一种能提高氧气回收率的两级串联变压吸附制氧系统及其操作方法

摘要

本发明属于气体分离技术领域，具体为一种两级串联变压吸附制氧系统及其操作方法。本发明的两级串联变压吸附制氧系统，第一级PSA为装有常规沸石等氮吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氮分离变压吸附分离系统，第二级PSA为装有氧选择性等吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氩分离变压吸附分离系统；本发明是对现有两级串联变压吸附制氧系统的改进，即在第一级PSA与第二级PSA之间设置一贫氧气回收回路，将第二级PSA产出的富含氩气的贫氧废气返回至第一级PSA，作为预充压气体及清洗气体。按照本发明规定工步运行，可显著提高氧气回收率，因而也提高了总的氧气回收率。

主权项

一种能提高氧气回收率的两级串联变压吸附制氧系统的操作方法，该系统中，第一级PSA为装有常规沸石氮吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氮分离变压吸附分离系统，第二级PSA为装有氧选择性吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氩分离变压吸附分离系统；在第一级PSA与第二级PSA之间设置了一贫氧气回收回路，用于将第二级PSA产出的富含氩气的贫氧废气返回至第一级PSA，作为预充压气体及清洗气体，最终自第一级PSA的排气口排出系统；其中：第一级PSA包括至少两个吸附塔（101A、101B）、第一缓冲罐（P1），还包括各种控制阀门及连接管路，控制阀门包括V1A、V1B、V2A、V2B、V3A、V3B、V4A、V4B、V5A、V5B、V5C，这些控制阀门和管路分别组成吸附塔之间组成下述回路：进气回路，用于将经预处理的压缩空气输入吸附塔，该回路包括输入管路，及对应于吸附塔的切换阀门（V1A、V1B）；废气排除回路：用以选择性的将吸附塔吸附的氮气、氩气废气自进料端排除，该回路包括输出管路，及对应于吸附塔的切换阀门（V2A、V2B），以及消音器XYQ101；富氧产出回路：用以选择性的将吸附塔产出的富氧气体即一级产品气送至第一缓冲罐（P1）；该回路包括：两个吸附塔处口之间的连接管路，及对应于两个吸附塔切换阀门（V3A、V3B）；该回路通过管路与第一缓冲罐（P1）连通；控制转移回路：用于将一个吸附塔产物端的气体转移至另外一个吸附塔的进料端；该回路包括：第一吸附塔（101A）的产物端与第二吸附塔（101B）的进料端之间的连接管路及切换阀门（V4B），第二吸附塔（101B）的产物端与第一吸附塔（101A）的进料端之间连的接管路及切换阀门（V4A）；清洗回路，用以选择性的将第一缓冲罐（P1）的富氧产品气体送入吸附塔的出口端；该回路包括：两个吸附塔出口之间的连接管路，及对应于两个吸附塔切换阀门（V5A、V5B）；控制清洗与转移回路通过管路与第一缓冲罐（P1）连通，在该管路上设有控制切换阀门（V5C）；第一级PSA的吸附塔中填充氮吸附剂；第二级PSA包括至少两个吸附塔（第三吸附塔201A、第四吸附塔201B）、一个压缩机（AB201）、一个第三缓冲罐（P3）、一个第四缓冲罐（P4），以及各种连接管路和管路上必要的控制阀门；第二级PSA的吸附塔中填充氧选择性吸附剂，该吸附剂能从第一级PSA产生的含氧、氩混合气中吸附氧气；第三缓冲罐（P3）与吸附塔的出口端通过控制阀门相连通，用以接收自吸附塔富集的难以被吸附剂吸附的废气，以及将接收的工艺气体送回到吸附塔的出口端进行置换吸附剂气相的高纯度气体，并借助压缩机（AB201)作为产品输出，或者排向一个并非完全必要的产品气缓冲罐；压缩机（AB201）与吸附塔的入口端通过控制阀门相连通，用以将被吸附塔吸附的气体通过控制阀门自吸附塔中取出；各种连接管路和管路上必要的控制阀门组成下述回路：进料回路：用于把第一级PSA中第一缓冲罐（P1）即产品气缓冲罐的气体引入第二级PSA的吸附塔中；该回路包括对应于两个吸附塔的两个切换阀门（V6A、V6B），以及必要的连接管线；富氧产出回路：用以选择性的将吸附塔与压缩机（AB201）通过控制阀门相接通，将气体自吸附塔取出，输送至产品气缓冲罐（P4）；该回路包括对应于两个吸附塔的两个切换阀门（V7A、V7B）和对应于产品气缓冲罐（P4）的控制切换阀门（V7C），以及必要的连接管线；贫氧气体转移与置换回路：用以选择性的将贫氧气体转移到第三缓冲罐（P3）或者将第三缓冲罐（P3）的气体转送入吸附塔的出口端，该回路包含对应于两个吸附塔的两个切换阀门（V9A、V9B）和对应于第三缓冲罐（P3）的控制切换阀门（V9C），以及必要的连接管线；置换清洗回路，用以将更高纯度的产品氧气体转移到吸附塔的入口端，该回路包含对应于两个吸附塔的两个切换阀门（V10A、V10B），与第四缓冲罐（P4）之间的控制切换阀门（V10C），以及必要的连接管线；贫氧气体回收回路，包括第二级PSA中第三、第四吸附塔的贫氧气出口至第一级PSA中切换阀门V5C的入口之间的连接管路，以及该管路上对应于第二级PSA中第三、第四吸附塔的两个切换阀门（V8A、V8B）、中间的控制切换阀门（V8C）、单向阀DXF8A；其特征在于具体步骤为：步骤一、经预处理后的压缩空气进入第一级采用氮吸附剂基于平衡吸附理论的变压吸附系统进行氧氮分离，第一、第二两个吸附塔（101A，101B）异相顺序运行，产生富含氧、氩组分的混合气其组分O₂:90‑95%，Ar:4～5%，其余为氮，收集于第一缓冲罐（P1）；其中，各自动阀门在按照下表规定操作步骤切换：上述步骤除指定开启阀门之外的阀门全部为关闭状态；所述经预处理的压缩空气的压力为0.5‑0.8MPa表压；所述阀门开启至合适的开度指可控制气体流率的阀门自0～100%之间的任意合适的开启度；其中，各阀门符号说明如下：V1A、V1B为进气回路中对应于吸附塔的切换阀门；V2A、V2B为废气排除回路在中对应于吸附塔的切换阀门；V3A、V3B为富氧产出回路中对应于两个吸附塔切换阀门；V4A、V4B为控制转移回路中第一吸附塔（101A）与第二吸附塔（101B）之间的连接管路上切换阀门；V5A、V5B为清洗回中对应于两个吸附塔切换阀门，V5C为控制清洗回路与第一缓冲罐（P1）连通管路上的控制切换阀门；V6A、V6B为进料回路中对应于两个吸附塔的切换阀门；V7A、V7B为富氧产出回路中，对应于两个吸附塔的切换阀门，V7C为对应于产品气缓冲罐P4的控制切换阀门；第二级PSA中第三、第四吸附塔的两个切换阀门（V8A、V8B）、中间切换阀门（V8C）、单向阀DXF8A；V8A、V8B为贫氧气体回收回路中，对应于第三、第四两个吸附塔的切换阀门，V8C为该回路中的中间的控制切换阀门；V9A、V9B为贫氧气体转移与置换回路中，对应于两个吸附塔的切换阀门，V9C为对应于第三缓冲罐（P3）的切换阀门；V10A、V10B为置换清洗回路中，对应于两个吸附塔的切换阀门，V10C为与第四缓冲罐（P4）之间的切换阀门；V8D、V6F分别为产品气、废气出口段具有可调节流量、控制输出压力的阀门；步骤二、经第一级PSA产生的富含氧、氩组分、含少量氮的混合气经第一缓冲罐（P1）出口管线进入第二级采用氧选择性吸附剂基于平衡吸附理论的变压吸附系统进行氧氩分离，产生纯度达99.5%的高纯度氧气，收集于第四缓冲罐（P4）并经第四缓冲罐（P4）的控制阀门（V6F）输出为产品气，而其中富含氩气的贫氧废气则经贫氧气回收回路返回至第一级作为预充压气体及清洗气体，最终自第一级PSA的排气口排出系统。