CN1156637A - 最佳变压回流吸附 - Google Patents

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Abstract

采用分隔式外部气体贮槽贮存各种纯度的气体，用于变压吸附操作的吹扫、均压和产品重新加压工序，从而使变压吸附-气体分离操作的床尺寸因数和动力消耗显著降低。

Description

最佳变压回流吸附
本发明涉及用于分离气体混合物的变压吸附工艺过程。更具体而言，涉及采用变压吸附工艺过程从空气中大规模生产氧气时提高生产效率。
变压吸附(PSA)法在空气或其它气体分离作业中的应用是众所周知的。这种PSA工艺过程通常包括以下操作程序：(1)吸附，在较高的吸附压力下，将原料气通入吸附床的进料端以便选择性地吸附更容易吸附的组分，而难吸附的组分则从床的产品端排出；(2)解吸，使吸附床从较高的吸附压力减压到较低的解吸压力，并从该床中排出更容易吸附的组分；(3)吹扫，将吹扫气体通入吸附床，促使所述更容易吸附的组分从吸附床排出；(4)重新加压，将该床的压力从较低的解吸压力增加到较高的吸附压力；以及(5)在工序(1)较高的吸附压力下将另一批原料气通入吸附床，在循环基础上继续执行操作程序。这种PSA工艺过程包括已在Skarstrom的美国专利2,944,621中公开，对用于各种用途的吸附/减压/吹扫/重新加压基本工序的变型而言，各种操作参数的变化在本领域是已知的。
Wagner在美国专利3,430,418中公开了具有至少四个吸附床的吸附系统，在每个床中用作解吸工序的部分，通常将包含难吸附组分的空隙气体从该床的产品端排出，并输送到本系统中初始压力较低的另一个床的产品端，以使两床间的压力均化到中压水平。在顺流均压-减压工序之后，该床从中压，逆流减压到较低的压力，同时从该床的进料端排出更容易吸附的组分。Doshi在美国专利4,340,398中公开了一种采用三个或多个吸附床的PSA法，其中空隙气体不是从一个床的产品端直接输送到另一个床，而是输送到贮槽，气体再从贮槽输送到一个床以便重新加压。Krishnamurthy等人在美国专利4,816,039中也公开了双床PSA系统中采用一个或多个贮槽。该专利公开了在两床之间直接均压之后，将另外的空隙气体从被减压的床的产品端输送到至少一个贮槽。在该床于较低解吸压力下再生之后，这些间隙气体又从贮槽返回该床以便进行均压。由于在其后的逆流减压和吹扫工序中减少了空隙气体的损失，从而使难吸附组分产品气体的回收率增加。
Yamaguchi等人在美国专利5,258,059中描述了PSA法和系统，其中至少采用三个吸附床，在操作循环的减压/重新加压阶段，床对床地直接进行均压。利用贮存塔，即进料/排料工序回转式的分隔贮槽，贮存循环的顺流减压工序中回收的空隙气体，同时排放来自床的产品端的气体。然后，在该循环的床层再生阶段，将这些空隙气体用于吹扫吸附床。贮存塔是专门设计的，用以防止气体在其中混合，即在贮存塔中保持杂质的浓度梯度。
在目前所采用的一些PSA循环中，进行均压-升压工序的吸附床接受其纯度递降的产品气体，该气体来自正处在产品生产工序的另一个床，即处在包括较高吸附压力的加料工序和顺流减压工序的整个产品生产工序的顺流减压阶段。因而在均压-升压工序结束时，纯度最低的气体在该床的产品端。此外，用于吹扫吸附床的气体，当它是从正处于产品生产工序的另一个床中得到的时，其纯度是递降的。如果吹扫气体是从产品贮槽中得到的，则可以获得纯度恒定的吹扫气体。
还应当指出，为了保持现有技术的PSA循环中所要求的产品纯度，生产和均压-降压工序必须比在更容易吸附组分的杂质前沿从该床的产品端穿透之前所需的时间更早地结束。结果，吸附床的吸附能力没有充分利用。此外，当在吹扫均压-升压和重新加压阶段中使用纯度递降的难吸附气体时，由于在这些床的回流工序结束时使用纯度最低的产品气体，结果造成该产品端的更多的污染。在产品生产工序的最初阶段，引入该产品端的污染物使产品的纯度显著下降，并导致难吸附产品气体的平均纯度下降。此外，利用纯度递降的产品气体会使床内传质区的扩展不希望地增加。此外，为了在床内包含传质区并保持产品的纯度，需要更多的吸附剂材料，结果造成床的尺寸因数较高，而且整个PSA法的耗费更大。
在一个典型的现有技术的均压循环中，PSA法包括下列工序：
(I)原料(空气)加压(FP)到较高的吸附压力。
(II)吸附和粗产品生产(AD)。
(III)减压-均衡下降(EQ)(顺流)，其中气体被输送到另一个正进行均衡升压工序(EQ)的床。
(IV)减压/排气(EV)，在较低的解吸压力下排出废弃(逆流)。
(V)减压/排气废弃，同时吹扫(PG)(逆流)。
(VI)均衡升压阶段(EQ)，其中，气体由另一个正进行均衡降压工序(工序III)的床提供。
在另一个现有技术的产品加压循环中，吹扫和重新加压所需要的气体，即回流气体，来自于另一个正进行吸附/生产工序的床。在这种操作方式中，吹扫气体是从处在吸附初期阶段的另一个床层得到的，在所述吸附工序的后期阶段，从该床得到的是产品气体。由于排出气体的纯度随时间而下降，当容易吸附组分的杂质前沿接近穿透条件时，纯度较高的气体是用于吹扫而不是用于产品重新加压。然而，在理想情况下，希望在吹扫工序开始时使用纯度最低的气体，接着在吹扫工序的后期阶段，使用纯度递增的产品气体。不过，由于现有技术PSA循环的操作方式，安排最后使用纯度最高的气体是非常困难的。因此，为了维持一定的产品纯度，可减少分配给生产难吸附组分的产品气体的总循环时间的百分数，但床层的尺寸因数和动力消耗却随之增加，这是所不希望的。
为了在吹扫工序开始时使用纯度最低的气体，接着在回流工序的其余时间使用纯度递增的产品气体，就必须生产多种纯度的产品，以便最后可以使用纯度最高的气体。然而，在吸附压力较高的生产工序中，从床的产品端排出的气体纯度随时间而下降。因此，所回收的气体的纯度起初较高，然后递降到较低水平。因而，在本领域需要有一种方法，把这一纯度顺序颠倒过来，并生产多种纯度的产品。
由于回流和床层重新加压需要多种纯度的产品，PSA循环从本质上变得更为复杂。在解决该问题的一种方法中，已考虑采用两个贮槽，以便在生产工序(b)的不同时间，将排出的气体直接输送到不同的贮槽。在以这种方式操作时，分配给每个贮槽接受排出气体的时间，可控制所收集的每种纯度气体的数量。然而，采用多个贮槽增加了PSA法的复杂性和投资费用，特别是因此而需要更多的阀门和连接管道。
另一种方法，可以采用一个分隔式贮槽来贮存多种纯度的产品。在这种槽中，产品气体不会发生混合，一端装有纯度最低的气体，而另一端装的是纯度最高的气体。这种分隔式贮槽可以是上述Yamaguchi等人的专利中所描述的类型，也可以是装有吸附剂层或惰性材料层的槽，或只是一个装有用来抑制混合的档板的空槽。
根据以上所述就会理解，在本领域中需要对PSA工艺过程的改进进行开发研究，以便能够将纯度递增的气体在较低的解吸压力下用于吹扫、均压-升压，并将床层重新加压到较高的吸附压力。与现有技术PSA操作循环的要求相比，这些改进可以起到降低所要求的床层的尺寸因数和动力消耗的作用。
因此本发明的一个目的是要提供一种方法，以便在床层再  生的各个工序中采用纯度递增的气体，从而降低PSA操作中对床层尺寸因数和动力消耗的要求。
本发明的另一个目的是要提供一种方法，在该方法中，可在PSA循环的整个吹扫、均压-升压和加压工序中使用纯度递增的气体，以避免气体在床对床地直接流通时使其纯度降低。
考虑到上述以及其它的目的，在下文中将详细地叙述本发明，并在所附权利要求书中特别指出其新颖的特点。
将气体贮存在分隔式贮槽中，以便在回流期间，即在最后的原料气重新加压之前，在PSA操作程序的吹扫、均压-升压、和产品重新加压阶段中能采用这种纯度递增的气体。
根据附图进一步叙述本发明，其中：
图1是说明实施本发明的工艺流程图，图中绘出本发明具体实施方案中的一个分隔式贮槽和两个吸附床；
图2是采用图1所示流程中的一个分隔式外部气体贮槽的双床PSA系统的工艺流程图；
图3是采用两个分隔式气体贮槽的双床PSA系统的工艺流程图；
图4是采用两个分隔式外部气体贮槽的单床PSA系统的工艺流程图。
本发明的目的，是在PSA工艺系统的实际应用中，通过采用一个或多个分隔式外部气体贮槽而实现的。从吸附床排出的气体，按明确规定的顺序贮存，以便用于吹扫、均压-升压和产品气体的重新加压工序。例如，在吹扫工序，本发明能在开始时使用纯度最低的产品气体，随后吹扫操作的其它阶段采用纯度递增的产品气体。同样，在均压-升压开始时，首先使用分隔式贮槽中纯度最低的产品气体，随后在均压-升压的其它阶段，使用纯度递增的气体。关于这一点，应当指出，在相应的均压-降压、产品生产工序、在顺流减压期间从床层的产品端排出并通入分隔式气体贮槽的气体，其纯度逐渐下降。这样贮存的产品气体，将按相反的顺序从贮槽中排出，在排出的气体送入往正进行回流的床层，即正进行吹扫和/或均压-升压工序和/或产品重新加压的床层的过程中，气体的纯度逐渐提高。人们会理解到，由于在本发明的实际应用中采用了多种纯度的产品，在床层减压期间可以容许从床层的产品端排出的纯度较低的气体，使吸附工序刚好在更容易吸附的组分在床层产品端穿透之前结束，从而更能充分地利用床层的吸附能力。
与现有技术的PSA循环相比，在本发明的PSA工艺程序中采用了分隔式贮槽，能使工艺过程具有较大的适应性并达到较高的生产效率。特别是在本发明的工艺程序中包含有分隔式气体贮槽，对于任意给定的PSA循环而言，与不采用如本文所述及要求专利保护的这种分隔式外部贮槽的相同PSA循环相比，都会得到较低的或大致相同的床尺寸因数(BSF)，而且动力消耗可降低5-15％。与此相反，例如现有技术的PSA循环是将直接从PSA系统中另一个床得到的纯度恒定的气体或纯度递降的气体，用于回流，即用于吹扫和均压-升压。由于包含了在本发明的实际应用中所采用的分隔式贮槽，能够生产回流用的多种纯度、不同数量的气体，如果需要，还能供应各种纯度的气体，其数量足以满足PSA系统的气体用户对不同产品的要求。
很清楚，由于采用多种纯度的不同数量的产品，所以气体生产工序的时间分配和工艺控制在本发明的PSA循环操作中是重要的，此外，本领域的技术人员会意识到，由于使用分隔式外部贮槽，在本发明的实际应用中，有希望采用对PSA法各工序所做的种种改进。这些改进可能包括，将各工序相互衔接以减少总循环时间，选择所采用的操作条件，例如较高的吸附压力，较低的解吸压力、均压工序结束时的压力，用于回流的多种纯度的产品数量以及分配给每一工序的时间和执行整个PSA循环各工序的顺序。
在附图1举例说明实施本发明的实施方案中，在所示的产品加压循环中采用了分隔式贮槽。生产多种纯度的产品，并按明确规定的顺序，在吸附床再生和重新加压期间将它们用于回流。
如图1所示在实施本发明的实施方案中，可分别地或以任何所希望的组合方式进行下列工序：
(a)原料(例如空气)在吸附床的一端加入，以便从所希望的中等压力0.60-1.0大气压(1.0大气压＝14.696磅/平方英寸)、优选0.7-0.9大气压加压(EP)到所选择的较高压力1.30-1.50大气压、优选1.37-1.52大气压。该方法较低的解吸压力0.30-0.39大气压是希望在中间规模的实施方案中采用的，优选为0.34-0.37大气压。
(b)在生产工序(AD)期间，压力可以从中等压力0.60-1.0大气压(产品加压工序结束时的压力)上升到吸附压力1.30-1.50大气压。另一种方法，在原料加压(FP)期间，只进行原料加压而不排气，以便达到吸附压力，此后，打开通向出产品的控制阀门。在后一种情况下，生产工序的压力保持恒定。排出的气流直接进入分隔式贮槽，在其中贮存多种纯度的产品而不会显著地混合，或在生产工序的不同时间，将排出气流直接送入各自的产品贮槽。
(c)进料结束，吸附床顺流均压减压(此后称作均压降压工序，图1中未示出)，以回收空隙气体以及同时吸附在吸附剂上的轻组分，或按图1所示继续进行吸附工序。在前一种情况下，压力从吸附压力(1.30-1.50大气压)降到约1.0大气压。这些气体可以贮存在另一个分隔式贮槽中，或可直接将其送入前一工序所用的相同分隔式贮槽中。
(d)逆流减压/排气(EV)，压力降到低压约0.35大气压。
(e)逆流吹扫(PG)床层吹扫气按纯度递增的顺序返回床层，在吹扫工序开始时，首先使用纯度最低(L)的产品。
(f)产品加压，用纯度递增的产品气体按逆流方式，从低压0.35大气压升高到中等压力0.60-1.0大气压。在该工序结束时，采用分隔式贮槽中纯度最高(H)的气体。
通过描述双床PSA法的操作，用图解说明了本发明的基本特点。然而，可以预料，在本发明的实际应用中，也可采用只有一个床或具有两个以上床的系统。图1是双床PSA法的流程图，该流程由两个吸附床、原料压缩机或相互连接的管线和阀门组成。
在附图2中进一步说明按图1的实施方案中实施本发明。如图所示，PSA系统由装有吸附剂的两个吸附床A和B组成，其进口分别为33和35，出口分别为5和6。进料口33和35通过鼓风机或压缩机11与空气管道10相连；而排气阀34和36与装有真空泵13的管道12连接。出口14和15与阀门5和6连通并通过连接分隔式产品贮槽18的控制阀17与生产管道16连接。当采用常规吹扫工序时，阀门10A和12A使两床相通。例如，当阀门12A打开时，来自床A的一部分产品气体，供给床B作吹扫气流。同样，当阀门10A打开时，来自床B的一部分产品气体供给床A作吹扫气体。然而，在本发明的实际应用中，所有的吹扫气体都按照纯度递增的顺序来自分隔式贮槽18。困此，在吹扫工序开始时，使用纯度最低(L)的气体，接着，在该工序操作过程中使用的是纯度递增的气体。
虽然出口管道14和15通过阀门2和4互相连接可供床对床直接均压之用，但应当清楚的是，在本发明的实际应用中，并不采用床对床的直接均压。因此，均压降压排出的所有气体，都按照纯度递降的顺序进入分隔式贮槽18，然后按照纯度递增的顺序返回吸附床，在产品端供作床层的吹扫和加压之用。
图中所有的阀门都是通过计算机系统和程序逻辑，用电子仪器操作的。管道19与分隔式产品贮槽连接，按纯度递增的顺序，为吹扫和加压工序供给全部回流气体。例如，当床A需要回流气体时，打开阀门9，使分隔式贮槽18中的产品气体按照纯度递增的顺序进入该床。同样，当床B需要回流气体时，打开阀门8。
参阅图1和图2，下面将叙述双床法，对用于循环的每一工序的阀门的开和关加以说明。
工序1(FP)：在床层的一端加入原料(空气)。就床A而言，阀门33打开，使原料进入该床。与此同时，阀门36打开，另一床进行排气。
工序2(AD)：粗产品生产工序。打开阀门33和5。控制阀17的程序逻辑命令该阀在产品气体进入分隔式产品贮槽18时打开。例如，如果在产品生产工序中需要恒压，则控制阀17只在该床达到预定的压力时才打开，使产品气体进入分隔式产品贮槽18。产品生产工序(工序2)中，阀门8和36都打开。于是床层B同时进行吹扫工序和排气。吹扫工序所需的气体，按照纯度递增的顺序来自于分隔式贮槽，在该工序开始时，先采用纯度最低的气体。
工序3(AD或EQ)：吸附工序(AD)继续进行，其中阀门33和5仍然打开，或将阀门33关闭，使床A进行顺流减压工序(EQ)。在任一种情况下，都另有一些产品气体直接进入分隔式产品贮槽18。在此期间，阀门36关闭，而阀门8仍然打开，以便按照纯度递增的顺序从分隔式产品贮槽得到产品气体，为床层B的产品加压。
工序4(EV)：现在打开阀门34，使床层A按逆流方式排气，打开阀门35，以便在床层B的一端进行原料加压。
工序5(PG)：现在打开阀门9，以便床层A按纯度递增的顺序接受来自分隔式产品贮槽的产品气体进行吹扫。在此期间，阀门34仍处于开启位置，继续排气。在此期间，阀门35和6打开，使床B处于生产工序(AD)。控制阀17的逻辑决定产品气体何时从床B进入分隔式产品贮槽18。
工序6(PP)：在此期间，阀门34关闭，阀门9仍然打开，以便按纯度递增的顺序，从分隔式贮槽得到产品气体，为床层A进行产品加压。就床B而言，或仍然打开阀门6和35，继续进行吸附工序，或关闭阀门35，使床B进行顺流减压工序。在任一种情况下，都另将一些产品气体送入分隔式产品贮槽18。
根据以上关于图1和图2所描述的循环，在不脱离本发明范围的情况下，可做几项改进以改变一个或多个工序。例如，原料和产品加压工序可以同时进行，而不是如上所述，按顺序进行。此外，逆流减压工序可先与大气接通，直到床内的压力降到1.0大气压再开始抽气。
附图3说明了另一个实施方案，其中，在一个系统里采用了一个分隔式产品贮槽18和一个分隔式均压槽20，然而在如图2所示的另一个实施方案中，则采用分隔式产品贮槽18，但没有采用第二个外部气体贮槽。当然，各个加工工序的进行及有关阀门的开和关，通常与前面对图2的实施方案所描述的相同。采用两个分隔式贮槽18和20，可为PSA气体分离方法的实施提供更大的适应性。例如在附图3的实施方案中，PSA循环各工序进行的时间不必固定。因此可以很容易地应用诸如压力和组成等物理变数来确定每个工序需要分配的时间，从而针对温度、压力和不同的产品要求的变化调整该过程。在该实施方案中，均压-降压的所有气体可方便地送入分隔式均压贮槽20。尤其应当指出的是，在本发明的各个实施方案的实际应用中，不采用气体床对床地直接流动，所有的回流气体按纯度递增的顺序送入正进行再生的床层，在该工序开始时，使用纯度最低的气体。此外，由于不采用气体床对床地直接流动，因而可以独立地操作每个吸附床。整个PSA法可被看作是一些单床装置的集合体。然而，应当理解的是，对于尺寸相当且共用压缩机和真空泵的情况而言，每个床的整个循环与该系统中其它床的相应循环大体上同步是必须的或需要的。
在另一个实施方案中，可从系统中取消图3的实施方案的分隔式均压槽20，均压-降压的所有气体可以直接从一个床送到另一个床。然而，在这种床对床地直接均压的工序中，正进行均压-升压工序的床层接受纯度递降的产品气体，不过，在优选的实施方案中，希望该床接受纯度递增的气体。当完成均压-升压工序时，用来自分隔式产品贮槽18的气体进一步将该床加压，或进行原料加压，或同时进行产品气体和原料气重新加压。
虽然在上文中特别就使用单个分隔式产品贮槽18对本发明做了描述，但使用多级分隔式产品贮槽仍属本发明的范围之内，其中在产品生产工序进行时，按不同的时间将床层排出的气体直接送入到相应的贮槽。同样，本发明也不限于使用在吸附容器的顶部和底部具有浅碟形头、气体沿轴向流动的圆筒形吸附床，还可采用其它所需要的床形状。例如，可以采用径向床来减少压力损失，并使动力消耗随之减少。此外，还可采用在床内不同的位置上装有不同吸附剂的多层床。例如，可将活性氧化铝放在床层的进料端，以便从进料气流中除去水和二氧化碳，又如将LiX沸石吸附剂放在活性氧化铝的上部，将进料空气分离成例如包含所述进料空气中难吸附的组分的富氧的产品气体。
附图4说明了本发明实施方案中的单个吸附床C，其中采用分离的分隔式贮槽，即产品贮槽18和均压槽20。在这个实施方案中，为了达到高的设备利用率，在过程中采用一台压缩机/鼓风机进行加压和排气工序。在图4实施方案中所进行的PSA法的操作工序如下所述。
以产品加压后的循环作为开始。在该工序(FP)中，打开阀门10和33，其它阀门都关闭。阀门17是差压逆止阀，只在吸附容器的压力大于分隔式产品贮槽18的压力时才打开。在原料加压后，工序2(AD)开始。在工序2的产品生产工序中，阀门10和33仍然打开，差压逆止阀17在吸附容器的压力超过分隔式产品贮槽18的压力时才打开。当阀门17打开时，产品气体进入分隔式产品贮槽18。在工序2结束时，阀门33关闭，阀门36打开以使压缩机卸载。在此期间，该床进行顺流减压，阀门4处于打开位置，把空隙气体汇入分隔式均压槽20。注意，在顺流减压工序(工序3)中，逆止阀17应处于关闭位置，因为吸附床C的压力会降到分隔式产品贮槽18的压力以下。在执行工序3时，阀门9、10和33都处于关闭位置。当工序3结束时，阀门12和34关闭。在这一工序(工序4或EV)中，吸附容器中的气体通过阀门34离开并进入压缩机的入口。图1描绘的下一个工序(工序5或PG)是吹扫工序。在该工序中，阀门4、34和12打开，来自分隔式均压槽20的气体供作生产气体，按纯度递增的顺序吹扫吸附床C。然后执行最后一个工序(工序6)产品加压，阀门12和34关闭，而阀门4仍然处在打开位置。如果产品加压需要另外一些产品气体，那么阀门4关闭，阀门9打开，以完成产品加压工序。
显然，在不脱离所附权利要求书中所述的本发明范围的条件下，可以很容易地对单床法进行各种改进。
                  实施例1
在实施本发明的说明性实施例中，应用图2所示的双床PSA系统时，采用了图1所示的操作工序。在该实施例中，回流气体的纯度起初是较低的例如85％，约在16秒钟内提高到约93％。以下所用的符号意义如下：
TPD＝每天生产氧的公顿数(1 ton＝2,000(lb)；kPa＝1,000Pa＝S.I.压力单位(1.0atm＝101.325kPa)；S＝按秒计的时间单位，kW＝千瓦
PSA法的条件和用计算机模拟取得的理论结果如下：
  吸附剂   Li-X沸石
  循环时间   72sec
  较高的吸附压力   151.99kPa
  较低的吸附压力   40.53kPa
  工序6结束时的压力   64.85kPa
  进料速率   233.19NCFH
  产品产率   32.76NCFH
  氧气纯度   92.22％
  氧气回收率   66.89％
  床层尺寸因数(BSF)   663 Ibm/TPD O2
  动力   5.61 kW/TPD O2
由这个实施例可以看出，采用双床PSA法生产高纯度的氧产品是有利的，产品回收率高；床层尺寸因数低，即生产一定量的产品气体所需的吸附剂量少；动力消耗少。
实施例2
为了对比起见，用现有技术的贮槽代替分隔式贮槽，重复说明性实施例1，其中气体发生混合是不可避免的。在这个对比的实施方案中，在吸附-产品回收工序期间，将从床层产品端排出的一部分产品气体，在较高的吸附压力下转移到贮槽中，以便为该法提供均压气体，而其另一部分也被转移到该贮槽中，以便为床层再生提供吹扫气体。按这种操作方式，其纯度-时间图与实施例1的纯度-时间图具有相反的特性，即氧气的纯度开始时较高随后纯度降低。
上述对比例的计算机模拟取得的理论结果如下：
  吸附剂     Li-X沸石
  循环时间     70sec
  较高的吸附压力     149.96kPa
  较低的吸附压力     40.53kPa
  工序6结束时的压力     64.85kPa
  进料速率     233.19NCFH
  产品产率     27.89NCFH
  氧气纯度     92.59％
  氧气回收率     56.96％
  床层尺寸因数(BSF)     736.36Ibm/TPD O2
  动力     6.48 kW/TPD O2
当比较实施例1和实施例2所得的结果时，可以看出，对于类似的产品纯度，在PSA系统中采用一个分隔式贮槽与采用常规外部贮槽的同一个PSA工艺循环所得结果相比，床的尺寸因数较低，即约低8％，动力消耗也较低，约低12％。此外，采用分隔式贮槽，使回流(吹扫)气体的纯度顺序颠倒。例如，在现有技术的实际应用中，回流工序开始时使用纯度最高的产品，接着采用纯度较低的吹扫气体。可是，在本发明的实际应用中，分隔式贮槽能将产品气体贮存而不发生混合。当需要回流气体时，可按纯度递增的顺序从分隔式贮槽中排出，首先使用纯度最低的气体，随后使用纯度较高的气体，在回流工序结束时，使用纯度最高的气体，因而在床层的产品端受容易吸附的气体组分的污染最小。因此，在随后的生产工序中，可以生产纯度较高的产品，或为了达到所要求的纯度，可以给产品生产工序分配较长的操作时间。
本领域的技术人员会理解到，在不脱离下文申请专利保护的本发明范围的条件下，如本文所述，在本发明的细节上可以做各种变动和改进。例如，显然纯度不同的产品气体不仅可用作回流气，而且还可以从工艺系统中将其中的一部分排出，作为纯度较低的产品气体输送到一个或多处下游使用。当然，被用作回流气体的这部分不同纯度的产品气体，完全可以用于床层的均压-升压工序，或用于吹扫和均压-升压两个工序，或用于均压-升压工序及产品重新加压，与此同时，可以使用或不使用一部分产品气体供作吹扫之用。正如以上所指出，在任何情况下，产品气体都要输入并从分隔式气体贮槽输出而不象在常规操作中那样把产品气体直接从一个床输送到另一个床。
在各种吸附系统中，利用不同的PSA工艺程序实施本标题发明，也属于本发明的范围，其中包括两段或多段系统，在这些系统中应用不同的吸附床选择性地吸附原料气混合物中不同的组分。例如，在原料空气分离系统中，可以采用两段或多段吸附，在一段中用一个或多个吸附床以便选择性地吸附氮，即比较容易被选择性地吸附的组分，而在另一段中，用一个或多个吸附床以便选择性地吸附氧，即原料空气比较容易被选择性吸附的组分。正如本领域的技术人员所理解的，通常将5A和13X之类的分子筛材料用做吸附剂，从原料空气中选择性地吸附氮，而将活性碳吸附剂用于从原料空气中选择性地吸附氧。
本领域的技术人员还会理解到，在本发明的实施方案中，其中在均压工序之后，将高纯度的气体从本发明的外部、分隔式气体贮槽输送到一个吸附床的产品端，作为床层回流操作的一部分，因此所得到的吸附床压力会比所需要的较高的吸附压力略低一些。当在所需要的吸附压力下，把原料气加到该床的进料端时，最终重新加压将会达到较高的吸附压力。
因此，本发明在PSA领域中表现出显著的先进性。在本发明的实施中，可以得到所要求的PSA气体分离操作，其床层尺寸因数和动力消耗的降低使该PSA技术在广泛的商业应用中增强了满足对持续增长的分离操作的需要能力。

Claims (19)

1.一种变压吸附法，该方法可用于原料气体混合物中难吸附组分与容易吸附的组分分离，在包括一个或多个吸附床的吸附系统中，吸附床中装有吸附材料，该吸附材料能从原料气混合物中选择性地吸附容易吸附的组分，所述方法在每个吸附床中包括以下循环操作程序：(a)把原料气混合物在较高的吸附压力下送入吸附床的进料端，从原料气混合物中选择性地吸附容易吸附的组分，并从其产品端回收难吸附组分作为产品气体；(b)将吸附床从较高的吸附压力顺流减压到中等压力，从吸附床的产品端排出另一数量的含有难吸附组分的产品气体；(c)将吸附床从上述的中等压力逆流减压到较低的解吸压力，解吸并从吸附床的进料端排出容易吸附的组分；(d)将含有难吸附组分的产品气体送到吸附床的产品端，将其压力从较低的解吸压力增加到中等压力；以及(e)将原料气混合物送到吸附床的进料端，将其压力从中等压力增加到所述的较高的吸附压力，所作的改进包括：(1)在上述工序(b)中，至少把一部分含有难吸附组分的产品气体从吸附床的产品端送入一个或多个外部、分隔式气体贮槽，该槽适用于预防送入的气体发生混合，通入外部、分隔式气体贮槽的产品气体开始时纯度较高，随后纯度下降，不直接将任一种产品气体从一个吸附床送入该吸附系统中的另一个床，(2)在上述工序(d)中，将产品气体从外部、分隔式气体贮槽送入吸附床的产品端，使起初处在较低解吸压力下的吸附床重新加压到中等压力，从外部分隔式气体贮槽进入吸附床的产品气体，开始时纯度较低，接着，纯度较高，因而在吸附床的产品端，其中产品气体的纯度递增，从而可以生产纯度较高的产品气体，和/或可以得到高的产品回收率、低的床层尺寸因数和低的动力消耗。
2.权利要求1的方法，其中所述原料气混合物包含原料空气，所述吸附材料能选择性地吸附原料空气中更容易吸附的组分氮，而氧是原料空气中难吸附的组分。
3.权利要求1的方法，其中所述产品气体在上述工序(1)中送入唯一的外部、分隔式气体贮槽。
4.权利要求1的方法，其中所述产品气体在上述工序1中送入两个外部、分隔式气体贮槽。
5.权利要求1的方法，且包括在上述工序(2)中将产品气体从所述的外部、分隔式气体贮槽送入处在较低解吸压力的吸附床的产品端，经由该处输送其纯度递增，可作为吹扫气体用以促进从吸附床的进料端排出容易吸附的组分。
6.权利要求1的方法，且包括在上述工序(2)中在纯度递增的情况下，将产品气体从外部、分隔式贮槽送入吸附床的产品端，将压力从初始的中等压力增加到较高的吸附压力。
7.权利要求5的方法，其中所述的产品气体，在上述工序(1)中送入两个外部、分隔式气体贮槽。
8.权利要求7的方法，其中所述原料气混合物包含原料空气，所述吸附材料能从原料空气中选择性地吸附更容易吸附的组分氮，而氧是原料空气中难吸附的组分。
9.权利要求1的方法，其中所述工序(a)和(e)包括一个联合工序，在容易吸附组分能选择性地从其中吸附的速率下，将原料气混合物送到吸附床的进料端，吸附床的压力从中等压力增加到较高的吸附压力，从床的产品端回收难吸附的组分。
10.一种变压吸附系统，该系统可用于将原料气混合物中难吸附组分与容易吸附的组分分离，该系统包括一个或多个吸附床，床中所含的吸附材料，能够从原料气混合物中选择性地吸附容易吸附的组分，该吸附系统还包括下列辅助管线：(a)在较高的吸附压力下，将原料气送到每个吸附床进料端的管道装置；(b)在较高的吸附压力下，将含有难吸附组分的产品气体从每个吸附床的产品端排出的管道装置；(c)管道装置，用于将含有难吸附组分的另一数量的产品气体从每个吸附床的产品端排出，用于起初处在较低的解吸压力下的吸附床重新加压，从而其压力从较高的吸附压力降低到中等压力；(d)管道装置，用于将容易吸附的组分从每个吸附床进料端排出，以便借此降低其压力，使其压力从中等压力递降到较低的解吸压力；(e)管道装置，用于将产品气体送入每个吸附床的产品端，使其压力从较低的解吸压力增加到中等压力，并将原料气混合物送到每个吸附床的进料端，使其压力从中等压力增加到较高的吸附压力，所作的改进包括：(1)上述部件(b)的管道装置包括以下管道装置，用于至少把一些产品气体送入一个或多个外部、分隔式气体贮槽，该槽用来预防送入的气体发生混合，所述产品气体起初是纯度较高的，其后是纯度较低的空隙气体，在吸附系统中，没有任一种管道装置将产品气体从一个吸附床直接送到另一个吸附床；(2)管道装置，用于将产品气体从外部、分隔式气体贮槽送入每一个起初处在较低解吸压力下的吸附床的产品端，将其重新加压到中等压力，所述管道装置适用于在开始时从外部分隔式贮槽将纯度较低的产品气体，接着，纯度较高的产品气体输送到起初处在较低压力下的吸附床的产品端，从而使其中产品气体的纯度递增，因此可以生产纯度较高的产品气体和/或得到高的产品回收率、低的床尺寸因数和低的动力消耗。
11.权利要求10的系统，其中所述系统包括唯一的分隔式气体贮槽。
12.权利要求10的系统，其中所述系统包括两个外部、分隔式气体贮槽。
13.权利要求10的系统，其中，在(2)中所述的管道装置也适用于将纯度递增的产品气体从外部、分隔式气体贮槽输送到起初处在较低解吸压力下的每一个吸附床的产品端，借以送去作为吹扫气体。
14.权利要求10的系统，其中在(2)中的管道装置也适用于将纯度递增的产品气体从外部分隔式气体贮槽送到每一个吸附床的产品端，使其压力从中等压力增加到较高的吸附压力。
15.权利要求10的系统，其中在(2)中的管道装置包括以下管道装置，用于将纯度递增的气体从外部、分隔式气体贮槽送到起初处在较低解吸压力下的每一个吸附床的产品端，(a)经由该处在较低解吸压力下送去作为吹扫气体，(b)将其压力从较低的解吸压力增加到中等压力。
16.权利要求10的系统，其中所述吸附系统包括一个吸附床。
17.权利要求10的系统，其中所述吸附系统包括两个吸附床。
18.权利要求10的系统，其中的部件(a)和(e)包括下列管道装置，用于在容易吸附的组分能从原料气混合物中选择性地吸附的速率下，将原料气混合物送到每一个吸附床的进料端，吸附床的压力从中等压力上升到较高的吸附压力，从该床层的产品端回收不易吸附的组分。
19.权利要求10的系统，其中在(2)中所述的管道装置也适用于将纯度递增的产品气体从外部分隔式气体贮槽送到每一个吸附床的产品端，该床起初处在中等压力下，随后其压力上升到较高的吸附压力。
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