专利名称：多层歧管压力交变吸附装置和方法
技术领域：
本发明公开的实施例涉及从流体混合物中分离流体，诸如从空气中分离氧气或氢净化，该分离是采用一种流体分离装置通过压力交变吸附(PSA)方法进行的，该装置具有多层歧管，诸如在高循环频率下工作的小型的、旋转压力交变吸附装置。还描述了窄通道吸附器，增强得足以使之与阀面直接接合，该吸附器适合用于压力交变吸附装置的各种实施例。
背景技术：
I.普通的PSA工艺通过协调吸附器上的压力交变和流动逆转，利用压力交变吸附法实现从流体混合物中分离流体，相对于混合物中不易被吸附的组分来说，所使用的吸附器优先吸附较易被吸附的组分。流体在通过吸附器的第一方向，即从吸附器的第一端至第二端的流动期间，总压力升高，而在反方向流动期间，总压力下降。当重复该循环时，混合物中不易被吸附的组分富集在第一方向，而较易被吸附的组分富集在反方向上。
从吸附器的第二端输送出贫化易被吸附的组分和富集不易被吸附的组分而成的“轻质”产品。从吸附器的第一端排放更易被吸附的组分富集的“重质”产品。轻质产品通常是所需的净化的产品，例如在采用氮选择性沸石吸附剂进行氧气分离和氢净化时便是重要的实例。在采用氮选择性沸石吸附剂进行氮分离中，重质产品是一种所需的产品。典型的方式是当该吸附器内的压力升高到较高的工作压力时，液料混合物进入吸附器的第一端，且从吸附器的第二端输送出轻质产品。在较低工作压力下，从吸附器的第一端排出重质产品。为了获得高纯度的轻质产品，在压力排放，即进行清洗、压力均衡或再增压工序后，把部分轻质产品或富集的不易被吸附的组分的流体作为“轻质回流”流体再次循环回到吸附器。
采用压力交变吸附法分离流体的普通工艺，使用平行工作的二个或更多个吸附器，在每个吸附器的每一端安装有方向阀，以交替方式将吸附器与压力源和接收器(sinks)连接，从而实现工作压力的变化和流动方向的改变。由于在吸附器交替地处于高压和低压过程中阀门的不可逆膨胀，基本的压力交变吸附工艺不能有效地利用施加给的能量。通过采用多步“轻质回流”工序和其它工艺改进措施，大多数采用的先进技术的常规压力交变吸附装置，其效率有所改进，这样，却大大提高了基于普通的二通阀的阀门逻辑复杂性。结果，装置的循环频率较低，通常是每分钟一次，少数商售设备的循环频率大于每分钟五次。此外，采用常规阀门和颗粒吸附剂的设备的循环频率不可能大幅提高，因此，吸附剂总量较大。
普通的压力交变吸附装置体积大、笨重，因而，需要一种更为小型的压力交变吸附技术。II.旋转PSA工艺技术Siggelin(美国专利3,176,446)，Mattia(美国专利4,452,612)，Davidson和Lywood和Boudet(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)，Keefer等人(美国专利6,051,050)，和Westmeier等人(前民主德国专利DD 259,794A1)公开了采用旋转吸附床构型的PSA装置。安装在定子组件上的多个角分隔吸附床用的孔，扫过具有进料、输送产品、废气排放和压力均衡功能的固定功能孔。所有这些装置均使用多个吸附床在同一个循环顺序地工作，利用多孔分配旋转阀来控制流体流到吸附床、控制流自吸附床流体流动和控制流体在吸附床之间的流动。
现有技术中，存在有三个吸附器平行工作的压力交变吸附装置和真空摆式吸附装置的众多实例。Hay(美国专利4,969,935)和Kumar等人(美国专利5,328,503)公开了真空吸附系统，其压缩机不连续工作、真空泵全天候地与三个吸附器之一连接。其它三个吸附器实例是由Tagawa等人(美国专利4,781,735)，Hay(美国专利5,246,676)，和Watson等人(美国专利5,411,528)提供的，可实现上述工作，但是后者中的每个实例，都存在轻质产品排放工序和轻质回流工序的次序出现某些不希望的倒置，从而工艺效率有所降低。Keefer(美国专利6,063,161)提供的实例是氢净化用的、旋转阀控制的、具有六个平行工作的吸附器的PSA装置。
Westmeier等人(前民主德国专利DD 259,794A1)和Keefer等人(美国专利6,051,050)公开的几种旋转PSA装置的实施例中，转动周期等于循环周期的整数倍“M”(M＞1)。然后，必须以相同的整数倍“M”(其数值等于转动周期除以循环周期的整数商)提供给具有每种功能的固定功能孔，而且这些固定功能孔以相同的间隔角位于旋转轴的周围。这种方法平衡了阀面上的压力载荷，降低了转子轴承的载荷，减少了阀面内滑动密封表面的摩擦。驱动转子所需的摩擦力矩和功率至少降低“1/M”。由于角速度也降低“1/M”，平衡密封件的接触压载也可能降低。随着摩擦减小，密封件寿命延长。因此，更高的压力应用，例如氢净化，对于这类旋转PSA装置更为切实可行，这是因为密封件的寿命主要受滑动速度(降低了反映速度减小的系数“1/M”，或者旋转频率也减小了相同的系数)和接触压力的乘积所控制。然而，这一方法遇到了如下问题·对于一个给定的PSA循环，必须按系数“M”增加吸附器的数量。因此，每个吸附器的角宽度必须缩小同样的系数“M”，如果吸附器是分立的加工件，则这会增加成本，且更具复杂性。在旋转PSA系统中，随着分立式吸附器数量的增加，使得压力保持、吸附器之间的静密封、吸附器至阀面的开孔等难度提高。当基本PSA工艺的工序很多，并且设想多个吸附器同时进入每一个工序，如美国专利6,051,050所述，则这种考虑就尤为重要了。
·由于分配给每一个PSA循环的角扇面为360°/M，PSA循环工序之间的角压力梯度以系数“M”(M＞1)变陡峭。这使得阀面密封更为困难，相邻PSA工序之间的交叉泄漏的可能性便可能增加。由于泄漏，效率损失，使由于滑动摩擦减小而取得的效率改进便有可能被抵消。因此，减少泄漏将成为一个重要问题。
·必须在装置的两侧为具有阀孔的每一个工序功能提供“M”组复杂的、高成本的外管道连接，同时在多个不同功能的固定孔之间保持均匀的流动分布。如美国专利6,051,050公开的那样，对于具有许多个进料增压、逆流排放和轻质回流的分立工序的PSA循环，则难度更大。
·当多旋转PSA模件，如美国专利6,051,050公开的那样平行工作时，M＞1，外管道连接的歧管安装的复杂性更高，所需的费用更多。这样的管道连接的复杂性和费用立即引起非常严重的困难，对于每一个工艺工序，在平行工作的所有压力交变吸附组件之间均等地分流所需的压降平衡，便出现了问题。这些难点使得具有单压缩机组的平行工作的几种组件无法安装歧管，因此严重限制了具有经济效益的大型PSA工艺装置系列。III.普通吸附剂和吸附剂载体普通支承吸附剂的方法也是有问题的。需要一种能够克服颗粒吸附剂的局限性且循环频率较高的刚性、高表面吸附剂载体。Keefer业已公开了高表面、层压吸附器(美国专利4,968,329和美国专利5,082,473，本文引用作为参考)，该吸附器的吸附剂被支承在薄片中，薄片用间隔器间隔，以限定相邻薄片之间的流动通道，典型地，作为叠层组件或螺旋辊而形成。通过以高表面、层压吸附器的工作，就可如Keefer等人(美国专利6,051,050，本文引用作为参考)公开的那样，在特别小的装置中实现高频PSA循环，吸附器被支承在薄片中，薄片由间隔器间隔，以限定相邻薄片之间的流动通道，以及安装在转子中的吸附器提供只有一个活动部件的PSA工艺阀逻辑。
热摆式吸附(TSA)工艺采用的旋转吸附器轮，一般是将吸附薄片材料(即，吸附剂浸渍纸)以波纹层方式螺旋缠绕在转子榖周围制成。螺旋辊中的相邻层由槽纹间隔。槽纹限定转动轮二个面之间的流动通道。流动通道接触角扇形中由密封隔板分隔的的进料区和再生区。流动通道的剖面高度和宽度一般是几个毫米。每一个流动通道作为一个单独的吸附器，由在螺旋缠绕转子中相邻吸附薄片之间延伸的槽纹，与相邻流动通道实现隔离。这种方法对于在低频下工作、进料区和再生区之间的压差非常小的TSA工艺是有成效的。
高性能PSA工艺采用的旋转吸附器轮处于高压吸附区与低压再生区之间的大压力梯度下。当用于批量分离时，为达到理想的高频工作，诸如从空气富集氧气，流动通道必须特别窄，例如小于0.5毫米。对于大约1秒的循环周期来说，流动通道的剖面高度最好为0.2毫米左右。制作的流动通道，加工精度必须高，以尽量减小气沟，并且必须尽量减小相邻吸附器之间的流体泄漏。
为避免吸附器精细的平行通道结构出现机械磨损和流动侵蚀，由薄吸附片和间隔器作为“吸附剂层”组装单个吸附器。如Keefer的美国专利4,702,973和Keefer等人待审查专利“旋转压力交变吸附装置”(美国待审查专利09/951,275)中所提出的那样，本文在此引用仅供参考。该待审查专利还公开了实施例，其中在单个螺旋缠绕吸附剂层体中，形成吸附器的多样性，肋形间隔器轴向延伸在相邻吸附薄片之间，从而限定窄流动通道。这些流动通道用作为独特的吸附器，在旋转阀面的两侧端开有孔。“生命保障用集氧器”(受让人的待审查专利申请09/733,606)也被本文引用，供参考。
尽管已有上述技术，仍然需要小型PSA装置，诸如能够在高循环频率下工作的旋转PSA装置。也还需要供这些装置使用的改进型吸附器。
发明内容
描述了一种从含有易被吸附的组分和不易被吸附的组分的流体混合物中采用PSA法分离液体的装置和方法的实施例。在压力升高情况下，由吸附剂从料液混合物中优先吸附易被吸附的组分，这样便可从流体混合物中分离出易被吸附的组分富集的重质流体产品，以及不易被吸附的组分富集的和易被吸附的组分贫化的轻质流体产品。该PSA装置可与其它装置组合成系统。例如，可以组合成的系统包括压缩机械和/或真空机械，能与“N”个单个吸附器协调工作，或能与安装在采用旋转分配阀的旋转PSA装置上的“吸附器”协调工作。作为另一个实例，PSA装置可与其它装置连接，诸如汽车工业用的燃料电池，或与产生医用氧气的氧气输送和监控设备连接。
根据PSA工艺基本上是不连续实施还是基本上是连续实施，对本发明的重要方面进行分类。PSA循环的工序是以在该循环中吸附器经受增压工序还是经受减压工序来进行区分的。此处，增压工序和减压工序包括进料增压工序、产品增压工序、逆流排放工序、同向流排放工序和均衡工序。
在某一类实施例中，采用有限的“n”个吸附器实施PSA循环，不连续地实现PSA工艺，例如在任何时刻一个吸附器、并且只有一个吸附器经受PSA循环的增压工序或减压工序。因此，在任何增压工序或减压工序，在某一时刻，只有一个吸附器与一个定子功能孔连通，并且该功能孔内的压力随着在该工序期间吸附器内的工作压力而变化。在该工序结束时，该吸附器将不再与该功能孔连通，另一个吸附器便与功能孔连通，进行相同的工序(也可能是立即，或者有一个延时期)。吸附器的数量“n”大体上与PSA循环工序的数量相对应。应该注意的是，可将PSA循环安排的使得一个或多个吸附器同时进行循环的高压生产工序，或者一个或多个吸附器同时进行循环的低压清洗工序。
在另一类实施例(美国专利6,051,050介绍)中，采用大量的“n”个吸附器实施PSA循环，基本上连续地实现PSA工艺，例如在任何时刻，许多个吸附器以相位顺序进行PSA循环的增压工序或减压工序。即便每一个吸附器内的工作压力随着该工序的进行而变化，在增压工序或减压工序，功能孔内的压力也将基本上保持不变。需要节流限止(可由定子中功能孔附近的转子和定子匹配面之间的窄空隙提供)，这样，对于每一个吸附器，增压工序或减压工序的压力变化将会比较平稳，该工序功能孔内的工作压力脉动也会比较小。如果能提供较大数量“n”个吸附器(绕转子圆周均匀地间隔排列)，则功能孔内的压力脉动将会进一步降低，PSA工艺将会更接近于连续工艺。当“n”接近无穷大时，则该工艺变成真正的连续工艺。
在本发明中，设“n”个吸附器的PSA循环是在较大数量的“N”个吸附器实现的，吸附器在同一个PSA循环里和在旋转PSA装置中协同工作。定义“M”表示一个整数，在公开实施例的旋转PSA装置中吸附器的数量“N”表示一个乘积(N＝n×M)，式中“n”表示“吸附器组”的数量，“吸附器组”在设有“n”个吸附器的PSA循环内协同工作，而“M”是每一个吸附器组中吸附器的数量。在根据本发明的旋转装置中，属于每一个吸附器组的吸附器之间的间隔角度为360°/M。
可采用多个单层吸附器(可以是螺旋缠绕辊，也可以是层压块)，或者将单个螺旋缠绕辊层吸附器组件分成角分段，作为独立的吸附器，随着相位间隔的工作压力而变化。本发明进一步提供的实例是由纵向通道分隔器把螺旋缠绕吸附器分成许多个通道，每一个通道起独特的吸附器的作用，这样，便可实现接近连续的PSA工艺。
可采用具有公共多层歧管结构的多个旋转吸附器组件，对具有最大额定生产率的单个PSA设备的极大的PSA设备，可用任何数目的组件，该最大额定生产率只受用压缩涡轮机械的最大额定生产率的限制。
本发明公开的实施例能高频工作，例如压力交变吸附工序和真空摆式吸附工序一般频率大于每分钟25个循环，最优的为每分钟数百个循环，能量效率高，采用投资成本低的小型机械。本发明特别适用于把空气分离为其各种流体组分。I.业已描述的吸附器单元的实施例吸附器单元的实施例描述的改进之一是有关吸附器单元端部的致密和强化，这样，吸附剂层状结构可直接与旋转阀面接合，而不造成易碎的吸附剂过度的磨损或侵蚀，同时能经受高频PSA循环的大幅值、周期性变化的压力梯度。在保持与阀面接通的流动通道高精确的均匀度、防止出现气沟的同时，环绕着流动通道，在吸附器的端部充填物质，这样提供了足够的物质阻止阀面空隙内的流动通道之间出现的交叉孔泄漏。由于允许许多个流动通道起吸附器作用，而泄漏在允许的范围内，这些改进有助于M＞1的PSA构型的利用。这些改进还能使螺旋缠绕吸附器得到实际使用，为了保持压力和间隔每个吸附器，在吸附器外不必采用复杂的、笨重的结构。
在本发明的优选实施例中，吸附剂是由柔性吸附剂薄片形成的叠层吸附剂或“吸附剂叠层”形式安装的。吸附剂薄片是采用复合材料加强的吸附剂薄片，或是含有吸附剂的箔片。由间隔器构成的流动通道，形成吸附剂薄片相邻对之间的平行通道。实验吸附器的相邻吸附薄片之间的通道宽度范围为吸附薄片厚度的50％-100％。这种“吸附叠层”构型的压降比充填床小得多，并能避免充填床的流化问题。吸附剂薄片的典型厚度为100-175微米。
薄片叠层提供合适的柔量，以适应叠层误差或缠绕误差。间隔器系统为防止吸附薄片相邻层之间的流动通道的自由偏转或变形提供必要的稳定性。II.业已描述的一个PSA装置的实施例该装置公开的实施例进一步论述了M＞1的旋转PSA系统(轴向流式和径向流式)的前景，通过提供的多层歧管(穿插管将各歧管层与PSA装置的对应功能孔连接)，以适合复杂的PSA循环的全部工序，无论“M”取何值，均具有相等的紧密度。这一方法还可适应多个旋转PSA组件及其在单个PSA设备系列的单个多层歧管装置内的协同运转的压缩机械。因此，积木式PSA设备就有可能比例放大到较大的单个系列，即便组件额定功率较小时也是如此。
描述的具有多层、穿插歧管的旋转压力交变吸附装置的实施例一般包括定子和一个转子，定子限定多个流体孔，转子提供相对于定子的旋转运动，使多个吸附器单元转入和转出与流体孔连通的流体。描述的实施例一般还包括一个接收料液的第一歧管。该第一歧管通过流体孔与吸附器单元的第一端间歇地流体连接，吸附器单元的第一端可绕旋转轴环形地排列在吸附器组内。第二歧管也可间歇地与吸附器组内的吸附器单元的第一端流体连接。第二歧管一般是接收从吸附器单元的第一端、通过多个由定子限定的排放孔排出的流体。
在某些实施例中，第一和第二环形歧管是分层放置的，一层歧管放置在另一层歧管之上。第二歧管可通过贯穿第一歧管(或环绕第一歧管的周边)的流体管接收或输送流体，多层歧管的组合在此称为穿插歧管。在这种分层放置构型中，叠层的歧管数可在二个以上，至少有二个，叠层中的歧管一般是穿插歧管。
吸附器单元一般放置在多个吸附器组内，例如2至大约20个吸附器组。每一个吸附器组可包括多个吸附单元。对于旋转床装置，吸附器单元可环形放置在旋转轴周围，这样，对于“N”吸附器，吸附器的间隔角是360°/N。吸附器组的吸附器单元从第一歧管顺序接收料流。在特定的实施例中，采用旋转压力交变吸附装置分离气体，这样，料流便是气体，吸附器单元包括氮-选择性沸石，排放的流体是氮气。
描述的旋转压力交变吸附装置的实施例包括限定流体孔的定子，该定子绕轴周向地间隔放置，并位于大部分平面的上方。具体实施例的流体孔在定子的360度上方间隔放置。对于这样的实施例，PSA循环的某一具体工序如果有“M”个流体输送孔或排放孔，则这些孔将按360°/M间隔角放置。
在上述装置的具体实施例中，一个第二定子限定PSA循环扇面，每一个扇面由轻质产品输送孔、轻质产品排放孔和轻质回流返回孔限定。例如，在一个扇面内可能有三个吸附器单元，每一个吸附器单元属于不同的吸附器组。对应于不同扇面内的吸附器，每一个吸附器可同时进入PSA循环的特定部分。例如，初始增压和轻质产品输送。在这样的实施例中，轻质回流排放孔可间歇地与滞后某个角度的流体返回孔流体接通。在更为特定的实施例中，每一个扇面含有一个轻质产品输送孔、一个第一轻质回流返回孔、一个第二轻质回流排放孔、一个第三轻质回流排放孔、一个第三轻质回流返回孔、一个第二轻质回流返回孔和一个第一轻质回流返回孔。提供流体管与如要求那样实现预定功能的各孔密封连接。例如，第一轻质回流排放孔可与第一轻质回流返回孔流体接通，第二轻质回流排放孔可与缓冲室流体接通，缓冲室接着又可与第二轻质回流返回孔流体接通，并且第三轻质回流排放孔可与第三轻质回流返回孔流体接通。此外，可将各流体孔放置得使吸附器组的第二端与第一产品输送孔、第一轻质回流排放孔、第二轻质回流排放孔、第三轻质回流排放孔、第三轻质回流返回孔、第一轻质回流返回孔和第一轻质回流返回孔顺序地流体接通。
在处理流体，特别是处理高压气体时，必须尽可能采取措施减少流体泄漏。因此，旋转PSA装置还可进一步包括密封件。密封件置于转子和定子之间的阀面内的吸附器单元的附近，并放置得尽可能减少流体泄漏。吸附器单元也可直接与具有窄空隙的定子阀面接合，采用本发明讨论的增强吸附器单元，在转子内的相邻吸附器与定子内的功能孔之间便可达到足够程度的流体密封。III.业已描述的PSA法的实施例PSA法包括提供业已描述的装置的实施例和供应至少一种料液，使吸附器组的吸附器单元增压到相当高的压力，以引发PSA循环。在吸附器组或一个或多个吸附层缠绕辊与第一和第二阀面之间实现相对转动，从而限定在每一个吸附器流动通道内顺序地完成PSA循环工序，同时在规定的总压力下控制吸附器流动通道与压缩机械之间的流动时间。以循环频率或以被整数“M”所除的循环频率，进行相对转动。在某些公开的实施例中，吸附辊同心地安装在转子内，相对于含有第一和第二阀的定子转动。
在相当高的压力下，输送出第一轻质流体产品。可部分地排放轻质回流流体，每部分流体均具有预定的作用。例如，部分轻质回流流体可输送到缓冲室。部分轻质回流流体还可输送到在不同吸附器扇面内的吸附器单元第二端的相邻流体进口，以实现各种所需的任务，例如从吸附剂清除重组分。该方法还可包括在相当低的压力下至少排放第一气体产品。该装置和方法允许组装一种小型压力交变吸附装置，该装置能在装置的多个部位同时完成工艺工序，并且能进一步允许转子的转动完成多压力交变吸附工艺。
对于该方法的特殊实施例，轻质回流流体可作为第一、第二、第三轻质回流部分被排出。将第一轻质回流部分输送到相位滞后的吸附器组的吸附器单元的第二端，将第二轻质回流部分输送到装置的压力平衡部分(即缓冲室)，并将第三轻质回流部分输送到相位超前的吸附器组的吸附器单元的第二端。有多种理由按该方式划分轻质回流部分，包括返回轻质回流流体，以清洗和部分再增压吸附器单元。
图1是一个旋转PSA装置的实施例的轴向剖面图，该装置装有构成在吸附器组内的多吸附器单元和具有环形多层穿插式歧管。
图2是沿2-2线制取的图1所示装置的横剖面图，对于N＝18个吸附器单元，n＝3，并且M＝6。
图3是沿3-3线制取的图1所示装置的横剖面图，对于N＝18个吸附器单元，实施例的n＝3，并且M＝6。
图4是沿4-4线制取的图1所示装置的横剖面图，对于N＝18个吸附器单元，实施例的n＝3，并且M＝6。
图5是沿5-5线制取的图1所示装置的横剖面图。
图6是沿6-6线制取的图1所示装置的横剖面图，对于N＝18个吸附器单元，实施例的n＝3，并且M＝6。
图7是沿7-7线制取的图1所示装置的横剖面图，对于N＝18个吸附器单元，实施例的n＝3，并且M＝6。
图8是沿7-7线制取的图1所示装置的横剖面图，该装置具有一个处于中心位置的缓冲室，对于N＝18个吸附器单元，实施例的n＝3，并且M＝6。
图9是沿9-9线制取的图1所示装置的横剖面图，对于N＝36个吸附器单元，实施例的n＝6，并且M＝6。
图10是图1所示装置的横剖面图，对于N＝36个吸附器单元，n＝6，并且M＝6。
图11是沿11-11线制取的图1所示装置的横剖面图，对于N＝36个吸附器单元，n＝6，并且M＝6。
图12是沿7-7线制取的图1所示装置实施例的横剖面图。
图13是螺旋缠绕吸附层薄片的某一个实施例的剖面图。
图14是旋转PSA装置的某一个实施例的轴向剖面图，M＝1，并且具有与阀面直接接通的螺旋缠绕吸附器。
图15是沿15-15线制取的图14所示装置的横剖面图，对于实施例的M＝1。
图16是沿16-16线制取的图14所示装置的横剖面图，对于实施例的M＝1。
图17是图14所示装置的横剖面图，对于实施例的M＝3。
图18是图14所示装置的横剖面图，对于实施例的M＝3。
图19是一种具有穿插多层歧管的PSA装置实施例的横剖面图。
图20是一种具有穿插多层歧管的PSA装置实施例的横剖面图。
图21是一种多组件PSA系统的横剖面图。
图22是一种多组件PSA系统的横剖面图。
图23是一种多组件PSA系统的横剖面图。
图24是一种可选用的吸附层结构实施例的详细图，这种结构能与本发明所述的装置和方法实施例配合在一起使用。
图25是一种可选用的吸附层结构实施例的详细图，这种结构能与本发明所述的装置和方法实施例配合在一起使用。
图26是一种可选用的吸附层结构实施例的详细图，这种结构能与本发明所述的装置和方法实施例配合在一起使用。
图27是一种可选用的吸附层结构实施例的详细图，这种结构能与本发明所述的装置和方法实施例配合在一起使用。
图28是一种可选用的吸附层结构实施例的详细图，这种结构能与本发明所述的装置和方法实施例配合在一起使用。
图29是一种可选用的吸附层结构实施例的详细图，这种结构能与本发明所述的装置和方法实施例配合在一起使用。
图30是一种可选用的吸附层结构实施例的详细图，这种结构能与本发明所述的装置和方法实施例配合在一起使用。
图31是一种可选用的吸附层结构实施例的详细图，这种结构能与本发明所述的装置和方法实施例配合在一起使用。
图32是图1所述装置的横剖面图，对于N＝36个吸附器单元，n＝6，并且M＝6。
图33是每转一次具有二个循环的径向流动组件的俯视剖面图。
图34是图33所示组件进料端的俯视图。
图35是图33所示组件产品端的俯视图。
图36是图33所示组件的剖面侧视图。
具体实施例方式
I.引言在第一实施例中，M＝1，供单个循环用的小室沿整个360°的圆周线分布，转子的转动次数恰好等于循环频率。但是，M＞1时，本发明也适用。在这种情况下，循环频率等于M乘以转动频率，并且对于每一个360°/M弧度，每一个循环的所有小室均重复。因此，对于每一个工艺工序，都有M个小室，小室之间的间隔角相等，即360°/M。吸附辊的流动通道最好具有小的角间隔，这样就有许多个流动通道起吸附器管的作用，以保证进入PSA工艺的每一工序的外部流动的流量和压力大体上不变。
业已描述的实施例大大地改进了M＞1的高循环频率、旋转PSA系统的实用性。当装置的尺寸增大时，尤为如此。较大的转子直径提高了关键阀密封面上的侧滑速度，加剧了摩擦和磨损。以系数“M”降低侧滑速度，可取得非常大的好处。对于涉及高工作压力或高工作温度的应用，尤为如此。因而高工作压力或高工作温度会使密封件可靠性和寿命问题进一步恶化。
公开实施例的旋转PSA组件中的吸附器的数量“N”是一个乘积(N＝n×M)，其中“n”是在一个PSA循环内协调工作的“吸附器组”的数量，“M”是每一个吸附器组中吸附器的数量。在优选实施例中，n＞2。叙述了n＝3和n＝6的例子。然而，“n”也可取其它整数，例如n＝5，也是非常适用的。
如果转子以对应于一个转动周期“TR＝1/f”的转动频率转动，压力交变吸附循环的循环周期“T”是TR/M。本发明适用于M＞1的任何整数值。因此，“M”是个倍数。对于给定的“T”，转动周期成倍延长。对于短“T”循环期，1秒或小于1秒量级，的快速PSA循环，最好降低转动频率，以减小密封件的摩擦和磨损。
业已描述的实施例能以相对较大的倍数“M”降低转动频率，而不是成比例地降低转子克服密封件摩擦阻力工作所需的功率，这大大延长了关键密封件的寿命。业已描述的实施例完成克服了极其复杂的外部管道连接问题和可能出现的不平衡流动问题。在以倍数“M”增加外部管道连接所需的阀总数时，可能出现不平衡流动。业已描述的实施例进一步还能使高度小型化的PSA装置，成为汽车用氧气富集和氢气净化、燃料电池动力装置所需的设备。业已描述的实施例还论述了如何解决如下问题的方法，即如何实现压缩机和/或与高频PSA工艺联接的真空泵均衡加载，在产品纯度和生产率方面如何达到较高的工艺性能，以及如何达到较高的工艺总能量效率。
业已描述的PSA工艺在每一个吸附器组内建立PSA循环，在每一个PSA循环内，每一个吸附器中的总工作压力在高压与低压之间交变。高压一般高于大气压，低压低于该高压，通常可能是大气压或低于大气压。PSA工艺还在高压和低压之间提供中压。该装置的压缩机械一般包括料液压缩机和重质流体产品排气机。当低压低于大气压时，排气机可以是一种真空泵。当低压等于大气压时，排气机可能是一种膨胀器，或者可用调节逆流排放的节流机构代替。
业已描述的实施例中的料液压缩机一般是供应料液，使吸附器料液增压，以送到第一阀。排气机一般从第一阀接收重质流体产品，使吸附器的逆流排放。
可提供一个缓冲室，与第二阀协同工作。缓冲室提供“轻质回流”功能，即在高压下接收吸附床组作为轻质回流流体以第二组分富集的部分流体并在同向流排放时将高压降下来。该缓冲室还短暂地存储该流体，然后将该流体回送到同一个吸附床，在低压下提供清洗，或使轻质回流增压，使压力从低压提高到高压。轻质回流功能能够生产高纯度的轻质产品。
至于n＝3和n＝6的例子，对于每一个吸附器组，业已描述的实施例在循环周期内，按如下工序重复，在循环周期“T”开始时，从零开始设定时间“t”(A)料液增压和生产。在进料时间段，大约超过三分之一个循环周期(0＜t＜T/3)，允许料液混合物进入吸附器组的第一端，当吸附器内的压力处于低压和高压之间的某个中压时，循环开始，将吸附器内的压力提高到高压(A1工序，大约为0＜t＜T/6)，然后在轻质产品输送压力下输送来自吸附器组第二端(A2工序，大约为T/6＜t＜T/3)的轻质产品。由于流动摩擦造成的压降很小，轻质产品输送压力基本上是高压。
(B)在暂短的时间段或在A(T/3)工序结束或接近结束时的高压条件下，从吸附器组的第二端排出第二组分富集的第一轻质回流流体(大约在轻质产品输送的A2工序结束时)。
(C)n＝3，平衡缓冲室，或n＝6，在180°反相时，直接平衡另一个吸附器组。在B工序结束后，在同向流排放时间段，吸附器组的第一端的流通停止，来自吸附器组第二端、第二组分富集的第二轻质回流流体作为轻质回流流体排放入缓冲室，并且在间隔时间T/3＜t＜T/2内，将吸附器组内的压力增到第二中压。该中压处于高压和低压之间。
(D)在C(T/2)工序结束时的暂短时间段，排放吸附器组第二端的第三轻质回流流体，作为另一个吸附器组的清洗流。
(E)逆流排放和排气在E1工序(T/2＜t＜2T/3)，在排气时间段(T/2＜t＜5T/6)，排放吸附器组第一端、第一组分富集的流体流，将吸附器组内的第二中压降到低压，然后在E2工序(2T/3＜5T/6)，输送另一个吸附器组(其相位滞后120°)第二端的第三轻质回流流体流进入D工序，在相当低的压力下清洗吸附器组，同时以重质流体产品形式，连续地排放第一组分富集的流体。
(F)对于n＝3，从缓冲室平衡，或对于n＝6，直接从进入C工序的另一个吸附器组(处于180°反相)平衡。当吸附器组第一端的流动停止，在5T/6＜t＜T时间段内，第二轻质回流流体重新对吸附器组增压，即从非常的低压提高到第二中压。
(G)在大约t＝T时，允许直接来自另一个吸附器(处于相位超前120°)第二端的第一轻质回流流体流，作为回填流进入B工序。为开始下一个循环A工序，将吸附器内的压力提高到第一中压。
本领域的技术人员或普通的技术人员将会了解到可采用其它的轻质回流流动形式。例如，在E工序过程，来自B工序的某些或全部第一轻质回流流体可用于清洗另一个吸附器。另外的变化有省略B工序和G工序，或者在A工序后，延时B工序，而不是重叠A工序，使之作为压力平衡工序。
改变循环频率，可对工艺实施控制，以便获得轻质流体产品的理想纯度、回收率和流量。另外，在给定的循环频率下，可调节进料的流动速率和轻质产品流动速率，以便获得理想的轻质产品纯度。优选的是，同时改变进料压缩机的驱动速度和PSA组件的转动频率，调节轻质产品流动速率，以保持轻质产品接收器内的输送压力。
在从空气富集氧气的真空实施例中，第一中压和第二中压一般约等于大气压，低压低于大气压(即大约0.3-0.5pa，高压的范围为1.5-3pa)。在正压力实施例中，低压可以是大气压。在空气净化应用中，第一组分是杂质流体或蒸汽，流体混合物是含有杂质的空气，而轻质产品则是净化了的空气。对于空气分离应用，流体混合物是空气，第一组分是氮气，第二组分是氧气，吸附剂包括氮-选择性沸石，轻质产品是氧气富集的流体，重质产品是氮气富集的流体。产品的纯度取决于多种因素，包括循环速度、工作压力、工作温度、沸石等工作参数，和燃料电池所需的氢气纯度、供病人使用的医用氧气的纯度等输出要求。对于空气分离，轻质产品的纯度一般至少为80％+氧气、优选的是90％+氧气，95％+氧气则更好。II.参考附图对装置的详细说明如图1所示的一种PSA装置10有一个与定子接合的吸附器转子，共同限定旋转轴12。吸附器转子有“N”个吸附器14，这些吸附器安装在第一转子板16和第二转子板18之间，由连杆20和转子盖22共同固定。吸附器转子由电机24驱动，电机通过轴26与第一转子板连接。
定子包括第一定子部分28和第二定子部分30，相对于轴12固定对准。第一定子部分28有一个环形放置在轴12周围的进料歧管室32和一个环形放置在轴12周围的排气歧管室34。进料管36将进料歧管室34连接在外部料液源，诸如压缩机上。排气导管38将排气歧管室34连接在外部排气装置，诸如真空泵上(如果低压低于大气压)，以便大气排放，或作第二产品的其它处置。第二定子部分30与轻质产品输送管40连接，图示的进料输送导管位于轴12的中央位置。
每一个吸附器14有一个流动路径，接触吸附器第一端42和第二端44之间的吸附剂。吸附器第一端42和第二端44分别与第一转子板16和第二转子板18密封连接。第一阀面46被限定在第一定子部分28与第一转子板16的共同密封的面之间。第二阀面48被限定在第二定子部分30与第二转子板18的共同密封的面之间。每一个吸附器单元14的第一端42通过第一转子板16上的第一孔50与第一阀面46流体连通。每一个吸附器单元14的第二端44贯穿第二转子板18上的第二孔52与第二阀面48流体连通。
在图1所示的特别实施例中，吸附器14由支承吸附剂的薄材制成。间隔器沿流动路径限定流动通道。将薄材缠绕在圆柱芯54周围，形成延伸在吸附器单元14的第一端42和第二端44之间的螺旋吸附剂辊56。螺旋吸附剂辊56密封地插入在密封管58内，与第一转子板16和第二转子板18中的匹配腔密封接合。吸附器14还可有其它形式的结构，如图13所示的单辊，下文将对此作进一步讨论。
图2是沿图2所示装置2-2线的横剖面图，图解说明绕轴12环形放置的单个吸附器14。吸附器组(A、B和C)的数量n＝3，每一吸附器组由六个(m＝6)吸附器14组成(A1，B1，C1，A2，B2，C2，A3，B3，C3，A4，B4，C4，A5，B5，C5，A6，B6和C6)，总共有18个吸附器。PSA循环在这三个吸附器组内完成，按照A、B和C吸附器的顺序，吸附床之间的相移为120°。
吸附薄片含有增强材料，在特定实施例中含有玻璃纤维，金属箔或金属丝网，采用合适的粘接剂将吸附剂固定在这些增强材料上。如图1所示，吸附器14，诸如图解说明层叠的吸附辊，可以有贯穿整个区域的单个吸附剂材料；贯穿整个区域或某一个特定区域的吸附剂材料的均匀或不均匀组合；或者可有分隔区，每一区内有不同的吸附剂材料。图解说明的吸附器14的第一区60位于第一端42附近，第二区62延伸到第二端44。第一区60含有第一吸附剂材料，例如干燥剂，活性铝土是一种干燥剂的例子。第二区62一般含有第二吸附剂材料，诸如沸石吸附剂。在该实施例中，第一区60延伸到第一端和第二端之间的流动通道长度的大约15％，第二区包含其余的85％(第二区还可分为多个含有不同吸附剂的子区)。为从空气分离制取富氧，第二区内的典型吸附剂包括X型、A型或菱沸石，一般与锂、钙、锶、镁和/或其它阳离子交换，并且具有优选的硅/铝比，正如本领域普通技术人员所熟知的。在吸附剂薄片基体内，沸石晶体用硅石、粘土和其它粘接剂粘合，或自粘合。
图13显示了单个吸附层叠辊56，形成于吸附器罩67外壁64与内壁66之间，特别适用于连续系统。吸附层叠辊56由螺旋缠绕的吸附薄片68制成，吸附薄片之间的间隔器70限定轴向流体流动通道72，同时防止流动通道之间出现横流。间隔器70轴向延伸在第一端42和第二端44之间，用以限定流动通道72，使之起吸附器的作用。
将混有粘接剂组分的沸石晶体浆料涂敷在增强材料上，制取令人满意的吸附薄片68。比较好的增强材料有无纺玻璃纤维稀洋纱、金属纤维织物、膨胀铝箔等。采用印制或压纹，将吸附薄片68制成具有凸纹的间隔器70，或将制做好的间隔器置于相邻对吸附薄片之间。其它令人满意的间隔器业已制作成纺织金属网、无纺玻璃纤维稀洋纱、金属箔，流动通道具有光刻花纹。
本发明提供的一种重要改进是吸附器14具有经增强的、与第一阀面46和/或第二阀面48直接接通的流动通道。各种PSA装置均能采用这些吸附器，包括图1所示的具有多层歧管和/或穿插歧管的装置。然而，图14所示的PSA装置的另一实施例，也能采用这些吸附器。图14显示的流动通道72直接与第一阀面46和第二阀面48接通。吸附层叠辊的窄致密区78和80分别端接在流动通道72的第一端42和第二端44，从而提高了阀面耐磨损和防泄漏能力。窄致密区78和80可用填料充填，例如采用惰性陶瓷材料、聚合物材料、金属或合金材料，或者这些材料的混合物充填。还可采用螺旋缠绕金属带连接间隔器70，在保持流动通道72至阀面的敞开流通的同时，保持流动通道的高精度的恒定流动阻力，从而防止出现气沟。
吸附层叠辊的窄致密端区78和80分别端接在流动通道72的第一端42和第二44上，从而增强阀面的耐磨性和防泄漏能力。通过将端区78和80浸渍某种合适的物质，例如硅酸盐硬化剂、水玻璃或热固性塑料，便可达到对吸附薄片增强和/或致密化。端区78和80的增强方法还有充以填料，使端区内的流动通道变窄(从而提高了固体材料的截面积，改进了转子和定子之间的阀面抗磨力或抗流体侵蚀力，并可减少阀面内的泄漏)。端区内的流动通道用的填料可以是某种惰性陶瓷材料、聚合物材料、热解碳、金属或合金，或者这些材料的混合物。陶瓷充填材料在焙烧前是一种粘土母体。热固性塑性聚合物可在吸附剂无需高温活化的应用场合下使用，也可在高温下活化的吸附剂活化的焙烧工艺过程转化成焦炭火热解碳。端区78和80内的螺旋缠绕金属带(端接在阀面，提高抗磨力和防泄漏能力)也可用于连接间隔器70，在保持流动通道72至阀面的敞开流通的同时，保持流动通道的高精度的恒定流动阻力，从而避免出现气沟。
图4-7是图1所示装置的剖面图。图4是图1所示装置沿4-4线的剖面图，图解说明第二阀面48的第二转子板18上的第二开孔52。同样，图5显示第一阀面46的第一定子部分的进料孔82和排气孔84。由于m＝6，为使这些孔具有第一进料功能和第一排气功能，以六个孔成一组，两孔之间的间隔角度等于360°/6，即60°。
图6是图1所示装置沿6-6线制取的进料歧管32的横剖面图。图6示出了输送管86，通过输送管86，排气孔84与进料歧管32穿插的排气歧管34连通。由于与轴12同心地提供了起第一功能的多层环形歧管，含有单个吸附器组的吸附器14，在任何时刻均具有良好的流动分布。单个吸附器组与对应功能的进料歧管或排气歧管连接。
图7是图1所示装置10沿7-7线的横剖面图。图7示出第二定子部分30中的第二阀面48的第二功能孔。这是三个轻质回流级用的功能孔。描述的第二功能是轻质产品输送、排放吸附器14的轻质回流，以及轻质回流返回吸附器。对于这一实施例，在绕轴12的每一个角扇面(360°/6＝60°)内，第二阀功能孔包括轻质产品输送孔88，通过流体管90与轻质产品输送管道40接通；第一轻质回流出口孔92；第二轻质回流出口孔94；第三轻质回流出口孔96；第一轻质回流返回孔98；第二轻质回流返回孔100；和第三轻质回流返回孔102。在第二定子部分30内，每一对(第一、第二和第三)轻质回流出口孔(92、94和96)与轻质回流返回孔(98，100和102)之间流体接通，起流体管104，106和108的作用。每一个流体管104，106和108含有供各种轻质回流气体用的减压装置，例如孔板。图示的实施例包括一个供第二轻质回流气体用的缓冲器110。
第二和第三轻质回流气体的轻质组分的纯度逐步下降。从吸附器14排放这三种组分纯度下降的回流气体，然后组分纯度上升返回。结果，使轻质回流被分层，从而保持轻质产品具有优良的纯度。
图8的剖面图与图7所示的剖面是一样的，只是图解说明图1所示装置的另一实施例。图9说明具有位于中央位置的单个缓冲器112的另一种排列。该缓冲器可位于转子的中心腔内，而不是为“M”个角扇区的每一个扇区提供单独的缓冲器110。通过流体管114，中央缓冲器112与“M”个第二轻质回流出口孔94的每一个孔连通，并通过流体管116与“M”个第二轻质回流返回孔100的每一个孔连通。
在图15-16所示的实施例中，穿过吸附器的流动通道72与轴12平行。因此，流动方向呈轴向。图示的第一阀面46和第二阀面48是平环形盘，垂直于轴12。
图15和图17是图14所示PSA组件10沿15-15线的剖面图。图16和图18是图14所示组件10沿16-16线的剖面图。每一个剖面图中的箭头120显示吸附器绕轴12的转动方向。
图15显示第一定子28的第一定子阀面46。通过入口过滤器126引入空气经流体连接管122到进料压缩机124。与真空泵排气机128连接的流体管将富氮的第二产品输送到第二产品输送管129。压缩机124和排气机128如图所示与驱动电机130连接。
在环式密封件134和136(见图14)之间的环形阀面内、与进料孔82和排气孔84接通的第一定子阀面的无盖区，标示为角形段140-150。角形段对应于直接与功能孔，以相同的参考数字140-150识别，接通的第一功能孔。采用影线扇面154和156标示功能孔之间的阀面46的闭合区，影线扇面是滑块，间隙最好为零，或者在实际应用情况下，具有窄的间隙，以便减少磨损，不出现过量的泄漏。典型的闭合扇面154为吸附器14提供了一个在孔146和孔148之间接通的过渡。使滑块和密封面之间的间隙通道逐渐变细，提供渐变孔道，从而在与新孔接通时，吸附器14内的压力缓慢地均衡。提供有较大闭合扇面(例如156)，当吸附器的另一端进行增压或排放时，基本上切断流动流到吸附器14的一端，或切断来自吸附器14另一端的流动。
进料压缩机124分别通过流体管122C、122B和122A，将料气送到料气增压孔140和142，料气生产孔144。料气增压孔140和142的工作压力逐渐提高，料气生产孔144处于PSA循环的高工作压力。因此，压缩机124可以是一种多级或分流压缩机系统，将适当量的料气流送到每一个孔140、142或144，从而使吸附器14增压到中压，然后达到最终压力，并通过孔144达到生产。可提供串联工作的分流压缩机系统(图中未示出)，作为具有级间输送孔的多级压缩机，或者作为平行工作的多压缩机或压缩圆柱体，各自将料气压缩到孔140、142和144的工作压力。进料压缩机124也可以将所有的料气压缩到高压，将部分增压料气减压后送到分别处于中压的料气增压孔140和142。
同样，真空泵128排放来自排气孔152和逆流排放孔148的富氮重质气体产品。排气孔152处于循环的低压，逆流排放孔148的工作压力逐步提高。从孔146排放的初始逆流经流体管158直接进入重质产品输送管129。与压缩机124一样，提供的真空泵128可作为多级或分流机器，具有串联或平行工作的压缩机级，在从低压升高到大约中压下接收每一种流体流。
在另一实施例中，低压是环境压力，因此，排气机128将是一种能量恢复膨胀机。在另一个实施例中，中间孔148的压力可接近大气压，故可采用真空泵的组合代替排气机128压缩由孔150排出的低压气体。利用由膨胀机及部分或全部提供动力的这种真空泵，使由孔146排放的初始逆流气体膨胀。这种真空泵和膨胀机组合也可由喷射器代替，具有一个喷嘴的该喷射器将来自喷射器扩压器的正在排放的混合流送到排气管129。
图16显示沿图13所示的16-16线切断的第二定子阀面48。第二定子阀面48的开孔是直接与轻质产品输送孔160接通的第二阀功能孔52；多个轻质回流出口孔162，164，166和168；第二定子内的同样数量的轻质回流返回孔170、172、174和176。第二阀功能孔52由环式密封件134和136(见图14)限定在圆环上。每一对轻质回流出口孔和轻质回流返回孔提供一级轻质回流压降，分别为PSA工艺提供回填功能、全部或部分压力均衡和同向流排放，以便清洗。
为了说明具有能量回收功能的轻质回流压降可选择的方案，提供分流式轻质回流膨胀机180来提供具有能量回收功能的四个轻质回流级的压降。轻质回流膨胀机180是四个轻质回流级的压降装置。如图所示，每一个轻质回流级都有一个轻质回流管，分别位于轻质回流出口孔与轻质回流返回孔162与172、164与174、166与172、168与170之间。
显示了通过传动轴184将轻质回流膨胀机180与轻质产品增压压缩机182连接的情况。压缩机182接收轻质产品，并将轻质产品(经压缩后，输送压力高于PSA循环的高压)送到输送管129。由于轻质回流和轻质产品均是纯度大约相同的富氧流，膨胀机180和轻质产品压缩机182可封闭在单个罩内，该罩通常与第二定子构成一体，如图14所示。这种没有单独的驱动电机的“涡轮压缩机”氧增压器构型具有优点，即无需外部电机和相应的轴密封件，氧产品就可得到增压，并且当设计在相当高的轴转速下工作时，设备还可实现小型化。
轻质回流膨胀机180还可给真空泵128提供动力，或者给吸附器转子提供转动动力。如Keefer等人(美国专利6,051,050)公开的那样，提供的轻质回流膨胀机180可作为单个脉冲式涡轮轮，每一种轻质回流有一个单独的降压喷嘴。
虽然，上述的实施例主要处理采用氮-选择性吸附剂进行氧富集的较低压力和环境温度的PSA应用，很明显，本发明公开的实施例(或者本发明的重要特点)也可用于所有的PSA的商业或研究工作应用。尤其是本发明使用于高工作压力下高温的氢净化应用，包括将PSA方法直接用于化学反应工艺。
图17和图18的m＝3对应于图10和图11的m＝1。图10或图11中的物件在图17或图18中出现时，在物件相应的标号后面加上尾标A、B、C等。
还可知道，对于任何其它功能的“M”个第二功能孔可集合成具有该功能的单个环形歧管，如图14所示的第一功能。若要采用可调节的节流器或能量回收膨胀机为轻质回流提供压降功能，这一点特别理想。
由于在任何时刻只有一个吸附器组连接在料气供应装置(或排气装置)上，除了在非常短暂的阀转换期间，吸附器组一直与每一个功能接通，对于实现这些功能的料气压缩机或排气真空泵来说，可达到良好的装料。料气歧管的构型可有延伸的面壁，从而可为料气压缩机提供后冷却器功用。
此外，可使料气歧管32容积最小，从而在吸附器组增压后，料气压缩机124达到输送压力，从而避免在高于吸附器组实际需要的压力下输送料气。因而，在每一个料气进料期的初始段，在全压下输送料气后，料气压缩机124部分卸载。因此，便可降低料气压缩机124的平均输送压力，与在工艺的连续高压下输送相同质量的料气流的料气压缩机相比，这种压缩机消耗的功率大大地减小。
同样，可使排气歧管34的容积最小，从而在吸附器组降压后，真空泵达到抽吸压力，从而避免在低于吸附器组实际释放需要的低压下排放第二气体产品。因此，在每一个排气的初始段，在全真空下工作后，真空泵部分卸载。真空泵128的功率消耗比在工艺连续的低压下排放相同质量的第二气体产品的真空泵要低得多。
图19至图21说明M＝3、具有穿插多层歧管的一种旋转压力交变吸附组件。
图19显示根据图15和图17采用多层歧管190将第一阀面上的所有进料孔82和排气孔140、142、144、146、148和152，连接在相应的压缩级和排气级上。歧管层140’、142’、144’、146’和150’(对应于每一个进料口或排气口的歧管层，采用带撇”’”参考数字)通常由板192将它们彼此隔开并由外壁194将其固定。连接阀面孔和对应孔的导管196和198可插入板192。多层歧管190可采用焊接钢板制作，低压环境下应用的多层歧管板192、互连的导管和侧壁194，可采用纤维增强塑料制作。
图20显示第二多层歧管的进一步利用，排放来自第二阀面48的孔160、162、164、166和168的产品和轻质回流，在压降后，将轻质回流回送到孔170、172、174和176。带撇”’”的参考数字使每一个歧管层对应于相关的孔，穿插导管(例如108)将每一个孔与对应的歧管层连接。
图21显示安装在单根多层歧管206上的二个压力交变吸附组件202和204。歧管206使料气流和排气流与一个公共压缩机124和真空泵128连通。组件202和204放置成一排。然而，这种放置形式也可以改变，例如可扩展到在一排中有多个组件，或者平行交错排列的多排组件。
在其它实施例中，压缩机械可位于多层歧管的中央，PSA组件最好放置成六角形阵，以便达到有利的流动分布和最小的压降。在另一些实施例中，组件可以与单个歧管层组合安装。可以知道，实施例涉及上述公开的歧管构型的任何组合。
图22是将上述积木化概念扩展到具有18个组件10的大型PSA设备的示图。这18个组件平行地与一个公共多层歧管210相连接。在这种构型中，压缩机械位于多层歧管210的中央，而PSA组件10最好放置成如图23所示的六角形阵，以便获得有利的流动分布和压降。
图22显示了压缩机212和真空泵214的多级、轴向构型的详细图。每一个压缩机级都有转子叶片216，转子叶片后面是定子叶片218。压缩机级之间排放出的气流进入料气歧管140’和142’，剩余的质量流被最末一级压缩机级输送到歧管210。第一级通过进气过滤器和消音器220接收环境空气。注意，考虑到压缩和级间排放的质量流情况，轴流式压缩机级的截面很快地减小，以减小朝向高压端的流动截面。
每一个真空泵级具有转子叶片222和定子叶片224。最低压力的排气流从歧管152’进入第一级，与此同时，补充排气流从歧管148’被喷入各上行级。在本实施例中，最初的逆流排放流大约在环境压力下从歧管146’排出，并被排气扩压器226中的真空泵排料带走。由于真空泵级间质量流的增加，抵消了压缩效应，真空泵级的截面可不必呈锥形，或者略呈锥形。
多层歧管210被支承在支座228上，以便装入压缩机。也可以提供开挖成的中心孔，安装压缩机及其驱动装置。可以看到，这种构型便于检修压缩机械和PSA组件，只需断接和重新连接产品输送管230，即可对它们拆除和更换。
多层歧管210可由焊接钢板制作，对于大型设备，最好采用增强混凝土制作。可提供横向增强支柱，协助穿插导管和侧壁支撑由结构重量和低大气压造成的压缩应力，或由克服作用在某一给定歧管层上的结构重量形成的正压力造成的拉伸应力。在混凝土制做的多层歧管中需要合适的凸缘插件，以提供与组件匹配的静态密封表面。对于采用混凝土制作的板192，上层的重量将协助保持歧管底层较高的工作压力。因此，在PSA循环的高压工序，利用歧管底层，而在低压工序，利用歧管的上层，这是非常理想的。
虽然，上述实施例主要涉及利用氮-选择性吸附剂在相对低的压力和环境温度下采用PSA方法进行氧气富集，很明显，本发明或者本发明的重要方面可适用于PSA方法的各种商业应用或研究工作的应用。尤其是本发明适用于采用PSA方法在高工作压力和高温下进行氢净化，包括将PSA方法直接与化学反应工艺相连接。III.可选择的吸附剂结构的细部76图24至图30显示构成图13的螺旋缠绕辊56的可选择的吸附层结构剖面细部76。图27显示吸附薄片上的尚未组合成螺旋缠绕辊的平行间隔器70，采用惰性材料制成的填料240使端区78和80中的流动通道窄化成窄的流动通道，并且分别与第一阀面46和第二阀面48开孔接通。从耐久性和良好的耐磨性角度选择惰性材料(例如陶瓷、聚合物、金属/合金，或这些材料的组合)。填料240也可现场浇铸，然后采用窄的、尺寸准确的模芯或短效衬垫缠绕吸附辊，形成窄的流动通道72’。
图24显示在吸附薄片上形成的起肋骨作用的间隔器70，并且穿过吸附薄片向缠绕方向横向延伸(如图28所示)。在缠绕过程，在间隔器70的突出部可涂上吸附剂混合料或其它粘接密封剂，以便在相邻流通道72之间形成横向密封。
图25显示的间隔器，作为螺旋绕辊相邻层之间的钢丝或窄钢条242。在缠绕方向等间隔的钢丝242限定流动通道72。由细钢丝或箔膜系紧钢丝242，限定间隔器网。图25是吸附剂区60或62的剖面图，图29是吸附剂端区78或80的剖面图。图29显示填料240限定的流动通道72(在此处，填料240可以是端区系紧钢丝242用的金属条的一部分，而这种金属条可螺旋缠绕成吸附薄片上的间隔器网的一部分。)图28显示由具有波纹吸附薄片68’的平直吸附薄片68螺旋成的波纹状螺旋辊。在此的流动通道72的剖面呈正弦曲线，由于在角间隙中出现驻点流，这种流动通道不太理想。
在图29和图30中，将填料240放置在波纹状、尺寸精确的流动通道72’中，形成窄流动通道72’。采用可通过化学或物理方法，例如燃烧或离解，或液态或汽态物质的相变，除去的模芯或短效流动通道形成器，例如聚合物多孔纤维，形成流动通道72’。在吸附剂区60和62，填料240可以是某种合适的多孔吸附剂，而在端区78和80，填料最好采用耐久性好的密实惰性材料210。端区填料240也可以是一种通过硬化处理强度业已提高的吸附剂。
在图30中，吸附薄片68业已分成二层吸附层68A和68B，位于金属箔244的两侧面。该金属箔可以是适用于防止流体流通过这些吸附薄片的任何金属，这种金属给吸附薄片提供理想的热性质，即热容和热导率高。铝是在这样一种金属的例子。金属箔244也可以是铁素体不锈钢，最好是含有某些铝的不锈钢。铝经氧化或阳极化后形成一种起纹理的氧化铝表面，这有利于沸石或氧化铝涂层68A和68B的粘合。
可采用钢箔或不锈钢箔(或定向增强的非金属纤维复合材料)使吸附薄片具有理想的抗张强度和刚度。由于吸附薄片和流动通道非常薄，吸附辊内的瞬时高压和低压角分隔区之间的三角形压力梯度将对吸附薄片产生较小的拉伸(或压缩)环形载荷。采用合适的增强吸附薄片制成的吸附辊，在PSA循环的压力交变情况下可无需外加支承，即使在工业氢净化所需的20巴或更高范围的高工作压力下也能工作。
螺旋缠绕的吸附辊外面还可缠绕多层钢箔或不锈钢箔，提供均匀的抗张预载荷和均匀的径向压力和应变。这也能保证吸附辊外部完成静密封，防止旁通泄漏。在螺旋缠绕吸附辊外侧，气体产品就可在PSA循环的非常高的压力下循环，这样吸附器壳会受到压缩载荷。在采用这种方法时，要求吸附薄片和间隔器能经受交变横向压缩载荷。
在图31中，在缠绕操作过程，在吸附薄片层68之间的吸附填料240内形成窄的、密实压紧的圆形流动通道72’。流动通道72’由在吸附剂混合物固化后可除去的短效纤维或中空纤维限定。通过由亲水聚合物制成的短效中空纤维，除去水。每一个间隔器层中的纤维位置可由纤维纬织物限定，图31中未示出。IV.PSA循环为实现PSA循环工序的正确定时，要选择图4中的孔口，图5中的第一功能孔和图7或图8中第二功能孔的角位置和角宽度。对于n＝3的实施例，PSA循环分为如下工序(a)在一个进料期，基本上等于三分之一个循环期，向吸附器单元的第一端供应料气混合物，从而将吸附器单元增压到高压，然后在高压、较低的流动摩擦压降下，输送来自吸附器单元的第二端的轻质气体产品；(b)大约在进料期结束时，排放来自吸附器单元第二端的不易被吸附的组分富集的第一轻质回流气体，并将第一轻质回流气体输送到另一个吸附器单元(其相位滞后120°)；(c)在进料期结束后，排放来自吸附器单元第二端的不易被吸附的组分富集的第二轻质回流气体，对该吸附器单元降压，并将第二轻质回流气体输送到缓冲室；(d)排放来自吸附器单元第二端的不易被吸附的组分富集的第三轻质回流气体，进一步将该吸附器单元降压，并将第一轻质回流气体输送到另一个吸附器单元(其相位超前120°)；(e)在排放期，基本上等于三分之一个循环周期，排放来自吸附器单元第一端的第二气体产品，进一步将该吸附器单元内的压力降低到低压，同时输送第二气体产品；(f)将来自另一个吸附器单元(其相位滞后120°)的第三轻质回流供应给吸附器单元的第二端，在排放期的后期用于清洗吸附器单元；(g)将来自缓冲室的第二轻质回流气体送到吸附器单元的第二端，在下一个进料期开始前，使吸附器单元部分地再增压；(h)将来自另一个吸附器单元(其相位超前120°)的第三轻质回流气体送到吸附器单元的第二端，在下一个进料期开始前，使吸附器单元进一步再增压；(i)上述工序交变重复，经过连续的转动角360°/M，同时将料气连续地送到一个吸附器组，并从一个吸附器组连续地排放气体。
图3和图9至图12适用于n＝6、m＝6和N＝36的可选择的实施例。图3和图9是图1的另一剖面，显示36个吸附器。图3显示二个圆环，每一个圆环上有如图1所示的18个螺旋缠绕辊吸附器14。图9显示具有间隔器、插入在匹配矩形腔或槽内的矩形增强吸附剂薄片叠层制成的另一种吸附器14。
图10显示36个吸附器的第二阀面48中第二转子板的第二孔口52。
图11显示n＝6和m＝6的实施例中第一阀面46的功能孔。在该实施例中，提供了四种第一功能，即第一进料功能、第二进料功能、第一排气功能和第二排气功能。这些第一功能分别对应于图11中的第一进料孔176、第二进料孔178、第一排气孔180和第二排气孔182。
第一进料功能是料气增压，在所有时间，一个并且只有一个吸附器组是在进行料气增压。因此，第一进料压缩机可在某个波动压力(平均压力小于高压)下将料气送到每一个吸附器组，从而可大大地节约功耗。第二进料功能用于生产，在一个并且只有一个吸附器组的该例子中一直工作。第二进料压缩机可起第二进料功能，其进料压力相对恒定，基本上等于高压。
第一排气功能是排气降压或逆流排放，并且在任何时间，一个并且只有一个吸附器组进入该工序。对于真空PSA循环，作为第一排放装置的第一真空泵可在某个波动压力(平均压力高于相对于最大真空的低压)下排放来自每一个吸附器组的排放气体，从而可大大地节约功耗。第二排气功能用于在基本恒定的低压下排放，在一个并且只有一个吸附器组的该例子中一直工作。第二真空泵可起第二排气功能，其抽吸压力相对恒定，等于低压。
对于低压基本上等于大气压的正压PSA循环，第一排气孔可提供节流孔功能，以便在逆流排放过程使每一个吸附器组实现压降，而不至于出现过分大的流动脉动。也可提供一个膨胀机作为第二排气装置，以便从逆流排放中回收能量。在每一个第一排气工序，在本例中，时间期等于六分之一个循环期，吸附器组降压后，该膨胀机将在变化的进口压力下工作。
如果循环期等于1秒，当m＝6，吸附器转子的转速为每秒10转。n＝6时，每一个第一进料工序或第二进料工序和每一个第一排气工序或第二排气工序持续时间为六分之一秒。工作速度较高的正排量压缩机械，例如双螺旋压缩机，可接受第一进料功能和第一排气功能的交变压力瞬变。也可采用低速往复式或旋转式压缩(或膨胀)机械作为任何进料功能或排气功能，这样，每一个压缩(或膨胀)冲程对应于单个第一功能工序，并且与该工序的开始和结束同步。另外，对于1秒循环期，往复速度(带二个对置的压缩室，提供交错的第一功能工序)等于每分钟180转。
图30是n＝6和m＝6、沿图1中的8-8线的剖面图。这一配置与图6的剖面基本相同，只是没有缓冲室110，其原因是现采用直接均衡法输送来自吸附器单元56的第一端的第二回流气体。吸附器单元56与孔92和104接通。
对于n＝6的工艺，上述例子中的工序特征(a)在一个进料增压期(大约等于六分之一个循环期)，向吸附器单元的第一端供应料气混合物，从而将吸附器单元增压到高压，然后在高压、较低的流动摩擦压降下，输送来自吸附器单元的第二端的轻质气体产品；(b)在生产周期，大约等于六分之一个循环周期，进一步向吸附器单元的第一端供应料气混合物，在高压、低流动摩擦压降下输送来自向吸附器单元第二端的轻质气体产品；(c)大约在生产周期结束时，排放来自吸附器单元第二端的不易被吸附的组分富集的第一轻质回流气体，并将第一轻质回流气体输送到另一个吸附器单元(其相位滞后120°)；
(d)排放来自吸附器单元第二端的不易被吸附的组分富集的第二轻质回流气体，将该吸附器单元降压，并将第二轻质回流气体输送到另一个180°反相的吸附器单元；(e)排放来自吸附器单元第二端的不易被吸附的组分富集的第三轻质回流气体，将该吸附器单元降压，并将第一轻质回流气体输送到另一个吸附器单元(其相位超前120°)；(f)在第一排放期，大约等于六分之一个循环期，排放来自吸附器单元第一端的第二气体产品，进一步将该吸附器单元内的压力降低到低压，同时输送第二气体产品；(g)在第二排放期，大约等于六分之一个循环期，基本上在低压下，进一步排放来自吸附器单元第二端的第二气体产品，同时输送第二气体产品；(h)将来自另一吸附器单元(其相位滞后120°)的第三轻质回流气体供给吸附器单元的第二端，以便在第二排气期清洗吸附器单元；(i)提供来自另一个180°反相的吸附器单元的第二轻质回流气体，以便部分地使吸附器单元再增压；(j)将来自另一个吸附器单元(其相位超前120°)的第三轻质回流气体供给吸附器单元的第二端，以便在下一个进料期开始之前进一步对吸附器单元再增压；(k)上述工序交变重复，经过连续的转动角360°/M。V.径向流实施例，图33至图36公开实施例的装置的构型一般可设计得使流动以相对于转子轴的轴向、径向或斜锥向通过吸附器单元。根据本发明的径向流旋转组件10，如图33和图36所示。图33显示每转二个循环的径向流组件的俯视剖面图，因此，M＝2。图36显示组件10的剖面简图，其剖面图，参见图34。
组件10包括一个转子400，该转子绕定子30中的轴12以箭头120所示的方向转动。图35是在图33中由箭头35-35限定的组件10的轴向剖面，组件10安装在多层歧管装置190部分，多层歧管装置可含有其它相似的组件。图33是图36中由箭头33-33限定的组件10的剖面图。
如图32所示，转子400呈环形，具有一个与轴12同心的外圆柱壁16。外圆柱壁16的外表面限定第一阀面46。内圆柱壁18的内表面限定第二阀面48。转子400(在图36中，由箭头32-32限定的剖面平面内)总共有“N”个径向流吸附器单元14。相邻对吸附器单元14A和14B之间由隔板19隔开，隔板与外壁16和内壁18结构连接并密封。相邻吸附器单元14A和14B相对于轴12的间隔角度为[360°/N]。
吸附器单元14有一个第一端42和一个第二端44。优选的是将吸附器提供成吸附叠层结构，在叠层之间具有流动通道72，在吸附器14的第一端42和第二端44之间提供流动路径。由吸附器第一端和第二端上的分别穿过外壁16和内壁18的孔口，将吸附器14的第一端42和第二端44分别与第一阀面46和第二阀面48接通。
如图32和图35所示，组件10包括一个定子装置401和一个内圆柱形壳体405。定子装置401有一个外圆柱形壳体403，封装环形转子400外的第一阀定子28的第一阀功能小室。内圆柱形壳体403支承环形转子400内的第二阀定子30的第二阀功能小室。外壳体403在相邻功能小室之间有隔板406，支承轴向延伸的阀密封单元407，密封单元409与第二阀面48密封接合。在第一阀面46和第二阀面48内的每一个吸附器14的第一端42和第二端44，带状密封件的水平方向密封宽度，大于穿过外壁16和内壁18的孔口的水平方向宽度。
定子装置401还可包括一个顶板411和底板413，各自与外壳体403和内壳体405连接，从而封装转子400。转子400由顶板411上的上轴承405和底板413上的下轴承417支承。定子装置401内的转子驱动装置(未示出)以需要的转动频率驱动转子400旋转。轮缘式转子驱动装置是转子400合适的驱动形式。
定子装置401还可包括带有静密封件(例如O形环)的密封突缘421和一个顶缘425。密封缘421与每一个歧管隔板192中的密封圈423接合，顶缘425将组件10置于多层歧管结构内，以便与密封件合适地接合。安装的径向流组件10作为插件，贯穿多层歧管结构。对于很大容量PSA装置，在多层歧管装置，与图22和图23描述的装置类似中，可安装任何所需数量的径向流组件10。
图34和图35分别显示第一阀定子28和第二阀定子30中第一功能小室的标记和歧管互连情况。外壳体403内的一组第一功能小室，在一个角扇面内均与第一阀面46接通，每一组第一功能小室使第一阀面46的角扇面和组件外的一根歧管10之间流体接通。第一功能小室的角扇面要比吸附器单元14的角间隔宽得多。各第一功能小室在第一密封面上由阀密封单元密封。在图33中，以转子转动方向顺时针运作时，可提供具有相同功能的第一功能小室，用与图17和图18用的相同的标号，注上下标A和B，反映本发明M＝2的情况。
图34显示组件进料端的平面图。该图显示了由箭头10-10限定的平面内的第一阀面46中的第一定子28的第一定子阀面46，是从空气分离氧气的真空PSA系统的例子。显示了与进料压缩机124和真空泵排气机128的流体连接。进料压缩机124从进口过滤器126引入料气，真空泵排气机128将氮富集的第二产品输送到第二产品输送管38。显示了压缩机124和排气机128与驱动电机130的联结情况。
箭头120表示吸附器转子的转动方向。在环式密封件134和136之间的环形阀面内，由环形段140-150指明与进料部分和排气部分接通的第一定子阀面的开口面。环形段140-150对应于直接与功能小室接通的第一功能孔，采用相同的标号140-150表示。功能小室之间的阀面46的闭合区用阴影扇面154和156表示。阴影扇面154和156是无间隙的滑块。在实际应用中，滑块可以有窄间隙，以减小磨损，不出现过量的泄漏。在每一个阀密封件和密封面之间，采用逐渐缩小的间隙通道提供渐变开孔，从而使与新的功能小室接通的吸附器的压力达到平稳均衡。当另一端增压或降压时，提供更大的封闭扇面使流动基本上不进入吸附器的一端，或使流动从吸附器的一端流过来。
如图33和图36所示，注意在外定子壳体403内有贯穿孔441和442，使来自进料歧管144’的流体能直接进入对应的功能小室144A和144B。在外定子壳体403内还有其它贯穿孔，使来自(增压或排气功能的)每一个歧管层的流体能直接进入对应的增压或排气功能歧管层的第一阀功能小室。
进料压缩机将料气提供给进料增压小室140A和140B、142A和142B，和进料生产小室144A和144B。小室140和142的工作压力逐步提高，小室144处于PSA循环的高工作压力下。因此，压缩机124可以是多级或分流式压缩机系统，将适当体积的料流输送到每一个小室，从而使吸附器通过小室140和142的中压级得到增压，然后通过小室144达到最后增压和生产。可将分流压缩机系统串联成具有级间输送孔的多级压缩机；或者成为并联的多压缩机或压缩气缸，每一个压缩机将料气压缩到小室140-144的工作压力。压缩机124也可将所有料气压缩到高压，将部分料气节流到分别处于中压的供料增压小室140和142。
同样，真空泵128排放来自处于循环的低压时的排气小室152A和152B的氮富集重质气体产品，排放来自处于这些小室的逐步提高的高压下的逆流排放小室150A和150B、148A和148B的氮富集重质气体产品。小室146A和146B最初排放的逆流可在环境压力下直接排放入重质产品输送管129。与压缩机124一样，提供的真空泵128作为具有串联级或并联级的多级、或分流机器，在从低压上升到合适的中压时接收流体。
图35示出第二定子阀面48。阀面48的开孔是第二阀面功能孔，与轻质产品输送小室160直接连通；许多个轻质回流出口小室162A和162B、164A和164B、166A和166B、168A和168B；和第二定子内的同样数量的轻质回流返回小室170A和170B、172A和172B、174A和174B和176A和176B直接连通。每一对轻质回流出口小室和返回小室分别为压力交变吸附工艺的回填、全压均衡或部分压力均衡和同向流排放功能提供一级轻质回流压降。
为了说明具有能量回收的轻质回流压降，提供一种膨胀分流式轻质回流膨胀器180，为四个具有能量回收的轻质回流级提供压降。该轻质回流膨胀器用作为四个轻质回流级的压降装置，如图所示，每一个轻质回流级都有一根轻质回流导管，分别位于一对轻质回流出口孔和返回孔之间。
从轻质产品功能小室160A和160B出来的氧气产品被输送到增压压缩机182，或者还可直接送到产品输送管道40。
本技术领域的专业人员知道，在本发明的范围内，可以有PSA循环的多种变型可适用于大范围的“n”和“M”，并且具有本发明提供的各种优点。例如，公开的上述实施例是以特殊特点为基准的。应该知道，本发明的范围不应局限于这些描述的特点，而应确定于下述权利要求。
权利要求
1.一种旋转压力交变吸附装置，它含有一个组件，该组件包括一个限定多个流体进口孔、排气孔和输送孔的定子；许多个与转子连接的吸附器单元，相对于定子能够转动的转子使流体进口孔附近的吸附器单元旋转；一个接收料流的第一歧管，该歧管通过流体进口孔间歇地与吸附器组中的吸附器单元的第一端流体接通；以及一个第二歧管，位于第一歧管附近，间歇地与吸附器组中的吸附器单元的第一端流体接通，通过由定子限定的多个排气孔和通过贯穿第一歧管的流体导管接收吸附器单元第一端排出的流体。
2.根据权利要求1所述的旋转压力交变吸附装置，组件还可包括第一吸附器组和第二吸附器组，第一吸附器组和第二吸附器组顺序地接收来自第一歧管的料流。
3.根据权利要求1所述的旋转压力交变吸附装置，它包括2至20个左右的吸附器组。
4.根据权利要求1所述的旋转压力交变吸附装置，其特征在于每一个吸附器组包括六个吸附器单元。
5.根据权利要求1所述的旋转压力交变吸附装置，所述的组件有三个吸附器组。
6.根据权利要求1所述的旋转压力交变吸附装置，所述的组件有六个吸附器组。
7.根据据权利要求1所述的旋转压力交变吸附装置，其中的料流是空气，吸附器单元包括一种氮选择性沸石，排气流是氮气。
8.根据权利要求1所述的旋转压力交变吸附装置，其中组件内的吸附器单元绕旋转轴环形放置。
9.根据权利要求8所述的旋转压力交变吸附装置，其特征在于它有n个吸附器组，每一个吸附器组具有隔角等于360°/M的m个吸附器。
10.根据权利要求1所述的旋转压力交变吸附装置，其特征在于组件是一种旋转吸附器组件。
11.根据权利要求1所述的旋转压力交变吸附装置，其中第一歧管和第二歧管呈环形。
12.根据权利要求1所述的旋转压力交变吸附装置，除第一和第二歧管外，组件至少还包括一根歧管。
13.根据权利要求12所述的旋转压力交变吸附装置，其中的歧管呈环形，并且一根歧管轴向地放置在另一根歧管上。
14.根据权利要求11所述的旋转压力交变吸附装置，其特征在于定子包括第一阀面和第二阀面，流体输送孔绕轴相互间隔成圆周状配置，并平面的占大部分。
15.根据权利要求14所述的旋转压力交变吸附装置，其中流体进口孔绕定子360度间隔开。
16.根据权利要求14所述的旋转压力交变吸附装置，其特征在于有c个流体输送孔，孔间的间隔角为360°/c。
17.根据权利要求1所述的旋转压力交变吸附装置，其特征在于定子包括第一阀面和第二阀面，流体排气孔绕轴相互间隔成圆周状配置，并平面的占大部分。
18.根据权利要求17所述的旋转压力交变吸附装置，其中的定子包括第一平面阀面和第二平面阀面，并且通过装置的流体流与第一和第二平面阀面呈轴向和法向。
19.根据权利要求17所述的旋转压力交变吸附装置，其中的定子包括第一圆柱形阀面和第二圆柱形阀面，通过装置的流体流是径向流，并且第一和第二阀面与流体流同心。
20.根据权利要求1所述的旋转压力交变吸附装置，其特征在于第一歧管与压缩机连接。
21.根据权利要求1所述的旋转压力交变吸附装置，其特征在于第二歧管与流体排放装置连接。
22.根据权利要求1所述的旋转压力交变吸附装置，其特征在于第一歧管与压缩机连接，第二歧管与流体排放装置连接，还在于流体输送装置和流体排放装置与电机连接。
23.根据权利要求1所述的旋转压力交变吸附装置，其中的流体孔的截面逐渐变小。
24.一种旋转压力交变吸附装置，它包括至少一个组件，该组件包括许多个吸附器单元；一个限定多个流体进口孔的第一定子；一根第一歧管，该歧管用于接收料流，并通过流体进口孔与吸附器组中的吸附器单元的第一端流体接通；一个第二定子，它包括压力交变吸附循环扇面，每一个扇面由轻质产品输送孔、轻质产品排放孔和轻质回流返回孔限定；以及一根第二歧管，它与吸附器组中的吸附器单元的第一端间歇地流体接通，接收吸附器单元第一端排放出的流体。
25.根据权利要求24所述的旋转压力交变吸附装置，其中的第一歧管和第二歧管是穿插式多层歧管。
26.根据权利要求24所述的旋转压力交变吸附装置，其中的歧管是平面多层歧管。
27.根据权利要求26所述的旋转压力交变吸附装置，其中的歧管是穿插式歧管。
28.根据权利要求24所述的旋转压力交变吸附装置，其中的歧管是绕径向流组件放置的嵌套同心歧管。
29.根据权利要求28所述的旋转压力交变吸附装置，其中的歧管是穿插式歧管。
30.根据权利要求25所述的旋转压力交变吸附装置，其中的第二歧管通过贯穿第一歧管的流体导管接收空气。
31.根据权利要求24所述的旋转压力交变吸附装置，它还包括阀面内的密封件，能有效地减小流体泄漏。
32.根据权利要求24所述的旋转压力交变吸附装置，其特征在于吸附器单元的端部直接与定子流体密封接触。
33.根据权利要求24所述的旋转压力交变吸附装置，它包括一个密封件，位于其中一个定子和吸附器单元的第一端附近，并有效地定位，以减小流体泄漏，并且吸附器的第二端直接与另一个定子流体密封接触。
34.根据权利要求24所述的旋转压力交变吸附装置，其中吸附器单元的端部位于大约10-50微米的定子阀面内。
35.根据权利要求24所述的旋转压力交变吸附装置，其中吸附器单元的端部位于大约0-10微米的定子阀面内。
36.根据权利要求24所述的旋转压力交变吸附装置，其中吸附器单元包括第一端和第二端、限定第一端和第二端之间的流动通道用的间隔器，并且至少有一个吸附器单元至少在第一端和第二端之一附近的流动通道部分内含有有一种填料。
37.根据权利要求36所述的旋转压力交变吸附装置，其中许多个吸附器单元至少在第一和第二端之一附近含有填料。
38.根据权利要求36所述的旋转压力交变吸附装置，其中吸附器单元在第一端和第二端附近均含有填料。
39.根据权利要求36所述的旋转压力交变吸附装置，其中填料可选用陶瓷、金属、塑料和这些材料的组合。
40.根据权利要求24所述的压力交变吸附装置，它在每一个扇面内有三个吸附器单元，每一个吸附器单元属于不同的吸附器组。
41.根据权利要求40所述的压力交变吸附装置，其特征在于轻质回流排放孔与角度滞后的流体返回孔间歇地流体连接。
42.根据权利要求24所述的压力交变吸附装置，其特征在于流体孔放置得使吸附器单元的第二端与第一轻质产品输送孔、轻质回流排放孔和轻质回流返回孔间歇地、顺序地流体接通。
43.根据权利要求24所述的压力交变吸附装置，其特征在于每一个扇面包括一个轻质产品输送孔、一个第一轻回流排放孔、一个第二轻质回流排放孔、一个第三轻质回流排放孔、一个第三轻质回流返回孔、一个第二轻质回流返回孔和一个第一轻质回流返回孔。
44.根据权利要求43所述的压力交变吸附装置，它还包括许多根流体导管，这些导管与第一轻质回流排放孔、第二轻质回流排放孔、第三轻质回流排放孔、第三轻质回流返回孔、第二轻质回流返回孔和第一轻质回流返回孔密封连接。
45.根据权利要求44所述的旋转压力交变吸附装置，其特征在于第一轻质回流排放孔与第一轻质回流返回孔流体接通，第二轻质回流排放孔与缓冲室流体接通，而缓冲室又与第二轻质回流返回孔流体接通，并且第三轻质回流排放孔与第三轻质回流返回孔流体接通。
46.根据权利要求24所述的压力交变吸附装置，其特征在于流体孔放置得使吸附器组的第二端顺序地与第一产品输送孔、第一轻质回流排放孔、第二轻质回流排放孔、第三轻质回流排放孔、第三轻质回流返回孔、第二轻质回流返回孔和第一轻质回流返回孔流体接通。
47.一种旋转压力交变吸附装置，它包括一个限定许多个流体孔的定子；许多个具有第一端和第二端的吸附器单元，吸附器单元与一个转子工作连接，转子能相对于定子转动，使流体孔附近的吸附器端部旋转，在第一端、第二端或两端附近，吸附器单元至少有部分具有增强材料，并且这些吸附器单元与流体孔直接流体接通；一根第一环形歧管，接收料流，并且通过流体孔间歇地与吸附器组中的吸附器单元的第一端流体接通；以及一根第二环形歧管，与吸附器组中的吸附器单元的第一端流体接通，通过由定子限定的许多个排气孔和通过贯穿第一歧管的流体导管，接收吸附器单元第一端排出的流体。
48.一种旋转压力交变吸附装置，每转一次能完成许多个压力交变吸附循环，它包括一个组件，该组件包括一个具有第一阀面，并限定许多个功能孔的第一定子；一个具有第一阀面，并限定许多个功能孔的第二定子；许多个吸附器单元，位于第一定子和第二定子之间，由转子使吸附器单元相对于第一定子和第二定子转动；一根第一歧管，通过由第一定子限定的功能孔，将料流送到吸附器单元的第一端，料流在吸附器单元内经受压力交变吸附，第一吸附器组中的第一吸附器单元的第二端排出的部分轻质流体通过产品孔送出，轻质流体的第二部分作为第一轻质回流部分通过第一轻质回流孔送出，第一轻质回流孔与相位滞后第一吸附器组的第三吸附器组中的第一吸附器单元流体接通，轻质流体的第三部分作为第二轻质回流部分送到缓冲室，轻质流体的第四部分作为第三轻质回流部分，通过第三轻质回流孔被排出，第三轻质回流孔与一个超前的第二吸附器组中的第一吸附器单元流体接通；以及被第三吸附器组中的最后一个吸附器单元送出的轻质流体部分，通过第三轻质回流孔被送到第一吸附器组中的第一吸附器单元的第二端，被第三吸附器组的最后一个吸附器单元送出的部分轻质流体，从缓冲室通过第二轻质回流孔被送到第一吸附器组中的第一吸附器单元的第二端，被第二吸附器组中的最后一个吸附器单元送出的部分流体，通过第一轻质回流返回孔送到第一子组中的第一吸附器单元的第二端。
49.根据权利要求47所述的旋转压力交变吸附装置，其特征在于吸附器单元包括一种螺旋缠绕吸附薄片。
50.根据权利要求49所述的旋转压力交变吸附装置，它还包括放置在螺旋缠绕吸附薄片之间、限定流动通道用的径向延伸的间隔器。
51.根据权利要求47所述的旋转压力交变吸附装置，其特征在于吸附器单元包括第一端和第二端，并且第一端和第二端均被增强。
52.根据权利要求51所述的旋转压力交变吸附装置，其特征在于吸附器单元包括位于第一增强端和第二增强强端之间的第一区和第二区，其中第一区含有干燥剂，第二区含有沸石。
53.根据权利要求48所述的旋转压力交变吸附装置，它包括许多根环形多层穿插歧管。
54.一种压力交变吸附装置用的吸附器单元，包括许多个具有第一端和第二端的流体通道；金属带或填料，至少用于流体通道的一部分，并至少置于第一端和第二端之一附近，以增强流体通道，填料可选用粘土、玻璃、陶瓷、聚合物、硅胶、金属或这些材料的组合。
55.根据权利要求54所述的吸附器单元，包括显著增强所有流体通道用的填料。
56.根据权利要求53所述的吸附器单元，包括在第一端和第二端附近的填料。
57.根据权利要求53所述的吸附器单元，其中吸附器单元端部经过增强，以防止流体流侵蚀。
58.根据权利要求53所述的吸附器单元，其中的吸附器单元的端部经过增强，以防止与阀面产生磨损。
59.一种旋转压力交变吸附装置，它包括一个吸附器罩；一个螺旋缠绕吸附器，安放在罩内，吸附器的第一端和第二端接合阀面。
60.根据权利要求59所述的旋转压力交变吸附装置，其中第一端和第二端在阀面之间间歇大约为0-10微米。
61.根据权利要求59所述的旋转压力交变吸附装置，包括许多个螺旋缠绕的吸附器。
62.至少将一种流体从流体混合物中分离出来的方法，该方法采用旋转压力交变吸附装置，该装置具有许多个吸附器单元，环形地放置在绕该装置的转子部分的吸附器组内，它包括供应至少一种料流，将吸附器单元增压到高压；在高压下传送第一产品流体；排放轻质回流；将轻质回流输送到装置的不同部分；在低压下排放至少一种第二气体产品；接收由装置的不同部分送出的至少一种轻质回流；在许多各部位同时实现吸附工艺；以及转子每转动一次，实现多个压力交变吸附工艺。
63.根据权利要求62所述的方法，其特征在于排出的轻质回流包括轻质回流的第一部分、第二部分和第三部分。
64.根据权利要求63所述的方法，其特征在于第一轻质回流被输送到相位滞后的吸附器组的吸附器单元的第二端。
65.根据权利要求63所述的方法，其特征在于第二轻质回流被输送到装置的压力均衡部分。
66.根据权利要求63所述的方法，其特征在于第三轻质回流被输送到超前的吸附器组中的吸附器单元的第二端。
67.根据权利要求62所述的方法，其特征在于接收到的轻质回流包括轻质回流的第一部分、第二部分和第三部分。
68.根据权利要求67所述的方法，其特征在于从超前的吸附器组的吸附器单元的第二端接收第一轻质回流。
69.根据权利要求63所述的方法，其特征在于从装置的压力均衡部分接收第二轻质回流。
70.根据权利要求67所述的方法，其特征在于从滞后的吸附器组的吸附器单元的第二端接收第三轻质回流。
71.根据权利要求62所述的方法，其特征在于排放的轻质回流部分地使吸附器单元降压。
72.根据权利要求62所述的方法，其特征在于返回的轻质回流清洗吸附器单元，并部分地使吸附器单元再次增压。
73.根据权利要求62所述的方法，其特征在于每一个吸附器单元在装置每转一次完成2-10个压力交变吸附循环。
74.根据权利要求73所述的方法，其特征在于每一个吸附器单元在转子每转一次完成六个压力交变吸附循环。
75.至少将一种流体从流体混合物中分离出来的方法，该方法采用旋转压力交变吸附装置，该装置具有许多个吸附器单元，环形地放置在绕该装置的转子部分的吸附器组内，它包括在低工作压力与高工作压力之间的中压下，允许料流进入多个吸附单元扇面中的第一吸附器单元的第一端；从工艺开始到大约T/6的时间段t，将许多个第一吸附器单元增压到高工作压力，其中T等于一个压力交变吸附循环期；在T/6＜t＜T/3的时间段，在高工作压力下排放轻质回流产品；在T/3＜t＜T/2的时间段，排放第二轻质回流部分，使吸附器单元的压力降低到第二中压；大约在T/2时，排放第三轻质回流部分，作为另一个吸附器单元组中的吸附器单元的清洗流；大约在T/2＜t＜5T/6的时间段，排放富集的易被吸附的组分的重质产品，并使吸附器单元降压；以及大约在5T/6＜t＜T的时间段，通过将第二轻质回流流体输送到吸附器单元的第二端，将吸附器单元从低压再增压到中压。
76.根据权利要求75所述的方法，还包括大约在T/3时排放第一轻质回流部分，并允许第一轻质回流流体进入吸附器单元的第二端，将吸附器单元增压到第一中压。
77.一种使吸附器单元具有窄的增强通道的方法，它包括提供一种具有第一端和第二端的吸附器，并限定具有某一宽度和高度的窄流动通道，该流动通道宽度大约等于流动通道高度的1-100倍；将短效材料放置在第一端和第二端处的通道内；将增强材料加到第一端和第二端及短效材料周围，并使增强材料在短效材料周围固化；以及除去短效材料，通过第一端和第二端处的增强材料限定流体流开孔。
78.根据权利要求77所述的方法，其中的窄流动通道的宽度大约等于流动通道高度的1-20倍。
全文摘要
旋转压力交变吸附系统，以M.＞1轴流式和径向流式，提供穿插、多层歧管，适应复杂的压力交变吸附工艺的所有工序，无论“M”取何值，适合于均一的紧密度。对单个压力交变吸附工厂系列装置用的单个多层歧管内，该方法易于扩展到适应许多个旋转压力交变吸附组件及其协调工作的压缩机械。旋转压力交变吸附装置包括限定流体孔用的定子，这些定子包括压力交变吸附循环扇面，每个扇面由轻质产品输送孔、轻质产品排放孔和轻质回流返回孔限定。吸附器单元可与一个或多个定子以流体密封方式直接接触。一种压力交变吸附方法采用上述装置，然后供应至少一种料流，使吸附器组增压到高压，引发压力交变吸附循环。
文档编号B01D53/02GK1392801SQ01802887
公开日2003年1月22日 申请日期2001年9月25日 优先权日2000年9月25日
发明者伯威·G·基佛, 马修·巴比基, 布赖恩·塞拉斯, 伊恩·斯潘塞·帕克, 戴维·G·多曼, 阿兰·卡雷尔, 苏拉业特·罗伊 申请人:探索空气技术公司