專利名稱：提純的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及提純含有水蒸汽、二氧化碳等雜質(zhì)的氣體流的方法和設備。
在工業(yè)上，氧和氮主是由空氣精餾而制得的。從由精餾的空氣進料中除去水蒸汽和二氧化碳是必要的。在現(xiàn)代空氣精餾分離工廠中，這種提純是由吸附來實現(xiàn)的。壓縮空氣的進料流先通過第一層吸附劑，優(yōu)先吸附水蒸汽，然后通過第二層吸附劑，優(yōu)先吸附二氧化碳。一般是當一對這種吸附層用來提純原料空氣時，另外一對正在再生，以使得總是至少有一對吸附層可用于提純原料氣體。
空氣分離廠有一種傾向，就是要求盡量滿足日益增長的氧的需求。結果，對初級吸附階段的需要變得越來越大。
實際上，出于多種原因，對可裝有吸附層的容器尺寸有限制。因此，一般每天至少生產(chǎn)1000噸的大型空分廠可能需要幾個吸附罐。所以，需要改進吸附方法，以便使單位體積床層的吸附操作的生產(chǎn)率能增大。
在通常的提純空氣吸附方法中，空氣流自下而上垂直地流過第一吸附粒子層，該層粒子優(yōu)先吸附水蒸汽，然后通過第二吸附粒子層，該層粒子優(yōu)先吸附二氧化碳，過快的氣流速度將使吸附層流態(tài)化。因此，對空氣速度有一個極限，結果，通入選定尺寸的吸附劑容器中的空氣流量也就有個極限。
一旦吸附劑層吸滿了被吸附的雜質(zhì)，一般用比較熱的再生氣體反向通過床層來進行床層的再生。由于二氧化碳傾向于比水蒸汽吸附得更弱一些，因此在再生氣體通過了吸附了二氧化碳的床層之前，是不會達到吸附了水的床層之上的，這就造成在再生階段會出現(xiàn)無效。所以再生熱能會有浪費，而過多的再生時間會長于按其它方式可能的時間。
在美國專利4，627，856中公開了一種改進的再生步驟。在美國專利申請4，627，856中敘述的這個方法中，有一個下床層，它又由低層的氧化鋁凝膠和高層沸石13X分子篩組成，還有一個上床層由沸石13X分子篩組成。在吸附階段水蒸汽在下床層的低層被吸附。二氧化碳的吸附在下床層的高層開始，而在上床層完成。用熱氣體進行的再生是將此氣體從上至下先經(jīng)過上床層，然后通過下床層。經(jīng)過選定的時間間隔以后，當上床層再生完成時，將再生氣體從旁路繞開此床層直接通過下床層。這就達到了減少再生時間和節(jié)省熱能。然而，美國專利申請4，627，856并沒有對改進提純方法吸附期的問題提出建議。
按照本發(fā)明，提供一種含有水蒸汽和二氧化碳等雜質(zhì)的原料氣流的提純方法，它包括依次反復進行的如下二步驟a)將進料氣流依次自下而上地通過含有優(yōu)先從該氣流中吸附水蒸汽的第一種吸附劑的第一粒子床，然后再自上而下地通過含有優(yōu)先從該氣流中吸附二氧化碳的第二種吸附劑的第二粒子床;和b)將再生氣體以與進料氣流流動方向相反的方向通過每一床層，通過使原先被吸附的水蒸汽和二氧化碳發(fā)生解吸，而使床層再生。
本發(fā)明也提供了提純進料氣流用的設備，它依次包括一個含有能優(yōu)先從進料氣流中吸附水蒸汽的第一種吸附劑的第一粒子床;一個含有能優(yōu)先從進料氣流中吸附二氧化碳的第二種吸附劑的第二粒子床;使進料氣流自下而上流過第一床，和自上而下流過第二床，使得能發(fā)生水蒸汽和二氧化碳吸附的裝置;使再生氣體自上而下通過第一床、自下而上通過第二床，使得原先被吸附的水蒸汽和二氧化碳被解吸的裝置。
第一床和第二床最好裝在同一容器中。如有必要，一個容器中可裝有多于一對床，其排列方式要讓一對床再生時，另一對用于提純進料氣體。這些床可以垂直地排在容器中，因此該容器有一個垂直的縱軸，也可以按另外方式水平排放，這樣該容器就有一個水平的縱軸。
進料氣體較好是空氣。
第一床所有的粒子平均粒度較好大于第二床。粒子尺寸越大，則通過第一床的可容許氣流速度就越高。在恒定的平均粒子尺寸下，隨著氣流速度增加，第一床單位體積吸附水蒸汽的速率也增大。雖然單位體積第一床的水蒸汽吸附能力隨粒子尺寸增大而增加，當?shù)谝环N吸附劑包含有活化氧化鋁時，這不會有特別明顯的影響。(在另外情況下，第一種吸附劑可以是例如二氧化硅)?；罨趸X的平均粒子尺寸較好為0.10～0.15英寸。
在此第一床中最好基本沒有二氧化碳被吸附。雖然活化鋁或氧化硅吸收水蒸汽優(yōu)于吸附二氧化碳，只要足夠的吸附劑可以得到，兩者都能夠吸附二氧化碳。
希望在第一床中完成水蒸汽的吸附。
使載氣自上而下地流過第二床，即使第二床中的平均粒徑是這樣，即假如是自下而上時以某種速度流過第二床時，足可以使其流態(tài)化時，也可以避免這個床流態(tài)化。因此，有利的是可以為第二床選用比較小的平均粒徑。這樣較小的平均粒徑也有助于減少為完成給定任務所需的第二種吸附劑的量。選用第二種吸附劑的平均粒徑小于第一種吸附劑，其優(yōu)點是通過床層的壓降要小于整個床層全用平均粒徑比較小的粒子時的壓降。再有，最好使用通過第二床的氣體速度基本上等于通過第一床的速度。比較高的氣速是有利的，因為在恒定的平均粒徑條件下，隨著氣體速度增加，單位體積第二床吸附二氧化碳的速率就增加。第二床最好含有平均粒徑最好在0.050～0.075英寸的沸石13X分子篩。
由于第二種吸附劑一般比第一種吸附劑更容易再生，因此在選擇再生氣通過第二床的速度時，有足夠的余地使其低到足以避免在再生階段發(fā)生流態(tài)化。選擇較小的第二床平均粒徑使得能夠減小為完成給定任務所需的第二床的體積。
使進料氣體以比較高的速度(與傳統(tǒng)方法相比)通過第一床和第二床，就可以得到一個或兩個如下的好處首先，與吸附床的傳統(tǒng)安排方式相比，兩個床的截面積都可以減小，這就可以減小所用容器的尺寸或數(shù)目;第二，縮短了吸附階段的時間。
通過第二床的再生氣體最好不流經(jīng)第一床。因此，最好用兩個分開的再生氣流來再生第一床和第二床，即使這樣的分開氣流可以取自同一個再生氣源。這樣，與傳統(tǒng)方法相比，可以縮短再生階段的時間，因為用于再生第一床的氣體在第一床的上游位置并沒有放出熱量。其次，與使用同樣尺寸的床的傳統(tǒng)方法相比，在一定時間(比如說24或48小時)內(nèi)可以完成的每次由吸附階段和隨同的再生階段組成的循環(huán)次數(shù)可以增加。
進料氣體一般是在5～40℃的溫度和2～20巴的壓力下提純，再生的溫度一般60～250℃。再生的壓力可以與吸附壓力相同，也可低一些。
現(xiàn)在將以實例的方法敘述按照本發(fā)明的方法和設備，同時參考附圖，其中

圖1是說明在一個園柱形吸附罐中從空氣中吸附雜質(zhì)的示意流程圖，該罐中有一個垂直軸，其中裝有兩個分離的吸附劑劑床;
圖2是說明如圖1所示的吸附劑床再生的示意流程圖;
圖3是說明一個園柱形吸附罐操作的示意流程圖，此罐有一個垂直軸，并裝有四個分離的吸附劑床;
圖4是說明一個園柱形吸附罐操作的示意流程圖，此罐有一個水平軸，并裝有兩個分離的吸附劑床，以從進料空氣流中除去雜質(zhì);
圖5是說明如圖4所示的吸附劑床再生的示意流程圖;
圖6是說明一個園柱形吸附罐操作的示意流程圖，此罐有一個水平的軸，并裝有4個分離的吸附劑床，以提純空氣。
在這些附圖中，用相同的標號表示同樣的部件。
參見圖1，一個一般是園柱形的吸附罐(2)，其中在下部裝有由活化氧化鋁粒子(4)組成的第一床(4)，在上部裝有由沸石13X分子篩粒子組成的第二床(6)。床(4)的平均粒徑為0.125英寸，床(6)的平均粒徑為0.0625英寸。一個水平的隔板(8)穿過此罐內(nèi)部，防止氣體從床(4)通過此罐流到床(6)，或反向流動。
在操作如圖1中所示的設備時，一般壓力為4～15巴(絕壓)、溫度近于常溫的進料空氣從設備的底部流進床(4)?？諝庾韵露贤ㄟ^床(4)。當空氣向上流動時，水蒸汽就優(yōu)先于二氧化碳和空氣主要組分(氧、氮和氬)被從空氣中吸附出來。干燥的空氣離開床(4)頂部，從罐(2)流出，并重新在其頂部流入罐(2)。干燥空氣在此從頂向底流過床(6)。分子篩粒子從空氣中吸附二氧化碳。這樣，從其中基本上除去了所有其初始水蒸汽和二氧化碳含量的純空氣流離開床(6)的底部，在壓力稍低于入口壓力、溫度基本上與入口相同的條件下流出罐(2)。如果希望分離此空氣，純空氣流通過至少一個換熱器(未表示出)，將其冷卻至接近其飽和溫度，然后將被冷卻的空氣精餾，形成富氧和富氮的產(chǎn)物。
這時，床(4)幾乎為被吸附的水蒸汽所飽和(即吸滿)，而床(6)幾乎為被吸附的二氧化碳所飽和(即吸滿)。床(4)和床(6)的相對深度是按這樣方式安排的，即它們基本上同時被飽和。就在即將飽和時，罐(2)和進料空氣之間的通道被中斷。(一個所謂“吸附面”逐漸從每個床的上游端向下游端移動。在吸附面即將達到下游端時，吸附就停止了，否則雜質(zhì)將會從這兩個床中“溢出”)。
然后，從附圖2中所描述的方式進行床(4)和床(6)的再生。一般使用壓力為1.5～5巴(絕壓)、溫度為80～250℃的再生氣流。最好取出一部分富氮氣體精餾產(chǎn)品，并將其加熱到所需溫度來構成再生氣體。再生氣體分成兩部分。一部分再生氣體被引入罐(2)中，進入床(4)頂部與隔板(8)之間的空間，并自上而下通過床(4)。此再生氣體引起水蒸汽從床(4)的吸附劑粒子上解吸，經(jīng)過一般延長的時間，能基本上使原先被吸附的水蒸汽全部解吸。第一床由向下流動的再生會確保使任何解吸的水都凝下來，而不會在隨后的吸附階段被帶到第二床中。
第二部分再生氣在床(6)底部與隔板(8)之間的地方通入罐(2)。因此，第二部分再生氣體自下而上通過床(6)到達其頂部，并且排出罐(2)。通過床(6)的再生氣體對從沸石分子篩上解吸二氧化碳是有效的，經(jīng)過一段延長的時間后，所有原來在吸附階段被吸附的二氧化碳全都被解吸。
通過第二床(6)的再生氣體的流速一般安排得小于通過第一床(4)的流速，以保證在床(6)中比較小的粒子不會流態(tài)化。
在典型的提純空氣的裝置中，有至少一對罐(2)，使得能夠連續(xù)地提純空氣。在一部分時間內(nèi)，一個罐被用來從進料空氣中吸附水蒸汽和二氧化碳，而在另一個罐中的吸附劑床進行再生。這樣，一旦在一個罐中的床正接近飽和，則進料空氣被切換到已再生好的罐中。
參見圖3，這顯示了另外一種安排，在這里有兩對吸附劑床(14)和(16)被裝在同樣一般是園柱形的罐(12)中。第一對床(14)包括下層活化氧化鋁粒子床(4)和上層沸石13X分子篩粒子床(6)。穿過罐(12)有一個隔板(18)，用來防止在下面一對床(14)的床(4)和床(6)之間通過氣流。在圖3中，下面一對床(14)被表示在凈化進料空氣。下層對床(14)凈化空氣的操作與前面參考的圖1中敘述的床(4)與(6)的操作相似。
上層的對床(16)包括一個在下面的活化氧化鋁粒子第一床(4)和一個在上面的沸石13X分子篩粒子第二床(6)。一個隔板(20)防止氣體從下層對床(14)的床(4)通過罐流到上層對床(16)的床(4)或相反的流動。而隔板(22)防止氣流從上對床的第一床(4)通過罐流向第二床(6)，以及相反的流動。正如圖3所顯示，上對床(16)正在進行再生。再生是按照和前面參照圖2所敘述的相似的方法進行的。當下層對床(14)接近飽和時，上床對床(16)就可以被用來從進料空氣中吸附水蒸汽和二氧化碳，而下層對床(14)可以再生。這樣就可以進行進料空氣的連續(xù)提純。
參見附4，這里顯示了一個裝有水平伸展的縱軸的一般是園柱形的罐(30)。罐(30)裝有一個活化氧化鋁粒子的第一床(4)的和沸石13X分子篩粒子的第二床(6)。床(4)和床(6)彼此被隔板(32)隔開。在圖4中所顯示的床(4)和床(6)是這樣的，當空氣自下而上通過床(4)時，通過吸附水蒸汽;而當空氣自上而下通過床(6)時，通過吸附二氧化碳從而使進料空氣被提純。這些床的操作與參考附圖1中敘述的床(4)和床(6)的操作相似。
圖5說明在圖4中所示的床的再生。一股再生氣流自上而下流過床(4)以驅(qū)趕掉水蒸汽;第二股再生氣流自下而上通過床(6)以驅(qū)趕掉二氧化碳。這個再生階段的操作和前面參考附圖2中所敘述的操作相似。
現(xiàn)在參見圖6，這顯示了一個裝有其水平縱軸的一般是園柱形的罐(40)。此罐裝有一個由吸附劑床(4)和(6)組成的第一對床(14)和由這樣的床組成的第二對床(16)。這些床按水平一行排列，而且每個床和相鄰床之間有一個隔板(42)。圖6中顯示的罐(40)，其第一對床(14)正在從進料空氣中吸附水蒸汽和二氧化碳雜質(zhì)，而第二對床(16)被再生。在圖6中所示設備的操作和前面參考圖3中所敘述的操作相類似。
因為附圖是示意性的，它表示了氣流的方向，而裝有吸附劑床的罐的實際物理結構并未表明。然而，這些罐的結構可以是傳統(tǒng)的，用傳統(tǒng)的閥門排列、傳統(tǒng)的支撐床設施和傳統(tǒng)的氣體分布裝置。每個吸附劑床的尺寸可以按照在先有技術中公知的傳統(tǒng)設計程序來選擇，一般第一吸附劑床的深度要小于第二吸附劑床。
在每個上述的按照本發(fā)明的吸附設備實例中，每個床(4)的深度都是0.7米，重12噸，由呈珠狀、平均粒徑0.125英寸(3.175毫米)的活化氧化鋁吸附劑粒子組成，每個床(6)的深度都是1.7米，重22噸，由呈珠狀、平均粒徑8×12目(即1.59毫米)的沸石13X分子篩吸附劑粒子組成。用來組成床(4)的活化氧化鋁的一種適當商品形式是ALCOAF200活化氧化鋁。用來組成床(6)的沸石13X分子篩的一種適當商品形式是UOP沸石13XAPG分子篩。圖1和圖2中所示的罐(2)如同圖3中所示的罐(2)，直徑可達5米。圖4和圖5中所示的罐(30)從其園柱壁一端到另一端的長度(即圖4和圖5中所示的距離AB)為9.24米，內(nèi)徑為5米。圖6中所示罐(40)從其園柱壁一端到另一端(即圖6中所示的距離CD)為18.5米，內(nèi)徑為5米。
在剛剛前面那一段中所敘述的任何一個吸附罐操作的例子中，壓力為15絕對巴、溫度為25℃，含二氧化碳為400ppm(體積)的空氣以每小時20萬標立米的流量被提純，結果得到1ppm(體積)二氧化碳的干燥氣體。在典型的操作周期內(nèi)，吸附時間為4小時。然后該床被降壓，在長達30分鐘的部分“切換期”內(nèi)，降到選定的再生壓力。使用溫度為150℃、基本不含二氧化碳的干燥氣體在開始1.5小時內(nèi)進行再生。在這1.5小時內(nèi)，再生氣流是進入的空氣流量的15～20%。一般來說，有67%的再生氣流通過活化的氧化鋁床，而33%的再生氣流通過沸石床。再生氣體可以是氮氣或提純過的空氣。對于后者，再生氣體的流量最好為進入空氣量的15%(即3萬標立米/小時)。在初期再生結束時，再生氣流繼續(xù)保持不變的流量，但是原先用來加熱它的設施被短路。這樣，此再生氣體流以大約常溫進入吸附罐，這樣就降低了床的溫度。常溫的再生氣流繼續(xù)通過2小時。然后是另一個30分鐘的切換期，在這段時間內(nèi)再用干燥空氣將床加壓到15絕對巴的吸附壓力。
一般說來，當一對床正在吸附雜質(zhì)時，另一對床正在被再生。一對床吸附結束時的切換期正好和另一對床再生結束時的切換期同時發(fā)生。此同時發(fā)生的切換期是這樣安排的，即純空氣的生產(chǎn)始終在持續(xù)進行。在一種安排中，一對床持續(xù)進行純空氣生產(chǎn)，同時另一對被加壓。然后進料空氣同時進入兩對床，而純空氣從這兩對床中都產(chǎn)出。然后升壓的一對切換到滿負荷生產(chǎn)純空氣，而另一對同時進行降壓，而在切換期結尾完成降壓過程。
權利要求
1.提純含有包含水蒸汽和二氧化碳等雜質(zhì)的進料空氣流的一種方法，它包括依次反復如下步驟a)依次將進料空氣流先自下而上通過含有優(yōu)先從空氣流中吸附水蒸汽的第一種吸附劑的第一粒子床，然后自上而下通過含有優(yōu)先從空氣流中吸附二氧化碳的第二種吸附劑的第二粒子床；和b)將再生氣以與進料氣流流動方向相反的方向通過每個床，通過使原先被吸附的水蒸汽和二氧化碳的解吸而使這些床再生。
2.如權利要求1所要求的方法，其中第一床中的平均粒徑大于第二床。
3.如權利要求1或2中所提出的方法，其中在第一床中沒有或小于二氧化碳總量10%的二氧化碳被吸附。
4.如權利要求3中所提出的方法，其中在第一床中完成水蒸汽的吸附。
5.如前述權利要求中任一項所提出的方法，其中流過第二床的再生氣都不流過第一床。
6.如權利要求5中所提出的方法，其中使用分開的再生氣流來再生第一床與第二床。
7.如前述權利要求中任一項所提出的方法，其中進料氣體是空氣。
8.提純進料氣流用的設備，它依次包括一個含有能優(yōu)先從進料氣流中吸附水蒸汽的第一種吸附劑的第一粒子床;一個含有能優(yōu)先從進料氣流中吸附二氧化碳的第二種吸附劑的第二粒子床，使進料氣流自下而上通過第一床和自上而下通過第二床，從而使水蒸汽和二氧化碳的吸附得以發(fā)生的裝置;使再生氣體自上而下通過第一床和自下而上通過第二床，從而使原先被吸附的水蒸汽和二氧化碳能被解吸的裝置。
9.如權利要求8中所提出的設備，其中第一床和第二床被裝在同一容器中。
10.如權利要求8或9中所提出的設備，其中在同一容器中裝有一對以上的第一床和第二床。
11.如權利要求9或10中所提出的設備，其中所述各床是垂直排列或水平排列的。
12.如權利要求8～11中任一項所提出的設備，其中第一床中所擁有的平均粒徑大于第二床。
13.如權利要求8～12中任一項所提出的設備，其中使再生氣體自上而下流過第一床和自下而上流過第二床的裝置，在使用時，形成通過兩個床的分開的氣流，使得所有流過第二床的再生氣體都不流過第一床。
全文摘要
依次通過在下面的由優(yōu)先吸附空氣中的水蒸汽的活化氧化鋁組成的第一床(4)和在上面的由優(yōu)先吸附空氣中的二氧化碳的沸石13X分子篩組成的第二床(6)來提純空氣。該空氣自下而上通過第一床(4)和自上而下通過第二床(6)。一旦床(4)和床(6)被吸附物全充滿，就將熱再生氣體通過它們使其再生。一部分再生氣體自上而下流過第一床(4)；另一部分則自下而上通過第二床(6)。熱再生氣引起原來被吸附的組分解吸。一旦再生結束，而該床已恢復到其吸附溫度，它們就可再次用來提純空氣。
文檔編號B01D53/04GK1093613SQ9410194
公開日1994年10月19日 申請日期1994年2月25日 優(yōu)先權日1993年2月25日
發(fā)明者D·R·阿查里亞 申請人:英國氧氣集團有限公司