领域

所公开的实施方案涉及使用对污染物失活，诸如通过大气湿度的 失活，敏感的吸附剂进行的气体分离。更具体地讲，所公开的实施方 案涉及在包括至少一种含有吸附剂的吸附器的系统中，诸如以层压板 或其它平行通道载体的形式进行的循环吸附过程，例如真空变压吸附 (VSA)或变压吸附(PSA)。一个范例性的PSA实施方案是使用氮气-选 择性吸附剂从空气中富集氧，所述的吸附剂在其活化条件下是亲水性 的。

背景

利用变压吸附的气体分离通过吸附器上的同步压力循环和逆流来 实现，相对于进料气体混合物中不易吸附的组分，所述的吸附器优先 吸附更易吸附的组分。在从吸附器的第一端(进料端)到第二端(产品端) 通过吸附器的第一方向上的流动间隔过程中总压会升高，并且在逆向 流动间隔过程中降低。当反复进行循环时，在第一方向上富集不易吸 附的组分，同时在逆向富集更易吸附的组分。

然后将”轻质”产物，其贫含至少一种更易吸附的组分并富含至 少一种不易吸附的组分，从吸附器的第二端输送。将富含更强吸附组 分的“重质”产物从吸附器的第一端排出。轻质产物通常是要被精制 的所需产物，重质产物通常是废产物，正如在氮选择性沸石吸附剂上 进行氧气分离以及氢气吹扫的重要的例子那样。重质产物可以是所需 产物，正如在氮选择性沸石吸附剂上进行氮气分离的例子那样。当吸 附器中的压力升高至更高的工作压力时，通常原料流体进入吸附器的 第一端，轻质产物从吸附器的第二端输送。在较低的工作压力下将重 质产物从吸附器的第一端排出。为了得到更高纯度的轻质产物，在压 力降低后，将一部分轻质产物或富含不易吸附组分的气体作为”轻质 回流”气体再循环回到吸附器以进行例如吹扫、压力均衡或再增压的 步骤。

PSA方法的主要功能是从至少一种不易吸附的组分诸如氧气中分 离至少一种优选被吸附的组分诸如氮气，通常是从原料混合物形式的 空气中富集作为所需产物的氧气。本发明涉及在工艺废气或环境大气 诸如环境水蒸气或另一种蒸气污染物中，因其它的、甚至更优选吸附 组分所引起的问题，它非常强、有时几乎不可逆的吸附使吸附剂失活 或中毒，从而降低作为主要分离功能的吸附能力及选择性。

有许多利用以上吸附现象的工业化方法，具有多个压力包封。在 VSA方法中，将吸附剂在低于常压的条件下至少部分地再生，然而在 大多数的PSA工艺中，将吸附剂在接近大气压的条件下再生。许多工 艺也在基本上高于大气压的条件下再生吸附剂。在本文中不同的PSA 方法不进行进行区分，除非另外清楚地说明。“PSA”是指吸附步骤在 高于脱附或再生压力的压力下进行。

对于这个简单的循环设计进行了许多工艺上的改进，从而减少动 力消耗、提高产物回收率和纯度并增加产物流速。这些改进包括多床 层工艺、单塔快速变压吸附，和最近的活塞推动的快速变压吸附和装 有旋转阀的PSA(旋转式PSA)。由于不能极大地提高常用阀和颗粒状 吸附剂的循环频率，所以吸附剂的装填量很大。由于需要设计具有更 低资本投资、更低动力需求以及更紧凑更轻便设备的紧凑工艺，推动 了缩短循环时间。

在本文中将使用至少一个多开口、多流体的分配阀，通常具有相 对旋转的组件，这样的工艺和设备定义为旋转式PSA。这些设备需要 动态的密封表面，其中一些定义了工艺气体系统污染物，有时为环境 周围的界线。由于移动表面的相对运动，所以紧密的流体密封是不可 行的，并且周围环境气体或其它工艺气体中的某些组分的质量流可能 进入轻质气体中，即使存在压力梯度阻止这些质量流越过动态密封。

目前大多数的工业化吸附工艺使用通常以珠或颗粒形式存在的固 定床吸附剂。这些珠或颗粒的粒径通常约为1.5mm至4mm。

用于PSA空气分离设备的沸石吸附剂的平行通道挤出物块公开 于美国专利4,758,253(Davidson等人)。美国专利4,968,329和5,082,473 (Keefer)和美国专利6,231,644(Jain等人，在本文中将上述专利引入作 为参考)公开了用于PSA设备使用的叠层结构(或者是层压的，或者是 整块的)的厚度为1mm或更小的螺旋形轧制吸附剂薄片，从而实现从 常规的45秒钟循环周期得到更高的操作频率，循环周期在小于0.5秒 至约5秒的范围内，同时保持较低的压降和较小的动力消耗。高表面 积、叠层的吸附器含有负载到被间隔片分开的薄片上的吸附剂，从而 形成相邻薄片之间的流动通道，将吸附器安装到转子上以提供逻辑上 只有一个移动部件的PSA工艺阀，这有利于在极其紧凑的设备中进行 高频率的PSA循环，正如Keefer等人的美国专利6,051,050和Keefer 等人的美国专利申请序列号60/285,527所公开的那样，在本文中将其 公开的内容引入作为参考。

正如在本文中所使用的那样，快速的PSA循环或高频率的PSA 或高速的PSA，是指在小于约1分钟的总循环周期条件下进行操作的 PSA工艺和设备。非常规的PSA是指，或者是快速循环的PSA、旋 转式PSA，或者是两者。

一个因素是高性能的吸附剂对污染物的更高的敏感性。对于氧气 的生产，使用低硅铝比的沸石(用阳离子诸如钙或锂进行交换以提供对 氮的高选择性)可能有助于产生对水失活更敏感的物质，因为该沸石在 一些活性位上易于更强地吸附水。

常规的PSA和膜分离设备趋于使用各种除水的方法，诸如冷却 以及随后的冷凝、膜分离或吸附。用于除水的吸附方法在PSA或VSA 工艺中是非常常见的，其中必须将两种主要组分进行分离，并且气体 混合物有百分之几的湿度。

专利文献中有除水的复杂工艺的例子。Toyama等人的美国专利 3,594,984(1971)公开了这样一种系统，其中在分开的容器中，将水和 二氧化碳除去，然后将精制的空气加入到装填有优先吸附氮气吸附剂 的容器中。Smith等人的GB 2 042 365(1980)以及Armond等人的美国 专利4,144,037(1979)中在每个PSA容器中使用双层系统。第一层是 干燥的吸附剂。第二层优先吸附混合物中不需要的组分。该双层概念 是相当普遍的，因为它避免了在更复杂工艺中所需的额外的容器、阀 门和配管的成本。

经常使用的另一种方法是具有单层吸附剂(例如沸石)。对于沸石 床的其余部分，沸石床的第一部分用作干燥剂床层。在相当大规模的 工厂(40吨/天)中，所述的概念已成功地用于低频率的PSA中。

此外，还认识到通过仔细设计阀杆或转子的密封排列可使渗漏进 吸附器的产品端的湿气减少至最小，从而将与吸附器产品端相通的内 部流动通道和外部环境相分离。因此，Keefer等人的美国专利6,063,161 公开了在产品端旋转分配阀的转子和轴上进行多重密封，产品气体通 过这些密封之间的腔室进行输送。对于旋转式PSA设备，类似的产品 端密封排列也记载于Keefer等人的国际公开WO 99/28013中。 Monereau等人(EP 1,095,689 A1)也已经公开了改进的阀杆密封排列以 防止湿气进入PSA吸附器的产品端。

以上描述的防止沸石受到湿气影响的所有方法在设备寿命内都运 行地相当好。如果所述的方法在超出设备的寿命以外。不能充分保护 吸附剂分离层，则对于通常情况这是不重要的。

工业上的PSA和VPSA系统在低循环频率(常用工艺的循环时间 为约1分钟至10分钟)下操作使用大装填量的吸附剂。这些工业工艺 对于污染物引起的少量污染是相对不敏感的，因为：(1)可能出现污 染物扩散越过相对大尺寸的吸附器；(2)任何变差的慢速决于累积的经 验循环数；(3)对大吸附剂装填量的一小部分失活的相对不敏感性；和 (4)静态的相对紧密的流体密封防止工艺气体与外部环境或原料气体 条件接触。因此，常规系统可以操作多年而没有明显的劣化。

已经开发了非常规的PSA系统，其操作频率比常规的工业PSA 工艺高达两个数量级。因此，吸附剂的装填量可减小到高达两个数量 级大约相同倍数的几分之一，并且可能发生污染物扩散越过的吸附器 的尺寸也减小了很多倍。

概述

本发明者已经确定了这样的解决方法，即在正常的连续操作中非 常规的PSA设备的操作过程中所出现的污染物处理问题，并且进一步 解决了在PSA设备的间歇操作条件下所出现的问题。当PSA设备关 闭时，在吸附器内的任何部位，任何吸附的污染物可能有害地扩散进 入活化吸附剂的区域以引起失活或中毒。此外，环境温度和气压的正 常波动可能使关闭的PSA设备吸入在环境大气或进料气体导管中混合 的污染物。因此，本发明还解决了当储存、闲置或关闭时，关闭并起 动工艺程序，以及用于排除进入非常规PSA设备的污染物，或使其减 少到最小的补充设备的问题。

首先通过实验发现了高频率PSA/VSA对湿气的高敏感性。由于 高频率工艺有利于使用少量的与要分离气体成正比的吸附剂装填量， 所以对于相同量的杂质，它们的吸附剂更有可能中毒或失活。考虑到 通过VSA(例如)生产O2的常规过程的循环时间为90至120秒，并且 高频率过程的循环时间通常为1秒，因此，对于高频率的吸附剂，每 单位质量的比率约高出100倍。需要更少体积量的失活湿气以降低少 量吸附剂的性能。

为了克服传质的约束，高频率的PSA吸附器必须具有较高的表 面积，因此具有薄的吸附层以及流动通道具有狭窄的水力半径。在具 有狭窄的流动通道的条件下，需要减小流动通道的长度以保持所需的 低压降。高频率的吸附器易失活的缺点，因较短的吸附器长度而被严 重地加剧，因为通过扩散传送的湿气传输的时间与吸附器长度的平方 成反比。

本发明的实施方案解决了如下的问题，即在需要不含污染物的产 品流体的生产过程中，在PSA设备、尤其是非常规的快速循环PSA 设备的操作中出现的污染物处理的问题。所公开的本发明的实施方案 进一步解决了如下问题，即在PSA设备的间歇操作条件，以及环境温 度和湿度的各种气候条件下所出现的更严重的问题。当PSA设备关闭 时，在吸附器的任何部位，任何吸附的污染物可能有害地扩散进入活 化吸附剂的对污染物敏感的区域以引起失活。此外，环境温度和气压 的正常波动可能使得闲置的PSA设备，通过任何的通气孔或者通过没 有很好关闭的阀门、密封和压缩机的渗漏通道吸入载有污染物的空 气。因此，公开的实施方案还解决了不含污染物的起动、正常的生产 操作、关闭和停置步骤。还描述了当它处于储存、闲置或停置条件下 时，用于防止或者最小化污染物进入快速循环PSA设备的辅助设备。

所公开的PSA设备的实施方案的主要目的是，使其正常的操作 循环频率是每分钟至少3个循环，更可能是每分钟5个循环，甚至更 可能是每分钟10个循环，优选每分钟20个循环或更多。这样的PSA 设备的一个公开实施方案包括以流体连接到吸附器进料端上的通气 器，所述的吸附器含有对污染物敏感的吸附剂。通过截流阀将通气器 连接到进料端上在，生产过程中关闭，在关闭过程中将其打开。

PSA设备的其它公开的实施方案使用特定的密封方法，用于设备 或至少其组件另外的密封以防止污染物进入。例如，一种实施方案包 括将产品端以流体连接到含有缓冲密封的产品输送隔室，其中所述的 隔室容纳缓冲气体，该缓冲气体中污染物的蒸气含量基本上等于或小 于吸附器上，通过变压吸附工艺产生的产品气体的含量。对于使用缓 冲密封的实施方案，缓冲空间可以是正压的、干燥流体冲洗的区域。 例如，缓冲室具有输送产物流提供的冲洗循环，该循环物流逆导入任 何进来的污染物可能从缓冲密封扩散的方向。用缓冲气体将所述的隔 室增压至高于环境的压力，诸如增压至高于环境约0.5巴的压力或更 高的压力。

作为密封方法的另一个例子，可以使用停置密闭。当设备停置时 通常使用停置密闭。停置密闭可以单独使用，或者与其它的污染物处 理特征组合使用。

通过列举公开特征的组合，通气器可以包括防护分离器，或者可 以流体连接到辅助性防护分离器上。通气器可以具有各种结构，但通 常具有相对长结构的隔室，诸如管状构造或气囊隔膜。通过进料风斗 可以将通气器连接到吸附器的进料端。可以使用进料和排气风斗，并 且在使用两者的条件下，可以利用诸如位于约同心旋转轴并彼此层叠 的风斗。

实施方案还包括包含防护层和吸附剂的吸附器，诸如包含层压薄 片的吸附器，所述的层压薄片在第一区域沿流体进料通道具有防护 层，在第二区域沿进料通道具有吸附剂。因此，进料流体中的污染物 通过防护层被除去，然后接触吸附剂。此外在关闭时，在防护层和吸 附剂区域之间的管线上，通过隔离阀诸如截流阀将吸附剂区域与防护 层分开。一个例子是将防护材料安装到与装填有吸附剂的第二模块分 开、但以流体连接到第二模块上的第一模块上。通过连接到第一模块 和第二模块的流体导管中的隔离阀，将第一和第二模块以流体连接。

所述设备的实施方案还包括用于输送所需产品气体的产品输送 管，用于输送作为回流气体的一部分产品气体的轻质回流导管和至少 一个包含用于捕集污染物的防护材料的分离器。所述的分离器可以在 产物回流管线和产物管线之间转动，以通过产品流体取代吹扫再生。 例如，可以将多个防护分离器安装到以较低旋转速度连续旋转的旋转 吸附模块内。当以流体连接到产品输送时，旋转吸附模块通过离散的 分级旋转以离散式间隔，使防护分离器从数个产物回流环路的每一个 中的污染物吸附切换至再生。

辅助性的防护分离器已用于各种实施方案中。该辅助性的防护分 离器可以流体连接到产品气体输送管上，以便在正常的操作过程中再 生辅助性的防护分离器。防护材料的再生可以使用至少一种干燥产物 吹扫或变温来实现。吸附器防护层的基本上完全的再生可以利用置换 吹扫实现，从而将吸附的污染物从吸附器的污染物吸附区输送到辅助 性防护分离器。结果，辅助性防护分离器优选具有这样的污染物蒸气 吸附容量，即足以吸附可能从吸附器防护层上脱附的基本上所有的污 染物蒸气。传感器诸如湿度传感器可用于感知从辅助性防护分离器回 流的污染物蒸气，在这种情况下，辅助性防护分离器与吸附器相隔离。

利用辅助加热器加热防护材料可以促进污染物的脱附。例如，使 用加热器对第一防护层、任何的辅助性防护分离器、通气器中使用的 防护分离器等进行加热。可以使用常规加热器以及微波炉和红外辐射 来加热防护材料。

隔离阀通常单独使用，或者与其它的污染物处理特征组合使用。 将隔离阀用于几个实施方案中以将某些包含吸附剂的污染物敏感区域 与防护层相隔离。隔离阀可以是单向阀，从而防止除在正常的PSA模 块操作中，向前的流动从吸附器的第一防护层流入第二吸附剂区域的 区域。需要时单向阀可以通过驱动器来启动。还可以将隔离阀放置在 通气管和吸附器之间的流体通道上，以防止流入吸附器的进料端。

还描述了，在生成产品气体的同时，降低由于污染物吸附导致的 吸附剂劣化方法的实施方案，其包括提供所述的PSA设备或系统的实 施方案，以及运行所述的PSA设备或系统以生成产品气体。还描述了 在正常的产品输送、停置、关闭和起动方式的过程中，用于操作PSA 设备和系统的各种实施方案。例如，根据关闭程序，用于关闭PSA设 备的一种实施方案包括如下特征。产品输送停止，同时进料气体继续 流过PSA工艺以使污染物前峰部分地返回到吸附器的进料端。将保护 气体引入到PSA设备的进料端，然后将防护材料加热以促使吸附的污 染物的脱附。然后停止将流体进料混合物输送入进料端，随后用吹扫 流体吹扫吸附器，该吹扫流体的污染物蒸气含量基本上等于或小于吸 附器上通过PSA过程产生的产品气体的污染物蒸气的含量。吹扫气体 通常是吸附器上通过PSA过程产生的产品气体。此外，干燥产物的吹 扫气体可以通过辅助性的防护分离器进行再循环，然后吹扫吸附器。 可以在高于吸附器的温度下使用吹扫流体。用吸附器吹扫流体对吸附 器进行吹扫可以加热吸附器，并因此促进污染物的脱附。停止所有的 吹扫操作并关闭排气口。然后将可以与第一保护气体相同或不同的第 二保护气体加入到进料端，以将设备增压至高于环境的压力。停止设 备的转动，然后使用任何的停置密闭。在该方法中可以使用不同的步 骤，另外的步骤，这些步骤的各种组合以及所述步骤的不同顺序。

还描述了增加有用操作时间、特别是快速循环旋转式PSA设备 的方法。该方法的实施方案包括提供一种在PSA设备进料端上游具有 防护分离器的PSA设备，和在吸附器进料端具有防护层的吸附器。将 该PSA设备在正常的操作条件进行操作以产生产品流体。作为高表 面积和叠层的吸附器，优选地提供负载在吸附剂薄片上被间隔片分离 的吸附剂，从而形成相邻薄片间的流体通道。对于这样的实施方案， 叠层吸附器通常包括具有在吸附剂片进料端的至少一种防护材料的防 护层。该防护材料可选自有用的防护材料，包括氧化铝、硅胶和中等 亲水的沸石诸如Na-Y或Na-X。

对于某些实施方案，污染物是水，产品端的目标水蒸气压基本上 是产品端被选择的吸附剂材料的蒸气压。该水蒸气压在30℃下通常约 为0.005Pa至约0.1Pa。

还描述了将所述的方法用于在旋转式PSA设备中，产生正压停 置模式的实施方案。该实施方案包括关闭旋转式PSA设备，以降低防 护材料污染物的负载量。将轻质干燥的保护气体引入到设备的进料 端，以提供高于周围环境的停置压力。关闭所有端口，停止转子的转 动并使用停置密闭。

附图简述

图1是旋转式轴向流动PSA模块的示意性横截面图。

图1A是旋转式轴向流动PSA模块的另一种实施方案。

图1B是旋转式轴向流动PSA模块的另一种实施方案。

图1C是固定床旋转式PSA的示意性横截面图。

图1D是固定床旋转式PSA的示意性横截面图。

图2-5B表示的图1模块的横截面图。

图6是旋转式轴向流动PSA模块的示意性横截面图。

图7-16表示具有防止或抑制水敏性吸附剂区域失活设备的快速 循环PSA模块的简化的一般性示意图。

图17是在25℃下在氮选择性吸附剂上，进料气诸如空气中10ppm 水的水蒸气等温线。

图18是产物中水的浓度(ppm)对亨利定律常数的曲线，其说明亨 利定律常数对于图17等温线的变化范围。

图19是在25℃下在氮选择性吸附剂上进料气诸如空气中0.2ppm 水的水蒸气的等温线。

图20是沸石的湿度对特定产物在30rpm下的曲线，其说明对循 环周期为2秒的氧PSA过程性能的特定生产率及收率(分级回收率)的 影响。

详细描述

I.定义

提供下面的定义来帮助读者，并非意欲将所定义的术语限定小于 本领域的普通技术人员所理解的范围内。

“吸附器材料”-通常是指能够单独或组合使用，以优先吸附流体 的材料。用来进行PSA分离功能的吸附器材料应该具有优选的吸附性 能。

“辅助加热”-将防护材料诸如吸附器、空气通气器或防护分离器 的干燥剂加热以提高污染物的脱附。可以将任何有用的热源用于直接 加热防护材料，所述的热源包括，并非限制于，辅助性电阻加热器、 微波辐射加热器、红外辐射加热器、密封摩擦等。也可以将防护材料 间接加热包括，但不限制于，诸如通过作用于流体的真空泵或压缩机、 通过热交换器的操作、通过防护分离器上的吸附热等加热的流体进入 防护材料的方法。

“逆向吹扫”-是一种气体进料的过程，如产品、吹扫或保护气体 逆流通过壳体诸如吸附器。

“保护流体”-一种具有基本上减少的污染物含量的流体。将保护 流体用于置换吸附器中及其相关的导管中的工艺或吹扫或其它的流 体，和/或在吸附器内产生高于正常操作低压的总压力。

“通气器”-在停置时以及在保持吸附器内的压力同外部流体压力 均衡的时候，用于防止污染物进入吸附器的腔室，诸如相对长的装有 或不装有防护分离器的管子或囊。通气器尤其是空气通气器(与外部空 气交换的通气器)明显地降低了在热循环期间，因污染物进入造成的吸 附剂的失活或中毒速率。例如，对于特定的沸石，对于使用同样的吸 附器和沸石而没有空气通气器时的失活速率，每个循环降低约0.135％ N2容量，而带有空气通气器床层的失活速率为每个循环降低约0.005％ N2容量。可以将通气器放置在吸附器末端或者甚至在两端。不限于一 种操作理论，当PSA设备停置时，空气通气器明显地减少从含有污染 物的空气到吸附剂床进料端的污染物的质量流。

“缓冲室”-缓冲室是限定在缓冲空间内的两个直接相邻的动态密 封中的体积。根据缓冲空间内的缓冲密封的数量，缓冲空间内存在一 个或多个缓冲室。缓冲空间内也存在一个或多个停置密闭，以及流体 流入室内和流出室外的设备。将静态缓冲室定义为在动态密封和静态 密封之间的体积。

“缓冲密封”-缓冲密封是位于缓冲空间内的动态密封。在缓冲空 间内有多个缓冲密封。

“缓冲空间”-由工艺污染物密封和基础密封所限定的空间。缓冲 空间在空间内可具有任何数量的缓冲密封，包括非缓冲密封。

“污染物”-污染物流体，没有限制，是周围环境大气、PSA设备 中或在进料气体混合物中的那些流体，其抑制在任何吸附器第二端的 进料气中所有倾向于更强吸附组分的吸附/脱附过程。尤其注意，在设 计的再生压力下，在设计的这部分循环时间内从吸附剂中不能脱附的 气体。最常见的污染物是水，因为它经常既出现在进料气体混合物 中，又出现在环境大气中。其它污染物的例子包括碳氢化合物和硫化 氢气体。当污染物是空气的组分时，可以将PSA设备用作吹扫人们呼 吸空气的设备。作为另一个例子，实验发现干燥空气中的二氧化碳含 量污染实验室氧气PSA设备的吸附剂，所述的设备的设计没有结合本 发明公开的实施方案。空气中残留二氧化碳引起明显的可逆性降解， 从中将湿气从外部除去足以避免氮选择性吸附剂的降解。为达到吸附 剂预期的使用寿命，污染物的浓度应该在可使吸附剂起作用的程度。 污染物的定义取决于吸附剂、工艺、工艺温度、环境温度或两者及其 组合。

“动态密封”-是用于流体密封的设备，并且至少具有两种组分彼 此以间歇或连续方式相对运动。一般地，将一种组分称作密封材料， 将另一种组分称作密封座。动态密封组分的相互作用由直接接触组 成，或它们精密相邻，在这样的情况下称为间隙接触。一般地，动态 密封不是紧密的流体密封，由于相对运动允许一些质量流越过边界。 一些动态密封的设计可使一定量的流体从一边输送越过另一边，并通 过与预期的污染物质量流方向相反的方向输送流体以减少污染物的质 量流。

“置换吹扫”-通过在防护材料上流过污染物浓度减少的流体实现 保护保护材料的再生，而没有压力或热的变化增加。

“防护层”-通常是指含有防护材料或防护材料混合物的吸附器的 区域。将防护层位于吸附剂材料的附近，通过离散的、非离散的边界， 例如具有防护材料的梯度，所述的梯度起始于进料端的保护材料，沿 梯度行进到最后的沿进料方向第二端的吸附剂。防护层也可以流体连 接到分隔间或含有吸附剂的载体上。特定的实施方案包括将防护材料 施加到载体上的区域，或把第一载体上的防护材料施加到第二载体 上，以形成层压材料。防护层可以包括干燥剂。干燥剂强烈地吸附水 (所以该层的长度相对短于由吸水性不强的干燥剂制成的吸附层)， 但是具有合理线性的水等温线(容易再生，最小可能的吸附水量)，在 其工作范围内是优选的。对于所需的操作，对特定的PSA操作而言， 选择具有“最好“性能的特定的吸附剂，而且具有“优良”的再生性 能，如通过变温，以减少优选基本上消除作为关闭步骤的吸附水量。 设计特征包括层的宽度、稳态累积吸附水的变化曲线、有效扩散速率 和另外的干燥剂再生的难易程度。

“防护材料”-任何用于降低与防护材料接触流体的污染物含量的 材料，通常是指任何能吸附污染物诸如水蒸气的材料。对防护层，优 选可逆吸附污染物的防护材料，以便任何的吸附在防护材料上的污染 物能够通过所希望的过程或过程的组合被脱附，所述的过程包括加热 和/或用没有污染物的流体吹扫。防护材料优选既在进料气的正压或环 境大气下吸附污染物，又在任何可能的用于再生防护材料的吹扫气体 的分压下脱附污染物。某些沸石是有效的防护材料，但是其持留一些 污染物诸如水蒸气的能力太强，而不能将污染物很容易地从基本上连 续的PSA过程中除去，从而使防护材料再生。目前优选的主要的防护 层材料包括但不限制于，活性氧化铝、硅铝酸盐凝胶、硅胶、沸石诸 如Y型沸石材料、活性炭、碳分子筛及其这些材料的组合物。这些材 料是特别有用的，因为它们在污染物的分压的范围内有相对线性的等 温线，对污染物的吸附能力高，并且甚至在低分压下也具有吸附一些 污染物的能力。也可以使用两种以上的适当的防护材料。有用的防护 材料组合的一个例子是活性氧化铝与沸石诸如5A和/或13X的组合。 许多沸石在低污染物的分压下表现出相对线性的等温线，应该与其它 的防护材料组合在一起使用。对于防护分离器，考虑有用的可逆吸附 是不重要的，并且其它材料可能是更适宜的。

“防护分离器”-是指布置一定量的防护材料与流体接触以吸附污 染物，诸如将其布置在产品输送线、产品回流线内。如根据具体的应 用可决定，将防护分离器安装或应用于接触尽可能没有污染物所希望 流体的设备构造中，诸如应用到提供流体流动的导管内表面。防护分 离器可被构造为至少两个彼此相对运动的组件或作为静态结构。防护 分离器是可更换的或再生的。

“隔离阀”-是位于对污染物(诸如吸附剂、产品和回流管线)特别敏 感的区域与污染物潜在源之间的阀门。通常需要将隔离阀进行流体紧 密封。

“正常操作”-通常的产品流体的生产和再生过程的PSA工艺和设 备的操作。对于PSA旋转系统，正常的操作是指当转子在标准操作速 度范围内的速度下进行的产品输送操作。

“停置”-PSA工艺基本上停止的位置，参看旋转PSA系统，相对 的旋转停止，或者仅以明显低于正常操作的旋转循环速度间歇地旋 转。可以在大量不同的条件下使PSA设备停置，所述的条件包括并不 限制于，在正压力下通常关闭所有端口，以及在大气压力下仅密封某 些端口、诸如产品端口。停置条件(也称作为模式)也随不同的应用而 变化。例如，参照用于生产氢气的操作实施方案和其它的优选从不接 触空气的流体，可以使用在正压力停置。可以在工艺流体与空气混合 而不产生有害混合物的情况下使用大气压停置。

“停置密闭”-是位于缓冲室内的用于提供流体紧密封的密封。在 一些实施方案中，将停置密闭与动态密封中的一种相结合并在停置模 式中使用。

“部分密封关闭”-是一种关闭条件，由此产品端口被紧密封，而 进料端口被相对紧密封。可以包含减压阀以进行必要的压力调整，随 后关闭。

“基础密封”-是一种负载污染物的流体在密封边界一侧的动态密 封。基础密封在设备里作为任何缓冲空间的边界。

“工艺约束密封”-是一种动态密封，在密封边界的一侧含有PSA 工艺流体或轻产品。轻产品可以是但并不限制于此，产品、轻质回流 物、吹扫或保护流体。工艺约束密封在设备内作为任何缓冲空间的边 界。

“PSA设备”-含有工艺流体和至少一种吸附器材料的设备，该设 备使PSA工艺随工艺流体和至少一种吸附器而进行。

“吹扫流体”-通常是具有基本上污染物含量减小的流体，用于再 生吸附器材料、防护材料或两者。

“循环吹扫”-通过辅助性防护床层进行的吹扫气体再循环，其可 在正常操作期间，通过产物吹扫和/或变温进行再生。

“关闭”-PSA过程和设备从正常的操作到停置条件的转变事件。 可以实施特定的步骤以关闭某些设备，或者在不同的关闭条件下的特 定设备。

“起动”-PSA过程和设备从停置到正常操作的转变事件。在起 动顺序中需要某些步骤以保证没有将污染物引入到吸附器中。

“静态密封”-通常是其中的两个表面之间没有相对运动的两个 或多个表面之间的密封。静态密封可以是，但不限制于，垫片、压缩 材料、停置密封，其中具有适当的设计，可以实现流体紧密封。

“紧密封”-或紧密关闭或流体紧密封是指流体密封，其中在设 备寿命内密封有效的总时间内，越过密封边界的总污染物质量流小于 吸附器材料重量的约0.1wt％。

II.起动、正常、关闭和停置模式的描述

如果形成进料端和产品端之间空间的吸附床壁相对不能透过任何 污染物，则污染物可通过进料端或产品端进入吸附剂床。所述的壁通 常由非多孔的材料诸如金属制成，并且不能透过诸如水的污染物。

A、正常操作

在已知的PSA设备的正常操作中，通过使用如下方法中的至少 一种，并任选地使用如下方法的各种组合，可以降低优选基本上防止 因进入进料端的进料流体的污染物输送：(1)在PSA设备的上游，使 用除去进料污染物的处理设备，(2)在吸附器的进料端使用防护层，和 (3)使与吸附器进料端相邻的水敏感吸附剂的“牺牲”层失活，同时 有效地起到防护作用。在气体接触沸石吸附剂之前，吸附器的5-10％ 通常是防护材料诸如以层的形式使用的氧化铝、硅胶或活性炭。当污 染物是水时，将气体干燥至含有约10至20ppm水蒸气，然后接触沸 石吸附层。

在某些公开的实施方案中，吸附器是高表面积叠层吸附器，其中 将吸附剂负载到通过隔片分开的吸附剂片中，以形成相邻薄片之间的 流动通道。另外，能够形成具有基本上平行流动通道的结构性块的数 种其它方法是可能的。防护层可以位于吸附剂薄片的进料端。具有防 护层的叠层吸附器可以通过用适宜的防护层诸如氧化铝涂布载体片的 前缘而制成。此外，可以将具有防护材料的另外的叠层或块部分放置 在敏感吸附剂的吸附区的进料一侧。在某些实施方案还考虑使用珠化 的防护材料。例如，因湿度优选的氮选择性沸石失活的机理与水在这 些亲水材料上的极强非线性吸附有关。对于这样的吸附物的吸附，在 恒定速度范围内，吸附物前峰波的扩散速度与亨利定律系数(或在低负 载量下的等温线的斜率)成反比。在适当交换的LSX沸石上吸附水的 情况下，亨利定律的系数极其大，并随着吸附物的浓度而进行相当大 的变化(参见图17和18)。当进料气体杂质的浓度较高时(较低的亨利 定律系数)，前峰趋于更快地移动，并且当杂质浓度降低时，在再生步 骤期间移动更加缓慢。

为了阐明该机理而考虑如下实施例。提供这些实施例来举例说明 现有已知工艺的某些特征，以及本发明的某些特征。本发明的范围不 应该限于这些列举的特征。 对比例1

该实施例说明在本发明之前已知工艺的特征。工业用O2 VSA设 备在常规的循环频率(总循环时间为92秒)下操作，以40nm产品/m3 沸石/小时的速率产生O2。吸附剂层为1.25m高，在其下面是活性氧 化铝的干燥剂层，这样设计要使离开干燥剂层的空气含有10ppm的水 湿度。吸附剂的密度为630Kg/m3。该工艺利用1.7巴的上部压力进行 操作，达到的真空度为300毫巴。产品端的吹扫比是这样的要使吹扫 速度是产品速度的1.15倍。

对速度前峰进行计算的结果表明，前峰将需要约10年的时间移 动通过吸附器全长。由于运转的O2 VSA设备的寿命很少大于10年， 所以在设备整个操作中，因湿度引起的失活现象很可能不被注意到。

在以上实施例中，事实是循环运行缓慢并且单位生产率较低，使 得前峰的净速度非常低，从而使结合有相对较长的吸附器长度的吸附 剂失活，从而工艺对湿度的敏感性较低。虽然存在这样的现象，但是 在常规设备的正常寿命内该现象太缓慢而未被注意到。 对比例2

该实施例描述了不使用本发明公开的实施方案以限制PSA工艺 中吸附剂材料失活的高速VSA的例子。利用高速技术的PSA设备在 总循环时间约为2秒的条件下运转，其初始生产率为880m3产品气体/m3 吸附剂/小时，使用长度为0.125m的叠层模块，吸附剂密度为 430Kg/m3。吸附剂是在通过隔片分开的叠层形状内形成的含有Li的 LSX沸石。在本发明期望同一吸附剂不仅能作为干燥剂，而且能进行 空气分离。进料由常压下相对湿度为90％的空气组成。在50天的连 续操作中，吸附剂的生产率降至500m3产品O2/m3吸附器体积(43％的 失活率)，并继续快速失活。此刻实验终止。

对速度前峰进行计算的结果表明10ppm湿度的前峰将需要约50 天使吸附剂失活。由于操作的O2 PSA设备的寿命必须是几年，所以 可能很快注意到失活现象。

在以上的两个实施例中，湿度失活、更快的循环、减小的吸附器 长度以及更高生产率的结合，使得设备寿命不希望的短。本发明公开 的实施方案解决了该问题。

这样设计防护层要使从进料流体中除去污染物达到这样的水平， 要使产生的总失活率保持在合理的容差内。这样，即使水前峰完全通 过沸石吸附剂层，设备的剩余能力也能够这样，要使其以这样的剩余 能力无期限地运转。如下实施例解释下面的方法。 对比例3

该实施例涉及高速实施方案。高速PSA在总循环时间为2秒的 条件下运转，生产率为650m3产品气/m3吸附剂/小时，使用长度为 0.125m的叠层吸附器，吸附剂的密度为430Kg/m3。在产品端，吹扫 速度与产品速度比为1.15。将叠层防护层用于从空气中除去水至 0.07ppm湿度。该过程在1.5巴的高压及500毫巴的真空度下进行。

对速度前峰进行计算的结果表明前峰将需要约100天的时间来移 动通过吸附器的全长。计算和计算机模拟(参见图19和20)表明在水 前峰通过床层之前，吸附剂容量损失小于初始容量的10％。现在可以 无期限地维持约600m3产品气/m3吸附剂/小时的生产率。

表I说明使用不同干燥剂层长度用作吸附器总长度的一部分可以 实现一定的湿度水平，正如通过计算机模拟所得到的那样。对于上述 实施例，干燥剂层应该比吸附器总长度稍超出20％。使用该设计方法， 设备可承受的最大失活率能限制在可忍受的水平。

表I

氧化铝层的设计

在生产氧气的吸附器内，在氧化铝干燥剂层和Li-LSX层之间的 边界处通常达到的湿度水平 吸附器内的氧化铝干燥剂层的长度分数    达到的湿度水平(ppm) 50％                                      0.00093 20％                                      0.073 10％                                      14.42

尽管前面的实施例讨论了水的污染，但是利用进料气体混合物中 的任何污染物、特别是利用烃类混合物来进行类似的计算和实验。当 设计防护材料层时，也必须考虑周围大气中含有的污染物对进料端的 污染。

所用的任何防护层的长度都可变化。对于从空气中产生富氧气的 叠层吸附器的操作性实施方案，其干燥剂层的长度为吸附器长度的约 10％至约40％，优选为吸附器长度的约15％至约25％。

将来自于产品端的吸附器的污染机理理解为参数泵效应，其中污 染物前峰产生的后向(与进料流逆流)对着吸附器的进料端。在再生步 骤中污染物进入吸附器，前峰在吸附器内向后移动。在进料/生产步骤 中，前峰趋于向前移动，但是污染物仅不完全地被排出。在这种情况 下的净移动是向后的，部分是由于再生过程中，更高浓度前峰的更低 的亨利定律系数，并且由于再生步骤期间使用更高速度的气体。产品 端更易被污染，因为没有可以停止或减少中毒或失活速率的防护材料 层。

在常规的PSA中湿气从产品端渗透速率非常低，正如下面的实 施例给出的那样。 对比例4

该实施例描述了目前已知的工艺。工业用O2 VSA设备在常规循 环频率(总循环时间为82秒)下运转，以45nm3产品/m3沸石/小时的速 率生产O2。吸附剂层为1.80m高，在其下面是活性氧化铝干燥剂层。 吸附剂的密度是670Kg/m3。该过程在上部压力为1.34巴的条件下进 行，所达到的真空度为395毫巴。产品端的吹扫比是这样的要使吹扫 速度是产品速度的1.132倍。湿度的内渗漏是这样的要使在再生中使 用的吹扫气体含有10ppm的水。

对逆向速度前峰进行计算的结果标明，该速度前峰将需要约11 年的时间使吸附剂失活。由于操作O2 VSA设备的寿命很少超过10年， 所以在设备的整个操作中，因湿度引起的失活现象很可能不被注意 到。

同样，在这种情况下，常规的PSA对该产品端的内渗漏不敏感， 但是当操作频率增加时这种情况会显著变化。 对比例5

该实施例涉及高速操作。高速O2 PSA设备在总循环时间为1.3 秒的条件下操作，以1000nm3产物/m3沸石/小时的速率生产O2。叠层 吸附器为0.25m长。吸附剂的密度为480Kg/m3。该过程在上部压力为 1.34巴的条件下进行，达到的真空度为395毫巴。产品端的吹扫比是 这样的要使吹扫速度是产品速度的1.188倍。湿气的内渗漏是这样的 要使在再生中使用的吹扫气体含有10ppm的水。

对逆向速度前峰进行的计算表明该速度前峰将需要约4个月的时 间使吸附剂失活。这样短的操作寿命对PSA设备是不可接受的。 对比例6

将利用含有Li的LSX沸石制成的高速PSA在循环时间为1.2秒 在VSA的条件下操作。通过将进料空气经过活性氧化铝大的床层使 其干燥以除去湿气至小于1ppm。通过产品端的正常渗漏，产品O2含 有20ppm的湿气。在运行开始时，模块的生产率为1050nm3 O2/m3吸 附器体积。操作330小时(14天)后，生产率已下降至910nm3 O2/m3吸 附剂。将试验在该阶段中断。

在以上实施例中，水蒸气前峰快速移动通过吸附器。对于相同的 污染物程度，其它的污染物，其中大多数比LSX沸石上的水具有更低 的亨利定律系数，将以较短的时间移动通过吸附器。尽管该现象存在 于常规的PSA中，但是高速PSA和旋转式PSA，因吸附器产品端的 污染而特别易减少使用寿命。通过使用本发明的技术和设备，常规的 PSA也有益于(a)为了延长吸附器使用寿命，和(b)减小料想不到的因静 态或动态的密封泄漏或失败而引起的中毒危险。

目的是防止污染物从所有路径进入吸附器的产品端。必须将污染 物泄漏进入产品阀和管线降至最低，优选基本上被消除。因此，应该 采取步骤以将边界层的从下游产品管线、阀门和接受器的向后扩散和 表面扩散降至最小；并且当设备关闭时，紧闭阀门以关闭产品输送管 线。

一种选择是使用唯一的静态密封和非渗透材料，完全密封流体紧 密封容器中的吸附器的整个轻质端和相关的流体导管和阀门。这样做 的一种方法是消除所有的接触进料气或周围大气污染物的动态密封， 诸如使用波纹管阀或通过磁力驱动的完全含有流体的阀门。另一种方 法是在金属或其它非渗透(对于污染物)的容器内安装所有的阀门。增 加的保护包括使用容器内的缓冲流体，其中使用产品气体是一种优选 的选择。循环并重新加入缓冲流体为污染物的进入增加了另一种保护 层。

优选，在污染物进入产品端的路径内具有多重阻力物。尽管驱动 器含有任何类型的方向阀将为污染物的进入提供可能的通道，但是对 于相对较大直径的环形密封、旋转多端口分配阀，防止污染物泄漏特 别困难。除了扩散力以外，或者尽管流体力经常产生污染物的进入， 但是没有一个是通常所期望的。一种解决该进入的方法是在与吸附器 产品端相通的工艺约束密封和与负载任何污染物的流体相通的基础密 封之间提供缓冲空间。参看附图，下面描述缓冲空间的实施方案。缓 冲空间可以是正压力区、干燥流体区诸如具有通过输送产物流适当提 供的冲洗循环的干燥产品冲洗区域，两个区域或排空区。在缓冲空间 中任何流体的重新加入(冲洗)可以通过端口和/或通过使用动态密封泄 漏来完成。另外的实施方案优选，使循环流动与污染物进入的路径相 反。还优选通过缓冲密封将缓冲空间分成两个或多个缓冲室，将至少 一种以上的阻力施加给污染物进入。缓冲密封优选具有较小的密封长 度，或者如果是环形的，缓冲密封具有较小的直径。引入到缓冲空间 的气体优选是循环的，以便将缓冲空间流体内的污染物降至最小。

在没有选择使用多重阻力的情况下，工艺约束密封和基础密封是 一种并且是相同的，不存在缓冲空间。在这种情况下，如果轻质产品 端的压力高于负载污染物流体的压力，优选使用间隙型动态密封，因 为产品气体的流动将减少污染物的进入。增加产品气体流流动通过或 经过的防护分离器也是一种优选的选择。当产品流的压力低于负载污 染物流体的压力时，优选使用与防护分离器连接的动态密封，优选可 替换。

另一种选择是其中通过周期性再生或更换来维持吸附器的系统。

所公开的系统和方法的实施方案包括将防护分离器放置在至少一 个、通常多个，可能是所有轻质回流物管线(以及任何方向阀的缓冲空 间)上以捕集任何流动的污染物，诸如在最初的起动时，或在可能将湿 空气或其它污染物引入PSA设备的任何维修中断之后的起动。通过周 期性的再生或更换可以维持这样的防护分离器的容量和选择性。在轻 质回流物管线内的防护分离器可以用作缓冲吸收器腔室或平衡缓冲 罐。

如果这些防护分离器中的一个在产品管线内，则它的稳态湿度水 平基本上相当于干燥输送产品的湿度。对于产品端目标水蒸气压力诸 如在围绕产品输送导管、管线或腔室的这些区域内，在这种情况下产 品端的压力应基本上为选择的吸附剂材料的压力，在30℃下压力通常 约为0.005pa至约0.1pa。如果将前面的负载水的防护分离器以流体连 接到轻质产品上，则它可以通过产品气体的置换吹扫来再生。可以使 用辅助阀排列以旋转切换轻质回流物管线和产品管线之间的防护分离 器。还可以将产品流用于再生任何的防护分离器，所述防护分离器可 用作(1)用于再生吸附器前端防护层的污染物槽，或(2)用于当设备关闭 时，通气器管线的防护分离器。

B.关闭步骤

当PSA设备关闭时，在吸附器的防护层内先前吸附的污染物的 向前扩散可能逐渐地使对污染物敏感的吸附剂失活。用于解决向前扩 散的另外公开的方法包括(1)隔离阀，(2)在关闭期间进行吹扫以降低 防护层污染物的含量，(3)在正常的操作中以相对较高的压力操作以降 低防护层中污染物的稳态含量，(4)在停置模式中将防护层冷却，(5)在 停置模式中提供间歇或连续的吹扫，和(6)在停置模式中提供间歇起动 和/或正常的操作顺序以使扩散前峰向后，从而防止对污染物敏感吸附 器材料的污染，及其所有可能的组合。可以将这些另外的方法用于PSA 设备上的所有吸附器。

将防护层进行再生以消除防护层内的一些、优选大多数吸附的污 染物。最初防护层的再生可以通过在关闭时用贮存的干燥流体诸如产 品气体自动逆向吹扫来实现。由于需要大量的贮存吹扫气体来达到基 本上完全再生防护层，所以通过借助于真空泵的逆向吹扫可提高再生 的有效性，由此提高吹扫气流的速度。

通过使用进料气也可引入吹扫气流。常用的再生气体，开始作为 进料气，在两个方向上通过防护层。为了提高在正常操作期间的再生 作用，可以将进料气预先清洁，然后到达防护层，或者通过基本上降 低产品流量来减小向前流量，或者两者。参看附图，某些公开如下。

通过在关闭期间对防护层进行辅助加热，可以更大地提高防护层 的再生作用，同时在或者不在真空辅助下进行逆向吹扫。另外的热源 包括辅助的电阻加热器、感应涡流加热(例如吸附剂薄片的金属网或金 属箔)或微波辐射。

还可以使用微波辅助脱附。例如，将微波用于从吸附剂中脱附气 体。特定的吸附剂诸如NaX沸石强烈地吸收微波，因此特定的沸石因 其吸收微波的能力而被选择用于脱附吸附的气体。此外，可以提供结 构诸如金属结构以将微波限制在需要的区域诸如干燥剂和/或吸附剂的 区域。例如，使用具有金属部分的分离器的气体吹扫”轮”将微波能 量传送至旋转PSA模块，从而将微波限制在模块的特定部分。

在专利文献中，将微波用于脱附水和其它的被吸附材料，如下专 利文献是熟知的，Mezey等人的美国专利4,322,394、美国专利 5,227,598、Kobayashi等人的美国专利5,282,886、Botich的美国专利 5,429,665、Opperman等人的美国专利5,509,956、Ackley等人的美国 专利5,766,311和Ertl等人的美国专利6,022,399。

另外，在流体接触吹扫气体的过程中，通过有意地增加吹扫流体 的热量、通过利用循环气流操作的真空泵和压缩机，或通过热交换器 将热量提供给防护层。PSA的进料压缩机可以提供加热的流体，或者 在关闭期间，甚至在高于常压比的条件下运转，从而不仅增加进料气 的热量，而且提高吹扫功能。加热防护层的直接方法是通过增加阀面 的机械负荷增加的转动阀密封摩擦。

当PSA的操作温度升高时，降低防护层的污染物负载量是可能 的。这可能有助于减少时间或清洁防护层所需的吹扫气体的体积。

使用多个防护层可以减少污染物的向前扩散。第一防护材料与至 少第二防护材料相分离，防护材料层可以邻接，或者至少是第一和第 二防护材料混合。对于沿从进料端至吸附剂流动路径的流体流量，第 二防护材料比第一防护材料具有更大的容量以及对污染物更强的亲合 力，从而减小向前的扩散速率。

即使具有真空辅助和防护层的辅助加热，逆向吹扫所需的吹扫气 体的体积非常大。因此，本发明的另一个特征是使用真空泵延伸逆向 吹扫，通过防护分离器用产品气体循环吹扫，在正常的操作过程中， 利用产品流通过防护分离器和/或通过变温加热进行再生。

一旦完成，或者与减少防护层中污染物负载量相结合，可以引入 保护气体以提供升高的停置压力，这样系统中所有的泄漏都向外和/或 在吸附器和相关流动通道中置换现有的流体。

C.停置模式

适当的关闭步骤可防止对污染物敏感吸附剂区域的失活。在每个 吸附器中隔离阀位于防护层和敏感吸附剂区域之间。当设备运行时， 这些阀门是开着的，但是每当设备停止时就会自动关闭。隔离阀通常 是关闭的，然后通过加入压力高于环境的进料或通过优选实施方案的 旋转PSA模块的转动，或通过信号诸如电的或气动信号将其关闭。隔 离阀优选提供流体紧密封以承受因环境温度变化引起的任何压力波 动，并将越过阀门污染物的质量流降至最小。

在某些变化中，在正常模式下周期性地重新起动PSA有助于停 置模式内污染物扩散产生移动的逆向，其重新设定进入防护层进料端 的污染物前峰。另外，可以将间歇或连续吹扫气体或保护气体加入到 吸附器中以抵消污染物的扩散质量流。

优选关闭步骤这样设计，要使PSA设备置于无污染物的停置条 件下，在该条件下通过适当的紧密封的关闭阀和/或单向阀，将泄漏入 吸附器产品端的污染物降至最小，并优选基本上被消除。在正常操作 过程中，应将任何动态密封设计成摩擦小并且寿命长。在关闭过程中 密封紧密度确实变得更加重要，从而最小化并优选基本上消除任何污 染物越过正常操作所需的动态密封的直接进入。缓冲室的紧密封通过 使用停置密封得以增强。阻止污染物进入的另一方法是在缓冲室中使 用防护分离器，优选如果提供进行更换或再生。还可以将防护分离器 放置在缓冲室或工艺约束区域外部的基础密封周围。

吸附器吸附流体的容量受温度变化的影响，其中较高较低的温度 波动都将分别降低、增加吸附器的吸附容量。在没有认真操作PSA的 条件下，当PSA设备停置时，污染物的进入是可能的，因为它外部接 触负载污染物的大气诸如湿空气，或者它可能接触负载污染物的进料 气，并且它还受到昼夜温度和气压正常波动的影响。由于这样的“热 循环”，本发明下面将解决防止或控制PSA设备吸附器的气体的“吸 入”和“排出”的问题。

在具有数种实施方案的本发明的一方面，当停置时将PSA设备 的污染物敏感区域全部或至少部分地密封。如上所述，采取措施以保 证将留在防护层上的任何污染物降至最小，或者使用方法以减小或最 小化扩散入污染物敏感区域的速率。为了将因温度波动而引起的流体 压力任何内部的增加或降低减少到最小，一种选择是完全隔离PSA设 备，或者提供具有调节大气的吸附器，诸如空气调节室或连续或间歇 地循环调节至恒温的保护气体。一种选择是循环调节的保护气体，其 通过防护分离器可被连续清洁，在正常操作中所述的防护分离器可以 通过产物流进行再装填。

在完全密封关闭的情况下，在关闭后将PSA设备(或其污染物敏 感区域)所有端口上紧密地密封。由于设备从其正常的操作温度(在本 发明中将其假定为有些高于通常的环境温度)进行冷却，所以它产生较 强的真空，所产生的真空在吸附组分通过扩散重新分布时被进一步增 强。正压的保护流体总是在高于环境压力下紧密地关闭吸附器并连接 流体通道。将压力调节器或减压阀安装在保护气体供应的下游，从而 保证不同于环境的最小压力诸如在某些情况下为100kPa。如果压力开 始循环至更高的压力，导致任何的缓慢内漏或设备的无意加热，则提 供减压阀以排出任何多余的流体。

在另一种公开的实施方案中，将PSA设备在所有的进料和排气 端口和密封口上紧密地密封，但将产品端连接到保护气体供应上，从 而使通气响应环境温度和气压的变化。

在另一种公开的实施方案中，将PSA设备在所有的产品端口和 密封口上进行紧密地密封，但在进料端口上只部分密封，从而使有限 的通气响应环境温度和气压的变化。可提供具有较低断裂压力设置的 减压阀以容许仅在需要时有限的进料端通气，从而防止过大的过压或 真空差，尽管有全部的安全措施，但过大的过压力或真空差使设备结 构性过载或引起某些危险，即可能发生湿空气吸入产品端的危险。

在某些实施方案中，进料端的保护气体可用环境空气(其中空气 与工艺气体的混合不是有害的或危险的)，或任何其它负载污染物的流 体来代替，任何吸入PSA设备进料端的该流体将会通过吸附器进料端 的防护层。在与PSA设备进料端相通的进料或排气口提供有通气器。 此外，可将通气器连接到防护分离器上，其中通过吸附器吸入和排出 的流体经过防护分离器。

对于空气分离PSA，进一步的改进是空气通气器的加热设计和与 PSA模块连接的空气通气器防护分离器，所以环境温度的变化快速透 过与空气通气器相关的防护分离器，并且更加缓慢地透过PSA模块。 因此在空气通气器防护分离器温度变化和通过防护分离器的空气流动 之间形成相转移，那些空气流动与PSA设备吸附器内的延迟温度变 化速率相一致。空气随着它的冷却而流进PSA设备，当空气通气器 防护分离器已经冷却后，以更强地吸附湿气。空气随着它被加热而流 出PSA设备，当空气通气器防护分离器已经加热后，从而释放出吸 附的水蒸气。

因此，在空气通气器防护分离器内形成变温吸附(TSA)过程，进 行在在24小时额丁循环中把水缓慢地排出PSA设备。该辅助TSA湿 气排出过程对额外的变温具有被动的日光增大效应。空气通气器防护 分离器可被设计成大体积且长流动路径，以使氮气混合进入吸附器内 的氧气速率减少到最小。基于使用的进料气和保护气体含量，上述设 备和方法也可以同其它的流体和污染物一起使用。

以长管(有或没有防护分离器)形式提供通气器，以防止吸附器内 大量负载污染物的保护气体和干燥产品气体的混合。该实施方案的试 验已确定，吸附剂在空气吸入下(由循环的环境温度变化所驱使)的失 活速率极大地被通气器扼制，通气器内部体积远小于吸附的和脱附的 体积。

本发明另一方面是以大约与环境压力均衡的气囊隔膜形式提供空 气通气器，以防止大量的外部湿空气与吸附器内干燥的氧气相混合。

当PSA设备的停置时会导致非均匀的吸附器的劣化，因为吸附 器可容纳不同的关闭循环模式和约束曝露。可以采取以下措施中的任 何一种解决该危险(1)一旦关闭就非常紧急地除去污染物，然后紧密 封，(2)关闭期间周期性地转动转子，或(3)关闭期间升高阀面离开密 封以便将所有的吸附器一起通风。

D.起动步骤

从停置模式起动PSA需要留心负载污染物的流体以一种不使防 护层过载的方式进入吸附器。如果防护层的温度相对低于正常的操作 温度，通过进料气体污染物减少防护层的负载量可以通过下列方法实 现：(1)通过节流或降低变压来减小进料流动或产品流动(2)增加上 述正常操作的循环速度，和(3)在进料导管中使用防护分离器。优选 尽可能快地达到正常的操作温度，确保防护层的加热基本上不快于吸 附剂区域。

为降低污染物进入产品端的风险，优选提供具有冲洗的任何缓冲 空间，然后打开任何的停置密闭，并且确保任何的缓冲气体处于操作 压力下，在脱离任何的停置密闭之前能够操作流体。其它的用于阻止 污染物进入的系统应该在PSA工艺开始和操作动态密封之前做好。

III.参看附图描述示范性的PSA系统

所述的设备、系统及其操作方法的实施方案涉及PSA系统，其 通常包括但不限制于固定床、旋转床和旋转阀系统。然而，附图说明 的实施方案尤其涉及轴向和径向流体流动的旋转PSA系统，具有相对 高的设备旋转循环速度，诸如大约每分钟10个循环或更多，更通常 是大约每分钟30个循环或更多。

A.图1-6

图1表示一种旋转轴向流PSA模块1的实施方案，特别适合于 小规模的氧气生产。参看轴向流动系统，所述的水处理特征也通常适 用于径向流动的实施方案。参看图6，描述一个径向流动的PSA模块 的实施方案。如上所述，参考的水污染和氧分离PSA不限制于水，但 包括所有的可使吸附器中毒或失活的污染物。

参看图1，模块1包括在吸附器外壳4内的”N”个吸附器3。每 个吸附器均具有第一端5和第二端6，它们之间接触氮选择性吸附剂 的流动路径。每个吸附器均具有与其第一端相邻的第一区3A和延伸 至第二端的第二区3B。第一区3A，防护层，含有诸如活性氧化铝或 沸石吸附剂的防护材料，第二区3B含有如下进一步描述的水敏氮选 择性吸附剂。通常，区域3A比第一和第二端之间的吸附器长度延伸 超过约20％以上，区域3B(可随后分成多个含有不同吸附剂的区域)是 剩余的80％。吸附器以轴对称排列形式在吸附器外壳轴7周围布置。 壳体4相对于具有第一和第二阀体8和9的轴7旋转运动。壳体4越 过具有第一阀体8的第一阀表面10，向其中提供进料空气，并从阀体 中引出作为重产物的富气空气。壳体4穿越具有第二阀体9的第二阀 表面11，并从阀体中引出作为轻质产物的富含氧气的空气。

在某些实施方案(特别是图16和17所示的)，吸附器的外壳可为 静止的，同时第一和第二阀体转动。在这些优选的如图1-5具体描述 的实施方案中，吸附器外壳4转动，并且以后将其称作吸附器转子4， 同时第一和第二阀体是静止的并一起构成模块的定子组件12。以后将 第一阀体称作第一阀门定子8，及将第二阀体称作第二阀门定子9。 需要将定子12和吸附器转子4形成的环形空间作为转动间隙，并将 其称作间隙13。

在图1-5中的实施方案中，通过吸附器的流动路径与轴7平行， 所以流体流动方向是轴向的，同时第一和第二阀面示意为与轴7垂直 的平面环状圆盘。但是，吸附器中的流向更通常是轴向或径向或在径 向和轴向之间的某一角度，第一和第二阀面可以是以轴7为中心进行 转动的任何图形。在图6的实施方案中，通过吸附器的流动路径与轴 7垂直或横向，所以流体的流动是径向的。工艺过程的步骤以及将要 定义的功能性隔室具有相同的角关系，而与吸附器内的径向或轴向(或 径向和轴向之间的某一角度)的流向无关。

图2-5是通过箭头14-15、16-17和18-19形成的平面内模块1的 截面图。在每一部分的箭头20都表示转子4转动的方向。

图2表示越过图1的部分18-19，其越过吸附器的转子。在本发 明中，“N”＝72。将吸附器3安装在吸附器转子4的外壁21和内壁22 之间。在该图中，每个吸附器包含吸附剂薄片23的矩形平面块3，薄 片之间的间隔片24形成轴向的流动通道。分离器25位于吸附器之间 以充满空隙并防止吸附器之间的泄漏。

吸附剂薄片含有增强材料，在优选的实施方案中，利用适当的粘 结剂将吸附剂材料粘接到玻璃纤维、金属箔或丝网上。对于生产富氧 的空气分离，在第二区域3B常用的吸附剂是通常与锂、钙、锶、镁 和/或其它的阳离子交换的并具有最佳硅/铝比的X、A或菱沸石型沸 石，这是本领域已知的。在吸附剂薄片的基质内，将沸石晶体用二氧 化硅、粘土或其它粘结剂粘接或自粘接。

令人满意的吸附剂薄片通过将含有粘接剂成分的沸石晶体浆液涂 布到增强材料上来制备，成功的例子包括非织物玻璃纤维稀松布、织 制的金属织物和膨胀铝箔。间隔片通过印花或压花具有凸起图案的吸 附剂薄片，或通过将制成的间隔片放置在吸附剂薄片相邻对之间提 供。另一种令人满意的间隔片，作为光刻图案中具有蚀刻流动通道的 织制金属筛网、非织物玻璃纤维稀松布和金属箔来提供。

常用的试验性薄板的厚度为150微米，间隔片的高度为100至150 微米，吸附器的流动通道长度约为20cm。使用X-型沸石，在PSA循 环频率为20至300周期/分钟的条件下，从空气中分离氧气可以达到 优异的性能。如果需要，可以使用较低的循环速度以生产产品流体。

图3表示在箭头14-15和16-17所形成的平面内的第一和第二转 子阀面内的转子4的进入端口。吸附器端口30提供了直接从每个吸 附器的第一端5或第二端6至各自的第一或第二转子阀面流体的连 通。

图4A表示由箭头14-15形成的平面内，第一阀面10内的第一定 子8的第一定子阀面100。流体连接到包括来自入口过滤器102的进 料空气的进料压缩机101，并连接到将排气器103上，其将富含氮气 的第二产品输送至第二产品输送导管104。压缩机101和排气器103 连接到驱动马达105上。

箭头20表示由吸附器转子进行的转动方向。在密封106和107 之间的环形阀面内，与进料和排气隔室相通的第一定子阀面100的开 口区域由空白的角形部分111-116所示，其对应直接与通过相同参考 数字111-116所限定的功能隔室相通的第一功能端口。功能隔室之间 的阀面100基本上关闭的区域由阴影部分118和119表示，其是具有 零间隙或优选窄间隙的滑块，从而减小摩擦和磨损而没有过量的泄 漏。通常关闭的部分118，在与隔室114相通和与隔室115相通之间 为吸附器提供转换。通过滑块和密封面之间的锥形间隙通道提供渐近 的通路，从而达到与新隔室相通的吸附器的温和压力平衡。当从另一 端进行增压或泄料时，提供更宽的闭合部分(例如119)以基本上关闭来 自或流向吸附器的一端的流量。

在该实施方案中的进料压缩机将进料空气提供至进料增压隔室 111和112以及进料生产隔室113。隔室113通过导管181连接到压缩 机101上。隔室111和112具有连续增加的工作压力，同时隔室113 处于PSA循环较高的工作压力下。因此，压缩机101是多段或分离物 流压缩机系统，将适当体积的进料流输送至每个隔室，以便通过隔室 111和112中等的压力水平实现吸附器的增压，然后通过隔室113进 行最后的增压和生产。分离物流压缩机系统可以作为具有段间输送端 口的多段压缩机，以串联形式提供；或作为多个压缩机或压缩气缸以 并联形式提供，每个都将进料空气输送至隔室111至113的工作压力。 另外，压缩机101可将所有的进料空气输送至更高的压力，在它们各 自的中等压力下，将一部分空气节流以提供到进料增压隔室111和 112。在某些优选的实施方案(未示出)中，没有将PSA设备与压缩机 直接连接，正如在大多数的氢气分离设备中那样，或者不需要将来自 其源的进料气进行压缩。

类似地，排气器103从逆流排料隔室114和115中，在这些隔室 连续降低工作压力的情况下，最后从处于低循环压力下的排气隔室116 排出重质产品气体诸如富含氮气的气体。类似于压缩机101，可以将 排气器103以串联或并联的作为多段或分离物流机械提供，从而在降 至低压的适当中等压力下接受所有流量。

在图4A的示例性实施方案中，较低压力是环境的压力，所以排 气隔室116直接排气至重质产品输送导管104。因此，排气器103在 能量回收条件下提供压力下降，从而有助于逆流排料隔室114和115 的马达105。为了简化，当逆流排料压力从隔室114和115下降时， 通过节流孔板替代排气器103。

在某些优选的实施方案中，PSA循环的低压是低于大气压的。然 后将排气器103作为真空泵提供，如图4B所示。同样，真空泵可以 是各个段串联或并联的多段或分离的物流，从而在高于较低压力的工 作压力下，接受离开它们隔室的逆流排料物流，所述的较低压力是最 深真空压力。在图4B中，将来自于隔室114的早先的逆流排料物流 在环境压力下直接释放到重质产品输送导管104。如果为了简化而使 用单段真空泵，则将来自于隔室115的逆流排料物流经过孔板节流降 至较低的压力，从而在真空泵的入口加入来自隔室116的物流。

图5A表示由图1箭头16-17形成的平面内，第二阀面11的第二 定子9的第二定子阀面120。阀面的开口是第二阀门的功能性端口， 直接与以下相通：轻质产品输送隔室121；许多轻质回流物离开隔室 122、123、124和125；以及第二定子内的相同数目的轻质回流物返回 隔室126、127、128和129。第二阀门的功能端口位于圆周密封131 和132形成的环孔内。每对轻质回流物离开并返回的隔室，分别为PSA 工艺的提供到回填功能，全部或部分压力均衡，以及并流排料吹扫， 提供了轻质回流物压力下降的阶段。将吹扫流体的轻质回流物从轻质 回流物端  122、123、124或125中的任何一个引出。该实施方案解 释了从端口124至端口126的供应吹扫环路。使用单向阀141以保证 不出现可能含有污染物的反流。该图表示简化的使用一系列节流孔板 150的另一种方法，作为所有轻质回流阶段的压力降低装置和工艺控 制装置。

将防护分离器(在实施例中为干燥剂分离器)135和136分别安装 在轻质产品输送导管147和每个轻质回流循环路导管诸如导管134 内。由于连续使用导致污染物使分离器饱和并可能释放污染物，所以 防护分离器必须提供更换或再生。在以后部分将讨论一些实施方案。

图5B解释了轻质回流物的压力随着能量回收而降低的选择，其 中提供分离物流的轻质回流物骤冷器140以提供随能量回收的四个轻 质回流物阶段的压力降低。图5B还解释了提供作为吹扫流体的产品 气体的选择。将轻质回流物骤冷器用作这四个轻质回流物阶段的压力 降低装置，其中所有阶段在所示的轻质回流物离开和返回隔室122和 129、123和128、124和127以及121和126之间都分别具有轻质回 流物循环路导管134。

通过驱动轴146将轻质回流物骤冷器140连接到轻质产物的增压 压缩机145上。压缩机145接收来自端口121的轻质产物。并将轻质 产物(其被压缩至高于PSA循环的更高输送压力)输送至导管147。对 于在氮选择性沸石上富集氧气，轻质回流物和轻质产物都是大约具有 相同纯度的富氧气流。结果，可将骤冷器140和轻质产物压缩机145 基本上密封地容纳在一个外壳内，所述的外壳通常与第二定子上的控 制器成为一体，如图1所示。这样的没有独立驱动马达的“涡轮压缩 机”氧增压的构造是有利的，因为在没有外部马达和相应轴密封的条 件下，可以实现产物氧气有用的增压，并且当被设计成在非常高的轴 速度条件下操作时，构造该还可非常紧凑。

返回图1，将相对更高压的进料空气供应到隔室113，如箭头35 所示，同时在相对较低压下将富集氮气的重质产物从隔室117排出， 如箭头36所示。通过第一定子8内的转子驱动轴162上具有轴密封161 的轴承来支撑转子，它与第一和第二阀定子一体化组装。吸附器转子 通过马达163驱动。

在该实施方案中，圆周密封105和106和轴密封161是基础密封， 如上定义。工艺约束密封是圆周密封131和132。缓冲空间通过密封 106、间隙13、空间171和密封131限定。缓冲密封170提供两个缓 冲室、间隙13和缓冲室171。可将缓冲室171充满任何不含任何污染 物的流体，优选充满产物流，正如所解释的那样。可将缓冲室171充 满气体，达到高于环境压力的缓冲正压力诸如比环境压力高20kPa或 更高。优选实施方案是这样设计缓冲室171，要使提供流动的缓冲气 体以保证在缓冲室中不会收集任何污染物。将通道176，其优选靠近 密封131，进行尺寸调整以使所有产物流通过而没有显著的压降，然 后通过缓冲室171。此外，优选的实施方案是以已这样的方式缓冲气 路径，要使缓冲气体的净流动与可能的污染物泄漏方向相反，如箭头 177所示。因此，可能发生少量的干燥氧气的向外泄漏，但是湿空气 不能渗漏入缓冲室。为了进一步最小化泄漏减小密封摩擦转矩，在使 缓冲密封170周长降至最小的相对较小的直径下，缓冲密封170在密 封面172上进行密封。缓冲密封170在吸附器转子4的转子伸出部分 175和第二阀门定子9上的密封面172之间进行密封，转子伸出部分 175包封第二阀门定子9的后面部分以形成缓冲室171。当PSA设备 处于转动和增压的正常操作条件下时，可以将缓冲密封170设计成具 有相对轻连接以减小摩擦和磨损，然后当PSA设备关闭时可以作为停 置密闭紧紧地密封在密封面上。

独立的停置密闭190还可以作为独立的密封组件提供，并仅在关 闭过程中使用。图1说明未使用的停置密闭190，也就是在正常操作 过程中。一旦关闭就起动停置密闭190诸如流体压力或电起动，当检 测不到上述信号时就用弹簧关闭密封。停置密闭能够在间隙13和缓 冲密封170之间形成紧密的流体密封，由此保证污染物不会进入缓冲 室171，然后进入吸附器。当使用时，停置密闭与吸附器转子4和定 子组件12接触。通过通道176将来自轻质产物功能隔室121的产物 氧气输送入缓冲室171，在循环通过缓冲室171后，通过导管177将 其输送至产物增压压缩机145，或者直接输送至产品输送导管147。 提供定子-外壳部件180作为第一阀门定子8和第二阀门定子9之间的 结构连接。

图1A至1D清楚地表示不同污染物进入阻力方案的简化图。不 是将它们用于表示PSA设备的其余部分的全部功能。

图1A表示相对于图1的缓冲密封位置的变化。在本发明中，进 料进入吸附器3的第一端5，如箭头35所示，产物离开末端6，如箭 头37所示，同时在箭头36的方向上引出废气。将缓冲密封170″同心 放置在基础密封(外部的圆周密封)106的周围，将相互之间的空间通过 缓冲排出口179被排出到排气装置。产物离开吸附器末端6通过工艺 约束密封131和132，然后通过间隙13″进入产物出口，通过单向阀181 和阀门202与产物导管147以流体连接。在该实施方案中，产物流的 方向同样与任何预期的污染物方向相反，如果间隙狭窄，则可能具有 相对较高的速度。间隙与防护材料排成一列作为污染物的连续防护分 离器178，同时通过非常纯净的产品气体不断地进行再生。

图1B表示用于旋转床系统的动密封排列的另一种变化。在本发 明，进料进入吸附器3的第一端5，如箭头35所示，产物离开末端6， 如箭头37所示。产物约束密封131也作为基础密封，因为间隙13通 过缝隙195与大气环境相通。对于该构造(其中没有缓冲空间)，优选 的实施方案是在负载污染物的流体至工艺约束密封的路径上使用防护 分离器178。

图1B所示的另一种变化是，其中的缝隙195被连续外壳196所 代替。在该排列中，密封131是工艺约束密封，基础密封是密封106， 其中这两种密封形成缓冲空间和缓冲室13。优选安装压力均衡器端口 197以限制与环境的任何压差。端口197通过通气器198、优选通过 通气器198和防护分离器199与环境相通。

图1C描述了固定床系统，其中吸附器3的进料端使用旋转阀以 使流动同步。轻质产品端使用一些阀门开关以影响PSA过程。将进料 气通过导管113，通过动态密封60利用马达63围着轴62转动的转子 体61输送至重质(产物)阀门67。进料流流向密封64并通过定子外 壳65进入吸附器3。废气从吸附器3通过定子外壳65、密封64和转 子体61引出。通过导管117引出包含在与定子外壳65相协调的第二 定子外壳66内的流体。

将吸附器3的轻质产品端描述成具有方向阀68的常规导管，用 以提供与进料端阀67和吸附器3相协调的同步压力及流动循环，通 过产物导管147输送产物流。注意到该附图只是描述了最简化的2个 吸附器的PSA，它代表于轻质产品端的流体所有的具有旋转进料阀和 常规阀排列的PSA构造用。将轻质产品端系统完全包含在不可渗透的 容器70内，其中越过所有的边界实现紧密的流体密封。在这种选择 中，大气中含有的污染物不能越过阀杆驱动器进入工艺过程，它是工 艺约束密封。将静态缓冲空间(通过静态密封限定的阀周围的空间)优 选用通过缓冲流体供应导向端口71引入的缓冲流体充满。超出环境 压力的正压梯度是一种优选的选择。还优选通过从端口72引出流体 将这种缓冲流体循环并重新加入。

使用单向阀69以使来自下游设备或工艺的任何污染物的反流降 至最小，使用产品气体作为缓冲流体的优选选择，上述目的通过以下 步骤实现：通过关闭阀门74并使产品流体通过阀门73进入容器70， 并将其用于从容器73通过产物导管75引出产物。

图1D还描述了旋转PSA系统，其中吸附器3的轻质产品端使用 多端口旋转分配阀，以使压力和流动循环同步。轻质产物阀78含有 通过马达80转动的转子79，其中动态密封81以循环方式与吸附器3 相通。进料气进入导管113，经过一组方向阀76，然后导入吸附器3 中的一个，其中通过密封81、通过轻质产物转子79将产品气体从其 中引出，并通过动态密封82和产品端口83进入导管147中。动态密 封81和82是工艺约束密封，在没有密封轻质产物阀门外壳84的构 造中，它们还是基础密封并且对于周围大气中污染物的进入具有最小 的阻力。在一种选择中，可将外壳84密封以产生可被保护的静态缓 冲空间，如以上所讨论的那样。另一种选择是使静态缓冲室通过连接 到保护气体供应86上的通气器85进行吸气。另一种优选的选择是使 静态缓冲室通过通气器87、优选通过防护分离器88进行吸入。将废 气从吸附器3通过方向阀76、导管117引出。

图1C和1D所示设备的组合诸如与吸附器3和轻质产物阀门78 连接的重质产物阀门67，也被认为是旋转式PSA，并且能够受益于本 发明。可将由具有相关导管的轻质产品端阀门68以及吸附器3和第 一端阀门78和构成常规PSA的相关导管组成的系统也认为受益于本 发明。

图6解释了特别适于大规模氧气生产的旋转式径向流体流动的 PSA设备，如上所述，所述的旋转式轴向流体流动的PSA系统的特征 也适用于径向流动系统。参看图6，模块1′包括数目为“M”的位于相 同角位置的吸附器组件2′，在吸附器外壳体4′内并联操作以形成“N” 个吸附器。在该实施方案中，M/N等于2，因为在模块1′的横截面上 具有所示的两个组件。每个吸附器组件2′都具有第一端5′和第二端6′， 它们之间的流动路径接触氮选择性吸附剂。除了第一和第二端5′和6′ 以外，每个吸附器组件都具有包围它们的不可透过的表面。以工艺过 程流体不能旁路通过分别由第一和第二端5′和6′形成的流动路径的方 式，通过组件密封31′将每个组件都密封到吸附器的外壳体4′上。每个 吸附器都具有与其第一端相邻的第一区域2A′和延伸至第二端的第二 区域2B′。第一区域2A′含有防护层诸如活性氧化铝、活性炭或沸石吸 附剂，第二区域2B′含有本文中所述的对污染物敏感的吸附剂。区域2A′ 通常比第一和第二端之间的吸附器长度伸长约20％以上，区域2B′(可 以随后将其再分成多个含有不同吸附剂的区域)是剩余的80％。

将吸附器配置在吸附器外壳体4′周围，其相对具有第一和第二阀 体8′和9′的轴7′旋转运动。在该实施方案中，吸附器外壳体4′围绕第 二阀体9′转动，通过轴承160′和164′支撑，将其通过轴162′利用马达 163′驱动。使用轴密封161′。

外壳体4′越过具有第一阀体8′的第一阀表面10′，向其中提供进 料空气，从其中引出重质产物。在箭头35′的方向上通过导管113′提供 进料流体，在箭头36′的方向上通过导管117′引出废气。第一和第二外 部圆周密封105′和106′分别包含这些流体。

此外，外壳体4′越过具有第二阀体9′的第二阀表面11′，从其中 引出作为轻质产物的流体诸如富集氧气的流体。第一和第二外部圆周 密封131′和132′分别包含所述的工艺流体。

对于轻质回流压力随能量回收而下降的选择的解释是，可以将其 连接到与产物压缩机、分离物流的轻质回流物骤冷器140′上，通过驱 动轴146′将其连接到轻质产物的增压压缩机145′上。压缩机145′接收 轻质产物并将轻质产物(将其压缩至高于PSA循环较高压力的输送压 力)输送至输送导管147。

在该实施方案中，将吸附器组件包含在外壁21′和内壁22′内。端 口30′通过这些壁并与吸附器组件末端流体连接。将产物通过特定端 口30′输送至产物室32′，然后通过产物压缩机145′收集。将剩余的轻 质回流物管线优选完全充满产物流。这保证任何污染物都不能进入轻 质回流物的导管。

将一部分压缩产物通过管线142′从管线147′引出并输送至端口 143′，通过所述端口可进入分别由内壁和外壁21′和22′限定的区域。 将阀门179′用于调节管线142′和147′之间的流量混合。将不含污染物 的产物流通过吸附器组件之间的体积进行循环，从而收集任何的可旁 路通过组件密封的污染物，然后通过端口144′将其输送至缓冲室171′。 缓冲室由缓冲密封170′所限定，它是间隙型动态密封。缓冲流体进入 腔室174′，其设计用于在轴周围清除并通过密封173′离开，它是第二 种缓冲密封。将气体进一步输送至第三缓冲室以清除轴周围的流体， 由此在147′内加入到剩余的产物流中。密封173′和基础密封(第二外部 圆周密封)132′(并且通过吸附器外壳4′和第二阀体9′)定义第四缓冲室。

关于前面的实施方案，这样设计缓冲室以在与可能污染物的流向 相反的方向上，在本文中朝向缓冲密封170′，使缓冲气体具有平滑的 流动从而避免污染物收集。在该实施方案中，将缓冲密封设计成在相 对较小的直径周围，具有高流速的窄间隙。这可使一些或所有产物流 经该细间隙。该细间隙提供了高的气体速度以最小化污染物向相反方 向移动的能力。然后将该气流送回产物管线147′用于最后的输送。

当设备停置时，将停置密闭190′用于密封缓冲室。将其置于缓冲 密封173′和基础密封132′之间。

B.图7-16

在本公开的下图中，简化的示意图表示以上所述示范性的PSA 设备。这些高度简化的附图只表示仅单一的进料导管181和单一的重 质产物导管182、第一阀表面10；具有进料导管100的单一压缩机101 和具有输送导管的单一排气装置103，并且需要在这些压缩机中的至 少一个存在的条件下操作；和轻质产品输送导管147和具单一的代表性 的轻质回流物阶段184，其具有与第二阀表面11相通的泄压装置。可 以将图7-16包括具有旋转吸附器的PSA实施方案、具有旋转分配器 和静止吸附器PSA实施方案，以及最常用的具有任何类型方向阀机械 和任何数量静止或移动吸附器的其他PSA设备。

将吸附器3(具有防护层3A和吸附剂层3B)包含在所示的围着轴 7旋转的吸附器隔室200(在图7-16中用虚线表示)内。在下面公开的 一些实施方案中隔室200的热状态是重要的。吸附器隔室200还包括 一些或所有PSA  艺阀和工艺逻辑过程，而对吸附器的机械表示没有 限制。隔室200仅是在给定热状态下与外部环境隔离至某一程度的区 域，或者它是被物理地包含以提供与外部负载污染物大气的隔离，这 是防止污染物通过任何途径进入PSA系统的常用方法。

如下实施方案提供了在PSA设备的正常操作、起动和关闭步骤 和停置的条件下，提供敏感性吸附剂的污染物处理了的解决方法。当 讨论集中于特别水敏性的氮选择性吸附剂上富集氧的重要应用时，可 以认识到本发明的特征可广泛地应用于任何的PSA设备和过程，用于 在吸附剂上分离任何的气体混合物(或吹扫任何的气体组分)，所述的 吸附剂通过与污染物接触失活或降解，或者作为其工艺负荷的一部分 被引入PSA设备中，或者只是在外部接触PSA设备。

图7表示在产品输送导管147中串联配置的单向阀201和切断阀 202，以便当PSA设备关闭时能够有效地防止水从产物收集器或消耗 装置的反向移动。

图7还表示轻质产物贮存容器或缓冲室203，其与导管147相通 并提供作为关闭吹扫气体的大量的干燥轻质产品气体，用于当PSA设 备减压、关闭时，干燥剂吸附器区域3A的部分再生。最需要的是在 吹扫过程中保持转子或转动阀的转动，所以同样将所有吸附器吹扫。 操作真空泵103，利用来自收集器203的有限体积的吹扫气体实现提 高干燥剂区域3A的再生程度。

图7还表示作为隔离设备的隔室200，还可将其用于最小化设备 内的热量变化，从而减小吸附器进行吸入的趋势。在某些为PSA提供 保护流体的实施方案中，还将吹扫容器203用作产品端通气器的流体 源，并且进一步将其调节以提供能减小吸附器内的温度变化的保护流 体。

图7还表示防护层加热设备210，将其用于加热防护层3A以提 高从缓冲室203关闭吹扫过程中的再生。加热设备210通常使用进行 局部加热的任何技术。另一种适宜的加热设备基于嵌入在吸附器区域 3A内的电阻加热器或红外辐射或微波辐射。作为一些优选的实施方 案，吸附剂的叠层材料使用丝网或金属箔作为吸附剂薄片的载体，在 本发明内感应涡流加热也是可行的加热器设备加热方法。局部加热还 可以通过增加阀表面10上旋转阀密封的负载量来达到。通过操作真 空泵和/或压缩机以循环方式加热吹扫气体也可实现加热，从而加热吸 附器，或者通过热交换器(未示出)加热吹扫气体。

图8A表示吸附剂延伸的反向吹扫的实施方案，即使用真空泵103 进行经过防护分离器204的循环吹扫(优选通过轻质产物)，所述的防 护分离器将在随后的操作中通过干燥产物和/或变温进行再生。该实施 方案的操作原理是通过置换吹扫以将吸附的污染物从防护层转移至防 护分离器204，实现防护层3A的基本上完全的再生。防护分离器204 必须具有足够大的污染物容量，以吸附防护层中基本上所有的被吸附 污染物，而没有从产品端穿透任何的会污染水敏性吸附器区域3B的 水蒸气。提供辅助性方向阀211、212和213以能够进行关闭再生步 骤。在正常操作中，阀门213是开着的，阀门211和212是关闭的， 所以真空泵排气至大气，同时富集干燥氧气的产品气体逆流通过防护 分离器204以进行再生。在关闭再生步骤中，阀门213是关闭的，然 而阀门211和212是开着的，所以真空泵通过阀门211循环吹扫气体 并流通过防护分离器204，然后通过阀门212从产品端逆流回到吹扫 吸附器3。如上所述的加热方法优选在再生阶段操作。将污染物传感 器215作为安全设备提供，从而警告使吸附器区域3B失活的任何污 染的穿透，并且希望通过关闭阀门212以及停止排气装置103触发自 动关闭。

图8B表示图8A中所示工艺的变化。在正常操作条件下，辅助 性方向阀214、202和217是开着的，然而辅助性方向阀216和218 是关闭的。将进料气体通过导管181通过阀门214输送，产品气体逆 流通过防护分离器204以进行再生。在关闭再生步骤中，阀门214、202 和217是关闭的，然而阀门216和218是开着的，所以压缩机提供的 进料吹扫气体通过阀门216并流通过防护分离器204，然后通过阀门 218从产品端并流回到吹扫防护层3A。由于将产物流停止，所以大多 数的进料气体在较低的再生压力下通过排气装置103通过导管182离 开。尽管流动是双向的，但是每个循环的压差将产生置换吹扫效应。 该吹扫方法具有另外的益处，即用压缩功以及通过防护分离器204内 的吸附热加热气体，将产生的热量直接输送至防护层以及安全地引入 吹扫气体而没有进入敏感性吸附剂区域3B。

图8B的这种变化事实上可以分成两个阶段。在第一阶段，将产 物隔离阀202关闭，但是阀门214仍打开。该操作为防护层提供了潮 湿的吹扫气体，但是由于未引出产物，所以将排出相对大量的进料污 染物，防护层将部分再生。当该操作已完成它的部分再生时，在进料 吹扫气体管线内进行具有防护分离器的第二阶段以完全再生。通过分 解该功能，防护分离器可以基本上更小，因为需要清除较少的进料流， 在正常操作过程中其可使再生更快。正如在图8A所示的系统中的那 样，通过加热器210另外加热是一种选择，以及使用在线热交换器以 将热量输送至导管181中的气流。

图9-11表示干燥剂和水敏性吸附器区域3A和3B之间的隔离阀 220。这些阀以及轻质产品端的停置密闭必须绝对密封，并且能够承 受因温度变化而引起的最大压力，否则我们将迫使环境湿气进入吸附 器。图9表示每个吸附器的区域3A和3B之间的二通阀220，当将PSA 设备停止时，阀门220被关闭。通过旋转式PSA模块的旋转可以将阀 门220正常关闭、打开，或者另外通过压缩机101产生的正压或通过 系统操作信号诸如电的或气动的信号将其打开。

图10表示作为单向阀的每个阀门220，所述的单向阀可以防止 从每个吸附器区域3A至区域3B的向前流动，除了在PSA模块正常 有意操作过程中单向阀220被驱动器打开外，驱动器本身通过阀门旋 转或通过压缩机增压或通过系统操作信号来得到能量。

图11显示极端实施的将PSA模块分成两个阶段的隔离阀概念， 在关闭过程中隔离阀220位于将要闭合的两个阶段之间。在本文中， 第二阶段是与吸附器3B协同操作的第一阀门10′和第二阀门11的PSA 模块，所述的吸附器含有对污染物敏感的吸附剂。在关闭过程中单一 PSA设备的单个组件的外壳或整个PSA系统可以是正压力，和/或可 包括相对干燥的流体环境，诸如可以通过辅助性的干燥流体或作为由 PSA设备产物产生的干燥产物流提供。

第一阶段是防护层模块，其可在PSA循环(在与第二阶段PSA模 块的循环频率相同或不同条件下)上操作，或者另外地能够在变温吸附 (TSA)循环上操作。第一阶段模块具有与防护材料层3A协同操作的第 一阀门10和第二阀门11′。

在图9-11所有实施方案中的水敏性吸附器区域3B必须与大气隔 离以防止水蒸气进入，这一点是显而易见的。

图12-14表示在外部环境和PSA设备的内部工作空间之间保持近 似的压力均衡的空气通气器设备。当外部大气与工艺气体的混合没有 危险时，可以使用这些设备。其通常包括空气分离和排除烃类和氢气 分离过程。通过避免较大的差压以及通过使用流体紧密封的停置密 闭，可以降低湿气进入吸附器产品端的危险。因此，空气通气器设备 优选与吸附器的进料端相通。成功的空气通气器设备可抑制大气中的 水蒸气进入吸附器。

图12表示以长管230形式提供的空气通气器，而没有干燥剂以 防止潮湿的外部空气与吸附器内的干燥氧气的大量混合。将空气通气 器230通过切断阀231连接以与所有并联吸附器的进料端相邻。在正 常操作过程中将阀门231关闭，但是在关闭过程中是开着的。如果需 要，可以有意减小阀门231的尺寸以严格限制气体流入通气器230。

图13表示以气囊隔膜235形式提供的空气通气器，同样，所述 的隔膜通过切断阀231与吸附器的进料端相通。隔膜235能够保持吸 附器内部工作空间与环境压力之间的近似平衡，但是基本上防止潮湿 的外部空气与吸附器内的干燥氧气的大量混合。

图13还表示部分密封关闭。将PSA模块紧密地密封在氧气端口 上，并相当紧密地密封到进料端口上。可以提供具有较低断裂压力的 十字减压阀以允许只有当需要时才进行有限的进料端吸入，从而防止 形成过大的压力或真空。减压阀240能够向外排气以减小过大的压力， 减压阀241能够向内排气以防止过大的内部真空，其超过结构限制或 至少增加水蒸气通过微量泄漏路径进入吸附器的产品端的危险。

图14表示配置在空气通气器230内具有防护分离器250的空气 通气器，通过阀门231和/或232进入排气隔室，向外进入它自身处于 相对热更绝缘区域184的PSA模块，或比防护分离器具有相对较少与 外部环境(或者极其高的热惯性)热接触的隔室200，所以环境(空气) 快速透过与空气通气器相连的防护分离器250，更缓慢地透过PSA模 块。可以沿全长将防护分离器250构造成具有防护材料的连续分离器， 或者构造成连续导管内的防护材料的一组非连续部分，或构造成具有 与大气相通的独立开口的多级防护分离器，然后以流体连接到通气器 230上。可以将防护分离器250包裹在一部分隔室200的周围，或者 甚至将其排列以通过环境日光辐射进行加热，所述的加热使得防护分 离器250的温度快速升高，并且隔室200内的升温速度非常缓慢，随 后更快冷却可与隔室200相比的分离器250。

因此，在空气通气器的防护分离器和流经吸附器空气内的温度变 化之间形成相转移，因为在PSA设备的吸附器内这些空气流将处于具 有迟延温度变化的相中。在空气通气器防护分离器已经冷却以更强地 吸附湿气之后，当其冷却时空气流进入PSA设备。空气通气器防护分 离器已经升温以释放吸附的水蒸气之后，当其升温时空气流从PSA设 备流出。

因此，在空气通气器干燥剂床层内建立变温吸附(TSA)过程，在 24小时的额定循环中，进行操作以从PSA设备中缓慢排出水。这样 的辅助性TSA湿气排出过程对于分离器250额外的变温具有被动的日 光增大效应。可以将空气通气器防护分离器设计成具有较大体积和较 长流动路径，以将氮气混入吸附器内氧气的速率降至最小。

另一种选择(未示出)是构造作为防护分离器250的导管181或 182，由此能够使TSA过程分别达到压缩设备101或103。

类似于图5A和5B，图15表示产物管线147内的防护分离器135 和轻质回流物循环184内的另一个防护分离器136。图16还表示配置 在产物管线147和轻质回流物循环184内的防护分离器135和136， 方向阀的更多特征是，一旦起动后必须进行初始除湿，逻辑上允许轻 质回流物管线之间的干燥剂床层的周期性转动，其中水可能累积，或 者最后返回到吸附器的产品端并进入在其中通过干燥产品气体进行连 续再生的产物管线内。此外，还可以将流动混合器(未表示出)包含在 产物管线内以防止任何进入管线水的逆向扩散。

如图16所示，可以将辅助性方向阀排列用于构造轻质回流物管 线和产物管线之间的防护分离器，用于通过产物进行置换吹扫再生。 作为例子，将多个防护分离器(例如135和136)安装在具有第一旋转阀 161和第二旋旋阀162以及旋转轴163的旋转吸附模块160上。旋转 吸附模块160可以非常低的旋转速度连续转动，或者优选通过非连续 的分级转动、以非连续的间隔进行转动，当连接到产物管线147时， 将防护分离器从数个轻质回流物环路的每一个的污染物吸附切换到再 生位置。连接到产物管线147的防护分离器的再生可以借助于在该位 置的辅助加热器，因为在再生过程中置换的污染物将通过产品气体除 去，然后不将其再循环进入敏感性吸附器区域3B的产品端。

还可以将常用的极端干燥和纯净的产品气体(任选地通过辅助加 热器进行加热)用于再生任何辅助性防护分离器，可以将所述的辅助性 防护分离器用作(1)用于再生防护层的污染物槽，或(2)当设备处于停 置模式时用作通气器管线的隔离防护分离器。

根据特定公开的实施方案已对本发明进行了描述。不应该将本发 明的范围限于这些用作说明本发明实施例的特定实施方案，而应考虑 如下的权利要求。

相关申请的交叉参考

本申请要求2000年12月11日申请的未决加拿大申请2,329,475 的优先权，在本文中将其引入作为参考。