專利名稱：多層歧管壓力交變吸附裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明公開的實施例涉及從流體混合物中分離流體，諸如從空氣中分離氧氣或氫凈化，該分離是采用一種流體分離裝置通過壓力交變吸附(PSA)方法進行的，該裝置具有多層歧管，諸如在高循環(huán)頻率下工作的小型的、旋轉壓力交變吸附裝置。還描述了窄通道吸附器，增強得足以使之與閥面直接接合，該吸附器適合用于壓力交變吸附裝置的各種實施例。
背景技術：
I.普通的PSA工藝通過協(xié)調吸附器上的壓力交變和流動逆轉，利用壓力交變吸附法實現(xiàn)從流體混合物中分離流體，相對于混合物中不易被吸附的組分來說，所使用的吸附器優(yōu)先吸附較易被吸附的組分。流體在通過吸附器的第一方向，即從吸附器的第一端至第二端的流動期間，總壓力升高，而在反方向流動期間，總壓力下降。當重復該循環(huán)時，混合物中不易被吸附的組分富集在第一方向，而較易被吸附的組分富集在反方向上。
從吸附器的第二端輸送出貧化易被吸附的組分和富集不易被吸附的組分而成的“輕質”產品。從吸附器的第一端排放更易被吸附的組分富集的“重質”產品。輕質產品通常是所需的凈化的產品，例如在采用氮選擇性沸石吸附劑進行氧氣分離和氫凈化時便是重要的實例。在采用氮選擇性沸石吸附劑進行氮分離中，重質產品是一種所需的產品。典型的方式是當該吸附器內的壓力升高到較高的工作壓力時，液料混合物進入吸附器的第一端，且從吸附器的第二端輸送出輕質產品。在較低工作壓力下，從吸附器的第一端排出重質產品。為了獲得高純度的輕質產品，在壓力排放，即進行清洗、壓力均衡或再增壓工序后，把部分輕質產品或富集的不易被吸附的組分的流體作為“輕質回流”流體再次循環(huán)回到吸附器。
采用壓力交變吸附法分離流體的普通工藝，使用平行工作的二個或更多個吸附器，在每個吸附器的每一端安裝有方向閥，以交替方式將吸附器與壓力源和接收器(sinks)連接，從而實現(xiàn)工作壓力的變化和流動方向的改變。由于在吸附器交替地處于高壓和低壓過程中閥門的不可逆膨脹，基本的壓力交變吸附工藝不能有效地利用施加給的能量。通過采用多步“輕質回流”工序和其它工藝改進措施，大多數(shù)采用的先進技術的常規(guī)壓力交變吸附裝置，其效率有所改進，這樣，卻大大提高了基于普通的二通閥的閥門邏輯復雜性。結果，裝置的循環(huán)頻率較低，通常是每分鐘一次，少數(shù)商售設備的循環(huán)頻率大于每分鐘五次。此外，采用常規(guī)閥門和顆粒吸附劑的設備的循環(huán)頻率不可能大幅提高，因此，吸附劑總量較大。
普通的壓力交變吸附裝置體積大、笨重，因而，需要一種更為小型的壓力交變吸附技術。II.旋轉PSA工藝技術Siggelin(美國專利3,176,446)，Mattia(美國專利4,452,612)，Davidson和Lywood和Boudet(美國專利4,758,253)，Boudet等人(美國專利5,133,784)，Petit等人(美國專利5,441,559)，Keefer等人(美國專利6,051,050)，和Westmeier等人(前民主德國專利DD 259,794A1)公開了采用旋轉吸附床構型的PSA裝置。安裝在定子組件上的多個角分隔吸附床用的孔，掃過具有進料、輸送產品、廢氣排放和壓力均衡功能的固定功能孔。所有這些裝置均使用多個吸附床在同一個循環(huán)順序地工作，利用多孔分配旋轉閥來控制流體流到吸附床、控制流自吸附床流體流動和控制流體在吸附床之間的流動。
現(xiàn)有技術中，存在有三個吸附器平行工作的壓力交變吸附裝置和真空擺式吸附裝置的眾多實例。Hay(美國專利4,969,935)和Kumar等人(美國專利5,328,503)公開了真空吸附系統(tǒng)，其壓縮機不連續(xù)工作、真空泵全天候地與三個吸附器之一連接。其它三個吸附器實例是由Tagawa等人(美國專利4,781,735)，Hay(美國專利5,246,676)，和Watson等人(美國專利5,411,528)提供的，可實現(xiàn)上述工作，但是后者中的每個實例，都存在輕質產品排放工序和輕質回流工序的次序出現(xiàn)某些不希望的倒置，從而工藝效率有所降低。Keefer(美國專利6,063,161)提供的實例是氫凈化用的、旋轉閥控制的、具有六個平行工作的吸附器的PSA裝置。
Westmeier等人(前民主德國專利DD 259,794A1)和Keefer等人(美國專利6,051,050)公開的幾種旋轉PSA裝置的實施例中，轉動周期等于循環(huán)周期的整數(shù)倍“M”(M＞1)。然后，必須以相同的整數(shù)倍“M”(其數(shù)值等于轉動周期除以循環(huán)周期的整數(shù)商)提供給具有每種功能的固定功能孔，而且這些固定功能孔以相同的間隔角位于旋轉軸的周圍。這種方法平衡了閥面上的壓力載荷，降低了轉子軸承的載荷，減少了閥面內滑動密封表面的摩擦。驅動轉子所需的摩擦力矩和功率至少降低“1/M”。由于角速度也降低“1/M”，平衡密封件的接觸壓載也可能降低。隨著摩擦減小，密封件壽命延長。因此，更高的壓力應用，例如氫凈化，對于這類旋轉PSA裝置更為切實可行，這是因為密封件的壽命主要受滑動速度(降低了反映速度減小的系數(shù)“1/M”，或者旋轉頻率也減小了相同的系數(shù))和接觸壓力的乘積所控制。然而，這一方法遇到了如下問題·對于一個給定的PSA循環(huán)，必須按系數(shù)“M”增加吸附器的數(shù)量。因此，每個吸附器的角寬度必須縮小同樣的系數(shù)“M”，如果吸附器是分立的加工件，則這會增加成本，且更具復雜性。在旋轉PSA系統(tǒng)中，隨著分立式吸附器數(shù)量的增加，使得壓力保持、吸附器之間的靜密封、吸附器至閥面的開孔等難度提高。當基本PSA工藝的工序很多，并且設想多個吸附器同時進入每一個工序，如美國專利6,051,050所述，則這種考慮就尤為重要了。
·由于分配給每一個PSA循環(huán)的角扇面為360°/M，PSA循環(huán)工序之間的角壓力梯度以系數(shù)“M”(M＞1)變陡峭。這使得閥面密封更為困難，相鄰PSA工序之間的交叉泄漏的可能性便可能增加。由于泄漏，效率損失，使由于滑動摩擦減小而取得的效率改進便有可能被抵消。因此，減少泄漏將成為一個重要問題。
·必須在裝置的兩側為具有閥孔的每一個工序功能提供“M”組復雜的、高成本的外管道連接，同時在多個不同功能的固定孔之間保持均勻的流動分布。如美國專利6,051,050公開的那樣，對于具有許多個進料增壓、逆流排放和輕質回流的分立工序的PSA循環(huán)，則難度更大。
·當多旋轉PSA模件，如美國專利6,051,050公開的那樣平行工作時，M＞1，外管道連接的歧管安裝的復雜性更高，所需的費用更多。這樣的管道連接的復雜性和費用立即引起非常嚴重的困難，對于每一個工藝工序，在平行工作的所有壓力交變吸附組件之間均等地分流所需的壓降平衡，便出現(xiàn)了問題。這些難點使得具有單壓縮機組的平行工作的幾種組件無法安裝歧管，因此嚴重限制了具有經濟效益的大型PSA工藝裝置系列。III.普通吸附劑和吸附劑載體普通支承吸附劑的方法也是有問題的。需要一種能夠克服顆粒吸附劑的局限性且循環(huán)頻率較高的剛性、高表面吸附劑載體。Keefer業(yè)已公開了高表面、層壓吸附器(美國專利4,968,329和美國專利5,082,473，本文引用作為參考)，該吸附器的吸附劑被支承在薄片中，薄片用間隔器間隔，以限定相鄰薄片之間的流動通道，典型地，作為疊層組件或螺旋輥而形成。通過以高表面、層壓吸附器的工作，就可如Keefer等人(美國專利6,051,050，本文引用作為參考)公開的那樣，在特別小的裝置中實現(xiàn)高頻PSA循環(huán)，吸附器被支承在薄片中，薄片由間隔器間隔，以限定相鄰薄片之間的流動通道，以及安裝在轉子中的吸附器提供只有一個活動部件的PSA工藝閥邏輯。
熱擺式吸附(TSA)工藝采用的旋轉吸附器輪，一般是將吸附薄片材料(即，吸附劑浸漬紙)以波紋層方式螺旋纏繞在轉子榖周圍制成。螺旋輥中的相鄰層由槽紋間隔。槽紋限定轉動輪二個面之間的流動通道。流動通道接觸角扇形中由密封隔板分隔的的進料區(qū)和再生區(qū)。流動通道的剖面高度和寬度一般是幾個毫米。每一個流動通道作為一個單獨的吸附器，由在螺旋纏繞轉子中相鄰吸附薄片之間延伸的槽紋，與相鄰流動通道實現(xiàn)隔離。這種方法對于在低頻下工作、進料區(qū)和再生區(qū)之間的壓差非常小的TSA工藝是有成效的。
高性能PSA工藝采用的旋轉吸附器輪處于高壓吸附區(qū)與低壓再生區(qū)之間的大壓力梯度下。當用于批量分離時，為達到理想的高頻工作，諸如從空氣富集氧氣，流動通道必須特別窄，例如小于0.5毫米。對于大約1秒的循環(huán)周期來說，流動通道的剖面高度最好為0.2毫米左右。制作的流動通道，加工精度必須高，以盡量減小氣溝，并且必須盡量減小相鄰吸附器之間的流體泄漏。
為避免吸附器精細的平行通道結構出現(xiàn)機械磨損和流動侵蝕，由薄吸附片和間隔器作為“吸附劑層”組裝單個吸附器。如Keefer的美國專利4,702,973和Keefer等人待審查專利“旋轉壓力交變吸附裝置”(美國待審查專利09/951,275)中所提出的那樣，本文在此引用僅供參考。該待審查專利還公開了實施例，其中在單個螺旋纏繞吸附劑層體中，形成吸附器的多樣性，肋形間隔器軸向延伸在相鄰吸附薄片之間，從而限定窄流動通道。這些流動通道用作為獨特的吸附器，在旋轉閥面的兩側端開有孔。“生命保障用集氧器”(受讓人的待審查專利申請09/733,606)也被本文引用，供參考。
盡管已有上述技術，仍然需要小型PSA裝置，諸如能夠在高循環(huán)頻率下工作的旋轉PSA裝置。也還需要供這些裝置使用的改進型吸附器。

發(fā)明內容
描述了一種從含有易被吸附的組分和不易被吸附的組分的流體混合物中采用PSA法分離液體的裝置和方法的實施例。在壓力升高情況下，由吸附劑從料液混合物中優(yōu)先吸附易被吸附的組分，這樣便可從流體混合物中分離出易被吸附的組分富集的重質流體產品，以及不易被吸附的組分富集的和易被吸附的組分貧化的輕質流體產品。該PSA裝置可與其它裝置組合成系統(tǒng)。例如，可以組合成的系統(tǒng)包括壓縮機械和/或真空機械，能與“N”個單個吸附器協(xié)調工作，或能與安裝在采用旋轉分配閥的旋轉PSA裝置上的“吸附器”協(xié)調工作。作為另一個實例，PSA裝置可與其它裝置連接，諸如汽車工業(yè)用的燃料電池，或與產生醫(yī)用氧氣的氧氣輸送和監(jiān)控設備連接。
根據(jù)PSA工藝基本上是不連續(xù)實施還是基本上是連續(xù)實施，對本發(fā)明的重要方面進行分類。PSA循環(huán)的工序是以在該循環(huán)中吸附器經受增壓工序還是經受減壓工序來進行區(qū)分的。此處，增壓工序和減壓工序包括進料增壓工序、產品增壓工序、逆流排放工序、同向流排放工序和均衡工序。
在某一類實施例中，采用有限的“n”個吸附器實施PSA循環(huán)，不連續(xù)地實現(xiàn)PSA工藝，例如在任何時刻一個吸附器、并且只有一個吸附器經受PSA循環(huán)的增壓工序或減壓工序。因此，在任何增壓工序或減壓工序，在某一時刻，只有一個吸附器與一個定子功能孔連通，并且該功能孔內的壓力隨著在該工序期間吸附器內的工作壓力而變化。在該工序結束時，該吸附器將不再與該功能孔連通，另一個吸附器便與功能孔連通，進行相同的工序(也可能是立即，或者有一個延時期)。吸附器的數(shù)量“n”大體上與PSA循環(huán)工序的數(shù)量相對應。應該注意的是，可將PSA循環(huán)安排的使得一個或多個吸附器同時進行循環(huán)的高壓生產工序，或者一個或多個吸附器同時進行循環(huán)的低壓清洗工序。
在另一類實施例(美國專利6,051,050介紹)中，采用大量的“n”個吸附器實施PSA循環(huán)，基本上連續(xù)地實現(xiàn)PSA工藝，例如在任何時刻，許多個吸附器以相位順序進行PSA循環(huán)的增壓工序或減壓工序。即便每一個吸附器內的工作壓力隨著該工序的進行而變化，在增壓工序或減壓工序，功能孔內的壓力也將基本上保持不變。需要節(jié)流限止(可由定子中功能孔附近的轉子和定子匹配面之間的窄空隙提供)，這樣，對于每一個吸附器，增壓工序或減壓工序的壓力變化將會比較平穩(wěn)，該工序功能孔內的工作壓力脈動也會比較小。如果能提供較大數(shù)量“n”個吸附器(繞轉子圓周均勻地間隔排列)，則功能孔內的壓力脈動將會進一步降低，PSA工藝將會更接近于連續(xù)工藝。當“n”接近無窮大時，則該工藝變成真正的連續(xù)工藝。
在本發(fā)明中，設“n”個吸附器的PSA循環(huán)是在較大數(shù)量的“N”個吸附器實現(xiàn)的，吸附器在同一個PSA循環(huán)里和在旋轉PSA裝置中協(xié)同工作。定義“M”表示一個整數(shù)，在公開實施例的旋轉PSA裝置中吸附器的數(shù)量“N”表示一個乘積(N＝n×M)，式中“n”表示“吸附器組”的數(shù)量，“吸附器組”在設有“n”個吸附器的PSA循環(huán)內協(xié)同工作，而“M”是每一個吸附器組中吸附器的數(shù)量。在根據(jù)本發(fā)明的旋轉裝置中，屬于每一個吸附器組的吸附器之間的間隔角度為360°/M。
可采用多個單層吸附器(可以是螺旋纏繞輥，也可以是層壓塊)，或者將單個螺旋纏繞輥層吸附器組件分成角分段，作為獨立的吸附器，隨著相位間隔的工作壓力而變化。本發(fā)明進一步提供的實例是由縱向通道分隔器把螺旋纏繞吸附器分成許多個通道，每一個通道起獨特的吸附器的作用，這樣，便可實現(xiàn)接近連續(xù)的PSA工藝。
可采用具有公共多層歧管結構的多個旋轉吸附器組件，對具有最大額定生產率的單個PSA設備的極大的PSA設備，可用任何數(shù)目的組件，該最大額定生產率只受用壓縮渦輪機械的最大額定生產率的限制。
本發(fā)明公開的實施例能高頻工作，例如壓力交變吸附工序和真空擺式吸附工序一般頻率大于每分鐘25個循環(huán)，最優(yōu)的為每分鐘數(shù)百個循環(huán)，能量效率高，采用投資成本低的小型機械。本發(fā)明特別適用于把空氣分離為其各種流體組分。I.業(yè)已描述的吸附器單元的實施例吸附器單元的實施例描述的改進之一是有關吸附器單元端部的致密和強化，這樣，吸附劑層狀結構可直接與旋轉閥面接合，而不造成易碎的吸附劑過度的磨損或侵蝕，同時能經受高頻PSA循環(huán)的大幅值、周期性變化的壓力梯度。在保持與閥面接通的流動通道高精確的均勻度、防止出現(xiàn)氣溝的同時，環(huán)繞著流動通道，在吸附器的端部充填物質，這樣提供了足夠的物質阻止閥面空隙內的流動通道之間出現(xiàn)的交叉孔泄漏。由于允許許多個流動通道起吸附器作用，而泄漏在允許的范圍內，這些改進有助于M＞1的PSA構型的利用。這些改進還能使螺旋纏繞吸附器得到實際使用，為了保持壓力和間隔每個吸附器，在吸附器外不必采用復雜的、笨重的結構。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，吸附劑是由柔性吸附劑薄片形成的疊層吸附劑或“吸附劑疊層”形式安裝的。吸附劑薄片是采用復合材料加強的吸附劑薄片，或是含有吸附劑的箔片。由間隔器構成的流動通道，形成吸附劑薄片相鄰對之間的平行通道。實驗吸附器的相鄰吸附薄片之間的通道寬度范圍為吸附薄片厚度的50％-100％。這種“吸附疊層”構型的壓降比充填床小得多，并能避免充填床的流化問題。吸附劑薄片的典型厚度為100-175微米。
薄片疊層提供合適的柔量，以適應疊層誤差或纏繞誤差。間隔器系統(tǒng)為防止吸附薄片相鄰層之間的流動通道的自由偏轉或變形提供必要的穩(wěn)定性。II.業(yè)已描述的一個PSA裝置的實施例該裝置公開的實施例進一步論述了M＞1的旋轉PSA系統(tǒng)(軸向流式和徑向流式)的前景，通過提供的多層歧管(穿插管將各歧管層與PSA裝置的對應功能孔連接)，以適合復雜的PSA循環(huán)的全部工序，無論“M”取何值，均具有相等的緊密度。這一方法還可適應多個旋轉PSA組件及其在單個PSA設備系列的單個多層歧管裝置內的協(xié)同運轉的壓縮機械。因此，積木式PSA設備就有可能比例放大到較大的單個系列，即便組件額定功率較小時也是如此。
描述的具有多層、穿插歧管的旋轉壓力交變吸附裝置的實施例一般包括定子和一個轉子，定子限定多個流體孔，轉子提供相對于定子的旋轉運動，使多個吸附器單元轉入和轉出與流體孔連通的流體。描述的實施例一般還包括一個接收料液的第一歧管。該第一歧管通過流體孔與吸附器單元的第一端間歇地流體連接，吸附器單元的第一端可繞旋轉軸環(huán)形地排列在吸附器組內。第二歧管也可間歇地與吸附器組內的吸附器單元的第一端流體連接。第二歧管一般是接收從吸附器單元的第一端、通過多個由定子限定的排放孔排出的流體。
在某些實施例中，第一和第二環(huán)形歧管是分層放置的，一層歧管放置在另一層歧管之上。第二歧管可通過貫穿第一歧管(或環(huán)繞第一歧管的周邊)的流體管接收或輸送流體，多層歧管的組合在此稱為穿插歧管。在這種分層放置構型中，疊層的歧管數(shù)可在二個以上，至少有二個，疊層中的歧管一般是穿插歧管。
吸附器單元一般放置在多個吸附器組內，例如2至大約20個吸附器組。每一個吸附器組可包括多個吸附單元。對于旋轉床裝置，吸附器單元可環(huán)形放置在旋轉軸周圍，這樣，對于“N”吸附器，吸附器的間隔角是360°/N。吸附器組的吸附器單元從第一歧管順序接收料流。在特定的實施例中，采用旋轉壓力交變吸附裝置分離氣體，這樣，料流便是氣體，吸附器單元包括氮-選擇性沸石，排放的流體是氮氣。
描述的旋轉壓力交變吸附裝置的實施例包括限定流體孔的定子，該定子繞軸周向地間隔放置，并位于大部分平面的上方。具體實施例的流體孔在定子的360度上方間隔放置。對于這樣的實施例，PSA循環(huán)的某一具體工序如果有“M”個流體輸送孔或排放孔，則這些孔將按360°/M間隔角放置。
在上述裝置的具體實施例中，一個第二定子限定PSA循環(huán)扇面，每一個扇面由輕質產品輸送孔、輕質產品排放孔和輕質回流返回孔限定。例如，在一個扇面內可能有三個吸附器單元，每一個吸附器單元屬于不同的吸附器組。對應于不同扇面內的吸附器，每一個吸附器可同時進入PSA循環(huán)的特定部分。例如，初始增壓和輕質產品輸送。在這樣的實施例中，輕質回流排放孔可間歇地與滯后某個角度的流體返回孔流體接通。在更為特定的實施例中，每一個扇面含有一個輕質產品輸送孔、一個第一輕質回流返回孔、一個第二輕質回流排放孔、一個第三輕質回流排放孔、一個第三輕質回流返回孔、一個第二輕質回流返回孔和一個第一輕質回流返回孔。提供流體管與如要求那樣實現(xiàn)預定功能的各孔密封連接。例如，第一輕質回流排放孔可與第一輕質回流返回孔流體接通，第二輕質回流排放孔可與緩沖室流體接通，緩沖室接著又可與第二輕質回流返回孔流體接通，并且第三輕質回流排放孔可與第三輕質回流返回孔流體接通。此外，可將各流體孔放置得使吸附器組的第二端與第一產品輸送孔、第一輕質回流排放孔、第二輕質回流排放孔、第三輕質回流排放孔、第三輕質回流返回孔、第一輕質回流返回孔和第一輕質回流返回孔順序地流體接通。
在處理流體，特別是處理高壓氣體時，必須盡可能采取措施減少流體泄漏。因此，旋轉PSA裝置還可進一步包括密封件。密封件置于轉子和定子之間的閥面內的吸附器單元的附近，并放置得盡可能減少流體泄漏。吸附器單元也可直接與具有窄空隙的定子閥面接合，采用本發(fā)明討論的增強吸附器單元，在轉子內的相鄰吸附器與定子內的功能孔之間便可達到足夠程度的流體密封。III.業(yè)已描述的PSA法的實施例PSA法包括提供業(yè)已描述的裝置的實施例和供應至少一種料液，使吸附器組的吸附器單元增壓到相當高的壓力，以引發(fā)PSA循環(huán)。在吸附器組或一個或多個吸附層纏繞輥與第一和第二閥面之間實現(xiàn)相對轉動，從而限定在每一個吸附器流動通道內順序地完成PSA循環(huán)工序，同時在規(guī)定的總壓力下控制吸附器流動通道與壓縮機械之間的流動時間。以循環(huán)頻率或以被整數(shù)“M”所除的循環(huán)頻率，進行相對轉動。在某些公開的實施例中，吸附輥同心地安裝在轉子內，相對于含有第一和第二閥的定子轉動。
在相當高的壓力下，輸送出第一輕質流體產品?？刹糠值嘏欧泡p質回流流體，每部分流體均具有預定的作用。例如，部分輕質回流流體可輸送到緩沖室。部分輕質回流流體還可輸送到在不同吸附器扇面內的吸附器單元第二端的相鄰流體進口，以實現(xiàn)各種所需的任務，例如從吸附劑清除重組分。該方法還可包括在相當?shù)偷膲毫ο轮辽倥欧诺谝粴怏w產品。該裝置和方法允許組裝一種小型壓力交變吸附裝置，該裝置能在裝置的多個部位同時完成工藝工序，并且能進一步允許轉子的轉動完成多壓力交變吸附工藝。
對于該方法的特殊實施例，輕質回流流體可作為第一、第二、第三輕質回流部分被排出。將第一輕質回流部分輸送到相位滯后的吸附器組的吸附器單元的第二端，將第二輕質回流部分輸送到裝置的壓力平衡部分(即緩沖室)，并將第三輕質回流部分輸送到相位超前的吸附器組的吸附器單元的第二端。有多種理由按該方式劃分輕質回流部分，包括返回輕質回流流體，以清洗和部分再增壓吸附器單元。


圖1是一個旋轉PSA裝置的實施例的軸向剖面圖，該裝置裝有構成在吸附器組內的多吸附器單元和具有環(huán)形多層穿插式歧管。
圖2是沿2-2線制取的圖1所示裝置的橫剖面圖，對于N＝18個吸附器單元，n＝3，并且M＝6。
圖3是沿3-3線制取的圖1所示裝置的橫剖面圖，對于N＝18個吸附器單元，實施例的n＝3，并且M＝6。
圖4是沿4-4線制取的圖1所示裝置的橫剖面圖，對于N＝18個吸附器單元，實施例的n＝3，并且M＝6。
圖5是沿5-5線制取的圖1所示裝置的橫剖面圖。
圖6是沿6-6線制取的圖1所示裝置的橫剖面圖，對于N＝18個吸附器單元，實施例的n＝3，并且M＝6。
圖7是沿7-7線制取的圖1所示裝置的橫剖面圖，對于N＝18個吸附器單元，實施例的n＝3，并且M＝6。
圖8是沿7-7線制取的圖1所示裝置的橫剖面圖，該裝置具有一個處于中心位置的緩沖室，對于N＝18個吸附器單元，實施例的n＝3，并且M＝6。
圖9是沿9-9線制取的圖1所示裝置的橫剖面圖，對于N＝36個吸附器單元，實施例的n＝6，并且M＝6。
圖10是圖1所示裝置的橫剖面圖，對于N＝36個吸附器單元，n＝6，并且M＝6。
圖11是沿11-11線制取的圖1所示裝置的橫剖面圖，對于N＝36個吸附器單元，n＝6，并且M＝6。
圖12是沿7-7線制取的圖1所示裝置實施例的橫剖面圖。
圖13是螺旋纏繞吸附層薄片的某一個實施例的剖面圖。
圖14是旋轉PSA裝置的某一個實施例的軸向剖面圖，M＝1，并且具有與閥面直接接通的螺旋纏繞吸附器。
圖15是沿15-15線制取的圖14所示裝置的橫剖面圖，對于實施例的M＝1。
圖16是沿16-16線制取的圖14所示裝置的橫剖面圖，對于實施例的M＝1。
圖17是圖14所示裝置的橫剖面圖，對于實施例的M＝3。
圖18是圖14所示裝置的橫剖面圖，對于實施例的M＝3。
圖19是一種具有穿插多層歧管的PSA裝置實施例的橫剖面圖。
圖20是一種具有穿插多層歧管的PSA裝置實施例的橫剖面圖。
圖21是一種多組件PSA系統(tǒng)的橫剖面圖。
圖22是一種多組件PSA系統(tǒng)的橫剖面圖。
圖23是一種多組件PSA系統(tǒng)的橫剖面圖。
圖24是一種可選用的吸附層結構實施例的詳細圖，這種結構能與本發(fā)明所述的裝置和方法實施例配合在一起使用。
圖25是一種可選用的吸附層結構實施例的詳細圖，這種結構能與本發(fā)明所述的裝置和方法實施例配合在一起使用。
圖26是一種可選用的吸附層結構實施例的詳細圖，這種結構能與本發(fā)明所述的裝置和方法實施例配合在一起使用。
圖27是一種可選用的吸附層結構實施例的詳細圖，這種結構能與本發(fā)明所述的裝置和方法實施例配合在一起使用。
圖28是一種可選用的吸附層結構實施例的詳細圖，這種結構能與本發(fā)明所述的裝置和方法實施例配合在一起使用。
圖29是一種可選用的吸附層結構實施例的詳細圖，這種結構能與本發(fā)明所述的裝置和方法實施例配合在一起使用。
圖30是一種可選用的吸附層結構實施例的詳細圖，這種結構能與本發(fā)明所述的裝置和方法實施例配合在一起使用。
圖31是一種可選用的吸附層結構實施例的詳細圖，這種結構能與本發(fā)明所述的裝置和方法實施例配合在一起使用。
圖32是圖1所述裝置的橫剖面圖，對于N＝36個吸附器單元，n＝6，并且M＝6。
圖33是每轉一次具有二個循環(huán)的徑向流動組件的俯視剖面圖。
圖34是圖33所示組件進料端的俯視圖。
圖35是圖33所示組件產品端的俯視圖。
圖36是圖33所示組件的剖面?zhèn)纫晥D。
具體實施例方式
I.引言在第一實施例中，M＝1，供單個循環(huán)用的小室沿整個360°的圓周線分布，轉子的轉動次數(shù)恰好等于循環(huán)頻率。但是，M＞1時，本發(fā)明也適用。在這種情況下，循環(huán)頻率等于M乘以轉動頻率，并且對于每一個360°/M弧度，每一個循環(huán)的所有小室均重復。因此，對于每一個工藝工序，都有M個小室，小室之間的間隔角相等，即360°/M。吸附輥的流動通道最好具有小的角間隔，這樣就有許多個流動通道起吸附器管的作用，以保證進入PSA工藝的每一工序的外部流動的流量和壓力大體上不變。
業(yè)已描述的實施例大大地改進了M＞1的高循環(huán)頻率、旋轉PSA系統(tǒng)的實用性。當裝置的尺寸增大時，尤為如此。較大的轉子直徑提高了關鍵閥密封面上的側滑速度，加劇了摩擦和磨損。以系數(shù)“M”降低側滑速度，可取得非常大的好處。對于涉及高工作壓力或高工作溫度的應用，尤為如此。因而高工作壓力或高工作溫度會使密封件可靠性和壽命問題進一步惡化。
公開實施例的旋轉PSA組件中的吸附器的數(shù)量“N”是一個乘積(N＝n×M)，其中“n”是在一個PSA循環(huán)內協(xié)調工作的“吸附器組”的數(shù)量，“M”是每一個吸附器組中吸附器的數(shù)量。在優(yōu)選實施例中，n＞2。敘述了n＝3和n＝6的例子。然而，“n”也可取其它整數(shù)，例如n＝5，也是非常適用的。
如果轉子以對應于一個轉動周期“TR＝1/f”的轉動頻率轉動，壓力交變吸附循環(huán)的循環(huán)周期“T”是TR/M。本發(fā)明適用于M＞1的任何整數(shù)值。因此，“M”是個倍數(shù)。對于給定的“T”，轉動周期成倍延長。對于短“T”循環(huán)期，1秒或小于1秒量級，的快速PSA循環(huán)，最好降低轉動頻率，以減小密封件的摩擦和磨損。
業(yè)已描述的實施例能以相對較大的倍數(shù)“M”降低轉動頻率，而不是成比例地降低轉子克服密封件摩擦阻力工作所需的功率，這大大延長了關鍵密封件的壽命。業(yè)已描述的實施例完成克服了極其復雜的外部管道連接問題和可能出現(xiàn)的不平衡流動問題。在以倍數(shù)“M”增加外部管道連接所需的閥總數(shù)時，可能出現(xiàn)不平衡流動。業(yè)已描述的實施例進一步還能使高度小型化的PSA裝置，成為汽車用氧氣富集和氫氣凈化、燃料電池動力裝置所需的設備。業(yè)已描述的實施例還論述了如何解決如下問題的方法，即如何實現(xiàn)壓縮機和/或與高頻PSA工藝聯(lián)接的真空泵均衡加載，在產品純度和生產率方面如何達到較高的工藝性能，以及如何達到較高的工藝總能量效率。
業(yè)已描述的PSA工藝在每一個吸附器組內建立PSA循環(huán)，在每一個PSA循環(huán)內，每一個吸附器中的總工作壓力在高壓與低壓之間交變。高壓一般高于大氣壓，低壓低于該高壓，通?？赡苁谴髿鈮夯虻陀诖髿鈮骸SA工藝還在高壓和低壓之間提供中壓。該裝置的壓縮機械一般包括料液壓縮機和重質流體產品排氣機。當?shù)蛪旱陀诖髿鈮簳r，排氣機可以是一種真空泵。當?shù)蛪旱扔诖髿鈮簳r，排氣機可能是一種膨脹器，或者可用調節(jié)逆流排放的節(jié)流機構代替。
業(yè)已描述的實施例中的料液壓縮機一般是供應料液，使吸附器料液增壓，以送到第一閥。排氣機一般從第一閥接收重質流體產品，使吸附器的逆流排放。
可提供一個緩沖室，與第二閥協(xié)同工作。緩沖室提供“輕質回流”功能，即在高壓下接收吸附床組作為輕質回流流體以第二組分富集的部分流體并在同向流排放時將高壓降下來。該緩沖室還短暫地存儲該流體，然后將該流體回送到同一個吸附床，在低壓下提供清洗，或使輕質回流增壓，使壓力從低壓提高到高壓。輕質回流功能能夠生產高純度的輕質產品。
至于n＝3和n＝6的例子，對于每一個吸附器組，業(yè)已描述的實施例在循環(huán)周期內，按如下工序重復，在循環(huán)周期“T”開始時，從零開始設定時間“t”(A)料液增壓和生產。在進料時間段，大約超過三分之一個循環(huán)周期(0＜t＜T/3)，允許料液混合物進入吸附器組的第一端，當吸附器內的壓力處于低壓和高壓之間的某個中壓時，循環(huán)開始，將吸附器內的壓力提高到高壓(A1工序，大約為0＜t＜T/6)，然后在輕質產品輸送壓力下輸送來自吸附器組第二端(A2工序，大約為T/6＜t＜T/3)的輕質產品。由于流動摩擦造成的壓降很小，輕質產品輸送壓力基本上是高壓。
(B)在暫短的時間段或在A(T/3)工序結束或接近結束時的高壓條件下，從吸附器組的第二端排出第二組分富集的第一輕質回流流體(大約在輕質產品輸送的A2工序結束時)。
(C)n＝3，平衡緩沖室，或n＝6，在180°反相時，直接平衡另一個吸附器組。在B工序結束后，在同向流排放時間段，吸附器組的第一端的流通停止，來自吸附器組第二端、第二組分富集的第二輕質回流流體作為輕質回流流體排放入緩沖室，并且在間隔時間T/3＜t＜T/2內，將吸附器組內的壓力增到第二中壓。該中壓處于高壓和低壓之間。
(D)在C(T/2)工序結束時的暫短時間段，排放吸附器組第二端的第三輕質回流流體，作為另一個吸附器組的清洗流。
(E)逆流排放和排氣在E1工序(T/2＜t＜2T/3)，在排氣時間段(T/2＜t＜5T/6)，排放吸附器組第一端、第一組分富集的流體流，將吸附器組內的第二中壓降到低壓，然后在E2工序(2T/3＜5T/6)，輸送另一個吸附器組(其相位滯后120°)第二端的第三輕質回流流體流進入D工序，在相當?shù)偷膲毫ο虑逑次狡鹘M，同時以重質流體產品形式，連續(xù)地排放第一組分富集的流體。
(F)對于n＝3，從緩沖室平衡，或對于n＝6，直接從進入C工序的另一個吸附器組(處于180°反相)平衡。當吸附器組第一端的流動停止，在5T/6＜t＜T時間段內，第二輕質回流流體重新對吸附器組增壓，即從非常的低壓提高到第二中壓。
(G)在大約t＝T時，允許直接來自另一個吸附器(處于相位超前120°)第二端的第一輕質回流流體流，作為回填流進入B工序。為開始下一個循環(huán)A工序，將吸附器內的壓力提高到第一中壓。
本領域的技術人員或普通的技術人員將會了解到可采用其它的輕質回流流動形式。例如，在E工序過程，來自B工序的某些或全部第一輕質回流流體可用于清洗另一個吸附器。另外的變化有省略B工序和G工序，或者在A工序后，延時B工序，而不是重疊A工序，使之作為壓力平衡工序。
改變循環(huán)頻率，可對工藝實施控制，以便獲得輕質流體產品的理想純度、回收率和流量。另外，在給定的循環(huán)頻率下，可調節(jié)進料的流動速率和輕質產品流動速率，以便獲得理想的輕質產品純度。優(yōu)選的是，同時改變進料壓縮機的驅動速度和PSA組件的轉動頻率，調節(jié)輕質產品流動速率，以保持輕質產品接收器內的輸送壓力。
在從空氣富集氧氣的真空實施例中，第一中壓和第二中壓一般約等于大氣壓，低壓低于大氣壓(即大約0.3-0.5pa，高壓的范圍為1.5-3pa)。在正壓力實施例中，低壓可以是大氣壓。在空氣凈化應用中，第一組分是雜質流體或蒸汽，流體混合物是含有雜質的空氣，而輕質產品則是凈化了的空氣。對于空氣分離應用，流體混合物是空氣，第一組分是氮氣，第二組分是氧氣，吸附劑包括氮-選擇性沸石，輕質產品是氧氣富集的流體，重質產品是氮氣富集的流體。產品的純度取決于多種因素，包括循環(huán)速度、工作壓力、工作溫度、沸石等工作參數(shù)，和燃料電池所需的氫氣純度、供病人使用的醫(yī)用氧氣的純度等輸出要求。對于空氣分離，輕質產品的純度一般至少為80％+氧氣、優(yōu)選的是90％+氧氣，95％+氧氣則更好。II.參考附圖對裝置的詳細說明如圖1所示的一種PSA裝置10有一個與定子接合的吸附器轉子，共同限定旋轉軸12。吸附器轉子有“N”個吸附器14，這些吸附器安裝在第一轉子板16和第二轉子板18之間，由連桿20和轉子蓋22共同固定。吸附器轉子由電機24驅動，電機通過軸26與第一轉子板連接。
定子包括第一定子部分28和第二定子部分30，相對于軸12固定對準。第一定子部分28有一個環(huán)形放置在軸12周圍的進料歧管室32和一個環(huán)形放置在軸12周圍的排氣歧管室34。進料管36將進料歧管室34連接在外部料液源，諸如壓縮機上。排氣導管38將排氣歧管室34連接在外部排氣裝置，諸如真空泵上(如果低壓低于大氣壓)，以便大氣排放，或作第二產品的其它處置。第二定子部分30與輕質產品輸送管40連接，圖示的進料輸送導管位于軸12的中央位置。
每一個吸附器14有一個流動路徑，接觸吸附器第一端42和第二端44之間的吸附劑。吸附器第一端42和第二端44分別與第一轉子板16和第二轉子板18密封連接。第一閥面46被限定在第一定子部分28與第一轉子板16的共同密封的面之間。第二閥面48被限定在第二定子部分30與第二轉子板18的共同密封的面之間。每一個吸附器單元14的第一端42通過第一轉子板16上的第一孔50與第一閥面46流體連通。每一個吸附器單元14的第二端44貫穿第二轉子板18上的第二孔52與第二閥面48流體連通。
在圖1所示的特別實施例中，吸附器14由支承吸附劑的薄材制成。間隔器沿流動路徑限定流動通道。將薄材纏繞在圓柱芯54周圍，形成延伸在吸附器單元14的第一端42和第二端44之間的螺旋吸附劑輥56。螺旋吸附劑輥56密封地插入在密封管58內，與第一轉子板16和第二轉子板18中的匹配腔密封接合。吸附器14還可有其它形式的結構，如圖13所示的單輥，下文將對此作進一步討論。
圖2是沿圖2所示裝置2-2線的橫剖面圖，圖解說明繞軸12環(huán)形放置的單個吸附器14。吸附器組(A、B和C)的數(shù)量n＝3，每一吸附器組由六個(m＝6)吸附器14組成(A1，B1，C1，A2，B2，C2，A3，B3，C3，A4，B4，C4，A5，B5，C5，A6，B6和C6)，總共有18個吸附器。PSA循環(huán)在這三個吸附器組內完成，按照A、B和C吸附器的順序，吸附床之間的相移為120°。
吸附薄片含有增強材料，在特定實施例中含有玻璃纖維，金屬箔或金屬絲網(wǎng)，采用合適的粘接劑將吸附劑固定在這些增強材料上。如圖1所示，吸附器14，諸如圖解說明層疊的吸附輥，可以有貫穿整個區(qū)域的單個吸附劑材料；貫穿整個區(qū)域或某一個特定區(qū)域的吸附劑材料的均勻或不均勻組合；或者可有分隔區(qū)，每一區(qū)內有不同的吸附劑材料。圖解說明的吸附器14的第一區(qū)60位于第一端42附近，第二區(qū)62延伸到第二端44。第一區(qū)60含有第一吸附劑材料，例如干燥劑，活性鋁土是一種干燥劑的例子。第二區(qū)62一般含有第二吸附劑材料，諸如沸石吸附劑。在該實施例中，第一區(qū)60延伸到第一端和第二端之間的流動通道長度的大約15％，第二區(qū)包含其余的85％(第二區(qū)還可分為多個含有不同吸附劑的子區(qū))。為從空氣分離制取富氧，第二區(qū)內的典型吸附劑包括X型、A型或菱沸石，一般與鋰、鈣、鍶、鎂和/或其它陽離子交換，并且具有優(yōu)選的硅/鋁比，正如本領域普通技術人員所熟知的。在吸附劑薄片基體內，沸石晶體用硅石、粘土和其它粘接劑粘合，或自粘合。
圖13顯示了單個吸附層疊輥56，形成于吸附器罩67外壁64與內壁66之間，特別適用于連續(xù)系統(tǒng)。吸附層疊輥56由螺旋纏繞的吸附薄片68制成，吸附薄片之間的間隔器70限定軸向流體流動通道72，同時防止流動通道之間出現(xiàn)橫流。間隔器70軸向延伸在第一端42和第二端44之間，用以限定流動通道72，使之起吸附器的作用。
將混有粘接劑組分的沸石晶體漿料涂敷在增強材料上，制取令人滿意的吸附薄片68。比較好的增強材料有無紡玻璃纖維稀洋紗、金屬纖維織物、膨脹鋁箔等。采用印制或壓紋，將吸附薄片68制成具有凸紋的間隔器70，或將制做好的間隔器置于相鄰對吸附薄片之間。其它令人滿意的間隔器業(yè)已制作成紡織金屬網(wǎng)、無紡玻璃纖維稀洋紗、金屬箔，流動通道具有光刻花紋。
本發(fā)明提供的一種重要改進是吸附器14具有經增強的、與第一閥面46和/或第二閥面48直接接通的流動通道。各種PSA裝置均能采用這些吸附器，包括圖1所示的具有多層歧管和/或穿插歧管的裝置。然而，圖14所示的PSA裝置的另一實施例，也能采用這些吸附器。圖14顯示的流動通道72直接與第一閥面46和第二閥面48接通。吸附層疊輥的窄致密區(qū)78和80分別端接在流動通道72的第一端42和第二端44，從而提高了閥面耐磨損和防泄漏能力。窄致密區(qū)78和80可用填料充填，例如采用惰性陶瓷材料、聚合物材料、金屬或合金材料，或者這些材料的混合物充填。還可采用螺旋纏繞金屬帶連接間隔器70，在保持流動通道72至閥面的敞開流通的同時，保持流動通道的高精度的恒定流動阻力，從而防止出現(xiàn)氣溝。
吸附層疊輥的窄致密端區(qū)78和80分別端接在流動通道72的第一端42和第二44上，從而增強閥面的耐磨性和防泄漏能力。通過將端區(qū)78和80浸漬某種合適的物質，例如硅酸鹽硬化劑、水玻璃或熱固性塑料，便可達到對吸附薄片增強和/或致密化。端區(qū)78和80的增強方法還有充以填料，使端區(qū)內的流動通道變窄(從而提高了固體材料的截面積，改進了轉子和定子之間的閥面抗磨力或抗流體侵蝕力，并可減少閥面內的泄漏)。端區(qū)內的流動通道用的填料可以是某種惰性陶瓷材料、聚合物材料、熱解碳、金屬或合金，或者這些材料的混合物。陶瓷充填材料在焙燒前是一種粘土母體。熱固性塑性聚合物可在吸附劑無需高溫活化的應用場合下使用，也可在高溫下活化的吸附劑活化的焙燒工藝過程轉化成焦炭火熱解碳。端區(qū)78和80內的螺旋纏繞金屬帶(端接在閥面，提高抗磨力和防泄漏能力)也可用于連接間隔器70，在保持流動通道72至閥面的敞開流通的同時，保持流動通道的高精度的恒定流動阻力，從而避免出現(xiàn)氣溝。
圖4-7是圖1所示裝置的剖面圖。圖4是圖1所示裝置沿4-4線的剖面圖，圖解說明第二閥面48的第二轉子板18上的第二開孔52。同樣，圖5顯示第一閥面46的第一定子部分的進料孔82和排氣孔84。由于m＝6，為使這些孔具有第一進料功能和第一排氣功能，以六個孔成一組，兩孔之間的間隔角度等于360°/6，即60°。
圖6是圖1所示裝置沿6-6線制取的進料歧管32的橫剖面圖。圖6示出了輸送管86，通過輸送管86，排氣孔84與進料歧管32穿插的排氣歧管34連通。由于與軸12同心地提供了起第一功能的多層環(huán)形歧管，含有單個吸附器組的吸附器14，在任何時刻均具有良好的流動分布。單個吸附器組與對應功能的進料歧管或排氣歧管連接。
圖7是圖1所示裝置10沿7-7線的橫剖面圖。圖7示出第二定子部分30中的第二閥面48的第二功能孔。這是三個輕質回流級用的功能孔。描述的第二功能是輕質產品輸送、排放吸附器14的輕質回流，以及輕質回流返回吸附器。對于這一實施例，在繞軸12的每一個角扇面(360°/6＝60°)內，第二閥功能孔包括輕質產品輸送孔88，通過流體管90與輕質產品輸送管道40接通；第一輕質回流出口孔92；第二輕質回流出口孔94；第三輕質回流出口孔96；第一輕質回流返回孔98；第二輕質回流返回孔100；和第三輕質回流返回孔102。在第二定子部分30內，每一對(第一、第二和第三)輕質回流出口孔(92、94和96)與輕質回流返回孔(98，100和102)之間流體接通，起流體管104，106和108的作用。每一個流體管104，106和108含有供各種輕質回流氣體用的減壓裝置，例如孔板。圖示的實施例包括一個供第二輕質回流氣體用的緩沖器110。
第二和第三輕質回流氣體的輕質組分的純度逐步下降。從吸附器14排放這三種組分純度下降的回流氣體，然后組分純度上升返回。結果，使輕質回流被分層，從而保持輕質產品具有優(yōu)良的純度。
圖8的剖面圖與圖7所示的剖面是一樣的，只是圖解說明圖1所示裝置的另一實施例。圖9說明具有位于中央位置的單個緩沖器112的另一種排列。該緩沖器可位于轉子的中心腔內，而不是為“M”個角扇區(qū)的每一個扇區(qū)提供單獨的緩沖器110。通過流體管114，中央緩沖器112與“M”個第二輕質回流出口孔94的每一個孔連通，并通過流體管116與“M”個第二輕質回流返回孔100的每一個孔連通。
在圖15-16所示的實施例中，穿過吸附器的流動通道72與軸12平行。因此，流動方向呈軸向。圖示的第一閥面46和第二閥面48是平環(huán)形盤，垂直于軸12。
圖15和圖17是圖14所示PSA組件10沿15-15線的剖面圖。圖16和圖18是圖14所示組件10沿16-16線的剖面圖。每一個剖面圖中的箭頭120顯示吸附器繞軸12的轉動方向。
圖15顯示第一定子28的第一定子閥面46。通過入口過濾器126引入空氣經流體連接管122到進料壓縮機124。與真空泵排氣機128連接的流體管將富氮的第二產品輸送到第二產品輸送管129。壓縮機124和排氣機128如圖所示與驅動電機130連接。
在環(huán)式密封件134和136(見圖14)之間的環(huán)形閥面內、與進料孔82和排氣孔84接通的第一定子閥面的無蓋區(qū)，標示為角形段140-150。角形段對應于直接與功能孔，以相同的參考數(shù)字140-150識別，接通的第一功能孔。采用影線扇面154和156標示功能孔之間的閥面46的閉合區(qū)，影線扇面是滑塊，間隙最好為零，或者在實際應用情況下，具有窄的間隙，以便減少磨損，不出現(xiàn)過量的泄漏。典型的閉合扇面154為吸附器14提供了一個在孔146和孔148之間接通的過渡。使滑塊和密封面之間的間隙通道逐漸變細，提供漸變孔道，從而在與新孔接通時，吸附器14內的壓力緩慢地均衡。提供有較大閉合扇面(例如156)，當吸附器的另一端進行增壓或排放時，基本上切斷流動流到吸附器14的一端，或切斷來自吸附器14另一端的流動。
進料壓縮機124分別通過流體管122C、122B和122A，將料氣送到料氣增壓孔140和142，料氣生產孔144。料氣增壓孔140和142的工作壓力逐漸提高，料氣生產孔144處于PSA循環(huán)的高工作壓力。因此，壓縮機124可以是一種多級或分流壓縮機系統(tǒng)，將適當量的料氣流送到每一個孔140、142或144，從而使吸附器14增壓到中壓，然后達到最終壓力，并通過孔144達到生產?？商峁┐?lián)工作的分流壓縮機系統(tǒng)(圖中未示出)，作為具有級間輸送孔的多級壓縮機，或者作為平行工作的多壓縮機或壓縮圓柱體，各自將料氣壓縮到孔140、142和144的工作壓力。進料壓縮機124也可以將所有的料氣壓縮到高壓，將部分增壓料氣減壓后送到分別處于中壓的料氣增壓孔140和142。
同樣，真空泵128排放來自排氣孔152和逆流排放孔148的富氮重質氣體產品。排氣孔152處于循環(huán)的低壓，逆流排放孔148的工作壓力逐步提高。從孔146排放的初始逆流經流體管158直接進入重質產品輸送管129。與壓縮機124一樣，提供的真空泵128可作為多級或分流機器，具有串聯(lián)或平行工作的壓縮機級，在從低壓升高到大約中壓下接收每一種流體流。
在另一實施例中，低壓是環(huán)境壓力，因此，排氣機128將是一種能量恢復膨脹機。在另一個實施例中，中間孔148的壓力可接近大氣壓，故可采用真空泵的組合代替排氣機128壓縮由孔150排出的低壓氣體。利用由膨脹機及部分或全部提供動力的這種真空泵，使由孔146排放的初始逆流氣體膨脹。這種真空泵和膨脹機組合也可由噴射器代替，具有一個噴嘴的該噴射器將來自噴射器擴壓器的正在排放的混合流送到排氣管129。
圖16顯示沿圖13所示的16-16線切斷的第二定子閥面48。第二定子閥面48的開孔是直接與輕質產品輸送孔160接通的第二閥功能孔52；多個輕質回流出口孔162，164，166和168；第二定子內的同樣數(shù)量的輕質回流返回孔170、172、174和176。第二閥功能孔52由環(huán)式密封件134和136(見圖14)限定在圓環(huán)上。每一對輕質回流出口孔和輕質回流返回孔提供一級輕質回流壓降，分別為PSA工藝提供回填功能、全部或部分壓力均衡和同向流排放，以便清洗。
為了說明具有能量回收功能的輕質回流壓降可選擇的方案，提供分流式輕質回流膨脹機180來提供具有能量回收功能的四個輕質回流級的壓降。輕質回流膨脹機180是四個輕質回流級的壓降裝置。如圖所示，每一個輕質回流級都有一個輕質回流管，分別位于輕質回流出口孔與輕質回流返回孔162與172、164與174、166與172、168與170之間。
顯示了通過傳動軸184將輕質回流膨脹機180與輕質產品增壓壓縮機182連接的情況。壓縮機182接收輕質產品，并將輕質產品(經壓縮后，輸送壓力高于PSA循環(huán)的高壓)送到輸送管129。由于輕質回流和輕質產品均是純度大約相同的富氧流，膨脹機180和輕質產品壓縮機182可封閉在單個罩內，該罩通常與第二定子構成一體，如圖14所示。這種沒有單獨的驅動電機的“渦輪壓縮機”氧增壓器構型具有優(yōu)點，即無需外部電機和相應的軸密封件，氧產品就可得到增壓，并且當設計在相當高的軸轉速下工作時，設備還可實現(xiàn)小型化。
輕質回流膨脹機180還可給真空泵128提供動力，或者給吸附器轉子提供轉動動力。如Keefer等人(美國專利6,051,050)公開的那樣，提供的輕質回流膨脹機180可作為單個脈沖式渦輪輪，每一種輕質回流有一個單獨的降壓噴嘴。
雖然，上述的實施例主要處理采用氮-選擇性吸附劑進行氧富集的較低壓力和環(huán)境溫度的PSA應用，很明顯，本發(fā)明公開的實施例(或者本發(fā)明的重要特點)也可用于所有的PSA的商業(yè)或研究工作應用。尤其是本發(fā)明使用于高工作壓力下高溫的氫凈化應用，包括將PSA方法直接用于化學反應工藝。
圖17和圖18的m＝3對應于圖10和圖11的m＝1。圖10或圖11中的物件在圖17或圖18中出現(xiàn)時，在物件相應的標號后面加上尾標A、B、C等。
還可知道，對于任何其它功能的“M”個第二功能孔可集合成具有該功能的單個環(huán)形歧管，如圖14所示的第一功能。若要采用可調節(jié)的節(jié)流器或能量回收膨脹機為輕質回流提供壓降功能，這一點特別理想。
由于在任何時刻只有一個吸附器組連接在料氣供應裝置(或排氣裝置)上，除了在非常短暫的閥轉換期間，吸附器組一直與每一個功能接通，對于實現(xiàn)這些功能的料氣壓縮機或排氣真空泵來說，可達到良好的裝料。料氣歧管的構型可有延伸的面壁，從而可為料氣壓縮機提供后冷卻器功用。
此外，可使料氣歧管32容積最小，從而在吸附器組增壓后，料氣壓縮機124達到輸送壓力，從而避免在高于吸附器組實際需要的壓力下輸送料氣。因而，在每一個料氣進料期的初始段，在全壓下輸送料氣后，料氣壓縮機124部分卸載。因此，便可降低料氣壓縮機124的平均輸送壓力，與在工藝的連續(xù)高壓下輸送相同質量的料氣流的料氣壓縮機相比，這種壓縮機消耗的功率大大地減小。
同樣，可使排氣歧管34的容積最小，從而在吸附器組降壓后，真空泵達到抽吸壓力，從而避免在低于吸附器組實際釋放需要的低壓下排放第二氣體產品。因此，在每一個排氣的初始段，在全真空下工作后，真空泵部分卸載。真空泵128的功率消耗比在工藝連續(xù)的低壓下排放相同質量的第二氣體產品的真空泵要低得多。
圖19至圖21說明M＝3、具有穿插多層歧管的一種旋轉壓力交變吸附組件。
圖19顯示根據(jù)圖15和圖17采用多層歧管190將第一閥面上的所有進料孔82和排氣孔140、142、144、146、148和152，連接在相應的壓縮級和排氣級上。歧管層140’、142’、144’、146’和150’(對應于每一個進料口或排氣口的歧管層，采用帶撇”’”參考數(shù)字)通常由板192將它們彼此隔開并由外壁194將其固定。連接閥面孔和對應孔的導管196和198可插入板192。多層歧管190可采用焊接鋼板制作，低壓環(huán)境下應用的多層歧管板192、互連的導管和側壁194，可采用纖維增強塑料制作。
圖20顯示第二多層歧管的進一步利用，排放來自第二閥面48的孔160、162、164、166和168的產品和輕質回流，在壓降后，將輕質回流回送到孔170、172、174和176。帶撇”’”的參考數(shù)字使每一個歧管層對應于相關的孔，穿插導管(例如108)將每一個孔與對應的歧管層連接。
圖21顯示安裝在單根多層歧管206上的二個壓力交變吸附組件202和204。歧管206使料氣流和排氣流與一個公共壓縮機124和真空泵128連通。組件202和204放置成一排。然而，這種放置形式也可以改變，例如可擴展到在一排中有多個組件，或者平行交錯排列的多排組件。
在其它實施例中，壓縮機械可位于多層歧管的中央，PSA組件最好放置成六角形陣，以便達到有利的流動分布和最小的壓降。在另一些實施例中，組件可以與單個歧管層組合安裝?？梢灾?，實施例涉及上述公開的歧管構型的任何組合。
圖22是將上述積木化概念擴展到具有18個組件10的大型PSA設備的示圖。這18個組件平行地與一個公共多層歧管210相連接。在這種構型中，壓縮機械位于多層歧管210的中央，而PSA組件10最好放置成如圖23所示的六角形陣，以便獲得有利的流動分布和壓降。
圖22顯示了壓縮機212和真空泵214的多級、軸向構型的詳細圖。每一個壓縮機級都有轉子葉片216，轉子葉片后面是定子葉片218。壓縮機級之間排放出的氣流進入料氣歧管140’和142’，剩余的質量流被最末一級壓縮機級輸送到歧管210。第一級通過進氣過濾器和消音器220接收環(huán)境空氣。注意，考慮到壓縮和級間排放的質量流情況，軸流式壓縮機級的截面很快地減小，以減小朝向高壓端的流動截面。
每一個真空泵級具有轉子葉片222和定子葉片224。最低壓力的排氣流從歧管152’進入第一級，與此同時，補充排氣流從歧管148’被噴入各上行級。在本實施例中，最初的逆流排放流大約在環(huán)境壓力下從歧管146’排出，并被排氣擴壓器226中的真空泵排料帶走。由于真空泵級間質量流的增加，抵消了壓縮效應，真空泵級的截面可不必呈錐形，或者略呈錐形。
多層歧管210被支承在支座228上，以便裝入壓縮機。也可以提供開挖成的中心孔，安裝壓縮機及其驅動裝置?？梢钥吹?，這種構型便于檢修壓縮機械和PSA組件，只需斷接和重新連接產品輸送管230，即可對它們拆除和更換。
多層歧管210可由焊接鋼板制作，對于大型設備，最好采用增強混凝土制作?？商峁M向增強支柱，協(xié)助穿插導管和側壁支撐由結構重量和低大氣壓造成的壓縮應力，或由克服作用在某一給定歧管層上的結構重量形成的正壓力造成的拉伸應力。在混凝土制做的多層歧管中需要合適的凸緣插件，以提供與組件匹配的靜態(tài)密封表面。對于采用混凝土制作的板192，上層的重量將協(xié)助保持歧管底層較高的工作壓力。因此，在PSA循環(huán)的高壓工序，利用歧管底層，而在低壓工序，利用歧管的上層，這是非常理想的。
雖然，上述實施例主要涉及利用氮-選擇性吸附劑在相對低的壓力和環(huán)境溫度下采用PSA方法進行氧氣富集，很明顯，本發(fā)明或者本發(fā)明的重要方面可適用于PSA方法的各種商業(yè)應用或研究工作的應用。尤其是本發(fā)明適用于采用PSA方法在高工作壓力和高溫下進行氫凈化，包括將PSA方法直接與化學反應工藝相連接。III.可選擇的吸附劑結構的細部76圖24至圖30顯示構成圖13的螺旋纏繞輥56的可選擇的吸附層結構剖面細部76。圖27顯示吸附薄片上的尚未組合成螺旋纏繞輥的平行間隔器70，采用惰性材料制成的填料240使端區(qū)78和80中的流動通道窄化成窄的流動通道，并且分別與第一閥面46和第二閥面48開孔接通。從耐久性和良好的耐磨性角度選擇惰性材料(例如陶瓷、聚合物、金屬/合金，或這些材料的組合)。填料240也可現(xiàn)場澆鑄，然后采用窄的、尺寸準確的模芯或短效襯墊纏繞吸附輥，形成窄的流動通道72’。
圖24顯示在吸附薄片上形成的起肋骨作用的間隔器70，并且穿過吸附薄片向纏繞方向橫向延伸(如圖28所示)。在纏繞過程，在間隔器70的突出部可涂上吸附劑混合料或其它粘接密封劑，以便在相鄰流通道72之間形成橫向密封。
圖25顯示的間隔器，作為螺旋繞輥相鄰層之間的鋼絲或窄鋼條242。在纏繞方向等間隔的鋼絲242限定流動通道72。由細鋼絲或箔膜系緊鋼絲242，限定間隔器網(wǎng)。圖25是吸附劑區(qū)60或62的剖面圖，圖29是吸附劑端區(qū)78或80的剖面圖。圖29顯示填料240限定的流動通道72(在此處，填料240可以是端區(qū)系緊鋼絲242用的金屬條的一部分，而這種金屬條可螺旋纏繞成吸附薄片上的間隔器網(wǎng)的一部分。)圖28顯示由具有波紋吸附薄片68’的平直吸附薄片68螺旋成的波紋狀螺旋輥。在此的流動通道72的剖面呈正弦曲線，由于在角間隙中出現(xiàn)駐點流，這種流動通道不太理想。
在圖29和圖30中，將填料240放置在波紋狀、尺寸精確的流動通道72’中，形成窄流動通道72’。采用可通過化學或物理方法，例如燃燒或離解，或液態(tài)或汽態(tài)物質的相變，除去的模芯或短效流動通道形成器，例如聚合物多孔纖維，形成流動通道72’。在吸附劑區(qū)60和62，填料240可以是某種合適的多孔吸附劑，而在端區(qū)78和80，填料最好采用耐久性好的密實惰性材料210。端區(qū)填料240也可以是一種通過硬化處理強度業(yè)已提高的吸附劑。
在圖30中，吸附薄片68業(yè)已分成二層吸附層68A和68B，位于金屬箔244的兩側面。該金屬箔可以是適用于防止流體流通過這些吸附薄片的任何金屬，這種金屬給吸附薄片提供理想的熱性質，即熱容和熱導率高。鋁是在這樣一種金屬的例子。金屬箔244也可以是鐵素體不銹鋼，最好是含有某些鋁的不銹鋼。鋁經氧化或陽極化后形成一種起紋理的氧化鋁表面，這有利于沸石或氧化鋁涂層68A和68B的粘合。
可采用鋼箔或不銹鋼箔(或定向增強的非金屬纖維復合材料)使吸附薄片具有理想的抗張強度和剛度。由于吸附薄片和流動通道非常薄，吸附輥內的瞬時高壓和低壓角分隔區(qū)之間的三角形壓力梯度將對吸附薄片產生較小的拉伸(或壓縮)環(huán)形載荷。采用合適的增強吸附薄片制成的吸附輥，在PSA循環(huán)的壓力交變情況下可無需外加支承，即使在工業(yè)氫凈化所需的20巴或更高范圍的高工作壓力下也能工作。
螺旋纏繞的吸附輥外面還可纏繞多層鋼箔或不銹鋼箔，提供均勻的抗張預載荷和均勻的徑向壓力和應變。這也能保證吸附輥外部完成靜密封，防止旁通泄漏。在螺旋纏繞吸附輥外側，氣體產品就可在PSA循環(huán)的非常高的壓力下循環(huán)，這樣吸附器殼會受到壓縮載荷。在采用這種方法時，要求吸附薄片和間隔器能經受交變橫向壓縮載荷。
在圖31中，在纏繞操作過程，在吸附薄片層68之間的吸附填料240內形成窄的、密實壓緊的圓形流動通道72’。流動通道72’由在吸附劑混合物固化后可除去的短效纖維或中空纖維限定。通過由親水聚合物制成的短效中空纖維，除去水。每一個間隔器層中的纖維位置可由纖維緯織物限定，圖31中未示出。IV.PSA循環(huán)為實現(xiàn)PSA循環(huán)工序的正確定時，要選擇圖4中的孔口，圖5中的第一功能孔和圖7或圖8中第二功能孔的角位置和角寬度。對于n＝3的實施例，PSA循環(huán)分為如下工序(a)在一個進料期，基本上等于三分之一個循環(huán)期，向吸附器單元的第一端供應料氣混合物，從而將吸附器單元增壓到高壓，然后在高壓、較低的流動摩擦壓降下，輸送來自吸附器單元的第二端的輕質氣體產品；(b)大約在進料期結束時，排放來自吸附器單元第二端的不易被吸附的組分富集的第一輕質回流氣體，并將第一輕質回流氣體輸送到另一個吸附器單元(其相位滯后120°)；(c)在進料期結束后，排放來自吸附器單元第二端的不易被吸附的組分富集的第二輕質回流氣體，對該吸附器單元降壓，并將第二輕質回流氣體輸送到緩沖室；(d)排放來自吸附器單元第二端的不易被吸附的組分富集的第三輕質回流氣體，進一步將該吸附器單元降壓，并將第一輕質回流氣體輸送到另一個吸附器單元(其相位超前120°)；(e)在排放期，基本上等于三分之一個循環(huán)周期，排放來自吸附器單元第一端的第二氣體產品，進一步將該吸附器單元內的壓力降低到低壓，同時輸送第二氣體產品；(f)將來自另一個吸附器單元(其相位滯后120°)的第三輕質回流供應給吸附器單元的第二端，在排放期的后期用于清洗吸附器單元；(g)將來自緩沖室的第二輕質回流氣體送到吸附器單元的第二端，在下一個進料期開始前，使吸附器單元部分地再增壓；(h)將來自另一個吸附器單元(其相位超前120°)的第三輕質回流氣體送到吸附器單元的第二端，在下一個進料期開始前，使吸附器單元進一步再增壓；(i)上述工序交變重復，經過連續(xù)的轉動角360°/M，同時將料氣連續(xù)地送到一個吸附器組，并從一個吸附器組連續(xù)地排放氣體。
圖3和圖9至圖12適用于n＝6、m＝6和N＝36的可選擇的實施例。圖3和圖9是圖1的另一剖面，顯示36個吸附器。圖3顯示二個圓環(huán)，每一個圓環(huán)上有如圖1所示的18個螺旋纏繞輥吸附器14。圖9顯示具有間隔器、插入在匹配矩形腔或槽內的矩形增強吸附劑薄片疊層制成的另一種吸附器14。
圖10顯示36個吸附器的第二閥面48中第二轉子板的第二孔口52。
圖11顯示n＝6和m＝6的實施例中第一閥面46的功能孔。在該實施例中，提供了四種第一功能，即第一進料功能、第二進料功能、第一排氣功能和第二排氣功能。這些第一功能分別對應于圖11中的第一進料孔176、第二進料孔178、第一排氣孔180和第二排氣孔182。
第一進料功能是料氣增壓，在所有時間，一個并且只有一個吸附器組是在進行料氣增壓。因此，第一進料壓縮機可在某個波動壓力(平均壓力小于高壓)下將料氣送到每一個吸附器組，從而可大大地節(jié)約功耗。第二進料功能用于生產，在一個并且只有一個吸附器組的該例子中一直工作。第二進料壓縮機可起第二進料功能，其進料壓力相對恒定，基本上等于高壓。
第一排氣功能是排氣降壓或逆流排放，并且在任何時間，一個并且只有一個吸附器組進入該工序。對于真空PSA循環(huán)，作為第一排放裝置的第一真空泵可在某個波動壓力(平均壓力高于相對于最大真空的低壓)下排放來自每一個吸附器組的排放氣體，從而可大大地節(jié)約功耗。第二排氣功能用于在基本恒定的低壓下排放，在一個并且只有一個吸附器組的該例子中一直工作。第二真空泵可起第二排氣功能，其抽吸壓力相對恒定，等于低壓。
對于低壓基本上等于大氣壓的正壓PSA循環(huán)，第一排氣孔可提供節(jié)流孔功能，以便在逆流排放過程使每一個吸附器組實現(xiàn)壓降，而不至于出現(xiàn)過分大的流動脈動。也可提供一個膨脹機作為第二排氣裝置，以便從逆流排放中回收能量。在每一個第一排氣工序，在本例中，時間期等于六分之一個循環(huán)期，吸附器組降壓后，該膨脹機將在變化的進口壓力下工作。
如果循環(huán)期等于1秒，當m＝6，吸附器轉子的轉速為每秒10轉。n＝6時，每一個第一進料工序或第二進料工序和每一個第一排氣工序或第二排氣工序持續(xù)時間為六分之一秒。工作速度較高的正排量壓縮機械，例如雙螺旋壓縮機，可接受第一進料功能和第一排氣功能的交變壓力瞬變。也可采用低速往復式或旋轉式壓縮(或膨脹)機械作為任何進料功能或排氣功能，這樣，每一個壓縮(或膨脹)沖程對應于單個第一功能工序，并且與該工序的開始和結束同步。另外，對于1秒循環(huán)期，往復速度(帶二個對置的壓縮室，提供交錯的第一功能工序)等于每分鐘180轉。
圖30是n＝6和m＝6、沿圖1中的8-8線的剖面圖。這一配置與圖6的剖面基本相同，只是沒有緩沖室110，其原因是現(xiàn)采用直接均衡法輸送來自吸附器單元56的第一端的第二回流氣體。吸附器單元56與孔92和104接通。
對于n＝6的工藝，上述例子中的工序特征(a)在一個進料增壓期(大約等于六分之一個循環(huán)期)，向吸附器單元的第一端供應料氣混合物，從而將吸附器單元增壓到高壓，然后在高壓、較低的流動摩擦壓降下，輸送來自吸附器單元的第二端的輕質氣體產品；(b)在生產周期，大約等于六分之一個循環(huán)周期，進一步向吸附器單元的第一端供應料氣混合物，在高壓、低流動摩擦壓降下輸送來自向吸附器單元第二端的輕質氣體產品；(c)大約在生產周期結束時，排放來自吸附器單元第二端的不易被吸附的組分富集的第一輕質回流氣體，并將第一輕質回流氣體輸送到另一個吸附器單元(其相位滯后120°)；
(d)排放來自吸附器單元第二端的不易被吸附的組分富集的第二輕質回流氣體，將該吸附器單元降壓，并將第二輕質回流氣體輸送到另一個180°反相的吸附器單元；(e)排放來自吸附器單元第二端的不易被吸附的組分富集的第三輕質回流氣體，將該吸附器單元降壓，并將第一輕質回流氣體輸送到另一個吸附器單元(其相位超前120°)；(f)在第一排放期，大約等于六分之一個循環(huán)期，排放來自吸附器單元第一端的第二氣體產品，進一步將該吸附器單元內的壓力降低到低壓，同時輸送第二氣體產品；(g)在第二排放期，大約等于六分之一個循環(huán)期，基本上在低壓下，進一步排放來自吸附器單元第二端的第二氣體產品，同時輸送第二氣體產品；(h)將來自另一吸附器單元(其相位滯后120°)的第三輕質回流氣體供給吸附器單元的第二端，以便在第二排氣期清洗吸附器單元；(i)提供來自另一個180°反相的吸附器單元的第二輕質回流氣體，以便部分地使吸附器單元再增壓；(j)將來自另一個吸附器單元(其相位超前120°)的第三輕質回流氣體供給吸附器單元的第二端，以便在下一個進料期開始之前進一步對吸附器單元再增壓；(k)上述工序交變重復，經過連續(xù)的轉動角360°/M。V.徑向流實施例，圖33至圖36公開實施例的裝置的構型一般可設計得使流動以相對于轉子軸的軸向、徑向或斜錐向通過吸附器單元。根據(jù)本發(fā)明的徑向流旋轉組件10，如圖33和圖36所示。圖33顯示每轉二個循環(huán)的徑向流組件的俯視剖面圖，因此，M＝2。圖36顯示組件10的剖面簡圖，其剖面圖，參見圖34。
組件10包括一個轉子400，該轉子繞定子30中的軸12以箭頭120所示的方向轉動。圖35是在圖33中由箭頭35-35限定的組件10的軸向剖面，組件10安裝在多層歧管裝置190部分，多層歧管裝置可含有其它相似的組件。圖33是圖36中由箭頭33-33限定的組件10的剖面圖。
如圖32所示，轉子400呈環(huán)形，具有一個與軸12同心的外圓柱壁16。外圓柱壁16的外表面限定第一閥面46。內圓柱壁18的內表面限定第二閥面48。轉子400(在圖36中，由箭頭32-32限定的剖面平面內)總共有“N”個徑向流吸附器單元14。相鄰對吸附器單元14A和14B之間由隔板19隔開，隔板與外壁16和內壁18結構連接并密封。相鄰吸附器單元14A和14B相對于軸12的間隔角度為[360°/N]。
吸附器單元14有一個第一端42和一個第二端44。優(yōu)選的是將吸附器提供成吸附疊層結構，在疊層之間具有流動通道72，在吸附器14的第一端42和第二端44之間提供流動路徑。由吸附器第一端和第二端上的分別穿過外壁16和內壁18的孔口，將吸附器14的第一端42和第二端44分別與第一閥面46和第二閥面48接通。
如圖32和圖35所示，組件10包括一個定子裝置401和一個內圓柱形殼體405。定子裝置401有一個外圓柱形殼體403，封裝環(huán)形轉子400外的第一閥定子28的第一閥功能小室。內圓柱形殼體403支承環(huán)形轉子400內的第二閥定子30的第二閥功能小室。外殼體403在相鄰功能小室之間有隔板406，支承軸向延伸的閥密封單元407，密封單元409與第二閥面48密封接合。在第一閥面46和第二閥面48內的每一個吸附器14的第一端42和第二端44，帶狀密封件的水平方向密封寬度，大于穿過外壁16和內壁18的孔口的水平方向寬度。
定子裝置401還可包括一個頂板411和底板413，各自與外殼體403和內殼體405連接，從而封裝轉子400。轉子400由頂板411上的上軸承405和底板413上的下軸承417支承。定子裝置401內的轉子驅動裝置(未示出)以需要的轉動頻率驅動轉子400旋轉。輪緣式轉子驅動裝置是轉子400合適的驅動形式。
定子裝置401還可包括帶有靜密封件(例如O形環(huán))的密封突緣421和一個頂緣425。密封緣421與每一個歧管隔板192中的密封圈423接合，頂緣425將組件10置于多層歧管結構內，以便與密封件合適地接合。安裝的徑向流組件10作為插件，貫穿多層歧管結構。對于很大容量PSA裝置，在多層歧管裝置，與圖22和圖23描述的裝置類似中，可安裝任何所需數(shù)量的徑向流組件10。
圖34和圖35分別顯示第一閥定子28和第二閥定子30中第一功能小室的標記和歧管互連情況。外殼體403內的一組第一功能小室，在一個角扇面內均與第一閥面46接通，每一組第一功能小室使第一閥面46的角扇面和組件外的一根歧管10之間流體接通。第一功能小室的角扇面要比吸附器單元14的角間隔寬得多。各第一功能小室在第一密封面上由閥密封單元密封。在圖33中，以轉子轉動方向順時針運作時，可提供具有相同功能的第一功能小室，用與圖17和圖18用的相同的標號，注上下標A和B，反映本發(fā)明M＝2的情況。
圖34顯示組件進料端的平面圖。該圖顯示了由箭頭10-10限定的平面內的第一閥面46中的第一定子28的第一定子閥面46，是從空氣分離氧氣的真空PSA系統(tǒng)的例子。顯示了與進料壓縮機124和真空泵排氣機128的流體連接。進料壓縮機124從進口過濾器126引入料氣，真空泵排氣機128將氮富集的第二產品輸送到第二產品輸送管38。顯示了壓縮機124和排氣機128與驅動電機130的聯(lián)結情況。
箭頭120表示吸附器轉子的轉動方向。在環(huán)式密封件134和136之間的環(huán)形閥面內，由環(huán)形段140-150指明與進料部分和排氣部分接通的第一定子閥面的開口面。環(huán)形段140-150對應于直接與功能小室接通的第一功能孔，采用相同的標號140-150表示。功能小室之間的閥面46的閉合區(qū)用陰影扇面154和156表示。陰影扇面154和156是無間隙的滑塊。在實際應用中，滑塊可以有窄間隙，以減小磨損，不出現(xiàn)過量的泄漏。在每一個閥密封件和密封面之間，采用逐漸縮小的間隙通道提供漸變開孔，從而使與新的功能小室接通的吸附器的壓力達到平穩(wěn)均衡。當另一端增壓或降壓時，提供更大的封閉扇面使流動基本上不進入吸附器的一端，或使流動從吸附器的一端流過來。
如圖33和圖36所示，注意在外定子殼體403內有貫穿孔441和442，使來自進料歧管144’的流體能直接進入對應的功能小室144A和144B。在外定子殼體403內還有其它貫穿孔，使來自(增壓或排氣功能的)每一個歧管層的流體能直接進入對應的增壓或排氣功能歧管層的第一閥功能小室。
進料壓縮機將料氣提供給進料增壓小室140A和140B、142A和142B，和進料生產小室144A和144B。小室140和142的工作壓力逐步提高，小室144處于PSA循環(huán)的高工作壓力下。因此，壓縮機124可以是多級或分流式壓縮機系統(tǒng)，將適當體積的料流輸送到每一個小室，從而使吸附器通過小室140和142的中壓級得到增壓，然后通過小室144達到最后增壓和生產?？蓪⒎至鲏嚎s機系統(tǒng)串聯(lián)成具有級間輸送孔的多級壓縮機；或者成為并聯(lián)的多壓縮機或壓縮氣缸，每一個壓縮機將料氣壓縮到小室140-144的工作壓力。壓縮機124也可將所有料氣壓縮到高壓，將部分料氣節(jié)流到分別處于中壓的供料增壓小室140和142。
同樣，真空泵128排放來自處于循環(huán)的低壓時的排氣小室152A和152B的氮富集重質氣體產品，排放來自處于這些小室的逐步提高的高壓下的逆流排放小室150A和150B、148A和148B的氮富集重質氣體產品。小室146A和146B最初排放的逆流可在環(huán)境壓力下直接排放入重質產品輸送管129。與壓縮機124一樣，提供的真空泵128作為具有串聯(lián)級或并聯(lián)級的多級、或分流機器，在從低壓上升到合適的中壓時接收流體。
圖35示出第二定子閥面48。閥面48的開孔是第二閥面功能孔，與輕質產品輸送小室160直接連通；許多個輕質回流出口小室162A和162B、164A和164B、166A和166B、168A和168B；和第二定子內的同樣數(shù)量的輕質回流返回小室170A和170B、172A和172B、174A和174B和176A和176B直接連通。每一對輕質回流出口小室和返回小室分別為壓力交變吸附工藝的回填、全壓均衡或部分壓力均衡和同向流排放功能提供一級輕質回流壓降。
為了說明具有能量回收的輕質回流壓降，提供一種膨脹分流式輕質回流膨脹器180，為四個具有能量回收的輕質回流級提供壓降。該輕質回流膨脹器用作為四個輕質回流級的壓降裝置，如圖所示，每一個輕質回流級都有一根輕質回流導管，分別位于一對輕質回流出口孔和返回孔之間。
從輕質產品功能小室160A和160B出來的氧氣產品被輸送到增壓壓縮機182，或者還可直接送到產品輸送管道40。
本技術領域的專業(yè)人員知道，在本發(fā)明的范圍內，可以有PSA循環(huán)的多種變型可適用于大范圍的“n”和“M”，并且具有本發(fā)明提供的各種優(yōu)點。例如，公開的上述實施例是以特殊特點為基準的。應該知道，本發(fā)明的范圍不應局限于這些描述的特點，而應確定于下述權利要求。
權利要求
1.一種旋轉壓力交變吸附裝置，它含有一個組件，該組件包括一個限定多個流體進口孔、排氣孔和輸送孔的定子；許多個與轉子連接的吸附器單元，相對于定子能夠轉動的轉子使流體進口孔附近的吸附器單元旋轉；一個接收料流的第一歧管，該歧管通過流體進口孔間歇地與吸附器組中的吸附器單元的第一端流體接通；以及一個第二歧管，位于第一歧管附近，間歇地與吸附器組中的吸附器單元的第一端流體接通，通過由定子限定的多個排氣孔和通過貫穿第一歧管的流體導管接收吸附器單元第一端排出的流體。
2.根據(jù)權利要求1所述的旋轉壓力交變吸附裝置，組件還可包括第一吸附器組和第二吸附器組，第一吸附器組和第二吸附器組順序地接收來自第一歧管的料流。
3.根據(jù)權利要求1所述的旋轉壓力交變吸附裝置，它包括2至20個左右的吸附器組。
4.根據(jù)權利要求1所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其特征在于每一個吸附器組包括六個吸附器單元。
5.根據(jù)權利要求1所述的旋轉壓力交變吸附裝置，所述的組件有三個吸附器組。
6.根據(jù)權利要求1所述的旋轉壓力交變吸附裝置，所述的組件有六個吸附器組。
7.根據(jù)據(jù)權利要求1所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中的料流是空氣，吸附器單元包括一種氮選擇性沸石，排氣流是氮氣。
8.根據(jù)權利要求1所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中組件內的吸附器單元繞旋轉軸環(huán)形放置。
9.根據(jù)權利要求8所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其特征在于它有n個吸附器組，每一個吸附器組具有隔角等于360°/M的m個吸附器。
10.根據(jù)權利要求1所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其特征在于組件是一種旋轉吸附器組件。
11.根據(jù)權利要求1所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中第一歧管和第二歧管呈環(huán)形。
12.根據(jù)權利要求1所述的旋轉壓力交變吸附裝置，除第一和第二歧管外，組件至少還包括一根歧管。
13.根據(jù)權利要求12所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中的歧管呈環(huán)形，并且一根歧管軸向地放置在另一根歧管上。
14.根據(jù)權利要求11所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其特征在于定子包括第一閥面和第二閥面，流體輸送孔繞軸相互間隔成圓周狀配置，并平面的占大部分。
15.根據(jù)權利要求14所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中流體進口孔繞定子360度間隔開。
16.根據(jù)權利要求14所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其特征在于有c個流體輸送孔，孔間的間隔角為360°/c。
17.根據(jù)權利要求1所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其特征在于定子包括第一閥面和第二閥面，流體排氣孔繞軸相互間隔成圓周狀配置，并平面的占大部分。
18.根據(jù)權利要求17所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中的定子包括第一平面閥面和第二平面閥面，并且通過裝置的流體流與第一和第二平面閥面呈軸向和法向。
19.根據(jù)權利要求17所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中的定子包括第一圓柱形閥面和第二圓柱形閥面，通過裝置的流體流是徑向流，并且第一和第二閥面與流體流同心。
20.根據(jù)權利要求1所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其特征在于第一歧管與壓縮機連接。
21.根據(jù)權利要求1所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其特征在于第二歧管與流體排放裝置連接。
22.根據(jù)權利要求1所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其特征在于第一歧管與壓縮機連接，第二歧管與流體排放裝置連接，還在于流體輸送裝置和流體排放裝置與電機連接。
23.根據(jù)權利要求1所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中的流體孔的截面逐漸變小。
24.一種旋轉壓力交變吸附裝置，它包括至少一個組件，該組件包括許多個吸附器單元；一個限定多個流體進口孔的第一定子；一根第一歧管，該歧管用于接收料流，并通過流體進口孔與吸附器組中的吸附器單元的第一端流體接通；一個第二定子，它包括壓力交變吸附循環(huán)扇面，每一個扇面由輕質產品輸送孔、輕質產品排放孔和輕質回流返回孔限定；以及一根第二歧管，它與吸附器組中的吸附器單元的第一端間歇地流體接通，接收吸附器單元第一端排放出的流體。
25.根據(jù)權利要求24所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中的第一歧管和第二歧管是穿插式多層歧管。
26.根據(jù)權利要求24所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中的歧管是平面多層歧管。
27.根據(jù)權利要求26所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中的歧管是穿插式歧管。
28.根據(jù)權利要求24所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中的歧管是繞徑向流組件放置的嵌套同心歧管。
29.根據(jù)權利要求28所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中的歧管是穿插式歧管。
30.根據(jù)權利要求25所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中的第二歧管通過貫穿第一歧管的流體導管接收空氣。
31.根據(jù)權利要求24所述的旋轉壓力交變吸附裝置，它還包括閥面內的密封件，能有效地減小流體泄漏。
32.根據(jù)權利要求24所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其特征在于吸附器單元的端部直接與定子流體密封接觸。
33.根據(jù)權利要求24所述的旋轉壓力交變吸附裝置，它包括一個密封件，位于其中一個定子和吸附器單元的第一端附近，并有效地定位，以減小流體泄漏，并且吸附器的第二端直接與另一個定子流體密封接觸。
34.根據(jù)權利要求24所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中吸附器單元的端部位于大約10-50微米的定子閥面內。
35.根據(jù)權利要求24所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中吸附器單元的端部位于大約0-10微米的定子閥面內。
36.根據(jù)權利要求24所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中吸附器單元包括第一端和第二端、限定第一端和第二端之間的流動通道用的間隔器，并且至少有一個吸附器單元至少在第一端和第二端之一附近的流動通道部分內含有有一種填料。
37.根據(jù)權利要求36所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中許多個吸附器單元至少在第一和第二端之一附近含有填料。
38.根據(jù)權利要求36所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中吸附器單元在第一端和第二端附近均含有填料。
39.根據(jù)權利要求36所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中填料可選用陶瓷、金屬、塑料和這些材料的組合。
40.根據(jù)權利要求24所述的壓力交變吸附裝置，它在每一個扇面內有三個吸附器單元，每一個吸附器單元屬于不同的吸附器組。
41.根據(jù)權利要求40所述的壓力交變吸附裝置，其特征在于輕質回流排放孔與角度滯后的流體返回孔間歇地流體連接。
42.根據(jù)權利要求24所述的壓力交變吸附裝置，其特征在于流體孔放置得使吸附器單元的第二端與第一輕質產品輸送孔、輕質回流排放孔和輕質回流返回孔間歇地、順序地流體接通。
43.根據(jù)權利要求24所述的壓力交變吸附裝置，其特征在于每一個扇面包括一個輕質產品輸送孔、一個第一輕回流排放孔、一個第二輕質回流排放孔、一個第三輕質回流排放孔、一個第三輕質回流返回孔、一個第二輕質回流返回孔和一個第一輕質回流返回孔。
44.根據(jù)權利要求43所述的壓力交變吸附裝置，它還包括許多根流體導管，這些導管與第一輕質回流排放孔、第二輕質回流排放孔、第三輕質回流排放孔、第三輕質回流返回孔、第二輕質回流返回孔和第一輕質回流返回孔密封連接。
45.根據(jù)權利要求44所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其特征在于第一輕質回流排放孔與第一輕質回流返回孔流體接通，第二輕質回流排放孔與緩沖室流體接通，而緩沖室又與第二輕質回流返回孔流體接通，并且第三輕質回流排放孔與第三輕質回流返回孔流體接通。
46.根據(jù)權利要求24所述的壓力交變吸附裝置，其特征在于流體孔放置得使吸附器組的第二端順序地與第一產品輸送孔、第一輕質回流排放孔、第二輕質回流排放孔、第三輕質回流排放孔、第三輕質回流返回孔、第二輕質回流返回孔和第一輕質回流返回孔流體接通。
47.一種旋轉壓力交變吸附裝置，它包括一個限定許多個流體孔的定子；許多個具有第一端和第二端的吸附器單元，吸附器單元與一個轉子工作連接，轉子能相對于定子轉動，使流體孔附近的吸附器端部旋轉，在第一端、第二端或兩端附近，吸附器單元至少有部分具有增強材料，并且這些吸附器單元與流體孔直接流體接通；一根第一環(huán)形歧管，接收料流，并且通過流體孔間歇地與吸附器組中的吸附器單元的第一端流體接通；以及一根第二環(huán)形歧管，與吸附器組中的吸附器單元的第一端流體接通，通過由定子限定的許多個排氣孔和通過貫穿第一歧管的流體導管，接收吸附器單元第一端排出的流體。
48.一種旋轉壓力交變吸附裝置，每轉一次能完成許多個壓力交變吸附循環(huán)，它包括一個組件，該組件包括一個具有第一閥面，并限定許多個功能孔的第一定子；一個具有第一閥面，并限定許多個功能孔的第二定子；許多個吸附器單元，位于第一定子和第二定子之間，由轉子使吸附器單元相對于第一定子和第二定子轉動；一根第一歧管，通過由第一定子限定的功能孔，將料流送到吸附器單元的第一端，料流在吸附器單元內經受壓力交變吸附，第一吸附器組中的第一吸附器單元的第二端排出的部分輕質流體通過產品孔送出，輕質流體的第二部分作為第一輕質回流部分通過第一輕質回流孔送出，第一輕質回流孔與相位滯后第一吸附器組的第三吸附器組中的第一吸附器單元流體接通，輕質流體的第三部分作為第二輕質回流部分送到緩沖室，輕質流體的第四部分作為第三輕質回流部分，通過第三輕質回流孔被排出，第三輕質回流孔與一個超前的第二吸附器組中的第一吸附器單元流體接通；以及被第三吸附器組中的最后一個吸附器單元送出的輕質流體部分，通過第三輕質回流孔被送到第一吸附器組中的第一吸附器單元的第二端，被第三吸附器組的最后一個吸附器單元送出的部分輕質流體，從緩沖室通過第二輕質回流孔被送到第一吸附器組中的第一吸附器單元的第二端，被第二吸附器組中的最后一個吸附器單元送出的部分流體，通過第一輕質回流返回孔送到第一子組中的第一吸附器單元的第二端。
49.根據(jù)權利要求47所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其特征在于吸附器單元包括一種螺旋纏繞吸附薄片。
50.根據(jù)權利要求49所述的旋轉壓力交變吸附裝置，它還包括放置在螺旋纏繞吸附薄片之間、限定流動通道用的徑向延伸的間隔器。
51.根據(jù)權利要求47所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其特征在于吸附器單元包括第一端和第二端，并且第一端和第二端均被增強。
52.根據(jù)權利要求51所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其特征在于吸附器單元包括位于第一增強端和第二增強強端之間的第一區(qū)和第二區(qū)，其中第一區(qū)含有干燥劑，第二區(qū)含有沸石。
53.根據(jù)權利要求48所述的旋轉壓力交變吸附裝置，它包括許多根環(huán)形多層穿插歧管。
54.一種壓力交變吸附裝置用的吸附器單元，包括許多個具有第一端和第二端的流體通道；金屬帶或填料，至少用于流體通道的一部分，并至少置于第一端和第二端之一附近，以增強流體通道，填料可選用粘土、玻璃、陶瓷、聚合物、硅膠、金屬或這些材料的組合。
55.根據(jù)權利要求54所述的吸附器單元，包括顯著增強所有流體通道用的填料。
56.根據(jù)權利要求53所述的吸附器單元，包括在第一端和第二端附近的填料。
57.根據(jù)權利要求53所述的吸附器單元，其中吸附器單元端部經過增強，以防止流體流侵蝕。
58.根據(jù)權利要求53所述的吸附器單元，其中的吸附器單元的端部經過增強，以防止與閥面產生磨損。
59.一種旋轉壓力交變吸附裝置，它包括一個吸附器罩；一個螺旋纏繞吸附器，安放在罩內，吸附器的第一端和第二端接合閥面。
60.根據(jù)權利要求59所述的旋轉壓力交變吸附裝置，其中第一端和第二端在閥面之間間歇大約為0-10微米。
61.根據(jù)權利要求59所述的旋轉壓力交變吸附裝置，包括許多個螺旋纏繞的吸附器。
62.至少將一種流體從流體混合物中分離出來的方法，該方法采用旋轉壓力交變吸附裝置，該裝置具有許多個吸附器單元，環(huán)形地放置在繞該裝置的轉子部分的吸附器組內，它包括供應至少一種料流，將吸附器單元增壓到高壓；在高壓下傳送第一產品流體；排放輕質回流；將輕質回流輸送到裝置的不同部分；在低壓下排放至少一種第二氣體產品；接收由裝置的不同部分送出的至少一種輕質回流；在許多各部位同時實現(xiàn)吸附工藝；以及轉子每轉動一次，實現(xiàn)多個壓力交變吸附工藝。
63.根據(jù)權利要求62所述的方法，其特征在于排出的輕質回流包括輕質回流的第一部分、第二部分和第三部分。
64.根據(jù)權利要求63所述的方法，其特征在于第一輕質回流被輸送到相位滯后的吸附器組的吸附器單元的第二端。
65.根據(jù)權利要求63所述的方法，其特征在于第二輕質回流被輸送到裝置的壓力均衡部分。
66.根據(jù)權利要求63所述的方法，其特征在于第三輕質回流被輸送到超前的吸附器組中的吸附器單元的第二端。
67.根據(jù)權利要求62所述的方法，其特征在于接收到的輕質回流包括輕質回流的第一部分、第二部分和第三部分。
68.根據(jù)權利要求67所述的方法，其特征在于從超前的吸附器組的吸附器單元的第二端接收第一輕質回流。
69.根據(jù)權利要求63所述的方法，其特征在于從裝置的壓力均衡部分接收第二輕質回流。
70.根據(jù)權利要求67所述的方法，其特征在于從滯后的吸附器組的吸附器單元的第二端接收第三輕質回流。
71.根據(jù)權利要求62所述的方法，其特征在于排放的輕質回流部分地使吸附器單元降壓。
72.根據(jù)權利要求62所述的方法，其特征在于返回的輕質回流清洗吸附器單元，并部分地使吸附器單元再次增壓。
73.根據(jù)權利要求62所述的方法，其特征在于每一個吸附器單元在裝置每轉一次完成2-10個壓力交變吸附循環(huán)。
74.根據(jù)權利要求73所述的方法，其特征在于每一個吸附器單元在轉子每轉一次完成六個壓力交變吸附循環(huán)。
75.至少將一種流體從流體混合物中分離出來的方法，該方法采用旋轉壓力交變吸附裝置，該裝置具有許多個吸附器單元，環(huán)形地放置在繞該裝置的轉子部分的吸附器組內，它包括在低工作壓力與高工作壓力之間的中壓下，允許料流進入多個吸附單元扇面中的第一吸附器單元的第一端；從工藝開始到大約T/6的時間段t，將許多個第一吸附器單元增壓到高工作壓力，其中T等于一個壓力交變吸附循環(huán)期；在T/6＜t＜T/3的時間段，在高工作壓力下排放輕質回流產品；在T/3＜t＜T/2的時間段，排放第二輕質回流部分，使吸附器單元的壓力降低到第二中壓；大約在T/2時，排放第三輕質回流部分，作為另一個吸附器單元組中的吸附器單元的清洗流；大約在T/2＜t＜5T/6的時間段，排放富集的易被吸附的組分的重質產品，并使吸附器單元降壓；以及大約在5T/6＜t＜T的時間段，通過將第二輕質回流流體輸送到吸附器單元的第二端，將吸附器單元從低壓再增壓到中壓。
76.根據(jù)權利要求75所述的方法，還包括大約在T/3時排放第一輕質回流部分，并允許第一輕質回流流體進入吸附器單元的第二端，將吸附器單元增壓到第一中壓。
77.一種使吸附器單元具有窄的增強通道的方法，它包括提供一種具有第一端和第二端的吸附器，并限定具有某一寬度和高度的窄流動通道，該流動通道寬度大約等于流動通道高度的1-100倍；將短效材料放置在第一端和第二端處的通道內；將增強材料加到第一端和第二端及短效材料周圍，并使增強材料在短效材料周圍固化；以及除去短效材料，通過第一端和第二端處的增強材料限定流體流開孔。
78.根據(jù)權利要求77所述的方法，其中的窄流動通道的寬度大約等于流動通道高度的1-20倍。
全文摘要
旋轉壓力交變吸附系統(tǒng)，以M.＞1軸流式和徑向流式，提供穿插、多層歧管，適應復雜的壓力交變吸附工藝的所有工序，無論“M”取何值，適合于均一的緊密度。對單個壓力交變吸附工廠系列裝置用的單個多層歧管內，該方法易于擴展到適應許多個旋轉壓力交變吸附組件及其協(xié)調工作的壓縮機械。旋轉壓力交變吸附裝置包括限定流體孔用的定子，這些定子包括壓力交變吸附循環(huán)扇面，每個扇面由輕質產品輸送孔、輕質產品排放孔和輕質回流返回孔限定。吸附器單元可與一個或多個定子以流體密封方式直接接觸。一種壓力交變吸附方法采用上述裝置，然后供應至少一種料流，使吸附器組增壓到高壓，引發(fā)壓力交變吸附循環(huán)。
文檔編號B01D53/02GK1392801SQ01802887
公開日2003年1月22日 申請日期2001年9月25日 優(yōu)先權日2000年9月25日
發(fā)明者伯威·G·基佛, 馬修·巴比基, 布賴恩·塞拉斯, 伊恩·斯潘塞·帕克, 戴維·G·多曼, 阿蘭·卡雷爾, 蘇拉業(yè)特·羅伊 申請人:探索空氣技術公司