[发明专利]一种循环利用尾气的两级变压吸附制高纯氧系统和方法

说明书

技术领域

本发明属于气体分离技术领域，具体涉及一种循环利用尾气的两级变压吸附制高纯氧系统和方法。

背景技术

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。然而，由于吸附动力学限制，传统单级变压吸附制氧系统难以获得浓度大于96%的高纯氧气。高纯度氧气在医用、航空、电子、切割和金属加工等领域都有广泛应用，并且对氧气纯度有严格的要求。而传统氧气钢瓶或液氧储罐存在生产成本高、不易现场生产、运输过程中风险大等缺点。

新型吸附剂的开发为单级变压吸附制高纯氧气提供了可能。国外专利US 5226933提出了一种以AgLSX为吸附剂单级变压吸附制高纯氧系统，可获得浓度为99.5%的高纯氧气，氧气回收率为6.6%，较低的氧气回收率限制了该系统的进一步应用。国外专利US6544318提出了一种以AgLiLSX为吸附剂单级真空变压吸附制高纯氧系统，可获得浓度为99.1%的高纯氧气，但其氧气回收率仍很低，约为10%。

因此，人们不得不采用多级变压吸附系统来制取更高浓度的氧气。国内专利CN20255514提出了一种两级变压吸附制高纯氧的装置，能在现场生产浓度大于99%的高纯氧气，但由于其工艺流程简单，使得氧气回收率较低以及能耗较高，限制了其进一步的应用。国内专利CN103768891和CN 103801171分别提出了一种具有混合进料回路的两级串联基于吸附平衡原理的变压吸附制高纯氧系统和一种具有第二级贫氧回收管路的两级串联基于吸附平衡原理变压吸附制高纯氧系统，经过工艺流程优化后可获得浓度大于99.5%的高纯氧气，总氧气回收率也得到有效提高，可达35%，但仍然较低，使设备能耗较高，难以适合大规模的工业应用。国内CN 103585856提出了一种多回流的变压吸附方法，用于两组分或三组分体系中获得两个纯组分，吸附过程中在吸附塔的中间进料，在吸附塔顶端得到弱组分产品气（氧气），但该流程中采用多组分回流冲洗，使得流程复杂，过程控制较难，难以获得理想的产品气。

国外专利US 5137549提出了回收第二级分离系统中解吸后期浓度较低富氧尾气的两级变压吸附制高纯氧系统，回收的富氧尾气分别用于第一级分离系统充压和第二级分离系统的反吹清洗，可获得浓度为99.5%的高纯氧气，但由于流程简单，氧气回收率仍较低。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的缺点和不足提供一种循环利用尾气的两级变压吸附制高纯氧系统，并提供该系统的操作方法。

现有典型的两级变压吸附制氧系统，如图1所示，第一级分离系统中吸附塔间仅有出气端均压或者出气端和进气端交错均压过程，同时为了防止吸附塔穿透均压时间很短，回收的有用组分很有限，氧气回收率低。另外，第二级分离系统中吸附塔出气端产生的大部分低压的富氩尾气被用于对第一级分离系统中吸附塔的反吹清洗，小部分用于吸附塔充压，充压效果很有限，使得总的氧气回收率较低。

本发明提出一种循环利用尾气的两级变压吸附制高纯氧系统，如图2所示，是对现有两级变压吸附制高纯氧系统的改进，即第一级分离系统的每个吸附塔均经历多次均压和充压过程，产品氧气充压使靠近出气端的氮气浓度退回至靠近进气端位置，防止吸附剂层提前被穿透，有利于进行多次均压过程，同时采用瞬间大流量产品氧气反吹清洗和长时间小流量富氩尾气反吹清洗相结合的清洗方式，不仅充分回收吸附完成后吸附塔内的有用组分，而且减小反吹清洗过程所需的产品氧气，显著提高了第一级分离系统的回收率；而在第二级分离系统中充分回收吸附阶段和高纯氧气反吹清洗过程中产生的富氩尾气，升压后少部分用于第一级分离系统反吹清洗，大部分用于第二级分离系统吸附塔的充压，有效提高了第二级分离系统的回收率，从而总的氧气回收率得到了有效提高。