[发明专利]利用冷冻的低温变压吸附

说明书

本发明涉及气体分离，更具体地说，涉及提高从空气中分离氧气的生产率。

吸附方法已被广泛地用在气体的分离和纯化中。高表面积吸附剂具有在表面上吸附气体分子的亲和力。气体的吸附量取决于所用的特定吸附剂、被吸附的气体、以及吸附操作进行时的温度和压力条件。对大部分吸附剂，吸附量随被吸附气体组分分压的升高和吸附温度的降低而升高。因此，可以通过降低吸附温度来增加气体的吸附量。在大量的实际应用中，必须使吸附的气体解吸来再生吸附剂，以使得吸附过程重复循环。解吸步骤最好是在高温低压下进行。为了这种实际应用，因此，压力或者温度，或者它们两者在吸附和解吸步骤中基于循环必须变化。这两种气体分离的基本方法叫变压吸附(PSA)和变温吸附(TSA)。

在近几年，PSA方法已经被开发用来从空气中制造氧气和氮气。在这些方法中，进料空气通过一吸附床吸附床上的吸附剂能从空气中选择吸附较容易吸附的组分，如氧气或氮气，同时不容易吸附的组分从吸附床中排放出去。PSA过程的行为明显地受吸附和解吸的温度条件所影响，设计的大部分PSA过程都是在普通的环境温度条件下操作的，而没有使用特殊的方法来控制适合于吸附操作的温度条件。

在PSA系统中，吸附时放热，解吸时吸附剂吸热。在吸附步骤中吸附床的温度趋于升高，而在解吸步骤中所述床的温度趋于下降。在整个PSA循环的某一部分中，即吸附床加压至高吸附压力或降压至低解吸压力时，温度的变化最为明显，其条件是吸附剂基本上没有强吸附性杂质，该杂质只能通过吹扫有效地解吸，并且可阻止次强吸附组分的吸附。在吸附系统中开放的气体空间的加压或减压，例如，分布器装置或用来容纳吸附剂材料床的容器内液面上空间的加压或减压，由于其中气体的压缩和膨胀所做的可逆功也可以引起温度的变化。在如PSA过程的动态平衡过程中，吸附和压缩产生的热大量地被传递到流动的进料气体中，如空气流，而被带出吸附床。在典型的PSA操作中，如用于从空气中生产氧气和/或氮气的过程中，在吸附时的向前流动的气流超过了在解吸附时向后流动的气流。结果使得有一个焓的向前的净流动，当温度波动比床进口处附近区域温度波动较大时，它趋向于降低PSA系统中使用的吸附床的平均温度。

用PSA方法从空气中生产氧气的温度效应已由Izami等人在“High Efficiency Oxygen Separa-tion with Low Temperature and Low PressurePSA”(AICHE，San Francisco，California，No-vember 1989)中讨论过了。在研究报告中探索了五种分子筛型吸附剂，它们能从进料空气中选择吸附氮气，包括Na-X(有两种不同的Si/Al比率)、Ca-A，Ca-X和Si-X。业已发现含有碱土金属阳离子(Ca和Sr)的吸附剂在接近室温下所显示的N₂/O₂分离因子最佳，在约-30℃时，Na-X吸附剂的分离因子达最大值。在各种情况中，氮气的吸附能力随温度的降低而升高，和上面讨论的吸附理论所期望的相一致。用Ca-A和Na-X吸附剂作实验室规模的试验证明，在0℃至室温下Ca-A吸附剂性能最好，在0℃以下，Na-X的吸附性能最好。在这些试验中，吸附床是恒温的并能有效地维持在一个固定的温度下。用Na-X吸附剂材料进行了大规模的中间试验，在吸附床中引入了冷却旋管，同时在用来干燥进料气体的干燥剂部分与吸附床之间应用了交流换热区，从而使床温低于进料气流的温度。这些试验证明当吸附温度下降到-15℃时，吸附效率提高而成本下降了。试验进行条件更接近于绝热，而不是等温，温度是不一致的。这些实验表明，在低于室温下用Na-X吸附剂进行PSA过程是有利的。为获得所需低温床，应用了外部制冷。同时最优的解吸压力是约0.3个大气压。