高回收率的psa循环及复杂性降低的设备的制作方法

专利名称：高回收率的psa循环及复杂性降低的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及变压吸附系统及用于执行变压吸附的方法。
背景技术：
变压吸附(PSA)是一种用于对气体混合物执行分馏的技术，该技术用于提供至少 一种提纯气体产品和副产品混合物残液。PSA技术已被成功地用于从其它气体中分离氢气、 从空气中分离氧气和氮气、以及从天然气中分离氦气、以及其它的分离操作。早期的PSA系统通常采用四个并行工作的吸附容器(adsorbentvessel)。在授予 Wagner的第3430418号美国专利中公开了这种系统的一种实例。在后来对Wagner所提工 艺的一些改进方案中，在保留四个吸附床的条件下，增加一个另外的压力均衡步骤(例如 参见授予Batta的第3564816号美国专利)，而在随后授予Fuderer等人的第3986849号美 国专利中，对于七个或更多个吸附床，甚至增设了更多个压力均衡步骤。增加压力均衡步骤 和吸附容器数目的目的是为了提高产品的回收率和吸附剂的生产率。但不幸的是，性能的 提高要伴随着所需阀门数目的增加，阀门数目从Wagner工艺的31个增加到Batta工艺的 33个，而Fuderer等人提出的工艺最少需要44个阀门。通常基于几条标准来测量PSA循环的性能。这些标准首先是指在一给定的混杂度 条件下产品的回收率，其中的回收率是指对总原料流中被当作提纯产品输送的产品种类执 行分馏时的比率。第二条测量标准是吸附剂的生产率，这一标准与PSA循环输送产品时的 时间长度在工艺循环总长度中所占的比例相关。为了能对于固定不变的供料组分提高上述 两指标中的一者或全部，其它一些系统中已描述很多措施。Wagner的专利描述了这样的方案采用存储在加压床中的气体对已经过吹洗的 那一个吸附容器再次加压，随后，在第一吸附容器中的压力尚未消失之前，对另一吸附容器 执行吹洗。后来，Batta提出了这样的措施可在第一压力均衡步骤之外增设一第二压力均 衡步骤，这将能有针对性地提高回收率。Batta在其所提出的工艺循环中保留了提供吹洗气 体的设计。Fuderer等人将这种方案扩展为设置第三级压力均衡步骤，并指出从吸附床抽 吸出的最纯的气体始终应当是允许进入被再升压的其它吸附床的最后一种气体。Batta的 四容器型循环被设计成这样使得纯度较低的气体允许进入到被加压的吸附容器中，其中， 该气体的纯度低于实际所希望的纯度。另外，Fuderer等人的发明能实现比先前工艺循环 更高的吸附剂生产率，其原因在于由于对阀门开关动作的逻辑作了很多详细的设计，循环 周期中分配到吸附操作的分馏时间得到了增加。尽管这些方法有利于达到优异的产品回收率和吸附剂生产率，但却是以增加高度 的工艺复杂程度为代价而实现的。Wagner最初的工艺采用了四个吸附容器和三十一个阀门，以便于执行一次均压，并对另一吸附容器执行吹洗。Batta将阀门的总数增加到三十三 个，并利用四个吸附容器来完成其两级压力平衡的工艺循环。在这两种工艺中，四床型循环 从给定的吸附容器产生出气体的时间均占25%。Batta还设计了一种五容器型系统，其带 有43个阀门，用于对均压操作重新进行排序，从而可利用纯度不断提高的气体实现理想的 再升压。对于某一给定的吸附容器，该循环的时间只占20%。Fuderer等人提出的最为简 单的循环执行三次压力平衡和一次吹洗步骤，该循环需要9个吸附容器和55个阀门。该循 环的时间占33 %，此比例显著地高于Batta和Wagner的工艺循环。尽管这些工艺循环达到 了回收率和生产率的临界区，但却是以增加机构的复杂性为代价实现的。复杂性的增加伴 随着系统体积、质量的增大，并伴随着装配工时和投资成本的增加。另外，随着时间的推移， 阀门数目的极大增加会显著降低PSA系统的可靠性，由于这些PSA系统均属于单点故障系 统，因而，如果一个阀门失效就需要将整套系统停机。人们已进行了一些努力来降低系统的复杂性，以便于处理由复杂性所带来的 问题。授予Stiicker的第4761165号美国专利利用四个吸附容器和18个阀门来实施 Wagner的工艺流程，在其中的18个阀门中，四个阀门可以是比例控制阀。授予Duhayer 等人的第6146450号美国专利描述了通过优化地布置管路配件来降低复杂性的措施， 但这种方案在阀门和吸附容器的数目方面并未实质性地改变了 PSA循环。在由发明人 Franklin D. Lomax，Jr等人提出的、发明名称为“用于变压吸附的方法和设备”(METHOD AND APPARATUS FORPRESSURE SWING ADSORPTION)的专利申请中，描述了非常显著的机构简化， 上述的申请是与本申请同时提交的，其基于发明名称为“用于变压吸附的改进的方法和设 备”(IMPROVED METHOD ANDAPPARATUS FOR PRESSURE SWING ADSORPTION)的第 60/370702 号美国临时申请(其提交日为2002年4月9日)。尽管Stdcker所提出的工艺流程使Wagner的工艺在所使用阀门的数目方面实现 了有意义的简化，但并未披露完成二次或三次均压、以提高回收率的措施，也未介绍吸附剂 生产率的提高。事实上，Duhayer等人和Lomax等人提出的机构简化方案实质上对任何PSA 循环都是有利的，且未具体地提示如何在不增加所用阀门和吸附容器(如Batta、Fuderer 等人所教导的方案)数目的情况下减少原有的阀门或改变工艺循环，以提高回收率或吸附 剂生产率。另外，所有这些技术方案都未从根本上改变PSA的可靠性-原因在于基本的工 艺循环仍然属于单点故障系统。

发明内容
本发明有利地提供了一种改进的PSA工作循环，其可降低PSA设备的复杂性。另外，有利地是，本发明提供了一种通用的方法，其通过采用并行的均压流体管路 而简化了 PAS循环，以优化产品回收率和吸附剂生产率的，同时还降低了机构的复杂性。有利地是，本发明提供了一种用于按照容错方式运行改进后的PSA循环的方法，在此方式中，单个阀门的故障将不再要求系统停机。有利地是，本发明提供了一种变压吸附工艺，其包括步骤通过利用设置在多个吸 附容器中的吸附床对至少一种气体组分进行吸附而分离一气体混合物，其中，分离步骤具 有至少两级压力平衡操作，且对于多个吸附容器，每一吸附容器完成分离步骤所用的阀门 数不超过5个。
有利地是，本发明还提供了一种变压吸附工艺，其通过利用设置在多个吸附容器 中的吸附床对至少一种气体组分进行吸附而分离一气体混合物，其中，多个吸附容器是循 环工作的。所述工艺包括一吸附步骤；一第一压力平衡步骤，其具有至少两级操作，其中， 第一压力平衡步骤是降低压力的步骤；一吹洗步骤；以及一第二压力平衡步骤，其具有至 少两级操作，该第二压力平衡步骤是升高压力的步骤。多个吸附容器中每一吸附容器完成 此工艺所用阀门数都不超过5个。有利地是，本申请还提出了一种变压吸附系统，其包括多个吸附容器，每一吸附容 器都具有一第一开口，其通过一第一阀门与一气源进气歧管相连接，并通过一第二阀门与 一废气排气歧管相连接；以及一第二开口，其通过一第三阀门与一产品排气歧管相连接，并 通过一第四阀门和第五阀门与一均压管路相连接。均压管路与各个吸附容器都相连。另外，有利地是，本申请提出了一种变压吸附系统，其包括多个吸附容器，每一吸 附容器都具有一第一开口，其通过一第一阀门与一气源进气歧管相连接，并通过一第二阀 门与一废气排气歧管相连接；以及一第二开口，其通过一第三阀门与一产品排气歧管相连 接，并通过一第四阀门和第五阀门与一均压管路相连接。均压管路与各个吸附容器都相连。 第四阀门当处于开启状态具有第一预定流速，第五阀门在处于开启状态时具有第二预定流 速。


参照下文结合附图所作的详细描述，可更加全面地领会本发明，并更加清楚地认 识到本发明所带的优点，在附图中；图1是具有两级压力平衡操作的四吸附容器型变压吸附(PSA)循环的循环图；图2表示了用于执行图1所示四容器PSA循环的改进的PSA系统的阀门设置方 案；图3表示了具有两级压力平衡操作的五吸附容器型PSA循环的循环图；图4表示了用于执行图3所示五容器型PAS循环的改进的PSA系统的阀门设置方 案；图5表示了具有三级压力平衡操作的六吸附容器型PSA循环的循环图；图6表示了用于执行图5所示六容器型PAS循环的改进的PSA系统的阀门设置方 案；图7表示了具有三级压力平衡操作的七吸附容器型PSA循环的循环图；图8表示了用于执行图7所示七容器型PAS循环的改进的PSA系统的阀门设置方 案；以及图9表示了用于本发明的阀门歧管，图中被遮挡住的特征由虚线表示。
具体实施例方式下面将参照附图对本发明的实施方式展开描述。在附图中，功能和设置基本上相 同的组成元件由相同的附图标记指代，且只有在必要时才对这些相同元件作重复的描述。图1表示了具有两级压力平衡操作的四吸附容器型变压吸附(PSA)循环的循环流 程。图2表示了可用来执行图1所示四容器型PSA循环的改进的PSA系统IA的阀门设置方案。 如图2所示，PSA系统IA包括一第一吸附容器10、一第二吸附容器20、一第三吸附 容器30以及一第四吸附容器40。每一吸附容器通常都包括一吸附材料床。吸附容器10、 20,30,40以并联流动关系连接在气源歧管100与产品歧管102之间，其中的气源歧管用来 输送原料气体混合物，产品歧管则为未被吸附的产品排出气体提供了出口。吸附容器10、 20、30、40还与一废气歧管104相连，其为被吸附的组分提供了出口。每个吸附容器10、20、30、40的下端分别具有一下部开口 12、22、32、42。下部开口 12、22、32、42分别通过管路11、21、31、41与气源歧管100相连接。管路11、21、31和41上 分别带有阀门10A、20A、30A和40A，这些阀门对气源歧管100与各个吸附容器10、20、30以 及40之间的流体流进行控制。下部开口 12、22、32和42分别通过管路13、23、33、43与废 气歧管104相连接。管路13、23、33和43上分别带有阀门10E、20E、30E和40E，这些阀门对 废气歧管104与各个吸附容器10、20、30以及40之间的流体流进行控制。另外，每个吸附容器10、20、30、40的上端分别具有一上部开口 14、24、34、44。上部 开口 14、24、34和44分别通过管路15、25、35、45与产品歧管102相连接。管路15、25、35 和45上分别具有阀门IOB、20B、30B、40B，这些阀门对产品歧管102与各个吸附容器10、20、 30以及40之间的流体流进行控制。上部开口 14、24、34、44可通过一条或多条管路与均压管路106相连接，且这些管 路上都带有一个阀门。优选地是，吸附容器10的上部开口 14通过一第一管路16和一第二 管路18与均压管路106相连接。管路16、18上分别具有阀门IOC和10D，它们对均压管路 106与吸附容器10之间的流体流进行控制。阀门IOC和IOD被设计成当处于开启状态时 具有预定的流速，且优选地是，阀门IOC和IOD被设计成具有不同的预定流速。因而，在流 体从均压管路106 (从其它吸附容器20、30、40中之一)流到该吸附容器10中的两级压力 平衡操作过程中，其中一个阀门被设计成适于在第一级压力平衡操作中以第一预定流速开 启，从而可实现理想的均压操作，而另一阀门(在另一阀门关闭或两阀门都开启的状态下) 则被设计成适于在第二级压力平衡操作过程中以第二预定流速开启，从而可实现理想的均 压操作，而不会在吸附容器和系统内产生不利的流体冲击，如果在系统内产生了很大的压 力差或流速出现大的改变，则就会发生流体冲击现象。作为备选方案，本发明的PSA系统可 包括单条管路和单个阀门来将各个吸附容器与均压管路106连接起来，也可采用三套或更 多的管路和阀门来连接各个吸附容器和均压管路106，这取决于PSA系统所需的流动特性。 PSA系统IA的阀门可以是手动控制的，也可以由一控制系统自动进行控制，或者基于操作 条件自动进行动作，其中的操作条件例如是预定的压力水平，阀门的控制方式也可以上述 方式的组合形式。如果需要的话，还可将阀门设计成变流速的。优选地是，按照与吸附容器10上部开口 14类似的方式，阀门20、30、40的上部开 口 24、34、44与均压管路106进行连接。更具体来讲，吸附容器20的上部开口 24通过一 第一管路26和一第二管路28与均压管路106相连接，管路26、28上分别具有阀门20C和 20D，它们对均压管路106与吸附容器20之间的流体流进行控制。另外，吸附容器30的上 部开口 34通过一第一管路36和一第二管路38与均压管路106相连接，管路36、38上分别 具有阀门30C和30D，它们对均压管路106与吸附容器30之间的流体流进行控制。此外，吸 附容器40的上部开口 44通过一第一管路46和一第二管路48与均压管路106相连接，管路46、48上分别具有阀门40C和40D，它们对均压管路106与吸附容器40之间的流体流进 行控制。优选地是，阀门10C、10D、20C、20D、30C、30D、40C、40D并不阻止流体沿均压管路 106流动。图1表示了具有两级压力平衡操作的四吸附容器型变压吸附(PSA)循环的循环流 程，图2所示的PSA系统IA可执行该循环流程。为了简化讨论，将图1所示的PSA循环流 程划分成二十四个时间单元。四个吸附容器10、20、30、40都按照相同的次序执行各个步 骤，但是，各个吸附容器的步骤序列是相互错开的。下面将对吸附容器10的循环流程进行 描述。在时间单元1中，吸附容器10执行一吸附过程(A)，此时，阀门10AU0B处于开启 状态，阀门10C、10D、10E、20A、30A、40A、20B、30B以及40B处于关闭状态。在时间单元1中，
原料气混合物流体被从气源歧管100经管路11输送给吸附容器10的开口 12，该流体流经 吸附容器10中的吸附床，未被吸附的产品流体从开口 14排出，并经过管路15流向产品歧 管 102。在时间单元2到6中，阀门10AU0B保持开启状态，以使得吸附容器10继续执行 吸附过程(A)，阀门40B被移动到开启状态，从而在吸附容器10中执行最终产品再升压步骤 (FP)。在最终产品再升压步骤中，流体从产品歧管102沿管路45、流经开口 44流入到吸附 容器40中。在时间单元7中，阀门10AU0B关闭，阀门10C、20C被移动到开启状态，以使两吸 附容器10和20中的压力达到平衡。(为了简化描述，在文中，将阀门10C、20C作为均压步 骤中使用的两个阀门，但应当指出的是，作为选择的方案，均压步骤中也可使用阀门IOD和 20D，或阀门IOC和20D、或阀门IOD和20C)。在时间单元7中，吸附容器10执行第一级压 力平衡步骤(ElD)，在该步骤中，吸附容器10中的压力下降，与此同时，吸附容器20也执行 第一级压力平衡步骤(ElP)，在该步骤中，吸附容器20中的压力升高。在时间单元7中，吸 附容器10中的流体从开口 14流出，并沿管路16流到均压管路106中，然后再沿管路26、经 过开口 24流入到吸附容器20中。在时间单元8到11中，阀门20C移动到关闭状态，阀门30C(或30D)移动到开启 状态。在时间单元8到11中，吸附容器10通过向吸附容器30提供吹洗气体来执行并行减 压步骤(PP)，通过开启阀门30E，该操作可对废气执行吹洗(P)，由此使废气从吸附容器30 中经管路33排出到废气歧管104中。在时间单元8到11中，吸附容器10中的流体从开口 14流出，并沿管路16流到均压管路106中，再沿管路36、经开口 34流入到吸附容器30中。 利用从开口 32排出、并沿管路33流向废气歧管104的流体，吸附容器30获得了吹洗。在时间单元12中，吸附容器10继续向吸附容器30提供流体；但是，阀门30E被移动到了关闭状态，以允许吸附容器10与吸附容器30实现压力均衡。在时间单元12中，吸 附容器10执行第二级压力平衡步骤(E2D)，在该步骤中，吸附容器10中的压力下降，与此同 时，吸附容器30执行第二级压力平衡步骤(E2P)，在该步骤中，吸附容器30中的压力升高。 应当指出的是，在时间单元12中，可利用流速与阀门IOC和30C不同的阀门IOD和30D来 执行第二级压力平衡步骤。于是，在时间单元12中，阀门IOC和30C被关闭，而阀门IOD和 30D被移动到开启状态。因而，在时间单元12中，吸附容器10中的流体从开口 14流出，并沿管路18流向均压管路106，然后再沿管路38、经开口 34流入到吸附容器30中。在时间单元13中，阀门IOD被关闭，阀门IOE被移动到开启状态。在时间单元13中，吸附容器10执行逆向排气步骤(BD)，在该步骤中，吸附容器10中的流体经开口 12排 出，并沿管路13流向废气歧管104。在时间单元14到17中，阀门IOE保持在开启状态，阀门IOD和40D (或IOC和40C， 这取决于所需的流速)被移动到开启状态，而阀门20C、20D、30C以及30D则被关闭。在时 间单元14到17中，吸附容器40通过向吸附容器10提供吹洗气体而执行并行减压(PP)操 作，该操作将废气经开启的阀门IOE吹洗(P)出去，由此将废气从吸附容器10经管路13排 出到废气歧管104中。在时间单元14到17中，吸附容器40中的流体从开口 14流出，并沿 管路48流到均压管路106中，然后再沿管路18、经开口 14流入到吸附容器10中。利用从 开口 12排出、并沿管路13流到废气歧管104中的流体，吸附容器10获得了吹洗。在时间单元18中，吸附容器40继续向吸附容器10提供流体；但是，阀门IOE被移 动到关闭状态，以使得吸附容器10中的压力与吸附容器40中的压力达到平衡。在时间单 元18中，吸附容器40执行第二级压力平衡步骤(E2D)，在该步骤中，吸附容器40的压力降 低，与此同时，吸附容器10执行第二级压力平衡步骤(E2P)，在该步骤中，吸附容器10中的 压力升高。在时间单元18中，利用阀门IOD和40D执行第二级压力平衡操作。因此，在时 间单元18中，阀门IOD和40D处于开启状态。因而，在时间单元18中，吸附容器40中的流 体从开口 44流出，并沿管路48流到均压管路106中，然后沿管路18、经开口 14流到吸附容 器10中。在时间单元19中，阀门IOD和40D被关闭，阀门IOC和20C移动到开启状态，以允 许吸附容器10、20中的压力达到平衡。在时间单元19中，吸附容器20执行第一级压力平 衡步骤(ElD)，在该步骤中，吸附容器20中的压力降低，与此同时，吸附容器10执行第一级 压力平衡步骤(ElP)，在该步骤中，吸附容器10中的压力升高。在时间单元19中，吸附容器 20中的流体从开口 24流出，并沿管路26流到均压管路106中，然后沿管路16、经开口 14 流到吸附容器10中。在时间单元20到24中，阀门IOC和20C被关闭，阀门IOB移动到开启状态，以便
于在吸附容器10中执行一个最终产品再升压步骤(FP)。在最终产品再升压步骤(FP)中， 流体从正在执行吸附步骤的吸附容器30中经管路35流向产品歧管102，然后再从产品歧管 102沿管路15、经开口 14流入到吸附容器10中。其余的吸附容器20、30、40按照相同的步骤序列工作，但是，各个吸附容器所执行 的步骤序列是相互错开的。其余各个吸附容器20、30、40的过程与上文针对吸附容器10所 描述的过程类似；但是，那些需要吸附容器之间相互作用的各个步骤是由不同的吸附容器 完成的，如由图1清楚展示的PSA循环图所示。图3表示了具有两级压力平衡操作的五吸附容器型变压吸附(PSA)循环的循环 图，图4表示了可用来执行图3所示五容器型PSA循环的改进的PSA系统IB的阀门设置方案。图4表示了一种PSA系统1B，其包括一第一吸附容器10、一第二吸附容器20、一第 三吸附容器30以及一第四吸附容器40，还包括那些与四容器型PSA系统IA中所述阀门和 管路相对应的阀门和管路，为了简化描述，此处将不再对这些元件作详细描述。PSA系统IB还包括一第五吸附容器50，其内具有一吸附材料床。吸附容器10、20、30、40以及50以并联 流动关系连接在气源歧管100与产品歧管102之间，其中的气源歧管被用来输送原料气体 混合物，产品歧管则为未被吸附的产品排出气体提供了出口。吸附容器10、20、30、40以及 50还与一废气歧管104相连，其为被吸附的组分提供了出口。吸附容器50的下端具有一下部开口 52，该下部开口 52通过管路51与气源歧管 100相连接。管路51上带有一个阀门50A，该阀门对气源歧管100与吸附容器50之间的流 体流进行控制。下部开口 52通过管路53与废气歧管104相连接。管路53上带有一个阀 门50E，该阀门对废气歧管104与吸附容器50之间的流体流进行控制。另外，吸附容器50 的上端具有一上部开口 54，其通过管路55与产品歧管102相连接。管路55上具有一阀门 50B，该阀门对产品管路102与吸附容器50之间的流体流进行控制。上部开口 54可通过一条或多条管路与均压管路106相连接，且这些管路上都带有 一个阀门。优选地是，吸附容器50的上部开口 54通过一第一管路56和一第二管路58与均 压管路106相连接。管路56、58上分别具有阀门50C和50D，它们对均压管路106与吸附容 器50之间的流体流进行控制。阀门50C和50D被设计成按照与上文针对四容器型PSA系 统IA所描述的阀门IOC和IOD相同的方式进行工作。作为备选方案，本发明的PSA系统可 采用单条管路和单个阀门来将各个吸附容器与均压管路106连接起来，也可采用三套或更 多的管路和阀门来连接各个吸附容器和均压管路106，这取决于PSA系统所需的流动特性。图3表示了具有两级压力平衡操作的五吸附容器型变压吸附(PSA)循环的循环流 程，图4所示的PSA系统IB可执行该循环流程。为了便于讨论，将图3所示的PSA循环划 分成二十个时间单元。五个吸附容器10、20、30、40、50都按照相同的步骤序列执行各个步 骤，但是，各个吸附容器的步骤序列是相互错开的。图3所示PSA循环与图1所示PSA循环具有几方面显著的区别。例如，图3所示 PSA循环将降低吸附容器中压力的第一级压力平衡步骤(ElD)与降低吸附容器中压力的第 二级压力平衡步骤(E2D)都设置在并行减压步骤(PP)之前。在图1所示的PSA循环中，并 行减压步骤(PP)是在第一级压力平衡步骤(ElD)之后、但在第二级压力平衡步骤(E2D)之 前执行的。另外，图3所示的PSA循环还包括几个保持步骤(H)，在这些步骤中，吸附容器被 关闭，从而既没有流体流入到吸附容器中，从吸附容器中也不流出任何流体。在PSA循环中 设置保持状态使得PSA系统IB能被设计为只具有一条均压管路。应当指出的是在图4所示的PSA系统IB中，如果其中的任一吸附容器或与其相 关的阀门出现故障，则PSA系统IB将通过将无效的吸附容器隔离开而如采用图1所示的 PSA循环的四吸附容器型系统那样进行工作。事实上，PSA系统这样就可以按照四容器型 PSA模式继续工作(虽然其性能有所降低)_直到问题被解决为止。有利地是，这将能最优 排定维护任务，并减少系统的停机时间。下面将对图3所示PSA循环中的吸附容器10的循环进行描述。在时间单元1中，阀门10A、10B、10DU0E处于关闭状态，且阀门IOC与30C处于开 启状态，从而允许吸附容器10与30中的压力达到平衡。在时间单元1中，吸附容器10执 行一第一级压力平衡步骤(ElD)，在该步骤中，吸附容器10中的压力被降低，与此同时，吸 附容器30执行一第一级压力平衡步骤(E1P)，在该步骤中，吸附容器30中的压力被升高。 在时间单元1中，吸附容器10中的流体从开口 14流出，并沿管路16流向均压管路106，然后沿管路36、经开口 34流入到吸附容器30中。在时间单元2中，阀门IOC与30C处于关闭状态，阀门10D、40D处于开启状态，从
而使吸附容器10向吸附容器40输送流体，以便于使吸附容器10中的压力与吸附容器40 中的压力达到平衡。在时间单元2中，吸附容器10执行一第二级压力平衡步骤(E2D)，在该 步骤中，吸附容器10中的压力被降低，与此同时，吸附容器40执行一第二级压力平衡步骤 (E2P)，在该步骤中，吸附容器40中的压力被升高。应当指出的是在时间单元2中，采用与 阀门IOC和40C具有不同流速的阀门IOD和40D来执行第二级压力平衡步骤。因而，在时 间单元2中，吸附容器10中的流体从开口 14流出，并沿管路18流向均压管路106，然后沿 管路48、经 开口 44流入到吸附容器40中。在时间单元3和4中，阀门IOD和50D(或阀门50C)处于开启状态。在时间单元 3和4中，吸附容器10通过向吸附容器50提供吹洗气体而执行一并行减压步骤(PP)，通过 将阀门50E开启，该操作可将废气吹洗出去，由此将废气从吸附容器50经管路53排出到废 气歧管104中。在时间单元3和4中，吸附容器10中的流体从开口 14流出，并沿管路16 流向均压管路106，然后沿管路56、经开口 54流入到吸附容器50中。通过使流体从开口 52 流出、并沿管路53流到废气歧管104中，就能实现对吸附容器50的吹洗。在时间单元5中，阀门IOD处于关闭状态，而阀门IOE则处于开启状态。在时间单 元5中，吸附容器10执行一逆向排气步骤(BD)，在该步骤中，吸附容器10中的流体经开口 12排出，并沿管路13流向废气歧管104。在时间单元6中，吸附容器10处于保持状态，在此状态下，所有的阀门10A、10B、 10CU0D以及IOE都处于关闭状态，没有任何流体经开口 12和14流入吸附容器10、或从吸 附容器10中流出。在时间单元7和8中，阀门IOE处于开启状态，且阀门IOD和20D(或阀门IOC和 20C，这取决于所需的流速)也处于开启状态。在时间单元7和8中，吸附容器20通过向吸 附容器10输送吹洗气体来执行一并行减压步骤(PP)，该操作将废气从开启的阀门IOE吹出 (P)，由此将废气从吸附容器10、经管路13排出到废气歧管104中。在时间单元7和8中， 吸附容器20中的流体从开口 24流出，并沿管路28流向均压管路106，然后再沿管路18、经 开口 14流入到吸附容器10中。利用从开口 12排出、并沿管路13流向废气歧管104的流 体，实现了对吸附容器10的吹洗操作。在时间单元9中，吸附容器10处于保持状态，在此状态下，所有的阀门10A、10B、 10CU0D以及IOE都处于关闭状态，没有任何流体经开口 12和14流入吸附容器10、或从吸 附容器10中流出。在时间单元10中，阀门IOD与30D处于开启状态，以便于使吸附容器10中的压力 与吸附容器30中的压力达到平衡。在时间单元10中，吸附容器30执行一第二级压力平衡 步骤(E2D)，在该步骤中，吸附容器30中的压力被降低，与此同时，吸附容器10执行一第二 级压力平衡步骤(E2P)，在该步骤中，吸附容器10中的压力被升高。在时间单元10中，采用 阀门IOD和30D来执行第二级压力平衡步骤。因而，在时间单元10中，吸附容器30中的流 体从开口 34流出，并沿管路38流向均压管路106，然后沿管路18、经开口 14流入到吸附容 器10中。在时间单元11和12中，吸附容器10处于保持状态，在此状态下，所有的阀门10A、10B、10C、10D以及IOE都处于关闭状态，没有任何流体经开口 12和14流入吸附容器10、或 从吸附容器10中流出。在时间单元13中，阀门IOC和40C处于开启状态，以便于使吸附容器10和40实 现压力平衡。在时间单元13中，吸附容器40执行第一级压力平衡步骤(E1D)，在该步骤中， 吸附容器40中的压力被降低，与此同时，吸附容器10执行一第一级压力平衡步骤(ElP)，在 该步骤中，吸附容器10中的压力被升高。在时间单元13中，吸附容器40中的流体从开口 44流出，并沿管路46流向均压管路106，然后沿管路16、经开口 14流入到吸附容器10中。在时间单元14到16中，阀门IOC处于关闭状态，而阀门IOB处于开启状态，以便 在吸附容器10中执行最终产品再升压步骤(FP)。在最终产品再升压(FP)步骤中，流体从 正在执行吸附步骤的吸附容器50中经管路流向产品歧管102，然后再从产品歧管102沿管 路15、经开口 14流入到吸附容器10中。在时间单元17中，在阀门IOA和IOB处于开启状态、且阀门10C、10D、10E、20A、 30A、40A、50A、20B、30B、40B以及50B处于关闭状态的条件下，吸附容器10执行一吸附过程
(A)。在时间单元17中，原料气体混合物流体被从气源歧管100、经管路11输送给吸附容器 10的开口 12，流体流经吸附容器10中的吸附床，未被吸附的产品流体从开口 14排出，并沿 管路15流向产品歧管102。在时间单元18到20中，阀门10AU0B保持在开启状态，从而使吸附容器10继续 执行吸附过程(A)，阀门20B被移动到开启状态，以便在吸附容器20中执行最终产品再升压 步骤(FP)。在该最终产品再升压步骤中，流体从产品歧管102沿管路25、并经开口 24流入 到吸附容器20中。其余的吸附容器20、30、40以及50按照相同的步骤序列工作，但是，各个吸附容器 所执行的步骤序列是相互错开的。其余各个吸附容器20、30、40以及50的过程与上文针对 吸附容器10所描述的过程类似；但是，那些需要吸附容器之间相互作用的各个步骤是由不 同的吸附容器完成的，如图3中清楚展示的PSA循环图所示。图5表示了具有三级压力平衡操作的六吸附容器型变压吸附(PSA)循环的循环流 程，图6表示了可用来执行图5所示六容器型PSA循环的改进的PSA系统IC的阀门设置方案。图6表示了一种PSA系统1C，其包括一第一吸附容器10、一第二吸附容器20、一 第三吸附容器30、一第四吸附容器40以及一第五吸附容器50，系统还包括那些与上述系统 中阀门和管路类似的对应阀门和管路，为了简化描述，此处将不再对这些元件作详细描述。 PSA系统IC还包括一第六吸附容器60，其内具有一吸附材料床。吸附容器10、20、30、40、50 以及60以并联流动关系连接在输送原料气体混合物的气源歧管100与产品歧管102之间， 产品歧管为未被吸附的产品排出气体提供了出口。吸附容器10、20、30、40、50以及60还与 一废气歧管104相连，其为被吸附的组分提供了出口。吸附容器60的下端具有一下部开口 62，该开口 62通过管路61与气源歧管100相 连接。管路61上带有一个阀门60A，该阀门对气源歧管100与吸附容器60之间的流体流进 行控制。下部开口 62通过管路63与废气歧管104相连接。管路63上带有一个阀门60E， 该阀门对废气歧管104与吸附容器60之间的流体流进行控制。另外，吸附容器60的上端 具有一上部开口 64，其通过管路65与产品歧管102相连接。管路65上具有一阀门60B，该阀门对产品管路102与吸附容器60之间的流体流进行控制。上部开口 64可通过一条或多条管路与均压管路106相连接，且这些管路上都带有 一个阀门。优选地是，在图6所示的六容器型PSA系统IC中，各个上部开口 14、24、34、44、 54以及64分别通过管路18、28、38、48、58以及68与均压管路106相连。管路18、28、38、 48,58以及68上分别带有阀门10D、20D、30D、40D、50D以及60D，这些阀门分别对均压管路 106与吸附容器10、20、30、40、50以及60之间的流体流执行控制。阀门10D、20D、30D、40D、 50D以及60D被设计成按照与上文针对四容器型PSA系统IA所描述的阀门IOC和IOD相同 的方式进行工作。作为备选方案，本发明的PSA系统可采用多条管路和多个阀门来将各个 吸附容器与均压管路106连接起来，这取决于PSA系统所需的流动特性。图5表示了具有三级压力平衡操作的六吸附容器型变压吸附(PSA)循环的循环流 程，图6所示的PSA系统IC可执行该循环流程。为了便于讨论，将图5所示的PSA循环划 分成二十四个时间单元。六个吸附容器10、20、30、40、50以及60中的每一个都按照相同的 步骤序列执行各个步骤，但是，各个吸附容器的步骤序列是相互错开的。图5所示PSA循环与图3所示PSA循环具有一些显著的区别。更具体来讲，图5 所示的PSA循环有利地应用了三级压力平衡操作，以便于大体上减小系统(特别是吸附床) 中的流体冲击，由此可提高吸附材料的使用寿命。按照图5所示的PSA循环，无须具有将各 个吸附容器与均压管路106连接起来的第二阀门，这将进一步降低PSA系统IC的复杂性。 在PSA循环中所具有的保持状态使得PSA系统IC可以只带有一条均压管路。应当指出的是，在图6所示的PSA系统IC中，如果其中的任一个或多个吸附容器 或与其相关的阀门出现故障，则PSA系统IC将通过将无效的一个或多个吸附容器隔离开而 如采用图1所示PSA循环的四吸附容器型系统、或如采用图3所示PSA循环的五容器型系 统那样进行工作。事实上，PSA系统这样就可以按照四容器型PSA模式或五容器型PSA模 式继续工作-直到问题被解决为止。但是，应当指出的是，为了最为有效地执行图1和图3 所示的PSA循环，PSA系统IC中应当设置有另外的阀门10C、20C、30C、40C、50C、60C，这些阀 门将吸附容器10、20、30、40、50以及60分别连接到均压管路106上。作为备选方案，也可 只利用现有的阀门10D、20D、30D、40D、50D以及60D执行所有的均压步骤，由此使PSA系统 IC完成了图1和图3所示的PSA循环。下面将对图5所示PSA循环中吸附容器10的循环流程进行描述。在时间单元1到3中，在阀门IOA和IOB处于开启状态以及阀门10D、10E、20A、30A、 40A、50A、60A、20B、30B、40B、50B以及60B处于关闭状态的情况下，吸附容器10执行一吸附 过程(A)。在时间单元1到3中，原料气混合物流体被从气源歧管100通过管路11输送给 吸附容器10的开口 12，该流体流经吸附容器10中的吸附床，未被吸附的产品流体从开口 14流出，并通过管路15流到产品歧管102中。在时间单元4中，阀门10AU0B保持开启状态，使得吸附容器10继续执行吸附过 程(A)，阀门20B被移动到开启状态，从而在吸附容器20中执行最终产品再升压步骤(FP)。 在最终产品再升压操作中，流体从产品歧管102沿管路25、并经开口 24流入到吸附容器20 中。在时间单元5和6中，在阀门IOA和IOB处于开启状态、阀门20B被移动到关闭状态的条件下，吸附容器10继续执行吸附过程(A)。在时间单元5和6中，原料气体混合物流体被从气源歧管100经管路11输送给吸附容器10的开口 12，流体流经吸附容器10中的吸附床，未被吸附的产品流体从开口 14流出，并通过管路15流到产品歧管102中。
在时间单元7中，阀门10AU0B以及IOE处于关闭状态，阀门IOD和30D处于开启 状态，以允许吸附容器10与30中的压力达到平衡。在时间单元7中，吸附容器10执行一 第一级压力平衡步骤(E1D)，在该步骤中，吸附容器10中的压力降低，与此同时，吸附容器 30执行一第一级压力平衡步骤(E1P)，在该步骤中，吸附容器30中的压力被升高。在时间 单元7中，吸附容器10中的流体从开口 14流出，并沿管路18流到均压管路106中，然后再 沿管路38、经开口 34流到吸附容器30中。 在时间单元8中，阀门30D处于关闭状态，阀门IOD和40D处于开启状态，从而使得 吸附容器10向吸附容器40输送流体，以便于使吸附容器10与40中的压力达到平衡。在 时间单元8中，吸附容器10执行一第二级压力平衡步骤(E2D)，在该步骤中，吸附容器10中 的压力被降低，与此同时，吸附容器40执行一第二级压力平衡步骤(E2P)，在该步骤中，吸 附容器40的压力被升高。因而，在时间单元8中，吸附容器10中的流体从开口 14中流出， 并沿管路18流到均压管路106中，然后沿管路48、经开口 44流到吸附容器40中。在时间单元9中，阀门40D处于关闭状态，阀门IOD和50D处于开启状态，以使得 吸附容器10向吸附容器50输送流体，以便于使吸附容器10与50中的压力达到平衡。在 时间单元9中，吸附容器10执行一第三级压力平衡步骤(E3D)，在该步骤中，吸附容器10中 的压力被降低，与此同时，吸附容器50执行一第三级压力平衡步骤(E3P)，在该步骤中，吸 附容器50中的压力被升高。因而，在时间单元9中，吸附容器10中的流体从开口 14中流 出，并沿管路18流到均压管路106中，然后沿管路58、经开口 54流到吸附容器50中。在时间单元10中，阀门50D处于关闭状态，阀门IOD和60D处于开启状态。在时 间单元10中，吸附容器10通过向吸附容器60输送吹洗气体而执行一并行减压步骤(PP)， 通过将阀门60E开启，该操作可将废气吹洗出去，由此将废气从吸附容器60经管路63排出 到废气歧管104中。在时间单元10中，吸附容器10中的流体从开口 14流出，并沿管路18 流向均压管路106，然后沿管路68、经开口 64流入到吸附容器60中。通过从开口 62流出、 并沿管路63流到废气歧管104中的流体，就能实现对吸附容器60的吹洗。在时间单元11中，阀门IOD处于关闭状态，且阀门IOE处于开启状态。在时间单 元11中，吸附容器10执行一逆向排气步骤(BD)，在该步骤中，吸附容器10中的流体从开 12排出，并沿管路13流向废气歧管104。在时间单元12、13中，吸附容器10处于保持状态，在此状态下，所有的阀门10A、 10BU0D以及IOE都处于关闭状态，没有任何流体经开口 12和14流入吸附容器10、或从吸 附容器10中流出。在时间单元14中，阀门IOE处于开启状态，阀门IOD和20D也处于开启状态。在 时间单元14中，吸附容器20通过向吸附容器10输送吹洗气体而执行并行减压(PP)操作， 该操作将废气从开启的阀门IOE扫吹(P)出去，由此将废气从吸附容器10经管路13排出 到废气歧管104中。在时间单元14中，吸附容器20中的流体从开口 24流出，并沿管路28 流到均压管路106中，然后再沿管路18、经开口 14流到吸附容器10中。利用从开口 12排 出、并沿管路13流到废气歧管104中的流体，吸附容器10获得了吹洗。在时间单元15、16中，吸附容器10处于保持状态，在此状态下，所有的阀门10A、IOBUOD以及IOE都处于关闭状态，没有任何流体经开口 12和14流入吸附容器10、或从吸 附容器10中流出。在时间单元17中，阀门IOD和30D处于开启状态，以便于使吸附容器10与30中 的压力达到平衡。在时间单元17中，吸附容器30执行一第三级压力平衡步骤(E3D)，在该 步骤中，吸附容器30中的压力被降低，与此同时，吸附容器10执行一第三级压力平衡步骤 (E3P)，在该步骤中，吸附容器10中的压力被升高。在时间单元17中，利用阀门IOD和30D 执行了第三级压力平衡步骤。因而，在时间单元17中，吸附容器30中的流体从开口 34中 流出，并沿管路38流到均压管路106中，然后沿管路18、经开口 14流到吸附容器10中。
在时间单元18、19中，吸附容器10处于保持状态，在此状态下，所有的阀门10A、 10BU0D以及IOE都处于关闭状态，没有任何流体经开口 12和14流入吸附容器10、或从吸 附容器10中流出。在时间单元20中，阀门IOD和40D处于开启状态，以便于使吸附容器10与40中 的压力达到平衡。在时间单元20中，吸附容器40执行一第二级压力平衡步骤(E2D)，在该 步骤中，吸附容器40中的压力被降低，与此同时，吸附容器10执行一第二级压力平衡步骤 (E2P)，在该步骤中，吸附容器10中的压力被升高。在时间单元20中，利用阀门IOD和40D 执行了第二级压力平衡步骤。因而，在时间单元10中，吸附容器40中的流体从开口 44中 流出，并沿管路48流到均压管路106中，然后沿管路18、经开口 14流到吸附容器10中。在时间单元21、22中，吸附容器10处于保持状态，在此状态下，所有的阀门10A、 10BU0D以及IOE都处于关闭状态，没有任何流体经开口 12和14流入吸附容器10、或从吸 附容器10中流出。在时间单元23中，阀门IOD和50D处于开启状态，以便于使吸附容器10与50中 的压力达到平衡。在时间单元23中，吸附容器50执行一第一级压力平衡步骤(E1D)，在该 步骤中，吸附容器50中的压力被降低，与此同时，吸附容器10执行一第一级压力平衡步骤 (ElP)，在该步骤中，吸附容器10中的压力被升高。在时间单元23中，吸附容器50中的流 体从开口 54中流出，并沿管路58流到均压管路106中，然后沿管路18、经开口 14流到吸附 容器10中。在时间单元24中，阀门IOD处于关闭状态，阀门IOB处于开启状态，以便于在吸
附容器10中执行一最终产品再升压步骤(FP)。在最终产品再升压步骤(FP)中，流体从正 在执行吸附步骤的吸附容器60中经管路流向产品歧管102，然后再从产品歧管102沿管路 15、经开口 14流入到吸附容器10中。其余的吸附容器20、30、40、50以及60按照相同的步骤序列工作，但是，各个吸附 容器所执行的步骤序列是相互错开的。其余各个吸附容器20、30、40、50以及60的过程与 上文针对吸附容器10所描述的过程类似；但是，那些需要吸附容器之间相互作用的各个步 骤是由不同的吸附容器完成的，由图5清楚展示的PSA循环流程图所示。图7表示了具有三级压力平衡操作的七吸附容器型变压吸附(PSA)循环的循环流 程，图8表示了可用来执行图7所示七容器型PSA循环的改进的PSA系统ID的阀门设置方 案。图8表示了一种PSA系统1D，其包括一第一吸附容器10、一第二吸附容器20、一第 三吸附容器30、一第四吸附容器40、一第五吸附容器50以及一第六吸附容器60，这些吸附容器与上述系统相同，为了简化描述，此处不再作详细描述。PSA系统ID还包括一第七吸附容器70，其内具有一吸附材料床。吸附容器10、20、30、40、50、60以及70以并联流动关系连 接在输送原料气体混合物的气源歧管100与产品歧管102之间，产品歧管为未被吸附的产 品排出气体提供了出口。吸附容器10、20、30、40、50、60以及70还与一废气歧管104相连， 其为被吸附的组分提供了出口。吸附容器70的下端具有一下部开口 72，该开口 72通过管路71与气源歧管100相 连接。管路71上带有一个阀门70A，该阀门对气源歧管100与吸附容器70之间的流体流进 行控制。下部开口 72通过管路73与废气歧管104相连接。管路73上带有一个阀门70E， 该阀门对废气歧管104与吸附容器70之间的流体流进行控制。另外，吸附容器70的上端 具有一上部开口 74，其通过管路75与产品歧管102相连接。管路75上具有一阀门70B，该 阀门对产品歧管102与吸附容器70之间的流体流进行控制。七吸附容器型PSA系统ID的这种优选实施方式包括一第一均压管路108和一第 二均压管路110。上部开口 14、24、34、44、54、64以及74可通过一条或多条管路与均压管路 108和110相连接，且每一管路上都带有一个阀门。优选地是，上部开口 14、24、34、44、54、 64以及74分别通过第一管路16、26、36、46、56、66以及76与第一均压管路108相连。第一 管路 16、26、36、46、56、66 以及 76 上分别带有阀门 10C、20C、30C、40C、50C、60C 以及 70C，这 些阀门分别对第一均压管路108与吸附容器10、20、30、40、50、60以及70之间的流体流执 行控制。优选地是，上部开口 14、24、34、44、54、64以及74分别通过第二管路18、28、38、48、 58,68以及78与第二均压管路110相连。第二管路18、28、38、48、58、68以及78上分别带 有阀门10D、20D、30D、40D、50D、60D以及70D，这些阀门分别对第二均压管路110与吸附容器 10、20、30、40、50、60以及70之间的流体流执行控制。阀门70C和70D被设计成按照与上文 针对四容器型PSA系统IA所描述的阀门IOC和IOD相同的方式进行工作。作为备选方案， 本发明的PSA系统可采用多条管路和多个阀门来将每个吸附容器与各均压管路108和110 连接起来，这取决于PSA系统所需的流动特性。图7表示了具有三级压力平衡操作的七吸附容器型变压吸附(PSA)循环的循环流 程，图8所示的PSA系统ID可执行该循环流程。为了便于讨论，将图7所示的PSA循环流 程划分成二十一个时间单元。七个吸附容器10、20、30、40、50、60以及70中的每一个都按 照相同的次序执行各个步骤，但是，各个吸附容器的步骤序列是相互错开的。图7所示的PSA循环有利地应用了三级压力平衡方法，以便于大体上减小系统 (特别是吸附床)中的流体冲击，由此可提高吸附材料的工作寿命。按照图7所示的PSA循 环，无须设置将各个吸附容器与均压管路连接起来的第二个阀门，这将降低PSA系统ID的 复杂性。PSA系统ID包括两条独立的均压管路108和110，这就使得图7中的PSA循环可 不带有任何保持状态，从而在大体上增加了各个吸附容器中为吸附步骤所分配的时间。应当指出的是，在图8所示的PSA系统ID中，如果其中的一个或多个吸附容器或 与其相关的阀门出现故障，则PSA系统ID通过将无效的一个或多个吸附容器隔离开而如采 用图1所示PSA循环的四吸附容器型系统、或如采用图3所示PSA循环的五容器型系统、或 如采用图5所示PSA循环的六容器型系统那样进行工作。事实上，PSA系统这样就可以按 照四容器型PSA模式、五容器型PSA模式、或六容器型PSA模式继续工作-直到问题被解决 为止。
下面将对图7所示PSA循环中吸附容器10的循环流程进行描述。在时间单元1中，在阀门IOA和IOB处于开启状态且阀门10C、10D、10E、20A、30A、 40A、50A、60A、20B、30B、40B、50B以及60B处于关闭状态的情况下，吸附容器10执行一吸附 过程(A)。在时间单元1中，原料气混合物流体被从气源歧管100通过管路11输送给吸附 容器10的开口 12，该流体流经吸附容器10中的吸附床，未被吸附的产品流体从开口 14流 出，并通过管路15流到产品歧管102中。应当指出的是此时吸附容器70也执行吸附步 骤，且阀门70A和70B也处于开启状态。
在时间单元2和3中，阀门10A、10B、70A、70B保持开启状态，使得吸附容器10和 70继续执行吸附过程(A)，阀门20B被移动到开启状态，从而在吸附容器20中执行最终产 品再升压步骤(FP)。在最终产品再升压操作中，流体从产品歧管102沿管路25、并经开口 24流入到吸附容器20中。在时间单元4到6中，在阀门IOA和IOB处于开启状态、阀门20B被移动到关闭状 态的条件下，吸附容器10继续执行吸附过程(A)。吸附容器70停止执行其吸附步骤，阀门 70A.70B关闭。在时间单元5到6中，原料气体混合物流体被从气源歧管100经管路11输 送给吸附容器10的开口 12，流体流经吸附容器10中的吸附床，未被吸附的产品流体从开口 14流出，并通过管路15流到产品歧管102中。在时间单元7中，阀门10A、10BU0D以及IOE处于关闭状态，阀门IOC和40C处于 开启状态，以允许吸附容器10与40的内部压力达到平衡。在时间单元7中，吸附容器10执 行一第一级压力平衡步骤(E1D)，在该步骤中，吸附容器10中的压力降低，与此同时，吸附 容器40执行一第一级压力平衡步骤(E1P)，在该步骤中，吸附容器40中的压力被升高。在 时间单元7中，吸附容器10中的流体从开口 14流出，并沿管路16流到均压管路108中，然 后再沿管路46、经开口 44流到吸附容器40中。应当指出的是，如果需要的话，作为备选方 案，也可利用阀门IOD和40D，沿均压管路110执行这一步骤。在时间单元8和9中，阀门40C处于关闭状态，阀门IOC和50C处于开启状态，从 而使吸附容器10向吸附容器50输送流体，以便于使吸附容器10与50中的压力达到平衡。 在时间单元8和9中，吸附容器10执行一第二级压力平衡步骤(E2D)，在该步骤中，吸附容 器10中的压力被降低，与此同时，吸附容器50执行一第二级压力平衡步骤(E2P)，在该步 骤中，吸附容器50的压力被升高。因而，在时间单元8和9中，吸附容器10中的流体从开 口 14中流出，并沿管路16流到均压管路108中，然后沿管路56、经开口 54流到吸附容器 50中。应当指出的是，如果需要的话，作为备选方案，也可利用阀门IOD和50D，沿均压管路 110执行该步骤。在时间单元10中，阀门IOC处于关闭状态，阀门IOD和60D处于开启状态，以使得 吸附容器10向吸附容器60输送流体，以便于使吸附容器10与60中的压力达到平衡。在 时间单元10中，吸附容器10执行一第三级压力平衡步骤(E3D)，在该步骤中，吸附容器10 中的压力被降低，与此同时，吸附容器60执行一第三级压力平衡步骤(E3P)，在该步骤中， 吸附容器60中的压力被升高。因而，在时间单元10中，吸附容器10中的流体从开口 14中 流出，并沿管路18流到均压管路110中，然后沿管路68、经开口 64流到吸附容器60中。应 当指出的是，如果需要的话，作为备选方案，也可利用阀门IOC和60C，沿均压管路108执行 该步骤。
在时间单元11和12中，阀门60D处于关闭状态，阀门IOD和70D处于开启状态。在时间单元11和12中，吸附容器10通过向吸附容器70输送吹洗气体而执行并行减压(PP) 操作，该操作通过开启的阀门70E将废气扫吹(P)出去，由此将废气从吸附容器70经管路 73排出到废气歧管104中。在时间单元11和12中，吸附容器10中的流体从开口 14流出， 并沿管路18流到均压管路110中，然后再沿管路78、经开口 74流到吸附容器70中。利用 从开口 72排出、并沿管路73流到废气歧管104中的流体，吸附容器70获得了吹洗。应当 指出的是，如果需要的话，作为备选方案，也可利用阀门IOC和70C，沿均压管路108执行该 步骤。在时间单元13中，阀门IOD处于关闭状态，且阀门IOE处于开启状态。在时间单 元13中，吸附容器10执行一逆向排气步骤(BD)，在该步骤中，吸附容器10中的流体从开口 12排出，并沿管路13流向废气歧管104。在时间单元14和15中，阀门IOE处于开启状态，阀门IOD和20D处于开启状态。 在时间单元14和15中，吸附容器20通过向吸附容器10输送吹洗气体而执行一并行减压 步骤(PP)，通过将阀门IOE开启，该操作可将废气吹洗(P)出去，由此将废气从吸附容器10 中经管路13排出到废气歧管104中。在时间单元14和15中，吸附容器20中的流体从开口 24流出，并沿管路28流向均压管路110，然后沿管路18、经开口 14流入到吸附容器10中。 通过使流体从开口 12流出、并沿管路13流到废气歧管104中，就能实现对吸附容器10的 吹洗。应当指出的是，如果需要的话，作为备选方案，也可利用阀门IOC和20C，沿均压管路 108执行该步骤。在时间单元16中，阀门IOD和30D处于开启状态，以便于使吸附容器10与30中 的压力达到平衡。在时间单元16中，吸附容器30执行一第三级压力平衡步骤(E3D)，在该 步骤中，吸附容器30中的压力被降低，与此同时，吸附容器10执行一第三级压力平衡步骤 (E3P)，在该步骤中，吸附容器10中的压力被升高。在时间单元16中，利用阀门IOD和30D 执行了第三级压力平衡步骤。因而，在时间单元16中，吸附容器30中的流体从开口 34中 流出，并沿管路38流到均压管路110中，然后沿管路18、经开口 14流到吸附容器10中。应 当指出的是，如果需要的话，作为备选方案，也可利用阀门IOC和30C，沿均压管路108执行 该步骤。在时间单元17和18中，阀门IOD处于关闭状态，阀门IOC和40C处于开启状态， 以便于使吸附容器10与40中的压力达到平衡。在时间单元17和18中，吸附容器40执行 一第二级压力平衡步骤(E2D)，在该步骤中，吸附容器40中的压力被降低，与此同时，吸附 容器10执行一第二级压力平衡步骤(E2P)，在该步骤中，吸附容器10中的压力被升高。在 时间单元17和18中，利用阀门IOC和40C执行了第二级压力平衡步骤。因而，在时间单元 17和18中，吸附容器40中的流体从开口 44中流出，并沿管路46流到均压管路108中，然 后沿管路16、经开口 14流到吸附容器10中。应当指出的是，如果需要的话，作为备选方案， 也可利用阀门IOD和40D，沿均压管路110执行该步骤。在时间单元19中，阀门40C处于关闭状态，阀门IOC和50C处于开启状态，以便于 使吸附容器10与50中的压力达到平衡。在时间单元19中，吸附容器50执行一第一级压 力平衡步骤(ElD)，在该步骤中，吸附容器50中的压力被降低，与此同时，吸附容器10执行 一第一级压力平衡步骤(E1P)，在该步骤中，吸附容器10中的压力被升高。在时间单元19中，吸附容器50中的流体从开口 54中流出，并沿管路56流到均压管路108中，然后沿管路 18、经开口 14流到吸附容器10中。应当指出，如果需要的话，作为备选方案，也可利用阀门 IOD和50D，沿均压管路110执行该步骤。 在时间单元20和21中，阀门IOC和50C处于关闭状态，阀门IOB处于开启状态，以
便于在吸附容器10中执行一最终产品再升压步骤(FP)。在最终产品再升压步骤(FP)中， 流体从正在执行吸附步骤的吸附容器60、70中经管路65、75流向产品歧管102，然后再从产 品歧管102沿管路15、经开口 14流入到吸附容器10中。其余的吸附容器20、30、40、50、60以及70按照相同的步骤序列工作，但是，各个吸 附容器所执行的步骤序列是相互错开的。其余各个吸附容器20、30、40、50、60以及70的过 程与上文针对吸附容器10所描述的过程类似；但是，那些需要吸附容器之间相互作用的各 个步骤是由不同的吸附容器完成的，由图7清楚展示的PSA循环流程图所示。本发明有利地提供了一种PSA系统，其结构并不复杂，且能执行两级、三级、或更 多级的压力平衡，以便于减小系统中的流体冲击。流体冲击由于会使吸附床中的吸附剂颗 粒移动、相互摩擦而将颗粒破碎为更小的尘粒，并会形成吸附剂沉积泥，由此会缩短吸附剂 的使用时间。可采用许多种不同构造的配件和阀门，按照多种不同的方式构建PSA系统1A、 IBUC以及1D。图9表示了阀门歧管的一种优选结构，本发明可采用该阀门歧管，由发明 人Franklin D. Lomax, Jr等人提出的、发明名称为“用于变压吸附的方法和设备”(METHOD ANDAPPARATUS FOR PRESSURE SWING ADSORPTION)的专利申请中，公开了这种结构的阀门歧 管，上述的申请是与本申请同时提交的，其基于发明名称为“用于变压吸附的改进的方法和 设备”(IMPROVEDMETHOD AND APPARATUS FOR PRESSURE SWINGADSORPTION)的第 60/370702 号临时申请(其提交日为2002年4月9日)。这些申请中的内容被结合到此处作为参考。图9是一个三维立体图，其表示了可被用在本发明中的阀门歧管120。可通过将 底座122连接到图2所示吸附容器10的下端上来应用图9所示的阀门歧管120。阀门歧 管120中设置了至少一个充气室130，该充气室通过开口 12与吸附容器10(见图2)相通。 充气室130是图2中的管路11。歧管120上还设置有一第一流体流路140，当该流体流路 140通过管道与吸附容器20、30、40的阀门歧管的相同结构连接到一起时，该流路就构成了 气源歧管100的一部分。歧管120还包括一第二流体流路160，当该流体流路160通过管道 与吸附容器20、30、40的阀门歧管的相同结构连接到一起时，该流路就构成了废气歧管104 的一部分。充气室130通过一内部槽道或流体通道152与第一流体流路140连通。流体通道 152即为图2中的管路11。在一端口 150中安装了一个阀(未在图9中示出，但在图2中 被表示为阀门10A)，其靠着一个阀座154，使得该阀能对从充气室130、经流体通道152流 向第一流体流路140的流体流进行控制。充气室130通过一内部槽道或流体通道172与第 二流体流路160连通。流体通道172即为图2中的管路13。在一端口 170中安装了一个 阀(未在图9中示出，但在图2中被表示为阀门10E)，其靠着一个阀座174，使得该阀能对 从充气室130、经流体通道172流向第二流体流路160的流体流进行控制。阀门歧管120提供一个紧凑的结构，其配件的数目是最小的，因而，这将能减小 PSA系统的尺寸，并降低发生泄漏的可能性。可根据特定PSA系统的需要，在阀门歧管上设置其它的流体流路或另外的阀，其中，阀利用另外的流体通道将充气室与流体流路连接起 来。例如，可在吸附容器10上端的开口 14处使用一种与图9所示阀门歧管类似的装置。但 是，由于开口 14与均压管路106是分别通过两条管路16、18由两阀门IOC和IOD连接起来 的，所以，必须在该阀门歧管中设置另一阀门端口、阀座以及流体通道，并与其中的一个流 体流路相连接，以便于为另外一个阀门提供一个端口。对于图8所示PSA系统ID中吸附容 器10的上端，由于开口 14与产品歧管102、均压管路108以及均压管路110相连接，所以需 要在阀门歧管上增设另外一条流体流路。需要指出的是，本发明的阀门被设计成不对沿流路的流体流进行限制和对充气室 内的流体流进行限制。阀门被设计成只对流体经通道在充气室与流路之间的流动进行控 制。因而，如果需要的话，在任意一个给定阀门出现故 障的情况下，都能保持沿流路的流动、 以及充气室中的流动。应当指出的是，文中描述、表示的示例性实施方式介绍了本发明的优选实施方式， 但无论如何都不意味着对权利要求保护范围的限制。根据上述内容，可对本发明作出多种形式的改动和变型。因而，可以理解在所附 权利要求书的范围内，除了文中具体介绍的形式之外，还可按照其它的方式来实施本发明。
权利要求
一种变压吸附方法，其包括以下步骤通过在设于多个吸附容器中的吸附床中对至少一种气体组分进行吸附而分离气体混合物，其中，分离步骤具有至少两级压力平衡操作，且对于多个吸附容器，每一吸附容器完成分离步骤所用的阀门数不超过5个。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，多个吸附容器中每一吸附容器完成分离步骤所 用的阀门数不超过4个。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，使用至少五个吸附容器来执行所述方法。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，多个吸附容器中每一吸附容器完成分离步骤所 用的阀门数不超过4个。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，分离步骤具有至少三级压力平衡操作。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，使用六个吸附容器执行所述方法，且分离步骤具 有三级压力平衡操作。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，多个吸附容器中每一吸附容器完成分离步骤所 用的阀门数不超过4个。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，使用七个吸附容器执行所述方法，且分离步骤具 有三级压力平衡操作。
9.根据权利要求1所述的方法，其还包括设置第一均压管路的步骤，该管路与多个吸 附容器中的每一吸附容器相连。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，两级压力平衡操作是通过第一均压管路进行的。
11.根据权利要求10所述的方法，其还包括设置一第一阀门的步骤，其使第一均压管 路与多个吸附容器中第一吸附容器实现流路连接，该第一阀门不阻止流体沿第一均压管路 流向多个吸附容器中其余的任何吸附容器。
12.根据权利要求9所述的方法，其还包括设置一第二均压管路的步骤，该第二均压管 路与多个吸附容器中的每一吸附容器相连，其中，两级压力平衡操作是通过第一均压管路 和第二均压管路进行的。
13.根据权利要求12所述的方法，其还包括设置一第二阀门的步骤，其使第二均压管 路与多个吸附容器中第一吸附容器实现流路连接，该第二阀门不阻止流体沿第二均压管路 流向多个吸附容器中其余的任何吸附容器。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，第一阀门当处于开启状态时具有第一预定流 速，第二阀门当处于开启状态时具有第二预定流速。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，第一预定流速不同于第二预定流速，在两级压 力平衡操作的第一级操作过程中，第一阀门处于开启状态，在两级压力平衡操作的第二级 操作过程中，第二阀门处于开启状态。
16.根据权利要求1所述的方法，其中每一吸附容器都具有一第一开口，其通过第一阀门与一气源进气歧管相连接，并通过第二阀门与一废气排 气歧管相连接；以及一第二开口，其通过第三阀门与一产品排气歧管相连接，并通过第四阀门和第五阀门与一均压管路相连接，均压管路与多个吸附容器中的每一吸附容器相连接。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，第四、第五阀门不阻止流体沿均压管路流向多 个吸附容器中任何其他的吸附容器。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，第四阀门当处于开启状态时具有第一预定流 速，第五阀门当处于开启状态时具有第二预定流速。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，第一预定流速不同于第二预定流速，在两级压 力平衡操作的第一级操作过程中，第四阀门处于开启状态，在两级压力平衡操作的第二级 操作过程中，第五阀门处于开启状态。
20.一种变压吸附方法，其通过在设于多个吸附容器中的吸附床上对至少一种气体组 分进行吸附而分离气体混合物，其中，多个吸附容器是循环工作的。所述方法包括吸附步骤；第一压力平衡步骤，其具有至少两级操作，第一压力平衡步骤降低压力；吹洗步骤；以及第二压力平衡步骤，其具有至少两级操作，第二压力平衡步骤升高压力，其中，多个吸附容器中每一吸附容器完成所述方法所用阀门数不超过5个。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，多个吸附容器中每一吸附容器完成所述方法 所用的阀门数不超过4个。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，使用至少五个吸附容器来执行所述方法。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，第一压力平衡步骤具有至少三级操作，第二压 力平衡步骤具有至少三级操作。
24.根据权利要求20所述的方法，其中，使用六个吸附容器来执行所述方法，第一压力 平衡步骤具有三级操作，第二压力平衡步骤具有三级操作。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，多个吸附容器中每一吸附容器完成所述分离 步骤所用的阀门数不超过4个。
26.根据权利要求20所述的方法，其中，使用七个吸附容器来执行所述方法，第一压力 平衡步骤具有三级操作，第二压力平衡步骤具有三级操作。
27.根据权利要求20所述的方法，其中，第一压力平衡步骤包括至少两级压力平衡/减压操作以及一并行减压操作，所述并行 减压操作实现了吹洗气体的步骤；以及第二压力平衡步骤包括至少两级压力平衡/再升压操作以及一最终再升压步骤。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，第一压力平衡步骤中所有的压力平衡/减压操 作都是在实现吹洗气体步骤的并行减压操作之前进行的。
29.根据权利要求20所述的方法，其中，所述方法还包括一逆向排气步骤，其在吹洗步 骤之前。
30.根据权利要求20所述的方法，其还包括设置第一均压管路的步骤，该第一均压管 路与多个吸附容器中的每一吸附容器相连。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，第一压力平衡步骤和第二压力平衡步骤是通 过第一均压管路进行的。
32.根据权利要求31所述的方法，其还包括设置一阀门的步骤，该阀门使第一均压管路与多个吸附容器中的第一吸附容器实现流路连接，该阀门不阻止流体沿第一均压管路流 向多个吸附容器中其余的任何吸附容器。
33.根据权利要求30所述的方法，其还包括设置一第二均压管路的步骤，该第二均压 管路与多个吸附容器中的每一吸附容器相连，第一压力平衡步骤和第二压力平衡步骤是通 过第一均压管路和第二均压管路进行的。
34.根据权利要求33所述的方法，其还包括设置一第二阀门的步骤，该第二阀门使第 二均压管路与多个吸附容器中第一吸附容器实现流路连接，该第二阀门不阻止流体沿第二 均压管路流向多个吸附容器中其余的任何吸附容器。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，第一阀门当处于开启状态时具有第一预定流 速，第二阀门当处于开启状态时具有第二预定流速，第一预定流速不同于第二预定流速。
36.根据权利要求30所述的方法，其还包括设置一第二均压管路的步骤，该第二均压 管路与多个吸附容器中的每一吸附容器相连，其中，第一压力平衡步骤和第二压力平衡步 骤是通过第一均压管路进行的，第三压力平衡步骤和并行减压步骤是通过第二均压管路进 行的。
37.根据权利要求20所述的方法，其中，每一吸附容器都具有一第一开口，其通过第一阀门与一气源进气歧管相连接，并通过第二阀门与一废气排 气歧管相连接；以及一第二开口，其通过第三阀门与一产品排气歧管相连接，并通过第四阀门和第五阀门 与一均压管路相连接，均压管路与多个吸附容器中的每一吸附容器相连接。
38.根据权利要求37所述的方法，其中，第四、第五阀门不阻止流体沿均压管路流向多 个吸附容器中其余的任何吸附容器。
39.根据权利要求37所述的方法，其中，第四阀门当处于开启状态时具有第一预定流 速，第五阀门当处于开启状态时具有第二预定流速，第一预定流速不同于第二预定流速。
40.一种变压吸附系统，其包括多个吸附容器，每一吸附容器都具有一第一开口，其通过第一阀门与一气源进气歧管相连接，并通过第二阀门与一废气排 气歧管相连接；以及一第二开口，其通过第三阀门与一产品排气歧管相连接，并通过第四阀门和第五阀门 与一均压管路相连接，所述均压管路与多个吸附容器中的每一吸附容器相连，其中，所述变压吸附系统中每个所述吸附容器的阀门数都不超过5个。
41.根据权利要求40所述的变压吸附系统，其中，所述第四、第五阀门不阻止流体沿所 述均压管路流向多个所述吸附容器中其余的任何吸附容器。
42.根据权利要求40所述的变压吸附系统，其中，所述第四阀门当处于开启状态时具 有第一预定流速，所述第五阀门当处于开启状态时具有第二预定流速。
43.根据权利要求42所述的变压吸附系统，其中，所述第一预定流速不同于所述第二 预定流速。
44.一种变压吸附系统，其包括多个吸附容器，每一吸附容器都具有一第一开口，其通过第一阀门与一气源进气歧管相连接，并通过第二阀门与一废气排气歧管相连接；以及一第二开口，其通过第三阀门与一产品排气歧管相连接，并通过第四阀门和第五阀门 与一均压管路相连接，所述均压管路与多个吸附容器中的每一吸附容器相连， 其中，所述第四阀门当处于开启状态具有第一预定流速；以及 所述第五阀门在处于开启状态时具有第二预定流速。
45.根据权利要求44所述的变压吸附系统，其中，所述第四、第五阀门不阻止流体沿所 述均压管路流向多个所述吸附容器中其余的任何吸附容器。
46.根据权利要求44所述的变压吸附系统，其中，所述第一预定流速不同于所述第二 预定流速。
47.根据权利要求44所述的变压吸附系统，其中，所述变压吸附系统中多个所述吸附 容器中的每个吸附容器的阀门数不超过5个。
48.一种变压吸附系统，其包括 至少五个吸附容器，每一吸附容器都具有一第一开口，其通过第一阀门与一气源进气歧管相连接，并通过第二阀门与一废气排 气歧管相连接；以及一第二开口，其通过第三阀门与一产品排气歧管相连接，并通过第四阀门与一均压管 路相连接，所述均压管路与各个吸附容器都相连，其中，所述变压吸附系统中每个所述吸附容器的阀门数都不超过4个。
49.根据权利要求48所述的变压吸附系统，其中，所述变压吸附系统包括六个吸附容器。
50.根据权利要求48所述的变压吸附系统，其中，所述第四阀门不阻止流体沿所述均 压管路流向其它任何吸附容器。
51.一种变压吸附方法，其包括以下步骤通过在设于多个吸附容器中的吸附床上对至少一种气体组分进行吸附而分离气体混 合物，其中，初始时利用一适于η个吸附容器的变压吸附循环来执行所述分离步骤，其中，η 是初始时进行工作以执行分离步骤的吸附容器数目；以及当至少某一特定吸附容器及与该特定吸附容器直接相关的阀门出现故障时，通过绕过 所述的特定吸附容器，利用适于η-1个吸附容器的变压吸附循环来执行所述分离步骤。
52.根据权利要求51所述的变压吸附方法，其中，分离步骤具有至少两级压力平衡操 作，且每一吸附容器完成分离步骤所用的阀门数不超过5个。
53.一种变压吸附方法，其通过在设于多个吸附容器中的吸附床上对至少一种气体组 分进行吸附而分离气体混合物，其中，多个吸附容器是循环工作的，所述方法包括吸附步骤；第一压力平衡步骤，其具有至少两级操作，第一压力平衡步骤降低压力； 吹洗步骤；以及第二压力平衡步骤，其具有至少两级操作，第二压力平衡步骤升高压力， 其中，初始时利用一适于η个吸附容器的变压吸附循环来执行所述方法，其中，η是初 始时进行工作以执行所述方法的吸附容器数目；以及当至少某一特定吸附容器及与该特定吸附容器直接相关的阀门出现故障时，通过绕过 所述的特定吸附容器，利用适于n-1个吸附容器的变压吸附循环来执行所述方法。
54.根据权利要求53所述的变压吸附方法，其中，每一吸附容器完成所述方法所用的 阀门数不超过5个。
全文摘要
本发明公开了一种变压吸附方法，其包括步骤通过利用设置在多个吸附容器中的吸附床对至少一种气体组分进行吸附而分离一气体混合物，其中，分离步骤具有至少两级压力平衡操作，且多个吸附容器中每一吸附容器完成分离步骤所用的阀门数不超过5个。变压吸附方法包括一吸附步骤；一第一压力平衡步骤，其具有至少两级操作，在该步骤中，压力被降低；一吹洗步骤；以及一第二压力平衡步骤，其具有至少两级操作，在该步骤中，压力被升高。一种变压吸附系统中设置有多个吸附容器，每一吸附容器都具有一第一开口，其通过一第一阀门与一气源歧管相连接，并通过一第二阀门与一废气歧管相连接；以及一第二开口，其通过一第三阀门与一产品歧管相连接，并通过一第四阀门和第五阀门与一均压管路相连接。
文档编号B01D53/047GK101810980SQ201010166258
公开日2010年8月25日 申请日期2003年10月10日 优先权日2002年10月11日
发明者小·F·D·洛马克思 申请人:H2Gen创新公司