CN1201708A - 气体分离的过程和装置 - Google Patents

Abstract

一种回转阀系统,它包括一对阀组件,其中的每个阀组件都具有压在一起旋转时能在每个阀组件的一阀部件中结合的各部件之间提供阀动作用的平面的阀构件,每个组件的第一阀构件具有一组环形排列的通孔,每个孔与一条通道相通,一个第一组件或每个组件的第二阀构件具有几条能连通第一阀构件的各孔和位于每个组件的第二阀构件的各孔的通道。第一组件的第二阀构件也具有一或多条能连通构件间或另一组孔之间的通道。该阀系统能有效地用于自动控制包括有两个或多个吸附罐的气体或液体吸附系统的工作,罐的数量等于任一组孔的总数,该阀组件在吸附系统中的应用就可取消对多阀的需求,而这些阀在普通的多罐吸附系统中是必不可少的。

Description

气体分离的过程和装置

本发明涉及通过压力回转吸附(PSA)来分离气体，特别涉及包括有多个平行排列并可顺序操作的吸附罐的吸附系统，该系统可以提供准连续的非吸附气体产品，生产循环中，吸附罐的顺序由回转阀组件控制，转动该组件可控制各种气流流入和流出吸附罐。

在循环的吸附过程中，吸附罐一般都成组地使用，每组吸附罐由两个或多个平行排列并可异相位控制的装填有吸附剂的罐组成，异相位控制可使至少一个罐处于吸附状态且至少还有另一个罐处于吸附剂再生状态。在该过程的每个循环中，每个罐内要完成一系列的顺序步骤，这些步骤包括吸附、平衡和再生。为了使各种气流能流入和流出罐，供给、产品和排出管道要设置阀，从而，使气体可在吸附循环内恰当的时间通过这些管道。此外，在压力平衡步骤中为了使流体在吸附罐之间流动，这些罐的入口端之间和出口端之间必须设置交叉连通管道，每个交叉连通管道上还必须装备一个阀，来控制气体通过这些管道的流动。总之，该系统的每个罐都要至少具有三个阀，在该过程的每个循环内，每个阀至少打开和关闭一次。PSA循环通常只需一分钟，因此，系统每工作一小时，每个阀要打开和关闭六十或更多次。在工厂进行生产时，不仅每个阀在吸附过程的磨损值得考虑，而且打开和关闭系统的阀所耗费的能源也是值得考虑的。

吸附过程本身属于规模化的过程。它只有在吸附步骤才会产生非吸附气体产品，在该过程的吸附剂再生步骤才会产生解除吸附的气体产品。因此，每个循环内的理想产品的生产最多也不超过其一半的周期。由于产品的连续流动是所希望的或必需的，例如当氧气用于医疗时，所以吸附系统的改善和提供较好的产品流动的连续性的过程是要不断探索的。近来，一直在努力开发与其工作过程和连续过程相似的吸附系统。一些更有前途的吸附加工厂的设计方案是基于回转原理的。在一些设计方案中，吸附单元通过固定的气体区域回转，而在另一些设计方案中，吸附单元固定，同时，气流顺次通过该系统的各单元。

美国专利4,925,464中披露了一种简单的用于吸附罐的回转阀组件。该阀组件由分别有接合表面的两个阀构件组成，其中接合的表面可相对地回转，从而提供阀动作用。该专利的阀组件可使流体在该过程循环的恰当的时间流入和流出各吸附罐。该专利公开的内容结合在此仅供参考。

在美国专利5,268,021、5,366,541和RE35099中，描述了结合有回转阀的有效的压力回转吸附加工厂的设计方案，结合在此的所有内容仅供参考。这些专利中的每一个都披露了在PSA过程由一回转阀对一组两个或多个吸附罐的控制，该回转阀直接控制该系统各吸附罐的供给和从各吸附罐解除吸附的成分。这些专利中所描述的回转阀还可以在压力平衡步骤中将流体从一个罐输送到另一个罐。压力平衡就是气体从一个刚完成其吸附步骤的第一罐通入刚完成其吸附剂再生步骤的排气或排空罐。上述专利中，压力平衡期间流体的流动是从压力较高的罐经过其入口端后流过回转阀，然后再经过压力较低的罐的入口进入到该罐中。这种吸附床的平衡方法在本文中称为“入口到入口的平衡”，这种方法对某些吸附过程不是非常有效，其原因是由于在靠近第一罐的出口端，分馏不足的气体被输送到第二罐。在随后的压力降低步骤中，存留在第一罐的气体就浪费了。

当采用了其它的压力平衡方法时，才使得吸附系统的工作更为有效。特别是采用了那些称为“出口到出口的平衡”和“入口到入口/出口到出口的平衡”的有效压力平衡方法，其中出口到出口的平衡就是流体通过罐的出口从压力较高的罐流入压力较低的罐，入口到入口/出口到出口的平衡就是流体平行流过这些罐的入口和出口，从压力较高的罐流入压力较低的罐。美国专利5,176,722中详细地描述了这些方法，结合在此的内容仅供参考。

目前需要这样一些回转阀组件，这些阀组件能使吸附系统按照包括了上述的出口到出口和入口到入口/出口到出口的压力平衡步骤的吸附循环进行工作。本发明提供了具有这些功能的回转阀组件，这些阀组件还能对附加步骤，例如对产品气体的流出、罐的吹扫和产品流体的再充气进行自动控制，而不需再附加阀。

概括起来，本发明包括第一和第二流体流动通道和一个并联的阀组件系统，在一个供给入口和一个或多个第一流体流动通道之间，一个或多个第一流体流动通道和排出口之间，以及成对的第二流体流动通道之间，使用该阀组件系统，可以形成选择的流体通道。该系统包括一个带有一第一阀构件(“第一阀孔盘”)和一第二阀构件(“第一阀通道盘”)的第一阀组件；一个带有一第一阀构件(“第二阀通道盘”)和一第二阀构件(“第二阀通道盘”)的第二阀组件；以及一个可使每个阀组件的阀构件产生相对旋转的驱动装置。第一阀组件具有一个供给入口和一个排出口。每个阀组件的阀构件都具有被接合以提供阀动作用的光滑表面。每个阀孔盘都具有一组绕共同的旋转中心而设置在同一圆周上的等间距排列的通孔。第一阀孔盘的阀孔盘上的每个孔与第一流体流动通道中的一条通道是相通的，第二阀孔盘的每个孔与第二流体流动通道中的一条通道也是相通的。第一阀孔盘和第二阀孔盘具有相同数量的孔。第一阀通道盘具有至少一个能接通供给入口和第一阀孔盘的一个或多个孔之间的流体通道的供给通道装置；至少一个能接通第一阀孔盘的一个或多个孔和排出口之间的流体通道的排出通道装置，第二阀通道盘还至少具有一个选择地使第二阀孔盘的两个孔相互连通的平衡通道装置。驱动装置用于提供每个阀组件的阀孔盘和阀通道盘的相对旋转运动，以便在供给入口和第一阀孔盘的孔之间、第一阀孔盘的孔和排出口之间，以及第二阀孔盘的成对的孔之间旋转地循环接通流体通道。

在上述的实施例的一种改进形式中，第一阀组件的第二阀构件另外还至少具有一个选择地相互连通第一阀孔盘的两个孔的流动通道装置。

在一个优选实施例中，每个阀组件的阀孔盘是固定的，而每个阀组件的阀通道盘则是可旋转的。

在另一个优选实施例中，阀组件的阀孔盘具有相同数量的孔。

在上述的本发明的一种结构中，每个阀组件的阀孔盘具有两个孔，第一阀通道盘具有一个供给通道装置和一个排出通道装置，第二阀通道盘具有一个选择地相互连通第二阀孔盘的两个孔的平衡通道装置。在这种结构的一种改进形式中，第一阀通道盘另外还具有一个选择地相互连通第一阀孔盘的两个孔的平衡通道装置。

在另一种结构中，每个阀组件的阀孔盘具有两个以上的孔。这种结构的一种较佳形式中，第一阀通道盘具有两个供给通道装置和两个排出通道装置，第二阀通道盘具有两个选择地相互连通第二阀孔盘的两个孔的平衡通道。在这种结构的另一种优选的形式中，第一阀通道盘另外还具有两个选择地相互连通第一阀通道盘的两个孔的平衡通道装置。

在一种最优选的结构中，每个阀组件的阀孔盘具有总数为8、12、16或20个的孔。

在本发明的一个实施例中，驱动装置使阀构件产生连续的相对运动，在另一实施例中，使阀构件产生逐级地相对运动。

在一个优选的实施例中，第一和第二阀组件的阀构件的相对旋转运动由一个单独的驱动装置完成。

在本发明的第二种构成中，吸附系统包括一种上述的阀系统和一排吸附罐，每个吸附罐都具有一个供给入口端和一个产品出口端，同时，每个罐中都装填一种吸附剂，该吸附剂较好地吸附一流体混合物中的一种或多种流体而不易吸附该混合物的另外的一种或多种流体。这种构成中，第一组流体流动通道的每个通道与排列的吸附罐中的一个罐的供给入口端相连，第二组流体流动通道的每个通道与一排列的吸附罐的产品出口端相连。

用于本发明系统的吸附罐可以是笔直细长的罐，或者是U型的或同心的，使得，例如，它们的入口端和出口端彼此相邻或大致相邻。

本发明的第二种构成的优选实施例中，本发明的上述吸附系统包括一个阀系统，其中的每个第一阀孔盘和第二阀孔盘都具有两个以上的孔，第一阀通道盘具有二个供给通道装置和两个排出通道装置，第二阀通道盘具有两个选择地相互连通第二阀孔盘的两个孔的平衡通道装置。

在第二种构成的另一优选结构中，第一通道盘还具有两个选择地相互连通第一阀通道盘的两个孔的平衡通道装置。

另一优选实施例中，第二阀组件具有一个产品出口和一吹扫入口，第二阀通道盘至少具有一个能接通产品出口和第二阀孔盘的一个或多个孔之间的流体通道的产品通道装置。在这个实施例中，第二阀组件最好具有一个再充气入口，第二通道盘最好至少具有一个能接通再充气入口和第二阀孔盘的一个或多个孔之间的流体通道的再充气通道装置。另外，在这个实施例中，产品出口还可作为再充气入口，每个产品通道装置的一部分可作为一个再充气通道装置。而且，在这种构成中，第二阀组件最好具有一个吹扫入口，第二阀通道盘至少具有一个能接能吹扫入口和第二阀孔盘的一个或多个孔之间的流体通道的吹扫通道装置。

在一种优选的结构中，第一和第二阀组件的旋转中心在一条公共的直线(“中心线”)上。这种结构的每个产品通道装置最好部分位于供给通道装置所在的径向扇形区内。而且这种结构的每个吹扫通道装置优选位于排出口所在的径向扇形区内。限定每个吹扫口的径向扇形区具有更小的角度范围，即与限定每个排出口的径向扇形区相比，它可以更窄。

在另一种构成中，本发明的过程包括将一种流体混合物输入一种上述吸附系统的供给入口，同时，每个阀组件的阀通道盘相对旋转，其中的流体混合物包含一种第一成分，与该流体混合物的第二成分相比，第一成分优先地被吸附罐中的吸附剂吸附，同时，通过产品出口排出富含第二成分的流体，从排出口排出富含第一成分的流体，并且在该系统的选定罐之间提供出口到出口的平衡或提供入口到入口和出口到出口的平衡。该过程特别适于分馏气态混合物，例如空气。空气的吸附成分可以是氧，或者，也可以是氮。

下文将参照附图说明本发明，其中：

图1是一种结合有本发明新颖的阀系统的2-罐吸附系统的局部剖面图；

图2是用于图1所示的吸附系统的第一阀孔盘和第二阀孔盘的阀孔盘的平面图；

图3是图2的阀孔盘沿剖线3-3剖开的剖面图；

图4是用于图1所示的吸附系统的第一阀孔盘的第一实施例的平面图；

图5是图4所的第一阀通道盘沿剖线5-5剖开的剖面图；

图6是用于图1所示的吸附系统的第二阀通道盘的平面图；

图7是图6的第二阀通道盘沿剖线7-7剖开的剖面图；

图8是可用于一种十二罐吸附系统的第一阀孔盘和第二阀孔盘的阀孔盘的平面图；

图9是设计用于图8的阀孔盘的一种2-阀盘系统的第一阀通道盘的平面图；

图10是图9的阀通道盘沿剖线10-10剖开的剖面图；

图11是设计用于图8的阀孔盘的一种2-阀盘系统的第二阀通道盘的平面图；

图12是图11的阀通道盘沿剖线12-12剖开的剖面图；

图13是图11的阀通道盘的一种改进形式的平面图；

图14是用于图1所示的吸附系统的第一阀通道盘的第二实施例平面图；

图15是图14所示的第一阀通道盘沿剖线15-15剖开的剖面图。

在各附图中，相同的或类似的参考符号用于表示相同的或类似的部件。附图中不包括对理解本发明并非必要的阀、管道和设备。

本发明涉及几个方面：(1)可用于各种工业过程的回转阀系统，其中，可将流体输入该系统，从该系统中排出，还可在该系统中将流体从一点输送到另一点；(2)使用这些回转阀系统的并联罐吸附系统；和(3)用本发明的并联罐吸附系统分馏流体的过程。在此使用的术语“流体”包括气体和液体。本发明的过程方面将以其用于分馏气体而进行详细描述，但它也非常适用于液体分馏。

本发明的阀系统的主要功能是控制流体的供给和从并联罐吸附系统的各吸附罐中分离废流体，并使出口到出口或入口到入口和出口到出口的压力在完成其吸附步骤的一吸附罐和完成其吸附剂再生步骤的一吸附罐之间得到平衡。该阀系统还能控制该系统以其它流体束的流动，特别是用于控制产品流体束流出和吹扫流体流入本系统的各个吸附罐，或还可用于控制该吸附系统的全部流体束的流动，描述如下。

从下面的描述中，参照给出的附图可更完整地理解本发明。现在来参见附图，图1-7中示出了一种吸附系统，它包括两个吸附罐A和B，阀组件驱动装置C，第一回转阀组件D和第二回转阀组件E。罐A和B的入口端分别与供给管道2a和2b相连，这些罐的出口端分别与产品输出管道4a和4b相连。

阀组件驱动装置C包括驱动电动机6和驱动轴8。驱动轴8具有一个上圆柱轴部分10；一个第一回转阀接合部分12，该接合部分的横截面是正方形的；一个下圆柱轴部分14和一个第二回转阀接合部分16，该接合部分的横截面也是正方形的。下轴部分14的直径小于上轴部分10的直径。在图1所示的实施例中，第一回转阀接合部分12的横截面对角线尺寸等于或小于上轴10的横截面直径，第二回转阀接合部分16的横截面对角线尺寸也等于或小于下轴部分14的横截面直径。

在第一实施例中，阀组件D包括阀孔盘18，阀通道盘20和阀组件罩22。阀组件E包括阀孔盘18，其中该盘与阀组件D的阀孔盘18相同；阀通道盘24和阀组件罩26。

在图1-7所示的实施例中，每个阀孔盘18、阀通道盘20和24的结构都被示为圆形，但也可将它们做成其它形状，例如多边形，这些零件优选由耐用材料制成，例如陶瓷，对这种材料进行研磨，使精加工平面具有高光洁度，从而，使这些盘的表面压在一起时能形成流体密封。

每个阀孔盘18都具有精加工的平的圆形接合表面28、光滑的圆柱侧壁30、供给/产品通道32和孔34a、34b。孔34a和34b的中心相距表面28的几何中心的半径距离相同。通道32和孔34a、34b位于通过圆形表面28的几何中心的同一直径线上，并在垂直于表面28的方向贯通盘18(图3)。图中示出的阀组件D和E的孔34a、34b的尺寸虽然相同，但阀组件D的孔的尺寸也可与阀组件E的孔的尺寸不同。然而，同一阀孔盘18的孔34a、34b具有相同的尺寸。

有一精加工光滑圆形接合表面36和一光滑侧壁38的阀通道盘20具有两条弧形通道或切入表面36的槽，其中的每一条都以圆形表面36的几何中心作为其旋转中心(图4和5)。这两条弧形通道是供给分配器40，该分配器具有一个中央圆形部分42、一条弧形通道44和弧形排出通道46。供给分配器40的中央圆形部分42延伸到盘20里的深度大于分配器40的剩余部分(见图5)。当盘20以这样一种方式置于盘18的顶部时，即盘18的表面28和盘20的表面36在它们的几何中心重合时接合(如在阀组件D中)，此时，至少部分弧形通道44和46与孔34a和34b所在环形相重合，而且当盘20旋转时还可与这些孔对准。

切入盘20的与表面36相反的表面的槽54具有正方形横截面，该槽与驱动轴8的第一回转阀接合部分12紧配合。槽54的边界由供给分配器40的圆形部分42的投影尺寸确定。

固定在阀组件D的阀孔盘18的底部并与其保持密封的套筒56(图1)具有可与盘18的通道32重合的中空圆柱部分。穿过套筒56侧壁安装并延伸的供给管道58能在供给管道58和套筒56的中空内腔之间接通流体通道。

同样有一精加工光滑圆形接合表面60和一光滑侧壁62的阀通道盘24具有几条弧形通道或切入表面60的槽，其中的每一条都以圆形表面60的几何作为其旋转中心(图6和7)。这些弧形通道包括可选择的未贯通槽形产品收集器64；可选择的弧形排出通道70和未贯通平衡通道72，其中该收集器具有一个中央圆形部分66和一条弧形通道68，未贯通平衡通道72具有一条弧形部分74和端部76。盘24置于盘18的顶部使盘18的表面28和盘24的表面60在它们的几何中心重合时而接合(如在阀组件E中)，此时至少部分弧形通道68和70及平衡通道72的部分端部76与孔34a和34b所在圆环相重合，通过旋转盘24，还可使它们与这些孔对准。

切入盘24的与表面60相反的表面的未贯通的槽78具有正方形横截面，该槽与驱动轴8的第二回转阀接合部分16紧配合。

在附图所示的实施例中，阀通道构件20和24用于阀组件中，其中构件20和24顺时针旋转，如图4和6所示。

参见图1，阀组件D的阀组件罩22具有圆柱形侧壁80，而且还设有排气管道82，在所示的实施例中，该管道穿过侧壁80延伸。侧壁80内侧的直径稍大于阀盘18和24外侧的直径。弹性环形密封圈84a和84b位于侧壁80的内侧表面和盘18、20的侧壁之间，这种密封圈可在侧壁80的内侧表面和盘18、20的侧壁之间分别形成流体密封，这些密封圈与盘侧壁30、38和侧壁80的内侧表面一起形成了一个包围盘18和20的环形通道，其中流体可从该通道中流过。管道82和通道46与密封圈84a和84b之间的环形通道连通。

类似地，阀组件E的阀组件罩26也具有圆柱形侧壁86，而且还设有吹扫气体供给管道88，该管道穿过侧壁86延伸。侧壁86内侧的直径稍大于阀盘18和24外侧的直径。弹性环形密封90a和90b位于侧壁86的内侧表面和盘18、20的侧壁之间，这些密封圈可在侧壁86的内侧表面和盘18、24的侧壁30、62之间分别形成流体密封。这些密封圈与侧壁30、62和侧壁86的内侧壁一起形成了一个包围盘18和24的环形通道，其中流体可从该通道中流过。管道88和通道70与密封圈90a和90b之间的环形通道连通。

产品管道92以流体密封的方式安装在阀组件E的阀孔盘18的底面上，即在管道92和盘18的开口32之间形成流体通道。

在本发明的每个阀组件中，阀孔盘和阀通道盘被牢固地压在一起，使得在阀盘接合的精加工表面之间不会发生泄漏。正如上文提及的美国专利5,268,021、5,366,541和RE35099中所描述的，这可通过例如弹簧式流体压力来实现。

安装时，驱动轴8的上圆柱部分10松配合地延伸穿过阀组件罩22的顶壁；轴8的正方形部分12紧配合地装入盘20的槽54中；轴8的下圆柱部分14松配合地穿过阀组件D的盘18、套筒56和阀组件罩26的顶壁；轴8的正方形部分16紧配合地装入盘24的槽78中。环形密封圈94被装入中央圆形部分42的开槽部分，环形密封圈96装入套筒56中的位于管道58穿过其延伸的下边缘下面的一部位上，这些密封圈与下轴部分14的圆柱形表面、中央圆形开口42的内侧和套筒56的内侧壁一起形成了一个供给流体可从其中通过的流体密封环形通道。该环形通道与供给管道58和分配器40是相通的。

在图1的布置中，供给管道2a和2b分别与阀组件D的阀孔盘18的孔34a和34b下端流体密封地相连，产品输出管道4a和4b分别与阀组件E的阀孔盘18的孔34a和34b下端流体相连。这些连接均不会产生流体泄漏。

电动机6与电源相连并具有一个控制轴8的旋转的方向和速度的控制机构(未示出)。驱动轴8旋转时，阀通道盘20和24就以相同的角速度旋转，从而在吸附过程的各步骤中循环吸附罐A和B。在图1的系统中，将阀组件D的盘18、20和阀组件E的盘18、24设置成使圆形表面28(每个盘18的)、圆形表示36和圆形表面60的几何中心位于同一直线上，该直线(中心线)则作为阀通道盘20和24的旋转中心线。电动机6可使阀盘20和24绕该中心线时行连续的或逐级的旋转运动。在逐级旋转时，各步骤可与环形排列的相邻孔的中心之间的角间距重合，图1-7中的实例的角间距是180°，或者，角度也可以更少，以使，环形排列中相邻孔的中心之间的角间距应是每个旋转步骤的角度的准确倍数。

下文将叙述图1的系统中的本发明过程，该过程用于通过吸附罐A和B来分馏空气，其中的吸附罐中装填有一种特定的吸附剂，相对于氮，该吸附剂更易吸附氧，因此氮被制成非吸附产品气体。一种吸附剂，例如碳分子筛在吸附过程依据运动原理而进行时就具有这种功能。该过程是在阀组件中阀通道构件20和24沿顺时针方向旋转的情况下而进行描述的，如图4和6所示。

在该过程开始时，弧形通道44和46分别与阀组件D的阀盘18的孔34b和34a的上端对准，弧形通道68和70则分别与阀组件E的阀盘18的孔34b和34a的上端对准。这时，吸附罐B处于吸附步骤，吸附罐A则处于该吸附过程的吸附剂再生步骤。因此，供给空气在理想压力下通过管道58、套筒56的内侧、阀组件D的阀孔盘18的孔32、供给分配器40、盘18的孔34b和管道2b输入到罐B中，其中供给空气最好是经过预提纯以除去水蒸汽和二氧化碳并过滤掉杂质的气体。当空气向下通过罐B时，氧气优先地被吸附器中的吸附剂吸附，而富氮气体通过管道4b从罐B的底部排出。该富氮气体通过阀组件E的盘18的孔34b、弧形产品收集器64和盘18的孔32，从产品管道92排出系统并送往产品贮藏器或进行使用。

而且，在该过程开始时，罐A中的吸附剂要进行再生。这可由逆向地(在与供给气体通过该吸附罐的方向相反的方向上)从该罐通过管道2a排空包含在该罐中的气体而降低罐A的压力来实现。排出的气体通过阀组件D的盘18的孔34a和弧形通道46进入分别由盘18和20的外表面30和38、罩22的侧壁80的内侧表面、密封圈84a和84b所限定的环形空间。然后，排出的气体经管道82从该系统排到大气中，或者移作它用或处理掉。吸附剂的再生可简单地通过排空罐A来实现，即用贫吸附成分的气体，例如在吸附的过程中由罐B中所产出的富氮产品的气体吹扫罐A，有助于吸附剂的再生。如果要将吹扫步骤包括在该过程中，就需要将选定的吹扫气体通过管道88送入该系统，并且进入分别由侧壁86的内侧表面、盘18和24的表面和30和62、以及密封圈90a和90b所限定的环状空间。吹扫气体通过通道70、盘18的孔34a和管道4a，并通过罐A逆向流动。这样，就可从罐A中清除掉吸附的氧气。吹扫排出的气体，或者还有一些吹扫气体通道管道82排出系统。

当该过程继续时，驱动轴8沿选定的方向继续旋转，例如图4和图6所示的顺时针方向。在此期间，罐B中吸附的气体前端朝向该罐的产品出口端运动。当吸附前端达到吸附步骤的理想峰值时，调节转速，通道44和46的未端就不再分别与阀组件D的盘18的孔34b和34a对准。同时，通道68和70的末端也不再分别与阀组件E的盘18的孔34b和34a对准。在这些通道不再与相应的孔对准时，本循环的罐B中的吸附步骤和罐A中的吸附床再生步骤完成。

当阀盘20和24继续旋转时，平衡通道72的端部76将与阀组件E的盘18的孔34a和34b对准。在这个位置，气体从罐B流出通过管道4b、阀组件E的盘18的孔34b、平衡通道72、盘18的孔34a、管道4a进入罐A。在这个周期，没有气体通道盘20的通道。这样，来自罐B出口端的气体流入罐A的出口端，从而就平衡了出口到出口的压力。因此，来自罐B的富氮气体进入罐A的产品端，使该过程的效率提高。吸附床平衡步骤可持续到两罐的压力达到平衡状态为止或持续更短的时间。平衡步骤占用的时间由转速和平衡通道72的端部76的宽度决定。在由通道68和70的后缘和前缘之间的距离所确立的区域内，可根据需要将端部76做得较窄或较宽。

当阀盘20和24继续旋转时，平衡通道74的端部76将不再与阀组件E的盘18的孔34a和34b对准。这表明压力平衡步骤结束。

当盘20和24进一步顺时针旋转时，各通道就与阀组件D和E相应的盘18的孔对准，从而使罐A进入吸附状态且罐B进入吸附剂再生状态。在这个周期，弧形通道44和46分别与阀组件D的盘18的孔34a和34b对准，弧形通道68和70分别与阀组件E的盘18的孔34a和34b对准。除了阀盘20和24要向前旋转180°之外，这一阶段的过程与上述吸附步骤和吸附剂再生步骤相同。

当盘20和24进一步顺时针旋转时，通道44和46最终就不再分别与阀组件D的盘18的孔34a和34b对准，同时，通道68和70也不再分别与阀组件E的盘18的孔34a和34b对准，这一结果表明该循环的第二吸附-再生步骤结束。当盘20和24继续顺时针旋转时，平衡通道72的端部76与阀组件E的盘18的孔34a和34b对准。这就启动了由气体从罐A流入罐B而产生的出口到出口的压力平衡步骤。这个步骤将持续到端部76不再与阀组件E的盘18的孔34a和34b对准为止，其结果表明该过程的第二压力平衡步骤结束，而且第一循环也结束。盘20和24将继续旋转并通过该过程的每个循环来循环吸附器A和B，直至吸附工作结束。

图8-12示出了用于本发明多罐实施例的阀孔盘和阀通道盘的结构。阀孔盘118和阀通道盘120和124的结构被图示为圆形，但它们也可具有其他的形状。在图8-12所示的实施例中，阀孔盘118、阀通道盘120和124最好由耐用材料制成，例如陶瓷，对这种材料进行研磨，使精加工平面具有高光洁度，从而，使这些盘的表面压在一起时能形成流体密封。

设计成既可用于阀通道盘120又可用于阀通道盘124(下文描述的)的阀孔盘118具有一个精加工的平的圆形接合表面128；一个光滑的圆柱侧壁130(如图3阀孔盘18的侧壁30)；一个供给入口/产品出口通道132；以及一组12个等间距排列的孔134。孔134位于同一圆环上，即它们的中心相距表面128的几何中心半径距离都相同。孔132和孔134在垂直于表面128的方向贯通盘118(如图3中的阀孔盘18)。虽然在单个盘118上的孔都具有同一尺寸，但用于阀通道120的盘118上的孔的尺寸相对用于阀通道124的盘118上的孔的尺寸来说，可以相同，或者大或者小。

如在图9和10中所能看到的，有一精加工光滑接合表面136和一光滑侧壁138的阀通道盘120具有几条弧形通道或槽，其中的每一都以表面136的几何中心作为其旋转中心。盘120具有带凹下的中央部分142的供给分配器140；径向地对置的弧形通道144a和144b和径向地对置的弧形排出通道146a和146b。供给分配器140延伸到盘120里的带凹下的中央部分142的深度大于分配器140的剩余部分(见图10)。当盘120以这样一种方式置于盘118的顶部时，即盘118a的表面128与盘120的表面136在它们的几何中心重合时而接合，此时，至少部分弧形通道144a、144b、146a和146b与孔134所在的环形相重合，并且通过盘120的旋转而与这些孔对准。

切入盘120的与表面136相反的表面中的槽154具有正方形横截面，该槽与驱动轴8的第一回转阀接合部分12紧配合，使盘120在阀构件118的表面128上旋转(图1)。

如图11和12所示，有一精加工的光滑圆形接合表面160和一光滑侧壁162的阀通道盘124具有几条弧形通道或切入表面160的槽，这些通道和槽的旋转中心均为圆形表面160的几何中心。这些通道包括有一对径向地对置的弧形产品通道168a和168b的可选择的产品收集器器164；可选择的弧形吹扫通道170a和170b；以及径向地对置的未贯通的平衡通道172a和172b，它们分别带有端部176a和176b。产品收集164，吹扫通道170a和170b的结构分别与供给分配器140、排出通道146a和146b大致相同。当盘124以这样一种方式置于盘118的顶部时，即盘118的表面128与盘124的表面160在它们的几何中心重合时而接合，此时，至少部分弧形通道168a、168b、170a和170b，以及平衡通道172a和172b的部分端部176a和176b分别与孔134所在环形相重合，并且通过盘124的旋转而与这些孔对准。

切入盘124的与表面160相反的表面的未贯通槽178具有正力形横截面，该槽与驱动轴8的第二回转阀接合部分16紧配合，使盘124在阀构件118的表面128上旋转(见图1)。

在图1的阀组件中，阀孔盘118和阀通道盘120可以分别设计成阀组件D的阀孔盘18和阀通道盘20，阀孔盘118和阀通道盘124也可以分别设计成阀组件E的阀孔盘18的阀通道盘24，带有盘18、20和24的阀组件除了可操作12-吸附器系统而不是2-吸附器系统之外，则以与带有盘18、20和24的阀组件相同的方式工作。由于阀通道盘120具有两条径向地对置的供给和排出通道，并且阀通道盘124也具有两条径向地对置的产品、吹扫和平衡通道，所以，阀通道盘每做一半的旋转，每个吸附罐就进行一次完整的吸附循环。在使用了图8-12的阀构件的一个吸附过程的任何给定时间，4个罐将处于吸附状态，4个罐处于吸附床再生状态，4个罐处于临进工作状态，也就是进入或刚完成出口到出口的压力平衡(取决于该时刻的阀通道盘124的位置及平衡通道176a和176b端部的宽度)。阀通道盘120和124旋转一圈，就会出现24个生产阶段，因此，与图1的2-罐系统相比，由盘118、120和124所构成的吸附过程将会更为连续的产品气流。

图8-12的12-孔实施例还具有超过图2-7的2-孔实施例的其它的优点。当使用图8-12的实施例时，由于各种气流可同时通过阀组件的径向地对置的两侧，因此压力平均地分布在阀组件的两侧，而且该阀组件所承受的应力也比图2-7实施例的要小。

图13中所示的阀通道盘224与图11中所示的盘124相似，但有两种不同。一个差别是平衡通道272a、272b的端部276a、276b明显地比平衡通道172a、172b的端部176a，176b的要宽。这将使来自正在进行减压的罐的出口端大部分已分馏处理的气流流入要进行吸附的罐的出口端，这个实施例能提供更完善的压力平衡。

盘224和124的结构之间的第二个差别是弧形产品通道268a、268b延伸伸出的尺寸。在图13的实施例中，通道268a、268b都具有一个顺时针延伸超出通道144a、144b前缘(分别由虚线271a、271b表示)的部分269a、269b。当盘124用于组件D，盘224用于阀组件E，而且将这两个盘对正时，供给分配器140和产品分配器264相重合。然后，使线271a和271b处于通过盘224的几何中心的同一向径平面中，并分别作为盘120的弧形通道144a和144b的前缘(当盘120和224顺时针旋转时)。延伸的部分用作再充气部分，并且使产品气体从例如管道92(图1)反向地流入刚刚完成压力平衡步骤已部分加压的吸附罐中，以便进一步对这些罐进行加压以接近有效的吸附压力。图13所示的改进之一或二者可结合在本文所述的任一阀通道盘中。

图14和15所示的阀通道盘是图4和5所示的第一阀通道盘的一种改进形式。当与图6和7的盘结合使用时，图14和15的盘借助于同时连接正在进行平衡的罐的出口端和进口端而确保吸附罐的平衡。在图14和15的盘中，有一精加工光滑的圆形接合表面336和一光滑侧壁338的阀通道盘320，它具有三条弧形通道或切入表面336的槽，其中的每一条都以圆形表面336的几何中心作为其旋转中心。这些通道是带有中央圆形部分342和弧形通道344的供给分配器340、弧形排出通道346和未贯通平衡通道348，该平衡通道带有弧形部分350和端部352。供给分配器340的中央圆形部分342延伸到盘320里的深度大于分配器340的剩余部分(见图15)。当盘320以这样一种方式置于盘18(图2)的顶部时，即盘18的表面28与盘320的表面336在它们的几何中心重合时而接合，此时至少部分弧形通道344、346和平衡通道348的部分端部352与孔34a和34b所在的环形相重合，并且通过盘320的旋转而与这些孔对准。

切入盘320的与表面336相反的表面的槽354具有正方形横截面，该槽与驱动轴8的第一回转阀接合部分12紧配合。槽354的边界由供给分配器的圆形部分342的投影尺寸确定。带有盘18、24和320的阀系统除了可实现该系统的2-吸附罐之间入口到入口的平衡以及2-吸附罐之间出口到出口的平衡之外，将以与带有盘18、20和24的阀系统相同的方式工作。

用于本发明系统吸附罐可以是笔直细长的罐，或者是U型的或同心的，例如，使得它们的入口端和出口端彼此相邻或大致相邻。同心的吸附床的罐具有一个由一外侧环形的装填有吸附剂的腔室包围的内侧圆柱形的装填有吸附剂的腔室，这两个腔室的横截面积相等，并且由一个密封到罐的一端而不延伸到罐的另一端的圆柱形侧壁分隔开。每个腔室在罐的密封端具有一个开口，通过其开口输入到一个腔室内的流体在一个方向轴向地通过该腔室并在相反的方向轴向地通过另一个腔室，然后通过其开口离开另一个腔室。同心的吸附床的吸附罐的一个突出的优点是两个吸附床在它们的供给/出口端之间有热交换潜能。

可以理解，上述实施例只不过是本发明的示范实例，还可以设想其他的实施例。例如，阀通道盘的各构件的功能可以互换。例如，设计为供给分配器140的构件可用作排出收集器，而设计为排出通道146a和146b的构件可用作供给通道。类似地，设计为产品收集器164的构件可用作吹扫分配器，而吹扫通道170a和170b也可用作产品通道。此外，在吸附过程中产生的产品气流的流动也不是必须由阀组件E来控制。吹扫流体(假如该过程包括吹扫步骤)也不是必须要通过阀组件E。产品气流可以从吸附罐的出口端直接通过贮藏器。而且，吹扫工作也可借助于在产品流动的管道插入一孔板来实现。在上文提及的美国专利5,268,021、5,366,541和RE35099中阐述了这两种替换方法。

此外，将一台真空装置连接到图1所示的排气管道82上是较为理想的，这有助于吸附剂再生步骤。真空再生可由其自身或借助吹扫气流来进行，但无论怎样，吹扫气流要通过本发明的阀组件。

可以理解，在本发明的范围内，可以利用普通的设备去控制和自动调整系统内的气体的流动，因此本系统可全自动地高效率地连续工作。

下面将用假想的实例进一步说明本发明，其中除非另有标注，否则成分，百分率和比率均处于基础值。

实例1：在本假想实例中，使用了一种类似于图1中所示的2-罐吸附系统。用于该系统的阀组件包括图2-7中所示的阀构件，并且在吸附罐中装填有碳分子筛。这种阀组件的设置提供了一种带有一出口到出口的平衡步骤的吸附循环。该阀系统在一个速度下工作，使得可旋转的阀通道盘在约120秒的时间内转一圈。当经过预提纯以除去水蒸汽和二氧化碳的空气被压缩到压力为7.5bara(绝对压强单位：“bar absolute”)并在温度为20℃的情况下进入该系统的供给入口时，每小时将产生168N-升纯度为99％的富氮气体。

实例2：在本假想实例中，使用了图1中所示的系统，但阀通道盘20和24的位置进行了调换，因此该系统将只能提供入口到入口的压力平衡。该阀系统也在一个速度下工作，使得可旋转的阀通道盘在约120秒的时间内转一圈。当经过预提纯以除去水蒸汽和二氧化碳的空气被压缩到压力为7.5bara(绝对压强单位)并在温度为20℃的情况下进入该系统的供给入口时，每小时将产生141N-升纯度为99％的富氮气体。

上述实施例的比较表明：与使用只提供入口到入口的压力平衡的阀组件相比，在使用本发明的阀组件(实例1)时，氮气产品的流动速度将提高约26％。

实例3：在本假想实例中，使用了一种类似于图1中所示的2-罐吸附系统。用于该系统的阀组件包括一个由图3和14中所示的阀构件组成的上阀组件和一个由图3和6中所示的阀构件组成的下阀组件，并且在吸附罐中装填有碳分子筛。这种阀系统提供了一种带有一入口到入口/出口到出口的平衡步骤的吸附循环。该阀系统在一个速度下工作，使得可旋转的阀通道盘在约120秒的时间内转一圈。当经过预提纯以除去水蒸汽和二氧化碳的空气被压缩到压力为7.5bara(绝对压强单位)并在温度为20℃的情况下进入该系统的供给入口时，每小时将产生198N-升纯度为99％的富氮气体。

尽管本发明是通过特定设备的设置和特定的实验加以叙述的。但这些特征只不过是本发明的示范实例，还可以考虑进行变更。例如，U型的或同心的吸附罐可用于本发明的吸附系统。这将使全部通道位于吸附罐的一端，从而使该吸附系统更紧凑。此外，阀组件D和E也可由不同于图1中所示的驱动装置进行控制。例如，驱动电动机可位于阀组件D和E之间，并且设置成从每个驱动电动机的端部伸出一根驱动轴，或者用两个独立的电动机驱动阀组件D和E。本发明的范围是由所附权项的宽度来加以限定的。

Claims (33)

1.一种阀系统，它具有第一和第二流动通道及第一和第二阀组件，每个阀组件包括带有可绕一共同的旋转中心相对地转动以提供阀动作用的相应的接合表面的第一和第二阀构件；所述第一阀组件带有一个供给入口和一个排出口；所述第一阀组件的第一阀构件带有一组绕所述第一阀组件的公共旋转中心而设置在同一圆周上的等间距排列的通孔，每个孔与所述第一流体流动通道中的一条是相通的，所述第二阀组件的第一阀构件也带有一组绕所述第二阀组件的公共旋转中心而设置在同一圆周上的等间距排列的通孔，每个孔与所述第二流体流动通道中的一条也是相通的，所述第一和第二组孔包括有相同数量的孔；所述第一阀组件的第二阀构件带有至少一个能接通所述供给入口和所述第一阀组件的所述第一阀构件的一个或多个孔之间的流体通道的供给通道装置及至少一个能接通所述第一阀组件的所述第一阀构件的一个或多个孔和所述排出口之间的流体通道的排出通道装置，而且所述第二组件的第二阀构件至少带有一个可选择地使所述第二阀组件的所述一阀构件的两个孔相互连通的平衡通道装置；它还包括驱动装置，驱动装置能使每个阀组件的阀构件产生相对旋转，以使在所述第一阀组件的所述第一阀构件的孔和所述供给入口之间、所述第一阀组件的所述第一阀构件的孔和所述排出口之间，以及所述第二阀组件的所述第一阀构件的两对或多对孔之间旋转地循环接通流体的通道。

2.按照权利要求1所述阀系统，其特征在于所述第一阀组件的第二阀构件还至少带有一个可选择地使所述第一阀组件的所述第一阀构件的两个孔相互连通的平衡通道装置。

3.按照权利要求1或2所述阀系统，其特征在于每个所述第一阀构件是固定的，每个所述第二阀构件是旋转的。

4.按照权利要求1或2所述阀系统，其特征在于所述第一和第二阀组件的阀构件的相对旋转由一个独立的驱动装置提供。

5.按照权利要求1或2所述阀系统，其特征在于所述第一和第二阀组件的所述第一阀构件包括有相同数量的孔。

6.按照权利要求1或2所述阀系统，其特征在于每个所述第一和第二阀组件的第一阀组件具有两个孔，所述第一阀组件的第二阀构件具有一个能接通所述供给入口和所述第一阀组件的所述第一阀构件的一个孔之间的流体通道的供给通道装置，一个能接通所述第一阀构件的所述第一阀构件的一个孔和所述排出口之间的流体通道的排出通道装置及一个可选择地使所述第一阀组件的所述第一阀构件的两个孔相互连通的平衡通道装置，而且所述第二阀组件的第二阀构件也具有一个可选择地使所述第二阀组件的所述第一阀构件的两个孔相互连通的平衡通道装置。

7.按照权利要求1或2所述阀系统，其特征在于每个所述第一和第二阀组件的所述第一阀构件有两个以上的孔。

8.按照权利要求7所述阀系统，其特征在于所述第一阀组件的所述第二阀构件具有两个能接通所述供给入口和所述第一阀组件的所述第一阀构件的孔之间的流体通道的供给通道装置，两个能接通所述第一阀组件的所述第一阀构件的孔和所述排出口之间的流体通道的排出通道装置及两个可选择地使所述第一阀组件的所述第一阀构件的成对的孔相互连通的平衡通道装置，而且所述第二阀组件组件的所述第二阀构件也具有两个可选择地使所述第二阀组件的第一阀构件的成对的孔相互连通的平衡通道装置。

9.按照权利要求8所述阀系统，其特征在于每个所述第一和第二阀组件的第一阀构件具有总数为8、12、16或20孔。

10.按照权利要求1或2所述阀系统，其特征在于所述第二阀组件还具有一个产品出口，而且所述第二阀组件的所述第二阀构件还至少具有一个能接通所述第二阀组件的所述第一阀构件的一个或多个孔和所述产品出口之间的流体通道的产品通道装置。

11.按照权利要求10所述阀系统，其特征在于所述第二阀组件还具有一个再充气入口，而且所述第二阀组件的所述第二阀构件还至少具有一个能接通所述再充气入口和所述第二阀组件的所述第一阀构件的一个或多个孔之间的流体通道的再充气通道装置。

12.按照权利要求11所述阀系统，其特征在于所述产品出口作为所述再充气入口，而且至少一个所述产品通道装置的一部分作为所述再充气通道装置。

13.按照权利要求10所述阀系统，其特征在于第一和第二阀组件的公共旋转中心轴向地重合，每个产品通道装置至少部分位于供给通道装置所在的以所述公共旋转中心为圆心而形成的径向扇形区内。

14.按照权利要求10所述阀系统，其特征在于所述第二阀组件具有一个吹扫入口，所述第二阀组件的所述第二阀构件至少具有一个能接通所述吹扫入口和所述第二阀组件的所述第一阀构件的一个或多个孔之间的流体通道的吹扫通道装置。

15.按照权利要求14所述阀系统，其特征在于每个吹扫通道位于排出通道装置所在的以公共旋转中心为中心而形成的径向扇形区内。

16.按照权利要求15所述阀系统，其特征在于限定每个吹扫通道装置的径向扇形区比限定每个排出通道装置的径向扇形区具有更小的角度。

17.按照权利要求1或2所述阀系统，其特征在于所述驱动装置使每个阀组件的阀构件产生连续的相对运动。

18.按照权利要求1或2所述阀系统，其特征在于所述驱动装置使每个阀组件的阀构件产生逐级的相对运动。

19.一种包括有权利要求1或2所述阀系统和一组吸附罐的吸附系统，其中的每个吸附罐具有一个供给入口端和一个产品出口端并装填有一种优先地吸附一种流体混合物中的一或多种流体的吸附剂，其特征在于所述第一组流体流动通道的每条通道与所述吸附罐组的一个罐的供给入口端相通，所述第二组流体流动通道的每条通道与所述吸附罐组的一个罐的产品出口端相通。

20.一种包括有权利要求8所述阀系统和一吸附罐组的吸附系统，其中的每个吸附罐具有一个供给入口端和一个产品出口端并装填有一种优先地吸附一种流体混合物中的一或多种流体的吸附剂，其特征在于所述第一组流体流动通道的每条通道与所述吸附罐组的一个罐的供给入口端相通，所述第二组流体流动通道的每条通道与所述吸附罐组的一个罐的产品出口端相通。

21.按照权利要求19或20所述吸附系统，其特征在于所述第二阀组件具有一个产品出口，所述第二阀组件的第二阀构件具有一个或多个能接通所述第二阀组件的所述第一阀构件的一个或多个孔和所述产品出口之间的流体通道的产品通道装置。

22.按照权利要求21所述吸附系统，其特征在于所述第一和所述第二阀组件的公共中心位于同一轴心线上，每个产品通道装置至少部分位于供给通道装置所在的以所述轴心线为圆心而形成的径向扇形区内。

23.按照权利要求19或20所述吸附系统，其特征在于所述第二阀组件具有一个再充气入口端，所述第二阀组件的第二阀构件至少具有一个能接通所述充气入口端和所述第二阀组件的所述第一阀构件的一个或多个孔之间的流体通道的再充气通道装置。

24.按照权利要求21所述吸附系统，其特征在于每个所述一个或多个产品通道装置的一部分作为一个再充气通道装置。

25.按照权利要求19或20所述吸附系统，其特征在于所述第二阀组件具有一个吹扫入口，所述第二阀组件的第二阀构件还具有一个或多个能接通所述吹扫入口和所述第二阀组件的所述第一阀构件的一个或多个孔之间的流体通道的吹扫通道装置。

26.按照权利要求25所述吸附系统，其特征在于所述第一和第二阀组件的公共旋转中心位于同一轴心线上，每个所述一个或多个吹扫通道装置位于排出通道装置所在的以所述公共旋转中心为圆心而形成的径向扇形区。

27.按照权利要求26所述吸附系统，其特征在于限定每个所述一个或多个吹扫通道装置的径向扇形区比限定每个排出通道装置的径向扇形区具有更小的角度。

28.按照权利要求19或20所述吸附系统，其特征在于所述吸附罐是U形的或同心的。

29.一种过程，它包括将一种流体混合物输入权利要求21所述吸附系统的供给入口，同时，所述第一和第二阀组件的所述第二阀构件相对旋转，其中的流体混合物至少包括一种成分，与所述流体混合物的至少一种另一成分相比，这种成分优先地被所述吸附剂吸附，通过所述吸附系统的产品出口排出至少一种另一成分，从所述吸附系统的排出口排出富含所述至少一种成分的流体，并且在该系统的选定的罐之间提供出口到出口平衡或同时提供入口到入口和出口到出口的平衡。

30.按照权利要求29所述过程，其特征在于所述流体混合物是一种气态混合物。

31.按照权利要求30所述过程，其特征在于所述气态混合物是空气。

32.按照权利要求31所述过程，其特征在于所述一种成分至少是氧，所述另一成分至少是氮。

33.按照权利要求31所述过程，其特征在于所述一种成分至少是氮，所述另一成分至少是氧。

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