CN1347748A - 低空隙吸附系统及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种低空隙的压力摆动吸附系统,其中流量偏移和压力脉冲受相同压力源的影响,该吸附系统包括至少一个含有吸附床的密封容器,带有由进口联管箱连接该吸附床的至少一个进口,以及由出口联管箱连接该吸附床的至少一个出口。进口和出口联管箱的空隙体积可以限制低于所述吸附床体积的20%,优选限制低于10%,并最优选限制低于5%,通过高压源和/或低压设备靠近,或比较靠近所述吸附床/容器安装完成。在所有床结构都得到低空隙体积和降低的循环时间,包括平板联管箱床、分段床和垂直床。这样构成径向床,使得所述进口和出口联管箱的空隙体积低于该径向吸附床体积的50%,优选低于20%,并最优选低于10%。

Description

低空隙吸附系统及其应用
技术领域
本发明提供一种改进的压力摆动吸附系统，具体地说，本发明涉及一种快速压力摆动吸附系统，该系统具有低空隙体积，改进的流量分配，增强的工艺性能。
背景技术
吸附方法在气体的分离和纯化方面有广泛的应用。近几年来，压力摆动吸附(PSA)系统包括真空PSA(即VPSA)在加强气体分离，特别是从空气分离氧气和/或氮气的工业生产方面得到发展。PSA过程由基本步骤如吸附-解吸组成。空气或者是其它混合气体加入该系统达到较高吸附压力，该系统包括一个或多个容器，每个容器有一个吸附床。吸附床(a.k.a.吸附器)选择性地吸附空气或气体混合物中更易吸附的组分。不容易吸附的组分就直接穿过吸附器。然后容器就把压力降到解吸的较低压力，使易吸附组分从吸附器解吸出来，然后把吸附器再升压到较高的吸附压力，如此循环操作进行。
为了改进性能，传统的PSA系统一般用两个或多个的容器并联，用定向阀以交替次序连接压缩机或真空泵。而且为了充分利用选用的吸附材料，整个PSA工艺循环过程中要求穿过吸附剂容器的气体流量必须是稳定的。另外，在PSA容器进口和出口区(即进口和出口以及它们连接的联管箱)的空隙体积和压降对PSA系统的工艺性能有负面影响，在实际工业操作中必须降低到最小。Ruthven等人公开了一种通过平衡模型用空隙体积估算影响大小的方法。更具体地说，他们在一个简单的四步循环中利用一条等温线研究了空隙体积的影响，其结果表明，大的空隙体积明显地降低回收率。可惜的是，该研究应用于理想状态，没有考虑传质阻力、热效应和等温非线性。另外，他们仅仅研究了产品产出端的空隙体积和单一循环。授予Rouge等人的美国专利5968233公开了用于更实际的气体分离循环的空隙影响的一个相似结论。然而，该专利仅着重研究产品产出端的空隙体积。更重要的是，该专利是为氧气生产成本寻找一个最佳空隙体积，而不是最小空隙体积。
空隙体积影响的变化决定于空隙的位置(相对于吸附剂)，以及决定于在哪一步循环考虑该空隙。例如，在逆流再生步骤中，产出端空隙中的轻产品气体在一定程度上作为净化气体；然而，这种净化不如在低压下控制净化有效。同时，在均衡化步骤期间，进料端和产出端空隙的气体和压缩功能部分回收。然而，在回收过程中压缩气体和压缩功的损失是很显著的。一般来说，降低空隙体积率有利于改善工艺性能(即，在不考虑流量分配条件和增加生产成本下改进了回收率和能耗等)。
为减少PSA空隙和改善工艺性能的传统方法一般分成如下几类：(a)带有改进联管箱的容器系统，(b)单-容器系统，(c)活塞传动PSA系统。
容器系统的设计是一种经典方法，该方法仅仅注重容器或吸附床自身。设计容器用于改善流量分配、使进气口(进料端)或出气口(产出端)和吸附剂之间的容器端口(或联管箱)的空隙体积最小。授予Smolarek等人的美国专利5759242介绍的一种径向吸附器和授予Nowobilski等人的美国专利5538544介绍的一种传统的垂直吸附器是该方法最近的两个例子。然而，这种容器设计方法在减少空隙体积方面很有限。用给定的流量分配器，仅仅能够把联管箱的空间降低到流量分配不均和压降在该方法可以接受的水平。另外，该方法并未提及分配管的空隙体积。
在授予Jones等人的美国专利4194892公开的单-容器压力摆动吸附系统是一个快速压力摆动吸附系统(RPSA)，该系统采用单个内部填满细小吸附剂的容器，以及非常短的循环时间(短到几秒钟)。值得指出的是，美国专利4194892的主要目的不是减少空隙体积，而是降低循环时间和吸附剂用量以及排除多重容器。然而，单-床的使用理论上能消除使用在多重容器PSA中连接不同容器和压缩机或真空泵的分配管(和它们的空隙)。该单-床PSA的缺点是：(1)未提及容器联管箱中的空隙体积，和(2)没有增加储罐和再循环组件，产品回收有限(与多容器PSA相比)。
授予Keller等人的美国专利4354859提出了一个压力摆动参数化的泵抽吸方法。这个系统被称为活塞传动PSA系统，使用了两个同步活塞，给装在吸附床中心附近的单吸附器加压和降压。Farooq等人，分离与提纯技术(Separation and Purification Technology)13(1998)181，把该方法应用于氮气和二氧化碳分离的一种平行通道吸附器。Suzuki等人，吸附(Adsorption)2(1996)111，也把这种方法应用于从空气中富集氧气的一种单活塞系统。该方法理论上能消除传统PSA系统所伴随的联管箱空隙体积。而且，由于活塞的运动能控制流量，就没有必要使用阀门。然而，活塞传动PSA系统在工程放大方面遇到了困难。例如，巨大的生产单元通常需要一个很大的活塞。这种尺寸的活塞是很难制造的。同时，如单床PSA一样，与传统的多容器PSA相比较，活塞传动PSA的回收率低。
举例说明，Garrett和La Cava的欧洲专利申请0879630 A2把活塞传动PSA概念扩展到具有两套活塞或隔膜的系统。第一套活塞或隔膜装在吸附床的顶部和底部影响流体流量，并且第二套活塞或隔膜装在吸附器侧壁上。第二套设备分别在吸附和解吸步骤之前分级增加和降低床压。Garrett和La Cava的专利申情提出使用两套比仅仅使用一套更有效的。虽然如此，Garrett和La Cava也承认它的回收率很低。另外，第二套活塞或隔膜使该方法复杂化。
本发明描述了传统容器，单容器PSA和活塞传动PSA系统设计的缺陷。本发明不仅最小化了每个容器内的联管箱的空隙体积，而且改善了压缩机/真空泵和每个容器之间的分配管的空隙体积。而且，本发明能够使用多个压缩机和/或真空泵来改善流量分配和更进一步降低空隙体积。
发明内容
本发明提供了一个低空隙体积(也叫空隙体积)和改善的流量分配的新型PSA系统，该系统足够应用于快速循环过程。该系统也用于结合活塞传动和传统的多床PSA系统以及床与床交互作用的系统。
本发明的一个实施方案中，提出了低压摆动吸附系统，其中流量偏移和压力脉冲受同一压力源的影响。这个压力源可以是一个高压源或者低压设备。该系统包括至少一个具有吸附床的容器。进口(进料端)通过一个进口联管箱与该容器相连，而出口(产出端)也用一个出口联管箱与该容器相连。每个容器的进口与出口联管箱的体积之和低于吸附床体积的大约20％。优选该体积限制到低于10％，最优选低于5％。每个进口都连接一个高压源或者一个低压设备。这种结构在图2a和图2b中画出，并在后面将详细讨论。值得关注的是，除径向床结构以外的几乎所有床结构都能达到空隙体积低于约20％吸附床。本领域的技术人员都会认识到，如此之低的空隙体积在径向床结构中是不易实现的。对径向床而言，本发明能够使空隙体积低于50％。
第二个实施方案中，如图2c中所示，每个容器有一个吸附床，带有一个进口和出口联管箱。每个容器至少有一个出口和多个进口。靠近每个进口装上一个高压源或低压设备。如在第一个实施方案中一样，每个容器的进口和出口联管箱的总体积都被限制低于该容器吸附床体积的20％，更优选该体积低于10％，以及最优选低于5％。
第三个也是最优选的实施方案中，如图2d所示，各容器有一个吸附床、一个出口联管箱和一个进口联管箱。此外，各容器至少有一个出口和多个进口。每个进口连接到靠近上述容器安装的阀门上。所有的阀门共用同一个的高压源和/或低压设备。同时，每个容器的进口和出口联管箱的总体积都被限制低于这个容器吸附床体积的20％，更优选该体积低于10％，最优选低于5％。为提高该实施方案的效率，连接在进口阀门和高压源或低压设备之间的分配管应分别维持高压或低压。这种分配管的总体积也被限制低于吸附床总体积的大约10％。
所有位于进口和压力源之间的空隙体积可总称为进料端中间体积。这个进料端中间体积在图中为S1、S1’、V5、V5’和V4。虽然图中画有消音器，空隙源可能是系统的任何组成部分和其相关体积位于进口和压力源之间并经受压力变化。因此，“中间体积”这一术语可以包括管道、消音器、罐或者任何其它出现在该位置的空隙源。参照本发明，中间体积可以被限制低于吸附床总体积的15-20％。
吸附床可以径向地、垂直地配置成型，或最优选配置成一个平板联管箱床。另外，高压源可以是本领域的技术人员所熟悉的任何类型；然而，压缩机优选，如传统的Roots型压缩机或线性压缩机(即，由线性电动机驱动的活塞压缩机)。本发明所采用的活塞压缩机包含不止一个活塞。
可以将低压设备与上述高压源相联，或作所述高压源的替代选择。本发明的系统中可以采用任何低压设备；不过，优选真空泵。
本发明的一个目标是为快速PSA方法的缩短循环时间，缩小进料口(进口)和产出端(出口)的空隙体积。本发明更进一步的目标是提供一个改进产品气体产出和改善了吸附剂利用的系统。本发明的另外一个目标是提供一个降低了与吸附床体积相关的中间体积的系统。而且，更进一步的目标是提供一个有效的低空隙吸附系统，该系统很容易适用于单个或多重床的结构以及各种床结构。本发明的其它特点和优点将从后面的详细描述以及结合所附附图后明显展现出来。
附图说明
图1是传统PSA的示意图。
图2a是一种低空隙体积的单床系统的示意图。该示意图显示的单床带有连接所述床的一个高压源和一个低压设备。
图2b是一种低空隙体积的双床系统的示意图。
图2c是一种紧连着一个压缩机和/或真空泵的平板联管箱床的示意图。
图2d是一种平板联管箱床的示意图，其中进口阀门靠近所述进口联管箱安装。这些进口阀门共用同一个高压源或低压设备。
图3是一种径向床的示意图。图3a是这种径向床的俯视图，而图3b是该径向床的侧视图。
图4是一种分段垂直床的俯视示意图，分隔器分出不同部分，进行PSA过程的不同步骤，如吸附、解吸和均衡化等。
图5是一种垂直平板床的示意图。
图6是一个有代表性的工艺循环的示意图。
图7是空隙对回收率和能量影响的曲线图。方案A是一种循环时间快(大约2秒)、回收率低和能耗高的现有技术(如图1所示)。方案B是降低了分配管空隙体积的本发明，如图2b所示。方案C是有平板联管箱的本发明，如图2d所示。双床系统的高压等于1.5bars和低压等于0.3bars、氧气纯度等于90％以及循环时间等于大约1-2s。
具体实施方式
本发明提供了一种空隙体积低和工艺性能提高的压力摆动吸附系统(PSA)，该系统的进出口联管箱、填料器、真空分配管和消音器的空隙体积都得到限制。在公开的实施方案中，压力源，如高压源和/或低压设备靠近，或比较靠近容器安装。本发明适于采用多重进口和/或多重出口来改善流量分配和进一步降低空隙体积。
从整篇文献看，“进口”和“进料端”两个术语交替使用，基本上是同一个意思。同样，“产出端”和“出口”两个术语也交替使用，基本上也是同一个意思。
除加强吸附外，与传统PSA系统性能相比，本发明获得了一个快速循环时间的系统。短的循环时间可以降低吸附剂总量，使PSA系统更加紧凑，提高了生产率。这个特点对于医疗应用，如氧气浓缩器，尤为重要。因此，降低循环时间在PSA系统的开发中成为一个中心点。本发明把传统的30秒循环时间降低了一个数量级。
与现有技术的系统相比，本发明在低空隙体积、流量分配和方法性能方面至少有四个优点。第一，本领域的技术员知道，连接容器和高压源和/或低压设备的分配管(也叫进料分配管和真空分配管)增加了总空隙体积，由此降低了系统性能。本发明公开了这些高压源和/或低压设备能够靠近，或比较靠近所述容器安装，由此消除对这些进料管和真空分配管及其相关的体积的要求。同样，消音器增加了总空隙体积，并可以如本发明所公开的那样减小或消除，以便降低空隙体积和改进系统效率。在此基础上，与传统的多重床PSA相比，空隙体积显著降低，以及方法性能显著改善。
第二，通过适当采用多重进口和/或出口，将多个高压源和/或低压设备靠近，或比较靠近每个容器安装。这些进口和出口改善了吸附床联管箱内的流量分配，并降低了联管箱的空隙体积。例如，空隙体积与吸附床体积的比被降到最低。与现有技术提出的PSA系统相比，所得的系统的总空隙体积降低。
第三，这里提出的结构排除了与Suzuki等的活塞传动系统相关的工程放大困难。在本发明中，通过使用多重进料，用一套更小的活塞代替一个大活塞。
第四，多床和床与床交互作用可以适用于改进整体性能。
图1代表一个与现有技术相当的PSA系统。该系统倾向于具有大的分配管体积、联管箱体积和循环时间(大约30秒)。一种结构具有两个垂直容器10和10’，每一个容器各有一个体积为V1和V1’的吸附床11和11’，选用该结构仅是为了举例说明，并作为非限制性的代表性实施例。图1的结构还包括由进口联关箱12和12’与吸附床相连的进口13和13’，由出口联管箱14和14’与吸附床相连的出口15和15’，一个低压设备17和一个高压源19。进口联管箱12和12’体积分别为V2和V2’。出口联管箱14和14’的体积为V3和V3’。一个传统的系统一般由以下空隙体积组成：
1)联管箱-进口联管箱12和12’和出口联管箱14和14’具有的空隙体积。在传统垂直吸附床结构的情况中，进出口联管箱包括的空隙体积相当于吸附床体积的大约16-20％。在径向吸附床的情况中，进出口联管箱包括的空隙体积相当于吸附床体积的大约20-60％。
2)分配管-分配管D1、D2、D3和D4用于连接高压源和吸附床(填料分配管)以及连接低压设备和吸附床(真空分配管)，总称为“进料端管体积”。进料端(进口)管的总体积为V4。分配管D7连接产品罐和吸附床。产品产出端(出口)分配管D7的体积总称为V7，这些分配管产生的空隙体积大约等于吸附床体积的5-10％。
3)消音器-体积为V5的消音器S1，如位于高压源或低压设备与吸附床之间的罐也产生空隙体积。还有，如体积为V8的罐S2可以放在产品产出端。典型地，这些消音器的空隙体积相对于该吸附床体积的约5-10％。
这三类空隙体积的总和就是总空隙体积。在PSA方法中，由于压力的变化，在这些空隙孔间中存在大量的不可逆功，使能量和工艺性能受到巨大损失。这些能量损失随高低压之比的增大而增大。
此外，在吸附床饱和时产品气体滞留在这些空隙中，并在吸附床再生时损失掉。因此，空袭空间越大意味着更多的产品损失。
本发明中，通过如下方法得到具有下列空隙体积参数的系统，即将高压源和/或低压设备靠近，或比较靠近吸附床安装，一般安装在流经吸附床的流体流程上，以便使压力脉冲和流量偏移受到同一压力源的影响。
Figure A0114060400111
Figure A0114060400112
本发明也公开了消音器、罐、导管和位于进口和压力源之间的其它不同来源的总空隙体积也同样限制为吸附床体积的约20％。
在径向床结构的情况中很清楚，联管箱空隙体积一般倾向于较大。因此，对于径向床而言，等式(1)被修改为：
将高压源和低压设备靠近，或比较靠近容器安装，使分配管的体积更小，因而使总空隙体积降低。
在传统的系统中，床的流化作用、压降和压缩机容量通常限制了流速。一个传统的提高生产率的方法包括减少床长度和增加床截面积。然而，床的长度越短、床直径越大经常导致空隙体积相对于吸附床体积的比更大。例如，传统的轴向床PSA系统的总空隙体积比约为30％，以及过程循环时间约30秒。通过缩短床的长度50％，可以使循环时间减少50％(即从30s降到15s)，由于进口(进料端)和出口(产品产出端)空隙体积未变，总空隙体积比大约增大一倍(即从30％增大到60％)。空隙体积比的增大使工艺性能急剧下降。因此，空隙体积的降低是快速PSA系统开发的关键。
图2a举例说明本发明的一个非限制性的实施方案，使用单个垂直床。容器20有一个吸附床21(体积为V1)，带有一个由进口联管箱22(体积为V2)连结该吸附床的进口23。进口23把进料气或进料气混合物吸到吸附床21进行纯化或其它处理。同样，出口25由一个出口联管箱24(体积为V3)与上述吸附床相连结。在出口25得到处理过的气体，也叫产品气体。由进口联管箱与每个容器相连接的是高压源27或低压设备29。这些源27或设备29可以通过不同的方式与容器相连接；然而，图2a示意的是使用阀门30和31把高压源27或低压设备29与容器20相连接。尽管图2a画出了高压源27和低压设备29，但这些高压源和低压设备可以任意选择其一，也可以一起选用。
该容器一般填充适于所要产品的吸附剂，如得到氧气产品的氮气选择性吸附剂。高压源可以是任何类型的压缩机，如一个传统的Roots型或线性压缩机。所述线性压缩机是用线性电动机驱动的一个活塞压缩机。这些类型的线性压缩机有较高的效率和改善的性能。另外，用活塞压缩机很容易调节容量或流量；这种特点在医用浓缩器中是很有用的。而且，线性压缩机可以改造成真空泵。虽然任何结构类型的低压设备都适用于该系统，但优选真空泵。高压源和低压设备是可以任意选择其一，也可以一起选用。
图2b所述是本发明的双床实施方案。该实施方案包括两个容器20和20’，每个容器都有一个吸附床21和21’(体积分别为V1和V1’)，一个进口联管箱22和22’(体积分别为V2和V2’)、一个进口23和23’、一个出口联管箱24和24’(体积分别为V3和V3’)、一个出口25和25’以及一个高压源27和27’或一个低压设备29和29’。高压源和低压设备可以任意选择其一，也可以一起选用。注意导管D5(体积为V4)和阀门32是用于两容器间的进口与进口的均衡化作用，如果必要进行这样的均衡。在系统产品产出端(出口)的分配管D7体积为V7。高压源或低压设备的任何结合或混用都可以接受。而且，尽管只介绍了双床/容器，但任意数目的吸附床/容器都可以适当地采用。
图2b中也画出了消音器S1、S1’和S2，体积分别为V5、V5’和V8。这些消音器将代表位于进口和压力源之间的所有空隙源，如消音器、罐、导管等。本技术领域的人员都会认可各种空隙源，而不仅是消音器，可以处在系统之中。消音器体积V5、V5’和V8，分配管体积V4和V7，以及其它空隙源体积V6(未显示)总称为中间体积V10(未显示)，并根据本发明进行限制。该体积被限制不超过总吸附床体积的大约15-20％。
图2c显示了本发明的另一个非限制性实施方案，使用靠近安装着压缩机和/或真空泵的平板联管箱床。该实施方案中，高压源27和低压设备29非常靠近吸附床21的进口联管箱22安装。在这样的结构中，至少一个出口25连接容器20的出口联管箱24。
因为PSA过程的分离功仅由吸附剂完成，那么为了改善工艺性能，其余空隙(即非吸附剂)的体积，如分配管和吸附器联管箱必须降到最小。在传统的吸附床联管箱中，一般只用单个进口和单个出口。为了更好利用吸附剂和工艺性能，要留有一定的体积使分配气体从进口或出口均一地流过吸附剂。多重进口或出口能够提供更好的流量分配，并需要更小的联管箱体积。进口和出口的数目决定于许多因数，例如产品流量、床的直径/大小、高压源/低压设备的容量等。如果能提供足够的进口和出口，事实上可以消除流量分配联管箱体积，并得到一个如图2c所示的准平板联管箱。与传统联管箱相比，平板联管箱的设计能够节省高达15-20％(某些例子为5-10％)的150 TDP氧气板的垂直床结构体积，对于径向床，大约20-60％(某些例子为10-20％)。
图2c显示了本发明的另一个非限制性实施方案，将两个平板联管箱吸附床21和21’(体积分别为V1和V1’)由分配阀门连接同一个高压源27(即压缩机)和/或低压设备29(例如，真空泵)。阀门36、36’、37和37’代表进口，并可紧靠进口联管箱22和22’(体积分别为V2和V2’)安装。同样，阀门33和33’代表出口，并可以紧靠出口联管箱24和24’(体积分别为V3和V3’)安装。阀门36和36’连接同一个的分配管D6并共用低压设备29。阀门37和37′连接同一个的分配管并共用高压源27。如图2d的实施方案中，理想地应使分配管D5和D6维持在高压或维持在低压，这取决于它们分别将容器连接高压源还是低压设备。阀门能够提供多重平板联管箱所需的多个流进口和出口，由此而降低联管箱的空隙体积。三通卸料阀门(38和39)和分配管可适用于关闭分配管，以改变压力，例如在空转步骤，并维持高压或维持低压。因此，分配管的体积(V4和V7)与能量损失和总空隙体积无关或影响很小。在这个实施方案中，一个高压源和/或一个低压设备可以满足整个系统。另一种选择，可以采用多重高压源和/或低压设备。
图2d也介绍了体积分别为V5、V5’和V8的消音器S1、S1’和S2。这些消音器与分配管体积V4和V7和其它各种体积V6(未显示)增加了中间体积V10(未显示)。如上讨论，V6不仅包括消音器而是包括进口和压力源或者产出端(出口)之间的所有空隙体积。根据本发明，这些空隙源可以限制到不超过整个吸附床体积的总体积15-20％。图3a和3b所示的径向床结构也适合于本发明。图3a是该床的俯视图，而图3b是侧视图。图3b显示了一种径向结构，其中高压源和/或低压设备，以及阀门沿着该床的周边分布。另外，如图4所示将床分段(或分开，分层)。图4显示了一种分段的垂直吸附器结构，其中每段作用如单个吸附床。而且，该床很浅，并呈平行结构排列，其中相邻两床(或者间隔间)共用一个填料，排空和产品排出装置。该系统也可以是如图5所示的垂直床。
具有基本吸附和解吸步骤的任何工艺循环都可以适于采用这里公开的结构，以改善空隙体积和效率。如图6所示，选择使用两种吸附器的一个有代表性的PSA循环仅是为了举例说明目的。该循环由如下步骤组成：
同时进料和产品加压(FP/PP)
吸附和净化(AD/PG)
两端均衡化(EQ)
排空(EV)
排空和清洗(EV)
均衡化(EQ/FP)
在这个循环中采用了三个有重叠的步骤：同时进料和生产(FP/PP)、两端均衡化(EQ)，以及同时两端均衡化和进料。这些有重叠的步骤产生连续进料，因而减少了循环时间。如图6所示的工艺循环中和图2b所示的双床系统中，步骤1(FP/PP)中含有氧气和氮气的空气被压缩，并经过阀门30送到床21。与此同时，高压氧产物经过阀门33，34和35同时引入床21.当床内的压力到达吸附水平时，步骤2(AD/PG)开始。部分氧气开始经过阀门33，34和35从床21流出，并作为产物被收集。在所有的这些时间内，床21’经过阀门31’进行两个排空步骤(步骤4和5，EV)。当离开床21的氧气浓度不再符合要求时，关闭阀门34。也关闭阀门31’同时打开阀门30’和32，床21开始步骤3(EQ)，同时床21’进行步骤6(EQ/FP)。当两床之间压力大致相等时，均衡化步骤(EQ和EQ/FP)停止，并且进行下半个循环，其中重复所有的步骤。例如，当床21加料时床21′处理空气，在此期间阀门33’起到阀门33刚才所起的相同功能，阀门30’起到阀门30刚才所起的相同功能，而阀门31’起到阀门31刚才所起的相同功能。
图7举例说明了空隙体积的降低对工艺性能的改善。为此模拟了一个不同空隙体积的简单空气分离过程。选择一种高交换度的LiX沸石(SiO2/Al2O3的比大约为2.0-2.5)作为吸附剂。为这种对比关系，吸附剂粒径保持一致。操作压力比(吸附和解吸)大约为5。工艺性能基于氧气回收率，其中氧气的产物纯度维持在大约90％。氧气的回收率定义为产物中的氧气与进料器中的氧气之比。
图7举例说明了空隙体积对快速循环工艺的性能的影响。例如，所给的传统轴向床PSA系统(如图1所示)，其循环时间大约10秒，以及空隙体积大约14％。为了把循环时间降低到2秒，床的长度必须减少到原来的1/5。与床长度这样的减少相应的是空隙体积增加了大约70％。如此之大的空隙体积，使氧气回收率降低到大约20％，如图7中情况A所示。因此，在不严重损害产品的回收率的情况下，传统床结构是不能获得快速循环时间的。
与之相反，采用本发明所公开的结构，如图2b所示可以省去分配管，导致空隙体积降低到大约50％。这样的降低使得回收率增加到大约25％，如图7的情况B所示。此外，在本发明中，如果如图2c和2d所示采用两个平板联管箱，空隙体积就可以降低到吸附床的百分之几，导致回收率超过50％，如图4的情况C所示。这样，本发明降低了循环时间同时显著提高回收率。
同样地，因为大量的能量在空隙中损失，空隙体积对能耗有很大的影响。模拟显示，与具有70％的空隙的情况A相比，本发明在情况B通过消除分配空隙能够降低能耗16％，在情况C中通过使用平板联管箱，使降低能耗高达50％。应该理解，前面的描连仅是本发明的举例说明。本领域的技术员在不背离本发明的情况下可进行的不同选择和改进。因此，本发明将包括所有的在所附权利要求范围内的这样的改变、改进和变化。具体地说，本系统在这里虽然提出了单床或双床的实施方案，它也能适用于更多的床。而且本发明并不局限于单种吸附剂，也能使用多种吸附剂。并且一个床内的吸附剂可以分层和混合。吸附剂并不一定仅限于上面提及的氮选择吸附剂，也能采用其它的吸附剂。尽管本发明方法优选在接近常温常压下进行，但它也能应用于整个工艺条件范围，如，压力、温度和流速等。
此外，床与床之间的均衡化或相互作用并不限于本发明所描述的。也能使用其它排列。当该床是一个分段床时，均衡化发生在段与段之间。而且，本发明并不仅限于此处描述的实施方案，各种其它结构也合适采用。另外，线性压缩机并不仅限于上述的线性电动机驱动的活塞压缩机。可以是任何电动的、磁力的、或音频驱动的压缩机。虽然给出的例子都用于空气分离系统，但本发明并不仅限于二元空气分离。本发明的原理可用于任何类型的分离、提纯和回收系统。

Claims (10)

1.一种低空隙的压力摆动吸附系统，其中流量偏移和压力脉冲受相同压力源的影响，该吸附系统包括：
(a)至少一个含有吸附床的密封容器，带有由进口联管箱连接该吸附床的至少一个进口，以及由出口联管箱连接该吸附床的至少一个出口；
(b)其中每个容器的进口联管箱和出口联管箱的体积之和低于所述容器的吸附床体积的20％；和，
(c)其中每个进口连接至少一个压力源。
2.权利要求1的低空隙的压力摆动吸附系统，其中每个容器的进口联管箱和出口联管箱的体积之和低于所述容器的吸附床体积的10％。
3.权利要求1的低空隙的压力摆动吸附系统，其中所述容器的进口联管箱和出口联管箱的体积之和低于所述容器的吸附床体积的5％。
4.权利要求1的低空隙的压力摆动吸附系统，其中所述的吸附床选自平板联管箱床、分段床和垂直床。
5.一种低空隙的压力摆动吸附系统，其中流量偏移和压力脉冲受相同压力源的影响，该吸附系统包括：
(a)至少一个含有径向吸附床的密封容器，带有由进口联管箱连接该径向吸附床的多个进口，以及由出口联管箱连接该径向吸附床的至少一个出口；
(b)其中每个容器的进口和出口联管箱的体积之和低于所述容器的径向吸附床体积的50％；和，
(c)其中靠近每个进口安装至少一个压力源。
6.权利要求5的低空隙的压力摆动吸附系统，其中所述容器的进口联管箱和出口联管箱的体积之和低于所述容器的径向吸附床体积的20％。
7.一种低空隙的压力摆动吸附系统，其中流量偏移和压力脉冲受相同压力源的影响，该吸附系统包括：
(a)至少一个含有吸附床的密封容器，带有由进口联管箱连接该吸附床的至少一个进口，以及由出口联管箱连接该吸附床的至少一个出口；
(b)其中每个容器的进口联管箱和出口联管箱的体积之和低于所述容器的吸附床体积的50％；
(c)其中每个进口有一个阀门靠近所述容器安装；和，
(d)其中每个阀门共用同一个压力源。
8.权利要求7的低空隙的压力摆动吸附系统，其中每个容器的进口联管箱和出口联管箱的体积之和低于所述容器的吸附床体积的20％。
9.权利要求7的低空隙的压力摆动吸附系统，其中所述的吸附床选自平板联管箱床、分段床、垂直床和径向床。
10.权利要求7的低空隙的压力摆动吸附系统，其中中间体积是指位于压力源和进口之间的，总体积低于该吸附床总体积的15％。
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