专利名称：：用于制氧的变压吸附方法
技术领域：
：当前，从空气制氧使用真空变压吸附(VPSA)或变压吸附(PSA)系统技术。这些系统通常具有小于200吨02每天的生产量。当前，在将VPSA或PSA系统从空气制氧的生产量从这种小规模(小于200吨02每天)扩展到大规模(大约350吨02每天或更高)方面具有重建的兴趣。0003在VPSA或PSA方法应用中，实现将02从进料混合物(例如，空气)分离需要的能量输入通过进料压缩机和真空泵作为机械功提供。该功的成本是VPSA或PSA方法的总体操作成本的重要部分。此外，当前VPSA或PSA技术与低温蒸馏相比仅对小规模应用是经济上有竟争力的。对大规模应用，为了使VPSA或PSA方法与低温蒸馏相比变得有成本竟争力，需要改进的循环来才喿作PSA或VPSA方法。根据本发明提供的方法和系统具有多个优势。例如而不理解为限制，本发明的系统和方法可以包括U)连续的进料和产品制成步骤；(2)—个压缩机和一个真空泵的最小值；(3)压缩机和真空泵的100%利用率；(4)相对于现有技术方法，由于连续的进料和产品制成步骤而实现的较小产品存储/緩冲箱；(5)使用相同或不同压缩机(例如，离心式和罗茨式)以压缩VPSA方法的入口进料的可选方式；(6)清洗气体来自经历顺流减压步骤的另一床，且该清洗气体直接转到经历清洗步骤的另一床而不使用任何附加的存储箱；(7)夹在VPSA循环的排空步骤之间的清洗步骤(即，VPSA循环在清洗步骤前后均有排空步骤，以允许使用间隙气体直接清洗另一床(而不需要附加的存储箱)或避免使用符合产品质量的气体用于清洗；(8)在VPSA方法的快速循环浅吸附器中使用具有高内在吸附率和最优粒径以增加质量传送速率、高的02产品回收率、和低的床尺寸因子(BSF)的吸附剂；和/或(9)四床VPSA过程的步骤全部集成，使得所有床都没有空闲步骤。作为本发明的结果，由于在大规模(〉350吨/天)的基础上使用单套装置、少一个泵、较低的床尺寸因子(BSF)生产氧气，且避免使用符合产品质量的气体用于清洗，可提供02生产率或回收率的大约10-20%的改进和资本成本大约5-10%的减少。0029现在将参见图2所示的四床VPSA系统、图3所示的四床VPSA循环、和表1所示的阀切换逻辑描述本发明。在步骤4开始时，阀2和21保持打开以允许继续从床42生产产品。阀3和22保持打开且在床44中开始产品生产。阀14保持打开，以继续床46的排空。阀16打开，以允许床48泄压给大气。步骤5在步骤5开始时，阀17和19打开，以允许均tf气体/人床42流入床46的顶部。阀3关闭且阀4打开，以允许进料气体从压缩才几36(C2)进入床44的底部。阀22保持打开，以允许继续从床44生产产品。阀13关闭且阀5打开，以停止床46的排空且允许进料气体从压缩机38(Cl)进入床46的底部。阀16关闭且阀15打开以开始床48的排空。步骤6在步骤10开始时，阀10保持打开，以继续床42的排空。阀12打开，以允许床44泄压给大气。阀6和23保持打开以允许继续乂人床46生产产品。阀7和24保持打开且开始在床48中生产产品。步骤11在步骤11开始时，阀10关闭且阀1打开，以停止床42的排空且允许进料气体从压缩机38(C1)进入床42的底部。阀12关闭且阀ll打开，以开始床44的排空。阀17和19打开，以允"i午均衡气体从床46流入床42的顶部。阀7关闭且阀8打开，以允许进料气体从压缩机36(C2)进入床48的底部。阀24保持打开以允许继续从床48生产产品。步骤10042]在步骤12开始时，阀1保持打开且允许进料气体继续从压缩机38(Cl)进入床42的底部。阀21打开，以允许产品增压气体进入床42的顶部。阀ll保持打开，以继续床44的排空，同时接收清洗气体。阀19保持打开且阀18打开，以允许清洗气体从床46流入床44。阀8和24保持打开以允"i午继续/人床48生产产品。阀17关闭。0043上述实施例采用两个压缩才几来输送进料气体给VPSA容器。在优选实施例中，一个罗茨式压缩机38(Cl或压缩机1)和一个离心式压缩机36(C2或压缩机2)将总进料流输送给集成的四床VPSA方法。此外，在大规模02生产的优选操作模式中，在VPSA方法中使用径向床。径向床吸附器的附加细节由Ackley等的美国专利号6,506,234Bl给出。0044参见图3中的床42(Bl)步骤，如果使用两个不同的压缩机(例如，罗茨式和离心式)，那么在优选操作模式中，在步骤1、11和12中使用罗茨式压缩机，而在步骤2、3和4中使用离心式压缩才几。参见图2和3,在VPSA循环的步骤1期间，总进料(双进料VPSA方法)的一部分经由罗茨式压缩机输送给床42(Bl),而离心式压缩机将总进料的另一部分输送给床48(B4)。也注意到，在任何时刻，两个床同时地接收进料气体，且连续的产品制造在整个VPSA方法中存在。[0045表2给出了在床中使用氮气选择性吸附剂的操作条件和VPSA方法性能的示例。在该表中，符号具有以下的意义TPD-吨(2000lb)氧气每天，kPa-1000Pa-压力的S.I.单位(1.0a加尸101.323kPa),s-时间单^f立牙少。0046此外，表2中的氮气平衡选择性吸附剂是高度交换的Li-X(>95%Li)，如Chao等的美国专利号5,413,625和4,859,217公开的，这两个专利均通过参考在与此文相一致的程度上引入。虽然在这些专利中公开了高度交换的LiX吸附剂，应当理解，吸附剂的层或吸附剂的混合物可以4吏用且可以优选地在VPSA方法的每个床4吏用(例如，当在空气中有湿气时)，而不偏离本发明的范围。用于本发明的各种吸附剂的代表性示例包括「但不限于美国专利号6,027，548和6，790，260B2中爿>开的这些吸附剂，这两个专利均通过参考在与此文相一致的程度上引入。也参见美国专利号6,743,745B2;6,506,234Bl;6,500,234;6,471,748Bl;和6，780,806。吸附剂可以为吸附剂的混合物或分层的吸附剂。优选地，不管它是单种吸附剂、吸附剂的混合物还是吸附剂的层，相同的吸附剂在所有四个床中相同。表2:大规模(〉350TPD)O2生产示例(图2-3，操作条件和性能)。四个床中的每个包括用于N2去除的Li-X沸石。下面显示的结果,人-使用包括0.934%Ar、78.12%N2和20.95%02的干空气的VPSA仿真和试-睑工场实验获得。每个床中的吸附剂Li-X进料组分(N2/02/Ar):78.12%/20.95%O2/0.934%高压160kPa低压30kPa总进泮+:2.85xl06NCFH生产的02数量3.58xl05NCFH(355TPD02)氧气纯度90%总氧气回收率60%床尺寸因子3501b/TPD02温度300K上述VPSA方法集中于4吏用四VPSA床方法和系统乂人空气制氧。在本发明的可替换实施例中，可以使用小于四个(例如，三个床)或大于四个床。在这种实施例中，需要开发合适的三床VPSA循环或大于4床的VPSA循环，以包含本发明的前述特征。此外，取决于在VPSA循环中采用三个还是大于4个床，在这种可替换实施例中，可能需要或可能不需要附加的存储箱，以包含本发明的特征。选择的吸附器结构(例如，径向、轴向、结构化，等)和吸附剂的选择和布置将基于进料流、进料源的类型、和VPSA方法操作条件确定。在可替换操作冲莫式中，例如，轴向床可用于VPSA方法。优选为所有的床具有相同的结构。在又一可替换操作^^莫式中，一个压缩机(而不是两个压缩机)可以用于将总进料输送给双进口VPSA方法(例如，附图所示的VPSA方法)。在一些操作模式中，最高的吸附压力为100kPA到大约2000kPA的范围，且最低的解吸附压力为20kPa到大约100kPa的范围。此外，对给定的吸附剂，在实现VPSA方法中的高02回收率和低功率消耗之间的最优化将确定最优的吸附和解吸压力。氧气产品的平均纯度为85%氧气到大约95%氧气的范围，对应于大约55-75%的预期02回收率。最低的02回收率预期对应于最高的02纯度，反之亦然。参见图4和5以及表3，图示了本发明一个实施例的一个完整VPSA循环。在表3中，AD表示吸附/产品生产；ED:均衡减压；PPG:提供清洗气体；PPP:提供产品增压气体；BD:泄压；PG:接收清洗；EU:均衡加压(EU与EQUP相同)；PP:产品增压；FP:进料增压；RC:罗茨式压缩机；CO.离心式压缩机；RV:罗茨式真空；CV'.离心式真空；EV:排空。如上文关于表l所述，应当理解的是，在表3中，取决于阀是开关阀还是用于调节希望流量的流量控制阀，"C"表示阀处于闭合位置，而"O"表示阀处于打开或部分打开位置。本领域技术人员应当理解，流量控制阀将在产品增压(例如，图5的步骤3)期间使用。表3:用于十二步骤四床氧气VPSA方法的阀起动顺序。<table>complextableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>阀编号<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>[0055合适的吸附剂、这些吸附剂的混合物和分层在上文讨-沦。[0056图6图示了根据本发明、使用两个压缩机36、38来输送总进料给双入口进料VPSA方法的四床系统70和方法的另一可替换示意图。图7显示了图6的双进料口四床VPSA方法的塔循环。在上文所述的优选操作模式(图2和3)中，八个废气阀用于允许泄压步骤(旁通真空鼓风机)，随后使用真空鼓风机进行排空步骤。在图6和7所示的可替换操作模式中，仅需要四个废气阀。结果，所有的废气通过真空鼓风机排空。在图2和3所示的优选模式中，均衡不如图6和7所示的可替换模式中那样与排空叠加。此外，在图2和3所示的实施例中，从顺流减压气体提供清洗，而在图6和7所示的实施例中，从处于生产中的床提供清洗。另外，在图2和3所示的优选实施例中，在清洗步骤之后有排空步骤，而在图6和7所示的可替换实施例中，在清洗步骤之后没有排空步骤。本领域技术人员应当理解，可以容易;也采用上述具体实施例作为修改或设计其它结构的基础，以实现本发明相同的目的。本领域技术人员也应当认识到，这种等价结构并不偏离由所附权利要求书阐述的本发明的实质和范围。权利要求1.一种真空变压吸附(VPSA)方法，用于分离含有至少一种可吸附性较强的成分和至少一种可吸附性较弱的产品气体成分的进料供应气体，所述方法包括将进料供应气体连续地供应到两个吸附床中每个的进料输入端中，每个床包含优先地吸附所述可吸附性较强的成分的至少一种吸附剂，且从吸附床的出口端提取所述至少一种可吸附性较弱的产品气体成分；在由多个步骤形成的循环中进行生产，在这些步骤中两个床同时地处于进料模式而另两个床处于再生/回流模式，其中在所述方法期间任何时刻，仅一个床处于排空步骤。2.根椐权利要求l所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述VPSA方法包括单套形式的四个床。3.根据权利要求2所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述由步骤形成的循环包括十二步骤循环。4.根据权利要求3所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述排空步骤在清洗步骤前后进行。5.根据权利要求4所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述在床的顺流减压期间而不是床经历排空期间获得的间隙气体适于用作清洗气体。6.根据权利要求l所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述至少一种可吸附性较强的成分包括氮气。7.根据权利要求l所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述至少一种可吸附性较弱的产品气体成分包括氧气。8.根据权利要求7所述的真空变压吸附方法，其特征在于，氧气具有大约85-95%氧气的平均纯度。9.根据权利要求7所述的真空变压吸附方法，其特征在于，氧气对应于大约55-75%的回收率。10.根据权利要求7所述的真空变压吸附方法，其特征在于，每个吸附床包含N2选择性吸附剂。11.根据权利要求10所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述吸附剂包括Li-X沸石、5A、13X、CaX、和混合阳离子沸石中的至少一种12.根据权利要求ll所述的真空变压吸附方法，其特征在于，吸附剂包括LiX吸附剂。13.根据权利要求l所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述至少一种可吸附性较弱的产品气体成分包括氢气。14.根据权利要求l所述的真空变压吸附方法，其特征在于，最高的吸附压力为大约100kPA到大约2000kPA的范围，且最低的解吸附压力为大约20kPa到大约100kPa的范围。15.根据权利要求l所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述方法能够生产至少200吨02/天。16.根据权利要求15所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述方法能够生产至少350吨02/天。17.根据权利要求l所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述方法为四床系统中的十二步骤循环。18.根据权利要求l所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述方法为四床系统的十二步骤循环。19.一种真空变压吸附(VPSA)系统，用于分离含有至少一种可吸附性较强的成分和至少一种可吸附性较弱的产品气体成分的进料供应气体，所述系统包4舌单套形式的四个吸附床，所述吸附床构造为使得进料供应气体可以连续地供应给吸附床中两个吸附装床的进料输入端；至少一个进料压缩机，构造为将进料供应气体供应给吸附床；和真空泵。全文摘要本发明总体上涉及大容量(例如，大于350吨O<sub>2</sub>/天)真空压力吸附(VPSA)系统和方法，所述系统和方法采用包括四个床(42、44、46、48)、在任何给定时刻同时供给两个床的至少一个压缩机(36、38)、和单个真空泵(52)的单套装置。压缩机和真空泵可以在100％的时刻被利用。避免了使用符合产品质量的气体进行清洗，预期具有O<sub>2</sub>生产率的大约10-20％的改进和资本成本5-10％的减少。文档编号B01D53/047GK101340969SQ200680048055公开日2009年1月7日申请日期2006年10月30日优先权日2005年11月1日发明者A·罗辛斯基,M·S·A·巴克什申请人:普莱克斯技术有限公司