專利名稱：低空隙吸附系統(tǒng)及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明提供一種改進的壓力擺動吸附系統(tǒng)，具體地說，本發(fā)明涉及一種快速壓力擺動吸附系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有低空隙體積，改進的流量分配，增強的工藝性能。
為了改進性能，傳統(tǒng)的PSA系統(tǒng)一般用兩個或多個的容器并聯(lián)，用定向閥以交替次序連接壓縮機或真空泵。而且為了充分利用選用的吸附材料，整個PSA工藝循環(huán)過程中要求穿過吸附劑容器的氣體流量必須是穩(wěn)定的。另外，在PSA容器進口和出口區(qū)(即進口和出口以及它們連接的聯(lián)管箱)的空隙體積和壓降對PSA系統(tǒng)的工藝性能有負面影響，在實際工業(yè)操作中必須降低到最小。Ruthven等人公開了一種通過平衡模型用空隙體積估算影響大小的方法。更具體地說，他們在一個簡單的四步循環(huán)中利用一條等溫線研究了空隙體積的影響，其結果表明，大的空隙體積明顯地降低回收率?？上У氖牵撗芯繎糜诶硐霠顟B(tài)，沒有考慮傳質阻力、熱效應和等溫非線性。另外，他們僅僅研究了產品產出端的空隙體積和單一循環(huán)。授予Rouge等人的美國專利5968233公開了用于更實際的氣體分離循環(huán)的空隙影響的一個相似結論。然而，該專利僅著重研究產品產出端的空隙體積。更重要的是，該專利是為氧氣生產成本尋找一個最佳空隙體積，而不是最小空隙體積。
空隙體積影響的變化決定于空隙的位置(相對于吸附劑)，以及決定于在哪一步循環(huán)考慮該空隙。例如，在逆流再生步驟中，產出端空隙中的輕產品氣體在一定程度上作為凈化氣體；然而，這種凈化不如在低壓下控制凈化有效。同時，在均衡化步驟期間，進料端和產出端空隙的氣體和壓縮功能部分回收。然而，在回收過程中壓縮氣體和壓縮功的損失是很顯著的。一般來說，降低空隙體積率有利于改善工藝性能(即，在不考慮流量分配條件和增加生產成本下改進了回收率和能耗等)。
為減少PSA空隙和改善工藝性能的傳統(tǒng)方法一般分成如下幾類(a)帶有改進聯(lián)管箱的容器系統(tǒng)，(b)單-容器系統(tǒng)，(c)活塞傳動PSA系統(tǒng)。
容器系統(tǒng)的設計是一種經典方法，該方法僅僅注重容器或吸附床自身。設計容器用于改善流量分配、使進氣口(進料端)或出氣口(產出端)和吸附劑之間的容器端口(或聯(lián)管箱)的空隙體積最小。授予Smolarek等人的美國專利5759242介紹的一種徑向吸附器和授予Nowobilski等人的美國專利5538544介紹的一種傳統(tǒng)的垂直吸附器是該方法最近的兩個例子。然而，這種容器設計方法在減少空隙體積方面很有限。用給定的流量分配器，僅僅能夠把聯(lián)管箱的空間降低到流量分配不均和壓降在該方法可以接受的水平。另外，該方法并未提及分配管的空隙體積。
在授予Jones等人的美國專利4194892公開的單-容器壓力擺動吸附系統(tǒng)是一個快速壓力擺動吸附系統(tǒng)(RPSA)，該系統(tǒng)采用單個內部填滿細小吸附劑的容器，以及非常短的循環(huán)時間(短到幾秒鐘)。值得指出的是，美國專利4194892的主要目的不是減少空隙體積，而是降低循環(huán)時間和吸附劑用量以及排除多重容器。然而，單-床的使用理論上能消除使用在多重容器PSA中連接不同容器和壓縮機或真空泵的分配管(和它們的空隙)。該單-床PSA的缺點是(1)未提及容器聯(lián)管箱中的空隙體積，和(2)沒有增加儲罐和再循環(huán)組件，產品回收有限(與多容器PSA相比)。
授予Keller等人的美國專利4354859提出了一個壓力擺動參數化的泵抽吸方法。這個系統(tǒng)被稱為活塞傳動PSA系統(tǒng)，使用了兩個同步活塞，給裝在吸附床中心附近的單吸附器加壓和降壓。Farooq等人，分離與提純技術(Separation and Purification Technology)13(1998)181，把該方法應用于氮氣和二氧化碳分離的一種平行通道吸附器。Suzuki等人，吸附(Adsorption)2(1996)111，也把這種方法應用于從空氣中富集氧氣的一種單活塞系統(tǒng)。該方法理論上能消除傳統(tǒng)PSA系統(tǒng)所伴隨的聯(lián)管箱空隙體積。而且，由于活塞的運動能控制流量，就沒有必要使用閥門。然而，活塞傳動PSA系統(tǒng)在工程放大方面遇到了困難。例如，巨大的生產單元通常需要一個很大的活塞。這種尺寸的活塞是很難制造的。同時，如單床PSA一樣，與傳統(tǒng)的多容器PSA相比較，活塞傳動PSA的回收率低。
舉例說明，Garrett和La Cava的歐洲專利申請0879630 A2把活塞傳動PSA概念擴展到具有兩套活塞或隔膜的系統(tǒng)。第一套活塞或隔膜裝在吸附床的頂部和底部影響流體流量，并且第二套活塞或隔膜裝在吸附器側壁上。第二套設備分別在吸附和解吸步驟之前分級增加和降低床壓。Garrett和La Cava的專利申情提出使用兩套比僅僅使用一套更有效的。雖然如此，Garrett和La Cava也承認它的回收率很低。另外，第二套活塞或隔膜使該方法復雜化。
本發(fā)明描述了傳統(tǒng)容器，單容器PSA和活塞傳動PSA系統(tǒng)設計的缺陷。本發(fā)明不僅最小化了每個容器內的聯(lián)管箱的空隙體積，而且改善了壓縮機/真空泵和每個容器之間的分配管的空隙體積。而且，本發(fā)明能夠使用多個壓縮機和/或真空泵來改善流量分配和更進一步降低空隙體積。
本發(fā)明的一個實施方案中，提出了低壓擺動吸附系統(tǒng)，其中流量偏移和壓力脈沖受同一壓力源的影響。這個壓力源可以是一個高壓源或者低壓設備。該系統(tǒng)包括至少一個具有吸附床的容器。進口(進料端)通過一個進口聯(lián)管箱與該容器相連，而出口(產出端)也用一個出口聯(lián)管箱與該容器相連。每個容器的進口與出口聯(lián)管箱的體積之和低于吸附床體積的大約20％。優(yōu)選該體積限制到低于10％，最優(yōu)選低于5％。每個進口都連接一個高壓源或者一個低壓設備。這種結構在圖2a和圖2b中畫出，并在后面將詳細討論。值得關注的是，除徑向床結構以外的幾乎所有床結構都能達到空隙體積低于約20％吸附床。本領域的技術人員都會認識到，如此之低的空隙體積在徑向床結構中是不易實現(xiàn)的。對徑向床而言，本發(fā)明能夠使空隙體積低于50％。
第二個實施方案中，如圖2c中所示，每個容器有一個吸附床，帶有一個進口和出口聯(lián)管箱。每個容器至少有一個出口和多個進口?？拷總€進口裝上一個高壓源或低壓設備。如在第一個實施方案中一樣，每個容器的進口和出口聯(lián)管箱的總體積都被限制低于該容器吸附床體積的20％，更優(yōu)選該體積低于10％，以及最優(yōu)選低于5％。
第三個也是最優(yōu)選的實施方案中，如圖2d所示，各容器有一個吸附床、一個出口聯(lián)管箱和一個進口聯(lián)管箱。此外，各容器至少有一個出口和多個進口。每個進口連接到靠近上述容器安裝的閥門上。所有的閥門共用同一個的高壓源和/或低壓設備。同時，每個容器的進口和出口聯(lián)管箱的總體積都被限制低于這個容器吸附床體積的20％，更優(yōu)選該體積低于10％，最優(yōu)選低于5％。為提高該實施方案的效率，連接在進口閥門和高壓源或低壓設備之間的分配管應分別維持高壓或低壓。這種分配管的總體積也被限制低于吸附床總體積的大約10％。
所有位于進口和壓力源之間的空隙體積可總稱為進料端中間體積。這個進料端中間體積在圖中為S1、S1’、V5、V5’和V4。雖然圖中畫有消音器，空隙源可能是系統(tǒng)的任何組成部分和其相關體積位于進口和壓力源之間并經受壓力變化。因此，“中間體積”這一術語可以包括管道、消音器、罐或者任何其它出現(xiàn)在該位置的空隙源。參照本發(fā)明，中間體積可以被限制低于吸附床總體積的15-20％。
吸附床可以徑向地、垂直地配置成型，或最優(yōu)選配置成一個平板聯(lián)管箱床。另外，高壓源可以是本領域的技術人員所熟悉的任何類型；然而，壓縮機優(yōu)選，如傳統(tǒng)的Roots型壓縮機或線性壓縮機(即，由線性電動機驅動的活塞壓縮機)。本發(fā)明所采用的活塞壓縮機包含不止一個活塞。
可以將低壓設備與上述高壓源相聯(lián)，或作所述高壓源的替代選擇。本發(fā)明的系統(tǒng)中可以采用任何低壓設備；不過，優(yōu)選真空泵。
本發(fā)明的一個目標是為快速PSA方法的縮短循環(huán)時間，縮小進料口(進口)和產出端(出口)的空隙體積。本發(fā)明更進一步的目標是提供一個改進產品氣體產出和改善了吸附劑利用的系統(tǒng)。本發(fā)明的另外一個目標是提供一個降低了與吸附床體積相關的中間體積的系統(tǒng)。而且，更進一步的目標是提供一個有效的低空隙吸附系統(tǒng)，該系統(tǒng)很容易適用于單個或多重床的結構以及各種床結構。本發(fā)明的其它特點和優(yōu)點將從后面的詳細描述以及結合所附附圖后明顯展現(xiàn)出來。
圖2a是一種低空隙體積的單床系統(tǒng)的示意圖。該示意圖顯示的單床帶有連接所述床的一個高壓源和一個低壓設備。
圖2b是一種低空隙體積的雙床系統(tǒng)的示意圖。
圖2c是一種緊連著一個壓縮機和/或真空泵的平板聯(lián)管箱床的示意圖。
圖2d是一種平板聯(lián)管箱床的示意圖，其中進口閥門靠近所述進口聯(lián)管箱安裝。這些進口閥門共用同一個高壓源或低壓設備。
圖3是一種徑向床的示意圖。圖3a是這種徑向床的俯視圖，而圖3b是該徑向床的側視圖。
圖4是一種分段垂直床的俯視示意圖，分隔器分出不同部分，進行PSA過程的不同步驟，如吸附、解吸和均衡化等。
圖5是一種垂直平板床的示意圖。
圖6是一個有代表性的工藝循環(huán)的示意圖。
圖7是空隙對回收率和能量影響的曲線圖。方案A是一種循環(huán)時間快(大約2秒)、回收率低和能耗高的現(xiàn)有技術(如

圖1所示)。方案B是降低了分配管空隙體積的本發(fā)明，如圖2b所示。方案C是有平板聯(lián)管箱的本發(fā)明，如圖2d所示。雙床系統(tǒng)的高壓等于1.5bars和低壓等于0.3bars、氧氣純度等于90％以及循環(huán)時間等于大約1-2s。
具體實施例方式
本發(fā)明提供了一種空隙體積低和工藝性能提高的壓力擺動吸附系統(tǒng)(PSA)，該系統(tǒng)的進出口聯(lián)管箱、填料器、真空分配管和消音器的空隙體積都得到限制。在公開的實施方案中，壓力源，如高壓源和/或低壓設備靠近，或比較靠近容器安裝。本發(fā)明適于采用多重進口和/或多重出口來改善流量分配和進一步降低空隙體積。
從整篇文獻看，“進口”和“進料端”兩個術語交替使用，基本上是同一個意思。同樣，“產出端”和“出口”兩個術語也交替使用，基本上也是同一個意思。
除加強吸附外，與傳統(tǒng)PSA系統(tǒng)性能相比，本發(fā)明獲得了一個快速循環(huán)時間的系統(tǒng)。短的循環(huán)時間可以降低吸附劑總量，使PSA系統(tǒng)更加緊湊，提高了生產率。這個特點對于醫(yī)療應用，如氧氣濃縮器，尤為重要。因此，降低循環(huán)時間在PSA系統(tǒng)的開發(fā)中成為一個中心點。本發(fā)明把傳統(tǒng)的30秒循環(huán)時間降低了一個數量級。
與現(xiàn)有技術的系統(tǒng)相比，本發(fā)明在低空隙體積、流量分配和方法性能方面至少有四個優(yōu)點。第一，本領域的技術員知道，連接容器和高壓源和/或低壓設備的分配管(也叫進料分配管和真空分配管)增加了總空隙體積，由此降低了系統(tǒng)性能。本發(fā)明公開了這些高壓源和/或低壓設備能夠靠近，或比較靠近所述容器安裝，由此消除對這些進料管和真空分配管及其相關的體積的要求。同樣，消音器增加了總空隙體積，并可以如本發(fā)明所公開的那樣減小或消除，以便降低空隙體積和改進系統(tǒng)效率。在此基礎上，與傳統(tǒng)的多重床PSA相比，空隙體積顯著降低，以及方法性能顯著改善。
第二，通過適當采用多重進口和/或出口，將多個高壓源和/或低壓設備靠近，或比較靠近每個容器安裝。這些進口和出口改善了吸附床聯(lián)管箱內的流量分配，并降低了聯(lián)管箱的空隙體積。例如，空隙體積與吸附床體積的比被降到最低。與現(xiàn)有技術提出的PSA系統(tǒng)相比，所得的系統(tǒng)的總空隙體積降低。
第三，這里提出的結構排除了與Suzuki等的活塞傳動系統(tǒng)相關的工程放大困難。在本發(fā)明中，通過使用多重進料，用一套更小的活塞代替一個大活塞。
第四，多床和床與床交互作用可以適用于改進整體性能。
圖1代表一個與現(xiàn)有技術相當的PSA系統(tǒng)。該系統(tǒng)傾向于具有大的分配管體積、聯(lián)管箱體積和循環(huán)時間(大約30秒)。一種結構具有兩個垂直容器10和10’，每一個容器各有一個體積為V1和V1’的吸附床11和11’，選用該結構僅是為了舉例說明，并作為非限制性的代表性實施例。圖1的結構還包括由進口聯(lián)關箱12和12’與吸附床相連的進口13和13’，由出口聯(lián)管箱14和14’與吸附床相連的出口15和15’，一個低壓設備17和一個高壓源19。進口聯(lián)管箱12和12’體積分別為V2和V2’。出口聯(lián)管箱14和14’的體積為V3和V3’。一個傳統(tǒng)的系統(tǒng)一般由以下空隙體積組成1)聯(lián)管箱-進口聯(lián)管箱12和12’和出口聯(lián)管箱14和14’具有的空隙體積。在傳統(tǒng)垂直吸附床結構的情況中，進出口聯(lián)管箱包括的空隙體積相當于吸附床體積的大約16-20％。在徑向吸附床的情況中，進出口聯(lián)管箱包括的空隙體積相當于吸附床體積的大約20-60％。
2)分配管-分配管D1、D2、D3和D4用于連接高壓源和吸附床(填料分配管)以及連接低壓設備和吸附床(真空分配管)，總稱為“進料端管體積”。進料端(進口)管的總體積為V4。分配管D7連接產品罐和吸附床。產品產出端(出口)分配管D7的體積總稱為V7，這些分配管產生的空隙體積大約等于吸附床體積的5-10％。
3)消音器-體積為V5的消音器S1，如位于高壓源或低壓設備與吸附床之間的罐也產生空隙體積。還有，如體積為V8的罐S2可以放在產品產出端。典型地，這些消音器的空隙體積相對于該吸附床體積的約5-10％。
這三類空隙體積的總和就是總空隙體積。在PSA方法中，由于壓力的變化，在這些空隙孔間中存在大量的不可逆功，使能量和工藝性能受到巨大損失。這些能量損失隨高低壓之比的增大而增大。
此外，在吸附床飽和時產品氣體滯留在這些空隙中，并在吸附床再生時損失掉。因此，空襲空間越大意味著更多的產品損失。
本發(fā)明中，通過如下方法得到具有下列空隙體積參數的系統(tǒng)，即將高壓源和/或低壓設備靠近，或比較靠近吸附床安裝，一般安裝在流經吸附床的流體流程上，以便使壓力脈沖和流量偏移受到同一壓力源的影響。 本發(fā)明也公開了消音器、罐、導管和位于進口和壓力源之間的其它不同來源的總空隙體積也同樣限制為吸附床體積的約20％。
在徑向床結構的情況中很清楚，聯(lián)管箱空隙體積一般傾向于較大。因此，對于徑向床而言，等式(1)被修改為 將高壓源和低壓設備靠近，或比較靠近容器安裝，使分配管的體積更小，因而使總空隙體積降低。
在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，床的流化作用、壓降和壓縮機容量通常限制了流速。一個傳統(tǒng)的提高生產率的方法包括減少床長度和增加床截面積。然而，床的長度越短、床直徑越大經常導致空隙體積相對于吸附床體積的比更大。例如，傳統(tǒng)的軸向床PSA系統(tǒng)的總空隙體積比約為30％，以及過程循環(huán)時間約30秒。通過縮短床的長度50％，可以使循環(huán)時間減少50％(即從30s降到15s)，由于進口(進料端)和出口(產品產出端)空隙體積未變，總空隙體積比大約增大一倍(即從30％增大到60％)?？障扼w積比的增大使工藝性能急劇下降。因此，空隙體積的降低是快速PSA系統(tǒng)開發(fā)的關鍵。
圖2a舉例說明本發(fā)明的一個非限制性的實施方案，使用單個垂直床。容器20有一個吸附床21(體積為V1)，帶有一個由進口聯(lián)管箱22(體積為V2)連結該吸附床的進口23。進口23把進料氣或進料氣混合物吸到吸附床21進行純化或其它處理。同樣，出口25由一個出口聯(lián)管箱24(體積為V3)與上述吸附床相連結。在出口25得到處理過的氣體，也叫產品氣體。由進口聯(lián)管箱與每個容器相連接的是高壓源27或低壓設備29。這些源27或設備29可以通過不同的方式與容器相連接；然而，圖2a示意的是使用閥門30和31把高壓源27或低壓設備29與容器20相連接。盡管圖2a畫出了高壓源27和低壓設備29，但這些高壓源和低壓設備可以任意選擇其一，也可以一起選用。
該容器一般填充適于所要產品的吸附劑，如得到氧氣產品的氮氣選擇性吸附劑。高壓源可以是任何類型的壓縮機，如一個傳統(tǒng)的Roots型或線性壓縮機。所述線性壓縮機是用線性電動機驅動的一個活塞壓縮機。這些類型的線性壓縮機有較高的效率和改善的性能。另外，用活塞壓縮機很容易調節(jié)容量或流量；這種特點在醫(yī)用濃縮器中是很有用的。而且，線性壓縮機可以改造成真空泵。雖然任何結構類型的低壓設備都適用于該系統(tǒng)，但優(yōu)選真空泵。高壓源和低壓設備是可以任意選擇其一，也可以一起選用。
圖2b所述是本發(fā)明的雙床實施方案。該實施方案包括兩個容器20和20’，每個容器都有一個吸附床21和21’(體積分別為V1和V1’)，一個進口聯(lián)管箱22和22’(體積分別為V2和V2’)、一個進口23和23’、一個出口聯(lián)管箱24和24’(體積分別為V3和V3’)、一個出口25和25’以及一個高壓源27和27’或一個低壓設備29和29’。高壓源和低壓設備可以任意選擇其一，也可以一起選用。注意導管D5(體積為V4)和閥門32是用于兩容器間的進口與進口的均衡化作用，如果必要進行這樣的均衡。在系統(tǒng)產品產出端(出口)的分配管D7體積為V7。高壓源或低壓設備的任何結合或混用都可以接受。而且，盡管只介紹了雙床/容器，但任意數目的吸附床/容器都可以適當地采用。
圖2b中也畫出了消音器S1、S1’和S2，體積分別為V5、V5’和V8。這些消音器將代表位于進口和壓力源之間的所有空隙源，如消音器、罐、導管等。本技術領域的人員都會認可各種空隙源，而不僅是消音器，可以處在系統(tǒng)之中。消音器體積V5、V5’和V8，分配管體積V4和V7，以及其它空隙源體積V6(未顯示)總稱為中間體積V10(未顯示)，并根據本發(fā)明進行限制。該體積被限制不超過總吸附床體積的大約15-20％。
圖2c顯示了本發(fā)明的另一個非限制性實施方案，使用靠近安裝著壓縮機和/或真空泵的平板聯(lián)管箱床。該實施方案中，高壓源27和低壓設備29非常靠近吸附床21的進口聯(lián)管箱22安裝。在這樣的結構中，至少一個出口25連接容器20的出口聯(lián)管箱24。
因為PSA過程的分離功僅由吸附劑完成，那么為了改善工藝性能，其余空隙(即非吸附劑)的體積，如分配管和吸附器聯(lián)管箱必須降到最小。在傳統(tǒng)的吸附床聯(lián)管箱中，一般只用單個進口和單個出口。為了更好利用吸附劑和工藝性能，要留有一定的體積使分配氣體從進口或出口均一地流過吸附劑。多重進口或出口能夠提供更好的流量分配，并需要更小的聯(lián)管箱體積。進口和出口的數目決定于許多因數，例如產品流量、床的直徑/大小、高壓源/低壓設備的容量等。如果能提供足夠的進口和出口，事實上可以消除流量分配聯(lián)管箱體積，并得到一個如圖2c所示的準平板聯(lián)管箱。與傳統(tǒng)聯(lián)管箱相比，平板聯(lián)管箱的設計能夠節(jié)省高達15-20％(某些例子為5-10％)的150 TDP氧氣板的垂直床結構體積，對于徑向床，大約20-60％(某些例子為10-20％)。
圖2c顯示了本發(fā)明的另一個非限制性實施方案，將兩個平板聯(lián)管箱吸附床21和21’(體積分別為V1和V1’)由分配閥門連接同一個高壓源27(即壓縮機)和/或低壓設備29(例如，真空泵)。閥門36、36’、37和37’代表進口，并可緊靠進口聯(lián)管箱22和22’(體積分別為V2和V2’)安裝。同樣，閥門33和33’代表出口，并可以緊靠出口聯(lián)管箱24和24’(體積分別為V3和V3’)安裝。閥門36和36’連接同一個的分配管D6并共用低壓設備29。閥門37和37′連接同一個的分配管并共用高壓源27。如圖2d的實施方案中，理想地應使分配管D5和D6維持在高壓或維持在低壓，這取決于它們分別將容器連接高壓源還是低壓設備。閥門能夠提供多重平板聯(lián)管箱所需的多個流進口和出口，由此而降低聯(lián)管箱的空隙體積。三通卸料閥門(38和39)和分配管可適用于關閉分配管，以改變壓力，例如在空轉步驟，并維持高壓或維持低壓。因此，分配管的體積(V4和V7)與能量損失和總空隙體積無關或影響很小。在這個實施方案中，一個高壓源和/或一個低壓設備可以滿足整個系統(tǒng)。另一種選擇，可以采用多重高壓源和/或低壓設備。
圖2d也介紹了體積分別為V5、V5’和V8的消音器S1、S1’和S2。這些消音器與分配管體積V4和V7和其它各種體積V6(未顯示)增加了中間體積V10(未顯示)。如上討論，V6不僅包括消音器而是包括進口和壓力源或者產出端(出口)之間的所有空隙體積。根據本發(fā)明，這些空隙源可以限制到不超過整個吸附床體積的總體積15-20％。圖3a和3b所示的徑向床結構也適合于本發(fā)明。圖3a是該床的俯視圖，而圖3b是側視圖。圖3b顯示了一種徑向結構，其中高壓源和/或低壓設備，以及閥門沿著該床的周邊分布。另外，如圖4所示將床分段(或分開，分層)。圖4顯示了一種分段的垂直吸附器結構，其中每段作用如單個吸附床。而且，該床很淺，并呈平行結構排列，其中相鄰兩床(或者間隔間)共用一個填料，排空和產品排出裝置。該系統(tǒng)也可以是如圖5所示的垂直床。
具有基本吸附和解吸步驟的任何工藝循環(huán)都可以適于采用這里公開的結構，以改善空隙體積和效率。如圖6所示，選擇使用兩種吸附器的一個有代表性的PSA循環(huán)僅是為了舉例說明目的。該循環(huán)由如下步驟組成同時進料和產品加壓(FP/PP)吸附和凈化(AD/PG)兩端均衡化(EQ)排空(EV)排空和清洗(EV)均衡化(EQ/FP)在這個循環(huán)中采用了三個有重疊的步驟同時進料和生產(FP/PP)、兩端均衡化(EQ)，以及同時兩端均衡化和進料。這些有重疊的步驟產生連續(xù)進料，因而減少了循環(huán)時間。如圖6所示的工藝循環(huán)中和圖2b所示的雙床系統(tǒng)中，步驟1(FP/PP)中含有氧氣和氮氣的空氣被壓縮，并經過閥門30送到床21。與此同時，高壓氧產物經過閥門33，34和35同時引入床21.當床內的壓力到達吸附水平時，步驟2(AD/PG)開始。部分氧氣開始經過閥門33，34和35從床21流出，并作為產物被收集。在所有的這些時間內，床21’經過閥門31’進行兩個排空步驟(步驟4和5，EV)。當離開床21的氧氣濃度不再符合要求時，關閉閥門34。也關閉閥門31’同時打開閥門30’和32，床21開始步驟3(EQ)，同時床21’進行步驟6(EQ/FP)。當兩床之間壓力大致相等時，均衡化步驟(EQ和EQ/FP)停止，并且進行下半個循環(huán)，其中重復所有的步驟。例如，當床21加料時床21′處理空氣，在此期間閥門33’起到閥門33剛才所起的相同功能，閥門30’起到閥門30剛才所起的相同功能，而閥門31’起到閥門31剛才所起的相同功能。
圖7舉例說明了空隙體積的降低對工藝性能的改善。為此模擬了一個不同空隙體積的簡單空氣分離過程。選擇一種高交換度的LiX沸石(SiO2/Al2O3的比大約為2.0-2.5)作為吸附劑。為這種對比關系，吸附劑粒徑保持一致。操作壓力比(吸附和解吸)大約為5。工藝性能基于氧氣回收率，其中氧氣的產物純度維持在大約90％。氧氣的回收率定義為產物中的氧氣與進料器中的氧氣之比。
圖7舉例說明了空隙體積對快速循環(huán)工藝的性能的影響。例如，所給的傳統(tǒng)軸向床PSA系統(tǒng)(如圖1所示)，其循環(huán)時間大約10秒，以及空隙體積大約14％。為了把循環(huán)時間降低到2秒，床的長度必須減少到原來的1/5。與床長度這樣的減少相應的是空隙體積增加了大約70％。如此之大的空隙體積，使氧氣回收率降低到大約20％，如圖7中情況A所示。因此，在不嚴重損害產品的回收率的情況下，傳統(tǒng)床結構是不能獲得快速循環(huán)時間的。
與之相反，采用本發(fā)明所公開的結構，如圖2b所示可以省去分配管，導致空隙體積降低到大約50％。這樣的降低使得回收率增加到大約25％，如圖7的情況B所示。此外，在本發(fā)明中，如果如圖2c和2d所示采用兩個平板聯(lián)管箱，空隙體積就可以降低到吸附床的百分之幾，導致回收率超過50％，如圖4的情況C所示。這樣，本發(fā)明降低了循環(huán)時間同時顯著提高回收率。
同樣地，因為大量的能量在空隙中損失，空隙體積對能耗有很大的影響。模擬顯示，與具有70％的空隙的情況A相比，本發(fā)明在情況B通過消除分配空隙能夠降低能耗16％，在情況C中通過使用平板聯(lián)管箱，使降低能耗高達50％。應該理解，前面的描連僅是本發(fā)明的舉例說明。本領域的技術員在不背離本發(fā)明的情況下可進行的不同選擇和改進。因此，本發(fā)明將包括所有的在所附權利要求范圍內的這樣的改變、改進和變化。具體地說，本系統(tǒng)在這里雖然提出了單床或雙床的實施方案，它也能適用于更多的床。而且本發(fā)明并不局限于單種吸附劑，也能使用多種吸附劑。并且一個床內的吸附劑可以分層和混合。吸附劑并不一定僅限于上面提及的氮選擇吸附劑，也能采用其它的吸附劑。盡管本發(fā)明方法優(yōu)選在接近常溫常壓下進行，但它也能應用于整個工藝條件范圍，如，壓力、溫度和流速等。
此外，床與床之間的均衡化或相互作用并不限于本發(fā)明所描述的。也能使用其它排列。當該床是一個分段床時，均衡化發(fā)生在段與段之間。而且，本發(fā)明并不僅限于此處描述的實施方案，各種其它結構也合適采用。另外，線性壓縮機并不僅限于上述的線性電動機驅動的活塞壓縮機?？梢允侨魏坞妱拥摹⒋帕Φ?、或音頻驅動的壓縮機。雖然給出的例子都用于空氣分離系統(tǒng)，但本發(fā)明并不僅限于二元空氣分離。本發(fā)明的原理可用于任何類型的分離、提純和回收系統(tǒng)。
權利要求
1.一種低空隙的壓力擺動吸附系統(tǒng)，其中流量偏移和壓力脈沖受相同壓力源的影響，該吸附系統(tǒng)包括(a)至少一個含有吸附床的密封容器，帶有由進口聯(lián)管箱連接該吸附床的至少一個進口，以及由出口聯(lián)管箱連接該吸附床的至少一個出口；(b)其中每個容器的進口聯(lián)管箱和出口聯(lián)管箱的體積之和低于所述容器的吸附床體積的20％；和，(c)其中每個進口連接至少一個壓力源。
2.權利要求1的低空隙的壓力擺動吸附系統(tǒng)，其中每個容器的進口聯(lián)管箱和出口聯(lián)管箱的體積之和低于所述容器的吸附床體積的10％。
3.權利要求1的低空隙的壓力擺動吸附系統(tǒng)，其中所述容器的進口聯(lián)管箱和出口聯(lián)管箱的體積之和低于所述容器的吸附床體積的5％。
4.權利要求1的低空隙的壓力擺動吸附系統(tǒng)，其中所述的吸附床選自平板聯(lián)管箱床、分段床和垂直床。
5.一種低空隙的壓力擺動吸附系統(tǒng)，其中流量偏移和壓力脈沖受相同壓力源的影響，該吸附系統(tǒng)包括(a)至少一個含有徑向吸附床的密封容器，帶有由進口聯(lián)管箱連接該徑向吸附床的多個進口，以及由出口聯(lián)管箱連接該徑向吸附床的至少一個出口；(b)其中每個容器的進口和出口聯(lián)管箱的體積之和低于所述容器的徑向吸附床體積的50％；和，(c)其中靠近每個進口安裝至少一個壓力源。
6.權利要求5的低空隙的壓力擺動吸附系統(tǒng)，其中所述容器的進口聯(lián)管箱和出口聯(lián)管箱的體積之和低于所述容器的徑向吸附床體積的20％。
7.一種低空隙的壓力擺動吸附系統(tǒng)，其中流量偏移和壓力脈沖受相同壓力源的影響，該吸附系統(tǒng)包括(a)至少一個含有吸附床的密封容器，帶有由進口聯(lián)管箱連接該吸附床的至少一個進口，以及由出口聯(lián)管箱連接該吸附床的至少一個出口；(b)其中每個容器的進口聯(lián)管箱和出口聯(lián)管箱的體積之和低于所述容器的吸附床體積的50％；(c)其中每個進口有一個閥門靠近所述容器安裝；和，(d)其中每個閥門共用同一個壓力源。
8.權利要求7的低空隙的壓力擺動吸附系統(tǒng)，其中每個容器的進口聯(lián)管箱和出口聯(lián)管箱的體積之和低于所述容器的吸附床體積的20％。
9.權利要求7的低空隙的壓力擺動吸附系統(tǒng)，其中所述的吸附床選自平板聯(lián)管箱床、分段床、垂直床和徑向床。
10.權利要求7的低空隙的壓力擺動吸附系統(tǒng)，其中中間體積是指位于壓力源和進口之間的，總體積低于該吸附床總體積的15％。
全文摘要
一種低空隙的壓力擺動吸附系統(tǒng),其中流量偏移和壓力脈沖受相同壓力源的影響,該吸附系統(tǒng)包括至少一個含有吸附床的密封容器,帶有由進口聯(lián)管箱連接該吸附床的至少一個進口,以及由出口聯(lián)管箱連接該吸附床的至少一個出口。進口和出口聯(lián)管箱的空隙體積可以限制低于所述吸附床體積的20%,優(yōu)選限制低于10%,并最優(yōu)選限制低于5%,通過高壓源和/或低壓設備靠近,或比較靠近所述吸附床/容器安裝完成。在所有床結構都得到低空隙體積和降低的循環(huán)時間,包括平板聯(lián)管箱床、分段床和垂直床。這樣構成徑向床,使得所述進口和出口聯(lián)管箱的空隙體積低于該徑向吸附床體積的50%,優(yōu)選低于20%,并最優(yōu)選低于10%。
文檔編號B01D53/047GK1347748SQ0114060
公開日2002年5月8日 申請日期2001年9月17日 優(yōu)先權日2000年9月18日
發(fā)明者F·諾塔羅, A·B·斯圖爾特, J·J·諾沃比爾斯基, G·鐘, A·阿查亞 申請人:普萊克斯技術有限公司