Очистка воздуха

Очистка воздуха

Реферат

Данное изобретение относится к удалению воды, диоксида углерода и закиси азота, а также необязательно углеводородов, из потока воздуха перед криогенным разделением воздуха.

Криогенное разделение воздуха требует этапа предварительной очистки для удаления высококипящих и опасных материалов. Основные высококипящие компоненты воздуха включают в себя воду и диоксид углерода. Если удаление этих примесей из подаваемого окружающего подаваемого воздуха не достигается, то вода и диоксид углерода будут вымерзать в холодных секциях процесса разделения, таких как теплообменники и LОХ отстойник. Это будет вызывать перепад давления, изменения потока и эксплуатационные проблемы. Также необходимо извлекать различные опасные материалы, включая ацетилен и другие углеводороды. Высококипящие углеводороды, если их не удалять, будут концентрироваться в LОХ секции колонны, приводя к потенциальной опасности взрыва.

Известно, что оксиды азота также необходимо удалять. Незначительным компонентом является закись азота N₂О, которая присутствует в окружающем воздухе с приблизительно 0,3 ч./млн. Ее физические свойства подобны свойствам диоксида углерода, и поэтому существует потенциальная технологическая проблема из-за образования твердых веществ в колонне и теплообменниках установки криогенной дистилляции. Кроме того, известно, что закись азота усиливает горение органических материалов и чувствительна к удару. Таким образом, закись азота также представляет опасность. Углеводороды, такие как этилен, ацетилен, бутан, пропилен и пропан, являются другими примесями, которые желательно удалять перед криогенным разделением воздуха.

Предварительную очистку воздуха обычно выполняют с помощью способов адсорбционной очистки. Они могут работать путем адсорбции с изменением температуры (ТSА), как описано в US 4541851 и 5137548 или U. Gemmingen ("Designs of Adsorptive Driers in Air Separation Plants". Reports on Technology, 54/1994, Linde), путем адсорбции с изменением давления (РSА), как описано в US 4711645, US 5232474 или C.W. Skarstrom ("Heatless Fractionation of Gases over Solid Adsorbents", vol II, 95, N.W. Li (Ed), CRC Press, Cleveland, Ohio, 1972), или с помощью вариантов этих способов, таких как термически усиленная РSА (ТЕРSА), как описано в US 5614000, или ТРSА, как описано в US5855650.

Обычно предварительную очистку воздуха выполняют путем адсорбции примесных газовых компонентов из воздуха на твердом адсорбенте с периодической регенерацией адсорбента. В таких способах воздух подают в контакте с по меньшей мере двумя слоями твердых адсорбентов, чтобы адсорбировать удаляемые компоненты, концентрация этих компонентов в адсорбентах постепенно увеличивается. Концентрация каждого из удаляемых газовых компонентов в адсорбенте не будет равномерной, а будет самой высокой на входном конце слоя адсорбента и будет постепенно снижаться по зоне массопереноса в адсорбенте. Если данный способ выполнять бесконечно, зона массопереноса будет постепенно сдвигаться ниже по потоку в слое адсорбента, пока компонент, который необходимо удалять, не вырвется из выходного конца слоя. До того, как это произойдет, необходимо регенерировать адсорбент.

В адсорбционных системах с изменением давления (РSА) это выполняют, останавливая поток обрабатываемого газа в адсорбент, снижая давление на адсорбенте и обычно пропуская поток регенерирующего газа с низким содержанием компонента, адсорбированного на слое, через данный слой в противотоке к направлению подачи продукта. Так как удаляемый компонент адсорбируется, пока данный слой находится в потоке, процесс адсорбции будет генерировать тепло адсорбции, заставляя тепловой импульс продвигаться ниже по потоку через адсорбент. Во время процесса регенерации необходимо подавать тепло, чтобы десорбировать газовый компонент, который был адсорбирован на слое. В РSА стремятся начинать регенерацию до того, как тепловой импульс достигнет выходного конца слоя; направление движения теплового импульса меняется на противоположное путем противоточного потока регенерирующего газа, и тепло, полученное при адсорбции рассматриваемого газового компонента, используется для десорбции этого компонента во время регенерации. Таким образом избегают подачи тепла во время этапа регенерации. Однако короткий цикл времени (время подачи обычно 10-15 мин), используемый, чтобы избежать ухода теплового импульса из слоя адсорбента, требует частного снижения давления слоя, во время которого исходный газ выдувается и теряется ("потери переключения"). Кроме того, обычно используют два слоя адсорбента, где один находится в работе, а другой регенерируется. Снижение давления и регенерация одного слоя должны происходить за короткое время, при котором другой слой находится в работе, и быстрое повторное повышение давления может приводить к переходным изменениям в исходном и получаемом потоках, которые могут вредно влиять на работу установки.

Адсорбция с изменением температуры (ТSА) известна в качестве альтернативной процедуры. В ТSА временной цикл удлиняется (время подачи обычно 2-12 ч), и указанному выше тепловому импульсу позволяют выходить из выходного конца слоя адсорбента во время периода подачи или рабочего периода. Чтобы достичь регенерации, необходимо, следовательно, подавать тепло, чтобы десорбировать адсорбированный газовый компонент. Для этого применяемый регенерирующий газ нагревают в течение некоторого периода, получая тепловой импульс, движущийся через слой противоточно к обычному направлению подачи. За этим потоком нагретого регенерирующего газа обычно следует поток холодного регенерирующего газа, который продолжает перемещать тепловой импульс по слою к входному концу. ТSА отличается увеличенным временным циклом по сравнению с РSА. ТSА является энергетически интенсивным, так как необходимо подавать регенерирующий газ, нагретый до высокой температуры, такой как 150-200°С, чтобы обеспечить десорбцию более прочно адсорбированного компонента из слоя. Обычно также предварительно охлаждают обрабатываемый воздух, чтобы минимизировать количество воды, которое нужно адсорбировать на слое, дополнительно увеличивая стоимость установки и энергии.

В обычном ТSА способе предварительной очистки воздуха применяют двухслойный слой, чтобы удалять, по существу, всю воду и диоксид углерода, присутствующие в подаваемом потоке воздуха. Так как вода более прочно адсорбируется адсорбентами, данные слои обычно используют, пока диоксид углерода не начинает прорываться через слой адсорбента. В потоке подаваемого воздуха присутствует больше СО₂, чем N₂О, но так как 13Х имеет большее сродство к СО₂, чем к N₂О, если слои работают до проскока СО₂, существенные количества N₂О будут проскакивать через слой и могут вызывать проблемы ниже по потоку в установке криогенной дистилляции.

US4249915 и US4472178 раскрывают адсорбционный способ, в котором влагу и диоксид углерода удаляют из атмосферного воздуха путем адсорбции в разных соответствующих слоях. Нагруженный влагой слой регенерируют с помощью РSА в относительно коротком рабочем цикле, тогда как нагруженный диоксидом углерода слой регенерируют термически при значительно больших интервалах времени. Хотя при такой организации имеются определенные выгоды, стоимость установки высокая из-за дублирования колонн и необходимости дополнительного оборудования, чтобы выполнять обе системы регенерации соответствующих слоев.

Wenning ("Nitrous oxides in Air Separation Plants". U. Wenning, Proceedings from MUST, 96, pp. 79-89) описывает, как диоксид углерода замещает уже адсорбированную закись азота из цеолитного адсорбента, вызывая проскок закиси азота при концентрации больше, чем концентрация в окружающем воздухе.

US 5919286 описывает, что слой цеолита у нижнего (ниже по потоку) конца слоя оксида алюминия может быть использован для удаления оксидов азота в РSА способе.

ЕР 0992274 описывает способ удаления диоксида углерода, воды и закиси азота из воздуха предпочтительно в ТSА способе, в котором используется трехслойный слой адсорбента с первым слоем, например из оксида алюминия, адсорбирующим главным образом воду, вторым слоем, например из 13Х, адсорбирующим главным образом диоксид углерода, и третьим слоем, например из СаХ, адсорбирующим главным образом закись азота.

US 5846295 описывает ТSА способ для удаления СО₂ и Н₂О, в котором используют пропитанный оксид алюминия, в некоторых случаях в комбинации с цеолитом, таким как 13Х, на выходном конце слоя.

US 5614000 описывает способ удаления воды и СО₂ из воздуха, в котором слой адсорбента, предпочтительно содержащий только оксид алюминия, может частично регенерироваться с помощью ТSА, а частично с помощью РSА, где часть адсорбента, которая адсорбирует воду (часть выше по потоку), регенерируется с помощью РSА, тогда как остальное регенерируется с помощью ТSА с использованием температуры регенерирующего газа приблизительно 70°С. Такой способ известен под сокращением ТЕРSА.

US 5855650 описывает способ удаления воды и СО₂ из воздуха, в котором слой адсорбента, содержащий слой оксида алюминия и слой цеолита 13Х, или единственный слой полностью из оксида алюминия, регенерируется с помощью ТSА с использованием температуры газа приблизительно 100°С в части ниже по потоку, тогда как часть выше по потоку, на которой адсорбируется вода, регенерируется частично с помощью ТSА и частично с помощью РSА. Такой способ известен под сокращением ТРSА.

Избирательность для одного газа по сравнению с избирательностью для другого газа, демонстрируемая адсорбентом, может выражаться как отношение констант Генри (начальный наклон изотермы) для двух газов при 30°С.

Настоящее изобретение имеет целью обеспечить способ удаления высоких уровней воды, диоксида углерода и закиси азота и предпочтительно также углеводородов, таких как пропан, этилен, пропилен, ацетилен и/или бутан, присутствующих в окружающем воздухе.

Другой целью настоящего изобретения является обеспечить способ, посредством которого уровень проскока закиси азота и, когда присутствуют, углеводородов связан с уровнем проскока диоксида углерода сквозь адсорбент, гарантируя, что уровень диоксида углерода ниже по потоку от слоя ниже желаемого порога гарантирует, что уровень закиси азота и, когда присутствуют, углеводородов также находится ниже желаемого порога.

Дополнительной цель настоящего изобретения является избежать использования высокочувствительных к воде адсорбентов, таких как СаХ. Так как емкость СаХ является очень сильной функцией содержания воды, использование этих адсорбентов требует сильно заботиться о наполнении и работать так, чтобы гарантировать, что адсорбент не приходит в контакт с водой.

Настоящее изобретение обеспечивает способ снижения уровня воды, диоксида углерода и закиси азота в потоке подаваемого воздуха перед криогенной дистилляцией, содержащий:

а) прохождение упомянутого потока подаваемого воздуха при температуре подачи и давлении подачи через первый адсорбент, избирательность Генри которого для СО₂ над N₂О, измеренная при 30°С, составляет по меньшей мере 12,5, и затем через второй адсорбент, константа Генри которого для адсорбции СО₂, измеренная при 30°С, составляет менее чем 1020 ммоль/г/атм и избирательность Генри которого для СО₂ над N₂О, измеренная при 30°С, составляет самое большее 5;

b) прекращение прохождения упомянутого потока подаваемого воздуха в упомянутые первый и второй адсорбенты после первого периода времени;

с) снижение давления газа в контакте с первым и вторым адсорбентами до второго давления меньшего, чем давление подачи;

d) прохождение нагретого регенерирующего газа при втором давлении и при температуре, которая составляет от 20°С до 80°С, в по меньшей мере второй адсорбент в направлении, противоположном исходному направлению, в течение второго периода времени и затем прохождение второго регенерирующего газа при втором давлении и при температуре меньше, чем температура нагретого регенерирующего газа, в первый и второй адсорбенты в направлении, противоположном исходному направлению, в течение третьего периода времени;

е) прекращение прохождения регенерирующего газа в первый и второй адсорбенты;

f) повторное увеличение давления газа в контакте с первым и вторым адсорбентами до давления подачи и

g) повторение этапов от а) до f),

где второй адсорбент занимает от 25% об. до 40% об. от общего объема первого и второго адсорбентов и где температура нагретого регенерирующего газа на от 10°С до 60°С выше, чем температура подачи или температура второго регенерирующего газа, в зависимости от того, какая из них выше.

Первый адсорбент и второй адсорбент могут быть обеспечены в отдельных резервуарах, но предпочтительно обеспечиваются как, соответственно, слои выше по потоку и ниже по потоку (относительно направления подачи) единственного слоя адсорбента.

Чтобы гарантировать, что уровни N₂О и СО₂ на выходе второго адсорбента остаются ниже требуемых уровней на основании измерения уровня СО₂ на выходе, свойства первого и второго адсорбентов в отношении трех компонентов Н₂О, СО₂ и N₂О должны быть сбалансированы, чтобы гарантировать, что проскок N₂О происходит после проскока СО₂ или одновременно с ним. Для данного адсорбента скорость, с которой компонент потока подаваемого воздуха движется сквозь слой, зависит от прочности его адсорбции. Среди воды, СО₂ и N₂О вода наиболее прочно адсорбируется на оксиде алюминия или цеолитах и, таким образом, очень медленно движется сквозь слой адсорбента. СО₂ менее прочно адсорбируется, чем вода, но на адсорбентах, используемых в настоящем изобретении, адсорбируется более прочно, чем N₂О. Желательно, когда по меньшей мере часть СО₂, а также вся Н₂О, присутствующие в потоке подаваемого воздуха, адсорбируются на первом адсорбенте и когда второй адсорбент используется для адсорбции N₂О и остального СО₂, а также любых углеводородов, присутствующих в потоке подаваемого воздуха. Это так, если используется первый адсорбент, имеющий высокую емкость по СО₂ и Н₂О и избирательность Генри по СО₂ над N₂О, измеренную при 30°С, по меньшей мере 12,5. Это позволяет N₂О быстро проходить сквозь первый адсорбент, так как он непрочно адсорбируется на нем, и, как ожидается, предотвращать СО₂ от вытеснения импульса N₂О при проскоке из первого адсорбента, так как недостаточно N₂О адсорбируется на нем для любого импульса, чтобы вызывать проблемно высокую выходную концентрацию после второго адсорбента. Кроме того, первый адсорбент должен быть способен десорбировать Н₂О и СО₂ в условиях РSА.

Предпочтительно упомянутый первый адсорбент содержит активированный оксид алюминия, так как этот адсорбент имеет высокую емкость по воде, предотвращая, таким образом, воду от вступления в контакт со вторым адсорбентом, обычно более чувствительным к воде, и может одновременно адсорбировать воду и диоксид углерода путем образования бикарбонатов на поверхности оксида алюминия. Более предпочтительно упомянутый первый адсорбент содержит активированный оксид алюминия, пропитанный карбонатом калия. Пропитанный оксид алюминия может быть таким, как описано в US 5656064, в котором исходный оксид алюминия обрабатывают основным раствором, имеющим pH по меньшей мере 9, например раствором КНСО₃, и сушат при температуре, которая является достаточно низкой (например, ниже 200°С), чтобы избегать разложения пропитывающего соединения в форму, которая адсорбирует СО₂ таким образом, что данное соединение не регенерирует в предполагаемых условиях регенерации. Предпочтительно pH пропитывающего раствора соответствует точке нулевого заряда (ZРС) оксида алюминия согласно формуле pH≥ZРС-1,4 или более предпочтительно ZРС+2≥рН≥ZРС-1,4. Пропитывающее соединение предпочтительно представляет собой гидроксид, карбонат, бикарбонат, фосфат или органическую соль щелочного металла или аммония. Более предпочтительно пропитывающее соединение выбирают из группы, состоящей из K₂СО₃, Nа₂СО₃, KНСО₃, NаНСО₃, NаОН и KОН. Обнаружено, что такие пропитанные оксиды алюминия имеют увеличенное поглощение СО₂, но их емкость в отношении закиси азота аналогична емкости непропитанных оксидов алюминия.

Предпочтительно упомянутый слой первого адсорбента составляет от 60% об. до 75% об. и более предпочтительно от 65% об. до 72% об. от общего объема первого и второго адсорбентов.

Второй адсорбент обеспечивается в количестве, достаточном для адсорбции N₂О и возможно также любых углеводородных примесей, присутствующих в потоке подаваемого воздуха, плюс достаточно диоксида углерода, который проскакивает перед проскоком закиси азота или одновременно с ним, и, если присутствуют, углеводородных примесей. Второй адсорбент выбирают так, чтобы иметь высокую емкость по N₂О и, возможно, также по углеводородным примесям, и чтобы размер слоя оставался как можно более низким, что выгодно по причине стоимости, так как второй адсорбент обычно является существенно более дорогим, чем первый адсорбент. Второй адсорбент составляет от 25% об. до 40% об. от общего объема первого и второго адсорбентов, предпочтительно от 28% об. до 35% об. и наиболее предпочтительно 32% об., причем меньшие величины в каждом интервале обычно более предпочтительны по причине стоимости, когда уровень удаления N₂О данного интервала находится в допустимых пределах для предполагаемого применения.

Длина второго адсорбента должна быть достаточной, чтобы содержать весь N₂О, присутствующий в потоке подаваемого воздуха, подаваемом до проскока СО₂ из второго адсорбента, плюс переток СО₂ из первого адсорбента, чтобы предотвращать проскок N₂О из слоя перед СО₂.

Второй адсорбент также должен быть способен эффективно десорбировать N₂О, а также, где применимо, углеводородные примеси в выбранных условиях регенерации. Настоящие изобретатели стремились обеспечить способ, который может функционировать при низкой температуре регенерации, чтобы расходы с точки зрения обеспечения нагревателей в установке и с точки зрения потребления энергии можно было сохранять минимальными. Это требует, чтобы емкость второго адсорбента по диоксиду углерода была сбалансирована относительно желаемой используемой температуры регенерации. Если СО₂ и/или N₂О слишком прочно адсорбируется на втором адсорбенте, второй адсорбент не будет достаточно регенерироваться при выбранных условиях регенерации. Настоящими изобретателями было обнаружено, что СаХ, с которого удаляется N₂О при ТSА регенерации при высоких температурах, хотя имеет высокую емкость по N₂О, не способен эффективно десорбировать N₂О и СО₂ в условиях регенерации настоящего изобретения. Также настоящими изобретателями было обнаружено, что цеолиты 13Х с высокой емкостью, такие как NаLSХ с отношением Si/Аl менее чем 1,15, и цеолиты без связующего не подходят для использования в качестве второго адсорбента в настоящем изобретении. Следовательно, упомянутый второй адсорбент должен иметь константу Генри для адсорбции СО₂, измеренную при 30°С, менее чем 1020 ммоль/г/атм. Настоящие изобретатели также обнаружили, что оксид алюминия не подходит для использования в качестве второго адсорбента, и поэтому второй адсорбент имеет максимальную избирательность Генри для СО₂/N₂О, измеренную при 30°С, равную 5, и предпочтительно константу Генри для адсорбции СО₂, измеренную при 30°С, более чем 5,6 ммоль/г/атм. Наиболее предпочтительно упомянутый второй адсорбент выбирают из цеолита NаХ с отношением Si/Аl 1,15 или больше и цеолита 5А.

Константы Генри, измеренные при 30°С для ряда адсорбентов для N₂О и СО₂, и вычисленные избирательности Генри для СО₂ относительно N₂О представлены в таблице 1 ниже:

Таблица 1
Адсорбент	КН СО2 (ммоль/г/атм)	КН N2О (ммоль/г/атм)	Избирательность СО2/N2О
Оксид алюминия Alcan АА-300	5,6	0,45	12,5
UOP 13X	162	63	2,57
UOP 5A	145	54	2,69
СаХ без связующего	1031	1035	1,00
Nа-морденит	366	185	1,98
Са-морденит	374	113	3,31
CaX	1020	503	2,03
К2СО3-пропитанный оксид алюминия (Alcan АА-320)	22,8	0,42	54,3

Можно видеть, что оба оксида алюминия в таблице выше удовлетворяют предпочтительной избирательности, необходимой для первого адсорбента, и что все данные адсорбенты, кроме СаХ, СаХ без связующего и оксида алюминия, удовлетворяют предпочтительным К_Н СО₂ и избирательности Генри СО₂/N₂О, необходимым для второго адсорбента.

Желательно, чтобы температура воздуха, выходящего из слоя адсорбента, не была значительно выше, чем температура потока подаваемого воздуха, так как в криогенной дистилляции воздуха газ, выходящий из слоя адсорбента, затем проходит в теплообменник для охлаждения. В теплообменнике могут возникать механические проблемы, если температура воздуха, подаваемого в теплообменник, превышает приблизительно 70°С. В определенных погодных условиях поток подаваемого воздуха может быть при температуре порядка 50°С. Поэтому предпочтительно, когда температура газа сразу ниже по потоку от слоя адсорбента не превышает 70°С в то время, когда поток подаваемого воздуха проходит в первый и второй адсорбенты ("время в потоке"). Предпочтительно, когда температура газа сразу ниже по потоку от слоя адсорбента превышает температуру потока подаваемого воздуха максимально на 15°С.

Неожиданно настоящие изобретатели обнаружили, что работа адсорбционного цикла до проскока диоксида углерода, как объясняется в настоящем изобретении, не приводит, как могло бы ожидаться из данных Wenning, к импульсу закиси азота, вытесняемому из слоя впереди диоксида углерода, но вместо этого было обнаружено, что проскок диоксида углерода и закиси азота, по существу, одновременны. Без связи с теорией настоящие изобретатели считают, что это может быть потому, что условия регенерации, используемые в настоящем изобретении, не приводят к полному удалению диоксида углерода, адсорбированного на адсорбентах, что может влиять на длины зоны массопереноса для диоксида углерода и закиси азота на адсорбентах так, что проскок обоих компонентов происходит приблизительно одновременно. Это поведение отличается от причин, по которым СаХ найден как подходящий адсорбент для N₂О в способе, в котором используется высокотемпературная регенерация для адсорбции с изменением температуры, что приписано равной избирательности СаХ для N₂О относительно СО₂.

Поэтому данный способ содержит измерение концентрации СО₂ на выходном конце второго адсорбента. Как только достигается выбранная максимальная концентрация СО₂, первый и второй адсорбенты регенерируют. Выбранная максимальная концентрация СО₂ составляет 100 ч./млн, предпочтительно 50 ч./млн; на практике концентрация СО₂ должна быть по меньшей мере 20 ч./млн, чтобы ее можно было детектировать. Эти величины являются средними по времени концентрациями проскока СО₂.

Альтернативно измерение концентрации СО₂ может выполняться только время от времени, а не для каждого периода времени, в течение которого поток подаваемого воздуха проходит в адсорбенты, устанавливая фиксированное время, в течение которого поток подаваемого воздуха проходит в первый и второй адсорбенты до регенерации, и это фиксированное время пересматривается и изменяется, если необходимо, в ответ на последующее измерение концентрации СО₂.

Подходящим образом время, в течение которого поток подаваемого воздуха проходит в первый и второй адсорбенты до регенерации, составляет от 20 мин до 120 мин, предпочтительно от 30 мин до 60 мин. Подходящим образом поток подаваемого воздуха проходит в первый и второй адсорбенты при температуре подачи от 10°С до 70°С, предпочтительно от 20°С до 60°С. Подходящим образом давление подачи составляет от 2 бар (200 кПа) до 50 бар (5000 кПа), предпочтительно от 3 бар (300 кПа) до 30 бар (3000 кПа) и более предпочтительно от 4 бар (400 кПа) до 20 бар (2000 кПа).

Периодическая регенерация предпочтительно происходит, пока используется второй набор первого и второго адсорбентов, чтобы продолжать процесс очистки, причем каждый набор из двух адсорбентов находится в потоке способа очистки и регенерируется попеременно.

Предпочтительно регенерация первого и второго адсорбентов содержит прохождение нагретого регенерирующего газа (продувочный газ) в противотоке через второй и первый адсорбенты в течение периода от 2 мин до 30 мин, предпочтительно от 5 мин до 30 мин, более предпочтительно от 10 мин до 20 мин. Температура продувочного газа должна быть на 10-60°С выше, чем температура исходного газа или температура второго, более холодного регенерирующего газа, в зависимости от того, какая из них выше, и предпочтительно на 10-35°С выше и более предпочтительно на 20-35°С выше, чем температура исходного газа или температура второго, более холодного регенерирующего газа, в зависимости от того, какая из них выше. Кроме того, температура нагретого газа составляет от 20°С до 80°С, предпочтительно не превышает 70°С, более предпочтительно от 20°С до 70°С и наиболее предпочтительно от 40°С до 70°С. Следовательно, регенерация содержит прохождение второго регенерирующего газа при температуре в заданном интервале выше температуры подаваемого воздуха, но меньше, чем температура используемого нагретого газа, в противотоке через второй и первый адсорбенты. Предпочтительно второй регенерирующий газ имеет температуру не более чем на 5°С выше, чем температура подаваемого воздуха. Подходящим образом второй регенерирующий газ может проходить в адсорбенты в течение периода от 10 до 40 мин, предпочтительно от 15 до 30 мин. Регенерирующий газ должен не содержать воды, диоксида углерода, закиси азота или углеводородов, когда углеводороды необходимо удалять из потока подаваемого воздуха, и может подходящим образом состоять из N₂, О₂, СО, Аr, Не, полученного воздуха, обедненного водой и СО₂, и их смесей. В предпочтительном варианте осуществления регенерирующий газ будет состоять из получаемого N₂ или более предпочтительно из отходящего газа N₂ установки (60% О₂/40% N₂). Предпочтительно выбранные условия регенерации приводят к регенерации второго адсорбента путем продувки нагретым газом, то есть в способе типа низкотемпературной ТSА, и к регенерации первого адсорбента путем продувки более холодным газом, то есть в способе РSА-типа, так как это гарантирует достаточную десорбцию СО₂ и N₂О из второго адсорбента, приводя к приемлемой рабочей емкости, минимизируя в то же время энергетические требования десорбции, так как оксид алюминия может эффективно регенерироваться в условиях РSА. Однако, если желательно, первый адсорбент также может полностью или частично регенерироваться путем продувки нагретым газом в способе типа низкотемпературной ТSА.

Чтобы приводить к регенерации адсорбентов, необходимо подавать в адсорбенты на этапе d) общий объем регенерирующего газа, который больше, чем объем подаваемого воздуха, подаваемого в адсорбенты на этапе а). Подходящим образом общий объем используемого регенерирующего газа составляет по меньшей мере 1,2 от объема подаваемого воздуха, подаваемого во время этапа а), и подходящим образом максимально до 4 раз от объема подаваемого воздуха, подаваемого во время этапа а). Настоящее изобретение использует мольное отношение регенерирующего газа к исходному газу меньше чем 1, и поэтому давление используемого регенерирующего газа (второе давление) меньше, чем давление подаваемого воздуха. Подходящим образом второе давление составляет от 0,5 бар (50 кПа) до 2 бар (200 кПа). Обычно второе давление будет немного выше атмосферного давления, такое как 1,1-1,3 бар (от 110 до 130 кПа). Подходящим образом мольное отношение регенерирующего газа к исходному газу составляет от 0,2 до 0,8, предпочтительно от 0,3 до 0,5, например 0,45.

Подходящим образом исходная концентрация СО₂ составляет от 100 до 1000 ч./млн, предпочтительно от 300 до 600 ч./млн. Подходящим образом исходная концентрация N₂О составляет порядка 0,3 ч./млн.

Подходящим образом по меньшей мере 82% N₂О, присутствующего в подаваемом воздухе, удаляется с помощью способа настоящего изобретения, предпочтительно по меньшей мере 85% и более предпочтительно 90%. То есть уровень N₂О предпочтительно снижается до самое большее 18% от его исходного уровня в потоке подаваемого воздуха, предпочтительно самое большее 15% и наиболее предпочтительно самое большее 10%.

Когда поток подаваемого воздуха содержит по меньшей мере один углеводород, выбранный из группы, состоящей из этилена, ацетилена, бутана, пропилена и пропана, уровень упомянутого по меньшей мере одного углеводорода снижается с помощью адсорбции на втором адсорбенте. Предпочтительно по меньшей мере 60% данного или по меньшей мере одного из углеводородов удаляется с помощью способа настоящего изобретения и предпочтительно по меньшей мере 75%, например по меньшей мере 85% и более предпочтительно 90%. Настоящими изобретателями было обнаружено, что углеводород(ы) соадсорбируется на втором адсорбенте с СО₂ и N₂О и что никакого дополнительного второго адсорбента не требуется обеспечивать, чтобы собирать углеводород(ы).

Подходящим образом данный способ дополнительно содержит этап выполнения криогенной дистилляции потока очищенного воздуха, чтобы отделять богатый азотом поток и/или богатый кислородом поток.

Во втором аспекте настоящее изобретение обеспечивает применение устройства, содержащего, в слое адсорбента, слой первого адсорбента, у которого избирательность Генри по СО₂ над N₂О, измеренная при 30°С, составляет по меньшей мере 12,5, и слой второго адсорбента, у которого константа Генри для адсорбции СО₂, измеренная при 30°С, менее чем 1020 ммол/г/атм и у которого избирательность Генри по СО₂ над N₂О, измеренная при 30°С, составляет самое большее 5, где второй адсорбент занимает от 25 до 40% об. от общего объема первого и второго адсорбентов, чтобы снижать уровень воды, диоксида углерода и закиси азота в потоке подаваемого воздуха в способе, в котором по меньшей мере второй адсорбент регенерируется путем прохождения через него нагретого регенерирующего газа и в котором по меньшей мере часть первого адсорбента регенерируется путем прохождения через него второго регенерирующего газа, имеющего температуру ниже, чем температура нагретого регенерирующего газа, в котором нагретый регенерирующий газ имеет температуру, которая составляет от 20°С до 80°С и которая на 10-60°С выше, чем температура потока подаваемого воздуха или второго регенерирующего газа, в зависимости от того, какая из них выше.

Устройство, используемое во втором аспекте данного изобретения, подходящим образом может дополнительно содержать одно или несколько из следующего: вход в слой адсорбента для подачи потока подаваемого воздуха в направлении подачи подаваемого воздуха в контакте с адсорбентами и выход подаваемого газа, клапаны для регулировки течения потока подаваемого воздуха, клапаны для снижения давления газа в контакте с адсорбентами до меньшего давления и вход в слой адсорбента для подачи регенерирующего газа в адсорбенты в направлении, противоположном направлению подачи подаваемого воздуха, и выход регенерирующего газа, клапаны для регулировки потока регенерирующего газа, нагреватель для повышения температуры регенерирующего газа и контрольная система для контроля клапанов и нагревателя. Подходящим образом данное устройство может соответствовать устройству, которое описано со ссылкой на фигуре 1 или фигуре 2.

Все признаки, описанные в связи с любым аспектом данного изобретения, могут быть использованы с любым другим аспектом данного изобретения.

Изобретение будет дополнительно описано со ссылкой на предпочтительный вариант осуществления, показанный на чертежах, где:

фигура 1 показывает устройство, подходящее для выполнения способа настоящего изобретения;

фигура 2 показывает альтернативное устройство, подходящее для выполнения способа настоящего изобретения;

фигура 3 показывает уровень удаления N₂О в РSА способе в зависимости от доли цеолита 13Х в адсорбционном слое;

фигура 4 показывает уровень удаления N₂О в ТSА способе в зависимости от доли цеолита 13Х в адсорбционном слое;

фигура 5 показывает уровень удаления N₂О и средний по времени проскок СО₂ в ТSА способе в зависимости от относительного времени подачи;

фигура 6 показывает уровень удаления N₂О в ТЕРSА способе в зависимости от доли цеолита 13Х в адсорбционном слое;

фигура 7 показывает влияние температуры регенерации и доли цеолита 13Х в адсорбционном слое на уровень удаления N₂О.

Фигура 1 схематично изображает устройство, подходящее для выполнения предварительной очистки воздуха с помощью ТЕРSА способа, описанного в US5614000, и подходящее для использования в настоящем изобретении. Очищаемый воздух подают в основную систему 10 компрессии воздуха на вход 12, в которой он сжимается с помощью многостадийного компрессора с внутренним и последующим охлаждением путем теплообмена с водой. Охлажденный сжатый воздух подают во входной трубопровод 14, содержащий входные контрольные клапаны 16 и 18, к которому присоединена пара резервуаров 20 и 22, содержащих слой адсорбента. Входной трубопровод соединяется мостиком ниже по потоку от контрольных клапанов 16 и 18 с помощью продувочного трубопровода 24, содержащего продувочные клапаны 26, 28, которые служат, чтобы закрывать и открывать соединения между верхним по потоку концом соответствующих резервуаров 20 и 22 с адсорбентом и выпуском 30 через глушитель 32. Каждый из двух слоев 20 и 22 с адсорбентом содержит по меньшей мере два адсорбента. Адсорбент у подающего конца (т. е. у верхнего по потоку конца слоя или со стороны входного трубопровода) обозначается численными обозначениями 34, 34' в соответствующих слоях, а адсорбент у выходного конца (т. е. у нижнего по потоку конца слоя или со стороны выходного трубопровода) обозначается численными обозначениями 36, 36'.

Данное устройство имеет выход 38, присоединенный к нижним по потоку концам двух резервуаров 20, 22 с адсорбентом с помощью выходного трубопровода 40, содержащего выходные контрольные клапаны 42, 44. Выходной трубопровод 40 соединяется мостиком с помощью трубопровода 46 регенерирующего газа, содержащего контрольные клапаны регенерирующего газа 48 и 50. Выше по потоку от трубопровода 46 регенерирующего газа линия 52, содержащая контрольный клапан 54, также соединяет мостиком выходной трубопровод 40.

Под номером 56 обеспечен вход для регенерирующего газа, который присоединен через контрольные клапаны 58 и 60, чтобы вызывать проход через нагреватель 62 или через обходную линию 64 в трубопровод 46 регенерирующего газа.

Работа клапанов может регулироваться не изображенным подходящим программируемым средством измерения времени и управления клапанами, известным в данной области техники.

При работе воздух сжимается в основной системе 10 компрессии воздуха и подается во входной трубопровод 14 и проходит через один из двух резервуаров, содержащих адсорбент. Начиная от положения, при котором воздух проходит через открытый клапан 16 в резервуар 20 с адсорбентом и через открытый клапан 42 на выход 38, клапан 18 во входном трубопроводе будет закрыт, чтобы отсекать резервуар 22 от подачи воздуха для очистки. Клапан 44 также будет закрыт. На этой стадии клапаны 48, 50, 54 и 26 закрыты. Таким образом, слой 20 находится в работе, а слой 22 должен регенерироваться.

Очищаемый воздух входит в подающий конец слоя 20, и вода и диоксид углерода из воздуха адсорбируются на адсорбенте 34. Слой 20 организован так, что вода не будет адсорбироваться на нижнем по потоку адсорбенте 36, так как этот адсорбент представляет собой чувствительный к воде цеолит, и поэтому длину верхнего по потоку адсорбента (оксид алюминия) 34 выбирают так, что зо