專利名稱：：大容量的真空壓力擺動吸附方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及生產(chǎn)氧氣的真空壓力擺動吸附方法和系統(tǒng)。特別地，它涉及適用于從空氣中大規(guī)模生產(chǎn)氧氣的方法和系統(tǒng)。在許多的化學(xué)處理、精煉、金屬生產(chǎn)和其他工業(yè)應(yīng)用中，凈化的氣流被用于多種工藝目的。例如，在化學(xué)處理、軋鋼、造紙和在鉛和氣體生產(chǎn)作業(yè)中使用高純度的氧氣。典型地通過低溫蒸餾從空氣中生產(chǎn)氧氣和氮氣以便大量應(yīng)用。而這種低溫處理特別是在大型工廠中時進行可能是非常有效的，然而它需要復(fù)雜和昂貴的設(shè)備。雖然已經(jīng)使用了壓力擺動吸附(PSA)方法來分離和凈化氣體，但是使用PSA方法生產(chǎn)氧氣通常局限于相對的小型作業(yè)上，在此方面使用低溫分離在經(jīng)濟上是不行的。許多常用的吸附劑，特別是作為分子篩的已知一類材料，能比起氧氣強有力地選擇吸附氮氣，而且這些優(yōu)先吸附是各種PSA方法的基礎(chǔ)，該方法已經(jīng)發(fā)展用于分離空氣生產(chǎn)氧氣和氮氣氣體產(chǎn)品。分離空氣來生產(chǎn)氧氣產(chǎn)品的PSA方法在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，如由Skarstrom專利US2944627所示。這種方法一般包括在復(fù)式床PSA系統(tǒng)的每個床上依次進行四個獨立操作步驟。這些步驟是(1)吸附，其中在吸附壓力上限下將所供空氣送到該床的進氣端，該床包含有能夠選擇吸附作為更容易吸附的空氣組分的氮氣的吸附劑材料，而不容易吸附的氧氣從該床產(chǎn)出氣端回收；(2)在吸附壓力下限下逆流減壓；(3)較容易吸附的氮氣從吸附床上解除吸附，并從有或無凈化氣體引入裝置的床的進氣端排到該床的出氣端；和(4)該床重新加壓到吸附壓力上限。當在PSA系統(tǒng)中進行連續(xù)的氧氣生產(chǎn)作業(yè)時，在有附加數(shù)量的所供空氣的系統(tǒng)的每個床上重復(fù)這種工藝順序，或變化其順序。當使用PSA方法主要用來除去在氣流中以低含量存在的強力吸附的雜質(zhì)，即在空氣中的CO2和/或H2O時，吸附(1)和解吸(3)的恒壓步驟占大部分工藝循環(huán)時間，并且變壓步驟，即逆流減壓(2)和重新加壓(4)是過渡的。在從空氣中生產(chǎn)氧氣中，較容易吸附的氮氣包括79％的進氣料，變壓步驟對有效處理的整個工藝過程具有較大的意義。人們已經(jīng)對基本的PSA處理順序作了許多不同的改進，包括壓力擺動步驟的許多變化。在復(fù)式床系統(tǒng)上使用了從空氣中生產(chǎn)氧氣的許多PSA過程，如裝有兩個或多個吸附床的系統(tǒng)，每個床進行相同順序的步驟，但是與系統(tǒng)中的其他床有不同的相聯(lián)系。處理步驟是同時發(fā)生且通常進行固定的時間。按照這種方式操作，氧氣產(chǎn)品的供應(yīng)能夠更穩(wěn)定地進行，而且比起別的情況機械泵的使用更趨向穩(wěn)定。許多PSA方法也使用一個或多個壓力均化步驟，其中在高壓下從一個床排出的氣體被送到開始低壓的另一個床上，直到所說的床的壓力相等。如果通過該床出氣端完成均化，并且提高所希望的氧氣產(chǎn)品的整個回收率，那么這個方法具有節(jié)省一些壓縮能量、提供等量凈化空氣的優(yōu)點。從空氣中生產(chǎn)氧氣的一種特殊PSA方法利用一個三床系統(tǒng)而且引進下面工藝步驟(1)隨著所供空氣的引入、床的加壓和氧氣產(chǎn)品的同時回收而進行的吸附；(2)用于進一步的產(chǎn)品回收的順流減壓；(3)壓力均化；(4)逆流減壓；(5)凈化和(6)重新加壓。這個方法是在50磅/平方英寸的典型的吸附壓力上限和一個大氣壓的解吸壓力下限下操作。而這個處理系統(tǒng)和工藝能夠有效地從空氣中回收氧氣，在大量工業(yè)作業(yè)中使用不是足夠有效的。因為需要相對高的壓縮比，所以這個系統(tǒng)的操作成本高。對于所給的產(chǎn)品流速，這個系統(tǒng)所需要的吸附劑投料量也相對高。PSA方法也已發(fā)展了在大氣吸附壓力和相對低的真空解吸壓力之間的操作。因為氮氣的吸附儲量決定了壓力，這樣的方法和系統(tǒng)，即真空壓力擺動吸附(VPSA)方法和系統(tǒng)，需要一個大的吸附存量，這大大增加了與之有關(guān)的成本。人們也發(fā)現(xiàn)通過使用部分壓力均化步驟代替在PSA技術(shù)中通常本質(zhì)上全壓的均化(其中吸附劑選擇吸附空氣中的氮氣)從而可以改進這個方法。在該技術(shù)中已經(jīng)提出了對基本PSA方法的各種其他改進，其大部分與在加壓和減壓步驟中的變化有關(guān)。例如在AICHEJ198935523中，Suh和Hankat已經(jīng)報道過在PSA工藝中使用聯(lián)合的順流一逆流減壓步驟的優(yōu)點。為了從空氣中生產(chǎn)氧氣，他們報道了增加同時順流減壓步驟是無益的發(fā)現(xiàn)。它們的兩床循環(huán)利用了回填重新加壓步驟，其中高壓床的出氣端連接到低壓床的出氣端，氣體從一個床到另一個床的通道是連續(xù)的直到低壓床達到高壓。Kiow和Kenny，AICHEJ(1990)3653，也已經(jīng)研究了氧氣生產(chǎn)的回填步驟。應(yīng)用不僅包括速度效率而且包括吸附劑均化特性的數(shù)學(xué)模型，即5A沸石，超大氣的PSA循環(huán)的引入行為回填步驟，并可以控制流速。他們發(fā)現(xiàn)這個PSA工藝循環(huán)對生產(chǎn)富氧產(chǎn)品是有益的。然而，報道最大的氧氣純度是低于80％，其比對于高純度氧氣產(chǎn)品所需要的氧氣濃度低得多?，F(xiàn)有的VPSA技術(shù)由于限制了在大于125TPD氧氣產(chǎn)量的工廠中的經(jīng)濟規(guī)模而被約束。工業(yè)VPSA系統(tǒng)通常使用正位移“Root”型壓縮部牛，該部件達到在該工廠規(guī)模下的標準工業(yè)設(shè)備的極限。大型機器通常被定制設(shè)計和非常昂貴的。合理流程似乎是使用了離心壓縮部件。然而，因為VPSA工藝循環(huán)需要在頭端變化的條件下操作壓縮部件，所以難以有效使用離心型壓縮機。當需要大容量的設(shè)備時，因為上述對大于125TPD氧氣產(chǎn)量的描述所指出的限制，所以通常使用復(fù)合系統(tǒng)。然而，復(fù)合系統(tǒng)的使用結(jié)果是當尺寸增加一倍時，其設(shè)備成本也增加一倍?，F(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)典型是二個或三個的系統(tǒng)。這樣系統(tǒng)是使用相同組件的單壓縮機設(shè)計，并因此受到同樣的經(jīng)濟和尺寸限制。人們已經(jīng)提出過大規(guī)模生產(chǎn)氧氣的其他工藝和系統(tǒng)，例如在大的工業(yè)設(shè)備中使用復(fù)式壓縮機和吸附器的四床離心循環(huán)。這個循環(huán)使用了四個全流量吸附器，該吸附器是非常大并證明比傳統(tǒng)的兩個或三個床循環(huán)有優(yōu)點。這個循環(huán)的壓縮機和真空設(shè)備也按照全流量排列，其具有真空設(shè)備需要完成適當真空水平的一些指標。另外，這個循環(huán)導(dǎo)致產(chǎn)生復(fù)雜的管道系統(tǒng)，和大的和昂貴的吸附器和壓縮機設(shè)備。而且，可應(yīng)用到這種冷凍循環(huán)的壓縮比沒有為國內(nèi)離心設(shè)備使用于該系統(tǒng)作好準備。顯然對VPSA循環(huán)，或工藝順序已經(jīng)進行了許多改進和變化，對于從空氣中生產(chǎn)氧氣來說，在工業(yè)VPSA作業(yè)中已經(jīng)使用了許多這種改進或變化。對進行加壓和減壓步驟的多種可能的個別步驟已經(jīng)進行了研究。盡管這種多方面的努力進行了很長的時間，生產(chǎn)高純度的氧氣的VPSA方法，特別是對大設(shè)備的應(yīng)用仍然無效率的和不經(jīng)濟的。因此，在VPSA空氣分離領(lǐng)域中仍然需要更有效的能夠擴大的VPSA工藝以便從空氣中大量生產(chǎn)高純度氧氣。因此，本發(fā)明的目的是提供一個從空氣中生產(chǎn)氧氣的改進的、高效的VPSA工藝和系統(tǒng)。本發(fā)明的另一個目的是提供一個改進的PSA工藝和系統(tǒng)，它比那些屬于傳統(tǒng)工業(yè)PSA工藝的系統(tǒng)具有更低的功率消耗和更低的成本以便大量生產(chǎn)高純度氧氣。為了將本發(fā)明的這些和其他目的銘記在心，下面詳細描述本發(fā)明，特別是在所附的權(quán)利要求書中指出的新的特點。一個大的VPSA氧氣設(shè)備使用了四個吸附容器、兩個空氣壓縮機、兩個真空泵和一個氧氣儲藏罐。用連續(xù)真空進行補償循環(huán)，使用均化、產(chǎn)品凈化和產(chǎn)品加壓回流，在任何時間都有兩個吸附床吸附和兩個吸附床解吸。因此達到在功率和成本兩方面上的所希望的減少。下面參考附圖詳細描述本發(fā)明，其中圖1是本發(fā)明在四床VPSA系統(tǒng)中進行時的工藝循環(huán)補償?shù)牟襟E示意圖；圖2是本發(fā)明VPSA工藝和系統(tǒng)的一個具體方案的流程示意圖，其中所說的系統(tǒng)使用了2通道閥門；和圖3是本發(fā)明VPSA工藝和系統(tǒng)的一個具體方案的流程示意圖，其中所說的系統(tǒng)使用了4通道閥門。本發(fā)明的目的是通過使用補償?shù)?、四床VPSA工藝和系統(tǒng)實現(xiàn)的，這里被稱之為2×2循環(huán)/系統(tǒng)。本發(fā)明涉及將這樣一種2×2循環(huán)/系統(tǒng)用于能夠有望以約400TPD的生產(chǎn)率從空氣中生產(chǎn)氧氣的大的、單順序VPSA工藝和系統(tǒng)能力，雖然較大或較小設(shè)備也能夠用于本發(fā)明的實際應(yīng)用中。除了擴大的可利用設(shè)備范圍，本發(fā)明也能使空氣分離效率增加，因此改善了VPSA系統(tǒng)的總體經(jīng)濟效果。通過使用適合于以成本適宜的方式操作的多種組件，本發(fā)明使序列尺寸最佳化，導(dǎo)致較低成本和作業(yè)效率提高。本發(fā)明的較大設(shè)備2×2循環(huán)能夠達到這種效率的改善，因此對于整個VPSA空氣分離作業(yè)來說有利地導(dǎo)致功率消耗低。在四床系統(tǒng)中，通過補償雙循環(huán)，每個循環(huán)使用兩個床進行，來實現(xiàn)這些目的以便兩套床按照這里描述的半工藝循環(huán)的一半異相操作。形成網(wǎng)的結(jié)果是在任何時間兩個吸附容器，優(yōu)選輻射流離心式，在吸附而另兩個容器則在解吸，一個半循環(huán)的一半驅(qū)動一個容器。本發(fā)明的VPSA系統(tǒng)包括四個吸附容器、兩個進氣壓縮機、兩個廢氣真空泵、一個由兩個或四個通道的閥門操作的閥門制動瓦以及一個氧氣調(diào)壓儲藏罐。在進氣和抽氣的過程中通過一個四通道轉(zhuǎn)換閥裝置交替轉(zhuǎn)換兩個空氣壓縮機和真空泵。本發(fā)明的PVSA循環(huán)導(dǎo)致真空泵和一個進氣壓縮機以100％的利用率運行。通過使用下面的回流步驟該循環(huán)優(yōu)化了效率(1)氧氣產(chǎn)品凈化步驟；(2)重疊的均化氧氣再加壓/真空步驟；(3)重疊的氧氣加壓/進氣步驟；和(4)恒壓和升壓進氣/真空步驟。本發(fā)明的雙壓縮機運行包括聯(lián)合使用正位移，即“Roots”壓縮機，和離心壓縮機，發(fā)現(xiàn)這進一步提高了VPSA工藝和系統(tǒng)的效率。離心壓縮機比傳統(tǒng)的“Roots”壓縮機具有更高的效率。應(yīng)該注意離心壓縮機是恒定的壓頭動力裝置，該裝置應(yīng)該在幾乎恒定的壓頭要求條件下運行以便優(yōu)化效率和簡化操作。因此，在本發(fā)明的實際應(yīng)用中，通過上述提到的轉(zhuǎn)換閥系統(tǒng)，使用離心壓縮機對差別很大的壓力吸附容器抽空和加壓。另一方面，“Roots”壓縮機是能夠在壓縮比差別極大的條件下有效地運行的正位移壓縮機。相反，在本發(fā)明的實際應(yīng)用中，“Roots”壓縮機用于對低壓縮比吸附的容器加壓或抽空。這樣本發(fā)明的VPSA循環(huán)結(jié)合了這樣運行特性，因此優(yōu)化了兩種類型的壓縮機的運行效率。本發(fā)明的VPSA循環(huán)有一些優(yōu)點，其可以用來提高所希望的設(shè)備效率。這些優(yōu)點包括(a)機器能對壓力變化較小的運行具體設(shè)計，能經(jīng)濟地使用高效離心壓縮機；(b)使用短床輻射流吸附器大大減小了吸附床的壓力下降；(c)連續(xù)地壓縮機運行減少了結(jié)構(gòu)功率損失；和(d)提供氧氣回流步驟的獨特結(jié)合，導(dǎo)致空氣分離效率提高。使用本發(fā)明的2×2循環(huán)系統(tǒng)，估計總的功率比傳統(tǒng)的VPSA技術(shù)所要求的功率節(jié)省約20％。當需要較大設(shè)備容量時，將會看到一些優(yōu)點是由本發(fā)明的實際應(yīng)用帶來的。這些優(yōu)點來自于需要根據(jù)大規(guī)模VPSA作業(yè)的一半工藝的要求而設(shè)計的每一個吸附容器、進氣壓縮機、真空泵和閥門。在傳統(tǒng)的VPSA系統(tǒng)中制約設(shè)備擴大的主要部件的限制是真空泵限制，進氣鼓風(fēng)機尺寸的限制，吸附容器尺寸限制和工藝閥門尺寸限制，但是在本發(fā)明的實際應(yīng)用中卻克服了這些限制。如上述所示，能達到有效地使用離心壓縮機部件的本發(fā)明2×2循環(huán)/系統(tǒng)使用了通過一半工藝循環(huán)的一半從一個床到另一個床的(二)雙床循環(huán)補償。這意味著兩個吸附容器同時處于從兩個不同的機器中進氣或抽真空的條件下。其益處是兩方面的。首先，能夠根據(jù)近似總流量的一半的考慮來確定壓縮機部件的尺寸，大大減小了每個單獨機器的尺寸。第二，能夠更精密地控制工藝條件以達到減小離心壓縮機頭壓變化。在本發(fā)明的實際應(yīng)用中使用的兩臺進氣壓縮機的任何一臺是可變化的，在低壓級范圍內(nèi)能有效運行的低壓縮比“Roots”型機器是可變化的，而其他機器是相對不變的，在高壓比條件下，高壓比離心壓縮機本質(zhì)上具有更高的效率。在本發(fā)明的實際應(yīng)用中，由于使用了帶有四個吸附容器，其中兩個及時補償?shù)?×2補償/系統(tǒng)，克服了容器設(shè)計的限制，這使得容器適應(yīng)總進氣量一半的氣體或廢氣的流動。在本發(fā)明優(yōu)選的具體方案中，使用大容量的輻射流吸附容器。本發(fā)明的工藝循環(huán)適合于引入床長減小和相對較高進氣速度的輻射流吸附容器。這導(dǎo)致所希望的VPSA氧氣生產(chǎn)作業(yè)有可能使用具有最小吸附劑投料量的相對較小的吸附容器。本發(fā)明的另一個特點涉及與大型VPSA氧氣作業(yè)有關(guān)的工藝閥門尺寸和成本的限制。應(yīng)該注意使用本發(fā)明的2×2補償循環(huán)/系統(tǒng)將大型VPSA設(shè)備的較大工藝閥門的要求尺寸減少一半。因此，本發(fā)明需要的閥門尺寸為傳統(tǒng)的滿流VPSA循環(huán)的閥門尺寸的一半。在本發(fā)明特別實施方案的實際應(yīng)用中，也減少了VPSA氧氣作業(yè)需要的閥門數(shù)量。與兩通道閥門結(jié)合使用的四通道閥門的使用省去一半所需要的鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)換閥。因此，在落入本發(fā)明范圍的具體方案的實際應(yīng)用中兩個四通道的閥門可以代替八個兩通道的閥門。在本發(fā)明的實際應(yīng)用中，與使用傳統(tǒng)的復(fù)式VPSA設(shè)備相比較，這種改進的結(jié)果對于400TPD規(guī)模的VPSA氧氣設(shè)備來說顯著地降低了投資成本。在本發(fā)明的實際應(yīng)用中所達到的總的投資成本降低量估計是10％到20％。本發(fā)明2×2補償循環(huán)/系統(tǒng)能使400TPD的氧氣VPSA設(shè)備以單順序運行。較小尺寸的床，特別是使用的輻射床和離心壓縮機，提高了VPSA空氣分離工藝的效率。使用較大的四通道轉(zhuǎn)換閥簡化了系統(tǒng)的管道要求，這有助于降低成本和提高在本發(fā)明的實際應(yīng)用中得到的性能。本發(fā)明的較大設(shè)備2×2循環(huán)系統(tǒng)包括在本發(fā)明各種具體方案中使用的下述特點(1)在較任何時候補償兩個吸附容器的吸附和四個吸附容器系統(tǒng)的另兩個吸附容器的解吸，所以(a)減小了必要容器的直徑，(b)減小了需要的閥門尺寸和(c)減小了需要的空氣壓縮機尺寸；(2)優(yōu)化了Roots式和離心式壓縮機的組合從而增加了效率；(3)聯(lián)合使用補償循環(huán)和產(chǎn)物加壓，導(dǎo)致離心壓縮機頭壓變化減少，為獲得較高系統(tǒng)運行效率作好了準備；(4)在恒定的較低的、低于大氣壓的解吸壓力下，使用氧氣凈化步驟，減小了離心壓縮機的壓力變化并減小了離心壓縮機所需要的壓力比，因此減少了廢氣流所要求的平均頭壓和降低了該系統(tǒng)的功率消耗；(5)交替抽空/氧氣壓力均化，提供了連續(xù)的真空泵利用。(6)交替進氣/氧氣壓力均化，增加了Roots型進氣鼓風(fēng)機的利用；(7)補償循環(huán)使得在產(chǎn)品加壓過程中允許生產(chǎn)氧氣產(chǎn)品，因此減小了使用的氧氣調(diào)壓罐的尺寸；(8)使用氧氣調(diào)壓罐壓力為幾乎恒定的氧氣產(chǎn)品的生產(chǎn)步驟創(chuàng)造了條件；(9)使用產(chǎn)品加壓步驟同時從吸附容器的兩端將氣體引入到吸附床上，可以較高的進氣速度運行。而不希望的硫化的可能性最??；(10)在優(yōu)選的具體方案中使用輻射床，床的進氣端在該床的外部圓周上，而出氣端在其內(nèi)部，不平衡的流動區(qū)起到改進橫截面床區(qū)的作用，即減小壓力下降損失和抵抗質(zhì)變；(11)四通道閥門系統(tǒng)與兩通道閥門聯(lián)合使用，因此省略了一半轉(zhuǎn)換閥，即由于使用了兩個4通道閥門省略了八個2通道閥門；和(12)在整個循環(huán)的均化部分過程中，使用兩個空氣壓縮機，可以使得高壓進氣壓縮機，優(yōu)選離心壓縮機連續(xù)運行。在附圖的圖1中說明本發(fā)明的補償2×2循環(huán)/系統(tǒng)。對于特殊的具體方案，循環(huán)工藝的步驟時間的總結(jié)如下表所示。表2×2補償循環(huán)</tables>相對于圖1所示的床A的工藝順序，補償2×2循環(huán)/系統(tǒng)的工藝步驟描述如下。步驟#1-交替的吸附/氧氣均化加壓這個步驟使進氣加壓吸附期開始。把空氣從Roots型壓縮機送入吸附器的底部。在這個步驟中壓力很快地從6磅/平方英寸升到13磅/平方英寸，該步驟持續(xù)時間為2秒。在這個步驟的過程中，均化氧氣同時也被引入吸附器的頂端。從連續(xù)降壓的床B中獲得均化氧氣。步驟#2-交替的進氣吸附/氧氣產(chǎn)品加壓這個步驟是進氣加壓吸附期繼續(xù)。把空氣從Roots型壓縮機送到吸附器的底層。在這個步驟中，壓力繼續(xù)從13磅/平方英寸升到18磅/平方英寸，這個步驟持續(xù)時間為5秒。在這個步驟中，再加壓的氧氣也同時被引入吸附器的頂端。從床C中獲得氧氣回流氣體，它在制造產(chǎn)品的步驟中，將這個步驟過程中的兩對床相互連接。這個特點省略了由氧氣緩調(diào)壓回流氧氣的要求。步驟#3-升壓進氣吸附把所進的空氣引入吸附器，且從頂端沒有增加氧氣或除去氧氣。在這3秒的步驟過程中壓力從18磅/平方英寸升到20磅/平方英寸。在這個步驟中由Roots型壓縮機進氣。在不增加氧氣回流的條件下，這個步驟的壓力變化與前一步驟相比較慢。在沒有氧氣調(diào)壓罐的條件下，就能運行該循環(huán)，從而在這樣較低的壓力下生產(chǎn)氧氣。由于產(chǎn)品制造一周期較長，循環(huán)的效率略有降低。步驟#5-6-升壓進氣吸附把所進空氣繼續(xù)引入到吸附器中，且從頂端沒有增加氧氣或除去氧氣。在這4秒鐘期間內(nèi)壓力從20磅/平方英寸升到22磅/平方英寸到最大吸附壓力。在這些步驟中，由離心壓縮機進氣。在這期間，與總的加壓壓力相比壓力比變化很小。這樣小的壓力變化便于離心壓縮機的使用。目的是在生產(chǎn)產(chǎn)品之前達到最大吸附壓力。恒壓氣體產(chǎn)品的回收提高了系統(tǒng)的氧氣回收率。在沒有氧氣調(diào)壓罐的條件下，就能運行該循環(huán)，從而在這樣較低的壓力下生產(chǎn)氧氣。由于產(chǎn)品制造一周期較長，循環(huán)效率略有降低。步驟#6-7-恒壓進氣和制造產(chǎn)品和回流把所進空氣引入到吸附器的底層，而從頂端除去氧氣產(chǎn)品。在這8秒中期間壓力保持在22磅/平方英寸下相對不變。由壓力比變化小的離心壓縮機進氣。把氧氣產(chǎn)品供應(yīng)到氧氣調(diào)壓罐和吸附器D中以使氧氣再加壓回流，并且后來到吸附器B中以便氧氣調(diào)壓。在產(chǎn)品制造步驟中，氧氣產(chǎn)品的純度保持相對不變。在氧氣制造步驟之前，氧氣再加壓步驟#2將高純度氧氣引入到吸附器的頂端，在這個步驟的開始，消除任何氧氣純度尖峰。在氧氣真正通過床的頭部之前，結(jié)束產(chǎn)品制造步驟。步驟#8-降壓均化在這個步驟過程中，從容器的頂端抽空殘余壓力和該床頂端的氧氣產(chǎn)品。沒有流量從吸附器的底層排出。在這2秒步驟中容器壓力從22磅/平方英寸降低到19磅/平方英寸。氧氣濃度開始時為產(chǎn)品純度(90％)并在步驟結(jié)束時隨著氧氣通過頂端而降到大約70％。在這個步驟過程中Roots型壓縮機被排空。步驟#9-降壓抽空和交替均化通過Roots型真空泵從吸附器的底層除去廢氮氣。在這2秒鐘的過程中壓力從19磅/平方英寸降到15磅/平方英寸。氧氣濃度開始為大約空氣純度和很快降到5-10％的最小廢氣純度。均化、壓力下降的氧氣流繼續(xù)從吸附器的頂端除去。步驟#10-12-降壓抽空通過Roots型真空泵從吸附器的底層除去廢氮氣。在這10秒鐘過程中壓力從15磅/平方英寸降到6磅/平方英寸。在吸附器的頂端沒有氣流存在。步驟#13-14-降壓抽空這期間是抽空過程的繼續(xù)，現(xiàn)在真空泵與離心機接通。壓力已經(jīng)降到足以有效地利用離心真空泵。從吸附器的底層除去廢氮氣。在這7秒鐘過程中壓力從6磅/平方英寸降到4磅/平方英寸。在吸附器的頂端沒有氣流存在。步驟#15-恒壓抽空和氧氣凈化已經(jīng)達到最小的抽空壓力并將凈化氧氣引入到吸附器的頂端中。由于緩沖流和抽空流的匹配，在這3秒鐘的過程中壓力保持在4磅/平方英寸不變。在這期間廢氣純度保持相對不變。步驟#16-升壓抽空和升壓均化離心真空泵繼續(xù)從吸附器的底層除去廢氣，而均化氧氣加入到吸附器的頂端。在這個步驟中由于均化氧氣流的結(jié)果壓力上升，其比處于低真空中的抽空氣流大。在這2秒鐘的步驟中壓力從4磅/平方英寸升到6磅/平方英寸。當氧氣開始通過底部時，在這個步驟結(jié)束時廢氣中的氧氣濃度開始微微上升。適合于上面描述的工藝順序?qū)嶋H應(yīng)用的本發(fā)明VPSA系統(tǒng)的具體方案包括使用四通道閥門、輻射流床、離心壓縮機和聯(lián)合的雙壓縮機與真空泵。圖2和圖3的系統(tǒng)或工藝流程圖說明了分別使用二通道閥門和四通道轉(zhuǎn)換閥的本發(fā)明實際應(yīng)用。在圖2具體方案中，所進空氣通過管線1到過濾器(入口)1A、消聲器(入口)1B和管道1C到Roots壓縮機2并進入放氣消聲器3，從此處所進空氣通過管線4的通道到床A、B、C和D的底部或進氣端，氣體在此處通過管道從一個床排入另一個床或管線5的通道中而進入Roots型真空泵6中并通過真空排放消聲器7和排出管線8排出系統(tǒng)。所進空氣也能通過管線9到達離心空氣壓縮機10以便通過管線12的通道到達床A、B、C和D的底部或進氣端，氣體在此處從一個床排入另一個床的通道中或管線13的通道中而進入到離心真空泵14中并排入緩沖容器7，并且通過所說的排出管線8從系統(tǒng)中排出。十六個二通道閥門，即閥門15-30通過所示的管線31-46將所說的管線4和12以及所說的管線5和13與流體相連。每組四個閥門將每個吸附床的底部與流體相連，也就是說，閥門15-18通過管線47將床A與流體相連，閥門19-22通過管線48與床B的底部與流體相連，閥門23-26通過管線49將床C的底部與流體相連，閥門27-30通過閥門50將床D的底部與流體相連。在床的頂端或排放端，閥門組51-52，53-54，55-46和57-58通過指示管線即床A的管線59、床B的管線60、床C的管線61和床D的管線62，提供了所提供的每個床與流體的連接，通過閥門51、53、55和57的氣體通過用于從系統(tǒng)中回收的氧氣產(chǎn)品管線63中。在圖3的具體方案中，來自Roots型壓縮機101的所進空氣通過包含排出消聲器126的管線102達到四通道轉(zhuǎn)換閥103(路線1)中從而進入通過閥門106到達床A或通過閥門107到床B的管線104到管線105中，或(路線2)進入通過閥門110到床C或通過閥門111通道到床D的管線108到管線109中。氣體可通過具有閥門113和114的管線112通過床A和床B之間，和通過具有閥門116和117的管線115通過床C和床D之間。通過管線119和四通道轉(zhuǎn)換閥120，真空Roots型泵118可用于通過管線121和管線112從床A或床B中抽氣，或通過管線112或管線115從床C或床D中抽氣。同樣，真空離心泵123可用于通過用轉(zhuǎn)換閥120連接流體的管線124從所說的床中抽氣，并且真空離心泵125同樣可用于通過包含排出消聲器127的管線126抽氣。從所說的圖3看出，進入管線128達到過濾器128A、消聲器128B和管道128C中從而再到達Roots型壓縮機101中，和管線128D中再到達真空離心泵125中。同樣管線129和來自真空Roots型泵118的管線129A以及來自真空離心泵123的管道129B到達真空排出消聲器130和排出管線131。通過使用兩個四通道閥門省略八個二通道閥門，在圖3具體方案中，使用四通道轉(zhuǎn)換閥大大簡化了管線和閥門的要求。四通道閥門交替地使高壓和低壓壓縮機接通，如上所示，其省略了每個機器的特殊管線。進氣氣流到達吸附床的外部周圍的通道在床的中心處沿著流向產(chǎn)品端的輻射流方向上具有減小橫截面面積的輻射流床，本身具有調(diào)節(jié)較大氣流的能力。與傳統(tǒng)的圓柱形床相比這種輻射流床具有相對短的床長，傳統(tǒng)床中進氣氣流通常到達垂直位置布置的床，氣體產(chǎn)品從該床的頂端回收。在本發(fā)明的實際應(yīng)用中使用輻射床能帶來益處，但這不是本發(fā)明的重要特點。通過使用輻射床能夠達到較低的壓力降和較低的床此處要求，進而降低投資成本和其中進行PSA作業(yè)所要求的功率。如上所示，在傳統(tǒng)的VPSA循環(huán)中使用離心壓縮機是非常困難。本發(fā)明的補償2×2循環(huán)/系統(tǒng)能使離心壓縮機裝置有效地用于VPSA生產(chǎn)操作。本發(fā)明，如這里描述的和要求保護的那樣，使用了通過一半工藝循環(huán)的一半從一個床到另一個床的(二)雙床循環(huán)補償。這導(dǎo)致兩個容器同時處于來自兩個不同機器的進氣或抽空條件下。壓縮機部件的尺寸按幾乎總流量的一半的考慮確定，仔細地控制工藝條件以便達到離心壓縮機所要求的變化極小的頭壓。在本發(fā)明優(yōu)選技術(shù)方案中所用的循環(huán)使用了兩個進氣壓縮機和兩個真空泵。一個壓縮機是低壓縮比的Roots型壓縮機，第二個是高壓縮比的離心壓縮機。Roots型機器在低壓縮比范圍內(nèi)能優(yōu)選地運行，而本來效率就較高的離心壓縮機在高壓縮比的條件下使用。應(yīng)該明白在本發(fā)明的細節(jié)上可作出沒有脫離權(quán)利要求書敘述的本發(fā)明范圍的各種改進和修改。權(quán)利要求1.一種適合從在系統(tǒng)中達到所進空氣中回收氧氣的真空壓力擺動吸附方法，該系統(tǒng)具有吸附容器，每個容器包含一個吸附劑材料的床，吸附劑能夠在吸附壓力上限下從送入的空氣中選擇吸附氮氣和在低于大氣壓的下限壓力下解吸，每個吸附容器具有進氣氣體引入的進氣端和供氧氣產(chǎn)品回收的產(chǎn)出端，每個床進行包括下列步驟的工藝循環(huán)，這些步驟構(gòu)成循環(huán)的基礎(chǔ)，(1)從中壓到所說的吸附壓力上限的再加壓；(2)在所說的壓力上限下吸附，將所進空氣送到床的進氣端，并在其產(chǎn)出端回收氧氣；(3)順流減壓，從該床的產(chǎn)出端釋放氣體，并將其送到系統(tǒng)的另一個床的產(chǎn)出端，該系統(tǒng)開始是處于較低的、低于大氣壓的解吸壓力下以便在中壓下達到其間壓力近似相等；(4)逆流減壓到較低的中壓，從該床的進氣端排出氣體；(5)進一步逆流減壓到較低的、低于大氣壓解吸壓力，從該床的進氣端排出氣體；和(6)從所說較低的、低于大氣壓的解吸壓力部分再加壓到所說的中壓，從系統(tǒng)另一個床的產(chǎn)出端將氧氣送到該床的產(chǎn)出端，該系統(tǒng)從吸附壓力的上限處降壓以便在所說的中壓處達到壓力大致相等，改進包括以所說的循環(huán)為基礎(chǔ)，將所進空氣引入到四個適合于(二)雙床工藝系統(tǒng)操作的所說吸附容器中，一個雙床系統(tǒng)的工藝循環(huán)通過一半工藝循環(huán)的一半由另一個雙床系統(tǒng)補償，每個雙床工藝系統(tǒng)的一個吸附容器進行吸附步驟(2)，同時每個雙床工藝系統(tǒng)的一個吸附容器處于減壓步驟(5)中，彼此同時進行，因此增加了真空壓力擺動吸附方法的效率，并減少了所要求功率。2.權(quán)利要求1的方法，其中使用兩個進氣壓縮機以便在所說的(二)雙床工藝系統(tǒng)中進行步驟(1)和(2)，使用了兩個真空泵在所說的工藝系統(tǒng)中進行步驟(5)。3.權(quán)利要求2的方法，其中所說的進氣壓縮機和所說的真空泵是正位移機。4.權(quán)利要求2的方法，其中一個進氣壓縮機和一個真空泵是正位移機，并且一個進氣壓縮機和一個真空泵是離心機，在再加壓步驟(1)主要過程中所進空氣通過所說的正位移泵，并且在所說步驟(1)其余部分和吸附步驟(2)中所說的所進空氣通過所說的離心真空泵，逆流減壓步驟(4)和進一步逆流減壓步驟(5)初始部分通過正位移泵進行，并且所說的步驟(5)的最后部分通過離心真空泵進行。5.權(quán)利要求4的方法并且包括在步驟(5)之后和在步驟(6)之前在所說的床上凈化氣體時將氧氣送到每個床的產(chǎn)出端。6.權(quán)利要求4的方法包括，在再加壓步驟(1)的部分過程中，將氧氣送到該床的產(chǎn)出端同時將所進空氣送到該床的進氣端。7.權(quán)利要求6的方法，其中所說送到該床產(chǎn)出端的氧氣是從氧氣調(diào)壓罐中排出的氧氣。8.權(quán)利要求7的方法包括在所說的再加壓步驟(1)開始的過程中在雙床系統(tǒng)中把附加數(shù)量的氧氣從另一個床的產(chǎn)出端送到該床的產(chǎn)出端。9.權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中在所說的(二)雙床工藝系統(tǒng)中使用兩個進氣壓縮機進行步驟(1)和步驟(2)，并使用兩個真空泵進行步驟(5)。10.一種適合從在所說的系統(tǒng)中進氣中回收氧氣的真空壓力擺動吸附方法，該系統(tǒng)具有吸附容器，每個容器包含一個吸附劑材料的床，吸附劑能夠在吸附壓力上限下從進入的空氣中選擇吸附氮氣和在低于大氣壓的解吸壓力下解吸，每個吸附容器具有供氣體引入的進氣端和供氧氣產(chǎn)品回收的產(chǎn)出端，每個床進行包括下列步驟的工藝循環(huán)，這些步驟構(gòu)成循環(huán)的基礎(chǔ)，(1)從中壓到所說吸附壓力上限的再加壓；(2)在所說的吸附壓力上限下吸附，將所進空氣送到床的進氣端，并在其產(chǎn)出端回收氧氣；(3)順流減壓，從該床的產(chǎn)出端釋放氣體，并將其送到系統(tǒng)的另一個床的產(chǎn)出端，該系統(tǒng)開始處于較低的、低于大氣壓解吸壓力下以便所說的中壓下達到其間壓力的大致相等；(4)逆流減壓到較低的中壓，從該床的進氣端排出氣體；(5)進一步逆流減壓到較低的、低于大氣壓解吸壓力，從該床的進氣端排出氣體；和(6)從所說的較低的、低于大氣壓解吸壓力部分再加壓到所說的中間壓力，氧氣從系統(tǒng)另一個床的產(chǎn)出端到達該床的產(chǎn)出端，該系統(tǒng)從吸附壓力的上限處降壓，以便在所說的中壓下達到壓力大致相等，改進包括使用四個適合于(二)雙床工藝系統(tǒng)操作的所說的吸附容器，一個雙床系統(tǒng)適合于通過一半工藝循環(huán)的一半由另一個雙床系統(tǒng)補償?shù)牟僮鳎员忝總€雙床工藝系統(tǒng)的一個吸附容器進行吸附步驟(2)，同時每個雙床工藝系統(tǒng)的一個吸附容器進行減壓步驟(5)，其彼此同時進行，因此增強了真空壓力擺動吸附方法的效率，和減少了所說系統(tǒng)所要求的功率。全文摘要一種大型真空壓力擺動吸附氧氣設(shè)備，其使用四個吸附容器、兩個空氣壓縮機、兩個真空泵和一個氧氣調(diào)壓罐，以(二)雙床工藝系統(tǒng)為基礎(chǔ)運行。一個雙床系統(tǒng)通過一半工藝循環(huán)的一半與另一個雙床系統(tǒng)補償。由此，達到了功率減少和投資成本降低。文檔編號B01D53/047GK1162500SQ97103179公開日1997年10月22日申請日期1997年2月28日優(yōu)先權(quán)日1997年2月28日發(fā)明者J·斯莫拉力克,H·R·紹布申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司