本发明涉及由含氧、氮成分的混合气如空气，借助变压吸附（PSA）而获得富氧气的方法。 变压吸附系统及方法已被广泛使用于从混合气（包括空气）制备富氧流，且许多此种系统和方法已被采用。
在如此系统中利用相当短循环周期是有优点的，这是因为在更短的时间内能很好地利用分子筛材料吸附某一成分。短的循环周期一般使用更细的分子筛材料颗粒尺寸以减少扩散阻力。典型的短循环周期实例请见美国专利4194891及4194892。采用上述专利方法可增加氧气产量，但回收率相当低，仅为10-20%。
传统的真空PSA方法可得较高的氧气回收率（50-60%），但产率稍低。传统的三床PSA方法产率不很高;举一例子，床尺寸系数为2000-2600Kg沸石/吨氧气/天。
最好，人们显然都希望借助更快的循环周期和更细的分子筛颗粒而获得高的产率及用传统的更经济简单的三床系统方法得到高的回收率。
本发明的PSA方法通过解决了已有技术的缺点而获得富氧产物，它具有高的氧气回收率及高的产率，且降低成本并保持简单操作。
本发明系统采用短循环周期而很好利用分子筛材料，仅需两个床，因而大大简化了已有技术中的高回收率的三床法。
正如后面所叙述，本发明的另一特征是利用连续或近于连续运行地真空泵和两个吸附塔系统以节省能耗。这一特征可通过进行部分或整体平衡过程来完成，在这过程中，来自第一塔的出口端的富氧流供给第二塔的出口端，同时从第一塔的入口端解吸出富氮气体。用这种方式，真空泵在至少部分平衡期间及剩余步骤期间一直运行着。因为真空泵在整个循环期间连续或几近连续运行，所以它的利用率和它的功率消耗达最佳。
因此，具有高回收率和产率的二床PSA法借助较细沸石分子筛料颗粒、如20-35筛目，甚至较大颗粒如8-12筛目在少于40秒、最好在15-25秒内的短循环时间内得以完成。使用真空解吸时，压力摆动范围小于300乇，最好200乇，而最大生产压力小于5psig、最好小于3psig。
在本发明的第一实施例中，该方法对每个完整的循环总共分6个步骤进行。在步骤第一至第三中，第一塔由真空泵连续抽真空，且在步骤4到步骤6中，用真空泵对第二塔进行抽真空。于是在该实施例中，真空泵在整个循环周期中一直在使用。在步骤1和4中，即压力平衡步骤中，气体经抽空从一个塔进入另一个塔;在步骤2和5中，不抽空的塔从产物贮器接收回充的气体;而在步骤3和6中，不抽空的塔接收馈入气体并产生产物，同时产物气体用来吹洗真空塔。
在本发明的第二个实施例中，该方法对每个完整的循环总共分8个步骤进行。在步骤1到4中，第一个塔由真空泵连续地抽真空，而在步骤5到8中，第二个塔由真空泵连续地抽真空。因此，在该实施例中，真空泵在整个循环周期中也一直在利用。在步骤1和5中，即压力平衡步骤中，气体经抽空从一个塔进入另一个塔;在步骤2和6中，不抽真空的塔从产物贮器接收回充气体;在步骤3和7中，不抽空的塔接收馈入气体并产生产物;而在步骤4和8中，不抽空的塔继续接收馈入气体并产生产物，同时产物气体用来吹洗真空塔。换言之，该实施例的循环周期，除了它包含不抽真空的塔产生产物而另一真空塔抽空而没有吹洗的步骤外，与第一实施例的循环是相同的。该实施例的循环比第一实施例的循环更有效。
在本发明的第三实施例中，该方法对每个完整的循环周期进行总共10个步骤。在步骤2到5中第一个塔由真空泵连续进行抽真空，而在步骤7至10中，第二个塔由真空泵连续进行抽真空。于是，在该实施例中，真空泵在操作循环周期的10个步骤中的8个步骤期间得到利用。在压力平衡步骤的步骤1和6中，气体从刚完成产物的塔进入另一塔;在步骤2和7，也是压力平衡步骤，其中气体从抽空的塔进入另一塔;在步骤3和8中，不抽空的塔从产物贮器接收回充气体;在步骤4和9中，不抽空的塔接收馈入气体并产生产物;在步骤5和10中，不抽空的塔继续接受馈入气体，同时产物气体用来吹洗真空塔。于是，该实施例的循环周期，除了它包含一个不抽真空的平衡步骤外，与第二实施例的循环周期是相同的。该实施例的优点在于在平衡过程中提供气体的床扰动更小，因为当床与与床之间的压差达最大时，该床在平衡过程的早期并不承受两端的减压。
图1为本发明的示意流程图;
图2A-图2E表示本发明第一实施例的一个塔循环周期;
图3A-图3H表示本发明第二实施例的一个塔循环周期;
图4A-图4J表示本发明第三实施例的一个塔循环周期;
本发明的第一实施例的循环周期将参照图1所示流程图和图2的塔循环周期进行详细描述。
首先参阅图1和图2A-图2F，这里显示了一种从主要包含氧和氮的气体如空气连续生产富氧气体流的系统。两个吸附塔A和B中都包含能够有选择性地吸附氮的吸附剂。
在本发明的所有方法的实施例中，两吸附塔装填着相当细的沸石颗粒，即约8-35筛目（粒度），最好约12-20粒度。典型的沸石筛料可使用呈球粒或丸粒状（可从各种沸石制造商获得）。方法实施例的每个步骤的控制能用传统的手段进行调节，如用定时器控制标准商用设计的电磁操作阀。
第一实施例步骤1中图2A所示，阀门1A、2A关闭，从而隔绝第一塔A的下端即入口端。在塔A的顶端即出口端，阀4A、5A关闭，阀3A开启。对第二塔B而言，阀9B、10B关闭;因而来自塔B出口的气体通过阀3A进入塔A的出口，并由阀8B控制气流。此时在步骤1中，塔B入口端的阀6B关闭而阀7B开启，因而气体从塔B的入口端被真空泵16吸出。
在此步骤期间，原先较塔A压力高的塔B之压力使二塔中的压力基本相等。就是说，在步骤1开始时塔B的压力可为约1010乇（4.84psig）正压，且减少至步骤1结束时的约500乇（-5.03psig），而塔A的压力从步骤1起始时的约200乇（-10.83psig）升至470乇（-5.61psig）。因此，步骤1结束时，塔间压力基本平衡。步骤1极快进行，一般用2-6秒，最好约4秒钟。
步骤2中，阀3A关闭，阀5A，24开启，同时来自贮器18的富氧产物气体进入塔A的出口并由计量阀26控制回充塔A、进一步升高塔A之压力，具体而言，因为产物贮器中的压力约为800乇，塔A中的压力从470乇（-5.61psig）继续增加至约660乇（-1.93psig）。同时，气体仍借助真空泵16通过开启的阀门7B从塔B的入口抽出，塔B的压力继续减少。在步骤2中，该压力可从500乇（-5.03psig）减少至约450乇（-6.00psig）。同样，步骤2所用时间极短，一般为1-5秒，最好为3秒。
步骤3中，阀1A开启，空气或其它主要含氧、氮的进气在一预设定进气压力下通过管道14引入塔A的入口。入口压力可变化但理想上具有3-7psig的最小预设定压力值，最好为约5psig。在塔A出口处，阀5A关闭，阀4A打开，因此进气流经塔A，在该处氮气被吸附，而后富氧流产物气体从塔A的出口端流过阀4A，逆止阀11及管道20到达产物贮器18。在此制备浓缩氧气产物步骤期间，塔A中的压力可从660乇（-1.93psig）增加至约1010乇（4.84psig）。同时，在步骤3中，气体继续借助真空泵16从塔B的入口端抽出从塔B解吸或抽空富氮气体。同时随着塔B在其入口端的解吸，阀10B及24开启同时富氧产物流被引至塔B的出口端以吹洗塔B。富氧产物气流量用计量阀26控制。因而塔B即可借助富氧气流引至其出口端而吹洗，而同时氮浓缩气从其入口端抽出而解吸。因此，当真空泵16不间断地连续抽吸时塔B的压力持续减少，从约450乇（-6.10psig）减至约200乇（-10.83psig）。步骤3也进行得相当快，循环时间一般为10-25秒，最好约18秒。
接着进行步骤4，将塔A的较高压力气输入塔B时，压力再次走向平衡。这通过关闭塔A出口端的阀4A并开启阀3A来进行。在塔B出口端，阀10B关闭，因此气体从塔A流至塔B，压力平衡由计量阀8B控制。同时，当然要关闭塔A进口端的阀1A以切断进气并开启阀2A，从而气体可从塔A的进口端经由真空泵16抽出。塔B的入口端因关闭阀7B而完全隔绝。
因此，在步骤4，塔A、B中的压力近似平衡，塔A的压力从约1010乇（4.84psig）减至约500乇（-5.03psig），而塔B的压力从约200乇（-10.83psig）增至约470乇（-5.61）。步骤4在约2-6秒内完成，最好4秒。
步骤5中，阀3A关闭，因而完全关闭塔A的出口端，而气体继续从塔A进口端抽出使压力下降，一般从500乇（-5.03psig）降至450乇（-6.00psig）。阀10B、28开启，富氧产物从产物贮器18进入塔B由计量阀30控制回充该塔便使塔B中的压力从约470乇（-5.6lpsig）增至约660乇（-1.93psig）。如步骤2一样，回充步骤也在1-5秒、最好在约3秒内完成。
最后在步骤6中，阀6B开启，从而将有压力的进气引入塔B入口。阀9B开启从而富氧产物从塔B流经由逆止阀12、而后经管道20流至贮器18。
在步骤6中，由计量阀26控制，阀24、5A开启允许富氧气进入塔A的出口而吹洗塔A。同时，随着塔A的吹洗，气体继续靠真空泵16从塔A的入口排出以解吸或抽空富氮气体。一般，塔A的压力再次从约450乇（-6.00psig）减少至200乇（-10.83psig），而塔B的压力从约660（-1.93psig）增至约1010乇（4.84psig）。步骤6的进行时间可为10-25秒，最好18秒。
在步骤6完成后，在连续循环基础上重复以上全部步骤，在每一步骤期间经由阀32持续从产物贮器18得到富氧产物。
可以看到，在这一实施例中，真空泵16是连续利用来交替地从两塔排除气体，因而能有效地利用并使循环周期的能耗减至最小。
现在转到图3，它显示了一种图2所示基本循环的修改方案。图3中的步骤1、2、5和6分别相同于图2循环中的步骤1、2、4和5。图3循环的步骤3，除了此间塔B不用产物气吹洗外，与图2循环的步骤3类。同样，图3循环的步骤7不同于图2循环的步骤6在于在图3循环的步骤7期间塔A不吹洗。其结果是在图3循环的步骤3期间保持阀10B和24关闭而步骤7期间保持阀5A和24关闭。
因此，在图3循环的步骤3中，阀1A打开，空气或主要包含氧和氮的其它进气在预定的进气压力下引入塔A的入口。入口气压可变化，但理想地最小预定值应在3到7psig之间，最好有约5psig的最小值。在塔A的出口处，阀5A闭而阀4A开。进气通过塔A，在塔A中氮被吸附而富氧产物流从其出口端经阀4A、逆止阀11和管道20流入产物贮器18。此步骤期间，塔A中的压力在产生富氧产物过程中从约660乇（-1.93psig）增加到约900乇（2.71psig）。步骤3期间借助真空泵16气体不断地从塔B的入口端抽出解吸或抽空塔B中的富氧。于是塔B中的压力通过真空泵16不间断地抽吸，从约450乇（-6.00psig）降至约210乇（-10.64psig）。步骤3进行得很快，在循环时间期内通常约8至20秒，最好约13秒。
同样，在图3循环周期的步骤7中，阀6B开启，因而进气经塔A的入口引入塔A。在塔B的出口处，阀9B打开，借此使来自塔B的富氧产物流经逆止阀12、管道20流入产物贮器18。步骤7期间，塔A中的压力从约450乇（-6.00psig）降至约210乇（-10.64psig）而塔B中的压力从约660乇（-1.93psig）提高到约900乇（2.71psig）。步骤7的时间可为8至20秒最好为13秒。
图3循环的步骤4和8，除了其时间比图2循环的步骤3和6的更短外，与图2循环的步骤3和6是相同的。图3循环的步骤4和8中抽空的塔的起始压力比图2循环的步骤3和6中抽空的塔的起始压力更低，这是由于图3循环的步骤3和7中吸附器连续受到抽空的原因。
因而，在图3循环的步骤4中，阀1A和4A打开，由此使塔A中的富氧产物经逆止阀11和管道20进入产物贮器18，且在步骤8中，阀6B和9B打开，由此使塔B中的富氧产物经逆止阀12和管道20流入产物贮器18。在步骤4中阀7B、10B和24也打开，由此允许富氧气体吹洗塔B而真空泵16连续抽空塔B。在步骤8期间，阀2A、5A和24也打开，因此允许富氧气体吹洗塔A而允许真空泵16连续抽空塔A。
在步骤4期间，塔B中的压力从约210乇（-10.64psig）降到约200乇（-10.83psig）而塔A中的压力从约900乇（2.71psig）增加到约1010乇（4.84psig）。同样，在步骤8中，塔A中的压力从约210乇（-10.64psig）降到约200乇（-10.83psig）而塔B中的压力从约900乇（2.71psig）增加到约1010乇（4.84psig）。步骤4和8的时间可从约5秒至15秒最好为10秒左右。
从上可见，该实施例的总循环时间通常在16秒至46秒的范围，在较佳实施例中8个步骤循环的总时间少于40秒最好为30秒左右。
在该实施例中，真空泵16也连续地用来交替地从两塔之一抽吸气体，因此它能获得有效的使用，且在整个循环中使功耗最小。
现在转到图4，这儿显示了图3中所示基本循环的一个修正方案。图4中循环的步骤3、4、5、8、9和10分别与图3循环的步骤2、3、4、6、7和8相同。图4循环的步骤1与图3循环的步骤1的不同在于图4循环的步骤1期间塔B不抽真空。同样，图4的步骤6不同于图3循环的步骤5在于图4循环的步骤6期间塔A不抽真空。其结果是图4循环的步骤1期间将保持阀7B闭合而其步骤6期间将保持阀2A闭合。图4循环的步骤2和7不同于图3循环的步骤1和5仅在于这些步骤的延续时间和这些步骤的起始压力是不相同的。
在图4循环的步骤1中，阀3A打开而所有其它阀（除了阀32外）均关闭。该步骤期间，气体从塔B送到塔A。也同样在该步骤期间，塔A中的压力一般从约200乇（-10.83psig）增加到约400乇（-6，96psig）而塔B中的压力从约1010乇（4.84psig）下降到约750乇（-0.19psig）。步骤1进行得很快，最好在一个循环时间内从约为2至6秒，最好为4秒。
同样，在图4循环的步骤6中，阀3A打开而其它阀（除了阀32外）都关闭。在该步骤期间，气体将从塔A进入塔B，且塔B中的压力一般从约200乇（-10.83psig）增加到约400乇（-6.96psig）而塔A中的压力从约1010乇（4.84psig）下降到约750乇（-0.19psig）。步骤6一般也为2到6秒，最好为4秒左右。
图4循环的步骤2和7，除了其时间比图3循环的步骤1和5的时间短和由于气体在步骤1和6期间从刚完成产物的塔转移入刚完成再生的塔而使图4循环的步骤2和7中被抽空的塔的起始压力比图3循环的步骤步1和5中被抽空的塔的起始压要低以外，它们与图3循环的步骤1和5相同。
在图4循环的步骤1期间，塔B中的压力从约1010乇（4.84psig）降到约750乇（-0.19psig），同时塔A中的压力从约200乇（-10.83psig）增加到约400乇（-6.96psig）。同样，在步骤6期间，塔A中的压力从约1010乇（4.84psig）降到约750乇（-0.19psig）而塔B中的压力从约200乇（-10.83psig）增加到约400乇（-6.96psig）。步骤1和6的时间可从2秒到6秒，最好为4秒左右。
图4循环的步骤2期间，塔B中的压力从约750乇（-0.19psig）下降到约500乇（-5.03psig）而塔A中的压力从约400乇（-6.96psig）上升到约470乇（-5.61psig）。同样，在步骤7期间，塔A中的压力从约750乇（-0.19psig）下降到约500乇（-5.03psig）而塔B中的压力从约400乇（-6.96psig）上升到约470乇（-5.6lpsig）。步骤2和7的定时可从1秒到5秒最好为3秒左右。
在该实施例中，真空泵16在该循环的10个步骤的8个步骤期间连续地用来从两个塔的一个或另一个交替抽吸气体。因而它得到有效的利用且几乎整个循环期间使能耗达到最低。在那些真空泵没用来对塔抽真空的步骤期间，若有需要只要把空气加给泵该泵就能继续运行。
由上可见，该实施例的总循环时间通常在约17秒到约51秒的范围内。在较佳实施例中，10个步骤循环的总时间低于40秒，理想的为30秒。
本发明可进一步用下例说明，其中除另有说明外，百分数与比例均按体积计。
例1
使用图1所示装置和图2所示步骤顺序，进行本发明的程序以获得富氧产物流。两吸附塔A和B的直径为2英寸，高15英寸，运行1-3循环时，内充填可从Laporte公司购置的0.4-0.8mm球粒状钙X沸石分子筛材料，而在循环4中充填从Tosoh公司（Tosoh Zeolum SA）购得的1.5mm丸状的沸石材料。在循环期间变压范围是3.5psig到200乇。
循环时间，回收率和产量列于表1。
表1
循环序号 1 2 3 4
循环时间(秒) 25 20 17 25
氧纯度(%) 93 93 93 93
松密度(kg/cm3) 181 681 681 620
氧回收率(%) 59 58 56 55
特定的产物(制备的氧/床体 40 51 59 40
积升数的标准升/每小时)
床尺寸系数(每天氧的每吨 535 420 375 487
沸石量Kg)
从以上试验可见借助两塔系统，在每一步骤期间持续对一塔或另一塔施加真空则可获得高的回收率、高的产物。真空泵被有效地利用，因此，降低了能耗。循环进行极快，能很快地利用分子筛料。显然两床系统的结构和运行比复杂而昂贵的三床系统有更多的优点。
例2
使用图1所示的装置和图3所示步序，进行本发明的方法以获得富氧产物流。吸附塔A和B直径为24英寸，长为4英尺。塔内装填有25英寸的Tosoh SA500分子筛和6英寸的矾土，且矾土置于塔的入口端以吸收潮气。运行期间足以建立稳定状态。
循环时间、产率和回收率列于表2。
表2
步骤 时间,秒
1和5 4
2和6 3
3和7 13
4和8 10
总循环时间 30
产物纯度(%氧) 93.1
回收率(%) 44.7
专门的产物(Nm3/hr产物/m3分子筛) 40.1
如表2所示，使用本发明该实施例的循环，能获得高产物纯度和良好的回收率。
例3
使用图1所示装置和图4所示步骤，进行本发明的方法以获得富氧产物流。吸附塔A和B内径为4.3cm，长1.8米。塔内装填高度约1.7米的Tosoh SA500分子筛。在本实施例中，每个塔中使用装填约30cm矾土的予置防护床吸收潮气。为了测定床在循环期间是否受到扰动，吸附剂床的顶表面在试验前喷涂涂料。在试验完成后看看涂料层是否完整未动来检测床的表面。断裂的表面表明床有扰动。
循环时间、产率和回收率列于表3。
表3
步骤 时间,秒
1和6 4
2和7 3
3和8 3
4和9 10
5和10 10
总循环时间 30
产物纯度(%氧) 93
回收率(%) 49.2
特定产物(Nm3/hr产物/m3分子筛) 41
可见能获得良好的性能效果。床的表面检查后未发现有扰动，这表明吸附剂床未发生运动。当同样的试验在没有步骤1和6的情况下进行，检查测到床受到一些扰动。因而，本发明的10步骤循环有另外的优点。
尽管本发明的实施例已表示，但应理解本发明并不局限于此，人们还可进行不同的改进，但这些变化将会落在所附的权利要求书精神实质和范围之内。