[发明专利]空气分离系统和方法

说明书

本发明涉及一种用于以选定的纯度和压力经济地生产氧气的改进的空气分离系统和方法，更特别地涉及一种将至少具有两个薄膜分离级的薄膜气体渗透系统与一种真空压力摆动吸附(VPSA)系统相结合的空气分离系统和方法。

在工业和医药行业广泛应用的氧气的纯度从97％到99.999％，并且是以各种压力和纯度生产出来的。由于空气一般含有近百分之二十的氧气，因此它作为经济的氧气来源是很理想的。从而，大部分实用和经济的氧气生产设备都采用空气分离系统和方法。

一种相对大量地生产氧气的普通系统之一包括从空气混合物中液化和分离氧气成份的深冷技术。虽然这一设计对于大批量生产是很好的，但当用于小批量和中批量生产时，该系统特殊的深冷设备和与此相关的成本使得该系统的成本过高。

为了生产中等数量和相对低纯度的氧气，一个实用的空气分离系统要采用对氧气具有选择性和高渗透性的聚合物薄膜。压缩空气输入薄膜，该薄膜保留氮气成份而使氧气以相对的中等纯度通过。由于传统薄膜的中等选择性，高纯度的氧气生产通常只能通过采用带有附加的输入气体的压缩机的多级薄膜装置来实现。这通常显著地增加了生产成本，使得从成本的立场来改进多级薄膜系统的余地很大。

作为多级薄膜技术的另一种选择，本领域的技术人员已经发展了一种空气分离系统，该系统利用一种分子筛吸附剂来有效地生产纯度约为88％到95％的氧气。采用压力摆动吸附剂系统(PSA)〖和真空压力摆动吸附(VPSA)系统〗，该吸附剂在空气中的各气体系统之间有四个时刻起作用，以便实现成份分离。不幸的是吸附剂一般不能从氩气中分离出氧气。该限制常常使PSA不可能生产纯度约为98％的氧气。

一个解决高纯度PSA氧气生产的办法是采用一种将一个连续薄膜塔(CMC)或一个连续薄膜塔与两级气提塔(CMC-TSS)相结合来生产99％纯度的氧气。PSA的输出产品作为采用一个压缩机驱动的循环回路和4出口薄膜组件的薄膜系统的输入气体。虽然这种建议对其想要达到的目的是有利的，但它需要另外的压缩设备来提供对CMC的适当的循环。另外，因为采用了特殊的薄膜系统，一般需要采用较贵的4出口薄膜组件而不是较便宜的3出口组件设计。

因此，虽然本领域的技术人员已经意识到空气的分离设备采用渗透薄膜和压力摆动吸附两种技术来以最少的压缩设备经济地生产高纯度的氧气，但直到本发明为止还没有出现令人满意的设计。另外，空气分离系统还需要能够产生一个高压、低纯度的主氧气流和一个低压、高纯度的副氧气流。本发明的系统和方法满足以上两个需要。

本发明的空气分离系统以节省成本的方法生产各种相对高和低纯度和相对高和低压力的氧气流。本发明主要是实现了节省成本，这是因为本发明基本上消除了昂贵和不需要的循环压缩设备。

为实现上述的优点，本发明的空气分离系统的第一实施例包括一个PSA或VPSA氧气发生器，该氧气发生器带有一个压缩机，该压缩机的出口与一个收集和引导输入气体混合物的输入气体支管相连。该氧气发生器的下游是一个薄膜串联系统，该系统分别包括一个第一和第二级，这些级可以分别在各自预定的压力比和作业温度的条件下操作。第一级有一个与输入气体的流体相连通的入口，还有与一个相对高压低纯度的产品管线相连的滞留物流和一个渗透物流。第二级包括一个与第一级渗透物流相连的入口、一个滞留物流(它能够循环)和一个与相对较低压较高纯度的产品管线相连，该产品管线可以以预定的压力和纯度输出。

本发明的空气分离系统的第二实施例包括一个级间压缩机和一个PSA或VPSA氧气发生器，该氧气发生器有一个压缩机，压缩机的输出端与收集和引导输入气体混合物的输入气体支管相连。该氧气发生器的下游是一个薄膜串联系统，该系统分别包括一个第一和第二级。第一级有一个与输入气体的流体相连通的入口，还有与一个相对高压中纯度的产品管线相连的滞留物流和一个输入到一个级间压缩机的渗透物流。第二级包括一个与级间压缩机输出口相连的入口和一个第二级滞留物流以及与相对较低压力和高纯度的产品管线相连的第二级渗透物流。