專利名稱：組件式加壓擺動(dòng)吸附裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將氣體餾分從一種含有多種氣體餾分的氣體混合物中分離的裝置。具體地，本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)閥氣體分離系統(tǒng)，其中設(shè)有多個(gè)旋轉(zhuǎn)吸附床以實(shí)行加壓擺動(dòng)吸附工藝以分離出氣體餾分。
背景技術(shù)：
加壓擺動(dòng)吸附(PSA)和真空加壓擺動(dòng)吸附(VPSA)是通過協(xié)調(diào)壓力周期以及在一吸附床上反復(fù)流動(dòng)而將氣體餾分從氣體混合物中分離，相對(duì)不易被吸附的成份而言，該吸附床更易吸附易被吸附的成份。當(dāng)氣體混合物在吸附床上從第一端流向第二端時(shí)，吸附床中氣體混合物的總壓力上升，當(dāng)氣體混合物從吸附床第二端流回到第一端時(shí)，總壓力下降。當(dāng)重復(fù)PSA或VPSA周期時(shí)，不易被吸附的成份集中在吸附床第二端附近，而較易被吸附的成份集中在吸附床第一端附近。因此，“輕質(zhì)”產(chǎn)物(易被吸附成份已吸盡而富含不易被吸附成份的氣體餾分)從吸附床第二端輸出，“重質(zhì)”產(chǎn)物(富含極易被吸附成份的氣體餾分)從吸附床第一端排出。
用于執(zhí)行加壓擺動(dòng)吸附或真空加壓擺動(dòng)吸附的傳統(tǒng)系統(tǒng)采用平行的兩個(gè)或多個(gè)固定吸附床，并且在各吸附床各端具有定向閥門以交替順序?qū)⑦@些吸附床連接到壓力源和匯集點(diǎn)上。然而，由于所需的閥門復(fù)雜，故這種系統(tǒng)的實(shí)施往往是困難且昂貴的。
而且，傳統(tǒng)的PSA或VPSA系統(tǒng)不能夠充分地利用所施加的能量，這是因?yàn)檩斎霘怏w的增壓是由一壓縮機(jī)進(jìn)行的，而其輸出壓力是周期中最高的壓力。在PSA中，在壓縮輸入氣體以增壓時(shí)所消耗的能量然后又消耗在當(dāng)吸附和高輸入壓力之間有瞬間壓差時(shí)在閥門的節(jié)流中。類似地，在VPSA中，由真空泵建立周期中較低壓力，并在此壓力下排出氣體時(shí)，能量又消耗在壓力下降的吸附器的逆流排氣過程中對(duì)閥門進(jìn)行節(jié)流。在這兩種系統(tǒng)中，進(jìn)一步的能量消耗發(fā)生在消除、均化、并流排氣以及產(chǎn)物加壓或回充步驟中對(duì)所用的輕質(zhì)回流氣體進(jìn)行節(jié)流過程中。
已經(jīng)做出多種嘗試來克服傳統(tǒng)PSA或VPSA系統(tǒng)所存在的缺陷。例如，Siggelin(美國(guó)專利3，176，446)、Mattia(美國(guó)專利4，452，612)、Davidson和Lywood(美國(guó)專利4，758，253)、Boudet等人(美國(guó)專利5，133，784)、Petit等人(美國(guó)專利5，441，559)以及Schartz(PCT公開號(hào)94／04249)都揭示采用旋轉(zhuǎn)分配閥的PSA裝置，該旋轉(zhuǎn)分配閥具有配有多個(gè)角度分隔吸附床的轉(zhuǎn)子。與裝在轉(zhuǎn)子上的吸附床連通的開口越過用于氣體進(jìn)入、產(chǎn)物輸送和壓力平衡的固定口。然而，由于旋轉(zhuǎn)組件的重量，這些現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)分配閥對(duì)于大型PSA／VPSA是不實(shí)用的。而且，由于閥表面都遠(yuǎn)離吸附床端部，所以這些旋轉(zhuǎn)分配閥具有相當(dāng)大的、會(huì)使流體分布和聚集的死角容積。因此，現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)分配閥流量分布性差，尤其是在高周期頻率時(shí)更是如此。
Hay(美國(guó)專利5，246，676)和Engler(美國(guó)專利5，393，326)提出了多例真空擺動(dòng)吸附系統(tǒng)，它可減少節(jié)流損耗以提高氣體分離處理系統(tǒng)的效率。由Hay和Engler所啟示的系統(tǒng)采用了多個(gè)真空泵以依次將各吸附床的壓力向下降低，并且各泵壓力在逐個(gè)下降，因此，各真空泵可將各吸附床中的壓力減少到預(yù)定量。然而，在這些系統(tǒng)中，真空泵都經(jīng)受到較大的壓力變化，所以會(huì)對(duì)壓縮機(jī)器加載并且引起總功率要求較大的波動(dòng)。由于離心或軸向壓縮機(jī)器在這些不穩(wěn)定條件下不能工作，所以在這些系統(tǒng)中一般采用旋轉(zhuǎn)葉片機(jī)械。然而，這些機(jī)械在穩(wěn)定條件下比普通的離心壓縮機(jī)／真空泵工作效率低。
因此，仍需要一種PSA／VSPA系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于大體積和高頻生產(chǎn)，同時(shí)可降低現(xiàn)有裝置所存在的能量損耗。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種高效率地實(shí)施高頻加壓擺動(dòng)吸附過程的旋轉(zhuǎn)組件。
根據(jù)本發(fā)明，該旋轉(zhuǎn)組件包括一定子和一可轉(zhuǎn)動(dòng)連接到定子上的轉(zhuǎn)子。該定子包括第一定子閥表面，第二定子閥表面，多個(gè)向第一定子閥表面開口的第一功能腔，以及多個(gè)向第二定子閥表面開口的第二功能分隔區(qū)。該轉(zhuǎn)子包括與第一定子閥表面連通的第一轉(zhuǎn)子閥表面，與第二定子閥表面連通的第二轉(zhuǎn)子閥表面，以及多個(gè)用于將吸附材料容納在其中的流動(dòng)通道。各所述流動(dòng)通道包括一對(duì)相對(duì)端，以及多個(gè)設(shè)置在轉(zhuǎn)子閥表面中且與流動(dòng)通道端部連通的孔，還有用于將各流動(dòng)通道周期地處于高、低壓力之間不連續(xù)壓力級(jí)的功能開口以保持流過第一和第二功能腔的氣體均勻流動(dòng)。
在加壓和排氣步驟中，通過與吸附器經(jīng)歷的先前步驟的壓力級(jí)有一節(jié)流壓力平衡，經(jīng)過該步驟的幾個(gè)吸附器將收斂到各步驟的名義壓力級(jí)。氣流是在一加壓步驟中向吸附器提供的或者通過壓縮機(jī)構(gòu)在一排氣步驟中將處于該步驟的名義壓力級(jí)下的氣體吸走。因此，通過使經(jīng)過該步驟的幾個(gè)吸附器的壓力平均，由壓縮機(jī)構(gòu)在各中間壓力級(jí)下的所經(jīng)歷的流量和壓力脈動(dòng)是最小的，雖然各吸附器經(jīng)歷了壓力和流量的較大周期變化。
在各吸附器的多個(gè)增壓步驟中，已處于一壓力下的一吸附器的一個(gè)(或兩個(gè))孔分別通向處于一逐級(jí)式較高壓力下的第一或第二加壓腔。類似地，在各吸附器的加壓步驟中，已處于一壓力下的一個(gè)(或兩個(gè))吸附器孔分別通向處于一逐級(jí)式較低壓力下的第一或第二加壓腔。通過使流體從加壓／排氣腔經(jīng)過孔(一個(gè)或多個(gè))進(jìn)入吸附器可發(fā)生均衡，在增壓／排氣步驟結(jié)束時(shí)，吸附器達(dá)到近似與加壓／排氣腔壓力相同。在任何給定時(shí)間，各加壓／排氣腔一般與幾個(gè)正在加壓(處于不同的角度和時(shí)間相位)的吸附器連通，這樣該腔室中的壓力和流向該腔室的壓力流基本是穩(wěn)定的。
經(jīng)過吸附器的流動(dòng)通道可以是徑向或軸向的。如果吸附器構(gòu)成為徑向流，當(dāng)不易被吸附氣體餾分密度比易被吸附餾分密度大得多時(shí)，第一閥表面較佳地是徑向向內(nèi)的，當(dāng)不易被吸附氣體餾分密度比易被吸附餾分密度低得多時(shí)，閥表面較佳地是徑向向外的。因此，對(duì)于徑向流實(shí)施例中的氫氣提純，進(jìn)氣較佳地被允許進(jìn)入一外徑處的第一閥表面(并且較高克分子重量的雜質(zhì)餾分作為重質(zhì)產(chǎn)物從第一閥表面排出)，同時(shí)作為第一產(chǎn)物氣體的氫氣從第二閥表面輸出。
本發(fā)明還包括可選方案(1)層積或疊置的薄層吸附器以及(2)離心穩(wěn)定的細(xì)顆粒吸附器的另一實(shí)施例以在極高的周期頻率下操作。每分鐘至少100周期的PSA周期頻率在本發(fā)明中都是實(shí)用的，并且將能夠使工藝過程增強(qiáng)，這樣可從緊湊組件中獲得高產(chǎn)出率。較佳地，利用層積式薄層吸附器可獲得比每分鐘50周期更快的周期頻率，并且流動(dòng)通道在相切于并在相鄰帶有吸附劑的負(fù)載層之間的流道中，而與顆粒狀吸附劑相比，在高頻率下可獲得較低的摩擦壓力降。
較佳地，相鄰壓力級(jí)之間的增量大小的確定應(yīng)使流入或流出組件的氣體在流速和壓力方面基本上是穩(wěn)定的。因此，組件可與離心式或軸流式壓縮機(jī)和膨脹機(jī)一起工作，以獲得最大效率和最節(jié)省機(jī)構(gòu)投資費(fèi)。為了減少節(jié)流損失，較佳地功能腔的形狀制成為使流過流動(dòng)通道的氣流均勻，和／或閥表面包括傾斜部分的密封帶以使氣流均勻地流過流動(dòng)通道。
由于具有閥功能的孔緊靠流動(dòng)通道端部，與現(xiàn)有工藝中分配歧管有關(guān)的死角體積顯著減小。同樣地，由于與第一和第二閥表面連通的腔室在閥功能外部，腔室不會(huì)增加吸附器的死角體積。因此，高頻壓力／真空擺動(dòng)吸附都是可能的。
同樣地，與現(xiàn)有的、其壓力容器經(jīng)歷壓力周期和隨后的疲勞負(fù)荷的PSA裝置相反，本發(fā)明的壓力容器基本上在靜態(tài)壓力下工作，因?yàn)楦髑皇以诜€(wěn)定的壓力狀態(tài)下工作。轉(zhuǎn)子和其軸承上的機(jī)械應(yīng)力相對(duì)較小，因?yàn)閮H少量的摩擦壓降(最多與相鄰中間壓力之間的間隔相等)作用在流向上，而吸附器構(gòu)件之間的橫向壓力梯度由于構(gòu)件數(shù)量較大也變得較小。這些特征都是重要的，因?yàn)閴毫θ萜鞯钠谑荘SA設(shè)計(jì)中的一個(gè)主要問題和限制條件，特別在高壓或高周期頻率下與腐蝕氣體或氫氣一起工作時(shí)尤其如此。
而且，通過提供多個(gè)接近分布的中間壓力級(jí)，并且在各壓力級(jí)下流量恒定，本發(fā)明便于進(jìn)氣壓縮機(jī)、重質(zhì)產(chǎn)物排出和重質(zhì)回流壓縮的多級(jí)進(jìn)氣壓縮機(jī)和真空泵(包括離心或軸向壓縮機(jī))以及多級(jí)膨脹機(jī)(包括徑向內(nèi)流渦輪機(jī)、軸向渦輪機(jī)和局部進(jìn)入脈動(dòng)渦輪機(jī))的能量有效應(yīng)用。在本發(fā)明范圍內(nèi)也可采用正排量(往復(fù)活塞、旋轉(zhuǎn)活塞，或諸如級(jí)進(jìn)式空腔的螺桿或渦旋機(jī)械)壓縮和膨脹機(jī)械，特別是在以多個(gè)中間輸送壓力輸送氣體和／或以多個(gè)中間入口壓力進(jìn)氣時(shí)。本發(fā)明能夠使用單軸機(jī)械來為平行的多個(gè)組件提供所有壓縮和膨脹功能，以及綜合使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和自由轉(zhuǎn)子機(jī)械以使各級(jí)操作模塊化和分離更靈活。
本發(fā)明分流離心機(jī)械的構(gòu)思是對(duì)需要在不同總壓力下單獨(dú)流體流中需要多種熱含量(焓)的PSA工藝的一種理想方案。分流機(jī)械具有處于多個(gè)熱含量的多個(gè)入口流，和／或處于不同熱含量的多個(gè)出口流，以用于單個(gè)離心或徑向流葉輪。熱含量或總壓力的不同變化是通過使經(jīng)過葉輪的各流體具有不同的半徑變化或不同的葉片角度而實(shí)現(xiàn)的。分流壓縮機(jī)具有一個(gè)入口，但單個(gè)葉輪具有不同的總壓力或熱含量級(jí)的多個(gè)出口。分流排出器可以是一真空泵或一膨脹機(jī)，并且將單個(gè)葉輪將具有不同總壓力或熱含量級(jí)的多個(gè)入口和一個(gè)出口。在本發(fā)明中同樣有用的是一分流輕質(zhì)回流膨脹機(jī)，它具有多個(gè)入口和相同數(shù)量的出口，并且單個(gè)葉輪處于不同的總壓力或熱含量級(jí)。
附圖的簡(jiǎn)述以下將結(jié)合僅用于舉例說明本發(fā)明較佳實(shí)施例的附圖，對(duì)這些較佳實(shí)施例進(jìn)行描述，其中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部，其中

圖1是本發(fā)明旋轉(zhuǎn)PSA組件的截面圖；圖2是圖1所示組件的定子；圖3是圖1所示組件的轉(zhuǎn)子；圖4是圖1所示組件的軸向截面圖；圖5示出了采用疊層式吸附層的另一種吸附器結(jié)構(gòu)；圖6示出了本發(fā)明的一種典型PSA；圖7示出了具有重質(zhì)回流的PSA周期；圖8示出了具有單個(gè)旋轉(zhuǎn)組件和能量回收功能的PSA裝置；圖9示出了用于從空氣中分離氧的真空PSA(VPSA)；圖10示出了不具有輕質(zhì)回流能量回收功能的VPSA；圖11示出了用于接受兩種輸入氣體混合物并且對(duì)尾氣再壓縮的PSA裝置；圖12示出了具有重質(zhì)回流的PSA裝置；圖13示PSA裝置，具有通過能量回收而提供能量的一自由轉(zhuǎn)子尾氣壓縮機(jī)或真空泵；圖14示出了有一自由轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的PSA裝置另一實(shí)施例；圖15示出了具有四個(gè)組件的VPSA裝置；圖16示出了具有五個(gè)組件的VPSA裝置；圖17示出了用于氧氣產(chǎn)生的VPSA周期簡(jiǎn)化示意圖，即采用一分流空氣壓縮機(jī)、一作用逆流排氣輸出器的分流真空泵，以及驅(qū)動(dòng)一生產(chǎn)氧壓縮機(jī)的分流輕質(zhì)回流膨脹機(jī)；圖18示出了一徑向流旋轉(zhuǎn)PSA組件；圖19示出了一軸向流旋轉(zhuǎn)PSA組件；圖20示出了雙軸向流旋轉(zhuǎn)PSA組件；圖21示出了圖19實(shí)施例第一閥表面；圖22示出了圖19實(shí)施例第二閥表面；圖23示出了圖19實(shí)施例疊層式吸附層吸附器的吸附器輪結(jié)構(gòu)；圖24示出了多級(jí)式離心壓縮機(jī)，具有用于輕質(zhì)逆回流和逆流排氣的脈沖渦輪膨脹機(jī)；圖25示出了具有四個(gè)噴嘴的輕質(zhì)回流脈沖渦輪轉(zhuǎn)輪；圖26是輕質(zhì)回流膨脹機(jī)脈沖渦輪的展開視圖；圖27是逆流排氣膨脹機(jī)脈沖渦輪的展示視圖；圖28示出了具有三級(jí)的分流軸向壓縮機(jī)；以及圖29示出了具有涂覆了沸石材料的高比重惰性芯體的合成球，以供離心式穩(wěn)定的粒狀吸附器在徑向流動(dòng)的實(shí)施例之用。
較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述圖1，2，3和4在圖1，2，3和4中示出了本發(fā)明的一旋轉(zhuǎn)組件10。該組件包括一繞軸線12在箭頭13所指方向上在定子14中回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子11。圖4是組件10的軸向截面圖，在圖1中由箭頭15和16表示。圖1是組件10的橫截面圖，在圖4中由箭頭17和18表示。圖2是與圖1重復(fù)的轉(zhuǎn)子11截面圖，并且為清楚起見刪除了定子。圖3是與圖1重復(fù)的定子14截面圖，為清楚起見刪除了轉(zhuǎn)子的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
概括來說，本發(fā)明的裝置可以構(gòu)造成流體徑向、軸向或相對(duì)轉(zhuǎn)子軸線為傾斜圓錐方向流過吸附器部件。為了以高周期頻率工作，徑向流的優(yōu)點(diǎn)是向心加速度將與流動(dòng)通道平行以使浮力驅(qū)動(dòng)的自由對(duì)流最穩(wěn)定，以及粒狀吸附劑的離心夾持有均勻的流量分布。如圖2所示，轉(zhuǎn)子11是圓環(huán)形截面的，并具有一與軸線12同心的外柱形壁20，該壁的外表面是第一閥表面21，以及一內(nèi)圓柱形壁22，其內(nèi)表面是第二閥表面23。轉(zhuǎn)子具有(在由圖4中箭頭15和16所構(gòu)成的剖切平面內(nèi))總共為“N”個(gè)的徑向流量吸附器單元24。相鄰的一對(duì)吸附器單元25和26可由隔板27分離，該隔板結(jié)構(gòu)上且密封地連接到外壁20和內(nèi)壁22上。相鄰的吸附器單元25和26相對(duì)軸線12分開一角度[360°／N]。
吸附器單元24具有由支撐網(wǎng)31構(gòu)成的第一端30以及由支撐網(wǎng)33構(gòu)成的第二端32。吸附器可以由粒狀吸附劑構(gòu)成，其堆積空隙構(gòu)成與吸附器第一和第二端之間吸附劑接觸的流動(dòng)通道。
第一個(gè)孔或孔隙34構(gòu)成從第一閥表面21經(jīng)過壁20通向吸附器24第一端30的流道。第二孔或孔隙35構(gòu)成從第二閥表面23經(jīng)過壁22通向吸附器24第二端31的流道。支撐網(wǎng)31和33分別在吸附器單元24的第一孔34和第一端30之間、第二孔35和第二端32之間構(gòu)成流量分布32。支撐網(wǎng)31還可支撐吸附劑的離心力負(fù)載。
如圖3所示，定子14是一壓力罩殼，它包括一外圓柱形殼體或在環(huán)形轉(zhuǎn)子11外側(cè)的第一閥定子40，以及一內(nèi)圓柱形殼體或在環(huán)形轉(zhuǎn)子11內(nèi)側(cè)的第二閥定子41。外殼體40具有軸向延伸的帶狀密封件(例如42和43)，這些密封件與第一閥表面21密封地配合，同時(shí)內(nèi)殼體41具有軸向延伸的帶狀密封件(例如44和45)，這些密封件與第二閥表面23密封地配合。帶狀密封件的水平密封寬度大于通向第一和第二閥表面的第一和第二孔34和35的直徑或水平寬度。
在外殼體中的第一組腔室各自以一扇區(qū)通向第一閥表面，并且各自構(gòu)成在第一閥表面的扇區(qū)和通到組件外部的歧管之間的流動(dòng)通道。腔室的扇區(qū)都比吸附器單元的角度間隔的寬得多。第一組腔室由帶狀密封件(例如42)在第一密封面分隔。沿圖3中順時(shí)針方向前進(jìn)、即在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向上，一第一進(jìn)氣增壓腔46通過管道47連通到第一進(jìn)氣加壓歧管48上，并被保持在第一中間進(jìn)氣壓力下。類似地，第二進(jìn)氣增壓腔50連通到第二進(jìn)氣加壓歧管51上，并被保持在高于第一中間進(jìn)氣壓力但小于較高工作壓力的第二中間進(jìn)氣壓力下。
通常，所示的組件10規(guī)定為可以順序地允許有兩種進(jìn)氣混合物進(jìn)入，第一種進(jìn)氣相對(duì)第二種進(jìn)氣而言更易于被吸附成份的濃度低。第一進(jìn)氣腔室52連通到第一進(jìn)氣歧管53上，該歧管基本上被保持在較高的工作壓力下。同樣地，第二進(jìn)氣腔室54與第二進(jìn)氣歧管55連通，并該歧管基本上被保持在較高的工作壓力下。第一逆流排氣腔室56與第一逆流排氣歧管57連通，并被保持在第一逆流排氣中間壓力下。第二逆流排氣腔室58與第二逆流排氣歧管59連通，并被保持在高于較低工作壓力的第二逆流排氣中間壓力下。一重質(zhì)產(chǎn)物腔室60與重質(zhì)產(chǎn)物排出歧管61連通，并基本上被保持在較低工作壓力下?？梢宰⒁獾剑皇?8由帶狀密封件42和43圍住，類似地所有腔室都由帶狀密封件圍住并且互相分隔。
在內(nèi)殼體中的第二組腔室各自以一扇區(qū)通向第二閥表面，并且各自在第二閥表面的扇區(qū)與組件外部的一歧管之間形成流體通道。第二組腔室由帶狀密封件(例如44)在第二密封表面上分開。沿圖3所示順時(shí)針前進(jìn)，即也在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向上，輕質(zhì)產(chǎn)物腔室70連通到輕質(zhì)產(chǎn)物歧管71上，并且接收處于較高工作壓力下的輕質(zhì)產(chǎn)物，經(jīng)過吸附器和第一、第二孔的摩擦壓降小。根據(jù)腔室70相對(duì)腔室52、54的角度大小，輕質(zhì)產(chǎn)物可以僅從同時(shí)接收來自腔室52的第一種進(jìn)氣的吸附器中獲得，或者從接收第一和第二種進(jìn)氣的吸附器中獲得。
第一輕質(zhì)回流排入腔室72與第一輕質(zhì)回流排入歧管73連通，并被保持在第一輕質(zhì)回流排放壓力下，此處基本上為較高的工作壓力并且摩擦壓降小。第一并流排氣腔室(實(shí)際上是第二輕質(zhì)回流排放腔)與第二輕質(zhì)回流排放歧管75連通，后者被保持在低于較高工作壓力的第一并流排氣壓力下。第二并流排氣腔或第三輕質(zhì)回流排放腔76與第三輕質(zhì)回流排放歧管77連通，后者被保持在低于第一并流排氣壓力的第二并流排氣壓力下。第三并流排氣腔或第四輕質(zhì)回流排放腔78與第四輕質(zhì)回流排放歧管79連通，后者被保持在低于第二并流排放壓力的并流排放壓力下。
一凈化腔80連通到第四輕質(zhì)回流返回歧管81上，后者供給第四輕質(zhì)回流氣體，該氣體已從第三并流排放壓力膨脹到基本為較低工作壓力，其中包括摩擦壓降允許余量。輕質(zhì)回流加壓步驟的順序是與輕質(zhì)回流排放或并流排氣步驟順序顛倒的，以保持輕質(zhì)回流氣體組理想的“后出-先入”分層作用。因此，第一輕質(zhì)回流增壓腔82連通到第三輕質(zhì)回流返回歧管83上，后者提供已從第二并流排氣壓力膨脹到大于較低工作壓力的第一輕質(zhì)回流加壓壓力的第三輕質(zhì)回流氣體。第二輕質(zhì)回流增加腔84與第二輕質(zhì)回流返回歧管85連通，后者提供將已從第一并流排氣壓力膨脹到大于第一輕質(zhì)回流加壓壓力的第二輕質(zhì)回流加壓壓力的第二輕質(zhì)回流氣體。最后，第三輕質(zhì)回流加壓腔86連通到第一輕質(zhì)回流返回歧管87上，后者提供已從近似于高壓膨脹到大于第二輕質(zhì)回流加壓壓力且小于第一進(jìn)氣加壓壓力的第三輕質(zhì)回流加壓壓力的第一輕質(zhì)回流氣體。
其它細(xì)節(jié)示出在圖4中。導(dǎo)管88將第一腔60連接到歧管61上，并且多個(gè)導(dǎo)管可使腔室60中有良好的軸向流量分布。類似地，導(dǎo)管89將第二腔室80連接到歧管81上。定子14具有帶軸承91和92的基座90。環(huán)形轉(zhuǎn)子11支承在端部圓盤93上，其軸94由軸承91及92支承。電動(dòng)機(jī)95連接到與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子11連接的軸94上。轉(zhuǎn)子可以交替地轉(zhuǎn)動(dòng)，就象一個(gè)圓鼓一樣，并由在其邊緣的幾個(gè)成角度位置由輥?zhàn)又吻以谄溥吘壉或?qū)動(dòng)，因此不需要軸。藉由一安裝在轉(zhuǎn)子上的環(huán)形齒輪或者通過一其定子可與邊緣的一段弧配合的直線電磁電機(jī)來提供邊緣驅(qū)動(dòng)。外圓密封件96可密封外帶狀密封件42的端部和第一閥表面21的邊，同時(shí)內(nèi)圓密封件97可密封內(nèi)帶狀密封件44的端和第二閥表面23的邊。轉(zhuǎn)子11在外壁20和內(nèi)壁22之間具有通道塞98，它可為安裝和去除吸附器24中的吸附劑提供接近通道。
本發(fā)明在徑向流實(shí)施例中的另一個(gè)最重要優(yōu)點(diǎn)是可以凈化克分子重量非常低的氣體、如氫氣和氦氣以去除較大克分子重量的雜質(zhì)。在此，輕質(zhì)產(chǎn)物徑向向內(nèi)分離，而重質(zhì)雜質(zhì)由本發(fā)明的離心式PSA裝置徑向向外分離。在所有PSA系統(tǒng)中，包括軸向彌散、不均勻吸附床填充、熱梯度以及壁溝流的作用都會(huì)使吸附床中的濃度梯度分散使其降低分離性能。但本發(fā)明的強(qiáng)有力的向心加速場(chǎng)將誘使已分離的重質(zhì)餾分的凈化輕質(zhì)餾分徑向向內(nèi)的漂浮分層作用，因而與彌散作用相反并增強(qiáng)分離性能。不管是否采用粒狀吸附劑或疊層支撐的吸附劑，只要吸附床中的流量方向從其第一端向第二端徑向向內(nèi)，這一重要的有效作用都是存在的。
在與出現(xiàn)在吸附器外徑上的進(jìn)氣的空氣分離時(shí)，與氮?dú)庀啾?，氧的克分子重量較大，故漂浮作用可能適度地不利。氫氣和其雜質(zhì)(除了氮?dú)庵?之間的克分子重量差很大并且是在所需方向上的。本發(fā)明的一些工藝過程實(shí)施例包括加熱氧氣輕質(zhì)回流氣體的特點(diǎn)，主要是為了從熱量上加強(qiáng)膨脹能量回收，改善吸附／解吸附動(dòng)力學(xué)效果，以及使最佳操作壓力范圍從真空移動(dòng)到正超大氣壓情況的這些目的。充分地加熱輕質(zhì)回流氧氣可產(chǎn)生一徑向熱梯度，因此，吸附器的第二端(在內(nèi)徑處)將比吸附器第一端(在外徑處)熱。在本發(fā)明的一快速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子中，此熱梯度將改善吸附器中的質(zhì)量轉(zhuǎn)移前沿的對(duì)流穩(wěn)定性，并且將補(bǔ)償氧氣變得比同樣溫度下氮?dú)飧軙r(shí)的反作用。因此，通過建立低克分子重量氣體徑向向內(nèi)接觸吸附劑的徑向密度梯度，或者建立徑向向內(nèi)的高溫?zé)崽荻?，本發(fā)明可使質(zhì)量轉(zhuǎn)移前沿的徑向穩(wěn)定化。
另外，在空氣分離應(yīng)用中的，可以通過與施加到徑向流量轉(zhuǎn)動(dòng)吸附器的內(nèi)徑上的進(jìn)氣操作，同時(shí)作為第二種產(chǎn)物的氧氣從外徑處被吸走而增加對(duì)流穩(wěn)定性。
圖5通過將適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)矩陣加入薄吸附層中形成吸附材料，并且將該吸附層隔以間隔件而形成一疊層式接觸件，并且相鄰吸附層之間有流動(dòng)通道，可獲得采用粒狀吸附劑的另一種令人注目實(shí)施例。吸附器單元然后在轉(zhuǎn)子中且在第一和第二閥表面之間安裝成成角度隔開的矩形塊，即吸附層作為大致平面層，這些平面層平行于由轉(zhuǎn)子軸線及通過矩形塊的軸線的半徑構(gòu)成的平面，并且平吸附層其間疊置有流動(dòng)通道從而形成矩形塊。流動(dòng)通道還位于平行這些層和由轉(zhuǎn)子軸線以及來自通過矩形塊的軸線的半徑形成的平面中，并且可構(gòu)成為徑向流動(dòng)或軸向流動(dòng)。在軸向流動(dòng)情況下，第一和第二閥表面將作為垂直于且同心于轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的平面圓盤。在徑向流動(dòng)情況下，如圖1-4所示，第一和第二閥表面作為圍住環(huán)形轉(zhuǎn)子的內(nèi)、外圓柱表面，在轉(zhuǎn)子中安裝吸附器單元。
在圖2中在端點(diǎn)111和112、113和114之間的曲線示出了轉(zhuǎn)子11的一段110。圖5詳細(xì)地示出了該段110，并且示出了吸附器的疊層式情況。
疊層115位于徑向平面中并且疊置成構(gòu)成矩形塊的吸附器單元24。各層115包括加強(qiáng)材料、例如玻璃纖維或金屬絲矩陣(編織或非編織的)，其上用適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑(例如粘土、硅酸鹽或焦炭粘結(jié)劑)支撐有吸附材料(例如，沸石微晶體)。吸附層的典型厚度大約為100微米。層115在一個(gè)或兩個(gè)側(cè)面上都裝有隔離件以在相鄰層對(duì)之間建立流動(dòng)通道。流動(dòng)通道構(gòu)成各吸附器單元中的流動(dòng)通道第一端30和第二端32之間接近于徑向的流動(dòng)通道。典型的通道高度將約為吸附層厚度的50％至100％。
吸附層包括一種加強(qiáng)材料，較佳地為玻璃纖維，但其它的金屬箔或絲網(wǎng)也是可以的，吸附材料用適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑固定于其上。對(duì)于產(chǎn)生富含氧氣的空氣分離而言，一般的吸附劑為X、A或菱沸石類沸石，典型地與鈣或鋰陽離子互換。沸石晶體用硅、粘土和其它粘結(jié)劑粘結(jié)在吸附劑層矩陣中。
通過將沸石晶體和粘結(jié)劑成份的稀漿涂在加強(qiáng)材料上可制成令人滿意的吸附層，成功的例子包括非編織的玻璃纖維沙罩、編織的金屬織物以及膨脹的延展鋁箔。隔離件都具有用突起圖案印刷或浮雕的吸附層，或者將構(gòu)造的隔離件置于相鄰吸附層對(duì)之間。編織金屬網(wǎng)、玻璃纖維沙罩以及具有以照相平版印刷圖案蝕刻的流動(dòng)通道的金屬箔都可用作為令人滿意的隔離件。
一般吸附層的經(jīng)驗(yàn)厚度為150微米，隔離件的高度在100至150微米范圍內(nèi)，吸附器流動(dòng)通道長(zhǎng)度近似20厘米。采用X類沸石，以每分鐘50至100周的PSA周期頻率可以實(shí)現(xiàn)從空氣中分離氧氣的極好性能。
圖6和7圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一種典型PSA周期，圖7示出了類似的PSA周期，并且第一種產(chǎn)品氣體一部分的重質(zhì)回流再壓縮為該工藝過程提供第二進(jìn)氣。
在圖6和7中，垂直軸線150表示吸附器中的工作壓力和第一和第二腔室中的壓力。由于吸附單元中的流量引起的壓降忽略不計(jì)。較高和較低工作壓力分別由虛線151和152表示。
圖6和7的水平軸線155表示時(shí)間，PSA周期時(shí)間由點(diǎn)156和157之間的時(shí)間間隔確定。在時(shí)間156和157時(shí)，特定吸附器中的工作壓力為壓力158。從時(shí)間156開始，某一特定吸附器(例如24)的周期開始，此時(shí)該吸附器的第一孔34通向第一進(jìn)氣加壓腔46，藉由第一進(jìn)氣提供裝置160以第一中間進(jìn)氣壓力161向其中進(jìn)氣。該吸附器中的壓力從時(shí)間157時(shí)的壓力158上升到第一中間進(jìn)氣壓力161。繼續(xù)前進(jìn)時(shí)，第一孔經(jīng)過一密封帶，先將吸附器24與腔46的連通關(guān)閉，然后通向第二進(jìn)氣增壓腔50，該腔中由第二進(jìn)氣提供裝置162以第二中間進(jìn)氣壓力163進(jìn)氣。吸附器壓力上升到第二中間進(jìn)氣壓力。
吸附器24的第一孔34接著通向第一進(jìn)氣腔52，該腔室由第三進(jìn)氣提供裝置165保持在基本上高壓下。一旦吸附器壓力已上升到大致為較高工作壓力，其第二孔35(從時(shí)間156開始已與所有第二腔室關(guān)閉)通向輕質(zhì)產(chǎn)物腔70并且輸出輕質(zhì)產(chǎn)物166。
在圖7的周期中，吸附器24的第一孔34再通向第二進(jìn)氣腔54，并且由第四進(jìn)氣提供裝置167保持在大致較高壓力下?？傊?，第四進(jìn)氣提供裝置可提供第二進(jìn)氣，一般比由第一、第二和第三進(jìn)氣提供裝置所提供第一種進(jìn)氣含有更多的易被吸附成份。在圖7所示的特定周期中，第四進(jìn)氣提供裝置167是“重質(zhì)回流”壓縮機(jī)，可將一部分重質(zhì)產(chǎn)物壓回到裝置中。在圖6所示的周期中，沒有第四進(jìn)氣提供裝置，并且可取消腔54或者與腔室52組合并在定子的較大角度弧段上延伸。
當(dāng)仍從腔室52或54之一向吸附器24的第一端進(jìn)氣時(shí)，吸附器24的第二端與輕質(zhì)產(chǎn)品腔70之間封閉，并且通向第一輕質(zhì)回流排放腔72，同時(shí)將“輕質(zhì)回流”氣體(與第二產(chǎn)品氣體類似富含不易被吸附的成份)輸送到第一輕質(zhì)回流壓力下降裝置(或膨脹機(jī))170。吸附器24的第一孔34然后與所有第一腔室封閉，同時(shí)第二孔35逐步通向(a)第二輕質(zhì)回流排放腔74，使吸附器壓力下降到第一并流排氣壓力171，同時(shí)將輕質(zhì)回流氣體輸送到第二輕質(zhì)回流壓力下降裝置172，(b)第三輕質(zhì)回流排放腔76，使吸附器壓力下降到第二并流排氣壓力173，同時(shí)將輕質(zhì)回流氣體輸送到第三輕質(zhì)回流壓力下降裝置174，以及(c)第四輕質(zhì)回流排放腔78，使吸附器壓力下降到第三并流排氣壓力175，同時(shí)將輕質(zhì)回流氣體輸送到第四輕質(zhì)回流壓力下降裝置176。然后，第二孔35以一間隙關(guān)閉，直到輕質(zhì)回流返回到跟隨逆流排氣步驟的節(jié)奏。
輕質(zhì)回流壓力下降裝置可以是機(jī)械膨脹機(jī)或用于膨脹能量回收的膨脹階段，或者可以是限制孔或節(jié)流閥以用于不可逆轉(zhuǎn)的壓力下降。當(dāng)最終輕質(zhì)回流排放步驟(如圖6和7所示)之后第二孔關(guān)閉時(shí)，或者在輕質(zhì)回流排放步驟仍在進(jìn)行之前，第一孔34通向第一逆流排氣腔56，使吸附器壓力下降到第一逆流排氣中間壓力180，同時(shí)將“重質(zhì)”氣體(富含強(qiáng)吸附成份)釋放到第一排出裝置181。然后，第一孔34通向逆流排氣腔58，使吸附器壓力下降到第一逆流排氣中間壓力182，同時(shí)將重質(zhì)氣體釋放到第二排出裝置183。最終到達(dá)較低工作壓力，第一孔34通向重質(zhì)產(chǎn)品腔60，使吸附器壓力下降到較低壓力152，同時(shí)將重質(zhì)氣體釋放到第三排出裝置184。一旦吸附器壓力大致達(dá)到較低壓力時(shí)，同時(shí)第一孔34通向腔室60時(shí)，第二孔35通向凈化腔80，該腔室可接收來自第四輕質(zhì)回流壓力下降裝置176的輕質(zhì)回流氣體以將更多的重質(zhì)氣體移入第一產(chǎn)品腔室60。
在圖6中，來自第一、第二和第三排出裝置的重質(zhì)氣體作為重質(zhì)產(chǎn)品185輸送。在圖7中，此氣體部分地作為重質(zhì)產(chǎn)物185釋放，同時(shí)其余作為“重質(zhì)回流”187改變方向到作為第四進(jìn)氣提供裝置167的重質(zhì)回流壓縮機(jī)。就象輕質(zhì)回流能夠?qū)崿F(xiàn)輕質(zhì)產(chǎn)品中不易被吸附“輕質(zhì)”成份的高純度，重質(zhì)回流也能夠?qū)崿F(xiàn)重質(zhì)產(chǎn)品中易被吸附“重質(zhì)”成份的高純度。
在第一和第二孔對(duì)腔室60和80關(guān)閉之后，吸附器由輕質(zhì)回流氣體再加壓。接著，當(dāng)?shù)谝豢?4至少一開始保持關(guān)閉，(a)第二孔35通向第一輕質(zhì)回流加壓腔82以使吸附器壓力上升到第一輕質(zhì)增壓壓力190，同時(shí)從第三輕質(zhì)回流壓力下降裝置174中接收第三輕質(zhì)回流氣體，(b)第二孔35通向第二輕質(zhì)回流增壓腔84以使吸附器壓力上升到第二輕質(zhì)回流增壓壓力191，同時(shí)從第二輕質(zhì)回流壓力下降裝置172接收第二輕質(zhì)回流氣體，以及(c)第二孔35通向第三輕質(zhì)回流加壓腔86以使吸附器壓力上升到第三輕質(zhì)加壓壓力192，同時(shí)從第一輕質(zhì)壓力下降裝置170的第一輕質(zhì)回流氣體。除非進(jìn)氣加壓已經(jīng)開始，同時(shí)輕質(zhì)回流加壓的輕質(zhì)回流返回仍在進(jìn)行，一旦第三輕質(zhì)回流增壓步驟已結(jié)束，工藝過程(根據(jù)圖6和7所示)就開始為時(shí)間157之后的下一次周期進(jìn)行進(jìn)氣加壓。
只要第一和第二閥中沒有節(jié)流，各吸附器中的壓力變化波形將是一矩形階梯。為了獲得吸附器的平衡性能，較佳地所有孔相互都一樣關(guān)閉。
各加壓或排氣步驟中的壓力變化速度由第一和第二閥裝置的開口(或在間隙或迷宮密封間隙)節(jié)流限制，或由吸附器第一和第二端中的孔節(jié)流，以形成圖6和7所述的典型壓力波形。另外，孔都由密封帶緩慢地打開，以在孔和密封帶之間提供流量限制節(jié)流，密封帶可以有鋸齒形邊(例如在密封帶邊上有凹口或傾斜縫)，這樣孔就可以逐漸打開成全流量。壓力變化過快會(huì)使吸附器受到機(jī)械應(yīng)力，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生流量不穩(wěn)定，而這會(huì)增加吸附器中濃度波尖的軸向分散度。通過使多個(gè)吸附器同時(shí)經(jīng)過周期的各個(gè)步驟，并且在功能腔室和有關(guān)歧管中提供足夠的容積而可以使流量和壓力脈動(dòng)最小，這樣它們可以有效地起到壓縮機(jī)器和第一和第二閥裝置之間浪涌吸收器的作用。
顯然，周期可以概括為通過使進(jìn)氣增壓、逆流排放排出或輕質(zhì)回流各個(gè)主要步驟中具有更多或較少的中間階段。而且，在空氣分離或空氣凈化應(yīng)用中，進(jìn)氣加壓的一個(gè)階段(一般是第一階段)可以通過與大氣壓相等而作為周期的中間壓力來進(jìn)行。類似的，逆流排氣的一個(gè)階段可通過與大氣壓相等而作為周期的一個(gè)中間壓力來進(jìn)行。
圖8圖8-15是采用圖1-4所示組件10作為基本結(jié)構(gòu)單元的PSA系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖，并且示出了組件第一和第二歧管與典型應(yīng)用中用于壓縮和膨脹氣體的機(jī)器的連接結(jié)構(gòu)。在圖8-15中，第一和第二歧管的標(biāo)號(hào)與圖3類似。
圖8是采用選氮沸石吸附劑，將氧氣從空氣中分離的PSA系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖。輕質(zhì)產(chǎn)物富含氧氣，而重質(zhì)產(chǎn)物是通常作為廢物排出的富含氮空氣。周期低壓力152名義上是大氣壓。進(jìn)氣從過濾入口200引入到一進(jìn)氣壓縮機(jī)201。進(jìn)氣壓縮機(jī)包括壓縮機(jī)第一級(jí)202、中間冷卻器203、壓縮機(jī)第二級(jí)204、第二中間冷卻器205、壓縮機(jī)第三級(jí)206、第三中間冷卻器207以及壓縮機(jī)第四級(jí)208。所述的進(jìn)氣壓縮機(jī)201可以是一四級(jí)軸向壓縮機(jī)或具有電動(dòng)機(jī)209的離心式壓縮機(jī)，電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)且由軸210連接，而中間冷卻器都是可選擇的。參見圖6，進(jìn)氣壓縮機(jī)第一和第二級(jí)都是第一進(jìn)氣提供裝置160，將處于第一中間進(jìn)氣壓力161下的進(jìn)氣藉由導(dǎo)管212和冷凝水分離器213輸送到第一進(jìn)氣加壓歧管48。進(jìn)氣壓縮第三級(jí)是第二進(jìn)氣提供裝置162，將處于第二中間進(jìn)氣壓力163下的進(jìn)氣藉由導(dǎo)管214和冷凝水分離器215輸送到第二進(jìn)氣加壓歧管51。進(jìn)氣壓縮機(jī)第四級(jí)是第三進(jìn)氣提供裝置165，將處于高壓151的進(jìn)氣藉由導(dǎo)管216和冷凝水分離器217輸送到進(jìn)氣歧管53。輕質(zhì)產(chǎn)品氧氣流從輕質(zhì)產(chǎn)物歧管71通過導(dǎo)管218輸送，并且基本上保持在高壓下且摩擦壓降小。
圖8的裝置包括能量回收膨脹機(jī)，包括輕質(zhì)回流膨脹機(jī)220(此處包括四級(jí))和逆流排氣膨脹機(jī)221(此處包括兩級(jí))，并且藉由軸222連接到進(jìn)氣壓縮機(jī)201上。各級(jí)膨脹機(jī)例如可以是向內(nèi)徑流式渦輪，具有全進(jìn)氣獨(dú)立葉輪的軸向分級(jí)渦輪，或者與以下圖17-20所示單個(gè)葉輪結(jié)合的部分進(jìn)氣脈沖分級(jí)渦輪。
來自在第一輕質(zhì)回流排放歧管73的輕質(zhì)回流氣體在高壓經(jīng)過導(dǎo)管224和加熱器225流向第一輕質(zhì)壓力下降裝置170，該裝置此時(shí)為第一輕質(zhì)回流分級(jí)膨脹機(jī)，然后在第三回流加壓壓力192下通過導(dǎo)管227流到第一輕質(zhì)回流返回歧管87。來自第二輕質(zhì)回流排放歧管75的輕質(zhì)回流氣體以第一并流排氣壓力171通過導(dǎo)管228和加熱器225流到第二輕質(zhì)回流壓力下降裝置172、即第二級(jí)膨脹機(jī)230，然后以第二輕質(zhì)回流增壓壓力191通過導(dǎo)管231流到第二輕質(zhì)回流返回歧管85。來自第三輕質(zhì)回流排放歧管77的輕質(zhì)氣體以第二并流排氣壓力173通過導(dǎo)管232和加熱器225流到第三輕質(zhì)壓力下降裝置174、即第三級(jí)膨脹機(jī)234，然后以第一輕質(zhì)回流增壓壓力190通過導(dǎo)管235流到第三輕質(zhì)回流返回歧管83。最后，來自在第四輕質(zhì)回流排放歧管79的輕質(zhì)回流氣體以第三并流排氣壓力175通過導(dǎo)管236和加熱器225流到第四輕質(zhì)回流壓力下降裝置176、即第四級(jí)輕質(zhì)回流膨脹機(jī)238，然后基本上以低壓152通過導(dǎo)管239流到第四輕質(zhì)回流返回歧管81。
來自第一逆流排氣歧管57的重質(zhì)逆流排氣以第一逆流排氣中間壓力180通過導(dǎo)管240流到加熱器241，從那兒再流到作為第一排出裝置181的逆流排氣膨脹機(jī)221的第一級(jí)242，并且從膨脹機(jī)以低壓152輸出到排出歧管243。來自第二逆流排氣歧管59的逆流排氣以第二逆流排氣中間壓力182通過導(dǎo)管244流到加熱器241，再從那兒流互作為第二排出裝置183的逆流排氣膨脹機(jī)221的第二級(jí)245，并且基本上以低壓152從膨脹機(jī)輸出到排出歧管243。最后，來自重質(zhì)產(chǎn)物排出歧管61的重質(zhì)氣體通過作為第三排出裝置184的導(dǎo)管246流到排出歧管243，從而將基本上為低壓152的重質(zhì)產(chǎn)物氣體185輸出出口。
加熱器225和241使進(jìn)入膨脹機(jī)220和221的氣體溫度上升，因而擴(kuò)大膨脹能量回收，增加藉由軸222從膨脹機(jī)220和221輸送到進(jìn)氣壓縮機(jī)201的功率，并且減少原動(dòng)機(jī)209所需的功率。同時(shí)，加熱器225和241都是可以向膨脹機(jī)提供熱量的裝置，中間冷卻器203、205和207都是將熱量從進(jìn)氣壓縮機(jī)中熱量去除并作為降低較高壓縮機(jī)級(jí)所需功率的裝置。加熱器和中間冷卻器都是本發(fā)明中可以選擇的特征。
如果輕質(zhì)回流加熱器249以足夠高的溫度工作時(shí)，多級(jí)輕質(zhì)回流膨脹的排放溫度就比進(jìn)氣由導(dǎo)管212、214、216輸送到進(jìn)氣歧管時(shí)高，吸附器24第二端35的溫度可以比其第一端34的溫度高。因此，吸附器沿著流動(dòng)通道具有熱梯度，同時(shí)其第二端的溫度相比第一端高。這是由Keefer在美國(guó)專利4，702，903中介紹的“熱耦合加壓擺動(dòng)吸附”(TCPSA)原理的擴(kuò)展。然后，吸附器轉(zhuǎn)子11起到一熱旋轉(zhuǎn)回?zé)崞鞯淖饔?，就象具有一壓縮機(jī)201和膨脹機(jī)220的回?zé)崾饺細(xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中一樣。由加熱器225提供給PSA工藝的熱量有助于向根據(jù)一回?zé)崾綗釀?dòng)力功率循環(huán)的工藝提供功率，類似于利用壓縮側(cè)上的中間冷卻和膨脹側(cè)上的中間加熱而實(shí)現(xiàn)Ericsson熱動(dòng)力循環(huán)的改進(jìn)回?zé)崾饺細(xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。
在用于將氧氣從空氣中分離出來的PSA實(shí)例中，輕質(zhì)回流總流量比進(jìn)氣流量小得多，因?yàn)槲搅舜罅康牡獨(dú)?。因此，從膨脹機(jī)可回收的功率比壓縮機(jī)所需的功率小得多，但顯然仍可用于提高氧氣生產(chǎn)的效率。通過使吸附器在適度升高的溫度時(shí)工作并且采用諸如Ca-X、Li-X或鈣菱沸石的強(qiáng)選氮吸附劑，一PSA氧氣生產(chǎn)系統(tǒng)可以以很好的性能和異常的效率進(jìn)行操作。雖然吸附劑的高溫將減少氮?dú)馕胶瓦x擇性，但等溫線將更加線性。超大氣壓力PSA周期中的有效工作能力可以通過PCPSA模式中的操作而提高，并且在吸附器中溫度梯度加大。利用諸如Ca-X、Li-X的吸附劑工作，目前一般的實(shí)踐已使大氣溫度PSA在亞大氣壓力的低壓下以所謂的“真空擺動(dòng)吸附”(VSA)操作，這樣高選擇性的吸附劑可以在比氮吸附飽和狀態(tài)低得多的情況下工作，并且在大致為線性的等溫范圍內(nèi)有很大的工作能力。在較高溫度下，氮吸附飽和度移到增加得更多的壓力下，因此，最佳的PSA周期較高和較低壓力還可以向上移動(dòng)。為了使圖8所示裝置滿意地操作，吸附器第二端通常的工作溫度為對(duì)于Ca-X、Li-X而言近似50℃，對(duì)于鈣菱沸石而言近似100℃至150℃。
當(dāng)高能量效率不是最重要時(shí)，多級(jí)輕質(zhì)回流膨脹機(jī)和多級(jí)逆流排氣膨脹機(jī)可以由用于壓力下降的限制孔或節(jié)流閥代替，如圖10所示。圖8示意圖示出了支撐多級(jí)壓縮機(jī)、逆流排氣或多級(jí)排出膨脹機(jī)以及多級(jí)輕質(zhì)回流和將壓縮機(jī)連接到原動(dòng)機(jī)上的單根軸。然而，應(yīng)當(dāng)理解，在本發(fā)明范圍內(nèi)，分開的多根軸、甚至分開的多個(gè)原動(dòng)機(jī)都可用于分開的多級(jí)壓縮和膨脹。
還應(yīng)當(dāng)理解，壓縮級(jí)和膨脹級(jí)的數(shù)量(以及以下圖9實(shí)施例中的真空泵級(jí)數(shù))在本發(fā)明范圍內(nèi)是可以改變的?？傮w上以及對(duì)于所選的壓縮機(jī)或膨脹機(jī)的相等級(jí)效率而言，級(jí)數(shù)多將可提高PSA工藝過程的效率，因?yàn)榈谝缓偷诙咨系牟豢赡婢馀蛎泴⒁暂^窄的壓力間隔進(jìn)行。然而，當(dāng)級(jí)數(shù)較大時(shí)，將使各個(gè)增加級(jí)的效率提高減小。
圖9圖9示出了用于將氧氣從空氣中分開的真空PSA(VPSA)系統(tǒng)。圖6的中間壓力158現(xiàn)在是名義大氣壓。低壓152和高壓151可以分別為大氣壓的0．5和1．5倍。進(jìn)氣壓縮機(jī)第一級(jí)202直接變?yōu)榈谝贿M(jìn)氣裝置進(jìn)氣歧管48。同樣地，壓縮機(jī)第二級(jí)204和第三206分別作為第二進(jìn)氣裝置162和第三進(jìn)氣裝置165工作。為清楚起見省略了冷凝分離器。
一多級(jí)真空泵260由軸222驅(qū)動(dòng)，并且配有輕質(zhì)回流膨脹機(jī)220。真空泵例如可以是一多級(jí)離心或軸向壓縮機(jī)，或者可以通過用于接收多種吸入壓力時(shí)的入口氣體的旋轉(zhuǎn)正排量機(jī)器構(gòu)成。第一級(jí)真空泵261(起到第三排出裝置184的作用)從重質(zhì)產(chǎn)物排出歧管61吸出低壓富含氮的空氣，并且將此氣體經(jīng)過中間冷卻器262以第二逆流排氣壓力182輸送到第二級(jí)真空泵263(起到第二排出裝置182的作用)，該第二級(jí)泵還從第二逆流排氣歧管59中吸收相同壓力的重質(zhì)氣體。從真空泵260排出的混合重質(zhì)氣體與由導(dǎo)管240(起到第一排出裝置181作用)輸出的重質(zhì)氣體混合而形成通過導(dǎo)管243輸送到大氣(與第一逆流排氣壓力相等)中的重質(zhì)產(chǎn)物185。
圖10圖10示出了與圖9類似的VPSA裝置，但具有通過節(jié)流孔270、272、274和276而分別設(shè)置的輕質(zhì)回流壓力下降裝置170、172、174和176。節(jié)流孔可以是固定孔，或者可以是具有一控制執(zhí)行器277的節(jié)流閥以協(xié)調(diào)地調(diào)整其孔口?？刂茍?zhí)行器277可提供用于調(diào)節(jié)各個(gè)輕質(zhì)步驟的壓力下降速度的裝置，這樣工藝過程可以調(diào)節(jié)以在不同周期頻率或較高和較低工作壓力的不同比例下工作。應(yīng)當(dāng)注意，可調(diào)節(jié)的噴嘴(與具有控制器277的可調(diào)節(jié)流類似)還可以用來與用于各級(jí)輕質(zhì)逆流排氣膨脹機(jī)的膨脹渦輪機(jī)連接。
圖11圖11示出了用于接收兩種進(jìn)氣混合物、并對(duì)重質(zhì)產(chǎn)品氣體再壓縮的PSA裝置。一種適當(dāng)?shù)膽?yīng)用可以是從石油精煉廢氣中、例如氫含量為30-70％的一般含有輕質(zhì)碳?xì)錃怏w的氫化處理凈化氣體中回收氫氣。經(jīng)常地，在10-20倍大氣壓范圍內(nèi)較高進(jìn)氣壓力的不同氫氣濃度的幾種廢氣可供利用。采用通常的吸附劑、例如、活性碳或沸石，碳?xì)潆s質(zhì)比氫氣更易被吸附，所以，凈化的氫氣可以是以較高工作壓力輸送的輕質(zhì)產(chǎn)物，該較高工作壓力可以僅略小于進(jìn)氣提供壓力，同時(shí)雜質(zhì)將集中為重質(zhì)產(chǎn)物并且從PSA工藝中作為“PSA尾氣”以較低工作壓力排出。尾氣經(jīng)常被燒去或可用作燃料氣體。
對(duì)于氫氣負(fù)載，正排量膨脹和壓縮機(jī)器(例如雙螺桿機(jī)械)可以是較佳的，因?yàn)樵摎怏w的克分子重量低。根據(jù)本發(fā)明，這些機(jī)械可采用額外的入口和／輸出口以接收和輸送多種中間壓力的氣體。
通過在盡可能低且最好近似大氣壓力的工作壓力下工作，可以大大提高來自精煉廢氣的PSA氫氣回收物的性能和產(chǎn)量(利用在接近大氣溫度下工作的吸附器)。然而，尾氣通常至少在5或6個(gè)大氣壓下輸送，而排出到精煉廠的燃?xì)饷簹夤?。特別是對(duì)于在煉油廠安全約束條件下的可燃燒氣體，用于壓縮的成本可能過高。
圖11的裝置可以構(gòu)成為接收第一和第二進(jìn)氣混合物，第一種具有高濃度的不易被吸附成份(如氫氣)第二種含有比第一種更多的易被吸附餾分。第一種進(jìn)氣基本上在較高工作壓力下藉由第一輸入導(dǎo)管280輸送到第一進(jìn)給歧管53，而第二種進(jìn)氣基本上以較高工作壓力由第二輸入導(dǎo)管281輸送到第二進(jìn)氣歧管55。各吸附器在接收第一種進(jìn)氣之后可接收第二種進(jìn)氣，這樣吸附器中的濃度曲線沿著其流動(dòng)通道從吸附器單元24中的流動(dòng)通道第一端34至第二端35在易被吸附成份濃度方面單調(diào)地傾斜。幾乎在此僅最終加壓步驟用輕質(zhì)回流氣體實(shí)現(xiàn)。當(dāng)各吸附器的第一端通向與歧管53連通的腔52時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最終進(jìn)氣加壓(從第三輕質(zhì)回流增壓壓力192直接到較高壓力151)。如圖8實(shí)施例一樣，可以方便地結(jié)合附加進(jìn)氣加壓步驟。
在此實(shí)施例中，尾氣(重質(zhì)產(chǎn)物)從第二產(chǎn)物輸送導(dǎo)管以高于低工作壓力的一較高壓力輸出，在此例中該壓力近似圖6中以導(dǎo)管240作為第一排出裝置181的第一逆流排氣壓力180。尾氣由尾氣壓縮機(jī)290再壓縮，并且壓縮機(jī)第一級(jí)291作為第三排出裝置184而將經(jīng)過導(dǎo)管246來自排出歧管61的第一產(chǎn)物氣體再壓縮，同時(shí)在第一級(jí)壓縮之后將第一產(chǎn)物氣體經(jīng)過中間冷卻器292輸送到壓縮機(jī)第二級(jí)293，該壓縮機(jī)本身是壓縮經(jīng)過導(dǎo)管244來自歧管59的第二逆流排氣氣體的第二排出裝置。
圖12圖12示出了PSA裝置，該裝置利用重質(zhì)回流可以獲得高濃度和純度的易被吸附成份成為重質(zhì)產(chǎn)物，或者獲得高收獲率(回收率)的不易被吸附成份成為輕質(zhì)產(chǎn)物。此裝置還可構(gòu)成為以增高的壓力輸送重質(zhì)產(chǎn)物，即在此是近似較高工作壓力，這樣兩種產(chǎn)物氣體都可在大致較高壓力下輸送。
圖12的裝置具有輸入導(dǎo)管300以將較高壓力下的進(jìn)氣引到第一進(jìn)氣歧管53。如圖11中的例子，吸附器加壓主要是通過輕質(zhì)回流以最終進(jìn)氣加壓步驟經(jīng)過歧管53而實(shí)現(xiàn)的。
多級(jí)重質(zhì)回流壓縮機(jī)301具有作為圖7中的第三排出裝置184的第一級(jí)302，以通過導(dǎo)管246從第一產(chǎn)物排出歧管61吸出重質(zhì)氣體，并且將此氣體經(jīng)過中間冷卻器303壓縮到第二級(jí)304。作為第二排出裝置183的重質(zhì)回流壓縮機(jī)第二級(jí)304還將重質(zhì)氣體從第二逆流排氣歧管59經(jīng)過導(dǎo)管244吸出，并且通過中間冷卻器305將此氣體輸送到第三級(jí)306，該第三級(jí)作為第一排出裝置181的還從第一逆流排氣歧管57經(jīng)過導(dǎo)管240吸出重質(zhì)氣體，并且通過中間冷卻器307將此氣體送到第四級(jí)308，該第四級(jí)可實(shí)現(xiàn)PSA周期的較高工作壓力。重質(zhì)回流壓縮機(jī)由初原動(dòng)機(jī)209經(jīng)過軸210、以及通過輕質(zhì)回流膨脹機(jī)220經(jīng)軸309而被驅(qū)動(dòng)。
被壓縮的重質(zhì)氣體藉由導(dǎo)管310從壓縮機(jī)第四級(jí)308送到冷凝分離器311，從該處重質(zhì)產(chǎn)物由導(dǎo)管312輸送，該導(dǎo)管在外部保持在基本上較高壓力減去摩擦壓降。被冷凝的蒸氣(如水或液態(tài)碳?xì)?通過導(dǎo)管313以與導(dǎo)管312中重質(zhì)產(chǎn)物基本上相同的壓力去除。在去除第一產(chǎn)物氣體之后，剩余的重質(zhì)氣體流由導(dǎo)管314流到第二進(jìn)氣歧管55中，作為各吸附器的各進(jìn)氣步驟之后重質(zhì)回流到達(dá)各吸附器。重質(zhì)回流氣體是第二種進(jìn)氣，并且易被吸附成份或餾份的濃度高于第一種進(jìn)氣。
圖13圖13示出了一PSA裝置，具有一自由轉(zhuǎn)子尾氣壓縮機(jī)或真空泵，并且由與多級(jí)渦輪增壓器類似的能量回收膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)。自由轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)320在軸321上包括尾氣壓縮機(jī)322(或真空泵322，當(dāng)?shù)蛪菏堑陀诖髿鈮簳r(shí))，該壓縮機(jī)是第三排出裝置184，以將重質(zhì)產(chǎn)物氣體或尾氣從排出歧管61吸出。在此例中，重質(zhì)氣體從導(dǎo)管243以第二逆流排氣壓力182排出，該壓力是高于較低壓力的。壓力182可以是大氣壓，在此情況下第三排出裝置是一真空泵。導(dǎo)管244是第二排出裝置183。第一排出裝置181是連接到自由轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)320的軸321上的膨脹機(jī)323。膨脹機(jī)323可使從歧管57經(jīng)過導(dǎo)管240和可選擇的加熱器241流出的重質(zhì)氣體膨脹，并且將此氣體釋放到排出導(dǎo)管243中。
輕質(zhì)回流膨脹機(jī)220和逆流排氣膨脹機(jī)323兩者通過軸321連接以驅(qū)動(dòng)尾氣壓縮機(jī)322，而不需要其它的機(jī)械動(dòng)力源。能量回收的應(yīng)用(從輕質(zhì)回流和逆流排氣中回收)可具有降低較低壓力以提高PSA(VPSA)周期性能或者提高第一產(chǎn)物輸送壓力、就象例如尾氣處理可能所需的那樣、以及不需一由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮等優(yōu)點(diǎn)。這一特點(diǎn)可對(duì)氫分離是特別有用的，此時(shí)降低低壓明顯改善性能，同時(shí)可能需要增大的尾氣壓力。另外，一氫氣PSA系統(tǒng)可以以低于(亞)大氣壓力下操作，同時(shí)尾氣以明顯高于大氣壓的壓力下排出以在一點(diǎn)燃裝置或爐中燃燒。
圖14圖14示出了采用一自由轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)或渦輪增壓器的另一實(shí)施例。在此實(shí)施例中，是應(yīng)用于從空氣中分離氧氣的，一電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的第一進(jìn)氣壓縮機(jī)330由初級(jí)原發(fā)動(dòng)機(jī)209通過軸210驅(qū)動(dòng)。多級(jí)進(jìn)氣壓縮采用與圖8相同的術(shù)語和標(biāo)號(hào)，進(jìn)氣壓縮機(jī)330包括在由電動(dòng)機(jī)209驅(qū)動(dòng)的軸210上的進(jìn)氣壓縮第一級(jí)202和第三級(jí)206。自由轉(zhuǎn)子第二壓縮機(jī)340包括在軸222上、由逆流排氣膨脹機(jī)221和經(jīng)過軸222的輕質(zhì)回流膨脹機(jī)220驅(qū)動(dòng)的進(jìn)氣壓縮第二級(jí)204和第四級(jí)208。此結(jié)構(gòu)能夠使一由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的少數(shù)級(jí)(此處為2級(jí))進(jìn)氣壓縮機(jī)工作而使具有多種進(jìn)氣提供壓力(此處是圖6所示的三個(gè)壓力161、163和151)的PSA周期工作，因?yàn)樽杂赊D(zhuǎn)子壓縮機(jī)具有雙功能，即作為通過熱增壓的膨脹能量回收應(yīng)用而使進(jìn)氣壓力增加的裝置，以及作為將級(jí)中間壓力分離以提供到PSA組件的裝置。
圖15圖15示出了具有4個(gè)平行組件的VPSA氧氣發(fā)生工廠，各組件具有由能量回收膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)的一自由轉(zhuǎn)子增壓壓縮機(jī)，并且整套設(shè)備只具有一個(gè)原動(dòng)機(jī)350，該原動(dòng)機(jī)例如可以是電動(dòng)機(jī)或燃?xì)鉁u輪機(jī)。原動(dòng)機(jī)350可驅(qū)動(dòng)軸352上的第一進(jìn)氣壓縮機(jī)351。進(jìn)氣壓縮機(jī)351具有第一級(jí)353，它可將進(jìn)氣從輸入導(dǎo)管200吸出，以及一第三級(jí)354。進(jìn)氣壓縮的第二級(jí)由各組件的自由轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)。此實(shí)施例中的第一進(jìn)氣壓縮機(jī)351還包括一排出真空泵355，它也連接到軸352上。
該工廠包括四套相同的組件10、10B、10C和10D。在圖15和16中，部件術(shù)語和標(biāo)號(hào)與圖1-14中所用的一致，并且對(duì)于組件部件在標(biāo)號(hào)上加上后綴A至D，可以在其它各個(gè)組件中找出與任一組件上用標(biāo)號(hào)這樣標(biāo)識(shí)的各部件相同的部件。第一歧管都用標(biāo)號(hào)標(biāo)識(shí)成對(duì)于組件10D是48D和51D指進(jìn)氣增壓，53D用于高壓下進(jìn)氣提供，57D和59D指逆流排氣，以及61D指較低壓下排出。第二歧管都用標(biāo)號(hào)標(biāo)識(shí)成對(duì)于組件10C是71C連到輕質(zhì)產(chǎn)物輸送歧管360和輸送導(dǎo)管218，輕質(zhì)回流排出歧管73C、75C、77C和79C，以及輕質(zhì)返回歧管81C、83C、85C和87C。
參照組件10B描述各組件的相同自由轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)。自由轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)裝置370B包括進(jìn)氣壓縮第二級(jí)371B和真空泵372B，兩者由軸373B連接到輕質(zhì)回流膨脹機(jī)220B上。由進(jìn)氣壓縮機(jī)第一級(jí)353壓縮的進(jìn)氣由平行于各組件的第一進(jìn)氣增壓歧管(例如48D)的進(jìn)氣歧管376傳遞到各組件的自由轉(zhuǎn)子壓縮裝置(例如370B)的進(jìn)氣壓縮第二級(jí)(例如371B)的入口，各組件進(jìn)一步將壓縮進(jìn)氣增壓氣體輸送到各組件的第二進(jìn)氣增壓歧管(例如51D)。由進(jìn)氣壓縮第三級(jí)354壓縮到較高壓力的進(jìn)氣由平行于各組件的第一進(jìn)氣提供歧管(例如53D)的進(jìn)氣歧管377傳遞。在較低壓力下的重質(zhì)氣體從各組件的重質(zhì)腔(例如61D)經(jīng)過真空排出歧管378吸到作用第三排出裝置的排出真空泵355。來自各組件的第一逆流排氣歧管(例如57D)的逆流排氣由例如作為第一排出裝置的導(dǎo)管240B輸出，同時(shí)來自在各組件的第二逆流排氣支管(例如59D)的逆流排放氣體由作為第二排出裝置的自由轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)裝置的真空泵(例如372B)排出，并且將重質(zhì)尾氣輸送到組件重質(zhì)產(chǎn)物或廢氣排出裝置、例如243B。
圖16圖16示出了具有5個(gè)組件10A-10E的PSA裝置。在此實(shí)施例中，與圖8實(shí)施例和部件描述中所述一樣，原動(dòng)機(jī)、所有壓縮機(jī)級(jí)以及所有級(jí)膨脹機(jī)都直接地以機(jī)械方式連接(例如連接在一根軸上)，不同點(diǎn)僅是多個(gè)組件是平行連接的。
圖17在此例中，密封面21和23分別由第一和第二閥定子40和41上的有開口的、經(jīng)表面硬化處理的表面構(gòu)成?；瑒?dòng)密封件380設(shè)置在各吸附器24和其相鄰吸附器之間的轉(zhuǎn)子11上，以流體密封接觸方式配合兩個(gè)密封面21和23。密封件380可具有一基于PTFE或碳成份復(fù)合材料的磨損面，并且應(yīng)當(dāng)順從地安裝在轉(zhuǎn)子11上以補(bǔ)償磨損、變形和不對(duì)準(zhǔn)。開口381的尺寸，特別是在各腔室的前邊處，加工為可提供受控制節(jié)流，當(dāng)各吸附器依次通向該腔室時(shí)，可使吸附器和該腔之間的壓力平滑地過渡到相等。
分流真空泵260可接收逆流排氣并且將分成三股從逆流排氣腔56、腔58和腔60中收到的處于增量逐級(jí)減少壓力的廢氣流排出?；旌系膹U氣流作為重質(zhì)產(chǎn)物氣體輸出。在此例中，開始進(jìn)氣增壓是從大氣壓進(jìn)行的，這樣一第一進(jìn)氣加壓導(dǎo)管382可使輸入空氣直接從入口過濾器200進(jìn)入基本上處于大氣壓下的第一進(jìn)氣加壓腔46。進(jìn)氣壓縮機(jī)201的第一輸出口現(xiàn)在與第二進(jìn)氣加壓腔50連通。所示的壓縮機(jī)作為一帶有入口391、三個(gè)增量逐級(jí)高壓出口392、393和394的分階機(jī)械。
在具有能量回收的輕質(zhì)回流壓力減少方案中，設(shè)有一分流輕質(zhì)回流膨脹機(jī)220以提供并有能量回收的四個(gè)輕質(zhì)回流階段的壓力下降。輕質(zhì)回流膨脹機(jī)可為如圖所示的四個(gè)輕質(zhì)回流階段各自提供壓力下降。如虛線395所示，這些階段可以在輕質(zhì)回流膨脹機(jī)中隨意劃分以減少這些階段之間氣體濃度的混合。輕質(zhì)產(chǎn)物純度將從高壓的輕質(zhì)回流階段向低壓的那些階段下降，這樣只要避免混合就可保持輕質(zhì)回流的所需分層作用。
輕質(zhì)回流膨脹機(jī)220由軸397連接直接驅(qū)動(dòng)輕質(zhì)產(chǎn)品壓力增壓壓縮機(jī)396。壓縮機(jī)396從腔室70接受輕質(zhì)產(chǎn)品，并從輸送管218輸送輕質(zhì)產(chǎn)品(壓縮到高于PSA循環(huán)中較高壓力的輸送壓力以上)。由于輕質(zhì)回流及輕質(zhì)產(chǎn)品均為大致同樣純度的加濃氧氣流，膨脹機(jī)220及輕質(zhì)產(chǎn)品壓縮機(jī)396可以密封地封裝在一個(gè)單獨(dú)機(jī)殼內(nèi)，像一個(gè)渦輪增壓器一樣。
圖18圖18示出了一徑向流旋轉(zhuǎn)PSA組件500，用于生產(chǎn)(成噸的)工業(yè)用氧。參見圖18，該視圖可以認(rèn)為是高壓腔54和70以及低壓腔80和60的軸向截面圖。箭頭501和502分別表示輸入和輸出流。轉(zhuǎn)子11具有一第一端板510，并且具有通過第一軸承罩513中的軸承512所支撐的短軸511，該罩是與第一閥定子40成一體的。轉(zhuǎn)子11以安裝接頭514安裝到第二端板515上，并且短軸516由第二軸承罩518中的軸承517支撐，該罩在安裝接頭519處安裝到第一閥定子40上。
轉(zhuǎn)子11藉由電動(dòng)機(jī)95驅(qū)動(dòng)，該電動(dòng)機(jī)由伸過罩513、經(jīng)過軸密封件522的軸94而連接到短軸511上。第一端板510沒有穿孔，否則由于從第一閥表面向第二閥表面的泄漏，這些穿孔會(huì)危及輕質(zhì)產(chǎn)物氣體的純度。第二端板515在襯套530處被第二閥定子穿過。第二閥定子41是轉(zhuǎn)子11中的一靜止樞軸，且具有導(dǎo)向襯套530和532，同時(shí)在組件面534處安裝到第二軸承罩518上。軸承512和517直徑可以比密封面21處的轉(zhuǎn)子11外徑小得多。一軸密封件535設(shè)置在軸516和517之間，以防止污染輕質(zhì)產(chǎn)物氣體的雜質(zhì)從靠近第一閥密封面21的腔536漏到第二閥密封面23的腔537。
較佳地，密封件535是緊密防漏的，這樣不會(huì)危及產(chǎn)物純度。通過使此密封件的直徑小于閥密封面，從軸密封件535產(chǎn)生的摩擦力矩比此密封件處于整個(gè)定子直徑的情況下大大減小。經(jīng)過第一閥表面中的密封件泄漏就很不重要，因?yàn)榻?jīng)過那些密封件的適當(dāng)泄漏只會(huì)減少工藝過程的容積效率。類似的，在第二閥面中、經(jīng)過密封件的適度泄漏可以被允許，因?yàn)檩p質(zhì)回流氣的濃度和經(jīng)過那些密封件泄漏的輕質(zhì)產(chǎn)物氣體幾乎是一樣的。因?yàn)榈谝婚y表面中、經(jīng)過密封件的適度泄漏(包括圓周密封件96)以及經(jīng)過第二閥表面的密封件的適度泄漏(包括圓周密封件97)都是可以接受的，所以所有那些密封件可以設(shè)計(jì)成具有相對(duì)較輕的機(jī)械配合以使摩擦力矩最小。實(shí)際上，窄間隙密封件或具有零機(jī)械磨擦的迷宮式密封件對(duì)于高周期頻率(例如每分鐘50或100周)的大容量組件操作是一種特別有吸引力的方案，其時(shí)密封件泄漏流對(duì)總體效率的影響最小。較佳地，第一和第二閥表面中的密封件具有一致的性能和泄漏率，因此所有“N”吸附器經(jīng)歷相同的PSA周期流和盡可能接近的壓力狀況，而不會(huì)受到吸附器之間泄漏變量的破壞。
因此本發(fā)明的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是僅在一個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)旋密封件、即軸密封件535上需要緊公差密封，該軸密封件的直徑制成為比轉(zhuǎn)子直徑小得多以減少密封周長(zhǎng)以及機(jī)械摩擦功率損失。對(duì)于給定的旋轉(zhuǎn)密封件截面和負(fù)荷，在給定RPM(轉(zhuǎn)速)下的磨損功率損失與密封面直徑平方成正比。
由于如上對(duì)圖18所述的“渦輪壓縮機(jī)”氧氣增壓器緊湊度(與自動(dòng)車渦輪增壓機(jī)類似)，所以可以將具有緊配合輕質(zhì)產(chǎn)物壓縮機(jī)396的分流輕質(zhì)回流膨脹機(jī)220安裝在輕型閥定子內(nèi)。被壓縮的氧氣產(chǎn)物由導(dǎo)管218輸送。
圖19圖19示出了用于小批量生產(chǎn)氧氣的軸向流旋轉(zhuǎn)PSA組件600。在吸附器24中的流動(dòng)通道在此與軸線601平行。從圖20、21和22中可以獲得更好的理解，它們都是組件600分別由箭頭602-603、604-605以及606-607所指平面中的軸向截面。圖19是組件600在高壓腔54和70以及低壓腔60和80的軸向截面。吸附器轉(zhuǎn)子11包括在吸附器輪608中的“N”個(gè)吸附器24，并且在第一閥定子40以及第二閥定子41之間回轉(zhuǎn)。被壓縮的進(jìn)氣如箭頭501所指輸送到腔54中，而富含氮的廢氣從腔室60如箭頭502所指地排出。
在轉(zhuǎn)子11端部，圓周密封件608和609包住第一密封面21，圓周密封件610和611包住第二密封面23。密封面都是平盤狀的。圓周密封件還構(gòu)成了吸附器之間的密封件端，或者定子腔室之間密封面的動(dòng)態(tài)密封件。轉(zhuǎn)子11具有由第一軸承罩513中軸承512支撐的短軸511，該罩與第一閥定子40成一體。第二閥定子41具有使定子11與導(dǎo)向襯套612配合的短軸。
一有凸緣的蓋板615用于第一閥定子40主第二閥定子41之間的結(jié)構(gòu)連接和流體密封蓋。轉(zhuǎn)子11包括在接頭619處安裝到吸附器輪608上的密封件座618，并且在第二閥定子41背面和蓋板615之間延伸以密封與動(dòng)態(tài)密封件625接觸的密封面621。密封件625可防止輕質(zhì)產(chǎn)物氣體被從靠近第一閥密封面21的腔626漏向靠近第二閥密封面23的腔627的雜質(zhì)所污染。
密封件625需要緊密地防止泄漏，否則會(huì)危及產(chǎn)物純度。由于此密封件直徑小于閥面外徑，此密封件的摩擦力矩大大小于如果此密封件等于整個(gè)轉(zhuǎn)子直徑。還可減小可能發(fā)生泄漏的圓周長(zhǎng)度。如圖18所示，輕質(zhì)回流壓力下降裝置、即圖示為具有緊密耦合的輕質(zhì)產(chǎn)物壓縮機(jī)396的分流輕質(zhì)回流膨脹機(jī)220可以安裝在輕型閥定子內(nèi)部。
圖20圖20示出了具有雙吸附器輪的軸向流旋轉(zhuǎn)PSA組件650。第一吸附器輪608采用與圖19中相同的標(biāo)號(hào)，加上撇號(hào)“ ’”的標(biāo)號(hào)用于第二吸附器輪608’，它們組裝在一起作為轉(zhuǎn)子11。組件650具有兩個(gè)第一閥表面21和21’，各自具有一整套進(jìn)氣輸入和第二產(chǎn)物排出腔。外部歧管用于將輸入流體輸送到各對(duì)進(jìn)氣腔并且將廢氣從各對(duì)排出腔吸出。組件650具有兩個(gè)第二閥表面23和219’，它們共享一組輕質(zhì)產(chǎn)物輸送、輕質(zhì)回流退出和返回以及驅(qū)氣腔室。箭頭651表示腔室221中的流向，箭頭652表面腔室70中的流向。
轉(zhuǎn)子11由連接到第一吸附器輪608上的軸94驅(qū)動(dòng)。吸附器輪408和608’安裝在接頭655處。圖19中具有凸緣的蓋板615在此由用于第二吸附器輪608’的第一閥定子40’代替，以起到連接第一閥定子40和第二閥定子41的作用以形成用于組件的封閉罩殼。一小直徑動(dòng)態(tài)密封件660安裝成靠近襯套612’處，以防止第一和第二閥表面之間的泄漏。
與單輪實(shí)施例600相比，由于有雙軸向輪結(jié)構(gòu)，故實(shí)施例650能夠?qū)崿F(xiàn)雙倍的額定容量。
圖21圖21示出了圖19實(shí)施例600的第一閥表面21、即在斷面602-603處，并且與一分流進(jìn)氣壓縮機(jī)201和一分流逆流排氣膨脹機(jī)221的流體連接。箭頭670表示吸附器轉(zhuǎn)子11的旋轉(zhuǎn)方向。閥表面21向進(jìn)氣和排氣腔的開口面積由空白的角度區(qū)域46、50、52、56、58、60表示，即與圓周密封件608和609之間的那些腔室對(duì)應(yīng)。這些腔室之間的閥表面21的封閉面積由剖面陰影線扇區(qū)675和676表面。典型的封閉扇區(qū)675可為通向腔室56和腔室58之間的一吸附器提供過渡。在腔室的前邊677和678處有漸次的開口，以實(shí)現(xiàn)吸附器通向一新腔室時(shí)柔和的壓力均等化。還設(shè)有更寬的封閉扇區(qū)(例如676)，當(dāng)從另一端執(zhí)行增壓或下降時(shí)，以基本上封住流向或從吸附器一端流來的流體。
通過使轉(zhuǎn)子或定子上密封件對(duì)著相對(duì)定子或轉(zhuǎn)子上的一開口硬表面密封抵觸面摩擦，或者通過使定子窄間隙密封件具有由名義封閉表面的剖面陰影面積所構(gòu)成窄密封間隙面積，可在典型封閉扇區(qū)(例如675)處的腔室之間實(shí)現(xiàn)密封。磨擦密封件可設(shè)置成為徑向帶密封件，并且具有諸如適當(dāng)PTFE化合物或石墨之類的自潤(rùn)滑固體材料，或作為刷子密封件，其中一由柔順纖維緊密捆扎成的刷子在抵觸面上摩擦。
當(dāng)磨擦密封件在轉(zhuǎn)子上時(shí)(在相鄰吸附器之間時(shí))，剖視陰影扇區(qū)675和676將是定子上的硬表面密封抵觸面的無開口部分。當(dāng)磨擦密封件在定子上時(shí)，開口的硬表面抵觸面在轉(zhuǎn)子閥表面上。那些磨擦密封件可以作為窄封閉扇區(qū)(例如675)的整個(gè)扇區(qū)帶。對(duì)于較寬的封閉扇區(qū)(例如676)，可用窄徑向磨擦密封件作為邊678和679，并且與跨越此寬扇區(qū)的整個(gè)面積磨擦配合相比，在那些邊之間間隔處以減少摩擦。
對(duì)于有非常多的“N”個(gè)平行吸附器的大型組件來說，間隙密封件是有吸引力的。根據(jù)吸附器角度位置，流到或來自間隙的泄漏排出系數(shù)是變化的，因而可提供所需的柔和壓力均等化。間隙的幾何形狀最好呈典型的名義封閉扇區(qū)(例如675)，這樣間隙中的泄漏大多數(shù)用于吸附器壓力均等，因而可使腔室之間的通過泄漏最小。間隙在這些扇區(qū)675中可以是傾斜的以使朝著腔室打開的間隙變寬，這樣壓力均等中的壓力改變速度接近于直線。對(duì)于寬的封閉扇區(qū)(例如676)，間隙最好相對(duì)窄一些以使經(jīng)過那些扇區(qū)的吸附器端部處的流量最小。
對(duì)于上述的所有類型閥表面密封件，較佳地，在整個(gè)過程可以獲得一致的性能，并且“N”個(gè)吸附器在由自密封缺陷引起的所有擾動(dòng)之后經(jīng)歷相同的流量圖形。這一考慮有助于將磨擦密封件置于定子上，這樣所有吸附器經(jīng)歷任何缺陷都是類似的。當(dāng)密封件安裝在吸附器之間的轉(zhuǎn)子上時(shí)，較佳地，它們是完全相同的并且非?？煽恳员苊庀噜徫狡髦g的破壞泄漏。
為了補(bǔ)償密封件和軸承的不對(duì)準(zhǔn)性、熱變形、結(jié)構(gòu)偏移和磨損，密封系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有適當(dāng)?shù)淖詫?duì)準(zhǔn)懸浮。因而，磨擦密封件或間隙密封件構(gòu)件可支撐在彈性支撐件、波紋管或薄膜上以提供與動(dòng)態(tài)密封構(gòu)件后面的靜態(tài)密封的自對(duì)準(zhǔn)懸浮。通過彈性預(yù)載和氣體壓力負(fù)載的組合可激勵(lì)磨損密封件成為密封接觸。
間隙密封件需要精度極高的間隙控制，這可以是由摩擦導(dǎo)向件實(shí)現(xiàn)。間隙密封件間隙控制也可以由一被動(dòng)懸浮實(shí)現(xiàn)，其中由間隙密封區(qū)中氣體壓力和承載該區(qū)域后面懸浮的相鄰腔室壓力之間的平衡可保持適當(dāng)?shù)拈g隙。對(duì)于排氣腔室之間密封構(gòu)件而言，簡(jiǎn)單的被動(dòng)自調(diào)整懸浮應(yīng)當(dāng)是穩(wěn)定的。主動(dòng)控制構(gòu)件也可以用來調(diào)節(jié)間隙密封件間隙，并且有由直接間隙高度測(cè)量或間隙中壓力梯度的反饋。主動(dòng)控制可以認(rèn)為是用于加壓腔之間的密封構(gòu)件，對(duì)此這種情況簡(jiǎn)單的被動(dòng)控制是不穩(wěn)定的。
圖22圖22示出了圖19中實(shí)施例600的第二閥表面23，即截面604-605，并且具有連接分流輕質(zhì)回流膨脹機(jī)220和輕質(zhì)產(chǎn)物增壓壓縮機(jī)396的流體連接。流體密封原理和可采用的方案與圖21中的類似。類似的原理和可采用方案可應(yīng)于徑向流和軸向流幾何形狀、即可分別密封在圓柱形或盤形面上。
圖23如圖5所示用于徑向流情況一樣，吸附器輪608可采用吸附劑疊層的徑向?qū)?zhǔn)矩形平疊層。圖23示出了圖19實(shí)施例的另一吸附器輪結(jié)構(gòu)，即截面606-607。如圖5中一樣，吸附器24再形成具有隔離件的矩形吸附劑疊層，但在此各層吸附劑層是彎曲的而不是平的。由于這一結(jié)構(gòu)，閥表面21和23中的開口和密封件理想地構(gòu)成為對(duì)應(yīng)的彎曲弧。圓形彎曲吸附器疊層之間的空隙由分離件684填充。這一圓形彎曲吸附器疊層可以通過使吸附劑層與隔離件在一圓柱形心軸上形成一螺旋輥而制成，然后將螺旋輥縱向切割以獲得所需的疊層。通過將吸附劑層形成為螺旋形而不是圓弧形，疊層密度可以進(jìn)一步改善。
圖24-27圖24示出了具有脈沖式渦輪膨脹機(jī)的、用于輕質(zhì)回流和逆流排氣的多級(jí)離心壓縮機(jī)400，即構(gòu)成為具有圖8所示的進(jìn)氣壓縮機(jī)級(jí)202、204、206和208，逆流排氣膨脹級(jí)242和245，以及輕質(zhì)回流膨脹機(jī)級(jí)226、230和238。原動(dòng)機(jī)209可驅(qū)動(dòng)軸402，該軸由軸線406上的軸承404和405支撐在壓縮機(jī)罩殼403中。軸402可承載壓縮機(jī)第一級(jí)葉輪411、第二級(jí)葉輪412、第三級(jí)葉輪413和第四級(jí)葉輪414、排出脈動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)輪415和輕質(zhì)回流脈動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)輪416。
來自PSA工廠入口200的進(jìn)氣進(jìn)入吸氣口420、到吸氣渦殼421再到葉輪411的入口422。葉輪411將空氣排到第一級(jí)擴(kuò)散器425和第一級(jí)集氣渦殼426，它可將第一級(jí)被壓縮空氣輸送到第二級(jí)葉輪412的入口。葉輪412將空氣排出到第二級(jí)擴(kuò)散器430和第二級(jí)集氣渦殼431，從該第二級(jí)輸出口432輸出一部分進(jìn)氣以作為處于第二級(jí)壓力的加壓氣體到達(dá)導(dǎo)管212。類似地，進(jìn)氣由第三和第四級(jí)葉輪413和414壓縮，處于第三級(jí)壓力的空氣從與導(dǎo)管214連通的第三級(jí)輸出口436、以及處于第四級(jí)壓力的空氣從第四級(jí)輸出口440被輸出。
多級(jí)離心壓縮機(jī)400可構(gòu)成圖8所示進(jìn)氣壓縮機(jī)201的多級(jí)。多級(jí)真空泵、如圖9實(shí)施例中所需的，可以類似地由傳統(tǒng)離心級(jí)構(gòu)成。對(duì)于大型多組件工廠，例如圖16所述的，輸出和輕質(zhì)回流膨脹機(jī)渦輪可由多級(jí)徑向內(nèi)流渦輪器構(gòu)成，其各級(jí)結(jié)構(gòu)與圖24所示的離心級(jí)機(jī)械結(jié)構(gòu)類似。在較大工廠中，采用全進(jìn)入口軸向渦輪級(jí)可以作為膨脹級(jí)，就與氣體渦輪似。
對(duì)于較小工廠容量的優(yōu)點(diǎn)是，通過采用局部進(jìn)入脈沖渦輪來實(shí)現(xiàn)逆流排氣和輕質(zhì)回流膨脹，可在圖24-27實(shí)施例中獲得相當(dāng)簡(jiǎn)單的效果，即各膨脹機(jī)級(jí)在一個(gè)運(yùn)行葉輪上只點(diǎn)對(duì)應(yīng)渦輪機(jī)的一扇形弧段。由于各渦輪膨脹氣體貫穿相鄰壓力間隔的成份很相似，故這一措施是很實(shí)用的。
圖25是圖24中由箭頭451和452所示的一個(gè)截面，即跨越輕質(zhì)回流脈動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)輪416的平面。圖24是圖25中由箭頭453和454所示平面上的截面。轉(zhuǎn)輪416繞軸線406沿箭頭455所示方向轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)輪416具有安裝于邊緣的輪葉456。圖26是輕質(zhì)回流膨脹機(jī)脈沖渦輪機(jī)的投影圖，即圍繞如圖25中端459和460的點(diǎn)之間劃線圓458所示脈沖渦輪機(jī)周長(zhǎng)作360°展開。
輕質(zhì)回流渦輪機(jī)具有四個(gè)噴嘴，以起到轉(zhuǎn)輪的四個(gè)90°弧區(qū)作用，以提供四個(gè)膨脹級(jí)，包括接收來自與導(dǎo)管224連通的開口462的流體的第一噴嘴461，接收來自與導(dǎo)管228連通的開口464的流體的第二噴嘴463，接收來自與導(dǎo)管232連通的開口466的流體的第三噴嘴465，以及接收來自與導(dǎo)管236連通的開口468的流體的第四噴嘴467。
來自噴嘴461的第一級(jí)輕質(zhì)回流流體沖擊輪葉456，并且收集在擴(kuò)散器471中且在壓力降低的情況下從連通到導(dǎo)管227的開口472排出。類似地，來自噴嘴463的輕質(zhì)回流流體收集在擴(kuò)散器475中并且由開口476流到導(dǎo)管235，來自噴嘴467的輕質(zhì)回流流體收集在擴(kuò)散器477中并且從開口478流到導(dǎo)管239。為了使級(jí)間泄漏損失最小，外殼403和轉(zhuǎn)輪416輪葉456之間的通道間隙479在90度弧區(qū)之間最好是較窄的。
排出膨脹機(jī)渦輪機(jī)或逆流排氣膨脹機(jī)渦輪具有兩級(jí)。其截面結(jié)構(gòu)與圖25所示類似，只是兩個(gè)排出級(jí)需要有兩個(gè)而不是四個(gè)噴嘴和擴(kuò)散器。圖27是用于輕質(zhì)回流渦輪機(jī)的、由點(diǎn)劃線圓458所示排出渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪415的展開投影、排氣渦輪在轉(zhuǎn)子415上有葉片480。噴嘴481可從與導(dǎo)管240連通的開口482接收第一逆流排氣流，而噴嘴483可從與導(dǎo)管244連通的開口484接收第二逆流排氣流。噴嘴481和483具有導(dǎo)向翼片485和486，并且將逆流排氣流引到?jīng)_擊在渦輪機(jī)415相對(duì)半個(gè)扇區(qū)中的輪葉480上。在由輪葉480偏轉(zhuǎn)之后，來自噴嘴481的膨脹流收集在擴(kuò)散器491中，并且傳遞到收集器環(huán)歧管492中。來自噴嘴483的流體同樣地經(jīng)過輪葉480并且收集在連接歧管492的擴(kuò)散器493中以通過連接到輸出器243上的排出口494送出混合的低壓排出流體。
圖28圖28示出了三級(jí)軸向流分流壓縮機(jī)700。如現(xiàn)有技術(shù)中在多級(jí)軸向流壓縮機(jī)或膨脹機(jī)的多級(jí)之間使少量排放流體變向一樣，壓縮機(jī)700具有嵌套的環(huán)形擴(kuò)散器以將來自多級(jí)之間主流的較大中間流體分成幾分之一。
壓縮機(jī)700可表示圖4的分流壓縮機(jī)201，并且具有一帶進(jìn)氣入口391、第一輸出口392、第二輸出口393和第三輸出口394的渦卷罩殼701。轉(zhuǎn)子702由軸承703和704支撐，并且軸密封件705和706在罩殼701內(nèi)，轉(zhuǎn)子由電動(dòng)機(jī)209通過軸210驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)子可支撐第一級(jí)轉(zhuǎn)子輪葉711、第二級(jí)轉(zhuǎn)子輪葉712和第三級(jí)轉(zhuǎn)子輪葉713。
罩殼701包括一將來自入口391的進(jìn)氣分配到環(huán)形進(jìn)氣空間722上的入口渦卷721，并且流動(dòng)方向由箭頭723表示。進(jìn)氣流熱含量由第一級(jí)輪葉711增加，因?yàn)橛砂惭b在第一級(jí)定子環(huán)725中的第一級(jí)定子輪葉724返回靜態(tài)壓力。進(jìn)氣熱含量進(jìn)一步由第二級(jí)輪葉712增加，因?yàn)榘惭b在第二級(jí)定子環(huán)727中的第二級(jí)定子輪葉726返回靜態(tài)壓力；以及最后由第三級(jí)輪葉713增加，因?yàn)橛砂惭b在第三級(jí)定子不729中的第三級(jí)定子葉片728返回殂靜態(tài)壓力。
第二級(jí)定子環(huán)727具有一小于第一級(jí)定子環(huán)725的直徑，而構(gòu)成一環(huán)形第一級(jí)擴(kuò)散器731的環(huán)形面積，該擴(kuò)散器可將第一中間進(jìn)氣增壓流送到收集器渦殼732，從而輸送至第一級(jí)排出口392、即如箭頭733所示。類似地，第三級(jí)定子不729具有一小于第二級(jí)定子環(huán)727的直徑，而構(gòu)成環(huán)形第二擴(kuò)散器734的環(huán)形面積，該擴(kuò)散器可將第一中間進(jìn)氣增壓流輸送到收集器渦殼735，從而如箭頭736所示地輸送到第二排出口393。流入第一和第二級(jí)環(huán)形擴(kuò)散器的幾分之一流體基本上等于那些擴(kuò)散器入口環(huán)形面積與其定子環(huán)和轉(zhuǎn)子702之間那級(jí)環(huán)形流面積之比。
由第三級(jí)輸送的流經(jīng)過定子輪葉728進(jìn)入第三級(jí)擴(kuò)散器737，并且如箭頭739所示地在收集器渦殼738中進(jìn)入排出口394。定子環(huán)725、727和729分別由將入口和排出渦卷分開的隔板741、742和743支撐。
顯然，可增添具有更多對(duì)轉(zhuǎn)子葉片及定子葉片組成的附加級(jí)段，并且可選地包括或不包括對(duì)在任何一對(duì)相鄰級(jí)段之間中間流進(jìn)行改向的環(huán)形擴(kuò)散器。同樣地明顯，壓縮機(jī)700的結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于分流軸向流動(dòng)真空排出機(jī)或膨脹機(jī)，這是通過逆轉(zhuǎn)尖頭指向723，733，736及739的流向，以便在逐級(jí)增加的總壓力下三個(gè)入口流中394口為第一入口，393口為第二入口，392口為第三入口，并且391口為綜合總流的排出口。
圖29圖29示出了在另一種采用粒狀積層床吸附器24、實(shí)施本發(fā)明的、具有圖4、5、6和18徑向流結(jié)構(gòu)的復(fù)合吸附劑丸800。
沒有超大壓降而引起初始液化和由此產(chǎn)生的消耗，粒狀吸附劑床在現(xiàn)有PSA裝置在非常高周期頻率下就不能工作。在徑向流結(jié)構(gòu)中的現(xiàn)有裝置可提供一向心加速場(chǎng)，它可能大于普通的重力場(chǎng)。這可提供所需的“離心夾緊”作用以使吸附床穩(wěn)定，因而可便于在高周期頻率下安全操作。然而，傳統(tǒng)大孔沸石吸附劑丸的特定重力約為0．75，因而會(huì)限制離心夾緊的效果。雖然眾所周知在上述現(xiàn)有技術(shù)中采用以徑向流結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)粒狀吸附劑床，但沒有揭示將提供有用離心夾緊作用的工作情況。因而在美國(guó)專利5，133，784中Boudet等人設(shè)想了最大周期頻率和20RPM的轉(zhuǎn)子速度，并且其轉(zhuǎn)子1米的外半徑將在外半徑處提供少于一半重力加速度的最大離心加速度。在轉(zhuǎn)子內(nèi)和靠近軸線范圍內(nèi)，吸附劑床經(jīng)歷更小的離心加速度。
壓載的復(fù)合丸800具有密實(shí)材料構(gòu)成的惰性芯801，并由與傳統(tǒng)吸附劑粒材料類似的大孔沸石材料構(gòu)成的涂層802包圍。芯材料可以根據(jù)高密度、高熱容量、高導(dǎo)熱率、對(duì)沸石粘結(jié)劑的粘結(jié)相容性以及熱膨脹性這些因素來選擇。合適的芯材料包括過渡金屬氧化物、最簡(jiǎn)單的氧化鐵以及純鐵或鎳鐵合金。
當(dāng)芯801的直徑例如為790微米時(shí)，以及涂層802的徑向厚度例如為105微米而使球形粒子800的總體直徑為1毫米時(shí)，球粒的體積50％是惰性的，50％是活性大孔吸附劑。在采用這種復(fù)合丸粒的層積床中，吸附劑的活性體積已經(jīng)縮少到50％，而活性材料的分離床空隙已從球形粒狀媒質(zhì)、通常35％增加到近似50％。這好象為一劣質(zhì)層積床，一半是有用的材料并且由于高效空隙比值而減小有效選擇性能。出乎意料的，這可以是一超優(yōu)層積床，因?yàn)閴航岛唾|(zhì)量轉(zhuǎn)遞阻力兩者都減小，因此，PSA周期可以在高周期頻率下操作，而不會(huì)出現(xiàn)過度壓降和不會(huì)有液化危險(xiǎn)。在相同的周期頻率下，壓降可以由小流量以與用于相同空隙通道的較小活性吸附劑含量成正比的減小，而通過大孔的質(zhì)量傳遞僅經(jīng)過一相對(duì)薄的殼進(jìn)行。惰性材料還起到熱壓載作用以由于吸附熱而使吸附器克服熱變化而達(dá)到等溫。
雖然較高空隙比值將使非常低周期頻率的不經(jīng)濟(jì)方式中的特定純度產(chǎn)物產(chǎn)量減小，但產(chǎn)物產(chǎn)量和產(chǎn)出率實(shí)際在高周期頻率的經(jīng)濟(jì)方式中得到提高。產(chǎn)物產(chǎn)量和工藝過程能量的降低(在特定產(chǎn)物純度下)將產(chǎn)生質(zhì)量傳遞阻力和壓降，并且那些下降對(duì)于傳統(tǒng)吸附床比本發(fā)明混合球粒狀吸附器更嚴(yán)重。
這些復(fù)合丸粒在旋轉(zhuǎn)吸附器組件的徑向流實(shí)施例是非常有用的，因?yàn)橹刭|(zhì)復(fù)合丸粒是非常確定地離心式穩(wěn)定的，即使當(dāng)質(zhì)量傳遞阻力和壓降減少時(shí)。這些復(fù)合丸粒在軸向流實(shí)施例以及非旋轉(zhuǎn)式吸附器中也是非常有用的，因?yàn)橛写怪毕蛄鞯?。另外，周期頻率可以增加，而在大多數(shù)經(jīng)濟(jì)操作點(diǎn)時(shí)在產(chǎn)出率、產(chǎn)量和效率等方面的性能可加強(qiáng)。將圖4和18看作為徑向流實(shí)施例的垂直視圖。當(dāng)其轉(zhuǎn)子半徑和周期頻率都足夠高時(shí)，圖4的垂直軸線實(shí)施例從離心穩(wěn)定化來看是有利的。圖18的水平軸線實(shí)施例將具有向心加速度而有助于重力場(chǎng)以消除進(jìn)氣生產(chǎn)步驟中的液化現(xiàn)象，并且流體從腔室54以高壓向上流到腔室70，而離心加速度將有助于凈化步驟中的壓降，并且流體從腔室80以低壓向上流到腔室60，從而防止吸附器自轉(zhuǎn)到軌道頂部時(shí)的吸附器向下倒塌。吸附劑床在其第一端(徑向外側(cè))由第一組網(wǎng)支撐，并且當(dāng)轉(zhuǎn)子由第二組網(wǎng)在其第二端(徑向內(nèi)側(cè))擋住時(shí)可防止倒塌。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子起到一離心機(jī)作時(shí)，吸附劑床由離心加速度離心地夾持在第一網(wǎng)上。
雖然圖29所示復(fù)合丸粒是球狀的，但其它幾何形狀也是有吸引力的。例如，通過將沸石和粘結(jié)劑稀漿浸涂到鋼桿上、然后切短就可制成圓柱形復(fù)合粒。
本發(fā)明的離心夾緊方式可使粒狀吸附劑床操作并且具有比傳統(tǒng)流量摩擦壓力梯度更高的梯度，同時(shí)仍可以確實(shí)防止任何顆粒運(yùn)動(dòng)和損耗。再說，這可利用較小的吸附劑顆粒尺寸，也能夠有非常淺的徑向床深度，而這可減小總體壓降。由于小吸附劑顆粒尺寸可減小質(zhì)量傳遞擴(kuò)散阻力，所以高PSA周期頻率變得實(shí)用。作為邏輯討論的結(jié)論，高周期頻率是與用于離心夾緊所需的高轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)應(yīng)的。
上述對(duì)本發(fā)明較佳實(shí)施例的描述意于說明本發(fā)明。不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明精神或范圍，那些普通技術(shù)人員能夠?qū)@些實(shí)施例做出某些增加、刪除或變型。
權(quán)利要求
1．一種用于進(jìn)行加壓擺動(dòng)吸附工藝的旋轉(zhuǎn)組件，具有在一高壓和低壓之間周期的操作壓力以從一包括第一、第二餾份的氣體混合物中提取第一氣體餾份和第二氣體餾份，所述旋轉(zhuǎn)組件包括一定子，具有一第一定子閥表面，第二定子閥表面，多個(gè)通向第一定子閥表面的第一功能腔，以及通向第二定子閥表面的第二功能腔；以及可轉(zhuǎn)動(dòng)地連接到定子上的一轉(zhuǎn)子，并且包括與第一定子閥表面連通的第一轉(zhuǎn)子閥表面，與第二定子閥表面連通的第二轉(zhuǎn)子閥表面，多個(gè)其中可容納吸附劑材料的流動(dòng)通道，各所述流動(dòng)通道包括一對(duì)相對(duì)端，以及多個(gè)設(shè)置在轉(zhuǎn)子閥表面中并且與流動(dòng)通道端和功能開口連通的孔，用于使所述流動(dòng)通道周期地達(dá)到高、低壓之間多個(gè)不連續(xù)壓力而使通過第一和第二功能的氣體流保持均勻。
2．如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，所述功能腔的形狀為可使氣體流均勻地流過的流動(dòng)通道。
3．如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，至少一個(gè)閥表面包括一用于減少閥表面之間氣體流量損失的密封帶，所述密封帶包括一傾斜部分以使流過流動(dòng)通道的氣體流均勻。
4．如權(quán)利要求3所述的旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，所述密封帶的形狀為可快速地封閉流動(dòng)通道。
5．如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，所述各功能腔同時(shí)與至少兩個(gè)流動(dòng)通道連通以使流過功能腔的氣體流均勻。
6．如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，所述各功能腔緊接各對(duì)應(yīng)流動(dòng)通道的對(duì)應(yīng)端以執(zhí)行高頻加壓擺動(dòng)吸附。
7．如權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，所述功能腔與對(duì)應(yīng)流動(dòng)通道端部離開足夠的距離以在至少每分鐘20轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度下進(jìn)行加壓擺動(dòng)吸附工藝過程。
8．如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，所述功能腔包括多個(gè)加壓腔以使流動(dòng)通道經(jīng)歷多次增量壓力增加。
9．如權(quán)利要求8所述的旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，所述加壓腔包括通向第一定子閥表面的進(jìn)氣腔以將氣體混合物以多個(gè)增量不同壓力輸送到流動(dòng)通道中。
10．如權(quán)利要求8所述的旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，所述加壓腔包括通向第二定子閥表面的輕質(zhì)回流返回腔以將輕質(zhì)回流體以多個(gè)增量不同壓力輸送到流動(dòng)通道。
11．如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，所述第一功能腔包括多個(gè)排氣腔以使流動(dòng)通道受到多個(gè)增量壓降。
12．如權(quán)利要求11所述的旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，所述排氣腔包括通向第二定子閥表面的輕質(zhì)回流排出腔以使輕質(zhì)回流氣體以多個(gè)增量不同壓力從流動(dòng)通道去除。
13．如權(quán)利要求11所述的旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，所述排氣腔包括通向第一定子閥表面的逆流排氣腔以從流動(dòng)通道以多個(gè)增量不同壓力去除重質(zhì)產(chǎn)物氣體。
14．如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，所述第二功能腔包括多個(gè)逆流排氣腔以使流動(dòng)通道經(jīng)因多個(gè)增量壓降，以及與并流排氣腔連通的輕質(zhì)回流返回腔以使流動(dòng)通道經(jīng)因多個(gè)增量壓力增加，以及所述定子包括連接在并流排氣腔和輕質(zhì)回流返回腔之間的壓力下降裝置，以使從并流排氣腔中去除的氣體在壓力減小情況下輸送到輕質(zhì)回流返回腔。
15．如權(quán)利要求14所述旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，所述壓力下降裝置包括多級(jí)機(jī)械膨脹機(jī)、限制孔和節(jié)流閥之一。
16．如權(quán)利要求14所述的旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，所述第二功能腔包括一輕質(zhì)產(chǎn)物腔，壓力下降裝置包括一連接到并流排氣腔上和輕質(zhì)返回腔的膨脹機(jī)，以及連接到輕質(zhì)產(chǎn)物腔和膨脹機(jī)上的壓縮機(jī)以增加輕質(zhì)產(chǎn)物氣體壓力。
17．如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，第一功能腔包括多個(gè)并流排氣腔以使流動(dòng)通道經(jīng)歷多個(gè)增量壓降，一個(gè)至少與幾個(gè)中一個(gè)逆流排氣腔連通的重質(zhì)回流返回腔，以及所述定子包括連接在逆流排氣腔和重質(zhì)回流返回腔之間的回流壓縮機(jī)以使從逆流排氣腔中去除的氣體在壓力增高的情況下輸送到重質(zhì)回流返回腔。
18．如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，功能腔設(shè)置在各個(gè)閥表面周圍以沿著流動(dòng)通道以共同的預(yù)定順序?yàn)楦鱾€(gè)流動(dòng)通道輸送氣體，各流動(dòng)通道的順序包括將高壓下的氣體混合物從進(jìn)氣功能腔輸送到靠近第一轉(zhuǎn)子閥表面的流動(dòng)通道端，同時(shí)將處于高壓下的輕質(zhì)氣體從靠近第二轉(zhuǎn)子閥表面的那端流動(dòng)通道去除到輕質(zhì)產(chǎn)物功能腔，從靠近第一轉(zhuǎn)子閥表面的那端流動(dòng)通道將處于低壓下的重質(zhì)產(chǎn)物氣體去到一重質(zhì)產(chǎn)物氣體功能腔，并且將處于高、低壓力中間的一個(gè)壓力下的氣體從再加壓功能腔輸送到靠近進(jìn)氣功能腔前部的第一轉(zhuǎn)子閥表面的那端流動(dòng)通道中。
19．如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，所述功能腔設(shè)置在各閥表面周圍以沿著流動(dòng)通道以共同的預(yù)定順序?yàn)楦鱾€(gè)流動(dòng)通道輸送氣體，各流動(dòng)通道的順序包括將高壓下的氣體混合物從進(jìn)氣功能腔輸送到靠近第一轉(zhuǎn)子閥表面的流動(dòng)通道端，同時(shí)將處于高壓下的輕質(zhì)氣體從靠近第二轉(zhuǎn)子閥表面的那端流動(dòng)通道去除到輕質(zhì)產(chǎn)物功能腔，從靠近第二轉(zhuǎn)子閥表面的流動(dòng)通道端將處于高、低壓中間的一個(gè)壓力下的氣體去除到一并流排氣功能腔，并且從靠近第一轉(zhuǎn)子閥表面的那端流動(dòng)通道將低壓產(chǎn)物氣體去除到重質(zhì)產(chǎn)物氣體功能腔。
20．如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，所述功能腔設(shè)置在各閥表面周圍以沿著流動(dòng)通道以共同的預(yù)定順序?yàn)楦鱾€(gè)流動(dòng)通道輸送氣體，各流動(dòng)通道的順序包括將高壓下的氣體混合物從進(jìn)氣功能腔輸送到靠近第一轉(zhuǎn)子閥表面的流動(dòng)通道端，同時(shí)將處于高壓下的輕質(zhì)氣體從靠近第二轉(zhuǎn)子閥表面的那端流動(dòng)通道去除到輕質(zhì)產(chǎn)物功能腔，從靠近第一轉(zhuǎn)子閥表面的流動(dòng)通道端將處于高、低壓中間的一個(gè)壓力下的氣體去除到一并流排氣功能腔，并且從靠近第一轉(zhuǎn)子閥表面的那端流動(dòng)通道將低壓產(chǎn)物氣體去除到重質(zhì)產(chǎn)物氣體功能腔。
21．如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)組件，其特征在于，所述各流動(dòng)通道包括一疊層吸附器。
22．與一定子一起使用的轉(zhuǎn)子組件，用于執(zhí)行在高壓和低壓之間一工作壓力周期的加壓擺動(dòng)吸附過程，所述轉(zhuǎn)子組件包括一環(huán)形轉(zhuǎn)子，包括用于與定子第一定子閥表面連通的第一轉(zhuǎn)子閥表面，用于與定子的第二定子閥表面連通的第二轉(zhuǎn)子閥表面，多個(gè)繞轉(zhuǎn)子隔開且在轉(zhuǎn)子閥表面之間延伸的流動(dòng)通道，以及多個(gè)設(shè)置在所述轉(zhuǎn)子閥表面中以與流動(dòng)通道連通的孔以使所述各個(gè)流動(dòng)通道周期地呈現(xiàn)高壓和低壓之間多個(gè)不連續(xù)壓力級(jí)；以及多個(gè)設(shè)置在與所述孔連通的流動(dòng)通道中的吸附劑床。
23．如權(quán)利要求22所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于，所述各吸附劑床包括至少兩層疊置吸附劑層，所述各層包括一加強(qiáng)矩陣，一種吸附劑材料置于其中，一種粘結(jié)劑用于將所述吸附劑材料固定到粘結(jié)矩陣上，以及設(shè)置在兩層之間的隔離件以在其間提供一流道。
24．如權(quán)利要求23所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于，所述加強(qiáng)材料是從玻璃纖維、金屬絲矩陣、金屬箔、無機(jī)纖維和有機(jī)纖維中選出的。
25．如權(quán)利要求23所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于，所述吸附材料包括沸石晶體。
26．如權(quán)利要求22所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子具有一內(nèi)圓周和一外圓周，所述吸附劑床有一寬度，所述寬度靠近外圓周處大于靠近內(nèi)圓周處并且從內(nèi)圓周開始按距離長(zhǎng)度增加。
27．如權(quán)利要求22所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于，所述吸附劑床為彎曲形狀。
28．如權(quán)利要求22所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于，所述吸附劑床包括多個(gè)吸附劑丸粒，各所述丸粒包括涂有吸附劑材料的惰性芯體。
29．如權(quán)利要求28所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于，所述惰性芯體從鐵族金屬和其氧化物中選擇。
30．如權(quán)利要求28所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于，所述丸粒具有一體積，所述惰性芯體占一半體積。
31．如權(quán)利要求22所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于，所述流動(dòng)通道包括一對(duì)相對(duì)端，并且各所述孔緊靠所述相對(duì)端中的一對(duì)應(yīng)端。
32．一種用于從包含第一和第二餾分的氣體混合物中提取第一種氣體餾分和第二種氣體餾分的加壓擺動(dòng)吸附系統(tǒng)，所述加壓擺動(dòng)吸附系統(tǒng)包括連接到進(jìn)氣歧管、重質(zhì)產(chǎn)物歧管和輕質(zhì)產(chǎn)物歧管的旋子組件，所述旋轉(zhuǎn)組件包括一定子，具有一第一定子閥表面，第二定子閥表面，多個(gè)通向第一定子閥表面的第一功能腔，以及通向第二定子閥表面的第二功能腔；可轉(zhuǎn)動(dòng)的連接到定子上的一轉(zhuǎn)子，并且包括與第一定子閥表面連通的第一轉(zhuǎn)子閥表面，與第二定子閥表面連通的第二轉(zhuǎn)子閥表面，多個(gè)其中可容納吸附劑材料的流動(dòng)通道，各所述流動(dòng)通道包括一對(duì)相對(duì)端，以及多個(gè)設(shè)置在轉(zhuǎn)子閥表面中并且與流動(dòng)通道端和功能開口連通的孔；以及連接到所述旋轉(zhuǎn)組件上的壓縮／膨脹機(jī)械，以將功能開口保持在高壓和低壓之間的多個(gè)不連續(xù)壓力級(jí)下，以保持流過第一和第二功能腔的氣體流動(dòng)均勻。
33．如權(quán)利要求32所述的加壓擺動(dòng)吸附系統(tǒng)，其特征在于，所述功能腔包括多個(gè)進(jìn)氣腔，所述壓縮／膨脹機(jī)器包括一具有多個(gè)壓力輸出口的多級(jí)壓縮機(jī)，所述各壓縮輸出口連接到對(duì)應(yīng)的一進(jìn)氣腔上以將進(jìn)氣在多個(gè)壓力增量下輸送到流動(dòng)通道。
34．如權(quán)利要求33所述的加壓擺動(dòng)吸附系統(tǒng)，其特征在于，所述多級(jí)壓縮機(jī)包括一多級(jí)離心壓縮機(jī)，所述各級(jí)包括一進(jìn)氣口、一擴(kuò)散器以及連接到進(jìn)氣口且具有一轉(zhuǎn)動(dòng)軸線以使來自進(jìn)氣口且流向所述擴(kuò)散器的氣體加速的葉輪。
35．如權(quán)利要求33所述的加壓擺動(dòng)吸附系統(tǒng)，其特征在于，所述多級(jí)壓縮機(jī)包括一多級(jí)軸向流分流壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)包括多個(gè)直徑逐漸減小的圓形定子環(huán)，所述各定子環(huán)包括一環(huán)形流量區(qū)域和多個(gè)定子葉片，以及具有一軸動(dòng)軸線并包括多個(gè)與定子葉片協(xié)作的轉(zhuǎn)子葉片以壓縮來自流量區(qū)域的氣體流的轉(zhuǎn)子，至少一個(gè)所述定子環(huán)還包括一收集器和一擴(kuò)散器以使收集器和接下來一個(gè)定子環(huán)的流量區(qū)域之間的被壓縮氣體流適當(dāng)分配。
36．如權(quán)利要求33所述的加壓擺動(dòng)吸附系統(tǒng)，其特征在于，所述功能腔包括多個(gè)排氣腔，所述壓縮／膨脹機(jī)器包括連接到壓縮機(jī)的多級(jí)真空泵，所述真空泵包括多個(gè)壓力入口，所述各壓力入口連接到對(duì)應(yīng)的一個(gè)排氣腔上以接收來自流動(dòng)通道的處于多個(gè)壓力增量下的排氣。
37．如權(quán)利要求33所述的加壓擺動(dòng)吸附系統(tǒng)，其特征在于，所述功能腔包括多個(gè)排氣腔，所述加壓擺動(dòng)吸附系統(tǒng)包括多個(gè)連接到排氣腔的節(jié)流孔以釋放來自流動(dòng)通道的處于多個(gè)壓力增量下的排氣。
38．如權(quán)利要求32所述的加壓擺動(dòng)吸附系統(tǒng)，其特征在于，所述功能腔包括多個(gè)逆流排氣腔以及多個(gè)并流排氣腔，所述壓縮／膨脹機(jī)器包括連接到逆流排氣腔的第一膨脹機(jī)和連接第一膨脹機(jī)和并流排氣腔的第二膨脹機(jī)。
39．如權(quán)利要求36所述的加壓擺動(dòng)吸附系統(tǒng)，其特征在于，所述功能腔包括多個(gè)進(jìn)氣腔，所述壓縮／膨脹機(jī)器包括連接到進(jìn)氣腔和第一、第二膨脹機(jī)的壓縮器。
40．如權(quán)利要求33的所述加壓擺動(dòng)吸附系統(tǒng)，其特征在于，所述多級(jí)渦輪機(jī)連接到多個(gè)所述旋轉(zhuǎn)組件，并且進(jìn)氣歧管、重質(zhì)產(chǎn)物歧管和輕質(zhì)產(chǎn)物歧管都連接到多個(gè)旋轉(zhuǎn)組件上。
41．一多級(jí)軸向流分流壓縮機(jī)，包括多個(gè)直徑逐漸減小的圓形定子環(huán)，所述各定子環(huán)包括一圓形流量區(qū)域和多個(gè)定子葉片；以及一轉(zhuǎn)子，具有轉(zhuǎn)動(dòng)軸線并包括與定子葉片協(xié)作的多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片以壓縮流經(jīng)流量區(qū)域的氣體流量，至少一個(gè)定子環(huán)還包括一收集器和一擴(kuò)散器以適當(dāng)分配收集器和接下來一個(gè)定子環(huán)流量區(qū)域之間的加速氣流。
全文摘要
一用于執(zhí)行高頻加壓擺動(dòng)吸附工藝過程的旋轉(zhuǎn)組件,包括一定子和一可轉(zhuǎn)動(dòng)地連接到定子上的轉(zhuǎn)子。定子包括第一定子閥表面、第二定子閥表面、多個(gè)通入第一定子閥表面的第一功能腔以及多個(gè)通向第二定子閥表面的第二功能腔。轉(zhuǎn)子包括與第一定子閥表面連通的第一轉(zhuǎn)子閥表面,與第二定子閥表面連通的第二轉(zhuǎn)子閥表面,以及多個(gè)其中用于接收吸附劑的流動(dòng)通道。各流動(dòng)通道包括一對(duì)相對(duì)端,多個(gè)設(shè)置在轉(zhuǎn)子閥表面中且與流動(dòng)通道端部和功能開口連通的孔以使所述各流動(dòng)通道周期性地呈現(xiàn)高壓和低壓之間多個(gè)不連續(xù)壓力級(jí),而使流經(jīng)第一和第二功能腔的氣流保持均勻。
文檔編號(hào)B01D53/06GK1290188SQ98812899
公開日2001年4月4日 申請(qǐng)日期1998年12月1日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月1日
發(fā)明者B·G·基弗, D·G·多曼, C·R·麥克萊恩 申請(qǐng)人:奎斯脫氣體技術(shù)股份有限公司