專利名稱：：壓力變化吸附設(shè)備的床粒度和床厚度的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種壓力變化吸附(PSA)式方法，該方法用于分離本質(zhì)上包括氧氣和氮氣的氣態(tài)流，例如空氣；該分離方法是用吸附材料例如沸石優(yōu)先吸附氮氣，以便生產(chǎn)氧或一種富含氧的氣態(tài)流，也就是說，使其中的氮氣枯竭。氧氣是一種具有高工業(yè)利益的氣體，因為它在各種
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中有多種用途，例如生產(chǎn)鋼、玻璃、紙張、藥、金屬焊接、燃燒和污染控制。目前，生產(chǎn)氧氣所用的技術(shù)之一是壓力變化吸附(PressureSwingAdsorption-PSA)技術(shù)。在本發(fā)明的上下文中，PSA方法所指不僅是PSA方法，還包括與之類似的方法，如真空變化吸附(VacuumSwingAdsorption-VSA)或混合壓力變化吸附(MixedPressureSwingAdsorption-MPSA)方法。根據(jù)這種PSA技術(shù)，在本質(zhì)上包含氧氣和氮氣的氣態(tài)混合物(例如空氣)中的氧氣，被從所述混合氣體中分離出來；分離的方法是用一種優(yōu)先吸附氮氣的物質(zhì)將氮氣從所述混合氣體內(nèi)吸收；所述對氮氣的吸附是通過在分離區(qū)內(nèi)形成壓力變化來實現(xiàn)的；不被吸附或很少被吸附的氧氣，在所述分離區(qū)的出口處被回收。這種PSA方法已在現(xiàn)有技術(shù)中多次介紹過。一般說，一個PSA方法總包括-吸附氮氣的階段，這時由一種吸附材料，在被稱為“高壓”的吸附壓力下吸附氮氣；-對被吸附劑所捕集的氮氣的解吸附階段，這是在低于吸附壓力、被稱為“低壓”的解吸附壓力下進行的；-對包含吸附劑的分離區(qū)的再加壓階段，這時由低壓變到高壓；所生產(chǎn)的氧氣在氮氣吸附階段被回收。基于此，可以容易地理解到，氣態(tài)混保體的分離效率取決于為數(shù)眾多的參數(shù)，例如高壓、低壓、吸附劑的材料類型、吸附劑材料對被分離組分的親合力、被分離氣態(tài)混合物的成分構(gòu)成、被分離混合物的吸附溫度、吸附劑顆粒的尺寸和形狀、吸附劑顆粒的成分構(gòu)成，吸附床的厚度以及在所述吸附床內(nèi)所建立的溫度梯度。迄今為止，還未能建立確定這些參數(shù)的一般規(guī)律，因為很難找出這些不同參數(shù)彼此之間的關(guān)系。特別是，雖然知道了吸附床的厚度、吸附劑的顆粒粒度和固有空間(deadvolumes)對于PSA設(shè)備的性能具有不可忽視的影響，尤其像對壓力降的影響，迄今為止，還沒有根據(jù)吸附劑的顆粒粒度、并考慮固有空間以選取吸附床厚度的確定方法。換句話說，為數(shù)眾多的文獻介紹了吸附劑顆粒粒度的取值范圍和吸附床厚度的取值范圍，卻沒有建立這些取值范圍間的實際關(guān)系。此外，某些文獻公開了吸附劑粒度與循環(huán)時間和/或吸附床厚度取值的組合方案。于是，EP-A-0480797提出一個PSA方法，該方法使用直徑為0.4毫米至1.7毫米的吸附劑顆粒，循環(huán)時間為至少20秒至60秒。另外，美國專利No.4,194,892公開了一種設(shè)備，其吸附床厚最多不過為2.4米，吸附劑顆粒直徑最多不過為0.9毫米，其循環(huán)時間最少為30秒；而美國專利No.4,194,891介紹了一種吸附床厚度最多不過為1米，吸附劑顆粒的直徑最多不過為0.9毫米，其循環(huán)時間少于18秒。此外，美國專利No.5,071,449介紹了一種吸附床，其厚度為0.15米至1米，吸附劑顆粒直徑為0.2毫米至1毫米，其循環(huán)時間由6秒至60秒；而Yang于1989年發(fā)表的文件“氣體的吸附分離方法”第267頁公開了一種吸附床，其厚度為1.8米至3米，吸附劑顆粒的直徑為1.6毫米，其循環(huán)時間為3分鐘至4分鐘。值得注意的是，對于同樣的吸附劑顆粒直徑，不同文獻所推薦的吸附床厚度有極大的差異，并未實際給出一種精密的選擇方案，而且并未考慮吸附器內(nèi)部固有空間所構(gòu)成的幾何約束。此外，大家知道，PSA設(shè)備所用的吸附劑價格昂貴，于是必須且希望力求減少吸附劑的用量，因此，要減小吸附床的厚度以降低氧氣的生產(chǎn)成本。然而，減小吸附床的厚度必須不致與PSA設(shè)備的性能相違背，特別是不得影響到所述PSA設(shè)備的產(chǎn)量和生產(chǎn)率。本發(fā)明的目的在于提供一種PSA方法，其中吸附床的厚度-本質(zhì)上只取決于所用吸附劑顆粒的平均粒度，尤其是吸附劑為球形時的平均直徑，-考慮到吸附床固有空間的幾何約束；-不致對PSA方法的能耗構(gòu)成負面影響；此外，本發(fā)明的分離方法易于實現(xiàn)工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，并可顯著降低氧氣的生產(chǎn)成本。本發(fā)明涉及一個PSA方法，該方法用于分離本質(zhì)上包含氧氣和氮氣的氣態(tài)流，通過由至少一個厚度為(e)的吸附床，和吸附劑材料平均顆粒粒度為(d)所構(gòu)成的至少一個分離區(qū)，優(yōu)先吸附氮氣；其中，吸附床厚度(e)按下式選取300&le;ed&le;1000]]>式中e和d的單位為毫米。在本發(fā)明中，平均顆粒粒度是材料顆粒的平均水力直徑(Meanhydraulicdiameter)。最好，比值在400至800之間選取。如所選實施例，本發(fā)明可包含下列之一個或幾個特征-吸附高壓在105Pa至106Pa之間選??；-進氣溫度(Tfeed)在10℃至60℃之間，最好是25℃至45℃之間；-被分離的氣態(tài)流是空氣；-吸附劑選用X型或A型沸石，最好所述沸石中最少含有50％的AlO2并伴有正離子，該正離子由包含正離子鈣、鋰、鋅、銅、錳、鎂、鎳或任何堿性金屬或堿土金屬所構(gòu)成的組中選??；-循環(huán)時間小于120秒，最好小于100秒；-e值在0.1米至2米之間，最好在0.2米至1.5米之間；-d值在0.1毫米至5毫米之間，最好在0.2毫米至3毫米之間；-吸附劑的形狀本質(zhì)上為球形、卵形、橢圓形、桿形或類似形狀。如前面所指出，大家知道吸附劑的平均粒度和吸附床的厚度，對于吸附床內(nèi)所產(chǎn)生的壓力降具有巨大的影響。于是為了限制這些壓力降，從而維持PSA設(shè)備的正常性能，便希望減小吸附床的厚度。然而，在吸附器內(nèi)部存在著不可避免的固有空間，該固有空間對于PSA方法具有負面影響。就是說-在吸附床的上游一側(cè)，即進氣一側(cè)，存在著不可壓縮的固有空間，該空間的厚度為a(即圖1中的供氣空間)，相當于分離用于給吸附劑的第一隔離閥和吸附床開始部所需空間、位于吸附床上游的干燥材料顆粒床所需空間、吸附器中供氣(空氣)分配系統(tǒng)等等所需要的空間。-在吸附床的下游一側(cè)，即生產(chǎn)一側(cè)，也存在著不可壓縮的固有空間，該空間的厚度為b(圖1中的生產(chǎn)空間)，相當于分開位于吸附床末端用于吸附器生產(chǎn)的截止閥，以及氣體(氧氣)回收的生產(chǎn)系統(tǒng)等所需的空間。這樣一來，吸附床的厚度e的減小(由厚度e1減小為厚度e2)可以用示意圖表示為圖1所示，從圖可以看出，對于一給定的濾網(wǎng)厚度e。固有空間相當于吸附床空間V0的一部分等于(a+b)/e。換句話說，當厚度a和b不變(不可壓縮的固有空間)，固有空間相對于吸附劑空間的比例，隨著吸附床厚度e的減小而呈雙曲線方式增長。隨之而來的是，要獲得或維持PSA設(shè)備的良好性能，對于給定的平均顆粒度，要求精確地確定吸附床的厚度。本發(fā)明并且涉及采用實施PSA方法的裝置諸如上述方法，其中還包括至少一個分離區(qū)，最好是一至三個分離區(qū)或吸附器。下面將結(jié)合實例和用圖解說明方式給出的圖，對本發(fā)明給予更詳盡的介紹，但本發(fā)明不限于這些實例。實例為了驗證如本發(fā)明所述的PSA方法的效能，通過仿真和對每一個仿真試驗的經(jīng)濟評價進行了研究；所述仿真是按下文所述方案進行的。借助于一合適的仿真程度已模擬了(在絕熱模式下)下列結(jié)果。所用仿真程序是依據(jù)質(zhì)量守恒原理、焓守恒原理和運動量守恒原理，并使用線性驅(qū)動力模型(參閱“PrinciplesofAdsorptionandAdsorptionProcesses”-“吸附原理與吸附方法”一書第242至243頁，該書由D.M.Ruthven編著，JohnWiley&amp;Sons1984年出版，或參閱VCS出版社1994年出版的“PressureSwingAdosorption”-“壓力變化吸附”一書第58至61頁)以對在吸附劑物質(zhì)內(nèi)部固態(tài)-氣態(tài)轉(zhuǎn)換的運動學(xué)評估。此類仿真模型在Ruthven,Farooq和Knaebel等所著，VCH出版社出版的“PressureSwingAdosorption”(“壓力變化吸附”)一書的172至209頁和S.Ergun在Chem.Engr.Prog.(化學(xué)工程師)的48(2),89(1952)所發(fā)表的“FluidFlowThroughPackedColums”(“封裝塔內(nèi)的流體流”)有專門的介紹。這些方程的解可以用DIVPAG程序求解，該程序是InternationalMathematicalandstisticalLibrary開發(fā)，由MicrosoftTMCompany銷售；或者用AspentechTMCompany銷售的ADSIM程序。從現(xiàn)有技術(shù)看，從市場上現(xiàn)有為數(shù)眾多的程序中很容易選到一種合適的仿真程序，并插入上述數(shù)據(jù)。如果需要，還可參閱D.G.Hartzog和S.Sircar在“Adsorption”(“吸附”)雜志1995年第1期133至151頁發(fā)表的文獻“SensitivityofPSAProcessPerformancetoInputVariables”(“PSA方法性能對輸入變量的敏感性”)中所介紹的一個類似的程序。在下列全部程序中，準備用于分離的氣態(tài)混合物本質(zhì)上包含氧氣和氮氣。此外，本發(fā)明之PSA方法的經(jīng)濟性能，也已用相同方式對下例各例進行了評價，也就是說有仿真和用下列關(guān)系式進行了評價。單位能耗指數(shù)(ES)是由下式得出的(在溫度為20℃，相對濕度為70％條件下)ES=(1-Rt&CenterDot;0.2096+0.0166)&CenterDot;&Integral;KWcycle(&Delta;P)&CenterDot;dtR&CenterDot;0.2096&CenterDot;&Integral;cycleQ(&Delta;P)&CenterDot;Pasp&CenterDot;273&CenterDot;dt1.013&CenterDot;Tasp&CenterDot;10.95&CenterDot;0.98]]>式中-R為生產(chǎn)能力(％)；-t為所生產(chǎn)氣體中的氧氣含量；-ΔP為機器進氣口壓力(Pasp)與出氣口壓力(Pref)間的壓力差，即真空泵與空氣壓縮機間的壓力差。本計算所用的壓力降為，在空氣壓縮機進口端為1500Pa(在105Pa)，空氣壓縮機出口端壓力為4000Pa(在105Pa)，真空泵進氣口為2000Pa(在105Pa)，真空泵出氣口端為1500Pa(在105Pa)；-Kw為瞬時軸馬力，Q為機器的瞬時流量，這些數(shù)值均由機器的技術(shù)特性所給定；-電機的輸出效率為95％；-傳動輸出效率為98％；-Tasp為吸入空氣的溫度，即進入機器的空氣的溫度。投資指數(shù)(I2)是由一個參考投資指數(shù)(I1)計算，并由下式求得式中&Sigma;i=112(C1,i)=I1]]>是參考投資指數(shù)，該參考投資指數(shù)是由表Ⅰ中所列之各種成本構(gòu)成單元計算所得；Y2,i和Y1,j是表Ⅰ中所列之成本參數(shù)；αi表示外插乘方(ExtrapolationPower)，用于考慮每一成本構(gòu)成單元所實現(xiàn)的經(jīng)濟效果(參見表Ⅰ)表Ⅰ<tablesid="table1"num="001"><tablewidth="706">成本組成單元成本αiYi裝閥門的裝置、框架、吸附器、支架c0.1α1吸附器容量吸附劑c0.2α2濾網(wǎng)生產(chǎn)成本閥門c0.3α3產(chǎn)量真空泵c0.4α4真空泵流量PSA所用進氣壓縮機c0.5α5壓縮機流量PSA所用氧氣出口壓縮機c0.6α6″調(diào)節(jié)、控制、自動化裝置c0.7α7″工程c0.8α8″運輸c0.9α9吸附器的體積安裝與啟動c0.10α10吸附器的體積一般費用c0.11α11″后勤保障c0.12α12″</table></tables>氧氣的成本指數(shù)(CO2)由下式評價CO2=ES&times;Pe+CC&times;IPan]]>式中-ES為單位能耗指數(shù)；-I為投資指數(shù)；-Pe為平均能耗成本(如電能等等)；-CC為包括安裝與維修損耗的成本參數(shù)；-Pan為氧氣產(chǎn)品的年產(chǎn)量。在下列各例中，對PSA方法的性能研究，是用不變的機器，按給定的循環(huán)時間進行的。所用的循環(huán)時間的總持續(xù)時間為3×15秒或3×30秒(三臺吸附器并行運行)，并可大致描述如下-正常生產(chǎn)階段，該階段在高壓狀態(tài)下進行，其壓力數(shù)量級為1.1·105Pa；也就是說，這一階段中吸附氮氣，分離出氧氣；-低并流平衡階段；-低壓清洗階段，壓力數(shù)量級為0.3·105Pa，也就是說對吸附床所捕獲的氮氣解吸附，并將所述氮氣抽出；-淘析階段-再次壓力增大階段生產(chǎn)氧氣，即從低壓轉(zhuǎn)向高壓開始一個新的分離循環(huán)。不同的仿真已用不變的機器進行，即機器(真空泵和鼓風(fēng)機)的選取是按照要提供的高壓和低壓的需求確定的，分別為1.1·105Pa和0.3·105Pa，在標準情況下，空氣進氣溫度為20℃(Tasp)，吸附劑的空氣供氣溫度為35℃(Tfeed)。進氣溫度20℃(Tasp)相當于地區(qū)，如歐洲，溫度的平均溫度。下列試例所用吸附劑材料為A型沸石，該沸石包含80％帶有鈣正離子的AlO2(下文中表示為CaA)。這種目前市場有售的沸石用于在三個吸附器中，厚度為e(按毫米計)的單床，所述沸石床之前和其后均有前面所提到的固有空間。所獲結(jié)果均由指數(shù)給出試例1本例中，固有空間的厚度a和b(參看圖1)進氣一側(cè)(VM進氣)和生產(chǎn)一側(cè)(VM生產(chǎn))的最小厚度分別確定為a=240毫米和b=120毫米，分別相當于厚度為700毫米的吸附床吸附劑體積的34％和23％。這里，正如在實際中那樣，在于探索最大限度減少這些具有負面影響的空間的可能性。此外，對于具有平均粒度為0.5毫米，1毫米，1.5毫米和2毫米的吸附劑顆粒的不同吸附床厚度進行了試驗；所述顆粒本質(zhì)上為球形的球。所獲試驗結(jié)果列于表Ⅱ(循環(huán)時間為3×15秒)至表Ⅸ(循環(huán)時間為3×30秒)；所列氧氣生產(chǎn)成本指數(shù)按一臺PSA設(shè)備每天生產(chǎn)100噸氧氣給出的。表ⅡN.D.未定表ⅢN.D.未定表Ⅳ表Ⅴ表ⅥN.D.未定表Ⅶ表Ⅷ表Ⅸ為了更好地理解所獲得的結(jié)果，圖2至圖5給出了氧氣產(chǎn)品成本指數(shù)和單位能耗(ES)，它們分別表明-單位能耗指數(shù)(ES)在3×15秒的循環(huán)時間是比值的函數(shù)(圖2)；-氧氣(O2)的成本指數(shù)，在3×15秒的循環(huán)時間是比值的函數(shù)(圖3)；-單位能耗指數(shù)(ES)在3×30秒的循環(huán)時間是比值的函數(shù)(圖4)；-氧氣(O2)的成本指數(shù)在3×30秒的循環(huán)時間是比值的函數(shù)(圖5)。這些不同的曲線立即可顯現(xiàn)出單位能耗的最小值和氧氣產(chǎn)品的最低成本，是在比值取在300至1000范圍內(nèi)，最好是取在400至800之間，無論PSA方法的循環(huán)持續(xù)時間為多少(3×30秒或3×15秒)。換言之，這些不同的試驗令人驚奇地表明當循環(huán)時間減少，并不絕對需要也減小吸附床的厚度；相反，減小吸附床的厚度可能在某些情況下對所用PSA方法的性能產(chǎn)生負面影響。權(quán)利要求1．用于分離本質(zhì)上包含氧氣和氮氣的氣態(tài)流的PSA方法，該方法是優(yōu)先通過至少一個分離區(qū)的至少一個厚度為e的吸附劑床，該吸附劑床的吸附劑材料的平均粒度為，優(yōu)先吸附氮氣；其中吸附劑床的厚度e按下式確定300&le;ed&le;1000]]>e和d以毫米為單位。2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特點在于，比值(e/)在400至800之間選取。3．如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，循環(huán)時間小于120秒，最好是小于100秒。4．如權(quán)利要求1至3其中之一所述的方法，其特征在于，e的取值在0.1米至2米之間，最好是在0.2米至1.5米之間取值。5．如權(quán)利要求1至4其中之一所述的方法，其特征在于，d值取值在0.1毫米至5毫米之間，最好是在0.2毫米至3毫米之間取值。6．如權(quán)利要求1至5其中之一所述的方法，其特征在于，吸附劑的形狀本質(zhì)上為球形、卵形、橢圓形、桿形或其它類似形狀。7．如權(quán)利要求1至6其中之一所述的方法，其特征在于，準備用于分離的氣態(tài)流為空氣。8．如權(quán)利要求1至7其中之一所述的用于實施PSA方法的裝置，其特征在于，該裝置至少包括一個分離區(qū)。9．如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，該裝置包括1至3個分離區(qū)。全文摘要一種將氣態(tài)流分離的壓力變化吸附方法,該氣態(tài)流本質(zhì)上包含氧氣和氮氣,例如空氣,該分離方法經(jīng)過至少一個分離區(qū)優(yōu)先吸附氮氣;該分離區(qū)至少有一個厚度為(e)的吸附床,吸附劑材料的平均顆粒尺寸為(d),其中吸附床的厚度(e)按下式選取:300≤e/文檔編號B01D53/047GK1213579SQ98118699公開日1999年4月14日申請日期1998年8月26日優(yōu)先權(quán)日1997年8月28日發(fā)明者克里斯托夫·蒙福爾,多米尼克·魯熱,塞爾日·莫羅申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司