本发明涉及一种改进的空气分离用变压吸附过程和装置，适合于制取高纯度氮气，同时还可以制取纯度为90～95%的氧气。 1982年12月，上海化工研究院在空气分离设备用吸附剂技术讨论会上发表的论文中，提出了一种用5A分子筛制取氮气的变压吸附工艺过程。按论文描述的工艺过程，有以下几个问题：（1）吸附结束后，只进行一次顺向清洗，顺向放压后，吸附床进口端部分床层气相和吸附相氧浓度的较高，为了获得99.5%的氮气纯度，需要在87Kpa解吸真空度下解吸，因解吸真空度要求高，能耗增大，单位电耗达0.81kwh/M3（N2），同时真空泵选型困难，氮气产品存在带油现象。（2）真空减压后，床层气相和吸附相氮气浓度高，直接用原料空气充压，吸附剂的利用率降低，装置吸附剂用量增大，另一方面顺向充压结束后，靠近吸附床出口端部分床层，气相和吸附相氮浓度较高，在顺向清洗和顺向放压过程，吸附床出口端流出气作为废气引出装置，氮气的损失增大，回收率降低，实际氮回收率为30%。（3）装置的经济规模受到限制。
本发明的目的在于提供一种改进的用沸石分子筛分离空气的变压吸附过程和装置。它能够在49Kpa的解吸真空度下，生产纯度99.9%的氮气，同时生产纯度为90～95%的氧，以解决现有技术氮气纯度高时回收率低，能量消耗大，装置经济容量小的不足。
本发明的变压吸附过程是这样实现地：原料空气经压缩、干燥后，进入一个至少包括三个吸附床的变压吸附系统中，吸附床填充具有选择性吸附氮气的沸石分子筛，原料空气在通过吸附床床层时，氮气组分优先被沸石分子筛吸附，实现氧和氮的分离，在吸附床的出口端获得纯度为90～95%的氧气，在氮气组分尚未穿透床层出口端之前，停止向吸附床导入原料空气，保持床层压力，用部分氮气产品经提高压力后，对吸附床顺向清洗，顺向清洗过程至少要进行两次，顺向清洗过程，吸附床出口端的流出气含氧量较高时，可作为氧气产品，含氧量较低时，可作为空气干燥器的再生气。至少两次顺向清洗过程是在不同的压力下依次进行的，多次顺向清洗的目的，在于提高床层固相和气相氮气浓度，回收解吸的氧气组分，降低解吸真空度。
顺向放压是提高床层吸附相和气相氮气浓度的另一个有效措施，顺向放压至少进行二次，并与顺向清洗交替进行。顺向放压过程吸附床出口端的流出气，至少有一次用于另一床的逆向充压，以充分回收顺向放压过程床层固相解吸的氧气和床层气相的氧气，至少有一次作为空气干燥器的再生气。顺向放压使吸附床的压力降到一个预先确定的数值后，吸附床进入逆向放压过程，逆向放压时，吸附床进口端流出气作为氮气产品进入平衡器，当吸附床压力接近大气压后，用真空泵使吸附床继续减压，同时，用部分氧气产品，对正处于真空减压的吸附床逆向清洗，以降低床层氮气量，提高吸附剂的利用率。真空泵抽出的氮气产品输入平衡器。
吸附床压力恢复是通过逆向充压和顺向充压过程来实现的，为了防止氮气组分过早穿透床层，用部分氧气产品或另一床顺向放压含氧量较高的流出气对吸附床进行逆向充压，以便提高氧气纯度，降低氮气的损失，顺向充压是在逆向充压之后实施，用原料空气对床层充压，使吸附床恢复到吸附压力。
吸附床经过顺向充压（吸附），顺向清洗、顺向放压，逆向放压，真空减压，逆向充压诸过程后，完成一个循环。
实现本发明的装置的工艺流程是，在至少有三个内部填充沸石分子筛的吸附床组成的系统中，在各吸附床的进口端，有一根导管，其一端与吸附床相接，另一端分成三个带控制阀的支管（空气支管、清洗气支管、真空支管），三个支管分别与空气总管、清洗气总管、真空总管相接。空气总管一端与各空气支管相接，另一端与干燥器干燥空气出口管相接，清洗气总管一端与各清洗气支管相接，另一端串接一只调节阀后与清洗气贮罐相接，真空总管一端与各真空支管相接，另一端分成二路，一路串接一只自动切换阀后，与氮气平衡器相接，另一路与真空泵吸气口相接，真空泵排气口与氮气平衡器相接。氮气平衡器另外还有二根支管，其中之一将氮气产品引出系统，另一根接管与氮气压缩机吸气口相接，氮气压缩机排气口与清洗气贮罐相接。各吸附床出口端有一根导管，其一端与吸附床相接，另一端分成三个带控制阀的支管，即氧气支管、均压支管、废气支管（也可分成二个支管，即氧气支管，废气支管）三支管分别与氧气总管、均压总管、废气总管相接。氧气总管一端与各氧气支管相接，另一端串联一只调节阀后，将产品引出系统，均压总管一端与各均压支管相接，另一端串接一只调节阀后，在氧气总管上串接的调节阀前与氧气总管相接，废气总管一端与各废气支管相接，另一端与干燥器再生气贮罐相接。
下面，结合实施例进一步说明，附图说明如下：
图1.空气分离变压吸附装置系统示意图：
1、真空泵;2、氮气平衡器;
3、氮气压缩机;4、清洗气贮罐;
5A.5B.5C.5D，A.B.C.D床的各进气支管控制阀
6A.6B.6C.6D，A.B.C.D床的各真空支管控制阀
7A.7B.7C.7D，A.B.C.D床的各清洗气支管控制阀
8A.8B.8C.8D，A.B.C.D床的各废气支管控制阀
9A.9B.9C.9D，A.B.C.D床的各氧气支管控制阀
10A.10B.10C.10D，A.B.C.D床的各均压支管控制阀
11、调节阀;12、调节阀;13、调节阀;
14、自动切换阀;15、空气总管;
16.17.18.19，A.B.C.D床进口端导管;
20.21.22.23，A.B.C.D床出口端导管;
24、真空总管;25.清洗气总管;
26.废气总管;27.均压总管;
28.氧气总管;29.产品氮气排出管。
图2、空气分离变压吸附过程循环程序图.
参考图2，原料空气经压缩机压缩、干燥后，经空气总管15导入本系统。
本系统包括A.B.C.D四个吸附床，填充沸石分子筛，吸附床进口端并联三个控制阀，控制阀一端通过导管16.17.18.19分别与A.B.C.D四个吸附床进口端连接，控制阀的另一端分别与空气总管15，真空总管24，清洗气总管25连接，真空总管24又分成两个支路，一个支路与真空泵吸气口连接，另一支路经自动切换阀14与氮气平衡器2连接，真空泵排气口与氮气平衡器连接。氮气平衡器与氮气产品管29连接，清洗气总管25经调节阀13与清洗气贮罐连接，调节阀13用于调节清洗气流量和压力趋于稳定。氮气压缩机排气口与清洗气贮罐连接，吸气口与氮气平衡器连接。
吸附床A.B.C.D的出口端也各自并联三个控制阀，控制阀的一端通过导管20.21.22.23分别与吸附床A.B.C.D出口端连接。控制阀的另一端分别与氧气总管28，均压总管27，废气总管26连接。氧气总管经用于调节氧气产品流量的调节阀11，将氧气产品引出，氧气总管28和均压总管27之间增设了用于调节充压气量，控制充压时间的调节阀12。
本发明使用的“顺向”、“逆向”术语，是以原料空气通过吸附床时气流的方向来定义的。气体流向与原料气流向相同则为顺向，反之为逆向。“放压”术语是指吸附床压力逐渐降低的过程，“充压”术语是指吸附床压力逐渐升高的过程。
参照图2，对本发明过程进行说明
0～15秒：控制阀5A.9A开启，经干燥后压力为0.4MPa的原料空气由空气总管15从吸附床A进口端导管16导入床层.空气在经过吸附床床层时，氮气组分被沸石分子筛优先选择吸附，绝大部分未被吸附的氧气，经控制阀9A进入氧气总管28，作为氧气产品引出系统。此时，B床控制阀10B开启，B床第一次顺向放压，压力由0.4MPa逐渐降低到0.28MPa，B床顺向放压气含氧量较高，通过均压总管27和自动阀10D对D床逆向充压。C床控制阀6C开启，吸附床逆向放压，压力由0.18MPa逐渐降低到大气压。逆放氮气绝大部分经自动切换阀14进入氮气平衡器，少部分经真空泵返回氮气平衡器。
15～35秒，A床继续吸附工况。B床控制阀10B关，8B开启，7B开启，维持B床0.28MPa的压力，用部分经氮气压缩机的氮气产品对B床第二次顺向清洗，B床出口端流出气经废气总管26进入空气干燥器再生气贮罐。自动阀切换14关闭，C床进入真空减压工况，A床出口端流出的氧气产品一部分经调节阀11作为产品气引出系统，另一部分经调节阀12和控制阀10D对D床逆向充压。
35～50秒，A床控制阀5A关闭，7A开启，A床进入第一次顺向清洗保持床层压力0.4MPa，用部分经压缩机的氮气产品沿清洗气总管25导入吸附床A，A床出口端流出气一部分作为氧气产品，由氧气总管28引出系统，另一部分用于C床逆向清洗。B床控制阀7B关闭，B床第二次顺向放压，C床控制阀10D开启继续真空减压，吸附床压力由大气压逐渐降低到-0.05MPa。D床控制阀10D关闭，5D开启，原料空气对D床顺向充压，使吸附床的压力升高到0.4MPa。
50～65秒，A床控制阀7A、9A关闭，10A开启，A床第一次顺向放压，压力由0.4MPa逐渐降到0.28MPa。A床出口端流出气经均压总管27和控制阀10C，对C床逆向充压。B床控制阀6B开启，8B关闭，B床逆向放压，D床控制阀9D开启，D床进入吸附工况。
65～85秒，A床控制阀8A、7A开启，10A关闭，保持吸附床0.28MPa压力，用部分氮气产品对A床第二次顺向清洗，A床出口端流出气经废气总管26进入空气干燥器再生气贮罐，B床真空减压，自动切换阀14关闭。D床继续吸附工况，D床出口端流出气的一部分经氧气总管28作为产品气引出系统，另一部分经调节阀12，控制阀10C对C床逆向充压。
85～100秒，A床控制阀7A关闭，A床第二次顺向放压，压力由0.28MPa降低到0.18MPa，A床出口端流出气经废气总管26进入空气干燥器再生气贮罐。B床控制阀10B开启继续真空减压。C床控制阀10C关闭，5C开启，原料空气对C床顺向充压。D床控制阀5D关闭，7D开启，保持床层0.4MPa压力，用部分氮气产品对D床第一次顺向清洗，D床出口端流出气一部分作为氧气产品引出系统，另一部分用于B床逆向清洗。
100～115秒，A床控制阀8A关闭，6A开启，A床逆向放压，压力由0.18MPa降到大气压，A床进口端流出气绝大部分经自动切换阀14进入氮气平衡器，少部分经真空泵返回氮气平衡器。C床控制阀9C开启，C床进入吸附工况，D床控制阀10D开启，7D、9D关闭，D床第一次顺向放压，D床出口端流出气经均压总管27和控制阀10B对B床逆向充压。
115～135秒，A床进入真空减压工况，真空泵抽出的氮气进入氮气平衡器，一部分作为氮气产品引出系统，一部分作为顺向清洗气。D床控制阀7D.8D开启，10D关闭，D床第二次顺向清洗，D床出口端流出气经废气总管26进入空气干燥器再生气贮罐。B床控制阀10B开启，用C床出口端部分流出气经调节阀12和均压总管27对B床充压。C床继续执行吸附工况。
135～150秒，A床控制阀10A开启继续真空减压，使压力从大气压降到-0.05MPa。B床控制阀10B关闭，5B开启，原料空气对B床顺向充压。C床控制阀5C关闭，7C开启，用部分氮气产品对C床第一次顺向清洗，出口端流出气一部分作为氧气产品引出系统，另一部分用于A床逆向清洗。D床控制阀7D关闭，D床顺向放压，D床出口端流出气经废气总管26进入空气干燥器再生贮罐。
150～165秒，A床控制阀6A关闭，由C床顺向放压出口端流出气对A床逆向充压。B床9B阀开启，进入吸附工况，B床出口端流出气作为产品气引出系统。D床控制阀8D关闭，6D开启，D床逆向放压。
165～185秒，B床继续吸附工况，B床出口端流出气一部分作为氧气产品引出系统，一部分经氧气总管28，经调节阀12和控制阀10A对A床逆向充压。C床控制阀7C开启，8C开启，10C关闭，C床第二次顺向清洗，自动切换阀14关闭，D床进入真空减压工况。
185～200秒，A床控制阀5A开启，10A关闭，原料空气对A床顺向充压，使充压结束的床层压力达到0.4MPa。B床控制阀5B关闭，7B开启，用氮气产品对B床第一次顺向清洗，出口端流出气一部分作为氧气产品引出系统，另一部分用于D床逆向清洗。C床控制阀7C关闭，C床顺向放压。D床继续真空减压，使压力降到-0.05MPa。
至此，在200秒内，每个吸附床均完成一个循环，重复循环操作，可连续获得高纯度氮气和氧气。
本发明提供的参数，也可以根据需要来调整循环时间和过程操作压力。但是，吸附压力与真空减压终压之比低于5∶1是不利的。
下面提供本发明的具体实施参数：吸附床直径800mm，四床，沸石分子筛总量2600Kg。原料空气压力0.4MPa，进吸附床原料空气露点-65℃，CO2含量10PPm，原料空气流量1032m3/h。氮气压力0.8MPa，纯度99.95%，流量586m3/h。氧气压力0.36MPa，纯度93%，流量94.6m3/h。装置总动力消耗221Kw，氮气回收率72.7%，氧气回收率40.7%。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.能生产高纯度氮气，同时还可以生产氧气。2.在制取高纯度氮气时，仍保持较高的氮气回收率;3.能根据需求扩大装置经济规模;4.在制取高纯度氮气时，装置的动力消耗低。