專利名稱：含有對污染物敏感的吸附劑的psa的制作方法
相關(guān)申請的交叉參考本申請要求2000年12月11日申請的未決加拿大申請2,329,475的優(yōu)先權(quán)，在本文中將其引入作為參考。
領(lǐng)域所公開的實施方案涉及使用對污染物失活，諸如通過大氣濕度的失活，敏感的吸附劑進(jìn)行的氣體分離。更具體地講，所公開的實施方案涉及在包括至少一種含有吸附劑的吸附器的系統(tǒng)中，諸如以層壓板或其它平行通道載體的形式進(jìn)行的循環(huán)吸附過程，例如真空變壓吸附(VSA)或變壓吸附(PSA)。一個范例性的PSA實施方案是使用氮氣-選擇性吸附劑從空氣中富集氧，所述的吸附劑在其活化條件下是親水性的。
背景利用變壓吸附的氣體分離通過吸附器上的同步壓力循環(huán)和逆流來實現(xiàn)，相對于進(jìn)料氣體混合物中不易吸附的組分，所述的吸附器優(yōu)先吸附更易吸附的組分。在從吸附器的第一端(進(jìn)料端)到第二端(產(chǎn)品端)通過吸附器的第一方向上的流動間隔過程中總壓會升高，并且在逆向流動間隔過程中降低。當(dāng)反復(fù)進(jìn)行循環(huán)時，在第一方向上富集不易吸附的組分，同時在逆向富集更易吸附的組分。
然后將”輕質(zhì)”產(chǎn)物，其貧含至少一種更易吸附的組分并富含至少一種不易吸附的組分，從吸附器的第二端輸送。將富含更強(qiáng)吸附組分的“重質(zhì)”產(chǎn)物從吸附器的第一端排出。輕質(zhì)產(chǎn)物通常是要被精制的所需產(chǎn)物，重質(zhì)產(chǎn)物通常是廢產(chǎn)物，正如在氮選擇性沸石吸附劑上進(jìn)行氧氣分離以及氫氣吹掃的重要的例子那樣。重質(zhì)產(chǎn)物可以是所需產(chǎn)物，正如在氮選擇性沸石吸附劑上進(jìn)行氮氣分離的例子那樣。當(dāng)吸附器中的壓力升高至更高的工作壓力時，通常原料流體進(jìn)入吸附器的第一端，輕質(zhì)產(chǎn)物從吸附器的第二端輸送。在較低的工作壓力下將重質(zhì)產(chǎn)物從吸附器的第一端排出。為了得到更高純度的輕質(zhì)產(chǎn)物，在壓力降低后，將一部分輕質(zhì)產(chǎn)物或富含不易吸附組分的氣體作為”輕質(zhì)回流”氣體再循環(huán)回到吸附器以進(jìn)行例如吹掃、壓力均衡或再增壓的步驟。
PSA方法的主要功能是從至少一種不易吸附的組分諸如氧氣中分離至少一種優(yōu)選被吸附的組分諸如氮氣，通常是從原料混合物形式的空氣中富集作為所需產(chǎn)物的氧氣。本發(fā)明涉及在工藝廢氣或環(huán)境大氣諸如環(huán)境水蒸氣或另一種蒸氣污染物中，因其它的、甚至更優(yōu)選吸附組分所引起的問題，它非常強(qiáng)、有時幾乎不可逆的吸附使吸附劑失活或中毒，從而降低作為主要分離功能的吸附能力及選擇性。
有許多利用以上吸附現(xiàn)象的工業(yè)化方法，具有多個壓力包封。在VSA方法中，將吸附劑在低于常壓的條件下至少部分地再生，然而在大多數(shù)的PSA工藝中，將吸附劑在接近大氣壓的條件下再生。許多工藝也在基本上高于大氣壓的條件下再生吸附劑。在本文中不同的PSA方法不進(jìn)行進(jìn)行區(qū)分，除非另外清楚地說明?！癙SA”是指吸附步驟在高于脫附或再生壓力的壓力下進(jìn)行。
對于這個簡單的循環(huán)設(shè)計進(jìn)行了許多工藝上的改進(jìn)，從而減少動力消耗、提高產(chǎn)物回收率和純度并增加產(chǎn)物流速。這些改進(jìn)包括多床層工藝、單塔快速變壓吸附，和最近的活塞推動的快速變壓吸附和裝有旋轉(zhuǎn)閥的PSA(旋轉(zhuǎn)式PSA)。由于不能極大地提高常用閥和顆粒狀吸附劑的循環(huán)頻率，所以吸附劑的裝填量很大。由于需要設(shè)計具有更低資本投資、更低動力需求以及更緊湊更輕便設(shè)備的緊湊工藝，推動了縮短循環(huán)時間。
在本文中將使用至少一個多開口、多流體的分配閥，通常具有相對旋轉(zhuǎn)的組件，這樣的工藝和設(shè)備定義為旋轉(zhuǎn)式PSA。這些設(shè)備需要動態(tài)的密封表面，其中一些定義了工藝氣體系統(tǒng)污染物，有時為環(huán)境周圍的界線。由于移動表面的相對運動，所以緊密的流體密封是不可行的，并且周圍環(huán)境氣體或其它工藝氣體中的某些組分的質(zhì)量流可能進(jìn)入輕質(zhì)氣體中，即使存在壓力梯度阻止這些質(zhì)量流越過動態(tài)密封。
目前大多數(shù)的工業(yè)化吸附工藝使用通常以珠或顆粒形式存在的固定床吸附劑。這些珠或顆粒的粒徑通常約為1.5mm至4mm。
用于PSA空氣分離設(shè)備的沸石吸附劑的平行通道擠出物塊公開于美國專利4,758,253(Davidson等人)。美國專利4,968,329和5,082,473(Keefer)和美國專利6,231,644(Jain等人，在本文中將上述專利引入作為參考)公開了用于PSA設(shè)備使用的疊層結(jié)構(gòu)(或者是層壓的，或者是整塊的)的厚度為1mm或更小的螺旋形軋制吸附劑薄片，從而實現(xiàn)從常規(guī)的45秒鐘循環(huán)周期得到更高的操作頻率，循環(huán)周期在小于0.5秒至約5秒的范圍內(nèi)，同時保持較低的壓降和較小的動力消耗。高表面積、疊層的吸附器含有負(fù)載到被間隔片分開的薄片上的吸附劑，從而形成相鄰薄片之間的流動通道，將吸附器安裝到轉(zhuǎn)子上以提供邏輯上只有一個移動部件的PSA工藝閥，這有利于在極其緊湊的設(shè)備中進(jìn)行高頻率的PSA循環(huán)，正如Keefer等人的美國專利6,051,050和Keefer等人的美國專利申請序列號60/285,527所公開的那樣，在本文中將其公開的內(nèi)容引入作為參考。
正如在本文中所使用的那樣，快速的PSA循環(huán)或高頻率的PSA或高速的PSA，是指在小于約1分鐘的總循環(huán)周期條件下進(jìn)行操作的PSA工藝和設(shè)備。非常規(guī)的PSA是指，或者是快速循環(huán)的PSA、旋轉(zhuǎn)式PSA，或者是兩者。
一個因素是高性能的吸附劑對污染物的更高的敏感性。對于氧氣的生產(chǎn)，使用低硅鋁比的沸石(用陽離子諸如鈣或鋰進(jìn)行交換以提供對氮的高選擇性)可能有助于產(chǎn)生對水失活更敏感的物質(zhì)，因為該沸石在一些活性位上易于更強(qiáng)地吸附水。
常規(guī)的PSA和膜分離設(shè)備趨于使用各種除水的方法，諸如冷卻以及隨后的冷凝、膜分離或吸附。用于除水的吸附方法在PSA或VSA工藝中是非常常見的，其中必須將兩種主要組分進(jìn)行分離，并且氣體混合物有百分之幾的濕度。
專利文獻(xiàn)中有除水的復(fù)雜工藝的例子。Toyama等人的美國專利3,594,984(1971)公開了這樣一種系統(tǒng)，其中在分開的容器中，將水和二氧化碳除去，然后將精制的空氣加入到裝填有優(yōu)先吸附氮氣吸附劑的容器中。Smith等人的GB 2 042 365(1980)以及Armond等人的美國專利4,144,037(1979)中在每個PSA容器中使用雙層系統(tǒng)。第一層是干燥的吸附劑。第二層優(yōu)先吸附混合物中不需要的組分。該雙層概念是相當(dāng)普遍的，因為它避免了在更復(fù)雜工藝中所需的額外的容器、閥門和配管的成本。
經(jīng)常使用的另一種方法是具有單層吸附劑(例如沸石)。對于沸石床的其余部分，沸石床的第一部分用作干燥劑床層。在相當(dāng)大規(guī)模的工廠(40噸/天)中，所述的概念已成功地用于低頻率的PSA中。
此外，還認(rèn)識到通過仔細(xì)設(shè)計閥桿或轉(zhuǎn)子的密封排列可使?jié)B漏進(jìn)吸附器的產(chǎn)品端的濕氣減少至最小，從而將與吸附器產(chǎn)品端相通的內(nèi)部流動通道和外部環(huán)境相分離。因此，Keefer等人的美國專利6,063,161公開了在產(chǎn)品端旋轉(zhuǎn)分配閥的轉(zhuǎn)子和軸上進(jìn)行多重密封，產(chǎn)品氣體通過這些密封之間的腔室進(jìn)行輸送。對于旋轉(zhuǎn)式PSA設(shè)備，類似的產(chǎn)品端密封排列也記載于Keefer等人的國際公開WO 99/28013中。Monereau等人(EP 1,095,689 A1)也已經(jīng)公開了改進(jìn)的閥桿密封排列以防止?jié)駳膺M(jìn)入PSA吸附器的產(chǎn)品端。
以上描述的防止沸石受到濕氣影響的所有方法在設(shè)備壽命內(nèi)都運行地相當(dāng)好。如果所述的方法在超出設(shè)備的壽命以外。不能充分保護(hù)吸附劑分離層，則對于通常情況這是不重要的。
工業(yè)上的PSA和VPSA系統(tǒng)在低循環(huán)頻率(常用工藝的循環(huán)時間為約1分鐘至10分鐘)下操作使用大裝填量的吸附劑。這些工業(yè)工藝對于污染物引起的少量污染是相對不敏感的，因為(1)可能出現(xiàn)污染物擴(kuò)散越過相對大尺寸的吸附器；(2)任何變差的慢速決于累積的經(jīng)驗循環(huán)數(shù)；(3)對大吸附劑裝填量的一小部分失活的相對不敏感性；和(4)靜態(tài)的相對緊密的流體密封防止工藝氣體與外部環(huán)境或原料氣體條件接觸。因此，常規(guī)系統(tǒng)可以操作多年而沒有明顯的劣化。
已經(jīng)開發(fā)了非常規(guī)的PSA系統(tǒng)，其操作頻率比常規(guī)的工業(yè)PSA工藝高達(dá)兩個數(shù)量級。因此，吸附劑的裝填量可減小到高達(dá)兩個數(shù)量級大約相同倍數(shù)的幾分之一，并且可能發(fā)生污染物擴(kuò)散越過的吸附器的尺寸也減小了很多倍。
概述本發(fā)明者已經(jīng)確定了這樣的解決方法，即在正常的連續(xù)操作中非常規(guī)的PSA設(shè)備的操作過程中所出現(xiàn)的污染物處理問題，并且進(jìn)一步解決了在PSA設(shè)備的間歇操作條件下所出現(xiàn)的問題。當(dāng)PSA設(shè)備關(guān)閉時，在吸附器內(nèi)的任何部位，任何吸附的污染物可能有害地擴(kuò)散進(jìn)入活化吸附劑的區(qū)域以引起失活或中毒。此外，環(huán)境溫度和氣壓的正常波動可能使關(guān)閉的PSA設(shè)備吸入在環(huán)境大氣或進(jìn)料氣體導(dǎo)管中混合的污染物。因此，本發(fā)明還解決了當(dāng)儲存、閑置或關(guān)閉時，關(guān)閉并起動工藝程序，以及用于排除進(jìn)入非常規(guī)PSA設(shè)備的污染物，或使其減少到最小的補充設(shè)備的問題。
首先通過實驗發(fā)現(xiàn)了高頻率PSA/VSA對濕氣的高敏感性。由于高頻率工藝有利于使用少量的與要分離氣體成正比的吸附劑裝填量，所以對于相同量的雜質(zhì)，它們的吸附劑更有可能中毒或失活?？紤]到通過VSA(例如)生產(chǎn)O2的常規(guī)過程的循環(huán)時間為90至120秒，并且高頻率過程的循環(huán)時間通常為1秒，因此，對于高頻率的吸附劑，每單位質(zhì)量的比率約高出100倍。需要更少體積量的失活濕氣以降低少量吸附劑的性能。
為了克服傳質(zhì)的約束，高頻率的PSA吸附器必須具有較高的表面積，因此具有薄的吸附層以及流動通道具有狹窄的水力半徑。在具有狹窄的流動通道的條件下，需要減小流動通道的長度以保持所需的低壓降。高頻率的吸附器易失活的缺點，因較短的吸附器長度而被嚴(yán)重地加劇，因為通過擴(kuò)散傳送的濕氣傳輸?shù)臅r間與吸附器長度的平方成反比。
本發(fā)明的實施方案解決了如下的問題，即在需要不含污染物的產(chǎn)品流體的生產(chǎn)過程中，在PSA設(shè)備、尤其是非常規(guī)的快速循環(huán)PSA設(shè)備的操作中出現(xiàn)的污染物處理的問題。所公開的本發(fā)明的實施方案進(jìn)一步解決了如下問題，即在PSA設(shè)備的間歇操作條件，以及環(huán)境溫度和濕度的各種氣候條件下所出現(xiàn)的更嚴(yán)重的問題。當(dāng)PSA設(shè)備關(guān)閉時，在吸附器的任何部位，任何吸附的污染物可能有害地擴(kuò)散進(jìn)入活化吸附劑的對污染物敏感的區(qū)域以引起失活。此外，環(huán)境溫度和氣壓的正常波動可能使得閑置的PSA設(shè)備，通過任何的通氣孔或者通過沒有很好關(guān)閉的閥門、密封和壓縮機(jī)的滲漏通道吸入載有污染物的空氣。因此，公開的實施方案還解決了不含污染物的起動、正常的生產(chǎn)操作、關(guān)閉和停置步驟。還描述了當(dāng)它處于儲存、閑置或停置條件下時，用于防止或者最小化污染物進(jìn)入快速循環(huán)PSA設(shè)備的輔助設(shè)備。
所公開的PSA設(shè)備的實施方案的主要目的是，使其正常的操作循環(huán)頻率是每分鐘至少3個循環(huán)，更可能是每分鐘5個循環(huán)，甚至更可能是每分鐘10個循環(huán)，優(yōu)選每分鐘20個循環(huán)或更多。這樣的PSA設(shè)備的一個公開實施方案包括以流體連接到吸附器進(jìn)料端上的通氣器，所述的吸附器含有對污染物敏感的吸附劑。通過截流閥將通氣器連接到進(jìn)料端上在，生產(chǎn)過程中關(guān)閉，在關(guān)閉過程中將其打開。
PSA設(shè)備的其它公開的實施方案使用特定的密封方法，用于設(shè)備或至少其組件另外的密封以防止污染物進(jìn)入。例如，一種實施方案包括將產(chǎn)品端以流體連接到含有緩沖密封的產(chǎn)品輸送隔室，其中所述的隔室容納緩沖氣體，該緩沖氣體中污染物的蒸氣含量基本上等于或小于吸附器上，通過變壓吸附工藝產(chǎn)生的產(chǎn)品氣體的含量。對于使用緩沖密封的實施方案，緩沖空間可以是正壓的、干燥流體沖洗的區(qū)域。例如，緩沖室具有輸送產(chǎn)物流提供的沖洗循環(huán)，該循環(huán)物流逆導(dǎo)入任何進(jìn)來的污染物可能從緩沖密封擴(kuò)散的方向。用緩沖氣體將所述的隔室增壓至高于環(huán)境的壓力，諸如增壓至高于環(huán)境約0.5巴的壓力或更高的壓力。
作為密封方法的另一個例子，可以使用停置密閉。當(dāng)設(shè)備停置時通常使用停置密閉。停置密閉可以單獨使用，或者與其它的污染物處理特征組合使用。
通過列舉公開特征的組合，通氣器可以包括防護(hù)分離器，或者可以流體連接到輔助性防護(hù)分離器上。通氣器可以具有各種結(jié)構(gòu)，但通常具有相對長結(jié)構(gòu)的隔室，諸如管狀構(gòu)造或氣囊隔膜。通過進(jìn)料風(fēng)斗可以將通氣器連接到吸附器的進(jìn)料端?？梢允褂眠M(jìn)料和排氣風(fēng)斗，并且在使用兩者的條件下，可以利用諸如位于約同心旋轉(zhuǎn)軸并彼此層疊的風(fēng)斗。
實施方案還包括包含防護(hù)層和吸附劑的吸附器，諸如包含層壓薄片的吸附器，所述的層壓薄片在第一區(qū)域沿流體進(jìn)料通道具有防護(hù)層，在第二區(qū)域沿進(jìn)料通道具有吸附劑。因此，進(jìn)料流體中的污染物通過防護(hù)層被除去，然后接觸吸附劑。此外在關(guān)閉時，在防護(hù)層和吸附劑區(qū)域之間的管線上，通過隔離閥諸如截流閥將吸附劑區(qū)域與防護(hù)層分開。一個例子是將防護(hù)材料安裝到與裝填有吸附劑的第二模塊分開、但以流體連接到第二模塊上的第一模塊上。通過連接到第一模塊和第二模塊的流體導(dǎo)管中的隔離閥，將第一和第二模塊以流體連接。
所述設(shè)備的實施方案還包括用于輸送所需產(chǎn)品氣體的產(chǎn)品輸送管，用于輸送作為回流氣體的一部分產(chǎn)品氣體的輕質(zhì)回流導(dǎo)管和至少一個包含用于捕集污染物的防護(hù)材料的分離器。所述的分離器可以在產(chǎn)物回流管線和產(chǎn)物管線之間轉(zhuǎn)動，以通過產(chǎn)品流體取代吹掃再生。例如，可以將多個防護(hù)分離器安裝到以較低旋轉(zhuǎn)速度連續(xù)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)吸附模塊內(nèi)。當(dāng)以流體連接到產(chǎn)品輸送時，旋轉(zhuǎn)吸附模塊通過離散的分級旋轉(zhuǎn)以離散式間隔，使防護(hù)分離器從數(shù)個產(chǎn)物回流環(huán)路的每一個中的污染物吸附切換至再生。
輔助性的防護(hù)分離器已用于各種實施方案中。該輔助性的防護(hù)分離器可以流體連接到產(chǎn)品氣體輸送管上，以便在正常的操作過程中再生輔助性的防護(hù)分離器。防護(hù)材料的再生可以使用至少一種干燥產(chǎn)物吹掃或變溫來實現(xiàn)。吸附器防護(hù)層的基本上完全的再生可以利用置換吹掃實現(xiàn)，從而將吸附的污染物從吸附器的污染物吸附區(qū)輸送到輔助性防護(hù)分離器。結(jié)果，輔助性防護(hù)分離器優(yōu)選具有這樣的污染物蒸氣吸附容量，即足以吸附可能從吸附器防護(hù)層上脫附的基本上所有的污染物蒸氣。傳感器諸如濕度傳感器可用于感知從輔助性防護(hù)分離器回流的污染物蒸氣，在這種情況下，輔助性防護(hù)分離器與吸附器相隔離。
利用輔助加熱器加熱防護(hù)材料可以促進(jìn)污染物的脫附。例如，使用加熱器對第一防護(hù)層、任何的輔助性防護(hù)分離器、通氣器中使用的防護(hù)分離器等進(jìn)行加熱?？梢允褂贸Ｒ?guī)加熱器以及微波爐和紅外輻射來加熱防護(hù)材料。
隔離閥通常單獨使用，或者與其它的污染物處理特征組合使用。將隔離閥用于幾個實施方案中以將某些包含吸附劑的污染物敏感區(qū)域與防護(hù)層相隔離。隔離閥可以是單向閥，從而防止除在正常的PSA模塊操作中，向前的流動從吸附器的第一防護(hù)層流入第二吸附劑區(qū)域的區(qū)域。需要時單向閥可以通過驅(qū)動器來啟動。還可以將隔離閥放置在通氣管和吸附器之間的流體通道上，以防止流入吸附器的進(jìn)料端。
還描述了，在生成產(chǎn)品氣體的同時，降低由于污染物吸附導(dǎo)致的吸附劑劣化方法的實施方案，其包括提供所述的PSA設(shè)備或系統(tǒng)的實施方案，以及運行所述的PSA設(shè)備或系統(tǒng)以生成產(chǎn)品氣體。還描述了在正常的產(chǎn)品輸送、停置、關(guān)閉和起動方式的過程中，用于操作PSA設(shè)備和系統(tǒng)的各種實施方案。例如，根據(jù)關(guān)閉程序，用于關(guān)閉PSA設(shè)備的一種實施方案包括如下特征。產(chǎn)品輸送停止，同時進(jìn)料氣體繼續(xù)流過PSA工藝以使污染物前峰部分地返回到吸附器的進(jìn)料端。將保護(hù)氣體引入到PSA設(shè)備的進(jìn)料端，然后將防護(hù)材料加熱以促使吸附的污染物的脫附。然后停止將流體進(jìn)料混合物輸送入進(jìn)料端，隨后用吹掃流體吹掃吸附器，該吹掃流體的污染物蒸氣含量基本上等于或小于吸附器上通過PSA過程產(chǎn)生的產(chǎn)品氣體的污染物蒸氣的含量。吹掃氣體通常是吸附器上通過PSA過程產(chǎn)生的產(chǎn)品氣體。此外，干燥產(chǎn)物的吹掃氣體可以通過輔助性的防護(hù)分離器進(jìn)行再循環(huán)，然后吹掃吸附器。可以在高于吸附器的溫度下使用吹掃流體。用吸附器吹掃流體對吸附器進(jìn)行吹掃可以加熱吸附器，并因此促進(jìn)污染物的脫附。停止所有的吹掃操作并關(guān)閉排氣口。然后將可以與第一保護(hù)氣體相同或不同的第二保護(hù)氣體加入到進(jìn)料端，以將設(shè)備增壓至高于環(huán)境的壓力。停止設(shè)備的轉(zhuǎn)動，然后使用任何的停置密閉。在該方法中可以使用不同的步驟，另外的步驟，這些步驟的各種組合以及所述步驟的不同順序。
還描述了增加有用操作時間、特別是快速循環(huán)旋轉(zhuǎn)式PSA設(shè)備的方法。該方法的實施方案包括提供一種在PSA設(shè)備進(jìn)料端上游具有防護(hù)分離器的PSA設(shè)備，和在吸附器進(jìn)料端具有防護(hù)層的吸附器。將該PSA設(shè)備在正常的操作條件進(jìn)行操作以產(chǎn)生產(chǎn)品流體。作為高表面積和疊層的吸附器，優(yōu)選地提供負(fù)載在吸附劑薄片上被間隔片分離的吸附劑，從而形成相鄰薄片間的流體通道。對于這樣的實施方案，疊層吸附器通常包括具有在吸附劑片進(jìn)料端的至少一種防護(hù)材料的防護(hù)層。該防護(hù)材料可選自有用的防護(hù)材料，包括氧化鋁、硅膠和中等親水的沸石諸如Na-Y或Na-X。
對于某些實施方案，污染物是水，產(chǎn)品端的目標(biāo)水蒸氣壓基本上是產(chǎn)品端被選擇的吸附劑材料的蒸氣壓。該水蒸氣壓在30℃下通常約為0.005Pa至約0.1Pa。
還描述了將所述的方法用于在旋轉(zhuǎn)式PSA設(shè)備中，產(chǎn)生正壓停置模式的實施方案。該實施方案包括關(guān)閉旋轉(zhuǎn)式PSA設(shè)備，以降低防護(hù)材料污染物的負(fù)載量。將輕質(zhì)干燥的保護(hù)氣體引入到設(shè)備的進(jìn)料端，以提供高于周圍環(huán)境的停置壓力。關(guān)閉所有端口，停止轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動并使用停置密閉。
圖1A是旋轉(zhuǎn)式軸向流動PSA模塊的另一種實施方案。
圖1B是旋轉(zhuǎn)式軸向流動PSA模塊的另一種實施方案。
圖1C是固定床旋轉(zhuǎn)式PSA的示意性橫截面圖。
圖1D是固定床旋轉(zhuǎn)式PSA的示意性橫截面圖。
圖2-5B表示的圖1模塊的橫截面圖。
圖6是旋轉(zhuǎn)式軸向流動PSA模塊的示意性橫截面圖。
圖7-16表示具有防止或抑制水敏性吸附劑區(qū)域失活設(shè)備的快速循環(huán)PSA模塊的簡化的一般性示意圖。
圖17是在25℃下在氮選擇性吸附劑上，進(jìn)料氣諸如空氣中10ppm水的水蒸氣等溫線。
圖18是產(chǎn)物中水的濃度(ppm)對亨利定律常數(shù)的曲線，其說明亨利定律常數(shù)對于圖17等溫線的變化范圍。
圖19是在25℃下在氮選擇性吸附劑上進(jìn)料氣諸如空氣中0.2ppm水的水蒸氣的等溫線。
圖20是沸石的濕度對特定產(chǎn)物在30rpm下的曲線，其說明對循環(huán)周期為2秒的氧PSA過程性能的特定生產(chǎn)率及收率(分級回收率)的影響。
詳細(xì)描述I.定義提供下面的定義來幫助讀者，并非意欲將所定義的術(shù)語限定小于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所理解的范圍內(nèi)。
“吸附器材料”-通常是指能夠單獨或組合使用，以優(yōu)先吸附流體的材料。用來進(jìn)行PSA分離功能的吸附器材料應(yīng)該具有優(yōu)選的吸附性能。
“輔助加熱”-將防護(hù)材料諸如吸附器、空氣通氣器或防護(hù)分離器的干燥劑加熱以提高污染物的脫附。可以將任何有用的熱源用于直接加熱防護(hù)材料，所述的熱源包括，并非限制于，輔助性電阻加熱器、微波輻射加熱器、紅外輻射加熱器、密封摩擦等。也可以將防護(hù)材料間接加熱包括，但不限制于，諸如通過作用于流體的真空泵或壓縮機(jī)、通過熱交換器的操作、通過防護(hù)分離器上的吸附熱等加熱的流體進(jìn)入防護(hù)材料的方法。
“逆向吹掃”-是一種氣體進(jìn)料的過程，如產(chǎn)品、吹掃或保護(hù)氣體逆流通過殼體諸如吸附器。
“保護(hù)流體”-一種具有基本上減少的污染物含量的流體。將保護(hù)流體用于置換吸附器中及其相關(guān)的導(dǎo)管中的工藝或吹掃或其它的流體，和/或在吸附器內(nèi)產(chǎn)生高于正常操作低壓的總壓力。
“通氣器”-在停置時以及在保持吸附器內(nèi)的壓力同外部流體壓力均衡的時候，用于防止污染物進(jìn)入吸附器的腔室，諸如相對長的裝有或不裝有防護(hù)分離器的管子或囊。通氣器尤其是空氣通氣器(與外部空氣交換的通氣器)明顯地降低了在熱循環(huán)期間，因污染物進(jìn)入造成的吸附劑的失活或中毒速率。例如，對于特定的沸石，對于使用同樣的吸附器和沸石而沒有空氣通氣器時的失活速率，每個循環(huán)降低約0.135％N2容量，而帶有空氣通氣器床層的失活速率為每個循環(huán)降低約0.005％N2容量。可以將通氣器放置在吸附器末端或者甚至在兩端。不限于一種操作理論，當(dāng)PSA設(shè)備停置時，空氣通氣器明顯地減少從含有污染物的空氣到吸附劑床進(jìn)料端的污染物的質(zhì)量流。
“緩沖室”-緩沖室是限定在緩沖空間內(nèi)的兩個直接相鄰的動態(tài)密封中的體積。根據(jù)緩沖空間內(nèi)的緩沖密封的數(shù)量，緩沖空間內(nèi)存在一個或多個緩沖室。緩沖空間內(nèi)也存在一個或多個停置密閉，以及流體流入室內(nèi)和流出室外的設(shè)備。將靜態(tài)緩沖室定義為在動態(tài)密封和靜態(tài)密封之間的體積。
“緩沖密封”-緩沖密封是位于緩沖空間內(nèi)的動態(tài)密封。在緩沖空間內(nèi)有多個緩沖密封。
“緩沖空間”-由工藝污染物密封和基礎(chǔ)密封所限定的空間。緩沖空間在空間內(nèi)可具有任何數(shù)量的緩沖密封，包括非緩沖密封。
“污染物”-污染物流體，沒有限制，是周圍環(huán)境大氣、PSA設(shè)備中或在進(jìn)料氣體混合物中的那些流體，其抑制在任何吸附器第二端的進(jìn)料氣中所有傾向于更強(qiáng)吸附組分的吸附/脫附過程。尤其注意，在設(shè)計的再生壓力下，在設(shè)計的這部分循環(huán)時間內(nèi)從吸附劑中不能脫附的氣體。最常見的污染物是水，因為它經(jīng)常既出現(xiàn)在進(jìn)料氣體混合物中，又出現(xiàn)在環(huán)境大氣中。其它污染物的例子包括碳?xì)浠衔锖土蚧瘹錃怏w。當(dāng)污染物是空氣的組分時，可以將PSA設(shè)備用作吹掃人們呼吸空氣的設(shè)備。作為另一個例子，實驗發(fā)現(xiàn)干燥空氣中的二氧化碳含量污染實驗室氧氣PSA設(shè)備的吸附劑，所述的設(shè)備的設(shè)計沒有結(jié)合本發(fā)明公開的實施方案?？諝庵袣埩舳趸家鹈黠@的可逆性降解，從中將濕氣從外部除去足以避免氮選擇性吸附劑的降解。為達(dá)到吸附劑預(yù)期的使用壽命，污染物的濃度應(yīng)該在可使吸附劑起作用的程度。污染物的定義取決于吸附劑、工藝、工藝溫度、環(huán)境溫度或兩者及其組合。
“動態(tài)密封”-是用于流體密封的設(shè)備，并且至少具有兩種組分彼此以間歇或連續(xù)方式相對運動。一般地，將一種組分稱作密封材料，將另一種組分稱作密封座。動態(tài)密封組分的相互作用由直接接觸組成，或它們精密相鄰，在這樣的情況下稱為間隙接觸。一般地，動態(tài)密封不是緊密的流體密封，由于相對運動允許一些質(zhì)量流越過邊界。一些動態(tài)密封的設(shè)計可使一定量的流體從一邊輸送越過另一邊，并通過與預(yù)期的污染物質(zhì)量流方向相反的方向輸送流體以減少污染物的質(zhì)量流。
“置換吹掃”-通過在防護(hù)材料上流過污染物濃度減少的流體實現(xiàn)保護(hù)保護(hù)材料的再生，而沒有壓力或熱的變化增加。
“防護(hù)層”-通常是指含有防護(hù)材料或防護(hù)材料混合物的吸附器的區(qū)域。將防護(hù)層位于吸附劑材料的附近，通過離散的、非離散的邊界，例如具有防護(hù)材料的梯度，所述的梯度起始于進(jìn)料端的保護(hù)材料，沿梯度行進(jìn)到最后的沿進(jìn)料方向第二端的吸附劑。防護(hù)層也可以流體連接到分隔間或含有吸附劑的載體上。特定的實施方案包括將防護(hù)材料施加到載體上的區(qū)域，或把第一載體上的防護(hù)材料施加到第二載體上，以形成層壓材料。防護(hù)層可以包括干燥劑。干燥劑強(qiáng)烈地吸附水(所以該層的長度相對短于由吸水性不強(qiáng)的干燥劑制成的吸附層)，但是具有合理線性的水等溫線(容易再生，最小可能的吸附水量)，在其工作范圍內(nèi)是優(yōu)選的。對于所需的操作，對特定的PSA操作而言，選擇具有“最好“性能的特定的吸附劑，而且具有“優(yōu)良”的再生性能，如通過變溫，以減少優(yōu)選基本上消除作為關(guān)閉步驟的吸附水量。設(shè)計特征包括層的寬度、穩(wěn)態(tài)累積吸附水的變化曲線、有效擴(kuò)散速率和另外的干燥劑再生的難易程度。
“防護(hù)材料”-任何用于降低與防護(hù)材料接觸流體的污染物含量的材料，通常是指任何能吸附污染物諸如水蒸氣的材料。對防護(hù)層，優(yōu)選可逆吸附污染物的防護(hù)材料，以便任何的吸附在防護(hù)材料上的污染物能夠通過所希望的過程或過程的組合被脫附，所述的過程包括加熱和/或用沒有污染物的流體吹掃。防護(hù)材料優(yōu)選既在進(jìn)料氣的正壓或環(huán)境大氣下吸附污染物，又在任何可能的用于再生防護(hù)材料的吹掃氣體的分壓下脫附污染物。某些沸石是有效的防護(hù)材料，但是其持留一些污染物諸如水蒸氣的能力太強(qiáng)，而不能將污染物很容易地從基本上連續(xù)的PSA過程中除去，從而使防護(hù)材料再生。目前優(yōu)選的主要的防護(hù)層材料包括但不限制于，活性氧化鋁、硅鋁酸鹽凝膠、硅膠、沸石諸如Y型沸石材料、活性炭、碳分子篩及其這些材料的組合物。這些材料是特別有用的，因為它們在污染物的分壓的范圍內(nèi)有相對線性的等溫線，對污染物的吸附能力高，并且甚至在低分壓下也具有吸附一些污染物的能力。也可以使用兩種以上的適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)材料。有用的防護(hù)材料組合的一個例子是活性氧化鋁與沸石諸如5A和/或13X的組合。許多沸石在低污染物的分壓下表現(xiàn)出相對線性的等溫線，應(yīng)該與其它的防護(hù)材料組合在一起使用。對于防護(hù)分離器，考慮有用的可逆吸附是不重要的，并且其它材料可能是更適宜的。
“防護(hù)分離器”-是指布置一定量的防護(hù)材料與流體接觸以吸附污染物，諸如將其布置在產(chǎn)品輸送線、產(chǎn)品回流線內(nèi)。如根據(jù)具體的應(yīng)用可決定，將防護(hù)分離器安裝或應(yīng)用于接觸盡可能沒有污染物所希望流體的設(shè)備構(gòu)造中，諸如應(yīng)用到提供流體流動的導(dǎo)管內(nèi)表面。防護(hù)分離器可被構(gòu)造為至少兩個彼此相對運動的組件或作為靜態(tài)結(jié)構(gòu)。防護(hù)分離器是可更換的或再生的。
“隔離閥”-是位于對污染物(諸如吸附劑、產(chǎn)品和回流管線)特別敏感的區(qū)域與污染物潛在源之間的閥門。通常需要將隔離閥進(jìn)行流體緊密封。
“正常操作”-通常的產(chǎn)品流體的生產(chǎn)和再生過程的PSA工藝和設(shè)備的操作。對于PSA旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，正常的操作是指當(dāng)轉(zhuǎn)子在標(biāo)準(zhǔn)操作速度范圍內(nèi)的速度下進(jìn)行的產(chǎn)品輸送操作。
“停置”-PSA工藝基本上停止的位置，參看旋轉(zhuǎn)PSA系統(tǒng)，相對的旋轉(zhuǎn)停止，或者僅以明顯低于正常操作的旋轉(zhuǎn)循環(huán)速度間歇地旋轉(zhuǎn)。可以在大量不同的條件下使PSA設(shè)備停置，所述的條件包括并不限制于，在正壓力下通常關(guān)閉所有端口，以及在大氣壓力下僅密封某些端口、諸如產(chǎn)品端口。停置條件(也稱作為模式)也隨不同的應(yīng)用而變化。例如，參照用于生產(chǎn)氫氣的操作實施方案和其它的優(yōu)選從不接觸空氣的流體，可以使用在正壓力停置。可以在工藝流體與空氣混合而不產(chǎn)生有害混合物的情況下使用大氣壓停置。
“停置密閉”-是位于緩沖室內(nèi)的用于提供流體緊密封的密封。在一些實施方案中，將停置密閉與動態(tài)密封中的一種相結(jié)合并在停置模式中使用。
“部分密封關(guān)閉”-是一種關(guān)閉條件，由此產(chǎn)品端口被緊密封，而進(jìn)料端口被相對緊密封?？梢园瑴p壓閥以進(jìn)行必要的壓力調(diào)整，隨后關(guān)閉。
“基礎(chǔ)密封”-是一種負(fù)載污染物的流體在密封邊界一側(cè)的動態(tài)密封?；A(chǔ)密封在設(shè)備里作為任何緩沖空間的邊界。
“工藝約束密封”-是一種動態(tài)密封，在密封邊界的一側(cè)含有PSA工藝流體或輕產(chǎn)品。輕產(chǎn)品可以是但并不限制于此，產(chǎn)品、輕質(zhì)回流物、吹掃或保護(hù)流體。工藝約束密封在設(shè)備內(nèi)作為任何緩沖空間的邊界。
“PSA設(shè)備”-含有工藝流體和至少一種吸附器材料的設(shè)備，該設(shè)備使PSA工藝隨工藝流體和至少一種吸附器而進(jìn)行。
“吹掃流體”-通常是具有基本上污染物含量減小的流體，用于再生吸附器材料、防護(hù)材料或兩者。
“循環(huán)吹掃”-通過輔助性防護(hù)床層進(jìn)行的吹掃氣體再循環(huán)，其可在正常操作期間，通過產(chǎn)物吹掃和/或變溫進(jìn)行再生。
“關(guān)閉”-PSA過程和設(shè)備從正常的操作到停置條件的轉(zhuǎn)變事件?？梢詫嵤┨囟ǖ牟襟E以關(guān)閉某些設(shè)備，或者在不同的關(guān)閉條件下的特定設(shè)備。
“起動”-PSA過程和設(shè)備從停置到正常操作的轉(zhuǎn)變事件。在起動順序中需要某些步驟以保證沒有將污染物引入到吸附器中。
“靜態(tài)密封”-通常是其中的兩個表面之間沒有相對運動的兩個或多個表面之間的密封。靜態(tài)密封可以是，但不限制于，墊片、壓縮材料、停置密封，其中具有適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，可以實現(xiàn)流體緊密封。
“緊密封”-或緊密關(guān)閉或流體緊密封是指流體密封，其中在設(shè)備壽命內(nèi)密封有效的總時間內(nèi)，越過密封邊界的總污染物質(zhì)量流小于吸附器材料重量的約0.1wt％。
II.起動、正常、關(guān)閉和停置模式的描述如果形成進(jìn)料端和產(chǎn)品端之間空間的吸附床壁相對不能透過任何污染物，則污染物可通過進(jìn)料端或產(chǎn)品端進(jìn)入吸附劑床。所述的壁通常由非多孔的材料諸如金屬制成，并且不能透過諸如水的污染物。
A、正常操作在已知的PSA設(shè)備的正常操作中，通過使用如下方法中的至少一種，并任選地使用如下方法的各種組合，可以降低優(yōu)選基本上防止因進(jìn)入進(jìn)料端的進(jìn)料流體的污染物輸送(1)在PSA設(shè)備的上游，使用除去進(jìn)料污染物的處理設(shè)備，(2)在吸附器的進(jìn)料端使用防護(hù)層，和(3)使與吸附器進(jìn)料端相鄰的水敏感吸附劑的“犧牲”層失活，同時有效地起到防護(hù)作用。在氣體接觸沸石吸附劑之前，吸附器的5-10％通常是防護(hù)材料諸如以層的形式使用的氧化鋁、硅膠或活性炭。當(dāng)污染物是水時，將氣體干燥至含有約10至20ppm水蒸氣，然后接觸沸石吸附層。
在某些公開的實施方案中，吸附器是高表面積疊層吸附器，其中將吸附劑負(fù)載到通過隔片分開的吸附劑片中，以形成相鄰薄片之間的流動通道。另外，能夠形成具有基本上平行流動通道的結(jié)構(gòu)性塊的數(shù)種其它方法是可能的。防護(hù)層可以位于吸附劑薄片的進(jìn)料端。具有防護(hù)層的疊層吸附器可以通過用適宜的防護(hù)層諸如氧化鋁涂布載體片的前緣而制成。此外，可以將具有防護(hù)材料的另外的疊層或塊部分放置在敏感吸附劑的吸附區(qū)的進(jìn)料一側(cè)。在某些實施方案還考慮使用珠化的防護(hù)材料。例如，因濕度優(yōu)選的氮選擇性沸石失活的機(jī)理與水在這些親水材料上的極強(qiáng)非線性吸附有關(guān)。對于這樣的吸附物的吸附，在恒定速度范圍內(nèi)，吸附物前峰波的擴(kuò)散速度與亨利定律系數(shù)(或在低負(fù)載量下的等溫線的斜率)成反比。在適當(dāng)交換的LSX沸石上吸附水的情況下，亨利定律的系數(shù)極其大，并隨著吸附物的濃度而進(jìn)行相當(dāng)大的變化(參見圖17和18)。當(dāng)進(jìn)料氣體雜質(zhì)的濃度較高時(較低的亨利定律系數(shù))，前峰趨于更快地移動，并且當(dāng)雜質(zhì)濃度降低時，在再生步驟期間移動更加緩慢。
為了闡明該機(jī)理而考慮如下實施例。提供這些實施例來舉例說明現(xiàn)有已知工藝的某些特征，以及本發(fā)明的某些特征。本發(fā)明的范圍不應(yīng)該限于這些列舉的特征。對比例1該實施例說明在本發(fā)明之前已知工藝的特征。工業(yè)用O2VSA設(shè)備在常規(guī)的循環(huán)頻率(總循環(huán)時間為92秒)下操作，以40nm產(chǎn)品/m3沸石/小時的速率產(chǎn)生O2。吸附劑層為1.25m高，在其下面是活性氧化鋁的干燥劑層，這樣設(shè)計要使離開干燥劑層的空氣含有10ppm的水濕度。吸附劑的密度為630Kg/m3。該工藝?yán)?.7巴的上部壓力進(jìn)行操作，達(dá)到的真空度為300毫巴。產(chǎn)品端的吹掃比是這樣的要使吹掃速度是產(chǎn)品速度的1.15倍。
對速度前峰進(jìn)行計算的結(jié)果表明，前峰將需要約10年的時間移動通過吸附器全長。由于運轉(zhuǎn)的O2VSA設(shè)備的壽命很少大于10年，所以在設(shè)備整個操作中，因濕度引起的失活現(xiàn)象很可能不被注意到。
在以上實施例中，事實是循環(huán)運行緩慢并且單位生產(chǎn)率較低，使得前峰的凈速度非常低，從而使結(jié)合有相對較長的吸附器長度的吸附劑失活，從而工藝對濕度的敏感性較低。雖然存在這樣的現(xiàn)象，但是在常規(guī)設(shè)備的正常壽命內(nèi)該現(xiàn)象太緩慢而未被注意到。對比例2該實施例描述了不使用本發(fā)明公開的實施方案以限制PSA工藝中吸附劑材料失活的高速VSA的例子。利用高速技術(shù)的PSA設(shè)備在總循環(huán)時間約為2秒的條件下運轉(zhuǎn)，其初始生產(chǎn)率為880m3產(chǎn)品氣體/m3吸附劑/小時，使用長度為0.125m的疊層模塊，吸附劑密度為430Kg/m3。吸附劑是在通過隔片分開的疊層形狀內(nèi)形成的含有Li的LSX沸石。在本發(fā)明期望同一吸附劑不僅能作為干燥劑，而且能進(jìn)行空氣分離。進(jìn)料由常壓下相對濕度為90％的空氣組成。在50天的連續(xù)操作中，吸附劑的生產(chǎn)率降至500m3產(chǎn)品O2/m3吸附器體積(43％的失活率)，并繼續(xù)快速失活。此刻實驗終止。
對速度前峰進(jìn)行計算的結(jié)果表明10ppm濕度的前峰將需要約50天使吸附劑失活。由于操作的O2PSA設(shè)備的壽命必須是幾年，所以可能很快注意到失活現(xiàn)象。
在以上的兩個實施例中，濕度失活、更快的循環(huán)、減小的吸附器長度以及更高生產(chǎn)率的結(jié)合，使得設(shè)備壽命不希望的短。本發(fā)明公開的實施方案解決了該問題。
這樣設(shè)計防護(hù)層要使從進(jìn)料流體中除去污染物達(dá)到這樣的水平，要使產(chǎn)生的總失活率保持在合理的容差內(nèi)。這樣，即使水前峰完全通過沸石吸附劑層，設(shè)備的剩余能力也能夠這樣，要使其以這樣的剩余能力無期限地運轉(zhuǎn)。如下實施例解釋下面的方法。對比例3該實施例涉及高速實施方案。高速PSA在總循環(huán)時間為2秒的條件下運轉(zhuǎn)，生產(chǎn)率為650m3產(chǎn)品氣/m3吸附劑/小時，使用長度為0.125m的疊層吸附器，吸附劑的密度為430Kg/m3。在產(chǎn)品端，吹掃速度與產(chǎn)品速度比為1.15。將疊層防護(hù)層用于從空氣中除去水至0.07ppm濕度。該過程在1.5巴的高壓及500毫巴的真空度下進(jìn)行。
對速度前峰進(jìn)行計算的結(jié)果表明前峰將需要約100天的時間來移動通過吸附器的全長。計算和計算機(jī)模擬(參見圖19和20)表明在水前峰通過床層之前，吸附劑容量損失小于初始容量的10％?，F(xiàn)在可以無期限地維持約600m3產(chǎn)品氣/m3吸附劑/小時的生產(chǎn)率。
表I說明使用不同干燥劑層長度用作吸附器總長度的一部分可以實現(xiàn)一定的濕度水平，正如通過計算機(jī)模擬所得到的那樣。對于上述實施例，干燥劑層應(yīng)該比吸附器總長度稍超出20％。使用該設(shè)計方法，設(shè)備可承受的最大失活率能限制在可忍受的水平。
表I氧化鋁層的設(shè)計在生產(chǎn)氧氣的吸附器內(nèi)，在氧化鋁干燥劑層和Li-LSX層之間的邊界處通常達(dá)到的濕度水平吸附器內(nèi)的氧化鋁干燥劑層的長度分?jǐn)?shù)達(dá)到的濕度水平(ppm)50％ 0.0009320％ 0.07310％ 14.42盡管前面的實施例討論了水的污染，但是利用進(jìn)料氣體混合物中的任何污染物、特別是利用烴類混合物來進(jìn)行類似的計算和實驗。當(dāng)設(shè)計防護(hù)材料層時，也必須考慮周圍大氣中含有的污染物對進(jìn)料端的污染。
所用的任何防護(hù)層的長度都可變化。對于從空氣中產(chǎn)生富氧氣的疊層吸附器的操作性實施方案，其干燥劑層的長度為吸附器長度的約10％至約40％，優(yōu)選為吸附器長度的約15％至約25％。
將來自于產(chǎn)品端的吸附器的污染機(jī)理理解為參數(shù)泵效應(yīng)，其中污染物前峰產(chǎn)生的后向(與進(jìn)料流逆流)對著吸附器的進(jìn)料端。在再生步驟中污染物進(jìn)入吸附器，前峰在吸附器內(nèi)向后移動。在進(jìn)料/生產(chǎn)步驟中，前峰趨于向前移動，但是污染物僅不完全地被排出。在這種情況下的凈移動是向后的，部分是由于再生過程中，更高濃度前峰的更低的亨利定律系數(shù)，并且由于再生步驟期間使用更高速度的氣體。產(chǎn)品端更易被污染，因為沒有可以停止或減少中毒或失活速率的防護(hù)材料層。
在常規(guī)的PSA中濕氣從產(chǎn)品端滲透速率非常低，正如下面的實施例給出的那樣。對比例4該實施例描述了目前已知的工藝。工業(yè)用O2VSA設(shè)備在常規(guī)循環(huán)頻率(總循環(huán)時間為82秒)下運轉(zhuǎn)，以45nm3產(chǎn)品/m3沸石/小時的速率生產(chǎn)O2。吸附劑層為1.80m高，在其下面是活性氧化鋁干燥劑層。吸附劑的密度是670Kg/m3。該過程在上部壓力為1.34巴的條件下進(jìn)行，所達(dá)到的真空度為395毫巴。產(chǎn)品端的吹掃比是這樣的要使吹掃速度是產(chǎn)品速度的1.132倍。濕度的內(nèi)滲漏是這樣的要使在再生中使用的吹掃氣體含有10ppm的水。
對逆向速度前峰進(jìn)行計算的結(jié)果標(biāo)明，該速度前峰將需要約11年的時間使吸附劑失活。由于操作O2VSA設(shè)備的壽命很少超過10年，所以在設(shè)備的整個操作中，因濕度引起的失活現(xiàn)象很可能不被注意到。
同樣，在這種情況下，常規(guī)的PSA對該產(chǎn)品端的內(nèi)滲漏不敏感，但是當(dāng)操作頻率增加時這種情況會顯著變化。對比例5該實施例涉及高速操作。高速O2PSA設(shè)備在總循環(huán)時間為1.3秒的條件下操作，以1000nm3產(chǎn)物/m3沸石/小時的速率生產(chǎn)O2。疊層吸附器為0.25m長。吸附劑的密度為480Kg/m3。該過程在上部壓力為1.34巴的條件下進(jìn)行，達(dá)到的真空度為395毫巴。產(chǎn)品端的吹掃比是這樣的要使吹掃速度是產(chǎn)品速度的1.188倍。濕氣的內(nèi)滲漏是這樣的要使在再生中使用的吹掃氣體含有10ppm的水。
對逆向速度前峰進(jìn)行的計算表明該速度前峰將需要約4個月的時間使吸附劑失活。這樣短的操作壽命對PSA設(shè)備是不可接受的。對比例6將利用含有Li的LSX沸石制成的高速PSA在循環(huán)時間為1.2秒在VSA的條件下操作。通過將進(jìn)料空氣經(jīng)過活性氧化鋁大的床層使其干燥以除去濕氣至小于1ppm。通過產(chǎn)品端的正常滲漏，產(chǎn)品O2含有20ppm的濕氣。在運行開始時，模塊的生產(chǎn)率為1050nm3O2/m3吸附器體積。操作330小時(14天)后，生產(chǎn)率已下降至910nm3O2/m3吸附劑。將試驗在該階段中斷。
在以上實施例中，水蒸氣前峰快速移動通過吸附器。對于相同的污染物程度，其它的污染物，其中大多數(shù)比LSX沸石上的水具有更低的亨利定律系數(shù)，將以較短的時間移動通過吸附器。盡管該現(xiàn)象存在于常規(guī)的PSA中，但是高速PSA和旋轉(zhuǎn)式PSA，因吸附器產(chǎn)品端的污染而特別易減少使用壽命。通過使用本發(fā)明的技術(shù)和設(shè)備，常規(guī)的PSA也有益于(a)為了延長吸附器使用壽命，和(b)減小料想不到的因靜態(tài)或動態(tài)的密封泄漏或失敗而引起的中毒危險。
目的是防止污染物從所有路徑進(jìn)入吸附器的產(chǎn)品端。必須將污染物泄漏進(jìn)入產(chǎn)品閥和管線降至最低，優(yōu)選基本上被消除。因此，應(yīng)該采取步驟以將邊界層的從下游產(chǎn)品管線、閥門和接受器的向后擴(kuò)散和表面擴(kuò)散降至最??；并且當(dāng)設(shè)備關(guān)閉時，緊閉閥門以關(guān)閉產(chǎn)品輸送管線。
一種選擇是使用唯一的靜態(tài)密封和非滲透材料，完全密封流體緊密封容器中的吸附器的整個輕質(zhì)端和相關(guān)的流體導(dǎo)管和閥門。這樣做的一種方法是消除所有的接觸進(jìn)料氣或周圍大氣污染物的動態(tài)密封，諸如使用波紋管閥或通過磁力驅(qū)動的完全含有流體的閥門。另一種方法是在金屬或其它非滲透(對于污染物)的容器內(nèi)安裝所有的閥門。增加的保護(hù)包括使用容器內(nèi)的緩沖流體，其中使用產(chǎn)品氣體是一種優(yōu)選的選擇。循環(huán)并重新加入緩沖流體為污染物的進(jìn)入增加了另一種保護(hù)層。
優(yōu)選，在污染物進(jìn)入產(chǎn)品端的路徑內(nèi)具有多重阻力物。盡管驅(qū)動器含有任何類型的方向閥將為污染物的進(jìn)入提供可能的通道，但是對于相對較大直徑的環(huán)形密封、旋轉(zhuǎn)多端口分配閥，防止污染物泄漏特別困難。除了擴(kuò)散力以外，或者盡管流體力經(jīng)常產(chǎn)生污染物的進(jìn)入，但是沒有一個是通常所期望的。一種解決該進(jìn)入的方法是在與吸附器產(chǎn)品端相通的工藝約束密封和與負(fù)載任何污染物的流體相通的基礎(chǔ)密封之間提供緩沖空間。參看附圖，下面描述緩沖空間的實施方案。緩沖空間可以是正壓力區(qū)、干燥流體區(qū)諸如具有通過輸送產(chǎn)物流適當(dāng)提供的沖洗循環(huán)的干燥產(chǎn)品沖洗區(qū)域，兩個區(qū)域或排空區(qū)。在緩沖空間中任何流體的重新加入(沖洗)可以通過端口和/或通過使用動態(tài)密封泄漏來完成。另外的實施方案優(yōu)選，使循環(huán)流動與污染物進(jìn)入的路徑相反。還優(yōu)選通過緩沖密封將緩沖空間分成兩個或多個緩沖室，將至少一種以上的阻力施加給污染物進(jìn)入。緩沖密封優(yōu)選具有較小的密封長度，或者如果是環(huán)形的，緩沖密封具有較小的直徑。引入到緩沖空間的氣體優(yōu)選是循環(huán)的，以便將緩沖空間流體內(nèi)的污染物降至最小。
在沒有選擇使用多重阻力的情況下，工藝約束密封和基礎(chǔ)密封是一種并且是相同的，不存在緩沖空間。在這種情況下，如果輕質(zhì)產(chǎn)品端的壓力高于負(fù)載污染物流體的壓力，優(yōu)選使用間隙型動態(tài)密封，因為產(chǎn)品氣體的流動將減少污染物的進(jìn)入。增加產(chǎn)品氣體流流動通過或經(jīng)過的防護(hù)分離器也是一種優(yōu)選的選擇。當(dāng)產(chǎn)品流的壓力低于負(fù)載污染物流體的壓力時，優(yōu)選使用與防護(hù)分離器連接的動態(tài)密封，優(yōu)選可替換。
另一種選擇是其中通過周期性再生或更換來維持吸附器的系統(tǒng)。
所公開的系統(tǒng)和方法的實施方案包括將防護(hù)分離器放置在至少一個、通常多個，可能是所有輕質(zhì)回流物管線(以及任何方向閥的緩沖空間)上以捕集任何流動的污染物，諸如在最初的起動時，或在可能將濕空氣或其它污染物引入PSA設(shè)備的任何維修中斷之后的起動。通過周期性的再生或更換可以維持這樣的防護(hù)分離器的容量和選擇性。在輕質(zhì)回流物管線內(nèi)的防護(hù)分離器可以用作緩沖吸收器腔室或平衡緩沖罐。
如果這些防護(hù)分離器中的一個在產(chǎn)品管線內(nèi)，則它的穩(wěn)態(tài)濕度水平基本上相當(dāng)于干燥輸送產(chǎn)品的濕度。對于產(chǎn)品端目標(biāo)水蒸氣壓力諸如在圍繞產(chǎn)品輸送導(dǎo)管、管線或腔室的這些區(qū)域內(nèi)，在這種情況下產(chǎn)品端的壓力應(yīng)基本上為選擇的吸附劑材料的壓力，在30℃下壓力通常約為0.005pa至約0.1pa。如果將前面的負(fù)載水的防護(hù)分離器以流體連接到輕質(zhì)產(chǎn)品上，則它可以通過產(chǎn)品氣體的置換吹掃來再生?？梢允褂幂o助閥排列以旋轉(zhuǎn)切換輕質(zhì)回流物管線和產(chǎn)品管線之間的防護(hù)分離器。還可以將產(chǎn)品流用于再生任何的防護(hù)分離器，所述防護(hù)分離器可用作(1)用于再生吸附器前端防護(hù)層的污染物槽，或(2)用于當(dāng)設(shè)備關(guān)閉時，通氣器管線的防護(hù)分離器。
B.關(guān)閉步驟當(dāng)PSA設(shè)備關(guān)閉時，在吸附器的防護(hù)層內(nèi)先前吸附的污染物的向前擴(kuò)散可能逐漸地使對污染物敏感的吸附劑失活。用于解決向前擴(kuò)散的另外公開的方法包括(1)隔離閥，(2)在關(guān)閉期間進(jìn)行吹掃以降低防護(hù)層污染物的含量，(3)在正常的操作中以相對較高的壓力操作以降低防護(hù)層中污染物的穩(wěn)態(tài)含量，(4)在停置模式中將防護(hù)層冷卻，(5)在停置模式中提供間歇或連續(xù)的吹掃，和(6)在停置模式中提供間歇起動和/或正常的操作順序以使擴(kuò)散前峰向后，從而防止對污染物敏感吸附器材料的污染，及其所有可能的組合?？梢詫⑦@些另外的方法用于PSA設(shè)備上的所有吸附器。
將防護(hù)層進(jìn)行再生以消除防護(hù)層內(nèi)的一些、優(yōu)選大多數(shù)吸附的污染物。最初防護(hù)層的再生可以通過在關(guān)閉時用貯存的干燥流體諸如產(chǎn)品氣體自動逆向吹掃來實現(xiàn)。由于需要大量的貯存吹掃氣體來達(dá)到基本上完全再生防護(hù)層，所以通過借助于真空泵的逆向吹掃可提高再生的有效性，由此提高吹掃氣流的速度。
通過使用進(jìn)料氣也可引入吹掃氣流。常用的再生氣體，開始作為進(jìn)料氣，在兩個方向上通過防護(hù)層。為了提高在正常操作期間的再生作用，可以將進(jìn)料氣預(yù)先清潔，然后到達(dá)防護(hù)層，或者通過基本上降低產(chǎn)品流量來減小向前流量，或者兩者。參看附圖，某些公開如下。
通過在關(guān)閉期間對防護(hù)層進(jìn)行輔助加熱，可以更大地提高防護(hù)層的再生作用，同時在或者不在真空輔助下進(jìn)行逆向吹掃。另外的熱源包括輔助的電阻加熱器、感應(yīng)渦流加熱(例如吸附劑薄片的金屬網(wǎng)或金屬箔)或微波輻射。
還可以使用微波輔助脫附。例如，將微波用于從吸附劑中脫附氣體。特定的吸附劑諸如NaX沸石強(qiáng)烈地吸收微波，因此特定的沸石因其吸收微波的能力而被選擇用于脫附吸附的氣體。此外，可以提供結(jié)構(gòu)諸如金屬結(jié)構(gòu)以將微波限制在需要的區(qū)域諸如干燥劑和/或吸附劑的區(qū)域。例如，使用具有金屬部分的分離器的氣體吹掃”輪”將微波能量傳送至旋轉(zhuǎn)PSA模塊，從而將微波限制在模塊的特定部分。
在專利文獻(xiàn)中，將微波用于脫附水和其它的被吸附材料，如下專利文獻(xiàn)是熟知的，Mezey等人的美國專利4,322,394、美國專利5,227,598、Kobayashi等人的美國專利5,282,886、Botich的美國專利5,429,665、Opperman等人的美國專利5,509,956、Ackley等人的美國專利5,766,311和Ertl等人的美國專利6,022,399。
另外，在流體接觸吹掃氣體的過程中，通過有意地增加吹掃流體的熱量、通過利用循環(huán)氣流操作的真空泵和壓縮機(jī)，或通過熱交換器將熱量提供給防護(hù)層。PSA的進(jìn)料壓縮機(jī)可以提供加熱的流體，或者在關(guān)閉期間，甚至在高于常壓比的條件下運轉(zhuǎn)，從而不僅增加進(jìn)料氣的熱量，而且提高吹掃功能。加熱防護(hù)層的直接方法是通過增加閥面的機(jī)械負(fù)荷增加的轉(zhuǎn)動閥密封摩擦。
當(dāng)PSA的操作溫度升高時，降低防護(hù)層的污染物負(fù)載量是可能的。這可能有助于減少時間或清潔防護(hù)層所需的吹掃氣體的體積。
使用多個防護(hù)層可以減少污染物的向前擴(kuò)散。第一防護(hù)材料與至少第二防護(hù)材料相分離，防護(hù)材料層可以鄰接，或者至少是第一和第二防護(hù)材料混合。對于沿從進(jìn)料端至吸附劑流動路徑的流體流量，第二防護(hù)材料比第一防護(hù)材料具有更大的容量以及對污染物更強(qiáng)的親合力，從而減小向前的擴(kuò)散速率。
即使具有真空輔助和防護(hù)層的輔助加熱，逆向吹掃所需的吹掃氣體的體積非常大。因此，本發(fā)明的另一個特征是使用真空泵延伸逆向吹掃，通過防護(hù)分離器用產(chǎn)品氣體循環(huán)吹掃，在正常的操作過程中，利用產(chǎn)品流通過防護(hù)分離器和/或通過變溫加熱進(jìn)行再生。
一旦完成，或者與減少防護(hù)層中污染物負(fù)載量相結(jié)合，可以引入保護(hù)氣體以提供升高的停置壓力，這樣系統(tǒng)中所有的泄漏都向外和/或在吸附器和相關(guān)流動通道中置換現(xiàn)有的流體。
C.停置模式適當(dāng)?shù)年P(guān)閉步驟可防止對污染物敏感吸附劑區(qū)域的失活。在每個吸附器中隔離閥位于防護(hù)層和敏感吸附劑區(qū)域之間。當(dāng)設(shè)備運行時，這些閥門是開著的，但是每當(dāng)設(shè)備停止時就會自動關(guān)閉。隔離閥通常是關(guān)閉的，然后通過加入壓力高于環(huán)境的進(jìn)料或通過優(yōu)選實施方案的旋轉(zhuǎn)PSA模塊的轉(zhuǎn)動，或通過信號諸如電的或氣動信號將其關(guān)閉。隔離閥優(yōu)選提供流體緊密封以承受因環(huán)境溫度變化引起的任何壓力波動，并將越過閥門污染物的質(zhì)量流降至最小。
在某些變化中，在正常模式下周期性地重新起動PSA有助于停置模式內(nèi)污染物擴(kuò)散產(chǎn)生移動的逆向，其重新設(shè)定進(jìn)入防護(hù)層進(jìn)料端的污染物前峰。另外，可以將間歇或連續(xù)吹掃氣體或保護(hù)氣體加入到吸附器中以抵消污染物的擴(kuò)散質(zhì)量流。
優(yōu)選關(guān)閉步驟這樣設(shè)計，要使PSA設(shè)備置于無污染物的停置條件下，在該條件下通過適當(dāng)?shù)木o密封的關(guān)閉閥和/或單向閥，將泄漏入吸附器產(chǎn)品端的污染物降至最小，并優(yōu)選基本上被消除。在正常操作過程中，應(yīng)將任何動態(tài)密封設(shè)計成摩擦小并且壽命長。在關(guān)閉過程中密封緊密度確實變得更加重要，從而最小化并優(yōu)選基本上消除任何污染物越過正常操作所需的動態(tài)密封的直接進(jìn)入。緩沖室的緊密封通過使用停置密封得以增強(qiáng)。阻止污染物進(jìn)入的另一方法是在緩沖室中使用防護(hù)分離器，優(yōu)選如果提供進(jìn)行更換或再生。還可以將防護(hù)分離器放置在緩沖室或工藝約束區(qū)域外部的基礎(chǔ)密封周圍。
吸附器吸附流體的容量受溫度變化的影響，其中較高較低的溫度波動都將分別降低、增加吸附器的吸附容量。在沒有認(rèn)真操作PSA的條件下，當(dāng)PSA設(shè)備停置時，污染物的進(jìn)入是可能的，因為它外部接觸負(fù)載污染物的大氣諸如濕空氣，或者它可能接觸負(fù)載污染物的進(jìn)料氣，并且它還受到晝夜溫度和氣壓正常波動的影響。由于這樣的“熱循環(huán)”，本發(fā)明下面將解決防止或控制PSA設(shè)備吸附器的氣體的“吸入”和“排出”的問題。
在具有數(shù)種實施方案的本發(fā)明的一方面，當(dāng)停置時將PSA設(shè)備的污染物敏感區(qū)域全部或至少部分地密封。如上所述，采取措施以保證將留在防護(hù)層上的任何污染物降至最小，或者使用方法以減小或最小化擴(kuò)散入污染物敏感區(qū)域的速率。為了將因溫度波動而引起的流體壓力任何內(nèi)部的增加或降低減少到最小，一種選擇是完全隔離PSA設(shè)備，或者提供具有調(diào)節(jié)大氣的吸附器，諸如空氣調(diào)節(jié)室或連續(xù)或間歇地循環(huán)調(diào)節(jié)至恒溫的保護(hù)氣體。一種選擇是循環(huán)調(diào)節(jié)的保護(hù)氣體，其通過防護(hù)分離器可被連續(xù)清潔，在正常操作中所述的防護(hù)分離器可以通過產(chǎn)物流進(jìn)行再裝填。
在完全密封關(guān)閉的情況下，在關(guān)閉后將PSA設(shè)備(或其污染物敏感區(qū)域)所有端口上緊密地密封。由于設(shè)備從其正常的操作溫度(在本發(fā)明中將其假定為有些高于通常的環(huán)境溫度)進(jìn)行冷卻，所以它產(chǎn)生較強(qiáng)的真空，所產(chǎn)生的真空在吸附組分通過擴(kuò)散重新分布時被進(jìn)一步增強(qiáng)。正壓的保護(hù)流體總是在高于環(huán)境壓力下緊密地關(guān)閉吸附器并連接流體通道。將壓力調(diào)節(jié)器或減壓閥安裝在保護(hù)氣體供應(yīng)的下游，從而保證不同于環(huán)境的最小壓力諸如在某些情況下為100kPa。如果壓力開始循環(huán)至更高的壓力，導(dǎo)致任何的緩慢內(nèi)漏或設(shè)備的無意加熱，則提供減壓閥以排出任何多余的流體。
在另一種公開的實施方案中，將PSA設(shè)備在所有的進(jìn)料和排氣端口和密封口上緊密地密封，但將產(chǎn)品端連接到保護(hù)氣體供應(yīng)上，從而使通氣響應(yīng)環(huán)境溫度和氣壓的變化。
在另一種公開的實施方案中，將PSA設(shè)備在所有的產(chǎn)品端口和密封口上進(jìn)行緊密地密封，但在進(jìn)料端口上只部分密封，從而使有限的通氣響應(yīng)環(huán)境溫度和氣壓的變化?？商峁┚哂休^低斷裂壓力設(shè)置的減壓閥以容許僅在需要時有限的進(jìn)料端通氣，從而防止過大的過壓或真空差，盡管有全部的安全措施，但過大的過壓力或真空差使設(shè)備結(jié)構(gòu)性過載或引起某些危險，即可能發(fā)生濕空氣吸入產(chǎn)品端的危險。
在某些實施方案中，進(jìn)料端的保護(hù)氣體可用環(huán)境空氣(其中空氣與工藝氣體的混合不是有害的或危險的)，或任何其它負(fù)載污染物的流體來代替，任何吸入PSA設(shè)備進(jìn)料端的該流體將會通過吸附器進(jìn)料端的防護(hù)層。在與PSA設(shè)備進(jìn)料端相通的進(jìn)料或排氣口提供有通氣器。此外，可將通氣器連接到防護(hù)分離器上，其中通過吸附器吸入和排出的流體經(jīng)過防護(hù)分離器。
對于空氣分離PSA，進(jìn)一步的改進(jìn)是空氣通氣器的加熱設(shè)計和與PSA模塊連接的空氣通氣器防護(hù)分離器，所以環(huán)境溫度的變化快速透過與空氣通氣器相關(guān)的防護(hù)分離器，并且更加緩慢地透過PSA模塊。因此在空氣通氣器防護(hù)分離器溫度變化和通過防護(hù)分離器的空氣流動之間形成相轉(zhuǎn)移，那些空氣流動與PSA設(shè)備吸附器內(nèi)的延遲溫度變化速率相一致?？諝怆S著它的冷卻而流進(jìn)PSA設(shè)備，當(dāng)空氣通氣器防護(hù)分離器已經(jīng)冷卻后，以更強(qiáng)地吸附濕氣?？諝怆S著它被加熱而流出PSA設(shè)備，當(dāng)空氣通氣器防護(hù)分離器已經(jīng)加熱后，從而釋放出吸附的水蒸氣。
因此，在空氣通氣器防護(hù)分離器內(nèi)形成變溫吸附(TSA)過程，進(jìn)行在在24小時額丁循環(huán)中把水緩慢地排出PSA設(shè)備。該輔助TSA濕氣排出過程對額外的變溫具有被動的日光增大效應(yīng)?？諝馔馄鞣雷o(hù)分離器可被設(shè)計成大體積且長流動路徑，以使氮氣混合進(jìn)入吸附器內(nèi)的氧氣速率減少到最小。基于使用的進(jìn)料氣和保護(hù)氣體含量，上述設(shè)備和方法也可以同其它的流體和污染物一起使用。
以長管(有或沒有防護(hù)分離器)形式提供通氣器，以防止吸附器內(nèi)大量負(fù)載污染物的保護(hù)氣體和干燥產(chǎn)品氣體的混合。該實施方案的試驗已確定，吸附劑在空氣吸入下(由循環(huán)的環(huán)境溫度變化所驅(qū)使)的失活速率極大地被通氣器扼制，通氣器內(nèi)部體積遠(yuǎn)小于吸附的和脫附的體積。
本發(fā)明另一方面是以大約與環(huán)境壓力均衡的氣囊隔膜形式提供空氣通氣器，以防止大量的外部濕空氣與吸附器內(nèi)干燥的氧氣相混合。
當(dāng)PSA設(shè)備的停置時會導(dǎo)致非均勻的吸附器的劣化，因為吸附器可容納不同的關(guān)閉循環(huán)模式和約束曝露?？梢圆扇∫韵麓胧┲械娜魏我环N解決該危險(1)一旦關(guān)閉就非常緊急地除去污染物，然后緊密封，(2)關(guān)閉期間周期性地轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，或(3)關(guān)閉期間升高閥面離開密封以便將所有的吸附器一起通風(fēng)。
D.起動步驟從停置模式起動PSA需要留心負(fù)載污染物的流體以一種不使防護(hù)層過載的方式進(jìn)入吸附器。如果防護(hù)層的溫度相對低于正常的操作溫度，通過進(jìn)料氣體污染物減少防護(hù)層的負(fù)載量可以通過下列方法實現(xiàn)(1)通過節(jié)流或降低變壓來減小進(jìn)料流動或產(chǎn)品流動(2)增加上述正常操作的循環(huán)速度，和(3)在進(jìn)料導(dǎo)管中使用防護(hù)分離器。優(yōu)選盡可能快地達(dá)到正常的操作溫度，確保防護(hù)層的加熱基本上不快于吸附劑區(qū)域。
為降低污染物進(jìn)入產(chǎn)品端的風(fēng)險，優(yōu)選提供具有沖洗的任何緩沖空間，然后打開任何的停置密閉，并且確保任何的緩沖氣體處于操作壓力下，在脫離任何的停置密閉之前能夠操作流體。其它的用于阻止污染物進(jìn)入的系統(tǒng)應(yīng)該在PSA工藝開始和操作動態(tài)密封之前做好。
III.參看附圖描述示范性的PSA系統(tǒng)所述的設(shè)備、系統(tǒng)及其操作方法的實施方案涉及PSA系統(tǒng)，其通常包括但不限制于固定床、旋轉(zhuǎn)床和旋轉(zhuǎn)閥系統(tǒng)。然而，


的實施方案尤其涉及軸向和徑向流體流動的旋轉(zhuǎn)PSA系統(tǒng)，具有相對高的設(shè)備旋轉(zhuǎn)循環(huán)速度，諸如大約每分鐘10個循環(huán)或更多，更通常是大約每分鐘30個循環(huán)或更多。
A.圖1-6圖1表示一種旋轉(zhuǎn)軸向流PSA模塊1的實施方案，特別適合于小規(guī)模的氧氣生產(chǎn)。參看軸向流動系統(tǒng)，所述的水處理特征也通常適用于徑向流動的實施方案。參看圖6，描述一個徑向流動的PSA模塊的實施方案。如上所述，參考的水污染和氧分離PSA不限制于水，但包括所有的可使吸附器中毒或失活的污染物。
參看圖1，模塊1包括在吸附器外殼4內(nèi)的”N”個吸附器3。每個吸附器均具有第一端5和第二端6，它們之間接觸氮選擇性吸附劑的流動路徑。每個吸附器均具有與其第一端相鄰的第一區(qū)3A和延伸至第二端的第二區(qū)3B。第一區(qū)3A，防護(hù)層，含有諸如活性氧化鋁或沸石吸附劑的防護(hù)材料，第二區(qū)3B含有如下進(jìn)一步描述的水敏氮選擇性吸附劑。通常，區(qū)域3A比第一和第二端之間的吸附器長度延伸超過約20％以上，區(qū)域3B(可隨后分成多個含有不同吸附劑的區(qū)域)是剩余的80％。吸附器以軸對稱排列形式在吸附器外殼軸7周圍布置。殼體4相對于具有第一和第二閥體8和9的軸7旋轉(zhuǎn)運動。殼體4越過具有第一閥體8的第一閥表面10，向其中提供進(jìn)料空氣，并從閥體中引出作為重產(chǎn)物的富氣空氣。殼體4穿越具有第二閥體9的第二閥表面11，并從閥體中引出作為輕質(zhì)產(chǎn)物的富含氧氣的空氣。
在某些實施方案(特別是圖16和17所示的)，吸附器的外殼可為靜止的，同時第一和第二閥體轉(zhuǎn)動。在這些優(yōu)選的如圖1-5具體描述的實施方案中，吸附器外殼4轉(zhuǎn)動，并且以后將其稱作吸附器轉(zhuǎn)子4，同時第一和第二閥體是靜止的并一起構(gòu)成模塊的定子組件12。以后將第一閥體稱作第一閥門定子8，及將第二閥體稱作第二閥門定子9。需要將定子12和吸附器轉(zhuǎn)子4形成的環(huán)形空間作為轉(zhuǎn)動間隙，并將其稱作間隙13。
在圖1-5中的實施方案中，通過吸附器的流動路徑與軸7平行，所以流體流動方向是軸向的，同時第一和第二閥面示意為與軸7垂直的平面環(huán)狀圓盤。但是，吸附器中的流向更通常是軸向或徑向或在徑向和軸向之間的某一角度，第一和第二閥面可以是以軸7為中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動的任何圖形。在圖6的實施方案中，通過吸附器的流動路徑與軸7垂直或橫向，所以流體的流動是徑向的。工藝過程的步驟以及將要定義的功能性隔室具有相同的角關(guān)系，而與吸附器內(nèi)的徑向或軸向(或徑向和軸向之間的某一角度)的流向無關(guān)。
圖2-5是通過箭頭14-15、16-17和18-19形成的平面內(nèi)模塊1的截面圖。在每一部分的箭頭20都表示轉(zhuǎn)子4轉(zhuǎn)動的方向。
圖2表示越過圖1的部分18-19，其越過吸附器的轉(zhuǎn)子。在本發(fā)明中，“N”＝72。將吸附器3安裝在吸附器轉(zhuǎn)子4的外壁21和內(nèi)壁22之間。在該圖中，每個吸附器包含吸附劑薄片23的矩形平面塊3，薄片之間的間隔片24形成軸向的流動通道。分離器25位于吸附器之間以充滿空隙并防止吸附器之間的泄漏。
吸附劑薄片含有增強(qiáng)材料，在優(yōu)選的實施方案中，利用適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑將吸附劑材料粘接到玻璃纖維、金屬箔或絲網(wǎng)上。對于生產(chǎn)富氧的空氣分離，在第二區(qū)域3B常用的吸附劑是通常與鋰、鈣、鍶、鎂和/或其它的陽離子交換的并具有最佳硅/鋁比的X、A或菱沸石型沸石，這是本領(lǐng)域已知的。在吸附劑薄片的基質(zhì)內(nèi)，將沸石晶體用二氧化硅、粘土或其它粘結(jié)劑粘接或自粘接。
令人滿意的吸附劑薄片通過將含有粘接劑成分的沸石晶體漿液涂布到增強(qiáng)材料上來制備，成功的例子包括非織物玻璃纖維稀松布、織制的金屬織物和膨脹鋁箔。間隔片通過印花或壓花具有凸起圖案的吸附劑薄片，或通過將制成的間隔片放置在吸附劑薄片相鄰對之間提供。另一種令人滿意的間隔片，作為光刻圖案中具有蝕刻流動通道的織制金屬篩網(wǎng)、非織物玻璃纖維稀松布和金屬箔來提供。
常用的試驗性薄板的厚度為150微米，間隔片的高度為100至150微米，吸附器的流動通道長度約為20cm。使用X-型沸石，在PSA循環(huán)頻率為20至300周期/分鐘的條件下，從空氣中分離氧氣可以達(dá)到優(yōu)異的性能。如果需要，可以使用較低的循環(huán)速度以生產(chǎn)產(chǎn)品流體。
圖3表示在箭頭14-15和16-17所形成的平面內(nèi)的第一和第二轉(zhuǎn)子閥面內(nèi)的轉(zhuǎn)子4的進(jìn)入端口。吸附器端口30提供了直接從每個吸附器的第一端5或第二端6至各自的第一或第二轉(zhuǎn)子閥面流體的連通。
圖4A表示由箭頭14-15形成的平面內(nèi)，第一閥面10內(nèi)的第一定子8的第一定子閥面100。流體連接到包括來自入口過濾器102的進(jìn)料空氣的進(jìn)料壓縮機(jī)101，并連接到將排氣器103上，其將富含氮氣的第二產(chǎn)品輸送至第二產(chǎn)品輸送導(dǎo)管104。壓縮機(jī)101和排氣器103連接到驅(qū)動馬達(dá)105上。
箭頭20表示由吸附器轉(zhuǎn)子進(jìn)行的轉(zhuǎn)動方向。在密封106和107之間的環(huán)形閥面內(nèi)，與進(jìn)料和排氣隔室相通的第一定子閥面100的開口區(qū)域由空白的角形部分111-116所示，其對應(yīng)直接與通過相同參考數(shù)字111-116所限定的功能隔室相通的第一功能端口。功能隔室之間的閥面100基本上關(guān)閉的區(qū)域由陰影部分118和119表示，其是具有零間隙或優(yōu)選窄間隙的滑塊，從而減小摩擦和磨損而沒有過量的泄漏。通常關(guān)閉的部分118，在與隔室114相通和與隔室115相通之間為吸附器提供轉(zhuǎn)換。通過滑塊和密封面之間的錐形間隙通道提供漸近的通路，從而達(dá)到與新隔室相通的吸附器的溫和壓力平衡。當(dāng)從另一端進(jìn)行增壓或泄料時，提供更寬的閉合部分(例如119)以基本上關(guān)閉來自或流向吸附器的一端的流量。
在該實施方案中的進(jìn)料壓縮機(jī)將進(jìn)料空氣提供至進(jìn)料增壓隔室111和112以及進(jìn)料生產(chǎn)隔室113。隔室113通過導(dǎo)管181連接到壓縮機(jī)101上。隔室111和112具有連續(xù)增加的工作壓力，同時隔室113處于PSA循環(huán)較高的工作壓力下。因此，壓縮機(jī)101是多段或分離物流壓縮機(jī)系統(tǒng)，將適當(dāng)體積的進(jìn)料流輸送至每個隔室，以便通過隔室111和112中等的壓力水平實現(xiàn)吸附器的增壓，然后通過隔室113進(jìn)行最后的增壓和生產(chǎn)。分離物流壓縮機(jī)系統(tǒng)可以作為具有段間輸送端口的多段壓縮機(jī)，以串聯(lián)形式提供；或作為多個壓縮機(jī)或壓縮氣缸以并聯(lián)形式提供，每個都將進(jìn)料空氣輸送至隔室111至113的工作壓力。另外，壓縮機(jī)101可將所有的進(jìn)料空氣輸送至更高的壓力，在它們各自的中等壓力下，將一部分空氣節(jié)流以提供到進(jìn)料增壓隔室111和112。在某些優(yōu)選的實施方案(未示出)中，沒有將PSA設(shè)備與壓縮機(jī)直接連接，正如在大多數(shù)的氫氣分離設(shè)備中那樣，或者不需要將來自其源的進(jìn)料氣進(jìn)行壓縮。
類似地，排氣器103從逆流排料隔室114和115中，在這些隔室連續(xù)降低工作壓力的情況下，最后從處于低循環(huán)壓力下的排氣隔室116排出重質(zhì)產(chǎn)品氣體諸如富含氮氣的氣體。類似于壓縮機(jī)101，可以將排氣器103以串聯(lián)或并聯(lián)的作為多段或分離物流機(jī)械提供，從而在降至低壓的適當(dāng)中等壓力下接受所有流量。
在圖4A的示例性實施方案中，較低壓力是環(huán)境的壓力，所以排氣隔室116直接排氣至重質(zhì)產(chǎn)品輸送導(dǎo)管104。因此，排氣器103在能量回收條件下提供壓力下降，從而有助于逆流排料隔室114和115的馬達(dá)105。為了簡化，當(dāng)逆流排料壓力從隔室114和115下降時，通過節(jié)流孔板替代排氣器103。
在某些優(yōu)選的實施方案中，PSA循環(huán)的低壓是低于大氣壓的。然后將排氣器103作為真空泵提供，如圖4B所示。同樣，真空泵可以是各個段串聯(lián)或并聯(lián)的多段或分離的物流，從而在高于較低壓力的工作壓力下，接受離開它們隔室的逆流排料物流，所述的較低壓力是最深真空壓力。在圖4B中，將來自于隔室114的早先的逆流排料物流在環(huán)境壓力下直接釋放到重質(zhì)產(chǎn)品輸送導(dǎo)管104。如果為了簡化而使用單段真空泵，則將來自于隔室115的逆流排料物流經(jīng)過孔板節(jié)流降至較低的壓力，從而在真空泵的入口加入來自隔室116的物流。
圖5A表示由圖1箭頭16-17形成的平面內(nèi)，第二閥面11的第二定子9的第二定子閥面120。閥面的開口是第二閥門的功能性端口，直接與以下相通輕質(zhì)產(chǎn)品輸送隔室121；許多輕質(zhì)回流物離開隔室122、123、124和125；以及第二定子內(nèi)的相同數(shù)目的輕質(zhì)回流物返回隔室126、127、128和129。第二閥門的功能端口位于圓周密封131和132形成的環(huán)孔內(nèi)。每對輕質(zhì)回流物離開并返回的隔室，分別為PSA工藝的提供到回填功能，全部或部分壓力均衡，以及并流排料吹掃，提供了輕質(zhì)回流物壓力下降的階段。將吹掃流體的輕質(zhì)回流物從輕質(zhì)回流物端 122、123、124或125中的任何一個引出。該實施方案解釋了從端口124至端口126的供應(yīng)吹掃環(huán)路。使用單向閥141以保證不出現(xiàn)可能含有污染物的反流。該圖表示簡化的使用一系列節(jié)流孔板150的另一種方法，作為所有輕質(zhì)回流階段的壓力降低裝置和工藝控制裝置。
將防護(hù)分離器(在實施例中為干燥劑分離器)135和136分別安裝在輕質(zhì)產(chǎn)品輸送導(dǎo)管147和每個輕質(zhì)回流循環(huán)路導(dǎo)管諸如導(dǎo)管134內(nèi)。由于連續(xù)使用導(dǎo)致污染物使分離器飽和并可能釋放污染物，所以防護(hù)分離器必須提供更換或再生。在以后部分將討論一些實施方案。
圖5B解釋了輕質(zhì)回流物的壓力隨著能量回收而降低的選擇，其中提供分離物流的輕質(zhì)回流物驟冷器140以提供隨能量回收的四個輕質(zhì)回流物階段的壓力降低。圖5B還解釋了提供作為吹掃流體的產(chǎn)品氣體的選擇。將輕質(zhì)回流物驟冷器用作這四個輕質(zhì)回流物階段的壓力降低裝置，其中所有階段在所示的輕質(zhì)回流物離開和返回隔室122和129、123和128、124和127以及121和126之間都分別具有輕質(zhì)回流物循環(huán)路導(dǎo)管134。
通過驅(qū)動軸146將輕質(zhì)回流物驟冷器140連接到輕質(zhì)產(chǎn)物的增壓壓縮機(jī)145上。壓縮機(jī)145接收來自端口121的輕質(zhì)產(chǎn)物。并將輕質(zhì)產(chǎn)物(其被壓縮至高于PSA循環(huán)的更高輸送壓力)輸送至導(dǎo)管147。對于在氮選擇性沸石上富集氧氣，輕質(zhì)回流物和輕質(zhì)產(chǎn)物都是大約具有相同純度的富氧氣流。結(jié)果，可將驟冷器140和輕質(zhì)產(chǎn)物壓縮機(jī)145基本上密封地容納在一個外殼內(nèi)，所述的外殼通常與第二定子上的控制器成為一體，如圖1所示。這樣的沒有獨立驅(qū)動馬達(dá)的“渦輪壓縮機(jī)”氧增壓的構(gòu)造是有利的，因為在沒有外部馬達(dá)和相應(yīng)軸密封的條件下，可以實現(xiàn)產(chǎn)物氧氣有用的增壓，并且當(dāng)被設(shè)計成在非常高的軸速度條件下操作時，構(gòu)造該還可非常緊湊。
返回圖1，將相對更高壓的進(jìn)料空氣供應(yīng)到隔室113，如箭頭35所示，同時在相對較低壓下將富集氮氣的重質(zhì)產(chǎn)物從隔室117排出，如箭頭36所示。通過第一定子8內(nèi)的轉(zhuǎn)子驅(qū)動軸162上具有軸密封161的軸承來支撐轉(zhuǎn)子，它與第一和第二閥定子一體化組裝。吸附器轉(zhuǎn)子通過馬達(dá)163驅(qū)動。
在該實施方案中，圓周密封105和106和軸密封161是基礎(chǔ)密封，如上定義。工藝約束密封是圓周密封131和132。緩沖空間通過密封106、間隙13、空間171和密封131限定。緩沖密封170提供兩個緩沖室、間隙13和緩沖室171?？蓪⒕彌_室171充滿任何不含任何污染物的流體，優(yōu)選充滿產(chǎn)物流，正如所解釋的那樣?？蓪⒕彌_室171充滿氣體，達(dá)到高于環(huán)境壓力的緩沖正壓力諸如比環(huán)境壓力高20kPa或更高。優(yōu)選實施方案是這樣設(shè)計緩沖室171，要使提供流動的緩沖氣體以保證在緩沖室中不會收集任何污染物。將通道176，其優(yōu)選靠近密封131，進(jìn)行尺寸調(diào)整以使所有產(chǎn)物流通過而沒有顯著的壓降，然后通過緩沖室171。此外，優(yōu)選的實施方案是以已這樣的方式緩沖氣路徑，要使緩沖氣體的凈流動與可能的污染物泄漏方向相反，如箭頭177所示。因此，可能發(fā)生少量的干燥氧氣的向外泄漏，但是濕空氣不能滲漏入緩沖室。為了進(jìn)一步最小化泄漏減小密封摩擦轉(zhuǎn)矩，在使緩沖密封170周長降至最小的相對較小的直徑下，緩沖密封170在密封面172上進(jìn)行密封。緩沖密封170在吸附器轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)子伸出部分175和第二閥門定子9上的密封面172之間進(jìn)行密封，轉(zhuǎn)子伸出部分175包封第二閥門定子9的后面部分以形成緩沖室171。當(dāng)PSA設(shè)備處于轉(zhuǎn)動和增壓的正常操作條件下時，可以將緩沖密封170設(shè)計成具有相對輕連接以減小摩擦和磨損，然后當(dāng)PSA設(shè)備關(guān)閉時可以作為停置密閉緊緊地密封在密封面上。
獨立的停置密閉190還可以作為獨立的密封組件提供，并僅在關(guān)閉過程中使用。圖1說明未使用的停置密閉190，也就是在正常操作過程中。一旦關(guān)閉就起動停置密閉190諸如流體壓力或電起動，當(dāng)檢測不到上述信號時就用彈簧關(guān)閉密封。停置密閉能夠在間隙13和緩沖密封170之間形成緊密的流體密封，由此保證污染物不會進(jìn)入緩沖室171，然后進(jìn)入吸附器。當(dāng)使用時，停置密閉與吸附器轉(zhuǎn)子4和定子組件12接觸。通過通道176將來自輕質(zhì)產(chǎn)物功能隔室121的產(chǎn)物氧氣輸送入緩沖室171，在循環(huán)通過緩沖室171后，通過導(dǎo)管177將其輸送至產(chǎn)物增壓壓縮機(jī)145，或者直接輸送至產(chǎn)品輸送導(dǎo)管147。提供定子-外殼部件180作為第一閥門定子8和第二閥門定子9之間的結(jié)構(gòu)連接。
圖1A至1D清楚地表示不同污染物進(jìn)入阻力方案的簡化圖。不是將它們用于表示PSA設(shè)備的其余部分的全部功能。
圖1A表示相對于圖1的緩沖密封位置的變化。在本發(fā)明中，進(jìn)料進(jìn)入吸附器3的第一端5，如箭頭35所示，產(chǎn)物離開末端6，如箭頭37所示，同時在箭頭36的方向上引出廢氣。將緩沖密封170″同心放置在基礎(chǔ)密封(外部的圓周密封)106的周圍，將相互之間的空間通過緩沖排出口179被排出到排氣裝置。產(chǎn)物離開吸附器末端6通過工藝約束密封131和132，然后通過間隙13″進(jìn)入產(chǎn)物出口，通過單向閥181和閥門202與產(chǎn)物導(dǎo)管147以流體連接。在該實施方案中，產(chǎn)物流的方向同樣與任何預(yù)期的污染物方向相反，如果間隙狹窄，則可能具有相對較高的速度。間隙與防護(hù)材料排成一列作為污染物的連續(xù)防護(hù)分離器178，同時通過非常純凈的產(chǎn)品氣體不斷地進(jìn)行再生。
圖1B表示用于旋轉(zhuǎn)床系統(tǒng)的動密封排列的另一種變化。在本發(fā)明，進(jìn)料進(jìn)入吸附器3的第一端5，如箭頭35所示，產(chǎn)物離開末端6，如箭頭37所示。產(chǎn)物約束密封131也作為基礎(chǔ)密封，因為間隙13通過縫隙195與大氣環(huán)境相通。對于該構(gòu)造(其中沒有緩沖空間)，優(yōu)選的實施方案是在負(fù)載污染物的流體至工藝約束密封的路徑上使用防護(hù)分離器178。
圖1B所示的另一種變化是，其中的縫隙195被連續(xù)外殼196所代替。在該排列中，密封131是工藝約束密封，基礎(chǔ)密封是密封106，其中這兩種密封形成緩沖空間和緩沖室13。優(yōu)選安裝壓力均衡器端口197以限制與環(huán)境的任何壓差。端口197通過通氣器198、優(yōu)選通過通氣器198和防護(hù)分離器199與環(huán)境相通。
圖1C描述了固定床系統(tǒng)，其中吸附器3的進(jìn)料端使用旋轉(zhuǎn)閥以使流動同步。輕質(zhì)產(chǎn)品端使用一些閥門開關(guān)以影響PSA過程。將進(jìn)料氣通過導(dǎo)管113，通過動態(tài)密封60利用馬達(dá)63圍著軸62轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子體61輸送至重質(zhì)(產(chǎn)物)閥門67。進(jìn)料流流向密封64并通過定子外殼65進(jìn)入吸附器3。廢氣從吸附器3通過定子外殼65、密封64和轉(zhuǎn)子體61引出。通過導(dǎo)管117引出包含在與定子外殼65相協(xié)調(diào)的第二定子外殼66內(nèi)的流體。
將吸附器3的輕質(zhì)產(chǎn)品端描述成具有方向閥68的常規(guī)導(dǎo)管，用以提供與進(jìn)料端閥67和吸附器3相協(xié)調(diào)的同步壓力及流動循環(huán)，通過產(chǎn)物導(dǎo)管147輸送產(chǎn)物流。注意到該附圖只是描述了最簡化的2個吸附器的PSA，它代表于輕質(zhì)產(chǎn)品端的流體所有的具有旋轉(zhuǎn)進(jìn)料閥和常規(guī)閥排列的PSA構(gòu)造用。將輕質(zhì)產(chǎn)品端系統(tǒng)完全包含在不可滲透的容器70內(nèi)，其中越過所有的邊界實現(xiàn)緊密的流體密封。在這種選擇中，大氣中含有的污染物不能越過閥桿驅(qū)動器進(jìn)入工藝過程，它是工藝約束密封。將靜態(tài)緩沖空間(通過靜態(tài)密封限定的閥周圍的空間)優(yōu)選用通過緩沖流體供應(yīng)導(dǎo)向端口71引入的緩沖流體充滿。超出環(huán)境壓力的正壓梯度是一種優(yōu)選的選擇。還優(yōu)選通過從端口72引出流體將這種緩沖流體循環(huán)并重新加入。
使用單向閥69以使來自下游設(shè)備或工藝的任何污染物的反流降至最小，使用產(chǎn)品氣體作為緩沖流體的優(yōu)選選擇，上述目的通過以下步驟實現(xiàn)通過關(guān)閉閥門74并使產(chǎn)品流體通過閥門73進(jìn)入容器70，并將其用于從容器73通過產(chǎn)物導(dǎo)管75引出產(chǎn)物。
圖1D還描述了旋轉(zhuǎn)PSA系統(tǒng)，其中吸附器3的輕質(zhì)產(chǎn)品端使用多端口旋轉(zhuǎn)分配閥，以使壓力和流動循環(huán)同步。輕質(zhì)產(chǎn)物閥78含有通過馬達(dá)80轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子79，其中動態(tài)密封81以循環(huán)方式與吸附器3相通。進(jìn)料氣進(jìn)入導(dǎo)管113，經(jīng)過一組方向閥76，然后導(dǎo)入吸附器3中的一個，其中通過密封81、通過輕質(zhì)產(chǎn)物轉(zhuǎn)子79將產(chǎn)品氣體從其中引出，并通過動態(tài)密封82和產(chǎn)品端口83進(jìn)入導(dǎo)管147中。動態(tài)密封81和82是工藝約束密封，在沒有密封輕質(zhì)產(chǎn)物閥門外殼84的構(gòu)造中，它們還是基礎(chǔ)密封并且對于周圍大氣中污染物的進(jìn)入具有最小的阻力。在一種選擇中，可將外殼84密封以產(chǎn)生可被保護(hù)的靜態(tài)緩沖空間，如以上所討論的那樣。另一種選擇是使靜態(tài)緩沖室通過連接到保護(hù)氣體供應(yīng)86上的通氣器85進(jìn)行吸氣。另一種優(yōu)選的選擇是使靜態(tài)緩沖室通過通氣器87、優(yōu)選通過防護(hù)分離器88進(jìn)行吸入。將廢氣從吸附器3通過方向閥76、導(dǎo)管117引出。
圖1C和1D所示設(shè)備的組合諸如與吸附器3和輕質(zhì)產(chǎn)物閥門78連接的重質(zhì)產(chǎn)物閥門67，也被認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)式PSA，并且能夠受益于本發(fā)明?？蓪⒂删哂邢嚓P(guān)導(dǎo)管的輕質(zhì)產(chǎn)品端閥門68以及吸附器3和第一端閥門78和構(gòu)成常規(guī)PSA的相關(guān)導(dǎo)管組成的系統(tǒng)也認(rèn)為受益于本發(fā)明。
圖6解釋了特別適于大規(guī)模氧氣生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)式徑向流體流動的PSA設(shè)備，如上所述，所述的旋轉(zhuǎn)式軸向流體流動的PSA系統(tǒng)的特征也適用于徑向流動系統(tǒng)。參看圖6，模塊1′包括數(shù)目為“M”的位于相同角位置的吸附器組件2′，在吸附器外殼體4′內(nèi)并聯(lián)操作以形成“N”個吸附器。在該實施方案中，M/N等于2，因為在模塊1′的橫截面上具有所示的兩個組件。每個吸附器組件2′都具有第一端5′和第二端6′，它們之間的流動路徑接觸氮選擇性吸附劑。除了第一和第二端5′和6′以外，每個吸附器組件都具有包圍它們的不可透過的表面。以工藝過程流體不能旁路通過分別由第一和第二端5′和6′形成的流動路徑的方式，通過組件密封31′將每個組件都密封到吸附器的外殼體4′上。每個吸附器都具有與其第一端相鄰的第一區(qū)域2A′和延伸至第二端的第二區(qū)域2B′。第一區(qū)域2A′含有防護(hù)層諸如活性氧化鋁、活性炭或沸石吸附劑，第二區(qū)域2B′含有本文中所述的對污染物敏感的吸附劑。區(qū)域2A′通常比第一和第二端之間的吸附器長度伸長約20％以上，區(qū)域2B′(可以隨后將其再分成多個含有不同吸附劑的區(qū)域)是剩余的80％。
將吸附器配置在吸附器外殼體4′周圍，其相對具有第一和第二閥體8′和9′的軸7′旋轉(zhuǎn)運動。在該實施方案中，吸附器外殼體4′圍繞第二閥體9′轉(zhuǎn)動，通過軸承160′和164′支撐，將其通過軸162′利用馬達(dá)163′驅(qū)動。使用軸密封161′。
外殼體4′越過具有第一閥體8′的第一閥表面10′，向其中提供進(jìn)料空氣，從其中引出重質(zhì)產(chǎn)物。在箭頭35′的方向上通過導(dǎo)管113′提供進(jìn)料流體，在箭頭36′的方向上通過導(dǎo)管117′引出廢氣。第一和第二外部圓周密封105′和106′分別包含這些流體。
此外，外殼體4′越過具有第二閥體9′的第二閥表面11′，從其中引出作為輕質(zhì)產(chǎn)物的流體諸如富集氧氣的流體。第一和第二外部圓周密封131′和132′分別包含所述的工藝流體。
對于輕質(zhì)回流壓力隨能量回收而下降的選擇的解釋是，可以將其連接到與產(chǎn)物壓縮機(jī)、分離物流的輕質(zhì)回流物驟冷器140′上，通過驅(qū)動軸146′將其連接到輕質(zhì)產(chǎn)物的增壓壓縮機(jī)145′上。壓縮機(jī)145′接收輕質(zhì)產(chǎn)物并將輕質(zhì)產(chǎn)物(將其壓縮至高于PSA循環(huán)較高壓力的輸送壓力)輸送至輸送導(dǎo)管147。
在該實施方案中，將吸附器組件包含在外壁21′和內(nèi)壁22′內(nèi)。端口30′通過這些壁并與吸附器組件末端流體連接。將產(chǎn)物通過特定端口30′輸送至產(chǎn)物室32′，然后通過產(chǎn)物壓縮機(jī)145′收集。將剩余的輕質(zhì)回流物管線優(yōu)選完全充滿產(chǎn)物流。這保證任何污染物都不能進(jìn)入輕質(zhì)回流物的導(dǎo)管。
將一部分壓縮產(chǎn)物通過管線142′從管線147′引出并輸送至端口143′，通過所述端口可進(jìn)入分別由內(nèi)壁和外壁21′和22′限定的區(qū)域。將閥門179′用于調(diào)節(jié)管線142′和147′之間的流量混合。將不含污染物的產(chǎn)物流通過吸附器組件之間的體積進(jìn)行循環(huán)，從而收集任何的可旁路通過組件密封的污染物，然后通過端口144′將其輸送至緩沖室171′。緩沖室由緩沖密封170′所限定，它是間隙型動態(tài)密封。緩沖流體進(jìn)入腔室174′，其設(shè)計用于在軸周圍清除并通過密封173′離開，它是第二種緩沖密封。將氣體進(jìn)一步輸送至第三緩沖室以清除軸周圍的流體，由此在147′內(nèi)加入到剩余的產(chǎn)物流中。密封173′和基礎(chǔ)密封(第二外部圓周密封)132′(并且通過吸附器外殼4′和第二閥體9′)定義第四緩沖室。
關(guān)于前面的實施方案，這樣設(shè)計緩沖室以在與可能污染物的流向相反的方向上，在本文中朝向緩沖密封170′，使緩沖氣體具有平滑的流動從而避免污染物收集。在該實施方案中，將緩沖密封設(shè)計成在相對較小的直徑周圍，具有高流速的窄間隙。這可使一些或所有產(chǎn)物流經(jīng)該細(xì)間隙。該細(xì)間隙提供了高的氣體速度以最小化污染物向相反方向移動的能力。然后將該氣流送回產(chǎn)物管線147′用于最后的輸送。
當(dāng)設(shè)備停置時，將停置密閉190′用于密封緩沖室。將其置于緩沖密封173′和基礎(chǔ)密封132′之間。
B.圖7-16在本公開的下圖中，簡化的示意圖表示以上所述示范性的PSA設(shè)備。這些高度簡化的附圖只表示僅單一的進(jìn)料導(dǎo)管181和單一的重質(zhì)產(chǎn)物導(dǎo)管182、第一閥表面10；具有進(jìn)料導(dǎo)管100的單一壓縮機(jī)101和具有輸送導(dǎo)管的單一排氣裝置103，并且需要在這些壓縮機(jī)中的至少一個存在的條件下操作；和輕質(zhì)產(chǎn)品輸送導(dǎo)管147和具單一的代表性的輕質(zhì)回流物階段184，其具有與第二閥表面11相通的泄壓裝置?？梢詫D7-16包括具有旋轉(zhuǎn)吸附器的PSA實施方案、具有旋轉(zhuǎn)分配器和靜止吸附器PSA實施方案，以及最常用的具有任何類型方向閥機(jī)械和任何數(shù)量靜止或移動吸附器的其他PSA設(shè)備。
將吸附器3(具有防護(hù)層3A和吸附劑層3B)包含在所示的圍著軸7旋轉(zhuǎn)的吸附器隔室200(在圖7-16中用虛線表示)內(nèi)。在下面公開的一些實施方案中隔室200的熱狀態(tài)是重要的。吸附器隔室200還包括一些或所有PSA 藝閥和工藝邏輯過程，而對吸附器的機(jī)械表示沒有限制。隔室200僅是在給定熱狀態(tài)下與外部環(huán)境隔離至某一程度的區(qū)域，或者它是被物理地包含以提供與外部負(fù)載污染物大氣的隔離，這是防止污染物通過任何途徑進(jìn)入PSA系統(tǒng)的常用方法。
如下實施方案提供了在PSA設(shè)備的正常操作、起動和關(guān)閉步驟和停置的條件下，提供敏感性吸附劑的污染物處理了的解決方法。當(dāng)討論集中于特別水敏性的氮選擇性吸附劑上富集氧的重要應(yīng)用時，可以認(rèn)識到本發(fā)明的特征可廣泛地應(yīng)用于任何的PSA設(shè)備和過程，用于在吸附劑上分離任何的氣體混合物(或吹掃任何的氣體組分)，所述的吸附劑通過與污染物接觸失活或降解，或者作為其工藝負(fù)荷的一部分被引入PSA設(shè)備中，或者只是在外部接觸PSA設(shè)備。
圖7表示在產(chǎn)品輸送導(dǎo)管147中串聯(lián)配置的單向閥201和切斷閥202，以便當(dāng)PSA設(shè)備關(guān)閉時能夠有效地防止水從產(chǎn)物收集器或消耗裝置的反向移動。
圖7還表示輕質(zhì)產(chǎn)物貯存容器或緩沖室203，其與導(dǎo)管147相通并提供作為關(guān)閉吹掃氣體的大量的干燥輕質(zhì)產(chǎn)品氣體，用于當(dāng)PSA設(shè)備減壓、關(guān)閉時，干燥劑吸附器區(qū)域3A的部分再生。最需要的是在吹掃過程中保持轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)動閥的轉(zhuǎn)動，所以同樣將所有吸附器吹掃。操作真空泵103，利用來自收集器203的有限體積的吹掃氣體實現(xiàn)提高干燥劑區(qū)域3A的再生程度。
圖7還表示作為隔離設(shè)備的隔室200，還可將其用于最小化設(shè)備內(nèi)的熱量變化，從而減小吸附器進(jìn)行吸入的趨勢。在某些為PSA提供保護(hù)流體的實施方案中，還將吹掃容器203用作產(chǎn)品端通氣器的流體源，并且進(jìn)一步將其調(diào)節(jié)以提供能減小吸附器內(nèi)的溫度變化的保護(hù)流體。
圖7還表示防護(hù)層加熱設(shè)備210，將其用于加熱防護(hù)層3A以提高從緩沖室203關(guān)閉吹掃過程中的再生。加熱設(shè)備210通常使用進(jìn)行局部加熱的任何技術(shù)。另一種適宜的加熱設(shè)備基于嵌入在吸附器區(qū)域3A內(nèi)的電阻加熱器或紅外輻射或微波輻射。作為一些優(yōu)選的實施方案，吸附劑的疊層材料使用絲網(wǎng)或金屬箔作為吸附劑薄片的載體，在本發(fā)明內(nèi)感應(yīng)渦流加熱也是可行的加熱器設(shè)備加熱方法。局部加熱還可以通過增加閥表面10上旋轉(zhuǎn)閥密封的負(fù)載量來達(dá)到。通過操作真空泵和/或壓縮機(jī)以循環(huán)方式加熱吹掃氣體也可實現(xiàn)加熱，從而加熱吸附器，或者通過熱交換器(未示出)加熱吹掃氣體。
圖8A表示吸附劑延伸的反向吹掃的實施方案，即使用真空泵103進(jìn)行經(jīng)過防護(hù)分離器204的循環(huán)吹掃(優(yōu)選通過輕質(zhì)產(chǎn)物)，所述的防護(hù)分離器將在隨后的操作中通過干燥產(chǎn)物和/或變溫進(jìn)行再生。該實施方案的操作原理是通過置換吹掃以將吸附的污染物從防護(hù)層轉(zhuǎn)移至防護(hù)分離器204，實現(xiàn)防護(hù)層3A的基本上完全的再生。防護(hù)分離器204必須具有足夠大的污染物容量，以吸附防護(hù)層中基本上所有的被吸附污染物，而沒有從產(chǎn)品端穿透任何的會污染水敏性吸附器區(qū)域3B的水蒸氣。提供輔助性方向閥211、212和213以能夠進(jìn)行關(guān)閉再生步驟。在正常操作中，閥門213是開著的，閥門211和212是關(guān)閉的，所以真空泵排氣至大氣，同時富集干燥氧氣的產(chǎn)品氣體逆流通過防護(hù)分離器204以進(jìn)行再生。在關(guān)閉再生步驟中，閥門213是關(guān)閉的，然而閥門211和212是開著的，所以真空泵通過閥門211循環(huán)吹掃氣體并流通過防護(hù)分離器204，然后通過閥門212從產(chǎn)品端逆流回到吹掃吸附器3。如上所述的加熱方法優(yōu)選在再生階段操作。將污染物傳感器215作為安全設(shè)備提供，從而警告使吸附器區(qū)域3B失活的任何污染的穿透，并且希望通過關(guān)閉閥門212以及停止排氣裝置103觸發(fā)自動關(guān)閉。
圖8B表示圖8A中所示工藝的變化。在正常操作條件下，輔助性方向閥214、202和217是開著的，然而輔助性方向閥216和218是關(guān)閉的。將進(jìn)料氣體通過導(dǎo)管181通過閥門214輸送，產(chǎn)品氣體逆流通過防護(hù)分離器204以進(jìn)行再生。在關(guān)閉再生步驟中，閥門214、202和217是關(guān)閉的，然而閥門216和218是開著的，所以壓縮機(jī)提供的進(jìn)料吹掃氣體通過閥門216并流通過防護(hù)分離器204，然后通過閥門218從產(chǎn)品端并流回到吹掃防護(hù)層3A。由于將產(chǎn)物流停止，所以大多數(shù)的進(jìn)料氣體在較低的再生壓力下通過排氣裝置103通過導(dǎo)管182離開。盡管流動是雙向的，但是每個循環(huán)的壓差將產(chǎn)生置換吹掃效應(yīng)。該吹掃方法具有另外的益處，即用壓縮功以及通過防護(hù)分離器204內(nèi)的吸附熱加熱氣體，將產(chǎn)生的熱量直接輸送至防護(hù)層以及安全地引入吹掃氣體而沒有進(jìn)入敏感性吸附劑區(qū)域3B。
圖8B的這種變化事實上可以分成兩個階段。在第一階段，將產(chǎn)物隔離閥202關(guān)閉，但是閥門214仍打開。該操作為防護(hù)層提供了潮濕的吹掃氣體，但是由于未引出產(chǎn)物，所以將排出相對大量的進(jìn)料污染物，防護(hù)層將部分再生。當(dāng)該操作已完成它的部分再生時，在進(jìn)料吹掃氣體管線內(nèi)進(jìn)行具有防護(hù)分離器的第二階段以完全再生。通過分解該功能，防護(hù)分離器可以基本上更小，因為需要清除較少的進(jìn)料流，在正常操作過程中其可使再生更快。正如在圖8A所示的系統(tǒng)中的那樣，通過加熱器210另外加熱是一種選擇，以及使用在線熱交換器以將熱量輸送至導(dǎo)管181中的氣流。
圖9-11表示干燥劑和水敏性吸附器區(qū)域3A和3B之間的隔離閥220。這些閥以及輕質(zhì)產(chǎn)品端的停置密閉必須絕對密封，并且能夠承受因溫度變化而引起的最大壓力，否則我們將迫使環(huán)境濕氣進(jìn)入吸附器。圖9表示每個吸附器的區(qū)域3A和3B之間的二通閥220，當(dāng)將PSA設(shè)備停止時，閥門220被關(guān)閉。通過旋轉(zhuǎn)式PSA模塊的旋轉(zhuǎn)可以將閥門220正常關(guān)閉、打開，或者另外通過壓縮機(jī)101產(chǎn)生的正壓或通過系統(tǒng)操作信號諸如電的或氣動的信號將其打開。
圖10表示作為單向閥的每個閥門220，所述的單向閥可以防止從每個吸附器區(qū)域3A至區(qū)域3B的向前流動，除了在PSA模塊正常有意操作過程中單向閥220被驅(qū)動器打開外，驅(qū)動器本身通過閥門旋轉(zhuǎn)或通過壓縮機(jī)增壓或通過系統(tǒng)操作信號來得到能量。
圖11顯示極端實施的將PSA模塊分成兩個階段的隔離閥概念，在關(guān)閉過程中隔離閥220位于將要閉合的兩個階段之間。在本文中，第二階段是與吸附器3B協(xié)同操作的第一閥門10′和第二閥門11的PSA模塊，所述的吸附器含有對污染物敏感的吸附劑。在關(guān)閉過程中單一PSA設(shè)備的單個組件的外殼或整個PSA系統(tǒng)可以是正壓力，和/或可包括相對干燥的流體環(huán)境，諸如可以通過輔助性的干燥流體或作為由PSA設(shè)備產(chǎn)物產(chǎn)生的干燥產(chǎn)物流提供。
第一階段是防護(hù)層模塊，其可在PSA循環(huán)(在與第二階段PSA模塊的循環(huán)頻率相同或不同條件下)上操作，或者另外地能夠在變溫吸附(TSA)循環(huán)上操作。第一階段模塊具有與防護(hù)材料層3A協(xié)同操作的第一閥門10和第二閥門11′。
在圖9-11所有實施方案中的水敏性吸附器區(qū)域3B必須與大氣隔離以防止水蒸氣進(jìn)入，這一點是顯而易見的。
圖12-14表示在外部環(huán)境和PSA設(shè)備的內(nèi)部工作空間之間保持近似的壓力均衡的空氣通氣器設(shè)備。當(dāng)外部大氣與工藝氣體的混合沒有危險時，可以使用這些設(shè)備。其通常包括空氣分離和排除烴類和氫氣分離過程。通過避免較大的差壓以及通過使用流體緊密封的停置密閉，可以降低濕氣進(jìn)入吸附器產(chǎn)品端的危險。因此，空氣通氣器設(shè)備優(yōu)選與吸附器的進(jìn)料端相通。成功的空氣通氣器設(shè)備可抑制大氣中的水蒸氣進(jìn)入吸附器。
圖12表示以長管230形式提供的空氣通氣器，而沒有干燥劑以防止潮濕的外部空氣與吸附器內(nèi)的干燥氧氣的大量混合。將空氣通氣器230通過切斷閥231連接以與所有并聯(lián)吸附器的進(jìn)料端相鄰。在正常操作過程中將閥門231關(guān)閉，但是在關(guān)閉過程中是開著的。如果需要，可以有意減小閥門231的尺寸以嚴(yán)格限制氣體流入通氣器230。
圖13表示以氣囊隔膜235形式提供的空氣通氣器，同樣，所述的隔膜通過切斷閥231與吸附器的進(jìn)料端相通。隔膜235能夠保持吸附器內(nèi)部工作空間與環(huán)境壓力之間的近似平衡，但是基本上防止潮濕的外部空氣與吸附器內(nèi)的干燥氧氣的大量混合。
圖13還表示部分密封關(guān)閉。將PSA模塊緊密地密封在氧氣端口上，并相當(dāng)緊密地密封到進(jìn)料端口上。可以提供具有較低斷裂壓力的十字減壓閥以允許只有當(dāng)需要時才進(jìn)行有限的進(jìn)料端吸入，從而防止形成過大的壓力或真空。減壓閥240能夠向外排氣以減小過大的壓力，減壓閥241能夠向內(nèi)排氣以防止過大的內(nèi)部真空，其超過結(jié)構(gòu)限制或至少增加水蒸氣通過微量泄漏路徑進(jìn)入吸附器的產(chǎn)品端的危險。
圖14表示配置在空氣通氣器230內(nèi)具有防護(hù)分離器250的空氣通氣器，通過閥門231和/或232進(jìn)入排氣隔室，向外進(jìn)入它自身處于相對熱更絕緣區(qū)域184的PSA模塊，或比防護(hù)分離器具有相對較少與外部環(huán)境(或者極其高的熱慣性)熱接觸的隔室200，所以環(huán)境(空氣)快速透過與空氣通氣器相連的防護(hù)分離器250，更緩慢地透過PSA模塊?？梢匝厝L將防護(hù)分離器250構(gòu)造成具有防護(hù)材料的連續(xù)分離器，或者構(gòu)造成連續(xù)導(dǎo)管內(nèi)的防護(hù)材料的一組非連續(xù)部分，或構(gòu)造成具有與大氣相通的獨立開口的多級防護(hù)分離器，然后以流體連接到通氣器230上。可以將防護(hù)分離器250包裹在一部分隔室200的周圍，或者甚至將其排列以通過環(huán)境日光輻射進(jìn)行加熱，所述的加熱使得防護(hù)分離器250的溫度快速升高，并且隔室200內(nèi)的升溫速度非常緩慢，隨后更快冷卻可與隔室200相比的分離器250。
因此，在空氣通氣器的防護(hù)分離器和流經(jīng)吸附器空氣內(nèi)的溫度變化之間形成相轉(zhuǎn)移，因為在PSA設(shè)備的吸附器內(nèi)這些空氣流將處于具有遲延溫度變化的相中。在空氣通氣器防護(hù)分離器已經(jīng)冷卻以更強(qiáng)地吸附濕氣之后，當(dāng)其冷卻時空氣流進(jìn)入PSA設(shè)備。空氣通氣器防護(hù)分離器已經(jīng)升溫以釋放吸附的水蒸氣之后，當(dāng)其升溫時空氣流從PSA設(shè)備流出。
因此，在空氣通氣器干燥劑床層內(nèi)建立變溫吸附(TSA)過程，在24小時的額定循環(huán)中，進(jìn)行操作以從PSA設(shè)備中緩慢排出水。這樣的輔助性TSA濕氣排出過程對于分離器250額外的變溫具有被動的日光增大效應(yīng)。可以將空氣通氣器防護(hù)分離器設(shè)計成具有較大體積和較長流動路徑，以將氮氣混入吸附器內(nèi)氧氣的速率降至最小。
另一種選擇(未示出)是構(gòu)造作為防護(hù)分離器250的導(dǎo)管181或182，由此能夠使TSA過程分別達(dá)到壓縮設(shè)備101或103。
類似于圖5A和5B，圖15表示產(chǎn)物管線147內(nèi)的防護(hù)分離器135和輕質(zhì)回流物循環(huán)184內(nèi)的另一個防護(hù)分離器136。圖16還表示配置在產(chǎn)物管線147和輕質(zhì)回流物循環(huán)184內(nèi)的防護(hù)分離器135和136，方向閥的更多特征是，一旦起動后必須進(jìn)行初始除濕，邏輯上允許輕質(zhì)回流物管線之間的干燥劑床層的周期性轉(zhuǎn)動，其中水可能累積，或者最后返回到吸附器的產(chǎn)品端并進(jìn)入在其中通過干燥產(chǎn)品氣體進(jìn)行連續(xù)再生的產(chǎn)物管線內(nèi)。此外，還可以將流動混合器(未表示出)包含在產(chǎn)物管線內(nèi)以防止任何進(jìn)入管線水的逆向擴(kuò)散。
如圖16所示，可以將輔助性方向閥排列用于構(gòu)造輕質(zhì)回流物管線和產(chǎn)物管線之間的防護(hù)分離器，用于通過產(chǎn)物進(jìn)行置換吹掃再生。作為例子，將多個防護(hù)分離器(例如135和136)安裝在具有第一旋轉(zhuǎn)閥161和第二旋旋閥162以及旋轉(zhuǎn)軸163的旋轉(zhuǎn)吸附模塊160上。旋轉(zhuǎn)吸附模塊160可以非常低的旋轉(zhuǎn)速度連續(xù)轉(zhuǎn)動，或者優(yōu)選通過非連續(xù)的分級轉(zhuǎn)動、以非連續(xù)的間隔進(jìn)行轉(zhuǎn)動，當(dāng)連接到產(chǎn)物管線147時，將防護(hù)分離器從數(shù)個輕質(zhì)回流物環(huán)路的每一個的污染物吸附切換到再生位置。連接到產(chǎn)物管線147的防護(hù)分離器的再生可以借助于在該位置的輔助加熱器，因為在再生過程中置換的污染物將通過產(chǎn)品氣體除去，然后不將其再循環(huán)進(jìn)入敏感性吸附器區(qū)域3B的產(chǎn)品端。
還可以將常用的極端干燥和純凈的產(chǎn)品氣體(任選地通過輔助加熱器進(jìn)行加熱)用于再生任何輔助性防護(hù)分離器，可以將所述的輔助性防護(hù)分離器用作(1)用于再生防護(hù)層的污染物槽，或(2)當(dāng)設(shè)備處于停置模式時用作通氣器管線的隔離防護(hù)分離器。
根據(jù)特定公開的實施方案已對本發(fā)明進(jìn)行了描述。不應(yīng)該將本發(fā)明的范圍限于這些用作說明本發(fā)明實施例的特定實施方案，而應(yīng)考慮如下的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種PSA設(shè)備，該設(shè)備包括含有對污染物敏感吸附劑的吸附器，其進(jìn)料端通過在生產(chǎn)過程中關(guān)閉、在關(guān)閉過程中打開的切斷閥以流體連接到通氣器上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中PSA設(shè)備是快速循環(huán)的設(shè)備。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中PSA設(shè)備在循環(huán)頻率至少為30個循環(huán)/分鐘的條件下操作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PSA設(shè)備，其中污染物是水。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中通氣器包括防護(hù)材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中進(jìn)料端包括進(jìn)料壓力通氣室、排氣壓力通氣室或兩者。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其包括具有排氣壓力通氣室疊層的進(jìn)料壓力通氣室。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中吸附器包含用于吸附污染物的第一材料和用于產(chǎn)品生產(chǎn)的第二吸附劑材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中第一材料包含材料的混合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中材料混合物包括不同于第二材料的第一干燥劑。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中吸附器是具有平行通道的整體構(gòu)造。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中吸附器是疊層。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中干燥劑在第一區(qū)域，吸附劑在沿進(jìn)料方向的第二區(qū)域。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，該設(shè)備的第一干燥劑區(qū)域具有干燥劑，關(guān)閉時通過干燥劑區(qū)域和吸附劑區(qū)域之間管線內(nèi)的切斷閥，將干燥劑區(qū)域與含有對水敏感的吸附劑的吸附劑區(qū)域相分離。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中將干燥劑置于第一模塊內(nèi)，所述的第一模塊是獨立的，但通過連接第一模塊和第二模塊的流體導(dǎo)管內(nèi)的切斷閥，以流體連接到含有吸附劑的第二模塊。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其還具有接收緩沖氣體的產(chǎn)品輸送隔室，所述緩沖氣體的水蒸氣含量基本上與產(chǎn)物的相同或小于產(chǎn)物的含量。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中緩沖氣體是通過吸附器上的變壓吸附產(chǎn)生的產(chǎn)品氣體。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其包括旋轉(zhuǎn)式PSA設(shè)備。
19.一種PSA設(shè)備，該設(shè)備包括含有對污染物敏感吸附劑的吸附器，其產(chǎn)品端以流體連接到接收流動緩沖氣體的緩沖室上，所述緩沖氣體的水蒸氣含量基本上等于或小于通過吸附器上的變壓吸附產(chǎn)生的產(chǎn)品氣體的水蒸氣含量。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中緩沖氣體將產(chǎn)品輸送隔室增壓至高于環(huán)境的壓力。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其在循環(huán)頻率至少為30個循環(huán)/分鐘的條件下操作。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中緩沖氣體是產(chǎn)品氣體。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其還包括至少一個緩沖室密封以基本上流體密封緩沖室。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中將吸附器的進(jìn)料端以流體連接到通氣器上。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其中通氣器包括防護(hù)材料。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其還包括通氣器和吸附器之間進(jìn)料氣體路徑內(nèi)的隔離閥。
27.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中吸附器包含疊層，所述的疊層含有用于分離污染物的第一材料，和用于從流體混合物中分離產(chǎn)品流體的第二材料。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其中第一材料是所述材料的混合物，第二材料是所述材料的混合物，或兩者。
29.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中污染物是沿流體進(jìn)料方向通過第一防護(hù)層內(nèi)的第一材料吸附的水。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，其中所述的區(qū)域分離的。
31.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中在關(guān)閉時，可將第一材料與第二材料進(jìn)行流體分離。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的設(shè)備，其在第一區(qū)域和第二區(qū)域之間的流體路徑內(nèi)具有切斷閥。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的設(shè)備，其中將第一材料置于第一模塊內(nèi)，所述的第一模塊與含有第二材料的第二模塊分開，該設(shè)備在第一模塊和第二模塊之間的流體路徑上還有隔離閥。
34.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其還包含停置密閉。
35.一種PSA設(shè)備，該設(shè)備包括含有至少一種對污染物敏感的吸附劑的吸附器，其進(jìn)料端以流體連接到通氣器上，其產(chǎn)品端以流體連接到產(chǎn)品輸送隔室上，所述的產(chǎn)品輸送隔室以流體連接到產(chǎn)品輸送線上，用于輸送通過吸附劑上的變壓吸附產(chǎn)生的富集所需產(chǎn)品的產(chǎn)品氣體，所述產(chǎn)品輸送隔室接收其水蒸氣含量基本上等于或小于產(chǎn)品氣體水蒸氣含量的緩沖氣體。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的設(shè)備，其中PSA設(shè)備是快速循環(huán)旋轉(zhuǎn)式PSA設(shè)備。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的設(shè)備，其中PSA設(shè)備在循環(huán)頻率至少為3個循環(huán)/分鐘的條件下操作。
38.根據(jù)權(quán)利要求28所述的設(shè)備，其中污染物是水，通氣器包括防護(hù)材料。
39.根據(jù)權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其中進(jìn)料端包括具有排氣壓力通氣室疊層的進(jìn)料壓力通氣室。
40.根據(jù)權(quán)利要求35所述的設(shè)備，其中吸附器是疊層，所述的疊層具有作為吸附水的防護(hù)材料的第一材料，和用于生產(chǎn)產(chǎn)品氣體的第二吸附劑材料。
41.根據(jù)權(quán)利要求35所述的設(shè)備，其中污染物是水，吸附器包括在第一區(qū)域內(nèi)作為吸附水的干燥劑的第一材料，包括在沿進(jìn)料方向第二區(qū)域內(nèi)的第二材料。
42.一種在循化速度至少為3個循環(huán)/分鐘的條件下進(jìn)行操作的PSA設(shè)備，該設(shè)備包括通氣器；和吸附器，其具有至少一種含有防護(hù)材料的防化層，和至少另一種含有用于生成產(chǎn)品流體吸附劑的對污染物敏感的吸附劑區(qū)域，將吸附器進(jìn)料端以流體連接到通氣器上，吸附器的產(chǎn)品端以流體連接到產(chǎn)品輸送隔室上，將所述的產(chǎn)品輸送隔室以流體連接到產(chǎn)品輸送線用于輸送通過吸附劑上的變壓吸附產(chǎn)生的富集所需產(chǎn)物的產(chǎn)品氣體，產(chǎn)品輸送隔室接收其污染物蒸氣含量基本上等于或小于產(chǎn)品氣體的污染物蒸氣含量的緩沖氣體。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的設(shè)備，其在防護(hù)層和吸附劑區(qū)域之間的流體路徑上具有隔離閥。
44.根據(jù)權(quán)利要求42所述的設(shè)備，其在通氣器和吸附器進(jìn)料端之間的流體路徑上具有隔離閥。
45.根據(jù)權(quán)利要求42所述的設(shè)備，其中將防護(hù)材料包含在第一模塊內(nèi)，所述的第一模塊與含有吸附劑的第二模塊分開，該設(shè)備在第一模塊和第二模塊之間的流體路徑上還具有隔離閥。
46.一種快速循環(huán)的旋轉(zhuǎn)式PSA設(shè)備，該設(shè)備包括通氣器，以流體連接到進(jìn)料壓力通氣室上；轉(zhuǎn)子，用于包含吸附器并轉(zhuǎn)動吸附器以在正常過程旋轉(zhuǎn)速度，在至少高達(dá)30個循環(huán)/分鐘的條件下，接收來自壓力通氣室的進(jìn)料流體；多個吸附器，包含在轉(zhuǎn)子內(nèi)，其第一端接收來自進(jìn)料壓力通氣室的進(jìn)料流體，安置第二端以將變壓吸附過程產(chǎn)生的產(chǎn)品氣體輸送至產(chǎn)品輸送隔室，吸附器至少包含用于除去污染物的第一材料，和用于生產(chǎn)產(chǎn)品流的第二材料；密封，用于密封輕質(zhì)產(chǎn)品輸送隔室周圍的緩沖室，緩沖室接收其污染物蒸氣含量等于或小于產(chǎn)品氣體的污染物蒸氣含量的氣體；產(chǎn)品輸送導(dǎo)管用于輸送所需的產(chǎn)品氣體；輕質(zhì)回流物導(dǎo)管用于輸送一部分作為回流氣體的產(chǎn)品氣體；和產(chǎn)品輸送導(dǎo)管或輕質(zhì)回流物導(dǎo)管內(nèi)的至少一個防護(hù)分離器。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其中污染物是水。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的設(shè)備，其中通氣器包括至少一種作為除水的干燥劑材料。
49.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其中進(jìn)料壓力通氣室是具有排氣壓力通氣室的疊層。
50.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其包括用于包含第一材料的隔室，和用于包含第二材料的第二隔室，以及在相互之間的流體路徑內(nèi)用于流體分離第一隔室和第二隔室的隔離閥。
51.根據(jù)權(quán)利要求49所述的設(shè)備，其中將第一隔室包含在第一外殼內(nèi)，所述的第一外殼是獨立的但以流體連接到第二隔室的外殼上。
52.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其包括產(chǎn)品流體管線，以流體連接到吸附器產(chǎn)品端用于接收產(chǎn)品氣體并將至少一部分產(chǎn)品氣體輸送至緩沖室
53.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其還包括用于放置與至少一個閥門或至少一個端口相鄰的干燥劑隔室。
54.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其中產(chǎn)品輸送導(dǎo)管包括可降低反擴(kuò)散或第二氣體混合的隔離閥，所述第二氣體的水分含量高于進(jìn)入產(chǎn)品輸送導(dǎo)管的產(chǎn)品氣體的水份含量。
55.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其還包括以流體連接到產(chǎn)品氣體輸送導(dǎo)管上的輔助性防護(hù)分離器，這樣在正常操作過程中將輔助性防護(hù)分離器進(jìn)行再生。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的設(shè)備，其中將防護(hù)分離器通過至少一種干燥產(chǎn)物或變溫過程進(jìn)行再生。
57.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其通過置換吹掃可以使吸附器防護(hù)層實現(xiàn)基本上完全再生，從而將吸附的污染物蒸氣從吸附劑防護(hù)層轉(zhuǎn)移至輔助性干燥劑床層。
58.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其中污染物是水，該設(shè)備還具有輔助性的干燥劑床層，所述干燥劑床層的水蒸氣容量足以吸附基本上所有的從第一材料脫附的水蒸氣。
59.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其具有廢氣吹掃閥門在正常操作過程處于開態(tài)將廢流體排放至大氣，干燥劑床層隔離閥用于隔離產(chǎn)品氣體逆流再生流動的輔助性干燥劑床層，和產(chǎn)品回流閥用于在逆流再生流動過程中，通過輔助性干燥劑床層隔離產(chǎn)品氣體的回流。
60.根據(jù)權(quán)利要求55所述的設(shè)備，其中該設(shè)備還包括用于傳感輔助性干燥劑床層的水蒸氣濕度的傳感器。
61.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其還包含用于加熱第一材料的加熱裝置。
62.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其中吸附器具有用于生產(chǎn)流體產(chǎn)品的多個吸附污染物吸附區(qū)域、多個吸附區(qū)域或兩者。
63.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其還包括停置密閉。
64.根據(jù)權(quán)利要求40所述的設(shè)備，其包括單向閥，除了PSA模塊正常操作過程以外，用于防止從含有第一材料的區(qū)域向前流入含有第二材料的區(qū)域內(nèi)，該單向閥是通過驅(qū)動器來驅(qū)動的。
65.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其包括在通氣器導(dǎo)管和吸附器之間的流體路徑內(nèi)，用于防止流入吸附器進(jìn)料端的隔離閥。
66.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其中通氣器是氣囊隔膜。
67.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其中將通氣器以流體連接到PSA模塊外部的輔助性干燥劑床層上。
68.將根據(jù)權(quán)利要求67所述的輔助性干燥劑床層連接到加熱器上。
69.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其還包括在產(chǎn)品輸送導(dǎo)管內(nèi)的水分分離器。
70.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其還包括在至少一種產(chǎn)品回流輸送導(dǎo)管內(nèi)的水分分離器。
71.根據(jù)權(quán)利要求70所述的設(shè)備，其還包括裝置，用于轉(zhuǎn)動產(chǎn)品回流管線和產(chǎn)品管線之間的干燥劑分離器，及用于通過產(chǎn)品進(jìn)行置換吹掃再生。
72.根據(jù)權(quán)利要求62所述的設(shè)備，其中用于轉(zhuǎn)動的裝置包括旋轉(zhuǎn)吸附模塊，所述旋轉(zhuǎn)吸附模塊通過非連續(xù)的分級轉(zhuǎn)動以非連續(xù)的間隔進(jìn)行轉(zhuǎn)動，從而當(dāng)以流體連接到產(chǎn)品上時，將數(shù)個產(chǎn)品回流環(huán)路的每一個干燥劑床層從濕度吸附切換至再生。
73.一種在變壓吸附過程中產(chǎn)生產(chǎn)品氣體時，通過吸附水分減小吸附劑降解的方法，該方法包括提供PSA設(shè)備，該設(shè)備包括含有對污染物敏感吸附劑的吸附器，該吸附器的產(chǎn)品端通過隔離閥以流體連接到通氣器上；和使用PSA設(shè)備產(chǎn)生氣體。
74.根據(jù)權(quán)利要求73所述的方法，其中污染物是水。
75.根據(jù)權(quán)利要求73所述的方法，其中PSA設(shè)備是快速循環(huán)設(shè)備。
76.根據(jù)權(quán)利要求75所述的方法，其中PSA設(shè)備是以循環(huán)頻率至少為30個循環(huán)/分鐘進(jìn)行操作的旋轉(zhuǎn)設(shè)備。
77.根據(jù)權(quán)利要求74所述的方法，其中吸附器包含作為吸附水干燥劑的第一材料，和通過變壓生產(chǎn)產(chǎn)品流體的第二材料。
78.根據(jù)權(quán)利要求77所述的方法，其具有包含第一材料的第一區(qū)域，干燥劑區(qū)域在關(guān)閉時通過隔離閥與含有對水敏感的第二材料的吸附劑區(qū)域相分離，所述的隔離閥位于干燥劑區(qū)域和吸附劑區(qū)域之間的流體路徑內(nèi)。
79.根據(jù)權(quán)利要求73所述的方法，其還包括將通過吸附器上的變壓吸附產(chǎn)生的產(chǎn)品氣體引入到產(chǎn)品輸送隔室。
80.一種在變壓吸附過程中產(chǎn)生產(chǎn)品氣體時，減小吸附劑降解的方法，該方法包括提供快速循環(huán)PSA設(shè)備，該設(shè)備包括含有對污染物敏感的吸附劑的吸附器，該吸附器的產(chǎn)品端以流體連接到產(chǎn)品輸送隔室上，所述產(chǎn)物輸隔室接收其水蒸氣含量基本上等于或小于通過吸附器上的變壓吸附工藝產(chǎn)生的產(chǎn)品氣體水蒸氣含量的緩沖氣體；和使用PSA設(shè)備。
81.根據(jù)權(quán)利要求80所述的方法，其中PSA設(shè)備還包括通過隔離閥以流體連接到進(jìn)料端的通氣器，所述隔離閥位于通氣器和吸附器之間的流體路徑內(nèi)。
82.一種在變壓吸附過程中生產(chǎn)產(chǎn)品氣體時，降低吸附劑降解的方法，該方法包括提供PSA裝置，該裝置包括通氣器以流體接到進(jìn)料壓力通氣室上，轉(zhuǎn)子，用于容納吸附器并轉(zhuǎn)動吸附器，以在至少高達(dá)30個循環(huán)/分鐘的正常工藝旋轉(zhuǎn)速度條件下，接收來自壓力通氣室的進(jìn)料流體，包含在轉(zhuǎn)子內(nèi)的多個吸附器，其第一端接收來自進(jìn)料壓力通氣室的進(jìn)料流體，安置第二端以將變壓吸附過程產(chǎn)生的產(chǎn)品氣體輸送至產(chǎn)品輸送隔室，吸附器至少包含第一干燥劑區(qū)域和第二吸附劑區(qū)域，用于密封輕質(zhì)產(chǎn)品輸送隔室周圍緩沖室的密封，用于接收其污染物蒸汽含量等于或小于產(chǎn)品氣體污染物蒸氣含量的氣體的緩沖室；和使用PSA裝置。
83.一種按照關(guān)閉步驟關(guān)閉PSA裝置的方法，該方法包括操作旋轉(zhuǎn)式PSA裝置，該裝置的進(jìn)料端以流體連接到吸附器的第一端上，該吸附器包括用于吸附污染物的第一材料，和至少一種用于通過變壓吸附產(chǎn)生產(chǎn)品流體的對污染物敏感的吸附劑，PSA設(shè)備還包括用于輸送產(chǎn)品流體體的連接到吸附器第二端上的產(chǎn)物端；停止產(chǎn)品流體的輸送；排出進(jìn)料氣體；將保護(hù)氣體引入PSA裝置的進(jìn)料端；停止流體進(jìn)料混合物到進(jìn)料端的輸送；和用吹掃流體吹掃吸附器。
84.根據(jù)權(quán)利要求83所述的方法，其還包括準(zhǔn)備用于升壓停置的裝置，該方法包括關(guān)閉排氣口，并將保護(hù)氣體引入到進(jìn)料端以將設(shè)備增壓至高環(huán)境的壓力。
85.根據(jù)權(quán)利要求84所述的方法，其中將該設(shè)備增壓至比環(huán)境高至少0.5巴的停置壓力。
86.根據(jù)權(quán)利要求83所述的方法，其還包括停止轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并使用任何的停置密封。
87.根據(jù)權(quán)利要求83所述的方法，其還包括將第一材料加熱以促進(jìn)吸附的污染物脫附。
88.根據(jù)權(quán)利要求83所述的方法，其中污染物是水。
89.根據(jù)權(quán)利要求87所述的方法，其還包括在吹掃后將干燥劑冷卻。
90.根據(jù)權(quán)利要求83所述的方法，其中將排出的進(jìn)料氣體用于增加δX。
91.根據(jù)權(quán)利要求83所述的方法，其中污染物是水，利用吹掃氣體將吸附器吹掃，所述吹掃氣體的水蒸氣含量基本上等于通過吸附器上的PSA過程產(chǎn)生的產(chǎn)品氣體的水蒸氣含量。
92.一種按照關(guān)閉步驟關(guān)閉PSA裝置的方法，該方法包括操作旋轉(zhuǎn)式PSA裝置，該裝置進(jìn)料端以流體連接到吸附器的第一端上，該吸附器包括作為吸附水干燥劑的吸附劑材料，和至少一種水敏性吸附劑，產(chǎn)品端連接到用于輸送產(chǎn)品氣體的吸附器的第二端上；停止產(chǎn)品流體的輸送；排出進(jìn)料氣體以增加δX；將保護(hù)氣體引入PSA設(shè)備的進(jìn)料端；加熱干燥劑以促進(jìn)吸附水的脫附；停止流體進(jìn)料混合物到進(jìn)料端的輸送；用吹掃流體吹掃吸附器，所述的吹掃流體的水蒸氣含量基本上等于通過吸附器上PSA過程產(chǎn)生的產(chǎn)品氣體的水蒸氣含量；停止所有的吹掃操作；關(guān)閉排氣口并將第二保護(hù)氣體引入進(jìn)料端以將設(shè)備增壓至高于環(huán)境的壓力；停止轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；和使用任何停置密封。
93.根據(jù)權(quán)利要求92所述的方法，其中吸附器吹掃流體的溫度高于吸附器的溫度，用吸附器吹掃流體吹掃吸附器從而加熱吸附器。
94.根據(jù)權(quán)利要求92所述的方法，其中92吸附器的吹掃流體是產(chǎn)品流體。
95.根據(jù)權(quán)利要求92所述的方法，其還包括用加熱裝置加熱干燥劑。
96.根據(jù)權(quán)利要求95所述的方法，其中加熱裝置包括使用微波或紅外輻射。
97.根據(jù)權(quán)利要求92所述的方法，其中將產(chǎn)品流體通過輔助性干燥劑床層進(jìn)行循環(huán)，然后吹掃吸附器。
98.一種用于增加關(guān)閉前操作時間的方法，其需要旋轉(zhuǎn)式快速循環(huán)PSA設(shè)備，該方法包括提供PSA設(shè)備，在PSA設(shè)備進(jìn)料端上游具有進(jìn)料空氣干燥器，和在吸附器進(jìn)料端具有干燥劑層的吸附器；和在生產(chǎn)產(chǎn)品流體的正常操作條件下操作PSA設(shè)備。
99.根據(jù)權(quán)利要求98所述的方法，其中吸附器以高表面積疊層吸附器提供，將吸附劑負(fù)載到通過隔片分開的吸附劑薄片上以形成相鄰薄片之間的流動通道。
100.根據(jù)權(quán)利要求99所述的方法，其中疊層吸附器包括薄片進(jìn)料端用于吸附水的干燥劑層。
101.根據(jù)權(quán)利要求99所述的方法，其中干燥劑選自氧化鋁、硅鋁酸凝膠、硅膠、沸石諸如Y沸石材料、活性炭、碳分子篩以及這些材料的組合。
102.根據(jù)權(quán)利要求98所述的方法，其還包括在閥門內(nèi)部工作區(qū)域之間提供緩沖空間，所述閥門與吸附器產(chǎn)物端相通，緩沖空間是正壓的干燥流體沖洗區(qū)域。
103.根據(jù)權(quán)利要求102所述的方法，其中緩沖室具有通過輸送產(chǎn)品流體提供的沖洗循環(huán)。
104.根據(jù)權(quán)利要求98所述的方法，其包括將污染物分離器放置在PSA設(shè)備的至少輕質(zhì)回流物管線內(nèi)。
105.根據(jù)權(quán)利要求104所述的方法，其中污染物分離器吸附水。
106.根據(jù)權(quán)利要求104所述的方法，其中污染物分離器的活性通過周期性再生或更換保持。
107.根據(jù)權(quán)利要求98所述的方法，其還包括將干燥劑分離器放置在產(chǎn)物管線內(nèi)。
108.根據(jù)權(quán)利要求96所述的方法，其中產(chǎn)品端的目標(biāo)水蒸氣壓力基本上為產(chǎn)品端的選擇吸附材料的壓力。
109.根據(jù)權(quán)利要求108所述的方法，其中在30℃下水蒸氣的壓力約為0.005Pa至約0.01Pa。
110.一種在快速循環(huán)旋轉(zhuǎn)PSA設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生正壓停置模式的方法，該方法包括關(guān)閉轉(zhuǎn)動的PSA系統(tǒng)以減小干燥劑上水的負(fù)載量；將流體引入設(shè)備進(jìn)料端以提供高于環(huán)境的停置壓力；關(guān)閉所有端口并停止轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；和使用停置密封。
111.一種快速循環(huán)旋轉(zhuǎn)式PSA設(shè)備，該裝置包括含有污染物吸附材料的吸附器，吸附器包括首先沿流體進(jìn)料路徑安置的防護(hù)層，和其次沿流體進(jìn)料安置的對污染物敏感的吸附劑。
112.根據(jù)權(quán)利要求111所述的設(shè)備，其中防護(hù)層與對污染物敏感的吸附劑是分離的。
113.根據(jù)權(quán)利要求111所述的設(shè)備，其還包括在防護(hù)層和對污染物敏感吸附劑之間的流體路徑上的隔離閥。
114.根據(jù)權(quán)利要求111所述的設(shè)備，其中污染物是水，防護(hù)層包括干燥劑。
115.根據(jù)權(quán)利要求111所述的設(shè)備，其中該裝置在轉(zhuǎn)動循環(huán)速度大于10個循環(huán)/分鐘的條件下操作。
116.根據(jù)權(quán)利要求111所述的設(shè)備，其中該裝置在轉(zhuǎn)動循環(huán)速度大于30個循環(huán)/分鐘的條件下操作。
117.根據(jù)權(quán)利要求111所述的設(shè)備，其中該裝置包括流體產(chǎn)品管線、流體回流管線或兩者，并且還包括在流體產(chǎn)品管線、流圖回流管線或兩者內(nèi)的至少一種污染物分離器。
118.根據(jù)權(quán)利要求117所述的設(shè)備，其還包括多個污染物分離器。
119.根據(jù)權(quán)利要求117所述的設(shè)備，其中污染物分離器是含有干燥劑的水分離器。
120.根據(jù)權(quán)利要求119所述的設(shè)備，其中將污染物分離器以流體連接到用于再生分離器的流體流上。
121.根據(jù)權(quán)利要求120所述的設(shè)備，其中將污染物分離器連接到用于加熱分離器的加熱裝置上以促進(jìn)吸附污染物的脫附。
122.一種按照關(guān)閉步驟關(guān)閉PSA設(shè)備的方法，該方法包括操作PSA設(shè)備，該設(shè)備的進(jìn)料端以流體連接到吸附器的第一端，吸附器包括防護(hù)層和至少一種對污染物敏感的吸附劑，PSA設(shè)備還包括用于輸送產(chǎn)品流體體的連接到吸附器第二端上的產(chǎn)品端；停止產(chǎn)品流體的輸送；用產(chǎn)品流吹掃吸附器；和加熱防護(hù)層。
123.根據(jù)權(quán)利要求122所述的方法，其還包括冷卻吸附器。
124.根據(jù)權(quán)利要求122所述的方法，其中加熱防護(hù)層包括使用加熱裝置直接加熱防護(hù)層。
125.根據(jù)權(quán)利要求124所述的方法，其中加熱設(shè)備包括電阻加熱器、微波加熱、紅外加熱、密封摩擦、減小冷卻負(fù)荷及其組合。
126.根據(jù)權(quán)利要求122所述的方法，其中通過流體加熱防護(hù)層。
127.根據(jù)權(quán)利要求122所述的方法，其中通過壓縮功、電阻加熱、上游防護(hù)分離器的吸附熱、使用熱交換器及其組合加熱防護(hù)層。
128.一種PSA裝置，該裝置包括至少一種吸附器，該吸附器含有至少一種對污染物敏感的吸附劑，吸附器具有用于輸送通過吸附器上變壓吸附產(chǎn)生的富集所需產(chǎn)品的產(chǎn)品氣體的進(jìn)料端和產(chǎn)物端；至少一種與產(chǎn)物端相鄰的工藝約束密封，用于將約束密封第一側(cè)上的第一流體與約束密封的第二側(cè)上的第二流體相分離，在約束密封和設(shè)備的第二組件之間具有間歇或連續(xù)的相對運動；至少一種緩沖密封用于將緩沖密封第一側(cè)上的含有污染物的第一流體與從污染物分離得到的所需第二流體相分離，其中在緩沖密封和設(shè)備第二組件之間具有間歇或連續(xù)的相對運動，工藝約束密封和緩沖密封形成包含至少一個緩沖室的緩沖空間，所述的緩沖室具有入口孔和出口孔使緩沖流體從工藝約束密封到緩沖密封的方向進(jìn)行流動。
129.根據(jù)權(quán)利要求128所述的設(shè)備，其中設(shè)備的第二組件是工藝約束密封或緩沖密封的配套組件。
130.根據(jù)權(quán)利要求128所述的設(shè)置，其中污染物是水。
131.一種旋轉(zhuǎn)床式PSA設(shè)備，該設(shè)備包括至少一種吸附器，該吸附器含有至少一種對污染物敏感的吸附劑，吸附器具有用于輸送通過吸附器上變壓吸附產(chǎn)生的富集所需產(chǎn)品的產(chǎn)品氣體的進(jìn)料端和產(chǎn)物端，吸附器相對于定子通過轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)動；至少一種與產(chǎn)品端相鄰的工藝約束密封用于使約束密封的第一側(cè)上的第一流體與約束密封的第二側(cè)上的第二流體相分離，在約束密封和設(shè)備的第二組件之間具有間歇或連續(xù)的相對運動；至少一種緩沖密封用于將緩沖密封第一側(cè)上的含有污染物的第一流體與從污染物分離得到的所需第二流體相分離，其中在緩沖密封和設(shè)備的第二組件之間具有間歇或連續(xù)的相對運動，工藝約束密封和緩沖密封形成包含至少一個緩沖室的緩沖空間，所述的緩沖室具有入口孔和出口孔使緩沖流體通過緩沖室進(jìn)行流動。
132.根據(jù)權(quán)利要求131所述的設(shè)備，其中在孔間具有差壓以使流體流動。
133.一種在PSA循環(huán)頻率為20個循環(huán)/分鐘或更高條件下，進(jìn)行操作的PSA設(shè)備，該設(shè)備包括至少一種吸附器，該吸附器含有至少一種對污染物敏感的吸附劑，吸附器具有用于輸送通過吸附器上變壓吸附產(chǎn)生的富集所需產(chǎn)品的產(chǎn)品氣體的進(jìn)料端和產(chǎn)物端；至少一種與產(chǎn)物端相鄰的工藝約束密封，用于將約束密封的第一側(cè)上的第一流體與約束密封的第二側(cè)上的第二流體相分離，在約束密封和設(shè)備第二組件之間具有間歇或連續(xù)的相對運動；至少一種緩沖密封用于將緩沖密封第一側(cè)上的含有污染物的第一流體與從污染物分離得到的所需第二流體相分離，其中在緩沖密封和設(shè)備的第二組件之間具有間歇或連續(xù)的相對運動，工藝約束密封和緩沖密封形成包含至少一個緩沖室的緩沖空間。
134.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中包括多個工藝約束密封，對于多個工藝約束密封中每一個，該設(shè)備還包括用于將污染物流向吸附器產(chǎn)品端的流動降至最小的緩沖室。
135.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其包含多個工藝約束密封，對于多個工藝約束密封中的至少兩個，該裝置還包括用于使污染物流向吸附器的產(chǎn)品端的流動降至最小的緩沖室。
136.一種PSA設(shè)備，該設(shè)備包括至少一種吸附器，該吸附器含有至少一種對污染物敏感的吸附劑，吸附器具有用于輸送通過吸附器上的變壓吸附產(chǎn)生的富集所需產(chǎn)品的產(chǎn)品氣體的進(jìn)料端和產(chǎn)物端；至少一種與產(chǎn)品端相鄰的工藝約束密封，用于將約束密封的第一側(cè)上的第一流體與約束密封第二側(cè)上的第二流體相分離，在約束密封和設(shè)備的第二組件之間具有間歇或連續(xù)的相對運動；至少一種緩沖密封用于將緩沖密封第一側(cè)上的含有污染物的第一流體與從污染物分離得到的所需第二流體相分離，其中在緩沖密封和設(shè)備的第二組件之間具有間歇或連續(xù)的相對運動，工藝約束密封和緩沖密封形成包含多個緩沖室的緩沖空間，所述的緩沖室通過多個用于最小化其間污染物流動的動密封形成，其中除了與工藝約束密封直接相鄰的緩沖室以外的緩沖室具有能夠使流體流過緩沖室的第一孔和第二孔。
137.根據(jù)權(quán)利要求136所述的裝置，其中除了與工藝約束密封直接相鄰的緩沖室以外的多個緩沖室具有能夠使流體流過緩沖室的第一孔和第二孔。
138.一種PSA設(shè)備，該設(shè)備包括至少一種吸附器，該吸附器含有至少一種對污染物敏感的吸附劑，吸附器具有用于輸送通過吸附器上的變壓吸附產(chǎn)生的富集所需產(chǎn)品的產(chǎn)品氣體的進(jìn)料端和產(chǎn)物端；至少一種與產(chǎn)物端相鄰的工藝約束密封，用于使約束密封第一側(cè)上的第一流體與約束密封第二側(cè)上的第二流體相分離，在約束密封和設(shè)備的第二組件之間具有間歇或連續(xù)的相對運動；至少一種緩沖密封，用于將緩沖密封第一側(cè)上的含有污染物的第一流體與從污染物分離得到的所需第二流體相分離，其中在緩沖密封和裝置的第二組件之間具有間歇或連續(xù)的相對運動，工藝約束密封和緩沖密封形成包含至少一個緩沖室的緩沖空間，所述的緩沖室通過多個用于分隔兩種流體之間的動態(tài)密封形成，緩沖室的壓力低于含有污染物流體的壓力。
139.根據(jù)權(quán)利要求138所述的設(shè)備，其還包括使用流體泵，相對于含有污染物的流體，減小緩沖室的壓力。
140.根據(jù)權(quán)利要求138所述的設(shè)備，其還包括從緩沖室至排氣室的導(dǎo)管。
141.根據(jù)權(quán)利要求138所述的設(shè)備，其還包括從緩沖室至大氣的導(dǎo)管。
142.一種PSA設(shè)備，該裝置包括至少一種吸附器，該吸附器含有至少一種對污染物敏感的吸附劑，吸附器具有用于輸送通過吸附器上的變壓吸附產(chǎn)生的富集所需產(chǎn)品的產(chǎn)品氣體的進(jìn)料端和產(chǎn)物端；至少一種與產(chǎn)物端相鄰的工藝約束密封，用于將約束密封第一側(cè)上的第一流體與約束密封第二側(cè)上的第二流體相分離，在約束密封和設(shè)備第二組件之間具有間歇或連續(xù)的相對運動；至少一種緩沖密封，用于將緩沖密封第一側(cè)上的含有污染物的第一流體與從污染物分離得到的所需第二流體相分離，其中在緩沖密封和裝置的第二組件之間具有間歇或連續(xù)的相對運動，工藝約束密封和緩沖密封形成包含至少一個具有防護(hù)分離器的緩沖室的緩沖空間。
143.一種旋轉(zhuǎn)式的PSA設(shè)備，該設(shè)備包括至少一種吸附器，該吸附器含有至少一種防護(hù)層和至少一種對污染物敏感的吸附劑，吸附器具有進(jìn)料端和用于輸送通過吸附器上變壓吸附產(chǎn)生的富集所需產(chǎn)品的產(chǎn)品氣體的產(chǎn)品端；至少一種與產(chǎn)物端相鄰的工藝約束密封用于將約束密封第一側(cè)上的第一流體與約束密封第二側(cè)上的第二流體相分離，在約束密封和設(shè)備第二組件之間具有間歇或連續(xù)的相對運動；至少一種緩沖密封用于將緩沖密封第一側(cè)上的含有污染物的第一流體與從污染物分離得到的所需第二流體相分離，其中在緩沖密封和設(shè)備的第二組件之間具有間歇的或連續(xù)的相對運動，工藝約束密封和緩沖密封形成包含至少一個緩沖室的緩沖空間。
144.一種在循環(huán)頻率為20個循環(huán)/分鐘或更高的條件下進(jìn)行操作的PSA設(shè)備，該設(shè)備包括至少一種吸附器，該吸附器含有至少一種防護(hù)層和至少一種對污染物敏感的吸附劑，吸附器具有進(jìn)料端和用于輸送通過吸附器上的變壓吸附產(chǎn)生的富集所需產(chǎn)品的產(chǎn)品氣體的產(chǎn)品端；至少一種與產(chǎn)物端相鄰的工藝約束密封，用于將約束密封第一側(cè)上的第一流體與約束密封第二側(cè)上的第二流體相分離，在約束密封和設(shè)備的第二組件之間具有間歇的或連續(xù)的相對運動；至少一種緩沖密封，用于將緩沖密封第一側(cè)上的含有污染物的第一流體與從污染物分離得到的所需第二流體相分離，其中在緩沖密封和設(shè)備的第二組件之間具有間歇的或連續(xù)的相對運動，工藝約束密封和緩沖密封形成包含至少一個緩沖室的緩沖空間。
145.一種PSA設(shè)備，該設(shè)備包括空氣通氣器；至少一種吸附器，該吸附器含有至少一種對污染物敏感的吸附劑，吸附器具有以流體連接到空氣通氣器上的進(jìn)料端，和用于輸送通過吸附器上的變壓吸附產(chǎn)生的富集所需產(chǎn)品的產(chǎn)品氣體的產(chǎn)品端；至少一種與產(chǎn)品端相鄰的工藝約束密封，用于將約束密封第一側(cè)上的第一流體與約束密封第二側(cè)上的第二流體相分離，在約束密封和設(shè)備的第二組件之間具有間歇的或連續(xù)的相對運動；至少一種緩沖密封，用于將緩沖密封第一側(cè)上的含有污染物的第一流體與從污染物分離得到的所需第二流體相分離，其中在緩沖密封和設(shè)備的第二組件之間具有間歇的或連續(xù)的相對運動，工藝約束密封和緩沖密封形成包含至少一個緩沖室的緩沖空間。
146.一種PSA設(shè)備，該設(shè)備包括至少一種吸附器，該吸附器含有至少一種防護(hù)層和至少一種對污染物敏感的吸附劑，吸附器具有進(jìn)料端和用于輸送通過吸附器上的變壓吸附產(chǎn)生的富集所需產(chǎn)品的產(chǎn)品氣體的產(chǎn)品端；至少一種與產(chǎn)物端相鄰的工藝約束密封，用于將約束密封第一側(cè)上的第一流體與約束密封第二側(cè)上的第二流體相分離，在約束密封和設(shè)備的第二組件之間具有間歇的或連續(xù)的相對運動；至少一種緩沖密封用于將緩沖密封第一側(cè)上的含有污染物的第一流體與從污染物分離得到的所需第二流體相分離，其中在緩沖密封和設(shè)備的第二組件之間具有間歇的或連續(xù)的相對運動，工藝約束密封和緩沖密封形成包含至少一個緩沖室的緩沖空間；和至少一個停置密封。
147.一種PSA設(shè)備，該設(shè)備包括至少一種吸附器，該吸附器含有至少一種防護(hù)層和至少一種對污染物敏感的吸附劑，吸附器具有進(jìn)料端和用于通過產(chǎn)品輸送導(dǎo)管輸送通過吸附器上的變壓吸附產(chǎn)生的富集所需產(chǎn)品的產(chǎn)品氣體的產(chǎn)品端；至少一種用于將回流氣體輸送至吸附器的回流管線；至少一種與產(chǎn)物端相鄰的工藝約束密封，用于將約束密封第一側(cè)上的第一流體與約束密封第二側(cè)上的第二流體相分離，在約束密封和設(shè)備的第二組件之間具有間歇的或連續(xù)的相對運動；和至少一種位于產(chǎn)品輸送導(dǎo)管、回流管線或兩者內(nèi)的防護(hù)分離器。
148.根據(jù)權(quán)利要求147所述的設(shè)備，其包括多個防護(hù)分離器。
149.一種PSA設(shè)備，該設(shè)備包括至少一種吸附器，該吸附器含有至少一種防護(hù)層和至少一種對污染物敏感的吸附劑，吸附器具有進(jìn)料端和用于通過吸附器上的變壓吸附產(chǎn)生的富集所需產(chǎn)品的產(chǎn)品氣體的產(chǎn)品端，所述的防護(hù)層能有效地保證防護(hù)層中流體污染物水的濃度不大于對污染物敏感吸附劑流體中的污染物濃度。
150.一種在變壓吸附過程中生產(chǎn)產(chǎn)品氣體時降低吸附劑降解的方法，該方法包括提供PSA設(shè)備，該設(shè)備包括含有用于接收進(jìn)料流體，對污染物敏感的第二種吸附器材料的吸附器，進(jìn)料流體接觸所設(shè)計的第一污染物除去層，以使當(dāng)污染物透過第二材料產(chǎn)品流體并達(dá)到平衡時，主要分離的吸附器材料受到有限的控制的失活水平；和使用PSA設(shè)備生產(chǎn)氣體。
151.根據(jù)權(quán)利要求150所述的方法，其中污染物是水。
152.根據(jù)權(quán)利要求150所述的方法，其中PSA設(shè)備是快速循環(huán)設(shè)備。
153.根據(jù)權(quán)利要求152所述的方法，其中PSA設(shè)備是以循環(huán)頻率至少為3個循環(huán)/分鐘進(jìn)行操作的設(shè)備。
154.根據(jù)權(quán)利要求151所述的方法，其中吸附器包含作為吸附水干燥劑的第一種材料，和通過變壓生產(chǎn)產(chǎn)品流體的第二種材料。
155.根據(jù)權(quán)利要求154所述的方法，其中生產(chǎn)層容許的失活率為5％或更小。
156.根據(jù)權(quán)利要求154所述的方法，其中生產(chǎn)層容許的失活率為10％或更小。
157.根據(jù)權(quán)利要求154所述的方法，其中生產(chǎn)層的容許的失活率為20％或更小。
158.根據(jù)權(quán)利要求154所述的方法，其中生產(chǎn)層的容許的失活率為50％或更小。
全文摘要
公開的實施方案解決了在PSA設(shè)備的操作中，在生產(chǎn)所需不含污染物的產(chǎn)品流體的過程中出現(xiàn)的污染物處理問題，并且還解決了在PSA設(shè)備間歇操作過程中所出現(xiàn)的更嚴(yán)重的問題。一種實施方案包括通氣器以流體連接到含有對污染物敏感吸附劑的吸附器的進(jìn)料端上。通過在生產(chǎn)過程中關(guān)閉、在關(guān)閉過程中打開的切斷閥將通氣器連接到進(jìn)料端上。其它實施方案使用特殊密封方法用于設(shè)備或至少其部件的另外密封以防止污染物的進(jìn)入。例如，用于接收緩沖氣體的緩沖密封，所述的緩沖氣體中污染物蒸汽的含量基本上等于或小于通過吸附器上的變壓吸附生產(chǎn)的產(chǎn)品氣體的污染物蒸汽的含量。作為另一個例子，可以使用當(dāng)設(shè)備停置時通常使用的停置密封。
文檔編號C01B13/02GK1479646SQ01820424
公開日2004年3月3日 申請日期2001年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月11日
發(fā)明者馬修·L·巴比奇, 鮑伊·G·基弗, 安德烈亞·C·吉布斯, 阿爾伯托·I·拉卡瓦, 弗蘭克·費奇, 費奇, G 基弗, 亞 C 吉布斯, 托 I 拉卡瓦, 馬修 L 巴比奇 申請人:探索空氣技術(shù)公司, Boc集團(tuán)公司