專利名稱：空氣分離的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空氣分離。特別是，涉及一種從空氣中分離富氧氣體流的真空變壓吸附方法和裝置。
為得到更經(jīng)濟的分離空氣的方法，人們一直進行著不懈的探索。這些方法中的一部分旨在提高空氣分離過程的熱力效率。其它的則旨在找到廉價的動力源。廢熱就是一種這樣的動力源，它一般是從氧化反應(yīng)中放出的。使用這樣的廢熱來提高氣流的參數(shù)，從而使壓力氣流得以在渦輪機內(nèi)膨脹，該渦輪機可以直接與作為空氣分離站的一部分的一壓縮機相連，或與電站的發(fā)電機相連。另一方面，廢熱可以提高從空氣分離站出來的氮氣流的溫度，該溫度升高的氮氣流在一膨脹渦輪機內(nèi)膨脹做功。膨脹渦輪機可以直接與作為空氣分離站的一部分的一壓縮機相連，或與電站的發(fā)電機相連。
這樣的裝置的一個缺點是它們大大地增加了工廠的總的資金消費，并且在需要改變電站的輸出的情況下，它們的作用就越來越小。
日本專利申請54-162697公開了一種方法，用薄膜裝置從空氣中分離得到氧的容積含量為40％的富氧氣體。富氧氣體是可滲透氣體。為了使富氧氣體的分離更容易進行，薄膜的滲透氣體側(cè)被抽成真空。富氧氣體被提供給一反應(yīng)爐。來自該反應(yīng)爐的廢熱被用來提高氣流的參數(shù)。氣流流經(jīng)一抽取真空的噴射器。然而這樣一裝置在實際應(yīng)用中是不適用的，因為氣流污染了富氧氣體。因此必須從所得的富氧產(chǎn)物中分離出液體水。還必須保證氣流中不含在有富氧氣體的情況下可能造成危險的雜質(zhì)。
本發(fā)明的目的是提供能夠改善至少一個、最好全部這些缺點的一種方法和裝置。
本發(fā)明提供了一種從空氣中分離富氧氣體流的真空變壓吸附方法，包括有引起壓力蒸汽抽取真空的步驟，其特征為從一放熱化學反應(yīng)中所放出的熱量使壓力蒸汽的參數(shù)升高，至少富氧氣體中的一部分被提供入該反應(yīng)中，并且在該反應(yīng)中，氧是一種反應(yīng)物。
本發(fā)明還提供了一種從空氣中分離富氧氣體流的真空變壓吸附裝置，包括一第一管路和一第二管路，該第一管路將富氧氣體流提供到一反應(yīng)器，以完成一放熱化學反應(yīng)，在該化學反應(yīng)中，氧是一種反應(yīng)物，該第二管路可以被設(shè)置為與至少一個噴射器相通，以便引起一加壓蒸汽來抽取真空，其特征為該裝置與一蒸汽發(fā)生器相連，以提高至少部分壓力蒸汽的參數(shù)，并且與一裝置相連，用于將上述反應(yīng)器中放出的熱傳送到上述相同的或一不同的蒸汽發(fā)生器中。
通過使用一個噴射器或噴射器組來抽取真空，節(jié)省了常用的電機驅(qū)動的真空泵的投資和運行費用。而且與這些泵相關(guān)聯(lián)的維修時間和停機時間可以大大降低。
本發(fā)明的真空變壓吸附方法和裝置不必使用蒸汽渦輪機或氣體膨脹渦輪機。而且因為富氧氣體流一般不被吸附，它不會與抽取真空的壓力蒸汽接觸，所以沒有富氧氣體被蒸汽污染的危險。
蒸汽可以以任一適合的升高的壓力提供。通常適用的壓力范圍是5巴到60巴。
最好噴射器或噴射器組的氣流源是一個蒸汽發(fā)生器，并且所述熱量被傳送到該蒸汽發(fā)生器。因此，抽取真空的壓力蒸汽至少部分地來自其參數(shù)由上述放熱化學反應(yīng)所放出的熱量提高的壓力蒸汽。
如果需要，壓力蒸汽的一部分可以來自除此氣流發(fā)生器之外的其它的蒸汽源。
上述放熱化學反應(yīng)一般是一氧化反應(yīng)。氧化反應(yīng)一般包括反應(yīng)物的燃燒。反應(yīng)物可以是一種碳氫化合物燃料。另一種情形，它可以是其它的可燃流體，例如，氨或硫化氫。一般反應(yīng)器包括一燃燒形成一反應(yīng)爐或窯的燃燒器。將富氧氣體流與空氣流分開提供到燃燒器內(nèi)或預(yù)先將其與空氣流混合，一般具有一定優(yōu)越性。
本發(fā)明的方法和裝置特別適用于提供一富氧氣體流，以支持一個克勞斯(Claus)過程中的硫化氫氣流的部分燃燒。在此實例中，富氧氣體流最好與空氣流分別提供到一燃燒器，該燃燒器燃燒形成一反應(yīng)爐，在反應(yīng)爐內(nèi)發(fā)生硫化氫的燃燒，并且所得的二氧化硫再與剩余的硫化氫反應(yīng)，形成硫蒸氣。在此實施例中，提供到噴射器的壓力蒸汽源可以是一個與反應(yīng)爐相連的廢熱鍋爐。
克勞斯過程只是一種方法的示例，在該方法中，供給流體的改變使得氧的需用量改變。當向這樣一個過程提供氧時，需要具有改變其流動的能力。本發(fā)明方的法和裝置的一個突出的優(yōu)點是它們適合于在流動速率變化的情況下生產(chǎn)富氧氣體流，因而可以很容易地適應(yīng)進入克勞斯過程的酸性氣體流的流動速率的變化。為達到這一點，最好提供至少兩個噴射器，相互平行設(shè)置。與所述第二管路相通的噴射器的數(shù)量越多，得到所選擇的低于大氣壓的最小壓力就越快，相應(yīng)地，來自真空變壓吸附裝置的富氧氣體產(chǎn)物的平均速率也就越高。
在另一個但不是最佳的實施例中，提供了一個或多個噴射器，至少其中的一個噴射器的喉部截面的尺寸是可改變的。通過改變該喉部截面的尺寸，可以改變達到一個所選擇的最小壓力所需的時間。
最好，本發(fā)明的真空變壓吸附裝置包括多個噴射器，每一個都與所述第二管路相連并與其它噴射器相平行，并設(shè)置了一個或多個與所述噴射器相連的第一自動開關(guān)閥，用以選擇與所述第二管路相通的噴射器的數(shù)量。
最好，本發(fā)明的真空變壓吸附裝置還包括多個第二自動開關(guān)閥，每一個第二自動開關(guān)閥使一個不同的吸附床與第二管路相通，并包括一裝置，用于在所述第二自動開關(guān)閥中的某一個被打開的每一期間，根據(jù)在該期間內(nèi)與第二管路相通的噴射器的數(shù)量，選擇每一期間的持續(xù)時間。
最好，具有一裝置，該裝置根據(jù)在上述放熱化學反應(yīng)中所需用的富氧氣體，自動選擇所述第一自動開關(guān)閥打開的數(shù)量。
真空變壓吸附裝置最好包括有多個相互之間按不同的相位運行的吸附床。在一個床處于真空狀態(tài)的每一個時期，另一床接收一待分離的空氣流，并且擇優(yōu)地或更快速地吸附氮(與氧相比)。最理想的是在本發(fā)明的真空變壓吸附裝置中，通過營造伴隨的進入裝置的空氣的流動速率的改變(一般利用位于與裝置相通的一供給空氣管路中的一流量控制閥)，或最好在選擇的吸附步驟的末端通過安排一停頓(如果需要)，來適應(yīng)每一個床處于真空狀態(tài)期間的持續(xù)時間的改變。
下面將參照附圖，以實例描述的方式描述本發(fā)明的方法和裝置，其中附圖是一工作站的流程示意圖，包括一真空變壓吸附裝置和一用于硫化氫和氧反應(yīng)的反應(yīng)爐。
參見附圖，所示的工作站包括一真空變壓吸附裝置2。真空變壓吸附這一術(shù)語適用于所得到的最小解吸壓力低于大氣壓的壓力變動吸附。真空吸附裝置2可以是任意一種已知類型的。在此例中，它是美國專利5122164的

圖1中所示的那種類型，并可以進行該專利的圖2、3和4中所示的任一循環(huán)。然而，應(yīng)當說明的是美國專利5122164的圖1中所示的真空泵16被略去了，代之以一組氣流噴射器，這將在下面描述。
真空變壓吸附裝置2與一第一管路4、一第二管路6和一第三管路8相連。通過第一管路4提供氣態(tài)的富氧產(chǎn)物氣體，一般其中的氧的容積含量至少為90％，第二管路6的作用是通過其抽取真空，空氣通過第三管路8提供到工作站內(nèi)。一壓縮機10位于第一管路4內(nèi)。
在操作中，富氧氣體的連續(xù)的氣體流由壓縮機10提供給燃燒器12，燃燒進入一反應(yīng)爐14，該反應(yīng)爐14構(gòu)成工作站的一部分，用于通過一克勞斯過程從一含有硫化氫的氣體流中回收硫。燃燒器12也通過一管路16向其提供空氣流，并且通過一管路18向其提供一種酸性氣體混合物，其中一般包含有容積含量至少為40％的硫化氫，和其它的可燃氣體，如碳氫化合物和氨水以及二氧化碳。相對于硫化氫的氧分子流和其它的可燃分子流被安排進入燃燒器16，以便硫化氫的一部分燃燒，形成二氧化硫和水蒸汽。二氧化硫的一部分在反應(yīng)爐14內(nèi)與剩余的硫化氫反應(yīng)形成硫蒸氣和水蒸汽。反應(yīng)爐14和燃燒器12的形狀和操作，除了提供到燃燒器的是空氣而不是二氧化碳之外，基本上如EP-A0701967中所描述的一樣。
包含有硫化氫、二氧化硫、水蒸汽、硫蒸氣、二氧化碳和氮的氣體混合物通過一出口20以最高可達1650℃的溫度離開反應(yīng)爐14。氣體混合物流入一廢熱鍋爐22，在其內(nèi)氣體混合物被冷卻，并且蒸汽的壓力被提高。冷卻后的氣體混合物流經(jīng)一般包括EP-A-0701967中的圖1所示的裝置14、16、18、20和22的克勞斯工作站的其它部分(附圖中未示出)。讀者可參見EP-A-0701967以了解有關(guān)這些裝置及其操作的更多的信息。
在廢熱鍋爐22內(nèi)加壓的高壓蒸汽的至少一部分被分配給平行設(shè)置的四個噴射器組，四個噴射器分別為噴射器24、26、28和30。噴射器24、26、28和30分別具有喉部截面32、34、36和38。喉部截面32、34、36和38分別與管道40、42、44和46相通，管道40、42、44和46中的每一個都與第二管路6相連。在管道40、42、44和46上分別具有自動動作的開關(guān)閥48、50、52和54。
在操作中，當所有的自動開關(guān)閥48、50、52和54處于打開位置時，通過每一個噴射器24、26、28和30的高壓蒸汽導(dǎo)致每一個管道40、42、44和46和第二管路6內(nèi)被抽成真空。再次參見US-A-5122164中的圖1及其說明部分，真空變壓吸附裝置包括有兩個相互平行的吸附床A和B。吸附床A可以通過打開閥門2A被置于與一真空源相通，類似地，吸附床B可以通過打開閥門7B被置于與該真空源相通。當附圖中所示的真空變壓吸附裝置2由US-A-5122164中的圖1所示的裝置提供時，也就是說，打開閥門2A，床A處于在附圖中所示的第二管路6中抽取的真空中。開始時，打開閥門2A，吸附床A的壓力大體高于在真空變壓吸附過程中得到的最小壓力。通過使床A達到一真空，最小的壓力就得到了。從打開US-A-5122164中的圖1所示的閥門2A到得到最小壓力所用的時間取決于閥門48、50、52和54共同打開的有多少個。如果所有的四個閥門48、50、52和54共同打開，所用的時間則最少；如果僅打開一個，所用的時間則最多。閥門48、50、52和54中的兩個或三個共同打開，則可以得到中間段的時間。當US-A-5122164中的圖1所示的裝置的閥門7B被打開時，床B將達到真空，達到一最小壓力所需的時間可以由選擇閥門48、50、52和54中的哪些閥門被打開來改變。
達到一最小壓力所需的時間越長，真空變壓吸附過程的每一個循環(huán)的持續(xù)時間就越長，從裝置2提供富氧空氣的效率就越低。實際中，一個從酸性氣體流中回收硫的克勞斯工作站的載荷的變化范圍較大，為適應(yīng)此載荷變化，在操作常規(guī)的壓力變動或真空變壓吸附氧發(fā)生器中會出現(xiàn)困難。然而，本發(fā)明的方法和裝置可以接受氧的變化的需求。附圖中所示的裝置可以設(shè)置成當酸性氣體流到克勞斯工作站的供給率為最大時，所有的四個閥門48、50、52和54共同打開。一般，如果四個閥門48、50、52和54中僅一個被打開，氧的生產(chǎn)率則大致減半。因此，氧的生產(chǎn)率可以逐步下調(diào)或直接減到大約一半以下?？赡艿牟煌醯墓┙o率的數(shù)量取決于所使用的氣流噴射器的數(shù)量。
為了實現(xiàn)閥門48、50、52和54的操作，附圖中所示的裝置提供有一閥門控制器(未示出)。一般，有一個單獨的閥門控制器，除了根據(jù)預(yù)定的程序打開和關(guān)閉閥門48、50、52和54之外，還同樣地打開和關(guān)閉US-A-5122164中的圖1所示的所有的開關(guān)閥門。如果需要，可以在酸性氣體管路18上設(shè)置一流量表，以對從中流過的流動速率有一信號表示。這一信號被傳送到閥門控制器，由閥門控制器來決定在某一時刻打開閥門48、50、52和54中的哪些閥門。另一種情況，如果酸性氣體的流動速率由改變一流量控制閥門(未示出)的設(shè)置來改變，那么閥門控制器可以直接響應(yīng)此設(shè)置的變化。
閥門控制器也可以調(diào)節(jié)真空變壓吸附過程的吸附步驟的操作，與床的再生步驟的調(diào)節(jié)一致，床的再生步驟使吸附床達到一真空。如果從US-A-5122164中的圖1所示的閥門2A和7B的打開到得到一最小的壓力所需的時間由減少閥門48、50、52和54的打開的數(shù)量使其增大，那么就要采取各種步驟以保證在一吸附步驟中雜質(zhì)不會穿透吸附床，并由此將富氧氣體產(chǎn)物的純度降低到低于規(guī)定值。例如，參見US-A-5122164中的圖2，選擇一個數(shù)量減少的閥門48、50、52和54，一般將延長右手床所需的時間，如圖2C中所示，從而在所示的真空變壓吸附循環(huán)的步驟3中被再生。如果需要，可再一次參見附圖，可以將流量控制閥56布置在空氣供給管路8上，并且其設(shè)置根據(jù)閥門48、50、52和54打開的數(shù)量來選擇。如果這些閥門打開的數(shù)量減少了，那么所選擇的流量控制閥56的設(shè)置就要降低空氣進入真空變壓吸附裝置2的流動速率。因此，美國專利5122164的圖2C所示的左手床所進行的吸附步驟的持續(xù)時間可以調(diào)節(jié)為與右手床所進行的再生步驟的持續(xù)時間一致。另一種情況，當真空變壓吸附裝置以一下調(diào)的速率產(chǎn)生氧時，流量控制閥56可以省略，允許吸附步驟在真空再生步驟之前完成(美國專利5122164的圖2C)。在這樣的實例中，在吸附步驟已經(jīng)結(jié)束而再生步驟仍在繼續(xù)的循環(huán)期間，吸附床與供給氣體和產(chǎn)物儲存器隔離。由此，再一次參見US-A-5122164中的圖1，在床B完成再生步驟之前床A的吸附步驟已經(jīng)結(jié)束，閥門1A和4A被關(guān)閉。因此，床A保持在隔離狀態(tài)直到床B的再生結(jié)束，隨后兩個床進入真空變壓吸附循環(huán)的下一個步驟。吸附步驟完成時，可以使用各種傳感裝置。例如，可以監(jiān)測產(chǎn)物管路4內(nèi)的氧的局部壓力，或可以監(jiān)測各個吸附床內(nèi)的壓力。
再次參見附圖，在操作克勞斯工作站的反應(yīng)爐14中，反應(yīng)爐14可以在沿產(chǎn)物管路沒有任何氧供應(yīng)的情況下運行，直到整個工作站的壓力降變小。而后，沿管路16的空氣的流動速率被降低，通過管路4提供氧。如果，例如，酸性氣體流中可燃物的容積含量小于40％，但連續(xù)地向反應(yīng)爐提供氧是合乎要求的。在開始時，可以輸入氣流。如果需要，在正常操作期間，也可以輸入局部氣流。
在附圖中所示的典型的工作站中，規(guī)定工作站在僅使用空氣做為燃燒的氧分子源的情況下，每天的最大輸出量為生產(chǎn)60噸硫。通過運行真空變壓吸附裝置2，就可能將每天的硫產(chǎn)量提高到100噸，并僅使用克勞斯工作站本身產(chǎn)生的蒸汽，提供氧分子的大約40％到45％，用于供給氣體的燃燒。在進入克勞斯工作站的氧和空氣的這樣的相對流動速率下，一般不需要向反應(yīng)爐14的內(nèi)部提供任何冷卻劑或驟冷劑以使其內(nèi)的溫度進行調(diào)節(jié)。
給氧壓力一般在1.5巴到2巴的范圍內(nèi)，雖然可以使用高一些或低一些的蒸汽壓力，但提供到噴射器的蒸汽的壓力一般在大約40巴。
可以對附圖所示的工作站進行各種形式的修改和增加。例如，在空氣供給管路8上可以提供一鼓風機(未示出)，以利于空氣流動。還有，壓縮機10可以省略，而在空氣供給管路8上安裝一壓縮機(未示出)?？梢詫簳r不用的各噴射器24，26，28和30相互隔離，以抽空一吸附床，使其與蒸汽隔離。在線的那些噴射器24，26，28和30可以被布置成將它們的蒸汽排出到煙道中。如果需要，可以從一蒸汽源而不是一廢熱鍋爐22提供一些或全部的蒸汽。例如，可以從一個或更多的構(gòu)成克勞斯工作站的一部分的硫凝結(jié)器提供一些蒸汽。
另一種可以進行的修改是省略閥門48，50，52和54中的一個。相應(yīng)地，一個噴射器持久地與第二管路相通。
權(quán)利要求
1.一種真空變壓吸附方法，用于從空氣中分離富氧氣體流，包括利用壓力蒸汽抽取真空的步驟，其特征在于壓力蒸汽被一放熱化學反應(yīng)所放出的熱來加熱，富氧氣體的至少一部分被提供到該反應(yīng)中，并且其中氧是一反應(yīng)物。
2.如權(quán)利要求1所述的一種真空變壓吸附方法，其特征在于抽取真空的加壓蒸汽至少部分地取自由所述放熱化學反應(yīng)所放出的熱來加熱的所述加壓蒸汽。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種真空變壓吸附方法，其特征在于所述放熱化學反應(yīng)是一個氧化反應(yīng)。
4.真空變壓吸附裝置，用于從空氣中分離一種富氧氣體流，包括一第一管路和一第二管路，該第一管路將富氧氣體流提供到一反應(yīng)器，以完成一放熱化學反應(yīng)，在該化學反應(yīng)中，氧是一種反應(yīng)物，該第二管路可以被設(shè)置為與至少一個噴射器相通，以便引起一加壓蒸汽來抽取真空，其特征在于所述裝置與一蒸汽發(fā)生器相連，以提高至少部分壓力蒸汽的參數(shù)，并且與一裝置相連，用于將所述反應(yīng)器中放出的熱傳送到所述相同的或一不同的蒸汽發(fā)生器。
5.如權(quán)利要求4所述的真空變壓吸附裝置，其特征在于所述反應(yīng)器包括一個燃燒器，該燃燒器燃燒形成一反應(yīng)爐或窯。
6.如權(quán)利要求5所述的真空變壓吸附裝置，其特征在于所述反應(yīng)爐構(gòu)成一克勞斯工作站的一部分，該克勞斯工作站用于從一種包含有硫化氫的酸性氣體中回收硫。
7.如權(quán)利要求5或6所述的真空變壓吸附裝置，其特征在于有一廢熱鍋爐與所述反應(yīng)爐相連，所述廢熱鍋爐有一出口，用于放出與所述噴射器相通的壓力蒸汽。
8.如權(quán)利要求4至7中的任一個所述的真空變壓吸附裝置，其特征在于具有多個噴射器，每一個都與所述第二管路相連并與其它噴射器相平行，并設(shè)置了一個或多個與所述噴射器相連的第一自動開關(guān)閥，用以選擇與所述第二管路相通的噴射器的數(shù)量。
9.如權(quán)利要求8所述的真空變壓吸附裝置，還包括多個第二自動開關(guān)閥，每一個第二自動開關(guān)閥使一個不同的吸附床與所述第二管路相通，并包括一裝置，用于在所述第二自動開關(guān)閥中的某一個被打開的每一時期根據(jù)在該時期內(nèi)與所述第二管路相通的噴射器的數(shù)量，選擇每一時期的持續(xù)時間。
10.如權(quán)利要求8或9所述的真空變壓吸附裝置，還包括一裝置，該裝置根據(jù)在所述放熱化學反應(yīng)中所需的富氧氣體，自動選擇所述第一自動開關(guān)閥打開的數(shù)量。
全文摘要
空氣通過管路8提供到裝置2中,用于借助于真空變壓吸附從空氣中分離富氧氣體流。富氧氣體流被提供到燃燒器12內(nèi),該燃燒器燃燒形成一反應(yīng)爐14。一種熱氣體流通過一出口20從反應(yīng)爐14中流出。在廢熱鍋爐22內(nèi),上述熱氣體使蒸汽的參數(shù)升高。如此參數(shù)升高的蒸汽流過一個或多個噴射器24,26,28和30,以便通過管路6抽取運行真空變壓吸附裝置所必需的真空。
文檔編號B01D53/047GK1193097SQ98105950
公開日1998年9月16日 申請日期1998年2月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月26日
發(fā)明者D·M·斯吐爾特, J·R·科特斯 申請人:英國氧氣集團有限公司