[发明专利]气体分离的过程和装置

说明书

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。