技术领域
本发明属于气体分离技术领域，更具体的是一种从混合气体中分离有用组分的高效变
压吸附气体分离工艺。
背景技术：
变压吸附(PressureSwingAdsorption，PSA)技术是利用吸附质在吸附剂上的平衡吸
附容量、吸附速度和吸附力等吸附特性的差异以及吸附容量随压力变化而变化的特性，通
过周期性的压力变化实现吸附和解吸过程的交替进行，从而实现气体的分离或提纯，属于
物理过程，在常温下即可实现，同时，变压吸附技术具有装置规模灵活、自动化程度高、
能耗低等优点。因此，变压吸附技术自上世纪60年代第一套工业装置问世以来，得到了广
泛应用和快速发展，其应用领域从氢气的提纯发展到一氧化碳、二氧化碳以及有机气体的
浓缩与净化，氮气、氧气等工业气体的制取，其生产规模也由最初的几百标方每小时发展
到目前的数十万标方每小时。随着变压吸附装置的大型化，其配套的吸附床容积、程控阀
门及管道通径越来越大，使吸附床内气流均布困难，加工及运输费用较高，占地面积很大，
传统的变压吸附工艺已无法满足装置大型化的后用户对产品收率、投资和占地的苛刻要求。
90年代初国内推出了10-3-4/P工艺，采用3个吸附床同时进料，共20个步骤，其中
6个吸附步骤(A)，4个均压降步骤(nE)，2个顺放步骤(PP)，1个逆放步骤(D)，2个冲洗步
骤(P)，4个均压升步骤(nR)和1个最终升压的终充步骤(R)。其中顺放时间与冲洗时间
相同，均为2步，总的冲洗时间为90秒，分周期时间为90s，吸附床的循环时间为900s，
该工艺与之前的工艺相比，均压次数由3次增加到了4次，对于2.5MPa的中变气提氢装置，
该工艺的氢气收率可以达到90％，比之前的3步均压工艺增加了4％，但该工艺的分周期时
间较长，吸附床体积较大，装置投资较高。
现有技术还具有带两个顺放罐的变压吸附工艺，其采用1个顺放步骤、3个冲洗步骤，
顺放气在2个顺放罐内实现缓冲。该工艺的优点是缩短顺放时间，延长冲洗时间，从而使
得10-3-4/P工艺的分周期时间缩短到60s，吸附床的循环时间缩短到600s，在保证产品收
率的情况下大幅节省了投资。该工艺的缺点是除吸附床外还要另外配置2台顺放罐，且每
个顺放罐连接3台程控阀和1台调节阀，冲洗过程的控制较为复杂。
技术实现要素：
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种投资节省、占地面积小、处理规模
大的变压吸附工艺。
现有技术公知，变压吸附气体分离方法利用装有一种或多种吸附剂的一组吸附床对含有
强吸附组分和弱吸附组分的混和气进行物理分离，在较高压力下吸附强吸附组分，并在较
低压力下解吸强吸附组分，弱吸附组分作为较高压力下的分离物连续输出，强吸附组分作
为较低压力下的产物连续输出，且每一吸附床连续生产的循环过程包含原料进料的吸附步
骤(A)、均压降步骤(nE)、提供再生气的顺放步骤(PP)、逆向泻压的逆放步骤(D)、冲洗
再生的冲洗步骤(P)、与均压降步骤对应的均压升步骤(nR)和最终升压的终充步骤(R)。
该方法根据需要分离的混合气选定一种或多种吸附剂及其吸附和解吸压力，混合气中能
够被所述吸附剂在所述较高压力的吸附压力下吸附的即为所述强吸附组分，能够在所述较
低压力的解吸压力下解吸的即为所述弱吸附组分。吸附剂、强吸附组分、弱吸附组分、吸
附压力(较高压力)和解吸压力(较低压力)的界定和选取属于公知知识，本领域技术人
员可以根据需要进行确定。通常而言，所述工艺优选弱吸附组分作为产品。通常需要分离
的混合气中，弱吸附组分为氢气，强吸附组分为氮气、氧气、氩气、一氧化碳、二氧化碳、
水蒸气和烃类的一种或多种气体的混合物。每一吸附床的循环过程由若干个分周期组成，
分周期数量与吸附床数量一致，每个分周期由2个步骤组成。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
在前述现有技术的基础上，该方法的一组吸附床包含至少10个吸附床(更优选12～18
个)，每一吸附床的循环过程包含5～12个冲洗步骤(更优选6～12，最优选6～10个)和
1～2个顺放步骤(更优选1个)，以及包含1个或2个均压降同时提供再生气步骤(nEP)，
或者第1个逆放步骤同时提供再生气步骤(DP)，或者2个均压降同时提供再生气步骤(nEP)
与第1个逆放步骤同时提供再生气步骤(DP)。
作为优选，该组吸附床包含12～18个吸附床，每一吸附床的循环过程包含4～18个吸
附步骤，3～10个均压降和均压升步骤，1～2个顺放步骤(更优选1个)，2个逆放步骤；5～
12个冲洗步骤(更优选6～12，最优选6～10个)，降压过程中包含1个或2个均压降同时
提供再生气步骤，或者第1个逆放步骤同时提供再生气步骤，或者2个均压降同时提供再
生气步骤与第1个逆放步骤同时提供再生气步骤。
所述工艺原料气处理规模为104～106Nm3/h，所述弱吸附组分优选氢气,所述强吸附组分
为氮气、氧气、氩气、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气和烃类的一种或多种气体的混合物。
所述吸附步骤(A)的吸附压力为0.6～6.0MPaG，该组吸附床中同时处于吸附状态的吸
附床数优选为2～9个，更优选3～6，最优选3～4，在吸附压力下原料气由原料气管道经
程控阀门控制从吸附床的底部进入处于吸附状态的多个吸附床，原料气中的强吸附组分被
吸附床的一种或多种吸附剂吸附，弱吸附组分得到浓缩和提纯，从吸附床的顶部流出经程
控阀门及管道后送出装置，每个吸附床经历的吸附步骤数量为同时进料吸附床数量的2倍，
吸附步骤优选为4～18个，更优选6～12，最优选6～8。
所述均压降步骤(nE)优选3～10个均压降步骤，更优选4～6。吸附床完成吸附后吸
附床入口的阀门关闭，吸附床出口依次与处于不同均压升步骤的吸附床出口联通，实现1
均降(1E)、2均降(2E)、3均降(3E)直至n均降(nE)的均压降步骤。n为正整数，下
同。
所述均压降步骤(nE)中有一个或多个均压降步骤吸附床降压所释放的气体一部分为均
压升的吸附床提供升压气，一部分为处于冲洗步骤的吸附床提供冲洗气，此均压降步骤为
nEP步骤(即所述均压降同时提供再生气步骤)。
所述顺放步骤(PP)为吸附床完成均压降以后，吸附床继续顺向降压，所释放的气体为处
于冲洗步骤的一个或多个吸附床提供再生冲洗气，顺放步骤优选1～2个，更优选1个。
所述逆放步骤(D)为吸附床完成顺放以后，吸附床出口的阀门关闭，入口的阀门打开，
吸附床内的气体逆向从吸附床入口放出，吸附床内的压力逐步降低至冲洗再生时的压力，
此过程所释放气体除吸附床死空间的气体外也有降压过程中吸附床解吸出来的杂质气体，
任意时刻仅有1个吸附床处于逆放步骤，逆放步骤为1～3个，优选2个。
所述逆放步骤中第一个逆放步骤在逆向降压的同时也为正在再生的吸附床提供再生气，
即吸附床下部的气体从吸附床入口逆向降压的同时，吸附床上部的气体从吸附床出口顺向
降压，顺向降压所释放的气体为处于冲洗再生的吸附床提供冲洗气，即DP步骤。
所述冲洗步骤(P)为吸附剂的再生步骤，吸附床逆放步骤结束后，吸附床出口与提供再
生气的吸附床出口连通，再生气由处于降压的吸附床出口流出，从再生吸附床的出口流入，
逆向对吸附床冲洗再生，此过程吸附剂所吸附的强吸附组分逐步释放，随冲洗气从吸附床
的入口流出，从而完成吸附剂的再生，任意时刻有2个以上的吸附床处于冲洗步骤，更优
选3～6个，最优选3～5，冲洗步骤优选5～12个，更优选6～10，冲洗步骤的压力为0.01～
0.5MPaG，其中优选0.02～0.2MPaG。
所述均压升步骤(nR)为与均压降相对应的吸附床升压骤，在吸附床完成冲洗再生后，
吸附床入口的阀门关闭，吸附床出口与处于最后一次均压降步骤的吸附床出口连通，为吸
附床逆向升压至两个吸附床压力平衡，即nR步骤，然后依次与对应均压降步骤的吸附床完
成均压，实现n均升(nR)、……、3均升(2R)、2均升(2R)直至1均升(1R)的均压升
步骤。n为正整数，下同。均压升步骤的数量与均压降步骤的数量相同。
所述均压升步骤中，最后一步均压升步骤即1均升步骤伴随着终充步骤，即吸附床最后
一步均压升的升压气体一部分来自1均降的吸附床，一部分部分来自终充气，其中终充气
来自原料气或产品气。
所述终充步骤(R)为吸附床完成均压升步骤后，为了使吸附床的压力进一步升至吸附
压力而进行的最后升压步骤，其升压气体可以采用处于吸附状态的吸附床所产生的产品气
也可以采用原料气，终充步骤为1个步骤。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可
采用并要求保护的方案：如本发明，各选择即可和其他选择任意组合，本领域技术人员在
了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技
术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：采用本工艺可以大幅节省投资，减少占地面积，具体效果体现在：
1)本工艺采用1～2步顺放，5～12步冲洗的循环，顺放步骤少，冲洗步骤多，冲洗与
顺放的时间比优选6～10，最大可以达到12，远高于现有的变压吸附循环，在保证冲洗时
间及冲洗效果的情况下可以大幅减少分周期时间，分周期时间优选12～40s，分周期时间最
少可以降低至10s，相比目前的工艺，吸附床体积降低至16.7％左右，从而大幅降低装置的
投资和占地。
2)本工艺的冲洗过程省去了顺放缓冲罐，配管更加简洁，控制更加方便；在冲洗时由
处于降压过程(均压降、顺放和逆放步骤)的吸附床提供冲洗气，冲洗气从吸附床顶部顺
向流出处于降压过程的吸附床，从吸附床顶部流入处于再生过程的多个吸附床对其逆向冲
洗再生。
3)本工艺采用2～9个吸附床同时进料的多床进料方式，以及12～18个吸附步骤的多
床循环方式，进料床数和循环床数较多，因此可以处理比之前工艺更大规模的原料气，处
理气量可以达到106Nm3/h以上。
4)本工艺采用3～10个均压步骤的多步均压方式，使得工艺的运行压力可以达到6.0MPa
以上。
附图说明
图1为一个传统的10床工艺循环的简化的工艺循环图；
图2为一个现有的10床工艺循环的简化的工艺循环图；
图3为一个本发明的用于12床工艺循环的简化的工艺循环图；
图4-7为一个本发明的用于12床工艺循环的变化形式的简化的工艺循环图；
图8为一个本发明的用于4步均压14床工艺循环的简化的工艺循环图；
图9-10为一个本发明的用于4步均压14床工艺循环的变化形式的简化的工艺循环图；
图11为一个本发明的用于5步均压14床工艺循环的简化的工艺循环图；
图12-14为一个本发明的用于5步均压14床工艺循环的变化形式的简化的工艺循环图；
图15为一个本发明的用于4步均压16床工艺循环的简化的工艺循环图；
图16-17为一个本发明的用于4步均压16床工艺循环的变化形式的简化的工艺循环图；
图18为一个本发明的用于8步均压16床工艺循环的简化的工艺循环图；
图19为一个本发明的用于8步均压16床工艺循环的变化形式的简化的工艺循环图；
图20为一个本发明的用于4步均压17床工艺循环的简化的工艺循环图；
图21为一个本发明的用于6步均压17床工艺循环的简化的工艺循环图；
图22为一个本发明的用于18床工艺循环的简化的工艺循环图；
在图1～图22的循环中，横轴T1、T2、…、Tn为相对的时序步骤，综轴B01、B02、…、
B0n为不同的吸附床编号，图中各步骤符号分别代表：A，吸附；1E，1均降；2E，2均降；
nE,n均降；nEP，n均降同时提供冲洗气；PP，顺放；D，逆放；DP，逆放同时提供冲洗气，
nR，n均升；R，终充。
具体实施方式
下列非限制性实施例用于说明本发明。
实例1(12床工艺循环)：
图3是一种用于12床的变压吸附工艺循环，任意时刻有3个吸附床处于吸附床状态，3
个吸附床处于冲洗状态，每个循环共24个步骤，6个吸附步骤，4个均压降步骤，其中2
均降步骤同时提供冲洗气，1个顺放步骤，顺放步骤占整个循环的1/24，2个逆放步骤，6
个冲洗再生步骤，冲洗步骤占整个循环的1/4；4个均压升步骤，1个终充步骤。与图1所
示的传统工艺相比，新工艺的冲洗步骤数是传统工艺的3倍，与图2所示的现有工艺相比，
新工艺的冲洗步骤数是现有工艺的2倍，传统工艺分周期时间为90s，现有工艺分周期时间
为60s，新工艺分周期时间为20～40s，新工艺的循环时间为240～480s，是传统工艺的
26.7～53.3％，是现有工艺的40～80％，新工艺的吸附床体积是传统工艺的22.2～44.4％，
是现有工艺的33.3～66.6％，总的吸附剂量新工艺是传统工艺的26.7～53.3％，是现有工艺
的33.3～66.6％。因此，新工艺可以大幅降低装置的投资和占地面积，新工艺中没有顺放缓
冲罐，冲洗时冲洗气从降压的吸附床顶部流出，经管道阀门控制后从吸附床顶部流入处于
冲洗再生阶段的吸附床，冲洗过程的控制更加简洁。
图4、图5、图6、图7是图3工艺循环另外的变化形式，与图3所示的循环相比，图
4、图5、图6所示的工艺循环其循环时间相同，每个步骤的时间相同，不同的是提供冲洗
气的步骤，图3所示的工艺循环中，提供冲洗气的步骤为PP和2EP，图4所示的工艺循环
中，提供冲洗气的步骤为PP、2EP和3EP，图5所示的工艺循环中，提供冲洗气的步骤为
PP和DP，图6所示的工艺循环中，提供冲洗气的步骤为PP、3EP、4EP和DP。图7所示的
工艺循环中有2个顺放步骤和2个逆放步骤以及5个冲洗步骤。
实例2(14床工艺循环)：
图8是一种简化的4步均压14床工艺循环，任意时刻有4个吸附床处于吸附床状态，4
个吸附床处于冲洗状态，每个循环共28个步骤，其中8个吸附步骤，4个均压降步骤，其
中2均降的同时提供冲洗气，1个顺放步骤，顺放步骤占整个循环的1/28，2个逆放步骤，
8个冲洗步骤，冲洗步骤占整个循环的2/7，冲洗时间与顺放时间的比值为8；4个均压升
步骤，1个终充步骤。与图2所示的现有工艺相比，新工艺的冲洗步骤数是现有工艺的8/3
倍，新工艺分周期时间为15～30s，新工艺的循环时间是210～420s，是现有工艺的35～70％，
新工艺的吸附床体积是现有工艺的25～50％，总的吸附剂量新工艺是现有工艺的35～70％，
可以大幅降低装置的投资和占地。
图9和图10是图8工艺循环另外的变化形式，与图8的工艺循环相比，图9和图10工
艺循环的每个步骤的时间以及每个循环时间的时间相同，工艺对应的吸附床体积相同，唯
一的差别在于提供冲洗气的步骤不同，图8工艺循环提供冲洗气的步骤是PP和2EP，图9
的工艺循环提供冲洗气的步骤是PP、2EP、3EP和DP，图10的工艺循环提供冲洗气的步骤
是PP、3EP、4EP和DP。
图11是一种简化的5步均压14床工艺循环，任意时刻有4个吸附床处于吸附床状态，
3个吸附床处于冲洗状态，每个循环共28个步骤，其中8个吸附步骤，5个均压降步骤，
其中3均降的同时提供冲洗气，1个顺放步骤，顺放步骤占整个循环的1/28，2个逆放步骤，
6个冲洗步骤，冲洗步骤占整个循环的3/14，冲洗时间与顺放时间的比值为6；5个均压升
步骤，1个终充步骤。与图2所示的现有工艺相比，新工艺的冲洗步骤数是现有工艺的2
倍，新工艺分周期时间为20～40s，是现有工艺的33.3～66.6％。由于新工艺采用了5步均
压，可用于压力更高的变压吸附过程。
图12、图13、图14是图11工艺循环另外的变化形式，其同时进料床数均为4，均压
次数均为5，每个步骤的时间均为20～40s，差别在于提供冲洗气的步骤不同，图11的工
艺循环提供冲洗气的步骤是PP和3EP，图12工艺循环提供冲洗气的步骤是PP、3EP和4EP，
图13工艺循环提供冲洗气的步骤是PP和DP，图14工艺循环提供冲洗气的步骤是PP、4EP、
5EP和DP。
实例3(16床工艺循环):
图15是一种简化的4步均压16床工艺循环，任意时刻有5个吸附床处于吸附床状态，
5个吸附床处于冲洗状态，每个循环共32个步骤，其中10个吸附步骤，4个均压降步骤，
其中2均降的同时提供冲洗气，1个顺放步骤，顺放步骤占整个循环的1/32，2个逆放步骤，
10个冲洗步骤，冲洗步骤占整个循环的5/16，冲洗时间与顺放时间的比值为10；4个均压
升步骤，1个终充步骤。与图2所示的现有工艺相比，新工艺的冲洗步骤数是现有工艺的
10/3倍，新工艺分周期时间为12～22s，是现有工艺分的20～36.7％，新工艺的吸附床体积
是现有工艺的20～36.7％，总的吸附剂量新工艺是现有工艺的32～58.6％。
图16和图17是图15工艺循环另外的变化形式，其同时进料床数均为5，均压次数均
为4，每个步骤的时间相同，差别在于提供冲洗气的步骤不同，图15工艺循环提供冲洗气
的步骤是PP、和2EP，图16的工艺循环提供冲洗气的步骤是PP和DP，图17的工艺循环提
供冲洗气的步骤是PP、3EP、4EP和DP。
图18是一种简化的8步均压16床工艺循环，任意时刻有3个吸附床处于吸附床状态，
3个吸附床处于冲洗状态，每个循环共32个步骤，其中6个吸附步骤，8个均压降步骤，
其中6均降的同时提供冲洗气，1个顺放步骤，顺放步骤占整个循环的1/32，2个逆放步骤，
6个冲洗步骤，冲洗步骤占整个循环的3/16；8个均压升步骤，1个终充步骤。与图2所示
的现有工艺相比，新工艺的冲洗步骤数是现有工艺的2倍，新工艺分周期时间为20～40s，
是现有工艺的33.3～66.6％。由于新工艺采用了8步均压，可用于压力更高的变压吸附过程。
图19是图18工艺循环其他变化形式，与图18的工艺相比，其同时进料床数为相同，
均压次数相同，每个步骤的时间相同，差别在于提供冲洗气的步骤不同，图18的工艺循环
提供冲洗气的步骤是PP和6EP，图19的工艺循环提供冲洗气的步骤是PP和DP。
实例4(17床工艺循环)：
图20是一种简化的4步均压17床工艺循环，任意时刻有6个吸附床处于吸附床状态，
5个吸附床处于冲洗状态，每个循环共34个步骤，其中12个吸附步骤，4个均压降步骤，
其中2均降、3均降的同时提供冲洗气，1个顺放步骤，顺放步骤占整个循环的1/34，2个
逆放步骤，其中第1个逆放步骤同时提供冲洗气，10个冲洗步骤，冲洗步骤占整个循环的
5/17，冲洗时间与顺放时间的比值为10；4个均压升步骤，1个终充步骤。与图2所示的现
有工艺相比，新工艺的冲洗步骤数是现有工艺的10/3倍，新工艺分周期时间为12～22s，
是现有工艺分的20～36.7％，新工艺的吸附床体积是现有工艺的20～36.7％，总的吸附剂量
新工艺是现有工艺的34～62％。
图21是一种简化的6步均压17床工艺循环，任意时刻有3个吸附床处于吸附床状态，
6个吸附床处于冲洗状态，每个循环共34个步骤，其中6个吸附步骤，6个均压降步骤，
其中5均降、6均降的同时提供冲洗气，1个顺放步骤，顺放步骤占整个循环的1/34，2个
逆放步骤，其中第1个逆放步骤提供冲洗气，12个冲洗步骤，冲洗步骤占整个循环的6/17，
冲洗时间与顺放时间的比值为12；6个均压升步骤，1个终充步骤。与图2所示的现有工艺
相比，新工艺的冲洗步骤数是现有工艺的4倍，新工艺分周期时间为10～20s，是现有工艺
的16.7～33.3％。
实例5(18床工艺循环)：
图22是一种简化的10步均压18床工艺循环，任意时刻有3个吸附床处于吸附床状态，
3个吸附床处于冲洗状态，每个循环共36个步骤，其中6个吸附步骤，10个均压降步骤，
其中9均降、10均降的同时提供冲洗气，1个顺放步骤，顺放步骤占整个循环的1/36，2
个逆放步骤，其中第1个逆放步骤同时提供冲洗气，6个冲洗步骤，冲洗时间与顺放时间的
比值为6；10个均压升步骤，1个终充步骤。与图2所示的现有工艺相比，新工艺的冲洗步
骤数是现有工艺的2倍，新工艺分周期时间为20～40s，是现有工艺的33.3～66.6％。由于
新工艺采用了较多的均压步骤，因此可以处理的原料气压力在6.0MPa以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原
则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。