次反吹清洗后床层解吸很彻底，而吸附阶段第一吸附塔A出气端产生的大部分产品氧气通过出氧管路（20）输出到氧气缓冲罐P2。 [0020] 吸附步骤完成后，打开第一均压阀（10）接通第一吸附塔A出气端和吸附塔B的进气端进行第一次交错均压，完成第一次交错均压后关闭第一均压阀（10），第一吸附塔A进入保压过程，同时打开第二反吹充压阀（13）通过产品氧气反吹充压管路（21）对第二吸附塔B进行第一次产品氧气充压，之后再一次打开第一均压阀（10）接通第一吸附塔A出气端和吸附塔B的进气端进行第二次交错均压，完成第二次交错均压后第一吸附塔A通过打开第一解吸阀（6）进行降压解吸，同时再一次打开第二反吹充压阀（13）通过产品氧气反吹充压管路（21）对第二吸附塔B进行第二次产品氧气充压，第二次产品氧气充压完成后打开第二进气阀（5）第二吸附塔B进行进气吸附过程，至此制氧过程经历了一个循环。经过多次交替均压后，充分回收了第一吸附塔A内的有用组分。 [0021] 经过该循环过程后，PSA制氧的产品气回收率为50%以上，比现有的典型的变压吸附制氧系统回收率提高10%以上，制氧能耗降低20%以上。 |
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