專利名稱：與氧氣或富氧空氣生產(chǎn)相關(guān)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氧氣或富氧空氣的生產(chǎn)，在此生產(chǎn)工藝中，進(jìn)料空氣通過吸附材料，即沸石或具有類似氮氧吸附性能的其它材料，以下稱之為“沸石”，的結(jié)構(gòu)，沸石結(jié)構(gòu)包括至少三個(gè)沸石組件，并在第一和第二階段間歇地操作這些沸石組件，所述第一階段包括從空氣中吸附氮?dú)?，所述第二階段包括從沸石組件解吸附由其吸附的氮?dú)狻?br> 背景技術(shù)：
利用氮?dú)庠诜惺械奈缴a(chǎn)氧氣或富氧空氣屬于發(fā)展前景看好的的技術(shù)領(lǐng)域。存在各種各樣的沸石，并且它們中的許多種已被開發(fā)專門用于氧氣或富氧空氣生產(chǎn)。當(dāng)然，還提出了多種利用所生產(chǎn)的氧氣或富氧空氣的途徑。在WO99/49964中，舉例描述了呼吸空氣設(shè)備或空調(diào)裝置中吸附氮?dú)獾姆惺氖褂谩４送?，吸附氮?dú)獾姆惺谛录夹g(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有用于新應(yīng)用的潛力。
另外，盡管利用吸附氮?dú)獾姆惺a(chǎn)氧氣或富氧空氣屬于發(fā)展前景看好的技術(shù)領(lǐng)域，但還存在進(jìn)一步開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的潛力。現(xiàn)在使用的沸石結(jié)構(gòu)例如總是由于減小的反應(yīng)(即吸附或解吸附)速度而表現(xiàn)出有限的效率，而這又取決于反應(yīng)中過多的熱產(chǎn)生或消耗。更確切地說，壓力增加和溫度升高時(shí)發(fā)生對(duì)氮?dú)獾奈?。然而?dāng)溫度變得太高時(shí)，吸附反應(yīng)的速度降低。另外，通常在壓力減小和溫度降低時(shí)發(fā)生氮?dú)獾慕馕?。然而?dāng)溫度變得太低時(shí)，解吸附反應(yīng)的速度降低。存在這種問題的一個(gè)原因是沸石導(dǎo)熱性差，這意味著沸石結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度將相當(dāng)快地升高或降低到對(duì)反應(yīng)速度有負(fù)面影響的溫度。
還有另一個(gè)問題是實(shí)現(xiàn)利用幾個(gè)沸石組件的有效工藝，即在連續(xù)不斷地利用至少三個(gè)彼此操作性地連接的沸石組件的工藝中如何在接近飽和時(shí)在顧及其吸附性能和功能的前提下充分利用沸石材料。
EP0343799教導(dǎo)了一種二個(gè)或多個(gè)吸附劑組件/床在吸附階段和解吸附階段間歇地運(yùn)行的工藝，運(yùn)行時(shí)熱在組件/床間傳遞。另外，US4165972和EP0537597教導(dǎo)了利用熱交換器裝置加熱和冷卻。EP0537597還教導(dǎo)了在特大規(guī)模的空氣分離廠，可在一個(gè)處理組合內(nèi)并連連接幾個(gè)吸附床，在這種情況下所有床將一起并同時(shí)經(jīng)歷同樣的處理順序。因此，多個(gè)床不能彼此相互串聯(lián)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決上面的問題，并因此為吸附氮?dú)獾姆惺蚓哂信c現(xiàn)在使用的用于氧氣或富氧空氣生產(chǎn)的沸石類似氮氧吸附性能的其它材料(吸附劑)提供新設(shè)計(jì)或技術(shù)。在下文中，將這組材料僅僅稱為“沸石”或“各種沸石”。因此，通過引入以一定的順序工作的串聯(lián)地(連續(xù)地)相互連接的沸石組件，本發(fā)明旨在提供與借助吸附氮?dú)獾姆惺a(chǎn)氧氣或富氧空氣相關(guān)的新的和高效的工藝和裝置。此外，本發(fā)明旨在提供至少與已知裝置同樣有效但尺寸更小的裝置。通過新設(shè)計(jì)和技術(shù)，還解決了由于過多熱的產(chǎn)生或消耗而導(dǎo)致反應(yīng)速度降低的有關(guān)問題。另外，本發(fā)明旨在提供利用吸附氮?dú)獾姆惺a(chǎn)的氧氣或富氧空氣的新應(yīng)用。
通過權(quán)利要求中提供的工藝和裝置解決了這些和其它問題。
因此，提供與引言相應(yīng)的工藝和裝置，其中a)在任何情況下，在操作過程中，所述至少三個(gè)沸石組件中的至少一個(gè)但不是全部在第一吸附階段中工作，所述至少三個(gè)沸石組件中的其余組件在第二解吸附階段中工作，或反之亦然；并且在任何情況下，在操作過程中，其中情形b和c中的任何一個(gè)或二個(gè)都是有效的b)在所述第一吸附階段，運(yùn)行所述三個(gè)沸石組件中的至少二個(gè)，在輸送壓力接近或超過、優(yōu)選大大超過大氣壓下，所述進(jìn)料空氣連續(xù)通過所述至少二個(gè)沸石組件并形成氮?dú)馓荻龋湓谏嫌慰諝馊肟诮M件處最高，在所述連續(xù)組件的下游氧氣或富氧空氣出口組件處最低；c)在所述第二解吸附階段，運(yùn)行所述三個(gè)沸石組件中的至少二個(gè)，輸送壓力釋放的和/或解吸附氣連續(xù)通過所述至少二個(gè)沸石組件并形成氮?dú)馓荻?，其在上游解吸附氣入口組件處最低，在所述連續(xù)組件的下游氮?dú)饣蚋坏獨(dú)怏w出口組件處最高。
因此，本發(fā)明提供串聯(lián)地或順序地相互連接沸石組件的方法，使得每個(gè)單獨(dú)的組件首先在低氮飽和度下工作，然后在較高氮飽和度下工作，等等，直到達(dá)到最終選定的飽和度點(diǎn)，這時(shí)開始對(duì)那個(gè)組件進(jìn)行解吸附。在任何情況下，將進(jìn)料空氣輸入到氮飽和度高(優(yōu)選最高)的沸石組件，這個(gè)沸石組件隨后在下一步驟中切換到解吸附狀態(tài)，其中從氮飽和度高的沸石組件中取出(排出)氮?dú)饣蚋坏諝?。此時(shí)，氧氣或富氧空氣從順序連接的一行吸附組件中的最后一個(gè)沸石組件中被取出(排出)，這個(gè)沸石組件中氮飽和度低。在前面步驟中，那個(gè)氮飽和度低的沸石組件是一行順序連接的解吸附組件中的第一個(gè)。這里，“一行中的最后一個(gè)”和“一行中的第一個(gè)”是指沸石組件序列中與氣體流動(dòng)(吸附時(shí)失去氮?dú)獾目諝饣蚪馕綍r(shí)富集氮?dú)獾慕馕綒?相關(guān)的位置。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，包括沸石組件的沸石結(jié)構(gòu)可設(shè)置得包括沸石組件的一旋轉(zhuǎn)組件。在這種情況下，可逆流輸入進(jìn)料空氣通過多個(gè)沸石組件。在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，旋轉(zhuǎn)組件移動(dòng)一步，這意味著氮?dú)鈽O度飽和的沸石組件移動(dòng)到解吸附位置，在該位置該沸石組件是處于解吸附狀態(tài)下的多個(gè)沸石組件構(gòu)成的一行中的最后的一個(gè)。逆流輸入空氣、氧氣或富氧空氣通過這些解吸附組件，并且這些組件同時(shí)移動(dòng)一步并最終方便地被解吸附，然后它們?cè)俅芜M(jìn)入旋轉(zhuǎn)組件的吸附區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在吸附階段從每個(gè)沸石組件轉(zhuǎn)出熱能，并在解吸附階段將熱能轉(zhuǎn)入沸石組件。優(yōu)選地，借助冷卻介質(zhì)轉(zhuǎn)移從吸附階段轉(zhuǎn)出的所述熱能，借助加熱介質(zhì)轉(zhuǎn)移被轉(zhuǎn)入解吸附階段的所述熱能。在吸附和解吸附沸石組件間進(jìn)行熱交換的情況下，加熱介質(zhì)可與冷卻介質(zhì)相同，或使用不同的介質(zhì)。所需要的任何額外熱能可來自外部加熱介質(zhì)如來自使用氧氣或富氧氣體工藝中或來自一些其它熱源的廢氣。需要的任何額外冷卻作用可來自外部冷卻介質(zhì)如周圍空氣、冷卻水或任何其它合適的冷卻源。一個(gè)選擇是在沸石組件內(nèi)冷卻進(jìn)料空氣形成冷卻介質(zhì)和/或加熱引入的解吸附氣形成加熱介質(zhì)。當(dāng)然，即使沒有熱交換發(fā)生，也可使用外部加熱和冷卻介質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，沸石結(jié)構(gòu)包括至少四個(gè)單獨(dú)的沸石組件，優(yōu)選至少六個(gè)，甚至更優(yōu)選至少九個(gè)單獨(dú)組件。通過變壓工藝和/或通過變溫工藝，優(yōu)選通過變溫工藝，交替操作這些單獨(dú)組件分別用于吸附階段和解吸附階段。應(yīng)認(rèn)識(shí)到單一工藝或裝置中使用的沸石組件的數(shù)量沒有上限，尤其因?yàn)樵趦?yōu)選每個(gè)沸石組件都相當(dāng)小時(shí)。因此，優(yōu)選將每個(gè)單獨(dú)的沸石組件做成細(xì)長(zhǎng)體，優(yōu)選其具有1-1000mm的最大直徑或或橫截面寬度，較優(yōu)選2-100，更優(yōu)選2-50mm，最優(yōu)選2-10mm，并且優(yōu)選其具有100mm-100m的長(zhǎng)度，較優(yōu)選150mm-10m，更優(yōu)選200mm-5m，最優(yōu)選200mm-1m。另外，為形成所述細(xì)長(zhǎng)沸石組件，可由大量形狀較對(duì)稱且能彼此堆積的小塊裝配成每個(gè)沸石組件。優(yōu)選所述細(xì)長(zhǎng)體具有比圓形橫截面棒的圓周長(zhǎng)度大的周邊長(zhǎng)度，其中棒具有與細(xì)長(zhǎng)體橫截面積相等的橫截面積。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，細(xì)長(zhǎng)體緊密堆積或以一些其它彼此靠緊的方式布置，這樣使得能夠進(jìn)行并有利于分別在吸附階段和解吸附階段中正工作的體/組件間的熱交換。作為替換方式，可布置大量較小的沸石物體如球或其它小塊形成沸石組件。在最優(yōu)選情況下，通過吸附和解吸附沸石組件間的熱交換唯一地或至少主要地影響任何熱能轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出沸石組件。
多虧沸石組件相對(duì)較小或至少相對(duì)較薄，因此，在該工藝的每一種情況下，可以通過在吸附和解吸附沸石組件間進(jìn)行的熱交換來改善組件中的反應(yīng)速度。當(dāng)然這意味著應(yīng)優(yōu)選在沸石組件間存在某些類型的熱交換裝置，但沸石組件如此薄的事實(shí)對(duì)低熱導(dǎo)性的負(fù)面影響的反作用一點(diǎn)也不小。熱交換裝置可優(yōu)選地并可相當(dāng)簡(jiǎn)單地由布置在單獨(dú)沸石組件間的金屬層和/或金屬壁架(ledge)組成。然而，還可以使用其它裝置，即本來已知的熱交換裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，在金屬結(jié)構(gòu)上布置沸石組件，優(yōu)選在金屬結(jié)構(gòu)其自身的柵格內(nèi)布置每個(gè)沸石組件，并且還優(yōu)選在金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)布置用于所述熱交換的附加裝置。另外，可在沸石組件外表面和金屬結(jié)構(gòu)間布置引導(dǎo)氣體通過的通道。替代地或結(jié)合地，沸石結(jié)構(gòu)可包括蜂窩狀結(jié)構(gòu)，利用它在沸石結(jié)構(gòu)內(nèi)提供用于氣體穿過的通孔。在附圖描述中將更充分地描述這些方面的細(xì)節(jié)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，對(duì)過程加壓，借此解吸附過程包括釋放壓力以從沸石解吸附氮?dú)獾牡谝徊襟E，和輸送空氣、氧氣或富氧空氣沖洗沸石以從沸石中沖洗出被吸附氮?dú)獾牡诙襟E，借此交替操作所述的單獨(dú)沸石組件分別用于吸附，用于第一解吸附步驟和用于第二解吸附步驟。在下文中，將第二步驟稱作再生步驟。在這個(gè)實(shí)施方式中，在根據(jù)本發(fā)明的工藝和裝置中的現(xiàn)行的最高壓力應(yīng)為例如至少1.5bar，優(yōu)選至少2.5bar，較優(yōu)選至少5bar，更優(yōu)選至少7.5bar和最優(yōu)選10bar過壓力。對(duì)于本發(fā)明某些實(shí)施例和應(yīng)用，壓力可能為100bar高，但通常其不超過50bar，并優(yōu)選不超過30bar過壓力。
根據(jù)剛提及的實(shí)施例的一個(gè)方面，可借助熱泵工藝實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的熱能轉(zhuǎn)移，可選von Platen工藝，使用吸附沸石組件作為熱源和解吸附沸石組件作為熱能冷源(heat energe sinks)進(jìn)行操作。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，可通過進(jìn)行交替的冷卻和加熱改善吸附和解吸附反應(yīng)，以至可達(dá)到基本在恒壓下完成過程(忽略克服流動(dòng)阻力必需的壓差)的程度。如果吸附時(shí)沸石組件冷卻充分，吸附的氮?dú)饬烤透?。然后可通過僅提高溫度實(shí)現(xiàn)后續(xù)的沸石組件解吸附(包括再生)。在這種情況下，吸附步驟和解吸附步驟間的溫差應(yīng)至少為5℃，或更有利地至少為10℃，優(yōu)選至少為20℃，較優(yōu)選至少為50℃，更優(yōu)選至少為100℃，最優(yōu)選至少為200℃。通過建立這樣能使吸附階段的溫度比解吸附階段低的條件，相應(yīng)于剛提及的溫差，將大大提高吸附反應(yīng)和解吸附反應(yīng)的速度。壓力優(yōu)選為大氣壓，借此基本上不需要壓縮進(jìn)料空氣。但是，也可設(shè)想結(jié)合變壓工藝和變溫工藝，借此吸附階段的溫度不需要但優(yōu)選比解吸附階段低。在結(jié)合變壓工藝和變溫工藝的情況下，壓差可高至100bar，但通常不超過50bar，優(yōu)選不超過30bar，更優(yōu)選不超過10bar。最有利地是，變溫工藝占主導(dǎo)地位，在這種情況下壓差不超過2bar，優(yōu)選不超過1bar，更優(yōu)選不超過0.5bar，最優(yōu)選不超過0.2bar。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在能量生產(chǎn)中利用產(chǎn)生的氧氣或富氧空氣。能量生產(chǎn)可包括由熱能、動(dòng)能和電力生產(chǎn)組成的一組形式中的任意一種能量產(chǎn)生形式，優(yōu)選在燃燒過程中，更優(yōu)選在內(nèi)燃機(jī)中。可使用任何可能的燃料用于燃燒過程或內(nèi)燃機(jī)，例如汽油、柴油、烴、煤氣、菜子油甲酯等，但不排除其它燃料。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，在能量產(chǎn)生和/或化學(xué)工藝中的所述利用包括利用氧氣或富氧空氣作為燃料電池，優(yōu)選固體氧化物燃料電池(SOFC)中的反應(yīng)劑。SOFC的原理在其特定技術(shù)領(lǐng)域?yàn)槿怂熘?，表示“電解質(zhì)”為固體形式，例如如ZrO2形式的陶瓷電解質(zhì)或一些其它電絕緣但離子傳導(dǎo)材料。在使用氧氣或富氧空氣的燃料電池內(nèi)的反應(yīng)可以是任何已知或還未知的反應(yīng)，例如基于氫氣和氧氣作為反應(yīng)物的、基于烴和氧氣作為反應(yīng)物的和/或基于一氧化碳(優(yōu)選與氫氣混合)和氧氣作為反應(yīng)物的。在后一情況下，既可有利地使用根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的氧氣或富氧空氣用作燃料電池本身中的氧氣反應(yīng)物，也可用作重整氣形式的一氧化碳和氫氣混合物生產(chǎn)的反應(yīng)物。在本來已知的重整氣生產(chǎn)中，碳或烴通過與蒸汽和/或空氣反應(yīng)重整成為一氧化碳和氫氣。在目前情況下，用通過氧氣或富氧空氣而不是普通空氣作為反應(yīng)物生產(chǎn)得到的重整氣對(duì)燃料電池中的能量生產(chǎn)極其有效，因?yàn)榕c空氣作為氧氣源產(chǎn)生的重整氣相比，它具有降低的氮?dú)?N2)含量。另外，當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明的氧氣或富氧空氣產(chǎn)生重整氣時(shí)，可以H2O的形式加入相當(dāng)大部分的氧氣。這能夠在產(chǎn)生的氣體中提供提高的氫氣(H2)含量，這對(duì)于燃料電池來說尤其有利。當(dāng)然，剛才關(guān)于燃料電池反應(yīng)物的敘述對(duì)于其它化學(xué)過程或能量生產(chǎn)過程用反應(yīng)物也是正確的。
在大的運(yùn)載工具或建筑物如宇宙飛船、卡車或冶金廠、化工廠或電廠中，可在單個(gè)沸石結(jié)構(gòu)內(nèi)布置數(shù)量高達(dá)1000000個(gè)的沸石組件。然而，對(duì)于常規(guī)汽車等中的應(yīng)用，在單個(gè)沸石結(jié)構(gòu)內(nèi)的組件數(shù)量?jī)?yōu)選較少，但要使沸石結(jié)構(gòu)的總直徑或最大寬度為300mm，優(yōu)選至多200mm，更優(yōu)選至多100mm。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，與空氣相比，氧氣或富氧空氣能在消耗氧氣的地方例如在燃燒物的表面或燃料電池中膜的氧化側(cè)表面上產(chǎn)生較薄的阻氣層。因此，過程能進(jìn)行得較快并且能量產(chǎn)生裝置因此比傳統(tǒng)裝置小。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，可在任何已知的氧氣消耗工藝或設(shè)備例如呼吸設(shè)備中使用產(chǎn)生的氧氣或富氧空氣，但不排除在其它工藝或設(shè)備中使用。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，將工藝中解吸附的氮?dú)庥糜诶鋮s用途，優(yōu)選用于內(nèi)燃機(jī)的冷卻，用于燃料電池的冷卻或用于冷卻輸入的空氣，可選擇地是輸入的壓縮空氣，的冷卻。這在氮?dú)鉁囟扔捎诒会尫哦鋲毫Χ档偷那闆r下尤其有效。作為替換方式，可使用解吸附氮?dú)庥糜诟稍?，?yōu)選用于進(jìn)料空氣進(jìn)入工藝/裝置所用干燥物質(zhì)的再生干燥。這類干燥物質(zhì)還可有利地由沸石結(jié)構(gòu)構(gòu)成，這種特定沸石適用于水或濕氣吸附并且是最適合的。一個(gè)特別有意思的原理是使用低溫解吸附氮?dú)庥糜诶鋮s用途，如上面提到的，并隨后將加熱的氮?dú)庥糜诟稍铩?br> 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，可在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工藝內(nèi)結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的工藝/裝置。當(dāng)這樣做時(shí)，將意味著來自所述能量生產(chǎn)和/或來自所述化學(xué)工藝的廢氣在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)釋放壓力，釋放壓力過程中產(chǎn)生的能量用于壓縮根據(jù)本發(fā)明的工藝/裝置所使用的進(jìn)料空氣。這還將具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即由于釋放壓力時(shí)廢氣溫度降低，從而可將氣體中的相應(yīng)熱能用于壓縮根據(jù)本發(fā)明的工藝/裝置的加壓實(shí)施方式所使用的進(jìn)料空氣。
所用沸石的類型自然適用于從空氣中吸附氮?dú)獠⑶沂亲钸m合的。此外，應(yīng)優(yōu)選使其充分適于形成細(xì)長(zhǎng)體，優(yōu)選通過擠壓。在由大量短或小塊制備成細(xì)長(zhǎng)沸石體的實(shí)施例中，還可使用擠壓、鑄造或非常適于生產(chǎn)致密形狀的沸石塊的一些其它方法。另外，沸石應(yīng)具有相當(dāng)高的機(jī)械強(qiáng)度，尤其是為了承受例如在如內(nèi)燃機(jī)中自然發(fā)生的振動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在保持沸石最佳熱傳導(dǎo)性能的同時(shí)，沸石應(yīng)具有適于分別使氮?dú)馕胶偷獨(dú)饨馕綍r(shí)間最短的孔結(jié)構(gòu)。


在下文中，將結(jié)合附圖所示優(yōu)選實(shí)施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中圖1用方框示了根據(jù)本發(fā)明的氧氣或富氧空氣生產(chǎn)工藝，其工藝被結(jié)合到渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工藝中。
圖2用透視示了沸石結(jié)構(gòu)，其中沸石結(jié)構(gòu)包括多個(gè)布置于金屬結(jié)構(gòu)中的單獨(dú)細(xì)長(zhǎng)沸石組件。
圖3A-F以截面示了根據(jù)本發(fā)明沸石組件的多種可能的設(shè)計(jì)，以及它們?nèi)绾伪舜讼鄬?duì)布置。
圖4A-D圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的交替加熱和冷卻沸石組件的各個(gè)階段。
圖5A-C圖示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中沸石結(jié)構(gòu)布置為旋轉(zhuǎn)組件。
圖6A-C圖示了圖5A-C中的布置原理，作了進(jìn)一步的描述。
圖7A-B圖示了作為旋轉(zhuǎn)組件布置的沸石結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?br> 具體實(shí)施例方式
首先，結(jié)合圖1-4論述工藝和裝置的一些通用方面。結(jié)合圖5-6更詳細(xì)地論述創(chuàng)造性概念。
在圖1中，圖示了根據(jù)本發(fā)明的氧氣或富氧空氣生產(chǎn)工藝方框圖。在所示工藝中，氧氣或富氧空氣被用于能量生產(chǎn)或化學(xué)工藝。另外，將根據(jù)本發(fā)明的工藝結(jié)合到渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工藝中。更確切地說，示出了吸入空氣10，空氣在干燥器12內(nèi)干燥，干燥器可有利地基于用沸石作為干燥物質(zhì)，沸石適用于吸取空氣中的水或濕氣并且是最適合的。在壓縮機(jī)14內(nèi)將干燥空氣壓縮至按照上面所述的工藝所需最高壓力。作為替換方式(未示出)，可在壓縮機(jī)14下游布置干燥器12。然后，將干燥的壓縮空氣通過入口16輸送到根據(jù)本發(fā)明的沸石結(jié)構(gòu)18中。在沸石結(jié)構(gòu)18內(nèi)，從進(jìn)料空氣中吸附氮?dú)?。然后間歇解吸附氮?dú)獠⑼ㄟ^出口20從沸石結(jié)構(gòu)內(nèi)抽出。
沸石結(jié)構(gòu)18具有氧氣或富氧空氣出口22，富氧空氣氧含量至少為25％，優(yōu)選至少為40％，更優(yōu)選至少為60％，有利地是從80％直到100％或至少到95％。根據(jù)本發(fā)明，隨后將氧氣或富氧空氣用于工藝裝置24中的能量生產(chǎn)或化學(xué)工藝。因此，圖1中的工藝裝置24可表示如內(nèi)燃機(jī)或燃料電池或按照上面所述的其它裝置。用附圖標(biāo)記26表示能量輸出。通過出口28抽出來自工藝裝置24的廢氣，并在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)30內(nèi)釋放廢氣壓力。根據(jù)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理，可將渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)30內(nèi)釋放廢氣壓力時(shí)得到的能量用于壓縮壓縮機(jī)14中的進(jìn)料空氣，如管線32所示。同樣，解吸附并通過出口20從沸石結(jié)構(gòu)18中抽出的加壓氮?dú)?或者說是富氮空氣)在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)34內(nèi)釋放壓力，由此得到的能量，如管線36所示，可在壓縮機(jī)14內(nèi)利用。
當(dāng)解吸附氮?dú)忉尫艍毫?，其溫度?huì)降低，這意味著可將其有利地用于冷卻用途。在圖1情況下，冷的氮?dú)庋毓芫€38被輸送到工藝裝置24中，以便將其用于內(nèi)燃機(jī)、燃料電池或符號(hào)24表示的任何工藝內(nèi)的冷卻。借此能重新加熱氮?dú)獠㈦S后再次用于干燥。在圖1中，已示出如何將加熱的氮?dú)庋毓芫€40輸送回干燥器12，以便將其用于其中干燥物質(zhì)的再生干燥。
在圖2中，示出了如何在金屬結(jié)構(gòu)52內(nèi)布置幾個(gè)單獨(dú)沸石組件50a-c的優(yōu)選實(shí)施例，金屬結(jié)構(gòu)具有多個(gè)單獨(dú)的柵格54用于各個(gè)單獨(dú)的沸石組件50a-c。在所示實(shí)施例中，示出了九個(gè)單獨(dú)的柵格54和相應(yīng)的九個(gè)單獨(dú)沸石組件50a-c，但應(yīng)認(rèn)識(shí)到根據(jù)上面的描述，柵格和組件的數(shù)量可同時(shí)更少或更多。沸石組件50a-c由彼此相對(duì)緊密布置的狹窄細(xì)長(zhǎng)體組成，以便有助于多個(gè)單獨(dú)組件間的熱交換。例如，如果在這樣一種工藝情況下，即操作多個(gè)組件50a用于吸附并且這些組件中的溫度因此升高，以及多個(gè)操作組件50b用于第一解吸附步驟并且這些組件中的溫度因此降低，那么由于在吸附和解吸附組件間發(fā)生熱交換，所以吸附和解吸附過程的效率都能提高。在同樣情況下，操作組件50c用于第二解吸附步驟，即使它們?cè)偕?。沸石組件50a-c的狹窄形狀大大有助于熱傳遞并抵消了沸石熱傳導(dǎo)性差的這種因素。另外，金屬結(jié)構(gòu)52增強(qiáng)了單獨(dú)沸石組件50a-c間的熱傳遞。當(dāng)吸附和解吸附過程進(jìn)行時(shí)，組件50a、50b和50c交替工作分別用于吸附、第一解吸附步驟和第二解吸附步驟。由于熱交換，將改善吸附和解吸附反應(yīng)并且交替的操作循環(huán)可因此快速和有效。
在圖2中，還用符號(hào)表示了如何由彼此堆積的大量小塊51構(gòu)成沸石組件50a-c，以形成細(xì)長(zhǎng)體。
在圖3A-F中，示出了沸石組件50和在其中布置它們的金屬結(jié)構(gòu)52的各種可能的截面設(shè)計(jì)。在圖3A中，示出了如何形成沸石組件50的表面，以提供比圓形橫截面的棒的圓周長(zhǎng)度大的周邊長(zhǎng)度的例子，其中棒具有與沸石組件橫截面積相等的橫截面積。更具體地說，每個(gè)沸石組件50的表面具有多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的凹槽，優(yōu)選至少4個(gè)凹槽。另外，這有利地提供了布置附加熱交換裝置的可能，在這里，金屬壁架60的形式為從金屬結(jié)構(gòu)52伸出并進(jìn)入到沸石組件50的成形表面。在圖3A-F中，分別示出了截面設(shè)計(jì)，即正方形設(shè)計(jì)、矩形設(shè)計(jì)、半月形設(shè)計(jì)和三角形設(shè)計(jì)。應(yīng)認(rèn)識(shí)到這些設(shè)計(jì)僅僅構(gòu)成用來表明可使用多種形狀的例子。
如圖2所示以及圖3A-F更詳細(xì)的說明那樣，沸石組件50可具有氣體(空氣、富氧空氣、氧氣、富氮空氣或氮?dú)?通過的通孔56。如同沸石技術(shù)中本來已知的，這些通孔56優(yōu)選形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)。替換地或結(jié)合地，如圖3D-E所示，可在沸石組件50的外表面和金屬結(jié)構(gòu)間提供氣體通過的通道58。可由例如上面提到的凹槽構(gòu)成這些通道58。應(yīng)認(rèn)識(shí)到提供通道58與沸石組件(或體)50的截面設(shè)無關(guān)。
在圖3F中，示出了如何在金屬結(jié)構(gòu)52其中的柵格54中間提供通道61。如圖所示，這些通道61可具有變化的橫截面積。它們的用途是為加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)構(gòu)成通過沸石結(jié)構(gòu)的通道。在這種情況下，優(yōu)選在工藝的同一階段內(nèi)同時(shí)操作設(shè)備內(nèi)的所有沸石組件50。因此，優(yōu)選布置至少二個(gè)這種類型的沸石結(jié)構(gòu)，操作其中一個(gè)用于吸附，而操作另一個(gè)用于解吸附，反之亦然。
在圖4A-D中，用符號(hào)表示了根據(jù)本發(fā)明的四個(gè)不同工藝階段A-D，其中交替進(jìn)行冷卻時(shí)的吸附和加熱時(shí)的解吸附。在該圖中，實(shí)線表示開通管道，而虛線表示閉合管道。二個(gè)沸石結(jié)構(gòu)18′和18″各自構(gòu)成如圖1所示的沸石結(jié)構(gòu)18，分別包括至少三個(gè)沸石組件，優(yōu)選大量沸石組件，盡管為簡(jiǎn)明只示出了二個(gè)組件50a、50b。為在加熱或冷卻介質(zhì)和沸石間獲得最佳的熱傳遞，優(yōu)選根據(jù)圖3F的原理布置沸石結(jié)構(gòu)18′、18″。另外，如圖1所示的管線16、20和22在這里包括各自的支線用于每個(gè)沸石結(jié)構(gòu)18′、18″，各自的支線分別表示為16a、16b、20a、20b、22a和22b。
在圖4A所示階段A中，操作沸石結(jié)構(gòu)18′用于吸附，操作沸石結(jié)構(gòu)18″用于第一解吸附步驟，因此，借助閥70、72和74開通管道16a、20b和22a，而關(guān)閉管道16b、20a和22b。通過閥76和管道62、62b從加熱介質(zhì)源80供應(yīng)加熱介質(zhì)來直接或間接加熱解吸附沸石結(jié)構(gòu)18″。通過閥78和管道64、64a從冷卻介質(zhì)源82供應(yīng)冷卻介質(zhì)來直接或間接冷卻吸附沸石結(jié)構(gòu)18′。通過管道20、20b抽出解吸附的富氮?dú)怏w，通過管道22、22a抽出富氧氣體。在圖中，還用符號(hào)表示了熱交換裝置66(如圖2和3所示的金屬結(jié)構(gòu)52和60)。裝置66還可表示熱泵。
在圖4B所示階段B中，仍操作沸石結(jié)構(gòu)18′用于吸附，但操作沸石結(jié)構(gòu)18″用于第二解吸附步驟。因此，開通管道22b以便富氧空氣能從沸石結(jié)構(gòu)18″中趕出氮?dú)狻?br> 在圖4C所示階段C中，操作沸石結(jié)構(gòu)18′用于第一解吸附步驟，操作沸石結(jié)構(gòu)18″用于吸附。因此，開通管道16b、20a和22b，而關(guān)閉管道16a、20b和22a。通過管道62、62a供應(yīng)加熱介質(zhì)直接或間接加熱解吸附沸石結(jié)構(gòu)18′，通過管道64、64b供應(yīng)冷卻介質(zhì)直接或間接冷卻吸附沸石結(jié)構(gòu)18″。通過管道20、20a抽出解吸附的富氮?dú)怏w，通過管道22、22b抽出富氧氣體。
在圖4D所示階段D中，仍操作沸石結(jié)構(gòu)18″用于吸附，但操作沸石結(jié)構(gòu)18′用于第二解吸附步驟。因此，開通管道22a以便富氧空氣能從沸石結(jié)構(gòu)18′中趕出氮?dú)狻?br> 在階段D后，連續(xù)重復(fù)該循環(huán)。盡管是結(jié)合二組件沸石結(jié)構(gòu)來說明交替操作原理，但應(yīng)認(rèn)識(shí)到即使沸石結(jié)構(gòu)包括大量單獨(dú)的沸石組件，也可利用同樣原理。在那種情況下，可控制包括冷卻和加熱的交替操作以獲得該裝置和該工藝的最佳效率。另外，應(yīng)認(rèn)識(shí)到可在沒有外部加熱和冷卻介質(zhì)時(shí)利用圖4A-D所示原理，從而使用熱交換器裝置或熱泵66進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)移。另外，可在吸附和解吸附階段間沒有壓差或壓差較小或壓差較大的情況下完成上述工藝。
圖5A-C顯示了在其中沸石結(jié)構(gòu)18包括旋轉(zhuǎn)組件的本發(fā)明的實(shí)施例。在這里，設(shè)備18包括第一側(cè)18a，其被通過管道64a供應(yīng)的冷卻介質(zhì)冷卻，和第二側(cè)18b，其被通過管道62b供應(yīng)的加熱介質(zhì)加熱。旋轉(zhuǎn)組件包括至少二個(gè)串聯(lián)布置且它們中間具有隔壁(partition wall)52的沸石組件50a、50b，并優(yōu)選在每個(gè)沸石組件50a、50b內(nèi)部有導(dǎo)熱體60。旋轉(zhuǎn)組件優(yōu)選以與沸石組件50a、50b的數(shù)量相應(yīng)的增量(increment)轉(zhuǎn)動(dòng)，在所示情況下，步幅(steps)為順時(shí)針方向45°。在冷卻側(cè)18a，空氣16a進(jìn)入吸附組件序列末端的沸石組件50a，即在下一步中其將移動(dòng)到設(shè)備解吸附側(cè)18b。引導(dǎo)空氣/氣體16a逆流通過設(shè)備18的吸附冷卻側(cè)18a中的沸石組件50a。在這些組件的每個(gè)之間布置管道53a等，以引導(dǎo)組件間的空氣/氣體。當(dāng)沸石組件50a適宜地用氮?dú)怙柡蜁r(shí)，它被移動(dòng)到解吸附側(cè)18b。通過管道22a抽出氧氣或富氧空氣，通過管道22a到設(shè)備18的吸附(優(yōu)選)冷卻側(cè)18a，進(jìn)入沸石組件50a中。部分氧氣或富氧空氣被引導(dǎo)到解吸附組件序列末端的沸石組件50b，即在下一步中其將移到到設(shè)備的吸附側(cè)18a。逆流引導(dǎo)這種沖洗氧氣或富氧空氣22b通過設(shè)備18的解吸附加熱側(cè)18b中的沸石組件50b。在這些組件每個(gè)之間布置管道53b等引導(dǎo)組件間的空氣/氣體。當(dāng)沸石組件50b適宜地解吸附后，它被移動(dòng)到吸附側(cè)18a。通過管道20b抽出氮?dú)饣蚋坏諝鈴墓艿?0b到到設(shè)備18的解吸附(優(yōu)選)加熱側(cè)18b，進(jìn)入沸石組件50b中。
在圖6A-C中，用包括六個(gè)沸石組件50a-f的沸石結(jié)構(gòu)18的例子更詳細(xì)地示出了基本的發(fā)明構(gòu)思。對(duì)與圖1-5中零件對(duì)應(yīng)的零件使用相同的附圖標(biāo)記。應(yīng)理解到圖6A-C中的原理與圖5A-C所示實(shí)施例中的相同，但是組件50a-f優(yōu)選為固定的。因此，借助在不同時(shí)刻工作的不同管道和閥門(未示出)，組件50a-f在工藝流程中間歇運(yùn)行地“移位”。但為了簡(jiǎn)明，在工藝的每個(gè)時(shí)間步內(nèi)(圖6A表示第一步驟，圖6B表示隨后的第二步驟，圖6C表示直接跟在第二步驟后的第三步驟)，只示出在那個(gè)時(shí)刻工作的管道。用N-NNN符號(hào)表示不同沸石組件50a-f內(nèi)的氮?dú)怙柡投?，這里N為最低飽和度，NNN為最高飽和度。按照相對(duì)應(yīng)的方式，用符號(hào)B-O-OOO表示此時(shí)通過沸石組件時(shí)氣體中的氧氣濃度，這里B為最低濃度，低于進(jìn)料空氣16a中的氧氣濃度，O接近進(jìn)料空氣16a中的濃度，OOO為最高濃度。熟練技術(shù)人員在理解以下工藝順序步驟時(shí)將沒有任何問題，在工藝順序中沸石組件50a-f經(jīng)常間歇地變換到“飽和位置”。
圖7A-B示出了布置為旋轉(zhuǎn)組件的原型沸石結(jié)構(gòu)18。為簡(jiǎn)明起見，圖7A示出了設(shè)備18頂視圖，而圖7B為設(shè)備18的截面正視圖，設(shè)想好象將其從圓形設(shè)備展開為直線設(shè)備而“沒有任何褶皺”。對(duì)于與圖1-6中零件相對(duì)應(yīng)的零件，使用相同的附圖標(biāo)記。這里，用裝填沸石材料的部分盤饒的管形成每個(gè)單獨(dú)的沸石組件50a、50b。管壁52構(gòu)成單獨(dú)組件間的“隔壁”。每個(gè)沸石管組件50a、50b具有入口管接頭83a和出口管接頭83b。所有沸石管組件50a、50b的入口和出口管接頭83a、83b都裝在下部轉(zhuǎn)盤84上。上部固定板85上裝有分別將一個(gè)入口管接頭83a連接到進(jìn)料空氣管道16a和將一個(gè)出口管接頭83b連接到排出氮?dú)饣蚋坏諝夤艿?0b的第一管接頭87a和87b。上部固定板85還裝有分別將一個(gè)出口管接頭83b連接到排出氧氣或富氧氣體管道22a和將一個(gè)入口管接頭83a連接到引入解吸附氣體管道22b(如氧氣或富氧氣體管道22b)的第二管接頭86a和86b。在具有6個(gè)組件50a、50b的所示實(shí)施方式中，對(duì)于工藝順序的每一步，轉(zhuǎn)盤84旋轉(zhuǎn)加快以便每個(gè)組件50a、50b移動(dòng)一步即60°。優(yōu)選通過冷卻裝置(未示出)如冷氣鼓風(fēng)機(jī)冷卻吸附側(cè)18a，優(yōu)選用加熱裝置(未示出)如熱風(fēng)鼓風(fēng)機(jī)加熱解吸附側(cè)18b。
在圖6A-C中，在圖中顯示出沸石組件50a-c具有向左側(cè)的氣體入口和向右側(cè)具的氣體出口，而在圖中顯示出沸石組件50d-f具有向右側(cè)的氣體入口和具有向左側(cè)氣體出口，這一事實(shí)不表達(dá)任何含意。實(shí)際上，在工藝順序中氣流方向(進(jìn)料空氣、壓縮氣或解吸附氣)在每個(gè)單獨(dú)沸石組件內(nèi)可以被轉(zhuǎn)換或可以是相同的。表1中描述了可想到的幾種可能性。
表1

對(duì)于單獨(dú)組件，“S”是指單獨(dú)組件中氣流方向始終相同，分別與在吸附和解吸附側(cè)內(nèi)的“位置”無關(guān)，對(duì)于單獨(dú)組件，“D”是指分別在吸附和解吸附側(cè)內(nèi)在工藝順序的二個(gè)連續(xù)步驟中氣流方向不同，對(duì)于整個(gè)沸石組件系統(tǒng)，分別在吸附和解吸附側(cè)內(nèi)，“S”是指分別在吸附和解吸附側(cè)內(nèi)，氣流方向在給定工藝順序步驟中對(duì)所有組件而言是相同的，對(duì)于整個(gè)沸石組件系統(tǒng)，分別在吸附和解吸附側(cè)內(nèi)，“D”是指分別在吸附和解吸附側(cè)內(nèi)，氣流方向?qū)τ谒薪M件而言，分別在吸附和解吸附側(cè)內(nèi)，在工藝順序的二個(gè)連續(xù)步驟中是不同的。
作為示例，圖5C所示實(shí)施例為D/D/D/D，圖7A-B所示實(shí)施例為S/S/S/S。
同樣，可設(shè)想到的與單獨(dú)沸石組件內(nèi)氣流方向相關(guān)的冷卻和加熱介質(zhì)流動(dòng)方向的幾種可能性列于表2。
表2

這里容易理解，“并流”是指冷卻或加熱介質(zhì)具有通過或沿著一個(gè)或多個(gè)沸石組件的與氣體(進(jìn)料空氣、壓縮氣或解吸附氣)相同的方向。“逆流”是指冷卻或加熱介質(zhì)具有通過或沿著一個(gè)或多個(gè)沸石組件的與氣體(進(jìn)料空氣、壓縮氣或解吸附氣)方向相反?！敖诲e(cuò)”是指冷卻或加熱介質(zhì)的方向既不是并流也不是逆流，即通常的橫向流，如圖5A所例示。關(guān)于圖3F，應(yīng)理解通道61可作為并流或逆流(但不是交錯(cuò))的加熱或冷卻介質(zhì)流的途徑。然而，盡管未示出，但是可以設(shè)想形成金屬結(jié)構(gòu)52，使得通道61相對(duì)于沸石柵格54為橫向。
可以設(shè)想在進(jìn)料空氣16a和解吸附氣22b進(jìn)入沸石組件前冷卻所述進(jìn)料空氣16a和加熱所述解吸附氣22b，以分別代替供應(yīng)加熱和冷卻介質(zhì)直接加熱和冷卻沸石組件。另外，可對(duì)連接管道53a和53b的沸石組件內(nèi)的氣體分別進(jìn)行冷卻和加熱。(關(guān)于附圖標(biāo)記參考圖5和6)。在這種情況下，將冷卻和加熱歸為并流。例如，可以將氣流冷卻至低于環(huán)境溫度至少5℃和最多低100℃，或加熱至高于環(huán)境溫度至少5℃和最多高100℃。
本發(fā)明不受列出的實(shí)施方式的限制，而可在權(quán)利要求的范圍內(nèi)改變。
權(quán)利要求
1.一種與氧氣或富氧空氣(22)的有關(guān)的方法，在此方法中，輸送工藝進(jìn)料空氣(10，16，16a，16b)通過具有氮氧吸附性能的吸附材料設(shè)備(18)，以下稱吸附材料為“沸石”，該沸石結(jié)構(gòu)包括至少三個(gè)沸石組件(50a-f)，在第一和第二階段間歇操作沸石組件(50a-f)，所述第一階段包括從空氣中吸附氮?dú)?，所述第二階段包括從沸石組件中解吸附(20，20a，20b)由其吸附的氮?dú)?，其特征在于a)在操作過程中的任何情況下，所述至少三個(gè)沸石組件(50a-f)中的至少一個(gè)但不是全部在第一吸附階段工作，所述至少三個(gè)沸石組件(50a-f)中的其余組件在第二解吸附階段工作，或反之亦然；并且還在于在操作過程中的所有情況下，以下情況b和c中的任何一個(gè)或二個(gè)都是有效的b)在所述第一吸附階段使所述至少三個(gè)沸石組件中的至少二個(gè)工作，在接近或超過、優(yōu)選大大超過大氣壓的壓力下，使所述進(jìn)料空氣(10，16，16a，16b)連續(xù)(53a)通過所述至少二個(gè)沸石組件，以形成氮?dú)馓荻?，所述氮?dú)馓荻仍谏嫌慰諝馊肟诮M件處最高，在所述連續(xù)組件的下游氧氣或富氧空氣出口(22)組件處最低；c)在所述第二解吸附階段使所述至少三個(gè)沸石組件中的至少二個(gè)工作，壓力被釋放和/或被解吸附的氣體(22a，22b)連續(xù)地(53b)通過所述至少二個(gè)沸石組件，以形成氮?dú)馓荻龋龅獨(dú)馓荻仍谏嫌谓馕綒怏w入口組件處最低，在所述連續(xù)組件的下游氮?dú)饣蚋坏獨(dú)怏w出口(20a，20b)組件處最高。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法是在基本恒壓下完成的，以使沸石組件(50a-f)內(nèi)的溫度在所述第一吸附階段和所述第二解吸附階段間變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于使沸石組件(50a-f)內(nèi)的溫度和壓力在所述第一吸附階段和所述第二解吸附階段間同時(shí)變化，吸附階段和解吸附階段間的壓差可達(dá)100bar，但優(yōu)選不超過50bar，更優(yōu)選不超過30bar，還更優(yōu)選不超過10bar，還更優(yōu)選不超過2bar，還更優(yōu)選不超過1bar，還更優(yōu)選不超過0.5bar，最優(yōu)選不超過0.2bar。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于在吸附階段從沸石組件中轉(zhuǎn)移出熱能(64a，64b，66，52，60)和在解吸附階段將熱能轉(zhuǎn)移到(62a，62b，66，52，60)沸石組件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于借助冷卻介質(zhì)(64a，64b，66)轉(zhuǎn)移從吸附階段被轉(zhuǎn)移出的所述熱能和借助加熱介質(zhì)(62a，62b，66)轉(zhuǎn)移被轉(zhuǎn)移到解吸附階段的所述熱能。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述沸石結(jié)構(gòu)(18)包括至少四個(gè)單獨(dú)的沸石組件(50a-f)，優(yōu)選至少六個(gè)，更優(yōu)選至少九個(gè)單獨(dú)組件(50a-f)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于通過吸附和解吸附沸石組件(50a-f)之間的熱交換(52，60，66)實(shí)現(xiàn)所述熱能轉(zhuǎn)移。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于借助以吸附沸石組件作為熱源和解吸附沸石組件作為冷源工作的熱泵工藝(66)實(shí)現(xiàn)所述熱能轉(zhuǎn)移。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述解吸附階段包括為從沸石組件解吸附氮?dú)舛尫艍毫Φ牡谝徊襟E和為從沸石中洗出被吸附的氮?dú)舛斔?22a，22b)空氣、氧氣或富氧空氣沖洗沸石組件的第二步驟，由此交替操作所述沸石組件(50a-f)用于做為加壓階段的所述吸附階段、所述解吸附階段的第一步驟和所述解吸附階段的第二步驟。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于隨后在能量生產(chǎn)、冶金和/或化學(xué)工藝、其它一些氧氣消耗工藝中利用(24)產(chǎn)生的所述氧氣或富氧空氣(22)或用作呼吸氣。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述能量生產(chǎn)(24，26)包括由熱能、動(dòng)能和電力生產(chǎn)組成的組中的任一能量生產(chǎn)，優(yōu)選在燃燒工藝中，更優(yōu)選在內(nèi)燃機(jī)中。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于在能量生產(chǎn)和/或化學(xué)工藝(24，26)中的所述利用包括利用氧氣或富氧空氣作為燃料電池，優(yōu)選固體氧化物燃料電池中的反應(yīng)物。
13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于將被解吸附的氮?dú)?20，20a，20b)用于冷卻用途(38)，優(yōu)選用于內(nèi)燃機(jī)(24)的冷卻、燃料電池(24)的冷卻或進(jìn)料空氣(10，16，16a，16b)的冷卻，和/或用于干燥用途(40)，優(yōu)選用于進(jìn)料空氣(10，16，16a，16b)所用干燥物質(zhì)(12)的再生干燥。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于將其結(jié)合到渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工藝(14，30，32)中，來自所述能量生產(chǎn)和/或所述化學(xué)工藝(24，26)的廢氣(28)被釋放壓力(30)，釋放壓力時(shí)回收的能量(32)用于壓縮(14)所述進(jìn)料空氣(10，16，16a，16b)。
15.一種用于生產(chǎn)氧氣或富氧空氣(22)的裝置，包括用于進(jìn)料空氣進(jìn)入并通過具有氮氧吸附性能的吸附材料結(jié)構(gòu)(18)的入口(10，16，16a，16b)，以下稱吸附材料為“沸石”，所述沸石結(jié)構(gòu)包括至少三個(gè)被布置用于從空氣中吸附氮?dú)獾姆惺M件(50a-f)，并且還包括用于在第一和第二階段間歇操作所述沸石組件的裝置(70，72，74；83a，83b，84，85，86a，86b，87a，87b)，所述第一階段包括從空氣中吸附氮?dú)?，所述第二階段包括從沸石組件中解吸附(20，20a，20b)由其吸附的氮?dú)?，其特征在于a)所述用于間歇工作的裝置的(70，72，74；83a，83b，84，85，86a，86b，87a，87b)被布置用于在第一吸附階段操作所述至少三個(gè)沸石組件(50a-f)中的至少一個(gè)但不是全部，并在第二解吸附階段操作所述至少三個(gè)沸石組件(50a-f)中的其余組件，或反之亦然；還在于b)管道裝置(53a)被布置用于將所述三個(gè)沸石組件中的至少二個(gè)可操作地并連續(xù)地連接到用于所述第一吸附階段的所述進(jìn)料空氣入口(10，16，16a，16b)，和/或c)管道裝置(53b)被布置用于將所述三個(gè)沸石組件中的至少二個(gè)可操作地并連續(xù)地連接到用于所述第二解吸附階段的被釋放的氣體和/或解吸附氣體入口(22a，22b)，。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于所述裝置還包括在吸附階段將熱能轉(zhuǎn)移出所述沸石組件和在解吸附階段將熱能轉(zhuǎn)移到所述沸石組件的裝置(52，60，62a，62b，64a，64b，66，80，82)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于所述用于轉(zhuǎn)移熱能的裝置包括冷卻介質(zhì)源(82)和用于利用冷卻介質(zhì)冷卻沸石組件(50a-f)的裝置(64，64a，64b)，以及加熱介質(zhì)源(80)和用于利用加熱介質(zhì)加熱沸石組件的裝置(62，62a，62b)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15-17中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于所述沸石結(jié)構(gòu)(18)包括至少四個(gè)單獨(dú)的沸石組件(50a-f)，優(yōu)選至少六個(gè)，更優(yōu)選至少九個(gè)單獨(dú)的組件。
19.根據(jù)權(quán)利要求15-18中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于用于按照以下二個(gè)步驟完成所述解吸附階段的裝置釋放壓力以從沸石組件(50a-f)中解吸附氮?dú)獾牡谝徊襟E和輸送(22a，22b)空氣、氧氣或富氧空氣沖洗沸石組件以從沸石中沖洗出被吸附的氮?dú)?20，20a，20b)的第二步驟，由此布置所述沸石組件(50a-f)以被交替操作，用于做為加壓階段的所述吸附階段、所述解吸附階段的第一步驟和所述解吸附階段的第二步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求15-19中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于所述沸石結(jié)構(gòu)(18)包括布置成旋轉(zhuǎn)組件的沸石組件(50a-f)。
21.根據(jù)權(quán)利要求16的所述裝置，其特征在于所述轉(zhuǎn)移熱能的裝置包括被設(shè)置以所述吸附沸石組件作為熱源和以所述解吸附沸石組件作為冷源工作的熱泵(66)。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于所述轉(zhuǎn)移熱能裝置包括用于所述吸附和解吸附沸石組件(50a-f)之間的熱交換的裝置(52，60，66)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于將每個(gè)沸石組件(50a-f)成形為細(xì)長(zhǎng)體，其優(yōu)選具有1-1000mm的最大直徑或或橫截面寬度，更優(yōu)選2-100mm，還更優(yōu)選2-50mm，最優(yōu)選2-10mm，并且其優(yōu)選具有100mm-100m的長(zhǎng)度，更優(yōu)選150mm-10m，還更優(yōu)選200mm-5m，最優(yōu)選200mm-1m，為實(shí)現(xiàn)所述熱交換，所述沸石組件(50a-f)被彼此緊密排列。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于所述細(xì)長(zhǎng)體(50a-f)是由大量沸石材料短塊(51)構(gòu)成。
25.根據(jù)權(quán)利要求23或24所述的裝置，其特征在于所述細(xì)長(zhǎng)體具有比圓形橫截面的棒的圓周長(zhǎng)度大的周邊長(zhǎng)度，其中棒具有與細(xì)長(zhǎng)體橫截面積相等的橫截面積。
26.根據(jù)權(quán)利要求22-25中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于所述沸石組件(50a-f)被布置在導(dǎo)熱材料結(jié)構(gòu)(52)內(nèi)，優(yōu)選每個(gè)沸石組件被布置在導(dǎo)熱材料結(jié)構(gòu)(52)自身的柵格(54)內(nèi)，并且用于所述熱交換的附加裝置(60)也優(yōu)選布置在結(jié)構(gòu)(52)內(nèi)。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于用于使空氣通過的直通通道(58)被布置在所述沸石組件(50a-f)的外部成形表面和導(dǎo)熱材料結(jié)構(gòu)(52)之間布置空氣通過的通道(58)。
28.根據(jù)權(quán)利要求17和26所述的裝置，其特征在于用于使所述加熱介質(zhì)或所述冷卻介質(zhì)通過沸石結(jié)構(gòu)(18)的直通通道(61)被布置在導(dǎo)熱材料結(jié)構(gòu)(52)中。
29.根據(jù)權(quán)利要求15-28中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于沸石組件(50a-f)具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)，借此在沸石組件內(nèi)提供空氣通過的通孔(56)。
30.根據(jù)權(quán)利要求15-29中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于所生產(chǎn)的氧氣或富氧空氣的出口(22)被布置用于隨后在能量生產(chǎn)、冶金和/或化學(xué)工藝、其它一些氧氣消耗工藝中利用(24)氧氣或富氧空氣或用作呼吸氣。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于所述能量生產(chǎn)(24，26)包括由熱能、動(dòng)能和電力生產(chǎn)組成的組中的任一能量生產(chǎn)，優(yōu)選將裝置與燃燒工藝結(jié)合，更優(yōu)選與內(nèi)燃機(jī)(24)結(jié)合。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于在能量生產(chǎn)和/或化學(xué)工藝(24，26)中的所述利用包括利用氧氣或富氧空氣(22)作為燃料電池中的反應(yīng)物，優(yōu)選將裝置與這類燃料電池結(jié)合，更優(yōu)選與固體氧化物燃料電池結(jié)合(24)。
33.根據(jù)權(quán)利要求15-32中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于解吸附氮?dú)獬隹?20，20a，20b)用于冷卻用途(38)，優(yōu)選用于內(nèi)燃機(jī)(24)的冷卻、燃料電池(24)的冷卻或進(jìn)料空氣(10，16，16a，16b)的冷卻，和/或用于干燥用途(40)，優(yōu)選用于進(jìn)料空氣(10，16，16a，16b)所用干燥物質(zhì)的再生干燥(12)。
34.根據(jù)權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于所述裝置被結(jié)合到渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)裝置(14，30，32)內(nèi)，包括用于在廢氣釋放壓力時(shí)，從來自所述能量生產(chǎn)和/或來自所述化學(xué)工藝(24，26)的廢氣(28)中回收能量的裝置(30)，和用于將在釋放壓力時(shí)回收的能量傳輸?shù)接糜谒龉に嚨倪M(jìn)料空氣(10，16，16a，16b)的壓縮機(jī)(14)中的裝置(32)。
全文摘要
氧氣(22)生產(chǎn)方法，其中輸送進(jìn)料空氣(10，16，16a，16b)通過吸附劑/沸石結(jié)構(gòu)(18)，該設(shè)備包括至少三個(gè)在包括從空氣中吸附氮?dú)獾牡谝浑A段和包括解吸附由其吸附的氮?dú)獾牡诙A段中間歇操作的沸石組件(50a－f)。在所述吸附階段操作所述沸石組件中的至少二個(gè)，輸送所述進(jìn)料空氣連續(xù)通過(53a)所述至少二個(gè)沸石組件，以在沸石組件中形成升高的氮?dú)馓荻龋缓?或在所述解吸附階段操作所述沸石組件中的至少二個(gè)，輸送壓力釋放的和/或解吸附的氣體(22a，22b)連續(xù)通過(53b)所述至少二個(gè)沸石組件，以在沸石組件中形成降低的氮?dú)馓荻取?br> 文檔編號(hào)B01D53/06GK1568287SQ02820180
公開日2005年1月19日 申請(qǐng)日期2002年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月11日
發(fā)明者托馬斯·約翰森 申請(qǐng)人:伊富陶瓷制品股份公司