CN100551490C

CN100551490C - 组件式加压摆动吸附装置

Info

Publication number: CN100551490C
Application number: CNB988128993A
Authority: CN
Inventors: B·G·基弗; D·G·多曼; C·R·麦克莱恩
Original assignee: Questor Industries Inc
Current assignee: Ever Purification Equipment Co ltd; Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1997-12-01
Filing date: 1998-12-01
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2018-12-01
Also published as: DE69841332D1; AU752114B2; AU1329599A; US20030070550A1; CA2312506C; JP4708562B2; BR9815078A; JP2001524374A; WO1999028013A3; RU2217220C2; EP1045728B1; CN1290188A; CA2312506A1; WO1999028013A2; EP1045728A2; US6451095B1

Abstract

一用于执行高频加压摆动吸附工艺过程的旋转组件，包括一定子和一可转动地连接到定子上的转子。定子包括第一定子阀表面、第二定子阀表面、多个通入第一定子阀表面的第一功能腔以及多个通向第二定子阀表面的第二功能腔。转子包括与第一定子阀表面连通的第一转子阀表面，与第二定子阀表面连通的第二转子阀表面，以及多个其中用于接收吸附剂的流动通道。各流动通道包括一对相对端，多个设置在转子阀表面中且与流动通道端部和功能开口连通的孔以使所述各流动通道周期性地呈现高压和低压之间多个不连续压力级，而使流经第一和第二功能腔的气流保持均匀。

Description

用于进行加压摆动吸附工艺的旋转组件

技术领域

本发明涉及一种用于将气体馏分从一种含有多种气体馏分的气体混合物中分离的装置。具体地，本发明涉及一种旋转阀气体分离系统，其中设有多个旋转吸附床以实行加压摆动吸附工艺以分离出气体馏分。

背景技术

加压摆动吸附(PSA)和真空加压摆动吸附(VPSA)是通过协调压力周期以及在一吸附床上反复流动而将气体馏分从气体混合物中分离，相对不易被吸附的成份而言，该吸附床更易吸附易被吸附的成份。当气体混合物在吸附床上从第一端流向第二端时，吸附床中气体混合物的总压力上升，当气体混合物从吸附床第二端流回到第一端时，总压力下降。当重复PSA或VPSA周期时，不易被吸附的成份集中在吸附床第二端附近，而较易被吸附的成份集中在吸附床第一端附近。因此，“轻质”产物(易被吸附成份已吸尽而富含不易被吸附成份的气体馏分)从吸附床第二端输出，“重质”产物(富含极易被吸附成份的气体馏分)从吸附床第一端排出。

用于执行加压摆动吸附或真空加压摆动吸附的传统系统采用平行的两个或多个固定吸附床，并且在各吸附床各端具有定向阀门以交替顺序将这些吸附床连接到压力源和汇集点上。然而，由于所需的阀门复杂，故这种系统的实施往往是困难且昂贵的。

而且，传统的PSA或VPSA系统不能够充分地利用所施加的能量，这是因为输入气体的增压是由一压缩机进行的，而其输出压力是周期中最高的压力。在PSA中，在压缩输入气体以增压时所消耗的能量然后又消耗在当吸附和高输入压力之间有瞬间压差时在阀门的节流中。类似地，在VPSA中，由真空泵建立周期中较低压力，并在此压力下排出气体时，能量又消耗在压力下降的吸附器的逆流排气过程中对阀门进行节流。在这两种系统中，进一步的能量消耗发生在消除、均化、并流排气以及产物加压或回充步骤中对所用的轻质回流气体进行节流过程中。

已经做出多种尝试来克服传统PSA或VPSA系统所存在的缺陷。例如，Siggelin(美国专利3,176,446)、Mattia(美国专利4,452,612)、Davidson和Lywood(美国专利4,758,253)、Boudet等人(美国专利5,133,784)、Petit等人(美国专利5,441,559)以及Schartz(PCT公开号94/04249)都揭示采用旋转分配阀的PSA装置，该旋转分配阀具有配有多个角度分隔吸附床的转子。与装在转子上的吸附床连通的开口越过用于气体进入、产物输送和压力平衡的固定口。然而，由于旋转组件的重量，这些现有技术的旋转分配阀对于大型PSA/VPSA是不实用的。而且，由于阀表面都远离吸附床端部，所以这些旋转分配阀具有相当大的、会使流体分布和聚集的死角容积。因此，现有的旋转分配阀流量分布性差，尤其是在高周期频率时更是如此。

Hay(美国专利5,246,676)和Engler(美国专利5,393,326)提出了多例真空摆动吸附系统，它可减少节流损耗以提高气体分离处理系统的效率。由Hay和Engler所启示的系统采用了多个真空泵以依次将各吸附床的压力向下降低，并且各泵压力在逐个下降，因此，各真空泵可将各吸附床中的压力减少到预定量。然而，在这些系统中，真空泵都经受到较大的压力变化，所以会对压缩机器加载并且引起总功率要求较大的波动。由于离心或轴向压缩机器在这些不稳定条件下不能工作，所以在这些系统中一般采用旋转叶片机械。然而，这些机械在稳定条件下比普通的离心压缩机/真空泵工作效率低。

因此，仍需要一种PSA/VSPA系统，该系统适用于大体积和高频生产，同时可降低现有装置所存在的能量损耗。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种高效率地实施高频加压摆动吸附过程的旋转组件。

根据本发明，该旋转组件包括一定子和一可转动连接到定子上的转子。该定子包括第一定子阀表面，第二定子阀表面，多个向第一定子阀表面开口的第一功能腔，以及多个向第二定子阀表面开口的第二功能分隔区。该转子包括与第一定子阀表面连通的第一转子阀表面，与第二定子阀表面连通的第二转子阀表面，以及多个用于将吸附材料容纳在其中的流动通道。各所述流动通道包括一对相对端，以及多个设置在转子阀表面中且与流动通道端部连通的孔，还有用于将各流动通道周期地处于高、低压力之间不连续压力级的功能开口以保持流过第一和第二功能腔的气体均匀流动。

在加压和排气步骤中，通过与吸附器经历的先前步骤的压力级有一节流压力平衡，经过该步骤的几个吸附器将收敛到各步骤的名义压力级。气流是在一加压步骤中向吸附器提供的或者通过压缩机构在一排气步骤中将处于该步骤的名义压力级下的气体吸走。因此，通过使经过该步骤的几个吸附器的压力平均，由压缩机构在各中间压力级下的所经历的流量和压力脉动是最小的，虽然各吸附器经历了压力和流量的较大周期变化。

在各吸附器的多个增压步骤中，已处于一压力下的一吸附器的一个(或两个)孔分别通向处于一逐级式较高压力下的第一或第二加压腔。类似地，在各吸附器的加压步骤中，已处于一压力下的一个(或两个)吸附器孔分别通向处于一逐级式较低压力下的第一或第二加压腔。通过使流体从加压/排气腔经过孔(一个或多个)进入吸附器可发生均衡，在增压/排气步骤结束时，吸附器达到近似与加压/排气腔压力相同。在任何给定时间，各加压/排气腔一般与几个正在加压(处于不同的角度和时间相位)的吸附器连通，这样该腔室中的压力和流向该腔室的压力流基本是稳定的。

经过吸附器的流动通道可以是径向或轴向的。如果吸附器构成为径向流，当不易被吸附气体馏分密度比易被吸附馏分密度大得多时，第一阀表面较佳地是径向向内的，当不易被吸附气体馏分密度比易被吸附馏分密度低得多时，阀表面较佳地是径向向外的。因此，对于径向流实施例中的氢气提纯，进气较佳地被允许进入一外径处的第一阀表面(并且较高克分子重量的杂质馏分作为重质产物从第一阀表面排出)，同时作为第一产物气体的氢气从第二阀表面输出。

本发明还包括可选方案(1)层积或叠置的薄层吸附器以及(2)离心稳定的细颗粒吸附器的另一实施例以在极高的周期频率下操作。每分钟至少100周期的PSA周期频率在本发明中都是实用的，并且将能够使工艺过程增强，这样可从紧凑组件中获得高产出率。较佳地，利用层积式薄层吸附器可获得比每分钟50周期更快的周期频率，并且流动通道在相切于并在相邻带有吸附剂的负载层之间的流道中，而与颗粒状吸附剂相比，在高频率下可获得较低的摩擦压力降。

较佳地，相邻压力级之间的增量大小的确定应使流入或流出组件的气体在流速和压力方面基本上是稳定的。因此，组件可与离心式或轴流式压缩机和膨胀机一起工作，以获得最大效率和最节省机构投资费。为了减少节流损失，较佳地功能腔的形状制成为使流过流动通道的气流均匀，和/或阀表面包括倾斜部分的密封带以使气流均匀地流过流动通道。

由于具有阀功能的孔紧靠流动通道端部，与现有工艺中分配歧管有关的死角体积显著减小。同样地，由于与第一和第二阀表面连通的腔室在阀功能外部，腔室不会增加吸附器的死角体积。因此，高频压力/真空摆动吸附都是可能的。

同样地，与现有的、其压力容器经历压力周期和随后的疲劳负荷的PSA装置相反，本发明的压力容器基本上在静态压力下工作，因为各腔室在稳定的压力状态下工作。转子和其轴承上的机械应力相对较小，因为仅少量的摩擦压降(最多与相邻中间压力之间的间隔相等)作用在流向上，而吸附器构件之间的横向压力梯度由于构件数量较大也变得较小。这些特征都是重要的，因为压力容器的疲劳是PSA设计中的一个主要问题和限制条件，特别在高压或高周期频率下与腐蚀气体或氢气一起工作时尤其如此。

而且，通过提供多个接近分布的中间压力级，并且在各压力级下流量恒定，本发明便于进气压缩机、重质产物排出和重质回流压缩的多级进气压缩机和真空泵(包括离心或轴向压缩机)以及多级膨胀机(包括径向内流涡轮机、轴向涡轮机和局部进入脉动涡轮机)的能量有效应用。在本发明范围内也可采用正排量(往复活塞、旋转活塞，或诸如级进式空腔的螺杆或涡旋机械)压缩和膨胀机械，特别是在以多个中间输送压力输送气体和/或以多个中间入口压力进气时。本发明能够使用单轴机械来为平行的多个组件提供所有压缩和膨胀功能，以及综合使用电动机驱动和自由转子机械以使各级操作模块化和分离更灵活。

本发明分流离心机械的构思是对需要在不同总压力下单独流体流中需要多种热含量〔焓〕的PSA工艺的一种理想方案。分流机械具有处于多个热含量的多个入口流，和/或处于不同热含量的多个出口流，以用于单个离心或径向流叶轮。热含量或总压力的不同变化是通过使经过叶轮的各流体具有不同的半径变化或不同的叶片角度而实现的。分流压缩机具有一个入口，但单个叶轮具有不同的总压力或热含量级的多个出口。分流排出器可以是一真空泵或一膨胀机，并且将单个叶轮将具有不同总压力或热含量级的多个入口和一个出口。在本发明中同样有用的是一分流轻质回流膨胀机，它具有多个入口和相同数量的出口，并且单个叶轮处于不同的总压力或热含量级。

附图说明

以下将结合仅用于举例说明本发明较佳实施例的附图，对这些较佳实施例进行描述，其中相同的标号表示相同的部，其中：

图1是本发明旋转PSA组件的截面图；

图2是图1所示组件的定子；

图3是图1所示组件的转子；

图4是图1所示组件的轴向截面图；

图5示出了采用叠层式吸附层的另一种吸附器结构；

图6示出了本发明的一种典型PSA；

图7示出了具有重质回流的PSA周期；

图8示出了具有单个旋转组件和能量回收功能的PSA装置；

图9示出了用于从空气中分离氧的真空PSA(VPSA)；

图10示出了不具有轻质回流能量回收功能的VPSA；

图11示出了用于接受两种输入气体混合物并且对尾气再压缩的PSA装置；

图12示出了具有重质回流的PSA装置；

图13示PSA装置，具有通过能量回收而提供能量的一自由转子尾气压缩机或真空泵；

图14示出了有一自由转子压缩机的PSA装置另一实施例；

图15示出了具有四个组件的VPSA装置；

图16示出了具有五个组件的VPSA装置；

图17示出了用于氧气产生的VPSA周期简化示意图，即采用一分流空气压缩机、一作用逆流排气输出器的分流真空泵，以及驱动一生产氧压缩机的分流轻质回流膨胀机；

图18示出了一径向流旋转PSA组件；

图19示出了一轴向流旋转PSA组件；

图20示出了双轴向流旋转PSA组件；

图21示出了图19实施例第一阀表面；

图22示出了图19实施例第二阀表面；

图23示出了图19实施例叠层式吸附层吸附器的吸附器轮结构；

图24示出了多级式离心压缩机，具有用于轻质逆回流和逆流排气的脉冲涡轮膨胀机；

图25示出了具有四个喷嘴的轻质回流脉冲涡轮转轮；

图26是轻质回流膨胀机脉冲涡轮的展开视图；

图27是逆流排气膨胀机脉冲涡轮的展示视图；

图28示出了具有三级的分流轴向压缩机；以及

图29示出了具有涂覆了沸石材料的高比重惰性芯体的合成球，以供离心式稳定的粒状吸附器在径向流动的实施例之用。

具体实施方式

图1，2，3和4

在图1，2，3和4中示出了本发明的一旋转组件10。该组件包括一绕轴线12在箭头13所指方向上在定子14中回转的转子11。图4是组件10的轴向截面图，在图1中由箭头15和16表示。图1是组件10的横截面图，在图4中由箭头17和18表示。图2是与图1重复的转子11截面图，并且为清楚起见删除了定子。图3是与图1重复的定子14截面图，为清楚起见删除了转子的详细结构。

概括来说，本发明的装置可以构造成流体径向、轴向或相对转子轴线为倾斜圆锥方向流过吸附器部件。为了以高周期频率工作，径向流的优点是向心加速度将与流动通道平行以使浮力驱动的自由对流最稳定，以及粒状吸附剂的离心夹持有均匀的流量分布。如图2所示，转子11是圆环形截面的，并具有一与轴线12同心的外柱形壁20，该壁的外表面是第一阀表面21，以及一内圆柱形壁22，其内表面是第二阀表面23。转子具有(在由图4中箭头15和16所构成的剖切平面内)总共为“N”个的径向流量吸附器单元24。相邻的一对吸附器单元25和26可由隔板27分离，该隔板结构上且密封地连接到外壁20和内壁22上。相邻的吸附器单元25和26相对轴线12分开一角度[360°/N]。

吸附器单元24具有由支撑网31构成的第一端30以及由支撑网33构成的第二端32。吸附器可以由粒状吸附剂构成，其堆积空隙构成与吸附器第一和第二端之间吸附剂接触的流动通道。

第一个孔或孔隙34构成从第一阀表面21经过壁20通向吸附器24第一端30的流道。第二孔或孔隙35构成从第二阀表面23经过壁22通向吸附器24第二端31的流道。支撑网31和33分别在吸附器单元24的第一孔34和第一端30之间、第二孔35和第二端32之间构成流量分布32。支撑网31还可支撑吸附剂的离心力负载。

如图3所示，定子14是一压力罩壳，它包括一外圆柱形壳体或在环形转子11外侧的第一阀定子40，以及一内圆柱形壳体或在环形转子11内侧的第二阀定子41。外壳体40具有轴向延伸的带状密封件(例如42和43)，这些密封件与第一阀表面21密封地配合，同时内壳体41具有轴向延伸的带状密封件(例如44和45)，这些密封件与第二阀表面23密封地配合。带状密封件的水平密封宽度大于通向第一和第二阀表面的第一和第二孔34和35的直径或水平宽度。

在外壳体中的第一组腔室各自以一扇区通向第一阀表面，并且各自构成在第一阀表面的扇区和通到组件外部的歧管之间的流动通道。腔室的扇区都比吸附器单元的角度间隔的宽得多。第一组腔室由带状密封件(例如42)在第一密封面分隔。沿图3中顺时针方向前进、即在转子转动方向上，一第一进气增压腔46通过管道47连通到第一进气加压歧管48上，并被保持在第一中间进气压力下。类似地，第二进气增压腔50连通到第二进气加压歧管51上，并被保持在高于第一中间进气压力但小于较高工作压力的第二中间进气压力下。

通常，所示的组件10规定为可以顺序地允许有两种进气混合物进入，第一种进气相对第二种进气而言更易于被吸附成份的浓度低。第一进气腔室52连通到第一进气歧管53上，该歧管基本上被保持在较高的工作压力下。同样地，第二进气腔室54与第二进气歧管55连通，并该歧管基本上被保持在较高的工作压力下。第一逆流排气腔室56与第一逆流排气歧管57连通，并被保持在第一逆流排气中间压力下。第二逆流排气腔室58与第二逆流排气歧管59连通，并被保持在高于较低工作压力的第二逆流排气中间压力下。一重质产物腔室60与重质产物排出歧管61连通，并基本上被保持在较低工作压力下。可以注意到，腔室58由带状密封件42和43围住，类似地所有腔室都由带状密封件围住并且互相分隔。

在内壳体中的第二组腔室各自以一扇区通向第二阀表面，并且各自在第二阀表面的扇区与组件外部的一歧管之间形成流体通道。第二组腔室由带状密封件(例如44)在第二密封表面上分开。沿图3所示顺时针前进，即也在转子转动方向上，轻质产物腔室70连通到轻质产物歧管71上，并且接收处于较高工作压力下的轻质产物，经过吸附器和第一、第二孔的摩擦压降小。根据腔室70相对腔室52、54的角度大小，轻质产物可以仅从同时接收来自腔室52的第一种进气的吸附器中获得，或者从接收第一和第二种进气的吸附器中获得。

第一轻质回流排入腔室72与第一轻质回流排入歧管73连通，并被保持在第一轻质回流排放压力下，此处基本上为较高的工作压力并且摩擦压降小。第一并流排气腔室(实际上是第二轻质回流排放腔)与第二轻质回流排放歧管75连通，后者被保持在低于较高工作压力的第一并流排气压力下。第二并流排气腔或第三轻质回流排放腔76与第三轻质回流排放歧管77连通，后者被保持在低于第一并流排气压力的第二并流排气压力下。第三并流排气腔或第四轻质回流排放腔78与第四轻质回流排放歧管79连通，后者被保持在低于第二并流排放压力的并流排放压力下。

一净化腔80连通到第四轻质回流返回歧管81上，后者供给第四轻质回流气体，该气体已从第三并流排放压力膨胀到基本为较低工作压力，其中包括摩擦压降允许余量。轻质回流加压步骤的顺序是与轻质回流排放或并流排气步骤顺序颠倒的，以保持轻质回流气体组理想的“后出-先入”分层作用。因此，第一轻质回流增压腔82连通到第三轻质回流返回歧管83上，后者提供已从第二并流排气压力膨胀到大于较低工作压力的第一轻质回流加压压力的第三轻质回流气体。第二轻质回流增加腔84与第二轻质回流返回歧管85连通，后者提供将已从第一并流排气压力膨胀到大于第一轻质回流加压压力的第二轻质回流加压压力的第二轻质回流气体。最后，第三轻质回流加压腔86连通到第一轻质回流返回歧管87上，后者提供已从近似于高压膨胀到大于第二轻质回流加压压力且小于第一进气加压压力的第三轻质回流加压压力的第一轻质回流气体。

其它细节示出在图4中。导管88将第一腔60连接到歧管61上，并且多个导管可使腔室60中有良好的轴向流量分布。类似地，导管89将第二腔室80连接到歧管81上。定子14具有带轴承91和92的基座90。环形转子11支承在端部圆盘93上，其轴94由轴承91及92支承。电动机95连接到与驱动转子11连接的轴94上。转子可以交替地转动，就象一个圆鼓一样，并由在其边缘的几个成角度位置由辊子支撑且在其边缘被驱动，因此不需要轴。藉由一安装在转子上的环形齿轮或者通过一其定子可与边缘的一段弧配合的直线电磁电机来提供边缘驱动。外圆密封件96可密封外带状密封件42的端部和第一阀表面21的边，同时内圆密封件97可密封内带状密封件44的端和第二阀表面23的边。转子11在外壁20和内壁22之间具有通道塞98，它可为安装和去除吸附器24中的吸附剂提供接近通道。

本发明在径向流实施例中的另一个最重要优点是可以净化克分子重量非常低的气体、如氢气和氦气以去除较大克分子重量的杂质。在此，轻质产物径向向内分离，而重质杂质由本发明的离心式PSA装置径向向外分离。在所有PSA系统中，包括轴向弥散、不均匀吸附床填充、热梯度以及壁沟流的作用都会使吸附床中的浓度梯度分散使其降低分离性能。但本发明的强有力的向心加速场将诱使已分离的重质馏分的净化轻质馏分径向向内的漂浮分层作用，因而与弥散作用相反并增强分离性能。不管是否采用粒状吸附剂或叠层支撑的吸附剂，只要吸附床中的流量方向从其第一端向第二端径向向内，这一重要的有效作用都是存在的。

在与出现在吸附器外径上的进气的空气分离时，与氮气相比，氧的克分子重量较大，故漂浮作用可能适度地不利。氢气和其杂质(除了氮气之外)之间的克分子重量差很大并且是在所需方向上的。本发明的一些工艺过程实施例包括加热氧气轻质回流气体的特点，主要是为了从热量上加强膨胀能量回收，改善吸附/解吸附动力学效果，以及使最佳操作压力范围从真空移动到正超大气压情况的这些目的。充分地加热轻质回流氧气可产生一径向热梯度，因此，吸附器的第二端(在内径处)将比吸附器第一端(在外径处)热。在本发明的一快速转动转子中，此热梯度将改善吸附器中的质量转移前沿的对流稳定性，并且将补偿氧气变得比同样温度下氮气更密时的反作用。因此，通过建立低克分子重量气体径向向内接触吸附剂的径向密度梯度，或者建立径向向内的高温热梯度，本发明可使质量转移前沿的径向稳定化。

另外，在空气分离应用中的，可以通过与施加到径向流量转动吸附器的内径上的进气操作，同时作为第二种产物的氧气从外径处被吸走而增加对流稳定性。

图5

通过将适当的加强矩阵加入薄吸附层中形成吸附材料，并且将该吸附层隔以间隔件而形成一叠层式接触件，并且相邻吸附层之间有流动通道，可获得采用粒状吸附剂的另一种令人注目实施例。吸附器单元然后在转子中且在第一和第二阀表面之间安装成成角度隔开的矩形块，即吸附层作为大致平面层，这些平面层平行于由转子轴线及通过矩形块的轴线的半径构成的平面，并且平吸附层其间叠置有流动通道从而形成矩形块。流动通道还位于平行这些层和由转子轴线以及来自通过矩形块的轴线的半径形成的平面中，并且可构成为径向流动或轴向流动。在轴向流动情况下，第一和第二阀表面将作为垂直于且同心于转动轴线的平面圆盘。在径向流动情况下，如图1-4所示，第一和第二阀表面作为围住环形转子的内、外圆柱表面，在转子中安装吸附器单元。

在图2中在端点111和112、113和114之间的曲线示出了转子11的一段110。图5详细地示出了该段110，并且示出了吸附器的叠层式情况。

叠层115位于径向平面中并且叠置成构成矩形块的吸附器单元24。各层115包括加强材料、例如玻璃纤维或金属丝矩阵(编织或非编织的)，其上用适当的粘结剂(例如粘土、硅酸盐或焦炭粘结剂)支撑有吸附材料(例如，沸石微晶体)。吸附层的典型厚度大约为100微米。层115在一个或两个侧面上都装有隔离件以在相邻层对之间建立流动通道。流动通道构成各吸附器单元中的流动通道第一端30和第二端32之间接近于径向的流动通道。典型的通道高度将约为吸附层厚度的50％至100％。

吸附层包括一种加强材料，较佳地为玻璃纤维，但其它的金属箔或丝网也是可以的，吸附材料用适当的粘结剂固定于其上。对于产生富含氧气的空气分离而言，一般的吸附剂为X、A或菱沸石类沸石，典型地与钙或锂阳离子互换。沸石晶体用硅、粘土和其它粘结剂粘结在吸附剂层矩阵中。

通过将沸石晶体和粘结剂成份的稀浆涂在加强材料上可制成令人满意的吸附层，成功的例子包括非编织的玻璃纤维沙罩、编织的金属织物以及膨胀的延展铝箔。隔离件都具有用突起图案印刷或浮雕的吸附层，或者将构造的隔离件置于相邻吸附层对之间。编织金属网、玻璃纤维沙罩以及具有以照相平版印刷图案蚀刻的流动通道的金属箔都可用作为令人满意的隔离件。

一般吸附层的经验厚度为150微米，隔离件的高度在100至150微米范围内，吸附器流动通道长度近似20厘米。采用X类沸石，以每分钟50至100周的PSA周期频率可以实现从空气中分离氧气的极好性能。

图6和7

图6示出了根据本发明的一种典型PSA周期，图7示出了类似的PSA周期，并且第一种产品气体一部分的重质回流再压缩为该工艺过程提供第二进气。

在图6和7中，垂直轴线150表示吸附器中的工作压力和第一和第二腔室中的压力。由于吸附单元中的流量引起的压降忽略不计。较高和较低工作压力分别由虚线151和152表示。

图6和7的水平轴线155表示时间，PSA周期时间由点156和157之间的时间间隔确定。在时间156和157时，特定吸附器中的工作压力为压力158。从时间156开始，某一特定吸附器(例如24)的周期开始，此时该吸附器的第一孔34通向第一进气加压腔46，藉由第一进气提供装置160以第一中间进气压力161向其中进气。该吸附器中的压力从时间157时的压力158上升到第一中间进气压力161。继续前进时，第一孔经过一密封带，先将吸附器24与腔46的连通关闭，然后通向第二进气增压腔50，该腔中由第二进气提供装置162以第二中间进气压力163进气。吸附器压力上升到第二中间进气压力。

吸附器24的第一孔34接着通向第一进气腔52，该腔室由第三进气提供装置165保持在基本上高压下。一旦吸附器压力已上升到大致为较高工作压力，其第二孔35(从时间156开始已与所有第二腔室关闭)通向轻质产物腔70并且输出轻质产物166。

在图7的周期中，吸附器24的第一孔34再通向第二进气腔54，并且由第四进气提供装置167保持在大致较高压力下。总之，第四进气提供装置可提供第二进气，一般比由第一、第二和第三进气提供装置所提供第一种进气含有更多的易被吸附成份。在图7所示的特定周期中，第四进气提供装置167是“重质回流”压缩机，可将一部分重质产物压回到装置中。在图6所示的周期中，没有第四进气提供装置，并且可取消腔54或者与腔室52组合并在定子的较大角度弧段上延伸。

当仍从腔室52或54之一向吸附器24的第一端进气时，吸附器24的第二端与轻质产品腔70之间封闭，并且通向第一轻质回流排放腔72，同时将“轻质回流”气体(与第二产品气体类似富含不易被吸附的成份)输送到第一轻质回流压力下降装置(或膨胀机)170。吸附器24的第一孔34然后与所有第一腔室封闭，同时第二孔35逐步通向(a)第二轻质回流排放腔74，使吸附器压力下降到第一并流排气压力171，同时将轻质回流气体输送到第二轻质回流压力下降装置172，(b)第三轻质回流排放腔76，使吸附器压力下降到第二并流排气压力173，同时将轻质回流气体输送到第三轻质回流压力下降装置174，以及(c)第四轻质回流排放腔78，使吸附器压力下降到第三并流排气压力175，同时将轻质回流气体输送到第四轻质回流压力下降装置176。然后，第二孔35以一间隙关闭，直到轻质回流返回到跟随逆流排气步骤的节奏。

轻质回流压力下降装置可以是机械膨胀机或用于膨胀能量回收的膨胀阶段，或者可以是限制孔或节流阀以用于不可逆转的压力下降。当最终轻质回流排放步骤(如图6和7所示)之后第二孔关闭时，或者在轻质回流排放步骤仍在进行之前，第一孔34通向第一逆流排气腔56，使吸附器压力下降到第一逆流排气中间压力180，同时将“重质”气体(富含强吸附成份)释放到第一排出装置181。然后，第一孔34通向逆流排气腔58，使吸附器压力下降到第一逆流排气中间压力182，同时将重质气体释放到第二排出装置183。最终到达较低工作压力，第一孔34通向重质产品腔60，使吸附器压力下降到较低压力152，同时将重质气体释放到第三排出装置184。一旦吸附器压力大致达到较低压力时，同时第一孔34通向腔室60时，第二孔35通向净化腔80，该腔室可接收来自第四轻质回流压力下降装置176的轻质回流气体以将更多的重质气体移入第一产品腔室60。

在图6中，来自第一、第二和第三排出装置的重质气体作为重质产品185输送。在图7中，此气体部分地作为重质产物185释放，同时其余作为“重质回流”187改变方向到作为第四进气提供装置167的重质回流压缩机。就象轻质回流能够实现轻质产品中不易被吸附“轻质”成份的高纯度，重质回流也能够实现重质产品中易被吸附“重质”成份的高纯度。

在第一和第二孔对腔室60和80关闭之后，吸附器由轻质回流气体再加压。接着，当第一孔34至少一开始保持关闭，(a)第二孔35通向第一轻质回流加压腔82以使吸附器压力上升到第一轻质增压压力190，同时从第三轻质回流压力下降装置174中接收第三轻质回流气体，(b)第二孔35通向第二轻质回流增压腔84以使吸附器压力上升到第二轻质回流增压压力191，同时从第二轻质回流压力下降装置172接收第二轻质回流气体，以及(c)第二孔35通向第三轻质回流加压腔86以使吸附器压力上升到第三轻质加压压力192，同时从第一轻质压力下降装置170的第一轻质回流气体。除非进气加压已经开始，同时轻质回流加压的轻质回流返回仍在进行，一旦第三轻质回流增压步骤已结束，工艺过程(根据图6和7所示)就开始为时间157之后的下一次周期进行进气加压。

只要第一和第二阀中没有节流，各吸附器中的压力变化波形将是一矩形阶梯。为了获得吸附器的平衡性能，较佳地所有孔相互都一样关闭。

各加压或排气步骤中的压力变化速度由第一和第二阀装置的开口(或在间隙或迷宫密封间隙)节流限制，或由吸附器第一和第二端中的孔节流，以形成图6和7所述的典型压力波形。另外，孔都由密封带缓慢地打开，以在孔和密封带之间提供流量限制节流，密封带可以有锯齿形边(例如在密封带边上有凹口或倾斜缝)，这样孔就可以逐渐打开成全流量。压力变化过快会使吸附器受到机械应力，同时还会产生流量不稳定，而这会增加吸附器中浓度波尖的轴向分散度。通过使多个吸附器同时经过周期的各个步骤，并且在功能腔室和有关歧管中提供足够的容积而可以使流量和压力脉动最小，这样它们可以有效地起到压缩机器和第一和第二阀装置之间浪涌吸收器的作用。

显然，周期可以概括为通过使进气增压、逆流排放排出或轻质回流各个主要步骤中具有更多或较少的中间阶段。而且，在空气分离或空气净化应用中，进气加压的一个阶段(一般是第一阶段)可以通过与大气压相等而作为周期的中间压力来进行。类似的，逆流排气的一个阶段可通过与大气压相等而作为周期的一个中间压力来进行。

图8

图8-15是采用图1-4所示组件10作为基本结构单元的PSA系统简化示意图，并且示出了组件第一和第二歧管与典型应用中用于压缩和膨胀气体的机器的连接结构。在图8-15中，第一和第二歧管的标号与图3类似。

图8是采用选氮沸石吸附剂，将氧气从空气中分离的PSA系统简化示意图。轻质产物富含氧气，而重质产物是通常作为废物排出的富含氮空气。周期低压力152名义上是大气压。进气从过滤入口200引入到一进气压缩机201。进气压缩机包括压缩机第一级202、中间冷却器203、压缩机第二级204、第二中间冷却器205、压缩机第三级206、第三中间冷却器207以及压缩机第四级208。所述的进气压缩机201可以是一四级轴向压缩机或具有电动机209的离心式压缩机，电动机作为原动机且由轴210连接，而中间冷却器都是可选择的。参见图6，进气压缩机第一和第二级都是第一进气提供装置160，将处于第一中间进气压力161下的进气藉由导管212和冷凝水分离器213输送到第一进气加压歧管48。进气压缩第三级是第二进气提供装置162，将处于第二中间进气压力163下的进气藉由导管214和冷凝水分离器215输送到第二进气加压歧管51。进气压缩机第四级是第三进气提供装置165，将处于高压151的进气藉由导管216和冷凝水分离器217输送到进气歧管53。轻质产品氧气流从轻质产物歧管71通过导管218输送，并且基本上保持在高压下且摩擦压降小。

图8的装置包括能量回收膨胀机，包括轻质回流膨胀机220(此处包括四级)和逆流排气膨胀机221(此处包括两级)，并且藉由轴222连接到进气压缩机201上。各级膨胀机例如可以是向内径流式涡轮，具有全进气独立叶轮的轴向分级涡轮，或者与以下图17-20所示单个叶轮结合的部分进气脉冲分级涡轮。

来自在第一轻质回流排放歧管73的轻质回流气体在高压经过导管224和加热器225流向第一轻质压力下降装置170，该装置此时为第一轻质回流分级膨胀机，然后在第三回流加压压力192下通过导管227流到第一轻质回流返回歧管87。来自第二轻质回流排放歧管75的轻质回流气体以第一并流排气压力171通过导管228和加热器225流到第二轻质回流压力下降装置172、即第二级膨胀机230，然后以第二轻质回流增压压力191通过导管231流到第二轻质回流返回歧管85。来自第三轻质回流排放歧管77的轻质气体以第二并流排气压力173通过导管232和加热器225流到第三轻质压力下降装置174、即第三级膨胀机234，然后以第一轻质回流增压压力190通过导管235流到第三轻质回流返回歧管83。最后，来自在第四轻质回流排放歧管79的轻质回流气体以第三并流排气压力175通过导管236和加热器225流到第四轻质回流压力下降装置176、即第四级轻质回流膨胀机238，然后基本上以低压152通过导管239流到第四轻质回流返回歧管81。

来自第一逆流排气歧管57的重质逆流排气以第一逆流排气中间压力180通过导管240流到加热器241，从那儿再流到作为第一排出装置181的逆流排气膨胀机221的第一级242，并且从膨胀机以低压152输出到排出歧管243。来自第二逆流排气歧管59的逆流排气以第二逆流排气中间压力182通过导管244流到加热器241，再从那儿流互作为第二排出装置183的逆流排气膨胀机221的第二级245，并且基本上以低压152从膨胀机输出到排出歧管243。最后，来自重质产物排出歧管61的重质气体通过作为第三排出装置184的导管246流到排出歧管243，从而将基本上为低压152的重质产物气体185输出出口。

加热器225和241使进入膨胀机220和221的气体温度上升，因而扩大膨胀能量回收，增加藉由轴222从膨胀机220和221输送到进气压缩机201的功率，并且减少原动机209所需的功率。同时，加热器225和241都是可以向膨胀机提供热量的装置，中间冷却器203、205和207都是将热量从进气压缩机中热量去除并作为降低较高压缩机级所需功率的装置。加热器和中间冷却器都是本发明中可以选择的特征。

如果轻质回流加热器249以足够高的温度工作时，多级轻质回流膨胀的排放温度就比进气由导管212、214、216输送到进气歧管时高，吸附器24第二端35的温度可以比其第一端34的温度高。因此，吸附器沿着流动通道具有热梯度，同时其第二端的温度相比第一端高。这是由Keefer在美国专利4,702,903中介绍的“热耦合加压摆动吸附”(TCPSA)原理的扩展。然后，吸附器转子11起到一热旋转回热器的作用，就象具有一压缩机201和膨胀机220的回热式燃气涡轮发动机中一样。由加热器225提供给PSA工艺的热量有助于向根据一回热式热动力功率循环的工艺提供功率，类似于利用压缩侧上的中间冷却和膨胀侧上的中间加热而实现Ericsson热动力循环的改进回热式燃气涡轮发动机。

在用于将氧气从空气中分离出来的PSA实例中，轻质回流总流量比进气流量小得多，因为吸附了大量的氮气。因此，从膨胀机可回收的功率比压缩机所需的功率小得多，但显然仍可用于提高氧气生产的效率。通过使吸附器在适度升高的温度时工作并且采用诸如Ca-X、Li-X或钙菱沸石的强选氮吸附剂，一PSA氧气生产系统可以以很好的性能和异常的效率进行操作。虽然吸附剂的高温将减少氮气吸附和选择性，但等温线将更加线性。超大气压力PSA周期中的有效工作能力可以通过PCPSA模式中的操作而提高，并且在吸附器中温度梯度加大。利用诸如Ca-X、Li-X的吸附剂工作，目前一般的实践已使大气温度PSA在亚大气压力的低压下以所谓的“真空摆动吸附”(VSA)操作，这样高选择性的吸附剂可以在比氮吸附饱和状态低得多的情况下工作，并且在大致为线性的等温范围内有很大的工作能力。在较高温度下，氮吸附饱和度移到增加得更多的压力下，因此，最佳的PSA周期较高和较低压力还可以向上移动。为了使图8所示装置满意地操作，吸附器第二端通常的工作温度为对于Ca-X、Li-X而言近似50℃，对于钙菱沸石而言近似100℃至150℃。

当高能量效率不是最重要时，多级轻质回流膨胀机和多级逆流排气膨胀机可以由用于压力下降的限制孔或节流阀代替，如图10所示。图8示意图示出了支撑多级压缩机、逆流排气或多级排出膨胀机以及多级轻质回流和将压缩机连接到原动机上的单根轴。然而，应当理解，在本发明范围内，分开的多根轴、甚至分开的多个原动机都可用于分开的多级压缩和膨胀。

还应当理解，压缩级和膨胀级的数量(以及以下图9实施例中的真空泵级数)在本发明范围内是可以改变的。总体上以及对于所选的压缩机或膨胀机的相等级效率而言，级数多将可提高PSA工艺过程的效率，因为第一和第二孔上的不可逆均衡膨胀将以较窄的压力间隔进行。然而，当级数较大时，将使各个增加级的效率提高减小。

图9

图9示出了用于将氧气从空气中分开的真空PSA(VPSA)系统。图6的中间压力158现在是名义大气压。低压152和高压151可以分别为大气压的0.5和1.5倍。进气压缩机第一级202直接变为第一进气装置进气歧管48。同样地，压缩机第二级204和第三206分别作为第二进气装置162和第三进气装置165工作。为清楚起见省略了冷凝分离器。

一多级真空泵260由轴222驱动，并且配有轻质回流膨胀机220。真空泵例如可以是一多级离心或轴向压缩机，或者可以通过用于接收多种吸入压力时的入口气体的旋转正排量机器构成。第一级真空泵261(起到第三排出装置184的作用)从重质产物排出歧管61吸出低压富含氮的空气，并且将此气体经过中间冷却器262以第二逆流排气压力182输送到第二级真空泵263(起到第二排出装置182的作用)，该第二级泵还从第二逆流排气歧管59中吸收相同压力的重质气体。从真空泵260排出的混合重质气体与由导管240(起到第一排出装置181作用)输出的重质气体混合而形成通过导管243输送到大气(与第一逆流排气压力相等)中的重质产物185。

图10

图10示出了与图9类似的VPSA装置，但具有通过节流孔270、272、274和276而分别设置的轻质回流压力下降装置170、172、174和176。节流孔可以是固定孔，或者可以是具有一控制执行器277的节流阀以协调地调整其孔口。控制执行器277可提供用于调节各个轻质步骤的压力下降速度的装置，这样工艺过程可以调节以在不同周期频率或较高和较低工作压力的不同比例下工作。应当注意，可调节的喷嘴(与具有控制器277的可调节流类似)还可以用来与用于各级轻质逆流排气膨胀机的膨胀涡轮机连接。

图11

图11示出了用于接收两种进气混合物、并对重质产品气体再压缩的PSA装置。一种适当的应用可以是从石油精炼废气中、例如氢含量为30-70％的一般含有轻质碳氢气体的氢化处理净化气体中回收氢气。经常地，在10-20倍大气压范围内较高进气压力的不同氢气浓度的几种废气可供利用。采用通常的吸附剂、例如、活性碳或沸石，碳氢杂质比氢气更易被吸附，所以，净化的氢气可以是以较高工作压力输送的轻质产物，该较高工作压力可以仅略小于进气提供压力，同时杂质将集中为重质产物并且从PSA工艺中作为“PSA尾气”以较低工作压力排出。尾气经常被烧去或可用作燃料气体。

对于氢气负载，正排量膨胀和压缩机器(例如双螺杆机械)可以是较佳的，因为该气体的克分子重量低。根据本发明，这些机械可采用额外的入口和/输出口以接收和输送多种中间压力的气体。

通过在尽可能低且最好近似大气压力的工作压力下工作，可以大大提高来自精炼废气的PSA氢气回收物的性能和产量(利用在接近大气温度下工作的吸附器)。然而，尾气通常至少在5或6个大气压下输送，而排出到精炼厂的燃气煤气管。特别是对于在炼油厂安全约束条件下的可燃烧气体，用于压缩的成本可能过高。

图11的装置可以构成为接收第一和第二进气混合物，第一种具有高浓度的不易被吸附成份(如氢气)第二种含有比第一种更多的易被吸附馏分。第一种进气基本上在较高工作压力下藉由第一输入导管280输送到第一进给歧管53，而第二种进气基本上以较高工作压力由第二输入导管281输送到第二进气歧管55。各吸附器在接收第一种进气之后可接收第二种进气，这样吸附器中的浓度曲线沿着其流动通道从吸附器单元24中的流动通道第一端34至第二端35在易被吸附成份浓度方面单调地倾斜。几乎在此仅最终加压步骤用轻质回流气体实现。当各吸附器的第一端通向与歧管53连通的腔52时，可实现最终进气加压(从第三轻质回流增压压力192直接到较高压力151)。如图8实施例一样，可以方便地结合附加进气加压步骤。

在此实施例中，尾气(重质产物)从第二产物输送导管以高于低工作压力的一较高压力输出，在此例中该压力近似图6中以导管240作为第一排出装置181的第一逆流排气压力180。尾气由尾气压缩机290再压缩，并且压缩机第一级291作为第三排出装置184而将经过导管246来自排出歧管61的第一产物气体再压缩，同时在第一级压缩之后将第一产物气体经过中间冷却器292输送到压缩机第二级293，该压缩机本身是压缩经过导管244来自歧管59的第二逆流排气气体的第二排出装置。

图12

图12示出了PSA装置，该装置利用重质回流可以获得高浓度和纯度的易被吸附成份成为重质产物，或者获得高收获率(回收率)的不易被吸附成份成为轻质产物。此装置还可构成为以增高的压力输送重质产物，即在此是近似较高工作压力，这样两种产物气体都可在大致较高压力下输送。

图12的装置具有输入导管300以将较高压力下的进气引到第一进气歧管53。如图11中的例子，吸附器加压主要是通过轻质回流以最终进气加压步骤经过歧管53而实现的。

多级重质回流压缩机301具有作为图7中的第三排出装置184的第一级302，以通过导管246从第一产物排出歧管61吸出重质气体，并且将此气体经过中间冷却器303压缩到第二级304。作为第二排出装置183的重质回流压缩机第二级304还将重质气体从第二逆流排气歧管59经过导管244吸出，并且通过中间冷却器305将此气体输送到第三级306，该第三级作为第一排出装置181的还从第一逆流排气歧管57经过导管240吸出重质气体，并且通过中间冷却器307将此气体送到第四级308，该第四级可实现PSA周期的较高工作压力。重质回流压缩机由初原动机209经过轴210、以及通过轻质回流膨胀机220经轴309而被驱动。

被压缩的重质气体藉由导管310从压缩机第四级308送到冷凝分离器311，从该处重质产物由导管312输送，该导管在外部保持在基本上较高压力减去摩擦压降。被冷凝的蒸气(如水或液态碳氢)通过导管313以与导管312中重质产物基本上相同的压力去除。在去除第一产物气体之后，剩余的重质气体流由导管314流到第二进气歧管55中，作为各吸附器的各进气步骤之后重质回流到达各吸附器。重质回流气体是第二种进气，并且易被吸附成份或馏份的浓度高于第一种进气。

图13

图13示出了一PSA装置，具有一自由转子尾气压缩机或真空泵，并且由与多级涡轮增压器类似的能量回收膨胀机驱动。自由转子压缩机320在轴321上包括尾气压缩机322(或真空泵322，当低压是低于大气压时)，该压缩机是第三排出装置184，以将重质产物气体或尾气从排出歧管61吸出。在此例中，重质气体从导管243以第二逆流排气压力182排出，该压力是高于较低压力的。压力182可以是大气压，在此情况下第三排出装置是一真空泵。导管244是第二排出装置183。第一排出装置181是连接到自由转子压缩机320的轴321上的膨胀机323。膨胀机323可使从歧管57经过导管240和可选择的加热器241流出的重质气体膨胀，并且将此气体释放到排出导管243中。

轻质回流膨胀机220和逆流排气膨胀机323两者通过轴321连接以驱动尾气压缩机322，而不需要其它的机械动力源。能量回收的应用(从轻质回流和逆流排气中回收)可具有降低较低压力以提高PSA(VPSA)周期性能或者提高第一产物输送压力、就象例如尾气处理可能所需的那样、以及不需一由电动机驱动的压缩等优点。这一特点可对氢分离是特别有用的，此时降低低压明显改善性能，同时可能需要增大的尾气压力。另外，一氢气PSA系统可以以低于(亚)大气压力下操作，同时尾气以明显高于大气压的压力下排出以在一点燃装置或炉中燃烧。

图14

图14示出了采用一自由转子压缩机或涡轮增压器的另一实施例。在此实施例中，是应用于从空气中分离氧气的，一电动机驱动的第一进气压缩机330由初级原发动机209通过轴210驱动。多级进气压缩采用与图8相同的术语和标号，进气压缩机330包括在由电动机209驱动的轴210上的进气压缩第一级202和第三级206。自由转子第二压缩机340包括在轴222上、由逆流排气膨胀机221和经过轴222的轻质回流膨胀机220驱动的进气压缩第二级204和第四级208。此结构能够使一由电动机驱动的少数级(此处为2级)进气压缩机工作而使具有多种进气提供压力(此处是图6所示的三个压力161、163和151)的PSA周期工作，因为自由转子压缩机具有双功能，即作为通过热增压的膨胀能量回收应用而使进气压力增加的装置，以及作为将级中间压力分离以提供到PSA组件的装置。

图15

图15示出了具有4个平行组件的VPSA氧气发生工厂，各组件具有由能量回收膨胀机驱动的一自由转子增压压缩机，并且整套设备只具有一个原动机350，该原动机例如可以是电动机或燃气涡轮机。原动机350可驱动轴352上的第一进气压缩机351。进气压缩机351具有第一级353，它可将进气从输入导管200吸出，以及一第三级354。进气压缩的第二级由各组件的自由转子压缩机实现。此实施例中的第一进气压缩机351还包括一排出真空泵355，它也连接到轴352上。

该工厂包括四套相同的组件10、工0B、10C和10D。在图15和16中，部件术语和标号与图1-14中所用的一致，并且对于组件部件在标号上加上后缀A至D，可以在其它各个组件中找出与任一组件上用标号这样标识的各部件相同的部件。第一歧管都用标号标识成对于组件10D是48D和51D指进气增压，53D用于高压下进气提供，57D和59D指逆流排气，以及61D指较低压下排出。第二歧管都用标号标识成对于组件10C是71C连到轻质产物输送歧管360和输送导管218，轻质回流排出歧管73C、75C、77C和79C，以及轻质返回歧管81C、83C、85C和87C。

参照组件10B描述各组件的相同自由转子压缩机。自由转子压缩机装置370B包括进气压缩第二级371B和真空泵372B，两者由轴373B连接到轻质回流膨胀机220B上。由进气压缩机第一级353压缩的进气由平行于各组件的第一进气增压歧管(例如48D)的进气歧管376传递到各组件的自由转子压缩装置(例如370B)的进气压缩第二级(例如371B)的入口，各组件进一步将压缩进气增压气体输送到各组件的第二进气增压歧管(例如51D)。由进气压缩第三级354压缩到较高压力的进气由平行于各组件的第一进气提供歧管(例如53D)的进气歧管377传递。在较低压力下的重质气体从各组件的重质腔(例如61D)经过真空排出歧管378吸到作用第三排出装置的排出真空泵355。来自各组件的第一逆流排气歧管(例如57D)的逆流排气由例如作为第一排出装置的导管240B输出，同时来自在各组件的第二逆流排气支管(例如59D)的逆流排放气体由作为第二排出装置的自由转子压缩机装置的真空泵(例如372B)排出，并且将重质尾气输送到组件重质产物或废气排出装置、例如243B。

图16

图16示出了具有5个组件10A-10E的PSA装置。在此实施例中，与图8实施例和部件描述中所述一样，原动机、所有压缩机级以及所有级膨胀机都直接地以机械方式连接(例如连接在一根轴上)，不同点仅是多个组件是平行连接的。

图17

在此例中，密封面21和23分别由第一和第二阀定子40和41上的有开口的、经表面硬化处理的表面构成。滑动密封件380设置在各吸附器24和其相邻吸附器之间的转子11上，以流体密封接触方式配合两个密封面21和23。密封件380可具有一基于PTFE或碳成份复合材料的磨损面，并且应当顺从地安装在转子11上以补偿磨损、变形和不对准。开口381的尺寸，特别是在各腔室的前边处，加工为可提供受控制节流，当各吸附器依次通向该腔室时，可使吸附器和该腔之间的压力平滑地过渡到相等。

分流真空泵260可接收逆流排气并且将分成三股从逆流排气腔56、腔58和腔60中收到的处于增量逐级减少压力的废气流排出。混合的废气流作为重质产物气体输出。在此例中，开始进气增压是从大气压进行的，这样一第一进气加压导管382可使输入空气直接从入口过滤器200进入基本上处于大气压下的第一进气加压腔46。进气压缩机201的第一输出口现在与第二进气加压腔50连通。所示的压缩机作为一带有入口391、三个增量逐级高压出口392、393和394的分阶机械。

在具有能量回收的轻质回流压力减少方案中，设有一分流轻质回流膨胀机220以提供并有能量回收的四个轻质回流阶段的压力下降。轻质回流膨胀机可为如图所示的四个轻质回流阶段各自提供压力下降。如虚线395所示，这些阶段可以在轻质回流膨胀机中随意划分以减少这些阶段之间气体浓度的混合。轻质产物纯度将从高压的轻质回流阶段向低压的那些阶段下降，这样只要避免混合就可保持轻质回流的所需分层作用。

轻质回流膨胀机220由轴397连接直接驱动轻质产品压力增压压缩机396。压缩机396从腔室70接受轻质产品，并从输送管218输送轻质产品(压缩到高于PSA循环中较高压力的输送压力以上)。由于轻质回流及轻质产品均为大致同样纯度的加浓氧气流，膨胀机220及轻质产品压缩机396可以密封地封装在一个单独机壳内，像一个涡轮增压器一样。

图18

图18示出了一径向流旋转PSA组件500，用于生产(成吨的)工业用氧。参见图18，该视图可以认为是高压腔54和70以及低压腔80和60的轴向截面图。箭头501和502分别表示输入和输出流。转子11具有一第一端板510，并且具有通过第一轴承罩513中的轴承512所支撑的短轴511，该罩是与第一阀定子40成一体的。转子11以安装接头514安装到第二端板515上，并且短轴516由第二轴承罩518中的轴承517支撑，该罩在安装接头519处安装到第一阀定子40上。

转子11藉由电动机95驱动，该电动机由伸过罩513、经过轴密封件522的轴94而连接到短轴511上。第一端板510没有穿孔，否则由于从第一阀表面向第二阀表面的泄漏，这些穿孔会危及轻质产物气体的纯度。第二端板515在衬套530处被第二阀定子穿过。第二阀定子41是转子11中的一静止枢轴，且具有导向衬套530和532，同时在组件面534处安装到第二轴承罩518上。轴承512和517直径可以比密封面21处的转子11外径小得多。一轴密封件535设置在轴516和517之间，以防止污染轻质产物气体的杂质从靠近第一阀密封面21的腔536漏到第二阀密封面23的腔537。

较佳地，密封件535是紧密防漏的，这样不会危及产物纯度。通过使此密封件的直径小于阀密封面，从轴密封件535产生的摩擦力矩比此密封件处于整个定子直径的情况下大大减小。经过第一阀表面中的密封件泄漏就很不重要，因为经过那些密封件的适当泄漏只会减少工艺过程的容积效率。类似的，在第二阀面中、经过密封件的适度泄漏可以被允许，因为轻质回流气的浓度和经过那些密封件泄漏的轻质产物气体几乎是一样的。因为第一阀表面中、经过密封件的适度泄漏(包括圆周密封件96)以及经过第二阀表面的密封件的适度泄漏(包括圆周密封件97)都是可以接受的，所以所有那些密封件可以设计成具有相对较轻的机械配合以使摩擦力矩最小。实际上，窄间隙密封件或具有零机械磨擦的迷宫式密封件对于高周期频率(例如每分钟50或100周)的大容量组件操作是一种特别有吸引力的方案，其时密封件泄漏流对总体效率的影响最小。较佳地，第一和第二阀表面中的密封件具有一致的性能和泄漏率，因此所有“N”吸附器经历相同的PSA周期流和尽可能接近的压力状况，而不会受到吸附器之间泄漏变量的破坏。

因此本发明的一个重要优点是仅在一个动力转旋密封件、即轴密封件535上需要紧公差密封，该轴密封件的直径制成为比转子直径小得多以减少密封周长以及机械摩擦功率损失。对于给定的旋转密封件截面和负荷，在给定RPM(转速)下的磨损功率损失与密封面直径平方成正比。

由于如上对图18所述的“涡轮压缩机”氧气增压器紧凑度(与自动车涡轮增压机类似)，所以可以将具有紧配合轻质产物压缩机396的分流轻质回流膨胀机220安装在轻型阀定子内。被压缩的氧气产物由导管218输送。

图19

图19示出了用于小批量生产氧气的轴向流旋转PSA组件600。在吸附器24中的流动通道在此与轴线601平行。从图20、21和22中可以获得更好的理解，它们都是组件600分别由箭头602-603、604-605以及606-607所指平面中的轴向截面。图19是组件600在高压腔54和70以及低压腔60和80的轴向截面。吸附器转子11包括在吸附器轮608中的“N”个吸附器24，并且在第一阀定子40以及第二阀定子41之间回转。被压缩的进气如箭头501所指输送到腔54中，而富含氮的废气从腔室60如箭头502所指地排出。

在转子11端部，圆周密封件608和609包住第一密封面21，圆周密封件610和611包住第二密封面23。密封面都是平盘状的。圆周密封件还构成了吸附器之间的密封件端，或者定子腔室之间密封面的动态密封件。转子11具有由第一轴承罩513中轴承512支撑的短轴511，该罩与第一阀定子40成一体。第二阀定子41具有使定子11与导向衬套612配合的短轴。

一有凸缘的盖板615用于第一阀定子40主第二阀定子41之间的结构连接和流体密封盖。转子11包括在接头619处安装到吸附器轮608上的密封件座618，并且在第二阀定子41背面和盖板615之间延伸以密封与动态密封件625接触的密封面621。密封件625可防止轻质产物气体被从靠近第一阀密封面21的腔626漏向靠近第二阀密封面23的腔627的杂质所污染。

密封件625需要紧密地防止泄漏，否则会危及产物纯度。由于此密封件直径小于阀面外径，此密封件的摩擦力矩大大小于如果此密封件等于整个转子直径。还可减小可能发生泄漏的圆周长度。如图18所示，轻质回流压力下降装置、即图示为具有紧密耦合的轻质产物压缩机396的分流轻质回流膨胀机220可以安装在轻型阀定子内部。

图20

图20示出了具有双吸附器轮的轴向流旋转PSA组件650。第一吸附器轮608采用与图19中相同的标号，加上撇号“’”的标号用于第二吸附器轮608’，它们组装在一起作为转子11。组件650具有两个第一阀表面21和21’，各自具有一整套进气输入和第二产物排出腔。外部歧管用于将输入流体输送到各对进气腔并且将废气从各对排出腔吸出。组件650具有两个第二阀表面23和219’，它们共享一组轻质产物输送、轻质回流退出和返回以及驱气腔室。箭头651表示腔室221中的流向，箭头652表面腔室70中的流向。

转子11由连接到第一吸附器轮608上的轴94驱动。吸附器轮408和608’安装在接头655处。图19中具有凸缘的盖板615在此由用于第二吸附器轮608’的第一阀定子40’代替，以起到连接第一阀定子40和第二阀定子41的作用以形成用于组件的封闭罩壳。一小直径动态密封件660安装成靠近衬套612’处，以防止第一和第二阀表面之间的泄漏。

与单轮实施例600相比，由于有双轴向轮结构，故实施例650能够实现双倍的额定容量。

图21

图21示出了图19实施例600的第一阀表面21、即在断面602-603处，并且与一分流进气压缩机201和一分流逆流排气膨胀机221的流体连接。箭头670表示吸附器转子11的旋转方向。阀表面21向进气和排气腔的开口面积由空白的角度区域46、50、52、56、58、60表示，即与圆周密封件608和609之间的那些腔室对应。这些腔室之间的阀表面21的封闭面积由剖面阴影线扇区675和676表面。典型的封闭扇区675可为通向腔室56和腔室58之间的一吸附器提供过渡。在腔室的前边677和678处有渐次的开口，以实现吸附器通向一新腔室时柔和的压力均等化。还设有更宽的封闭扇区(例如676)，当从另一端执行增压或下降时，以基本上封住流向或从吸附器一端流来的流体。

通过使转子或定子上密封件对着相对定子或转子上的一开口硬表面密封抵触面摩擦，或者通过使定子窄间隙密封件具有由名义封闭表面的剖面阴影面积所构成窄密封间隙面积，可在典型封闭扇区(例如675)处的腔室之间实现密封。磨擦密封件可设置成为径向带密封件，并且具有诸如适当PTFE化合物或石墨之类的自润滑固体材料，或作为刷子密封件，其中一由柔顺纤维紧密捆扎成的刷子在抵触面上摩擦。

当磨擦密封件在转子上时(在相邻吸附器之间时)，剖视阴影扇区675和676将是定子上的硬表面密封抵触面的无开口部分。当磨擦密封件在定子上时，开口的硬表面抵触面在转子阀表面上。那些磨擦密封件可以作为窄封闭扇区(例如675)的整个扇区带。对于较宽的封闭扇区(例如676)，可用窄径向磨擦密封件作为边678和679，并且与跨越此宽扇区的整个面积磨擦配合相比，在那些边之间间隔处以减少摩擦。

对于有非常多的“N”个平行吸附器的大型组件来说，间隙密封件是有吸引力的。根据吸附器角度位置，流到或来自间隙的泄漏排出系数是变化的，因而可提供所需的柔和压力均等化。间隙的几何形状最好呈典型的名义封闭扇区(例如675)，这样间隙中的泄漏大多数用于吸附器压力均等，因而可使腔室之间的通过泄漏最小。间隙在这些扇区675中可以是倾斜的以使朝着腔室打开的间隙变宽，这样压力均等中的压力改变速度接近于直线。对于宽的封闭扇区(例如676)，间隙最好相对窄一些以使经过那些扇区的吸附器端部处的流量最小。

对于上述的所有类型阀表面密封件，较佳地，在整个过程可以获得一致的性能，并且“N”个吸附器在由自密封缺陷引起的所有扰动之后经历相同的流量图形。这一考虑有助于将磨擦密封件置于定子上，这样所有吸附器经历任何缺陷都是类似的。当密封件安装在吸附器之间的转子上时，较佳地，它们是完全相同的并且非常可靠以避免相邻吸附器之间的破坏泄漏。

为了补偿密封件和轴承的不对准性、热变形、结构偏移和磨损，密封系统应当具有适当的自对准悬浮。因而，磨擦密封件或间隙密封件构件可支撑在弹性支撑件、波纹管或薄膜上以提供与动态密封构件后面的静态密封的自对准悬浮。通过弹性预载和气体压力负载的组合可激励磨损密封件成为密封接触。

间隙密封件需要精度极高的间隙控制，这可以是由摩擦导向件实现。间隙密封件间隙控制也可以由一被动悬浮实现，其中由间隙密封区中气体压力和承载该区域后面悬浮的相邻腔室压力之间的平衡可保持适当的间隙。对于排气腔室之间密封构件而言，简单的被动自调整悬浮应当是稳定的。主动控制构件也可以用来调节间隙密封件间隙，并且有由直接间隙高度测量或间隙中压力梯度的反馈。主动控制可以认为是用于加压腔之间的密封构件，对此这种情况简单的被动控制是不稳定的。

图22

图22示出了图19中实施例600的第二阀表面23，即截面604-605，并且具有连接分流轻质回流膨胀机220和轻质产物增压压缩机396的流体连接。流体密封原理和可采用的方案与图21中的类似。类似的原理和可采用方案可应于径向流和轴向流几何形状、即可分别密封在圆柱形或盘形面上。

图23

如图5所示用于径向流情况一样，吸附器轮608可采用吸附剂叠层的径向对准矩形平叠层。图23示出了图19实施例的另一吸附器轮结构，即截面606-607。如图5中一样，吸附器24再形成具有隔离件的矩形吸附剂叠层，但在此各层吸附剂层是弯曲的而不是平的。由于这一结构，阀表面21和23中的开口和密封件理想地构成为对应的弯曲弧。圆形弯曲吸附器叠层之间的空隙由分离件684填充。这一圆形弯曲吸附器叠层可以通过使吸附剂层与隔离件在一圆柱形心轴上形成一螺旋辊而制成，然后将螺旋辊纵向切割以获得所需的叠层。通过将吸附剂层形成为螺旋形而不是圆弧形，叠层密度可以进一步改善。

图24-27

图24示出了具有脉冲式涡轮膨胀机的、用于轻质回流和逆流排气的多级离心压缩机400，即构成为具有图8所示的进气压缩机级202、204、206和208，逆流排气膨胀级242和245，以及轻质回流膨胀机级226、230和238。原动机209可驱动轴402，该轴由轴线406上的轴承404和405支撑在压缩机罩壳403中。轴402可承载压缩机第一级叶轮411、第二级叶轮412、第三级叶轮413和第四级叶轮414、排出脉动涡轮转轮415和轻质回流脉动涡轮转轮416。

来自PSA工厂入口200的进气进入吸气口420、到吸气涡壳421再到叶轮411的入口422。叶轮411将空气排到第一级扩散器425和第一级集气涡壳426，它可将第一级被压缩空气输送到第二级叶轮412的入口。叶轮412将空气排出到第二级扩散器430和第二级集气涡壳431，从该第二级输出口432输出一部分进气以作为处于第二级压力的加压气体到达导管212。类似地，进气由第三和第四级叶轮413和414压缩，处于第三级压力的空气从与导管214连通的第三级输出口436、以及处于第四级压力的空气从第四级输出口440被输出。

多级离心压缩机400可构成图8所示进气压缩机201的多级。多级真空泵、如图9实施例中所需的，可以类似地由传统离心级构成。对于大型多组件工厂，例如图16所述的，输出和轻质回流膨胀机涡轮可由多级径向内流涡轮器构成，其各级结构与图24所示的离心级机械结构类似。在较大工厂中，采用全进入口轴向涡轮级可以作为膨胀级，就与气体涡轮似。

对于较小工厂容量的优点是，通过采用局部进入脉冲涡轮来实现逆流排气和轻质回流膨胀，可在图24-27实施例中获得相当简单的效果，即各膨胀机级在一个运行叶轮上只点对应涡轮机的一扇形弧段。由于各涡轮膨胀气体贯穿相邻压力间隔的成份很相似，故这一措施是很实用的。

图25是图24中由箭头451和452所示的一个截面，即跨越轻质回流脉动涡轮转轮416的平面。图24是图25中由箭头453和454所示平面上的截面。转轮416绕轴线406沿箭头455所示方向转动。转轮416具有安装于边缘的轮叶456。图26是轻质回流膨胀机脉冲涡轮机的投影图，即围绕如图25中端459和460的点之间划线圆458所示脉冲涡轮机周长作360°展开。

轻质回流涡轮机具有四个喷嘴，以起到转轮的四个90°弧区作用，以提供四个膨胀级，包括接收来自与导管224连通的开口462的流体的第一喷嘴461，接收来自与导管228连通的开口464的流体的第二喷嘴463，接收来自与导管232连通的开口466的流体的第三喷嘴465，以及接收来自与导管236连通的开口468的流体的第四喷嘴467。

来自喷嘴461的第一级轻质回流流体冲击轮叶456，并且收集在扩散器471中且在压力降低的情况下从连通到导管227的开口472排出。类似地，来自喷嘴463的轻质回流流体收集在扩散器475中并且由开口476流到导管235，来自喷嘴467的轻质回流流体收集在扩散器477中并且从开口478流到导管239。为了使级间泄漏损失最小，外壳403和转轮416轮叶456之间的通道间隙479在90度弧区之间最好是较窄的。

排出膨胀机涡轮机或逆流排气膨胀机涡轮具有两级。其截面结构与图25所示类似，只是两个排出级需要有两个而不是四个喷嘴和扩散器。图27是用于轻质回流涡轮机的、由点划线圆458所示排出涡轮机转轮415的展开投影、排气涡轮在转子415上有叶片480。喷嘴481可从与导管240连通的开口482接收第一逆流排气流，而喷嘴483可从与导管244连通的开口484接收第二逆流排气流。喷嘴481和483具有导向翼片485和486，并且将逆流排气流引到冲击在涡轮机415相对半个扇区中的轮叶480上。在由轮叶480偏转之后，来自喷嘴481的膨胀流收集在扩散器491中，并且传递到收集器环歧管492中。来自喷嘴483的流体同样地经过轮叶480并且收集在连接歧管492的扩散器493中以通过连接到输出器243上的排出口494送出混合的低压排出流体。

图28

图28示出了三级轴向流分流压缩机700。如现有技术中在多级轴向流压缩机或膨胀机的多级之间使少量排放流体变向一样，压缩机700具有嵌套的环形扩散器以将来自多级之间主流的较大中间流体分成几分之一。

压缩机700可表示图4的分流压缩机201，并且具有一带进气入口391、第一输出口392、第二输出口393和第三输出口394的涡卷罩壳701。转子702由轴承703和704支撑，并且轴密封件705和706在罩壳701内，转子由电动机209通过轴210驱动。转子可支撑第一级转子轮叶711、第二级转子轮叶712和第三级转子轮叶713。

罩壳701包括一将来自入口391的进气分配到环形进气空间722上的入口涡卷721，并且流动方向由箭头723表示。进气流热含量由第一级轮叶711增加，因为由安装在第一级定子环725中的第一级定子轮叶724返回静态压力。进气热含量进一步由第二级轮叶712增加，因为安装在第二级定子环727中的第二级定子轮叶726返回静态压力；以及最后由第三级轮叶713增加，因为由安装在第三级定子不729中的第三级定子叶片728返回殂静态压力。

第二级定子环727具有一小于第一级定子环725的直径，而构成一环形第一级扩散器731的环形面积，该扩散器可将第一中间进气增压流送到收集器涡壳732，从而输送至第一级排出口392、即如箭头733所示。类似地，第三级定子不729具有一小于第二级定子环727的直径，而构成环形第二扩散器734的环形面积，该扩散器可将第一中间进气增压流输送到收集器涡壳735，从而如箭头736所示地输送到第二排出口393。流入第一和第二级环形扩散器的几分之一流体基本上等于那些扩散器入口环形面积与其定子环和转子702之间那级环形流面积之比。

由第三级输送的流经过定子轮叶728进入第三级扩散器737，并且如箭头739所示地在收集器涡壳738中进入排出口394。定子环725、727和729分别由将入口和排出涡卷分开的隔板741、742和743支撑。

显然，可增添具有更多对转子叶片及定子叶片组成的附加级段，并且可选地包括或不包括对在任何一对相邻级段之间中间流进行改向的环形扩散器。同样地明显，压缩机700的结构可以应用于分流轴向流动真空排出机或膨胀机，这是通过逆转尖头指向723，733，736及739的流向，以便在逐级增加的总压力下三个入口流中394口为第一入口，393口为第二入口，392口为第三入口，并且391口为综合总流的排出口。

图29

图29示出了在另一种采用粒状积层床吸附器24、实施本发明的、具有图4、5、6和18径向流结构的复合吸附剂丸800。

没有超大压降而引起初始液化和由此产生的消耗，粒状吸附剂床在现有PSA装置在非常高周期频率下就不能工作。在径向流结构中的现有装置可提供一向心加速场，它可能大于普通的重力场。这可提供所需的“离心夹紧”作用以使吸附床稳定，因而可便于在高周期频率下安全操作。然而，传统大孔沸石吸附剂丸的特定重力约为0.75，因而会限制离心夹紧的效果。虽然众所周知在上述现有技术中采用以径向流结构的转动粒状吸附剂床，但没有揭示将提供有用离心夹紧作用的工作情况。因而在美国专利5,133,784中Boudet等人设想了最大周期频率和20RPM的转子速度，并且其转子1米的外半径将在外半径处提供少于一半重力加速度的最大离心加速度。在转子内和靠近轴线范围内，吸附剂床经历更小的离心加速度。

压载的复合丸800具有密实材料构成的惰性芯801，并由与传统吸附剂粒材料类似的大孔沸石材料构成的涂层802包围。芯材料可以根据高密度、高热容量、高导热率、对沸石粘结剂的粘结相容性以及热膨胀性这些因素来选择。合适的芯材料包括过渡金属氧化物、最简单的氧化铁以及纯铁或镍铁合金。

当芯801的直径例如为790微米时，以及涂层802的径向厚度例如为105微米而使球形粒子800的总体直径为1毫米时，球粒的体积50％是惰性的，50％是活性大孔吸附剂。在采用这种复合丸粒的层积床中，吸附剂的活性体积已经缩少到50％，而活性材料的分离床空隙已从球形粒状媒质、通常35％增加到近似50％。这好象为一劣质层积床，一半是有用的材料并且由于高效空隙比值而减小有效选择性能。出乎意料的，这可以是一超优层积床，因为压降和质量转递阻力两者都减小，因此，PSA周期可以在高周期频率下操作，而不会出现过度压降和不会有液化危险。在相同的周期频率下，压降可以由小流量以与用于相同空隙通道的较小活性吸附剂含量成正比的减小，而通过大孔的质量传递仅经过一相对薄的壳进行。惰性材料还起到热压载作用以由于吸附热而使吸附器克服热变化而达到等温。

虽然较高空隙比值将使非常低周期频率的不经济方式中的特定纯度产物产量减小，但产物产量和产出率实际在高周期频率的经济方式中得到提高。产物产量和工艺过程能量的降低(在特定产物纯度下)将产生质量传递阻力和压降，并且那些下降对于传统吸附床比本发明混合球粒状吸附器更严重。

这些复合丸粒在旋转吸附器组件的径向流实施例是非常有用的，因为重质复合丸粒是非常确定地离心式稳定的，即使当质量传递阻力和压降减少时。这些复合丸粒在轴向流实施例以及非旋转式吸附器中也是非常有用的，因为有垂直向流道。另外，周期频率可以增加，而在大多数经济操作点时在产出率、产量和效率等方面的性能可加强。将图4和18看作为径向流实施例的垂直视图。当其转子半径和周期频率都足够高时，图4的垂直轴线实施例从离心稳定化来看是有利的。图18的水平轴线实施例将具有向心加速度而有助于重力场以消除进气生产步骤中的液化现象，并且流体从腔室54以高压向上流到腔室70，而离心加速度将有助于净化步骤中的压降，并且流体从腔室80以低压向上流到腔室60，从而防止吸附器自转到轨道顶部时的吸附器向下倒塌。吸附剂床在其第一端(径向外侧)由第一组网支撑，并且当转子由第二组网在其第二端(径向内侧)挡住时可防止倒塌。因此，当转子起到一离心机作时，吸附剂床由离心加速度离心地夹持在第一网上。

虽然图29所示复合丸粒是球状的，但其它几何形状也是有吸引力的。例如，通过将沸石和粘结剂稀浆浸涂到钢杆上、然后切短就可制成圆柱形复合粒。

本发明的离心夹紧方式可使粒状吸附剂床操作并且具有比传统流量摩擦压力梯度更高的梯度，同时仍可以确实防止任何颗粒运动和损耗。再说，这可利用较小的吸附剂颗粒尺寸，也能够有非常浅的径向床深度，而这可减小总体压降。由于小吸附剂颗粒尺寸可减小质量传递扩散阻力，所以高PSA周期频率变得实用。作为逻辑讨论的结论，高周期频率是与用于离心夹紧所需的高转动速度对应的。

上述对本发明较佳实施例的描述意于说明本发明。普通技术人员能够对所述实施例设想出某些在本文中未说明的增加、删除或变型，但也应落在由所附权利要求书所限定的本发明精神或范围内。

Claims

1.一种用于进行加压摆动吸附工艺的旋转组件，具有在一高压和低压之间周期的操作压力以从一至少包括第一、第二馏份的气体混合物中提取至少第一气体馏份，所述旋转组件包括：

一定子，具有一第一定子阀表面，第二定子阀表面，多个通向所述第一定子阀表面的第一功能腔，以及多个通向第二定子阀表面的第二功能腔；以及

可转动地连接到定子上的一转子，并且包括与所述第一定子阀表面连通的第一转子阀表面，与所述第二定子阀表面连通的第二转子阀表面，多个流动通道，各所述流动通道设有一层积的吸附器，各所述流动通道包括一对相对端，以及多个设置在所述转子阀表面中并且与所述流动通道端和所述功能腔连通的孔，用于使各所述流动通道周期地达到高、低压之间多个不连续压力。

2.如权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，经过所述第一和第二功能腔的气体流是均匀的。

3.如权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，至少一个阀表面包括一用于减少阀表面之间气体流量损失的密封件。

4.如权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，所述各功能腔同时与至少两个流动通道连通以使流过功能腔的气体流均匀。

5.如权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，所述功能腔包括多个加压腔以使流动通道经历压力增加。

6.权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，所述功能腔包括多个通向所述第一定子阀表面的加压腔以使流动通道经历压力增加。

7.如权利要求5所述的旋转组件，其特征在于，所述加压腔包括通向第一定子阀表面的进气腔以将气体混合物输送到流动通道中。

8.如权利要求5所述的旋转组件，其特征在于，所述加压腔包括通向第一定子阀表面的多个进气腔以将气体混合物输送到流动通道中。

9.如权利要求5所述的旋转组件，其特征在于，所述加压腔包括通向第二定子阀表面的轻质回流返回腔以将轻质回流体输送到流动通道。

10.如权利要求5所述的旋转组件，其特征在于，所述加压腔包括通向第二定子阀表面的多个轻质回流返回腔以将轻质回流返回腔以将轻质回流体以多个增量不同压力输送到流动通道。

11.如权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，所述功能腔包括多个排气腔以使流动通道经受压降。

12.如权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，所述第一功能腔包括多个排气腔以使流动通道经受多个增量压降。

13.如权利要求11所述的旋转组件，其特征在于，所述排气腔包括通向第二定子阀表面的轻质回流排出腔以使轻质回流气体从流动通道去除。

14.如权利要求11所述的旋转组件，其特征在于，所述排气腔包括通向第二定子阀表面的多个轻质回流排出腔以使轻质回流气体从流动通道以多个增量不同压力去除。

15.如权利要求11所述的旋转组件，其特征在于，所述排气腔包括通向第一定子阀表面的逆流排气腔以从流动通道去除重质产物气体。

16.如权利要求11所述的旋转组件，其特征在于，所述排气腔包括通向第一定子阀表面的多个逆流排气腔以从流动通道以多个增量不同压力去除重质产物气体。

17.如权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，所述第二功能腔包括多个逆流排气腔以使流动通道经因多个增量压降，以及与多个并流排气腔连通的多个轻质回流返回腔以使流动通道经因多个增量压力增加，以及所述定子包括流体地连接在并流排气腔和轻质回流返回腔之间的压力下降装置，以使从并流排气腔中去除的气体在压力减小情况下输送到个轻质回流返回腔。

18.如权利要求17所述旋转组件，其特征在于，所述压力下降装置包括多级机械膨胀机、限制孔和节流阀之一。

19.如权利要求17所述的旋转组件，其特征在于，所述第二功能腔包括一轻质产物腔，压力下降装置包括一流体连接到并流排气腔上和轻质返回腔的膨胀机，以及连接到轻质产物腔和膨胀机上的压缩机以增加轻质产物气体压力。

20.如权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，第一功能腔包括多个并流排气腔以使流动通道经历多个增量压降，与逆流排气腔连通的重质回流返回腔，以及所述定子包括流体连接在逆流排气腔和重质回流返回腔之间的回流压缩机以使从逆流排气腔中去除的气体在压力增高的情况下输送到重质回流返回腔。

21.如权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，所述功能腔设置在各个阀表面周围以沿着流动通道以共同的预定顺序为各个流动通道输送气体，各流动通道的顺序包括将高压下的气体混合物从进气功能腔输送到靠近第一转子阀表面的流动通道端，同时将处于高压下的轻质气体从靠近第二转子阀表面的那端流动通道去除到轻质产物功能腔，从靠近第一转子阀表面的那端流动通道将处于低压下的重质产物气体去到一重质产物气体功能腔，并且将处于高、低压力中间的一个压力下的气体从再加压功能腔输送到靠近进气功能腔前部的第一转子阀表面的那端流动通道中。

22.如权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，所述功能腔设置在各阀表面周围以沿着流动通道以共同的预定顺序为各个流动通道输送气体，各流动通道的顺序包括将高压下的气体混合物从进气功能腔输送到靠近第一转子阀表面的流动通道端，同时将处于高压下的轻质气体从靠近第二转子阀表面的那端流动通道去除到轻质产物功能腔，从靠近第二转子阀表面的流动通道端将处于高、低压中间的一个压力下的气体去除到一并流排气功能腔，并且从靠近第一转子阀表面的那端流动通道将低压产物气体去除到重质产物气体功能腔。

23.如权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，所述功能腔设置在各阀表面周围以沿着流动通道以共同的预定顺序为各个流动通道输送气体，各流动通道的顺序包括将高压下的气体混合物从进气功能腔输送到靠近第一转子阀表面的流动通道端，同时将处于高压下的轻质气体从靠近第二转子阀表面的那端流动通道去除到轻质产物功能腔，从靠近第一转子阀表面的流动通道端将处于高、低压中间的一个压力下的气体去除到一并流排气功能腔，并且从靠近第一转子阀表面的那端流动通道将低压产物气体去除到重质产物气体功能腔。

24.如权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，所述流动通道构造成可形成径向气体流。

25.如权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，所述流动通道构造成可形成径向气体流。

26.如权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，所述流动通道构造成可形成轴向气体流。

27.如权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，所述第一和第二定子阀表面是沿着所述旋转组件的转动轴线相互纵向分离，所述转子位于所述第一和第二阀表面之间，并且所述流动通道基本上平行于通过所述转子的转动轴线延伸。

28.如权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，所述各吸附器包括多个吸附剂层，所述各吸附剂层包括一加强材料，一设置在所述加强材料上的吸附剂材料，一种用于将所述吸附剂材料固定到加强材料上的粘结剂，以及一隔离件用于在所述吸附剂层和一相邻表面之间提供一流道。

29.如权利要求28所述的旋转组件，其特征在于，所述加强材料是从玻璃纤维、金属丝矩阵、金属箔、无机纤维、有机纤维和其混合物中选出的。

30.如权利要求28所述的旋转组件，其特征在于，所述吸附材料包括沸石晶体或活性碳。

31.如权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，所述转子包括具有一内圆周和一外圆周的环状本体，所述各吸附器有一宽度，所述宽度靠近外圆周处大于靠近内圆周处并且从内圆周开始按距离长度增加。

32.如权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，各所述吸附器为弯曲形状。

33.如权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，还包括一气体压缩机以将进气输送到流动通道。

34.如权利要求33所述的旋转组件，其特征在于，所述功能腔包括多个进气腔，所述气体压缩机包括一具有多个压力输出口的多级压缩机，所述各压缩输出口连接到对应的一进气腔上以将进气在多个压力增量下输送到流动通道。

35.如权利要求34所述的旋转组件，其特征在于，所述多级压缩机包括一多级离心压缩机，所述各级包括一进气口、一扩散器以及连接到进气口且具有一转动轴线以使来自进气口且流向所述扩散器的气体加速的叶轮。

36.如权利要求34所述的旋转组件，其特征在于，所述多级压缩机包括一多级轴向流分流压缩机，所述压缩机包括多个直径逐渐减小的圆形定子环，所述各定子环包括一环形流量区域和多个定子叶片，以及具有一轴动轴线并包括多个与定子叶片协作的转子叶片以压缩来自流量区域的气体流的转子，至少一个所述定子环还包括一收集器和一扩散器以使收集器和接下来一个定子环的流量区域之间的被压缩气体流适当分配。

37.如权利要求33所述的旋转组件，其特征在于，所述气体压缩机包括一多级真空泵，所述真空泵包括多个压力入口。