在工业生产中，已经借助于分子筛沸石在环境温度下，大规模从
空气中生产氧气。
这里是利用氮气和氧气对比，氮气被优先吸附的特点，即，空气
中的氮气被吸附在沸石上；在空气流过沸石填料床后，可在填料床的
出口收集作为产品的较弱吸附组分，如氧气和氩气。然后通过例如将
填料床抽真空以解吸所吸附的氮气。在这种情况下，和众所周知的压
力转换吸附法(PSA)相反，该方法被称为真空转换吸附(VSA)。连
续的VSA法按下列过程运行：
a)例如在环境压力下，使空气穿过用来吸附的沸石填料床，并
从出口处收集富O2气体；
b)用真空泵，沿与空气流相反的方向，在入口处抽空填料床至
大约100至400hPa的压力，还可同时用部分产品进行吹扫；
c)沿与空气流相反的方向用产品O2充满填料床，至大约环境压
力。在PSA法中，步骤a)在200-600kPa的压力下进行，而步骤b)
在大约100kPa的压力下进行，同时用部分氧气吹扫。压力总是指绝
对压力。)
由于有三个步骤，通常该过程在三个分设的沸石床简称吸附器中
运行，它们通常是循环轮换使用。
已经公开的还有用真空再生的分离过程(如US397696)，其中两
个吸附器和一个产品储存器以循环方式运行，或者用一个产品储存器
与一个吸附器轮换使用。
吸附装置的经济效益受到基本投资的影响，例如，吸附剂量、真
空泵的尺寸、尤其是运行费用，如真空泵的能耗。因此，每一项研究
的目的都是在选择分子筛使用量、真空泵的尺寸和真空泵能耗之间进
行优化。至今为止用于真空吸附的真空泵是带有正位移功能的两级或
三级旋转活塞压缩机(见EP0158262)或具有正位移功能的水环泵。
可当作真空泵使用的别的压缩机是离心式压缩机(参阅例如
EP575 591)。这种压缩机也称为离心鼓风机，具有可将反压对吸入
压力的操作压力比加大到约2.6。但为了最佳的使用，也就是达到尽
可能低的能耗，还需选择一定的吸入压力与排出压力之间的比值。人
们称这一比值为最佳压力比7π。对于一般的离心鼓风机这一压力比π约
在1.6到1.7。因此离心压缩机最佳地用作真空泵时，包括与之串联
的消音器中的压力损失在内的反压力要等于1000hPa，并必须在吸入
口维持625或588hPa的恒定压力。然而，由于在VSA装置中，抽真
空压力在大约1分钟内从最大压力(PDes-1)，通常为950hPa减小到
最小压力(PDes-min)，例如300hPa，考虑到降低能耗，不可能在一个
生产阶段操作中只使用一个离心压缩机来使压力降低。
一种可能方式是在离心压缩机前设置一个节流部件，人为地产生
压力差。然而，在压缩比Π为1.6时，优选地最小的抽真空压力只
有625hPa。而且在抽真空过程中，由于气流在通过节流部件时降低了
抽吸能力，所以造成了相当大的能量损失。如果希望利用离心压缩
机，使抽真空压力小于压缩比π规定的压力，那么离心压缩机必须安
装在抽吸管线上，并将有基本恒定抽吸能力的真空泵连接在离心压缩
机的后面。具有有效恒定抽吸能力的真空泵的例子是那些有正位移功
能的泵，如水环泵或注油式回转滑阀泵。旋转活塞压缩机是另一种正
位移泵。
本发明的目的是提供一种节省能量的生产富氧气体的方法，该方
法利用低能耗的真空泵。
已经发现，用VSA/PVSA方法，分离空气来生产富氧气体的情况
下，在整个抽真空过程中，可联合使用离心压缩机和正位移真空泵，
即，使它们并联运行间或转换成串联运行，或者在抽真空的时间只是
串联运行，与传统的两级旋转活塞压缩机相比，这种运行方式有压力
范围比较宽的优点。
本发明的具体内容是提供一种利用吸附装置，从空气中分离氧
气或氮气的方法，该吸附装置包括一个或多个含有氮和氧吸附剂的吸
附器，优选是氮吸附剂，吸附装置与由离心压缩机和按正位移运行的
真空泵特别是旋转活塞压缩机组成的真空泵组相连接，穿过吸附器的
进口将空气通入吸附器，使吸附器进入吸附阶段，在环境压力或者比
环境压力小100hPa，或者超过环境压力500hPa的压力下，从吸附器
的出口抽出富氧气体或富氮气体，在一定的吸附时间后，优选在20
-120秒后，进入减压阶段，将吸附器中的压力降低到PDes-1，相当于
环境压力或者至少小于环境压力的0.6倍，然后，进入解吸阶段，在
一定的解吸时间内，尤其是20-120秒，借助于真空泵组，解吸吸附
器中所吸附的氮或氧，将压力从较高的压力PDes-1降低到较低的压力
PDes-min，该压力相当于至少0.05倍的环境压力，然后再进入压缩阶段，
在压缩阶段中，将压力再次升至吸附阶段的压力，其特征在于：在解
吸阶段开始时，可能前置节流的真空泵组的离心压缩机和正位移真空
泵处于与吸附器并联或串联，尤其是并联的状态对吸附器进行抽吸，
在较低的解吸压力下，改为使离心压缩机和正位移泵串联连接，用串
联连接的真空泵组对吸附器作用，正位移泵连接在离心压缩机的压出
端，并且，在离心压缩机和正位移泵以串联模式运行过程中，控制或
选定泵的尺寸，使其在抽空阶段达到平均最佳压缩比π。
将泵组从并联运行调整到串联运行，有时也在离心压缩机前的抽
真空压力为PDes-0时进行，尤其是当抽真空压力PDes-0至少达到由，正
位移泵出口处的压力P0除以0.65*π的压力值。
优选是在抽空阶段开始时，将离心压缩机和正位移泵以串联方式
运行。
本发明的另一个优选方案是，在从并联运行变化到串联运行时，
压力PDes-0至少等于在正位移泵出口侧的压力P0除以1.15倍的离心压
缩机压缩比Π的压力。
本发明的另一个特别优越的变换方案是，在给定初始抽真空压力
PDes-1的情况下，在解吸阶段开始时，最小抽真空压力PDes-min处在从下
式得出的压力范围内：
PDes-min=P0/1030 hPa*(0.25*PDes-1-100hPa)
以及
PDes-min=P0/1030 hPa*(0.5*PDes-1)
泵组从并联运行到串联运行的转换可以，例如，借助于吸附装置
中的控制系统，按照一种设定时间或压力讯号来进行控制。
如果在一种特殊情况下，根据正位移原理运行的串联真空泵不得
不在小于0.25倍环境压力的抽真空压力下运行时，可由两个或三个
顺次相联接的正位移泵组成泵组。
本发明的其它特定实施例可在后附的权利要求中找到。
下面参照附图用优选实施例描述本发明的VSA法。
下列实施例中使用的VSA装置图如图5所示。
实施例
VSA装置有下列部件：
入口阀：11A、12A、11B、12B、11C、12C
出口阀：13A、14A、15A、13B、14B、15B、13C、14C、15C
控制阀：17ABC、18ABC
阀16ABC
空气压缩机C10
加热器H10
产品压缩机G10
真空泵组V10
在下面的描述中，使用了下列缩写词：
P0=泵组出口处的压力相当于环境压力加上泵组末端消音器的
动压力
PDes-1=在解吸阶段开始时泵组前方的压力
PDes-0=当泵组从并联运行转换到串联运行时，泵组前方的压力
PDes-0,min=在泵组从并联运行转换到串联运行时，泵组前方的最小
压力
Pdes-min=泵组前方的最小解吸压力
吸附器A、B和C中装填有粒径为1-2.5mm的粒状Ca沸石A，该
沸石的生产过程见EP-A 0 170 026的实例2。在1000hPa和25℃下，
粒状吸附剂上氮气的吸附量为14Nl/kg，而氧气的吸附量为
4.3Nl/kg。
吸附器的内径为1000mm，填料床的总高度为2200mm。在吸附器
的入口处设置有20cm厚的一层硅胶。沸石颗粒床的高度是200cm，沸
石的重量是1000kg。
吸附器A、B和C以循环方式运行。在该流程图中，开始时间t
=0，在t为0秒时，吸附器A已完成了吸附。
在该过程进行到t=8秒(也称作BFP时间)时，分离过程如下：
在吸附器A中，只有阀15A是打开的。而在吸附器C中，只打开
阀12C和13C。富O2气体经阀15A、控制阀17ABC和阀13C从吸附
器A流到吸附器C，被泵组V10抽走。结果，吸附器A中的压力从吸
附压力降低到较低的压力PDes-1(减压阶段)。在吸附器C中，抽真空
步骤由此终止，吸附器C中的压力从最后压力PDes-min开始上升到较高
的压力。
吸附器B开始进行空气分离(吸附阶段)，即，环境中的空气通
过阀11B进入吸附器B，富氧产品气体通过阀14B离开该吸附器，并
通过压缩机G10输送到产品储槽(未示出)。
在8-60秒循环期间内，分离过程如下：
在吸附器A中，关闭阀15A，只打开阀12A。在解吸阶段，借助
于真空泵V10，部分抽空吸附器A，使其压力从PDes-1降至PDes-min。吸
附器B处于吸附阶段，即，打开阀11B和15B。此时，借助于阀18ABC、
16ABC和13C，将富氧气体通入吸附器C。在吸附器C中，只打开阀
13C。测量富氧气体的通入量，使得在该过程结束时，吸附器C中的
压力几乎达到吸附压力(压缩阶段)。
在下一个循环过程中，用吸附器C分离空气(吸附阶段)，在第
三个循环中，用吸附器A分离空气，即在从0-8秒和从8-60秒的
两个循环期间，重复相应的阶段。
用于评价下列实施例的参数是体积浓度为93％的氧气的产量，在
泵组前方抽空压力随时间的变化，以及在300hPa时，泵组的泵出气
体量和抽吸量。
最大吸附压力总是1100hPa，最小抽真空压力PDes-min总是
300hPa。除这种类型的泵组以外，在抽真空开始时的压力PDes-1在第
一次变化时初始压力为950hPa，作为比较还有800hPa。在泵组出口
处的压力(P0为包括安装在泵组后面的消音器动压在内的环境压力)
平均为1050hPa。
按照分离过程试验下列泵组的运行模式：
D)两级旋转活塞压缩机，试验中在300hPa时，泵流量大约为
1000m3/h。
E)由一台离心压缩机和旋转活塞压缩机组成的泵组，即两台压
缩机总是串联在一起，试验中，在300hPa时，泵流量大约为1000m3/h。
F)由一台离心压缩机和旋转活塞压缩机组成的泵组，其性能参
数如图4所示，当泵组前的抽空压力高于650hPa时，离心压缩机和
旋转活塞压缩机并联运行，当抽空压力低于650hPa时，离心压缩机
和旋转活塞压缩机串联运行，即离心压缩机在吸入端和旋转活塞压缩
机在压出端，在300hPa时，泵流量大约为1000m3/h。
图1是一级旋转活塞压缩机的特征曲线图。从该图可以看出，与
1000hPa时的抽吸能力相比，在抽吸压力小于400hPa时，抽吸能力
已明显地受到限制。
图2是两级旋转活塞压缩机的特征曲线图。串联连接的第二级压
缩机处于环境压力下，根据两级比例，与第一级压缩机的抽入口相
比，抽吸能力降低了40％。在1000hPa到200hPa之间，特征曲线的
抽吸能力降低大约10％。
图3是泵组在离心压缩机的抽入端和旋转活塞压缩机的出口端
(串联连接)的特征曲线。
与确定图3的特征曲线一样，用同样的泵组测量图4的特征曲
线。然而，当吸入端的压力在650-1000hPa范围内，离心压缩机和
旋转活塞压缩机并联进行抽吸，借助于节流部件将离心压缩机吸入口
的压力调节到650hPa。在低于650hPa的压力范围内，使离心压缩机
和旋转活塞压缩机串联连接，测量到的特征曲线如图3所示。
在生产过程的另一实施例中，在上述循环的“0-8秒”时间内，
通过关闭阀12C达到抽空压力PDes-1，即，在吸附器A和吸附器C之间，
进行压力补偿或部分压力补偿。在这段时间中，真空泵V10不对吸附
器C进行抽空，而是“空载运行”。
另一实施例中，在上述循环的“0-8秒”时间内，通过只打开吸
附器C中的阀12C，达到抽空压力PDes-1，这意味着吸附器C被抽空到
其最终压力。而在吸附器B中，只打开阀11B，空气压缩机C10中的
空气穿过该阀进入吸附器B。在吸附器A中，只打开阀14A，产品压
缩机G10穿过该阀抽走富氧气体，在吸附器A中，压力降低到所需的
抽空压力PDes-1。
另一实施例中，只打开吸附器C中的阀13C，由连接的真空泵组，
按照上述“0-8秒”的循环时间期间，很快达到最佳抽空初始压力
PDes-1。而在吸附器B中，只打开阀11B和14B，由空气压缩机C10将
空气压入吸附器B，以产生富氧气体。在吸附器A中，打开阀12A和
15A。通过阀15A、17ABC和13C，使吸附器A中产生的富氧气体进入
吸附器C。借助于与阀12A相连的真空泵V10，将吸附器A中的压力
较快地降低到希望的最佳初始压力PDes-1。
利用ASPEN TECH/Cambridge公司的“ADSIM”计算程序，计
算当氧气浓缩装置的氧气生产量为5000Nm3/h，且氧气的体积浓度为
93％时，利用上述三种泵组D)、E)、F)，在950hPa(=PDes-1)-300hPa
(=PDes-min)及800-300hPa的两种真空范围内的抽空过程，得出氧
气的回收率(产品中的氧气含量与大气中的氧气含量比)以及泵的尺
寸。这里，可使用图2、3和4中的特征数据、泵流量和需要的能量，
对其它泵的尺寸按比例进行推算。
图6显示的是在950hPa的初始压力PDes-1下，测量到的压力随时
间变化曲线。根据该曲线，在抽空阶段，在较高压力下，抽吸能力低
的泵组E)(离心压缩机与旋转活塞压缩机相串联)与泵组D)(两级
旋转活塞压缩机)对比，在抽吸过程中产生的压力要高些。
在抽空阶段，在高压下，吸附能力较高的泵组F)(开始时离心压
缩机与旋转活塞压缩机并联运行)与泵组D)(两级旋转活塞压缩机)
对比，所产生的的压力要低些，这表明需要的能量很不合算。
图7显示的是在800hPa的初始压力PDes-1下，测量到的压力随时
间变化曲线。其抽空过程的特征曲线不像图6所示的特征曲线那样互
相差别那样大。
计算得的泵尺寸如下：
表1
抽空压力950-300hPa
泵类型
在100hPa下的泵规格
m3/h
在300hPa下的泵规格
m3/h
D)比较例
136,024△100％
124,460△100％
E)(串联)
78,452△58％
132,765△106.6％
F)(并联-串联)
143,920△106％
119,870△96％
表2
抽空压力800-300hPa
泵类型
在100hPa下的泵规格
m3/h
在300hPa下的泵规格
m3/h
D)比较例
136,425△100％
119,335△100％
E)(串联)
78,160△55％
122,115△102％
F)(并联-串联)
141,713△108.6％
118,029△98.6％
有时要求在抽真空压力600-700hPa范围内比较快地将离心压缩
机/旋转活塞压缩机组成的泵系统从并联运行转换成串联运行，可按
O2-VSA/PVSA装置的控制系统进行。也就是在达到预定的抽真空压力
时，或按设定的抽真空时间值来进行转换。
如图1所示，一级旋转活塞压缩机的抽吸能力在400hPa时已明
显降低。为了采用串联的离心压缩机/旋转活塞压缩机时在达到低于
25％或者甚至低于15％环境压力的低真空压力下，而不使离心压缩机
由于需要过高的压缩比而失效，建议在需要时用两级或多级(串联运
行)旋转活塞压缩机运行。
当氧气产量为5000Nm3/h，氧气的体积浓度为93％时，从抽空过
程和真空泵组D)、E)和F)的特征数据以及计算的泵尺寸，计算在950
-300hPa和800-300hPa两个压力范围内，三个泵组D)、E)和F)的
能量需求。这里，使用图2、3和4所示的轴功率特征数据，按比例
换算成其它泵的尺寸。这里的能量需求是以氧气的产量为基础计算
的。
确定下列的比轴功率是以运行效率为4％计算的：
表3
泵类型
950-300mbar抽空
压力下需要的能耗
KWh/Nm3/O2
800-300mbar抽空
压力下需要的能耗
KWh/Nm3/O2
D)比较例
0.405△100％
0.408△100％
E)(串联)
0.382△94.38％
0.356△87.3％
F)(并联-串联)
0.371△91.6％
0.364△89.2％
令人惊奇的是，需要能量最小的竟是始终串联运行(离心压缩机
和旋转活塞压缩机)的泵组E)(见表3第2栏，800hPa初始压力)，
尽管在最高压力下或者在开始抽空时的压力(例如800hPa)下，限制
了泵的流量，该压力远远大于理论上合适的初始压力(PDes-0=P0/Π，
大约等于1050/1.6+650hPa)，相对于泵组F)的初始并联运行压力
和在650hPa的压力下开始串联运行的压力。
令人惊奇的是，即使在较高的初始压力(例如950hPa)(见表3，
第一栏)下，使用泵组E)仍比使用两级旋转活塞压缩机(泵组D))
更能节约能量。
因此，在采用由离心压缩机和旋转活塞压缩机组成的真空泵组的
O2-VSA法中，远在达到最佳初始抽空压力PDes-0(对离心压缩机的最佳
压缩比π，包括消音器动压在内的环境压力)之前，就要将离心压缩
机与旋转活塞压缩机的连接重新调整成串联运行。
一般情况下，当环境压力为1000hPa，消音器的动压为50hPa，
压缩比π为1.6时，串联运行的适宜初始压力(PDes-0)大约为650hPa。
然而，在采用VSA工艺从空气中生产富氧气体的情况下，优选地在较
高的压力下，用串联运行的离心压缩机/旋转活塞压缩机进行抽空。
这意味着在远远高于上述最佳初始压力PDes-0的压力下，泵组可以从并
联运行再调整成串联运行，或者，在抽空开始时就使用串联运行的泵
组。