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CN1195571C - 采用吸附剂床顶部和底部同时抽空的变压吸附方法和系统 - Google Patents

采用吸附剂床顶部和底部同时抽空的变压吸附方法和系统 Download PDF

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CN1195571C CNB981223931A CN98122393A CN1195571C CN 1195571 C CN1195571 C CN 1195571C CN B981223931 A CNB981223931 A CN B981223931A CN 98122393 A CN98122393 A CN 98122393A CN 1195571 C CN1195571 C CN 1195571C
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Abstract

本发明涉及将吸附器顶部的低纯度氧气回收到一个接受罐中，以作为一种吹扫回流气体。无用气体的回收使过程效率得到改善。本发明在进行主要的废气抽空操作的同时，还可进行吸附器顶部的抽空，以去除低纯度的无用气体。同时进行吸附器两端顶部无用气体的顺流回收和废气的逆流抽空使得产品的回收与传统工艺相比有3-5%的总的提高。

Description

采用吸附剂床顶部和底部 同时抽空的变压吸附方法和系统
本发明指向真空/变压吸附(V/PSA)的过程循环。尤其是本发明涉及效率和产品回收得到改善的PSA过程循环。
传统的双床PSA系统包括有进料吸附和废气排出操作步骤，因此不可避免地有随之而来的吸附器的操作循环。在这种循环过程中会在吸附剂床中形成吸附前沿(front)。对于先进吸附剂的高效循环设计已使这些吸附前沿在床的两端都接近了临界点。这样就在一个吸附循环的终点在吸附前沿的顶部，以及在吸附器内的任一个上封头空间中留下了富集在轻组分中的气体。在PSA循环中将这种富集气体称为无用气体。
传统工艺或是将这种未被回收的无用气体留在吸附器中，在抽空阶段中充当一种低效的吹扫气体，或是在废气排出步骤以前通过在产品制造步骤或均衡步骤中将分离前沿推出吸附器顶部而排出这种无用气体。这些选择方法都导致了循环的低效运行。
已经提出的对传统工艺的改进包括了增加均衡、吹扫和产品加压步骤。图1中给出了一种典型的方法和系统，它已在美国专利5,702,504(Smolarek等)中被介绍。这种工艺需要两个吸附床，一个产品受槽(PT)，一台进料鼓风机和一台真空泵，以及相应的切换阀门。这个工艺包括如下步骤：
步骤#1  在用产品罐氧气进行逆流顶部加压的同时进行增压进料；
步骤#2  增压进料；
步骤#3  恒压产品制造步骤；
步骤#4  顺流无用气体回收，将这种气体作为均衡气提供给另一个吸附床；
步骤#5  在逆流抽空的同时进行顺流无用气体回收，将无用气体提供给另一个吸附床；
步骤#6  降压抽空；
步骤#7   降压抽空；
步骤#8   利用产品氧气进行逆流吹扫；
步骤#9   利用另一个床的无用气体进行逆流吹扫和加压；
步骤#10  利用另一个床的无用气体进行逆流加压，同时进料。
在上述循环中，通过重叠均衡操作将顶部的无用气体部分回收。遗憾的是利用均衡进行回收的问题在于当两床均压后无用气体的回收也就终止了。可以利用多床循环来提高无用气体的回收，但能被回收的数量仍存在着极限。
如在美国专利5,518,526(Baksh等)和5,702,504中所述的那些目前的循环也采用和进料或抽空步骤同时进行的重叠均衡。这些步骤的目的是提高吸附剂和机械设备的利用率。它们并不一定提高无用气体的回收，而事实上在某些情况下这种重叠方式还降低了无用气体的回收。
因此存在一种对顶部无用气体能被有效地利用的PSA方法和系统的需求。
因此本发明的一个目的是提高空气分离吸附系统的效率。
本发明更进一步的目的是提供一种能有效地回收顶部无用气体的系统和方法。
本发明的一种优选的实施方案包括一种从一种更优(morepreferred)气体和一种次优(less preferred)气体的混合物中提取所说更优气体的变压吸附(PSA)方法。该方法利用包围在一个外壳中的吸附剂床，在平衡吸附条件下此吸附剂床表现出对所说次优气体的选择性优先吸附能力。这种方法最好包括以下步骤：
a)利用所说混合物的进料将所说吸附剂床加压至高压，使所说吸附剂床能吸附所说次优气体，与此同时逆流进料从一个装有更优气体产品的产品罐得到的气体；
b)在所说高床压下从所说床中取出一个所说更优气体的气流，并将所说更优气体气流的至少一部分储存在一个产品罐中；
c)将所说外壳中的无用气体进料到一个无用气体储罐中，从而从所说吸附剂床中解吸所说次优气体，与此同时通过将所说吸附剂床排空到一个低压区，而从所说吸附剂床中解吸所说次优气体；
d)终止所说无用气体到所说无用气体储罐的进料；
e)将所说吸附剂床排空到一个低压区，而进一步从所说吸附剂床中解吸所说次优气体；
f)将所说无用气体储罐中所说无用气体一部分进料到所说吸附剂床中，以吹扫所说吸附剂床，同时排空所说吸附剂床；
g)利用来自一个第二吸附床的均衡气流将所说吸附剂床加压到一个中间压力；
并重复a-g的步骤，直到对于所说更优气体的要求得到满足。
在一个更优选的实施方案中，上述PSA方法还包括一个额外步骤，其中如果所说均衡气体不足以使所说吸附剂床达到所说中间压力，加压步骤g)还从所说产品罐进料一部分所说更优气体，使所说吸附剂床加压。
本发明的另一个实施方案优先包括一种从一种更优气体和一种次优气体的混合物中提取所说更优气体的PSA方法，其中该方法利用第一吸附剂床和第二吸附剂床，它们各自包容在一个外壳中，并且在平衡条件下表现出对所说次优气体的选择性优先吸附能力。第一吸附剂床按顺序地进行a，b，c，d，e，f和g步骤，而第二吸附剂床则并行和按顺序地进行d，e，f，g，a，b和c步骤，其中步骤a-g包括：
a)用所说混合物的进料将所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床中的一个加压到高压，以吸附所说次优气体，与此同时使所说吸附剂床逆流进料来自一个装有更优气体的产品罐中得到的气体；
b)在所说床压下从所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床的所说的一个中取出一个所说更优气体气流，并将所说更优气体气流的至少一部分储存在所说产品罐中；
c)将所说外壳内的无用气体进料到一个无用气体储罐中，而从所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床的所说一个中解吸所说次优气体，同时通过将所说吸附剂床排空到一个低压区，而从所说吸附剂床中解吸所说次优气体；
d)终止向所说无用气体储罐进料所说无用气体；
e)通过将所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床的所说一个排空到一个低压区，而进一步从所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床的所说一个中解吸所说次优气体；
f)将部分来自所说无用气体储罐的所说无用气体进料到所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床的所说一个中，吹扫所说吸附剂床，同时排空所说第一吸附剂床或第二吸附剂床；以及
g)利用来自所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床的一个中的一个另外的均衡气流将所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床的所说一个加压到一个中间压力；
并重复步骤a-g，直至对于所说更优气体的要求得到满足。
在前一种PSA方法的另一种优选的实施方案中，如果所说无用气体不足以使所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床中的所说一个达到所说的中间压力，加压步骤g)则从所说产品罐进料所说更优气体，以加压所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床中的所说一个。
本领域的技术人员从以下对优选方案和附图的介绍中将能够了解本发明的其它目的，特点和优点，其中：
图1是说明传统PSA过程循环的工艺流程图。
图2是说明本发明PSA过程循环的一种实施方案的工艺流程图。
图3是描述一种可在本发明的实践中采用的PSA系统的示意图。
图4是说明本发明PSA过程循环的一种实施方案的工艺流程图。
本发明的要点是从吸附器顶部(例如顶部无用气体)将低纯度氧气(例如有代表性的是大约50-88vol％氧，尤其是大约70-85vol％氧)回收到一个接受罐中。其后将这种气体当作一种吹扫回流气体来使用。由于增加了无用气体的回收，过程的效率也得以提高。本发明可以独立于目前的均衡无用气体回收方法加以实施。
本发明还可以在进行主要的废气抽空步骤的同时，利用从吸附器顶部同时抽空来排出低纯度的无用气体。这种同时进行的顶部无用气体的顺流回收和从吸附器两端的废气逆流抽空使得产品回收率和传统工艺相比能有一个3-5％的总的提高。
图2说明了对在图1中描述的居先技术循环的改进。本发明的系统除了两个吸附床，一个产品接受罐(PT)，一台进料鼓风机和一台真空泵，以及相应的切换阀门外，还需要一个无用气体接受罐(VT)。
在下面的表1中一般性地介绍了各操作步骤，床层压力和各步骤的时间。请注意在此并无意将下述的床层压力和步骤时间加以限定，事实上它们是随进料速度，压缩设备尺寸，温度和吸附剂特性而变的。
实际上在本发明的实践中，压力可以在大约206.843-13.789kPa(30-2psia)，最好是在大约151.685-27.579kPa(22-4psia)，尤其是在138.569-31.712kPa(20.1-4.6psia)的范围中，而循环时间则可以在大约10-60sec，最好是在大约20-40sec，尤其是在25-30sec的范围中。本领域的技术人员可以体会到略微变更这些数值有可能使本发明的循环得到进一步的优化，而顶部的抽空过程则可以在很大的操作条件范围中进行。
表1循环过程说明
循环步骤说明           步骤时间    起始压力       终点压力
                         (sec)       kPa(psia)      kPa(psia)
步骤#1                   3.5         72.04(10.45)    115.47(16.75)
在用成品罐氧气进行逆流顶
部加压的同时进行增压进料
步骤#2                   2.5         115.47(16.75)   127.54(18.5)
增压进料
步骤#3                   10          127.54(18.5)    140.38(20.1)
恒压产品制造
步骤#4                   1.75        140.38(20.1)    113.75(16.5)
将无用气体顺流供至另一个
床以进行均衡
步骤#5                   3.5         113.75(16.5)    8.618(11.25)
在逆流抽空的同时进行顺流
无用气体回收；将无用气体
供至另一个床
步骤#6                   3.5         8.618(11.25)    53.08(7.7)
在逆流抽空的同时进行顺流
无用气体回收；将无用气体
供至低纯度氧气储罐
步骤#7     9.75     53.08(7.7)     31.71(4.6)
降压抽空
步骤#8     2.75     31.71(4.6)     31.71(4.6)
用低纯度无用气体进行逆流
吹扫，并进行恒压抽空
步骤#9     1.75     31.71(4.6)     45.50(6.6)
在增压抽空的同时用来自另
一个床的无用气体进行逆流
吹扫
步骤#10    2.0      45.50(6.6)     72.04(10.45)
在进料的同时用来自另一个
床的无用气体进行逆流加压
PSA系统(参见图3)包括2个各自用吸附剂填充的床10和12。空气入口管道14将进料空气经过滤器15供至压缩机16，压缩机又通过可任选的油水过滤器18和碳捕集器20将压缩后的空气分别进料到进料阀22和24，以及床入口管26和28。一对排气阀30和32将床入口管26和28连接到管道34，该管道被连接到一台或多台可任选的真空泵36。
床10和12包括产品出口管道38和40，它们通过阀42和44通到产品管道46，并通过控制阀48通到高压产品储罐50。管道52及阀54和56使产品气体能够从储罐50分别进料到床10和12。管道52供给回流(吹扫和产品加压)所需的气体。管道46还使床顶无用气体能通过阀66进料到低压无用气体回收罐68中。在床顶气体抽空步骤#6和#1过程中，将控制阀66的操作调至循环，以进行被控制的气体排出。在步骤#8和#3过程中再次打开阀66，以便将低纯度的吹扫气体通入到要被吹扫的容器中。
可以任选地分别通过阀58和60将出口管道38和40进一步连接起来，使从顺流减压步骤得到的气体能进入均衡罐62。图3中的所有阀门都是通过一个计算机系统和程序逻辑运算电动操作的。在本发明的一个优选实施方案中，吹扫所需的气体首先从无用气体回收罐68得到。如果还需要额外的吹扫气体，则可通过管道52从产品储罐50得到较高纯度的气体。
在吹扫完成后就开始产品加压。产品加压步骤所需的气体自产品储罐50得到。然而如果在吹扫以后可任选的均衡罐62中还装有剩余气体，那么就可以将剩余气体用在产品加压的开始阶段。一旦均衡罐62中的气体被消耗光，接着就利用储罐50中较高纯度的气体来完成产品加压。
现在将参考图3来详细介绍本发明的循环过程。在叙述中假定所有阀门在循环的每一步中都是关闭的，除非明白地指出在那一步中是处在打开的位置。
步骤#1  在用产品罐氧气进行逆流顶部加压的同时进行增压进料
床10：打开阀22将进料(空气)引入吸附器10的底部，使其进入并将床10加压。在此步骤中压力从48.263-103.421kPa(7-15psia)，最好是62.052-82.737kPa(9-12psia)，尤其是72.04kPa(10.45psia)提高到82.737-151.685kPa(12-22psia)，最好是103.421-124.106kPa(15-18psia)，尤其是115.47kPa(16.75psia)。这一步持续2-6sec，最好是3-4sec，尤其是3.5sec。在此步骤中打开阀54，同时将来自产品缓冲罐50的加压/回流氧气引入吸附器10的顶部。
床12：在此过程中，打开阀32，44和66，床12运行步骤#6。
步骤#2  增压进料
床10：将进料空气通过打开的阀22引入吸附器10，不从其顶部加入或排出氧气。在此步骤中压力从82.737-151.685kPa(12-22psia)，最好是103.421-124.106kPa(15-18psia)，尤其是115.47kPa(16.75psia)提高到101.421-193.03kPa(15-28psia)，最好是117.211-137.895kPa(17-20psia)，尤其是127.54kPa(18.5psia)。这一步持续1-5sec，最好是2-3sec，尤其是2.5sec。与步骤#1相比，在这一步中不加入回流氧气，因此压力变化较慢。
床12：在此过程中，打开阀32，床12运行步骤#7。
步骤#3  恒压产品制造
床10：通过打开的阀22将进料空气引入吸附器10的底部，同时通过打开的阀54从顶部排出氧气产品。在这一步中压力保持相对恒定。压力范围在103.421-206.843kPa(15-30psia)，最好是124.106-151.685kPa(18-22psia)，尤其是138.57kPa(20.1psia)。这一步持续5-15sec，最好是9-11sec，尤其是10sec。由压缩机16供给进料空气，压力比几乎不变化。通过打开的阀54将氧气产品供至氧气缓冲罐50。
在产品制造步骤中氧气产品纯度保持相对恒定。氧气加压步骤#1在氧气制造步骤#3之前将高纯度氧气(例如纯度大约90-95vol％的氧气)引入吸附器10的顶部，消除了在步骤#3开始时出现氧气纯度尖峰的可能。产品制造步骤在氧气工作面事实上穿透床10顶部以前终止。
床12：在这一步中，床12运行步骤#8。因此阀66和44是打开的。
步骤#4  向床12顺流供给无用气体以进行均衡
床10：在这一步中床10顶部的剩余压力和无用氧气产品通过打开的阀42从容器顶部排出，并作为吹扫氧气通过打开的阀44送入吸附器12，没有物流从吸附器10的底部排出。吸附器10的压力从103.421-206.843kPa(15-30psia)，最好是124.106-151.685kPa(18-22psia)，尤其是138.57kPa(20.1psia)降至82.737-165.474kPa(12-24psia)，最好是103.421-124.106kPa(15-18psia)，尤其是113.75kPa(16.5psia)。这一步持续1-4sec，最好是1-2sec，尤其是1.75sec。氧浓度开始时是产品纯度(例如大约90-95vol％的氧)，在终点时由于前沿穿透吸附器10的顶部，氧浓度降为大约85％的氧。在这一步中罗茨型进料空气压缩机被排空。
床12：与此同时床12经历步骤9，因此阀32是打开的。
步骤#5  在逆流抽空的同时顺流回收无用气体；将无用气体供至床12
床10：经过打开的阀30借助罗茨型真空泵36从吸附器10底部排出废氮气。压力从82.737-165.474kPa(12-24psia)，最好是103.421-124.106kPa(15-18psia)，尤其是113.75kPa(16.5psia)降至48.263-124.106kPa(7-18psia)，最好是68.947-89.631kPa(10-13psia)，尤其是77.557(11.25psia)。这一步持续1-6sec，最好是3-4sec，尤其是3.5sec。废气中的氧浓度从开始时的大约空气纯度下降至大约2-10vol％氧的最低废气纯度。继续从吸附器10顶部经打开的阀42排出均衡下降的氧气流，经打开的阀44将其供至吸附器12顶部。
床12：与此同时床12经历步骤10。因此阀24是打开的。
步骤#6  在逆流抽空的同时顺流回收无用气体；将无用气体供至低纯度氧气储罐
在这一步中同时进行顶部和底部抽空，并回收额外的无用气体。
床10：经过打开的阀30从吸附器10的底部将废氮气排至罗茨真空泵36。压力从48.263-124.106kPa(7-18psia)，最好是68.947-89.631kPa(10-13psia)，尤其是113.75kPa(11.25psia)降至27.579-82.737kPa(4-12psia)，最好是41.368-62.052kPa(6-9psia)，尤其是53.08kPa(7.7psia)。这一步持续1-6sec，最好是3-4sec，尤其是3.5sec。在这一步中从容器10顶部排出吸附器10顶部的剩余压力和氧气产品，经过打开的阀42和66将其供至低纯度低压无用气体回收罐68。此储罐68在真空下操作，以便于低压气体的输送。这一步为在体系中额外地回收无用气体创造了条件。
床12：与此同时床12经历步骤#1，因此阀24和56是打开的。
步骤#7  降压抽空
床10：废氮气经打开的阀30从吸附器10底部排至罗茨真空泵36。压力从27.579-82.737kPa(4-12psia)，最好是41.368-62.052kPa(6-9psia)，尤其是53.08kPa(7.7psia)降至13.789-55.158kPa(2-8psia)，最好是27.579-41.368kPa(4-6psia)，尤其是31.712kPa(4.6psia)。这一步持续5-15sec，最好是9-11sec，尤其是9.75sec。没有物流从吸附器10顶部排出。
床12：与此同时床12经历步骤#2，因此阀24是打开的。
步骤#8  用低纯度无用气体进行逆流吹扫和恒压抽空
床10：达到最低抽空压力，并从无用气体回收罐68经打开的阀66和42将吹扫氧气供至吸附器10的顶部。在这一步中压力保持在13.789-55.158kPa(2-8psia)，最好是27.579-41.368kPa(4-6psia)，尤其是31.712kPa(4.6psia)的恒定压力下。这一步持续1-6sec，最好是2-4sec，尤其是2.75sec。这个恒定压力是由于吹扫流量和经过打开的阀30的抽空流量相等而得以维持的。在此过程中废气纯度(例如大约2-10vol％氧)保持相对恒定。
床12：与此同时床12经历步骤#3。因此阀24和56是打开的。
步骤#9  用吸附器12的无用气体进行逆流吹扫，同时增压抽空
床10：罗茨真空泵36继续经打开的阀30从吸附器10底部排出废气，同时经打开的阀42和44将吸附器12的均衡氧气加至吸附器10的顶部。在此步骤中因来自吸附器12的均衡氧气的流入，使吸附器10的压力升高，均衡氧气流量大于此过程中抽空的流量。在这一步中压力从13.789-55.158kPa(2-8psia)，最好是27.579-41.368kPa(4-6psia)，尤其是31.712kPa(4.6psia)升至27.579-68.947kPa(4-10psia)，最好是34.473-55.158kPa(5-8psia)，尤其是45.50kPa(6.6psia)。这一步持续1-5sec，最好是1-3sec，尤其是1.75sec。废气流34的氧浓度开始略有提高，在这一步的终点随着氧气工作面穿透吸附器10的底部而达到大约5-15vol％氧的纯度。
床12：与此同时床12经历步骤#4。如前指出的，阀44是打开的。
步骤#10  用吸附器12的无用气体进行逆流加压，同时进料
这一步开始吸附器10的进料空气加压和吸附。
床10：从罗茨压缩机16经打开的阀22使空气进料到吸附器10的底部。在这一步中压力从27.579-68.947kPa(4-10psia)，最好是34.473-55.158kPa(5-8psia)，尤其是45.50kPa(6.6psia)迅速升至48.263-96.526kPa(7-14psia)，最好是62.052-82.737kPa(9-12psia)，尤其是72.04kPa(10.45psia)。这一步持续1-4sec，最好是1-3sec，尤其是2sec。在这一步中还同时经过打开的阀42和44从吸附器12将均衡氧气送入吸附器10的顶部。吸附器12继续减压。
床12：与此同时床12经历步骤#5。如前所指出的，阀44是打开的。阀32也是打开的。
正如可以从以上叙述以及图2和3看到的，本发明使用了一个额外的低纯度无用气体储罐(VT)。这个储罐一般是在真空下操作的，其功能是回收并储存步骤#6的无用气体。如在步骤#4和#5中所示，还借气体的顺流压力输送步骤将一些无用气体排至另一个吸附器。
由于增加了步骤#6，在抽空过程中将额外数量的气体回收到这个低纯度无用气体储罐中。在步骤#8中利用储存在这个储罐中的气体来提供对容器的初始低压吹扫。
储存在无用气体储罐中的气体的纯度低于产品气体(一般为大约-vol％氧)，这是因为这些气体的大部分是由留在吸附器传输前沿中的气体组成的，在这个前沿中纯度迅速下降。这些气体作为床层吹扫气被引入进行初始回流，从而在过程中得到了最好的利用。将低纯度吹扫气储存在一个单独的受槽中为其后用更高纯度的气体对容器继续进行吹扫创造了条件。床层的这种回流方式降低了因不同纯度的气体的混合而造成的损失。
本发明对传统工艺提出了几项性能改进。它们是：
1)利用本方法所回收的那部分额外的无用气体在使用其它方法时会在真空泵抽空过程中经过吸附器被排出。在抽空过程中由于气体是在较高的抽空压力下被引入的，在通过吸附器被排出时这种吹扫气是一种低效的吹扫气。因为当床层在最低吸附压力时引入吹扫气时吹扫气的效率最高，所以在抽空过程中引入吹扫气时总的废气纯度会较高，这样就降低了总的氧回收率。
2)从一个低压储罐供给吹扫气体降低了在吹扫气供给时因节流造成的效率损失。气体的节流导致不可逆的能量损失。按照本发明在较低压力的无用气体储罐中储存吹扫气体将降低吹扫气体的储存压力，因此在将这种气体作为吹扫气供给更低压力的吸附器时减少了能量的损失。传统的系统从一个几乎是在系统最高吸附压力下的供气源节流吹扫气体，因此会造成较大的节流损失。
3)由于被回收的(较低纯度的)顶部无用气体所代替，床层回流所需的高纯度气体的数量减少了。
4)在储罐中储存吹扫气体为其后用更高纯度的气体继续容器吹扫创造了条件。床层的这种回流方式降低了因不同纯度的气体的混合所造成的产品损失。
如前文所指出的，借本发明的方法回收的额外的无用气体在使用其它方法时会在真空抽气过程中通过吸附器而被相对无效地排出(图1，步骤#6和#7)。由于是在较高的抽空压力下被引入的，这种在抽空过程中通过吸附器排出的气体将只能起到低效吹扫的作用。因此总的废气纯度会较高，造成总的氧气回收率的下降。
本发明的方法并不局限于在上述表1中所述的工艺步骤。例如，顶部抽空无用气体回收步骤可以通过各种循环组合来实行。一种替代的实施方案利用一种连续进料和抽空循环，采用和美国专利5,518,526和5,702,504中所述的循环相似的步骤。
这种替代循环在图4中得到说明，它和图2的循环不同之处在于图2循环中的步骤#4和#9被取消了，在图2循环的这些步骤中进料鼓风机被卸去负荷，并进行降压均衡。这种替代方案取消了这些步骤，在同时从顶部和底部抽空的步骤中回收无用气体。这种替代循环连续地运行进料风机和真空泵，减少了进料风机的排代。
在另一种实施方案中可以用来自储罐50的产品氧气进行额外的吹扫，以扩大靠顶部无用气体抽空进行的床层吹扫。
在以上图2和4中所叙述的PSA循环的基础上可以做一些变更，以改变一个或几个步骤，但并不偏离本发明。例如进料和产品加压步骤可以同时进行，而不像如上所述的顺序进行。如果循环中的低压低于1.0atm，即PSA循环利用一台真空泵进行抽空，那么还可以在进行逆流降压步骤时通向大气，直到床内压力降至1.0atm时再开始抽空。
双床PSA循环(即图2-4)还可以利用一个均衡罐进行操作，使过程有更大的灵活性。例如，在图2和4所示的循环中的各个步骤不一定非要占据固定的时间周期。这样可以利用如像压力和组成这些物理变量来确定分配给每一步的时间，因此可以调整循环过程以适应温度，压力和产品需求变化的要求。
由于不要求床-床之间的气体输送，因此有可能独立地运行每一个床层，而将此过程看成是单个床层单元的集合。但是为了能适当地确定大小以及共享压缩机和真空泵，有必要使一个床的整个循环与其它床的循环有某种同步。
应该注意到本发明的循环并不局限于所描述的双床系统。说得更确切些可以对所有单个床层以及多个床层的循环一起实施顶部无用气体的抽空回收，以促进无用气体的回收。
虽然本文中所介绍的发明采用在顶部和底部有浅碟形封头的园筒形吸附剂床，气体沿轴向流动，但也可以采用其它的床层构型。例如可以采用径向床，以降低压力损失，并由此而降低功率消耗。另外如果在PSA过程中使用两种或多种N2或O2平衡选择吸附剂时，则可以将不同的吸附剂床顺序或分层地排放在一个单独的床层中。
此外还可以将其它吸附剂装填在床内不同位置。例如可以将活性氧化铝装填在床层的进料端，以从进料物流中除去水和二氧化碳，然后将一层或几层O2或N2平衡选择吸附剂装填在活性氧化铝的顶上，以便将空气分离成富氮气的产品。
在不背离本发明的情况下可以实现PSA方法的其它变更。例如，本发明的PSA方法可以包括去除诸如CO或轻烃这类易于穿透床层的其它微量污染物。为了防止污染物的穿透，可将吸附床变更为包括催化剂，或成分立的床层或作为吸附剂混合物的一种组分，它们能将像CO这样的组分转变成CO2，并在随后将其除去。如果有必要还可以加入其它吸附剂层，以除去反应性产物。另一种变更是在床内O2浓度还未充分消耗的区域布放催化剂层。
虽然已经针对PSA O2工艺介绍了PSA循环，给出了一些特有的实施方案，但是在本发明的范围内通过变更所披露的特点，还可以设想一些其它实施方案。例如，PSA循环并不限于跨大气压-真空变压吸附(VPSA)循环，也可以采用超大气压或次大气压的PSA循环。还可以将PSA循环用于其它混合物的分离过程，例如从填埋气中分离N2/CH4，以及其它气体混合物的分离，例如含有作为非择优吸附的产物组分的氢气和作为可选择吸附组分的各种杂质的进料的分离。这些组分包括轻烃，CO，CO2，NH3，H2S，Ar和H2O。
含有至少一种这类可吸附组分的富氢进料气包括：催化重整尾气。甲醇合成回路吹扫气，解离氨和脱甲烷塔塔顶馏出气，蒸汽重整烃类气体，氨合成回路吹扫气，电解氢和汞极电池氢气。本发明还可被用于从以氮或氦作为主要成分的气体混合物中分离上述可吸附组分中的任何一种或全部。
在一张或几张附图中表示本发明的一些具体的特点仅仅是为了方便，可以将这些特点和本发明的其它特点组合到一起。本领域的技术人员可以提出其它可供选择的实施方案，这些被认为是包括在权利要求范围之中的。

Claims (10)

1.一种用于从一种更优气体和一种次优气体的混合物中提取所说更优气体的变压吸附(PSA)方法，所说方法利用在一个外壳内的在平衡条件下对所说次优气体有选择性择优吸附能力的吸附剂床，所说方法包括以下步骤：
a)用所说混合物的进料将所说吸附剂床加压到一个高压，使所说吸附剂床能吸附所说次优气体，与此同时逆流进料从一个装有更优气体的产品储罐得到的气体；
b)在所说高床压下从所说床中取出一个所说更优气体的气流，并将所说更优气体气流的至少一部分储存到一个产品储罐中；
c)将所说外壳中的无用气体进料到一个无用气体储罐中，从而从所说吸附剂床中解吸所说次优气体，与此同时通过将所说吸附剂床排空到一个低压区，而从所说吸附剂床中解吸出所说次优气体；
d)终止所说无用气体到所说无用气体储罐的进料；
e)将所说吸附剂床排空到一个低压区，而进一步从所说吸附剂床中解吸出所说次优气体；
f)将所说无用气体储罐中的所说无用气体的一部分进料到所说吸附剂床中，以吹扫所说吸附剂床，同时排空所说吸附剂床；
g)利用来自一个第二吸附剂床的均衡气流将所说吸附剂床加压到一个中间压力；
并重复步骤a-g，直至对所说更优气体的要求得到满足。
2.权利要求1中所述的PSA方法，其中如果所说均衡气体不足以将所说吸附剂床加压到所说中间压力，所说加压步骤g)还使一部分所说产品储罐的所说更优气体进料，以加压所说吸附剂床。
3.权利要求1中所述的PSA方法，其中所述混合物包括空气。
4.权利要求3中所述的PSA方法，其中所说更优气体是氧气。
5.权利要求4中所述的PSA方法，其中在步骤b)中，在高压下从所述床中取出作为更优气体的氧气，所说氧气的纯度为90-95vol％氧。
6.权利要求1的PSA方法，所说方法利用第一吸附剂床和第二吸附剂床，每个床被包围在一个外壳中，在平衡条件下对所说次优气体有选择性择优吸附能力，所说第一吸附剂床顺序实行步骤a，b，c，d，e，f和g，而所说第二吸附剂床则同步并顺序实行步骤d，e，f，g，a，b和c，其中步骤a-g包括：
a)用所说混合物的进料将所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床中的一个加压到一个高压，以吸附所说次优气体，与此同时使所说吸附剂床逆流进料从一个装有更优气体的产品储罐得到的气体；
b)在所说床压下从所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床的所说一个中取出一个所说更优气体的气流，并将所说更优气体气流的至少一部分储存在所说产品储罐中；
c)将所说外壳中的无用气体进料到一个无用气体储罐中，从而从所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床的所说一个中解吸出所说次优气体，与此同时通过将所说吸附剂床排空到一个低压区，而从所说吸附剂床中解吸出所说次优气体；
d)终止所说无用气体到所说无用气体储罐的进料；
e)将所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床的所说一个排空到一个低压区，而进一步从所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床的所说一个中解吸出所说次优气体；
f)使所说无用气体储罐的所说无用气体的一部分进料到所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床的所说一个中吹扫所说吸附剂床，同时排空所说第一吸附剂床或第二吸附剂床；以及
g)利用来自所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床的一个中的另外的均衡气流将所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床的所说一个加压到一个中间压力；
并重复步骤a-g，直至对所说更优气体的要求得到满足。
7.权利要求6中所说的PSA方法，其中如果所说无用气体不足以将所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床的所说一个加压到所说中间压力，所说加压步骤g)还从所说产品储罐进料所说更优气体，以加压所说第一吸附剂床或所说第二吸附剂床的所说一个。
8.权利要求6中所述的PSA方法，其中所说混合物包括空气。
9.权利要求8中所述的PSA方法，其中所说更优气体是氧气。
10.权利要求9中所述的PSA方法，其中在步骤b)中，在高压下从所述床中取出作为更优气体的氧气，所说氧气的纯度为90-95vol％氧。
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