本发明涉及在变压吸附系统中进行气体的提纯。本发明特别涉及到能使操作性能更好的在循环和系统方面的改进。 变压吸附（PSA）过程为分离和提纯原料气体混合物中的至少一个组分，提供了一种商业上需要的技术。这种原料气体混合物由上述的组分和至少一个可选择性吸附的组分组成，在较高的吸附压强下，吸附剂床层进行吸附，然后，将吸附剂床层的压强降至较低的脱附压强，解吸出被选择性吸附的组分。可用Wagner专利（美国3430418）来说明在多床系统中进行的变压吸附过程，这一过程至少有4个床层。在该专利中叙述了一般都知道的循环变压吸附过程，每一个床层的循环过程都包括一系列操作步骤：（1）在较高的吸附压强下，从床层的产品出口采出产品气体;（2）同流减压至中间压强，从上述床层的产品出口采出床层空隙内的气体，（3）逆流减压至较低的脱附压强;（4）吹扫和（5）再增压。在同流减压期间采出地床层空隙内的气体，常用于压强平衡和作为处于较低压强下的床层的吹扫气体。
在上述所说的具有四个或更多床层系统的各种变压吸附过程中，通常设计三床系统用于空气的分离和回收以及其它气体混合物的分离。这个系统是基于在McCombs专利（美国3，738087）中叙述的压强渐增吸附步骤。在其中的一个实施方案中，将空气加入吸附剂床层，使床层增压，其中的氮被选择性吸附，同时以一定的速率，从床层的产品出口采出其中的氧气，这样床层就增至较高的吸附压强。带有压强渐增吸附步骤的变压吸附过程包括：（1）上述压强渐增吸附步骤;（2）同流减压至中间压强，从床层的产品出口采出床层空隙内的气体;（3）逆流减压至较低的脱附压强;（4）吹扫和（5）减压。在上述实施方案中，在压强平衡-产生吹扫气体-压强平衡的顺序中，将在同流减压期间采出的床层空隙内的气体加入系统的其它床层。后者的循环使Wagner循环所采用的等压吸附步骤没有必要。这样就使床层有更多的时间进行再生，也就是在一定的循环时间内，有更多的时间进行逆流减压和吹扫，特别对于设计的操作循环总时间较短的系统，它能够获得较高的生产能力、回收率和（或）纯度。
使用这样的三床层系统，每个床层装有商用13X，8×12柱状分子筛来进行空气分离，得到氧气的回收率为48%，生产能力（BSF）为4000英磅13X分子筛/吨氧·天（TPD）。上述回收率的定义为回收的产品氧占原料空气中的氧的百分数或体积分数，上述生产能力（BSF）的定义为每天生产一吨氧所需要的分子筛英磅数。以上所述的回收率和生产能力的数值是由一个三床系统，总循环周期为180秒时，获得的原料空气入口的最高压强为2.8〔公斤/（厘米）2〕（表压），产品气体出口压强为1.4〔公斤/（厘米）2〕（表压）。
虽然这样的标准的三床系统能满足各种商业用途，但仍然希望在技术上改进产品的回收率和生产能力。但是，为实现这些目的已经遇到了很多困难。例如，为了使BSF值比上述的标准三床系统有显著减小（即使生产能力增加），必须减少总循环时间，使之低于上述的180秒。可是，减少个别步骤，也就是减少吹扫和压强平衡步骤的时间，受到气体速度和床层流态化范围的限制或受到可使用的循环性能标准的限制。由于有这些限制，仅仅通过减少个别循环步骤的时间，是不可能显著地减少总的循环时间的。另一方面，对于标准的四床系统，通过应用上述系统的有关的标准循环技术，引进第五个床层使单个床层的生产能力增加，对于一定的应用场合，这会导致增加总的循环时间和BSF值。BSF值的增加会损害由于在变压吸附系统中增加了床层数而增加的潜在的生产能力。另一方面，变压吸附中，氧吸附剂床层的尺寸限制了单个变压吸附系列的最大生产能力。因此，需要开发减小BSF值的技术，以增加这种单个变压吸附系列的最大生产能力的范围。因而，在技术上仍有必要改进变压吸附技术，使得BSF值减小，单个变压吸附系列的生产能力增加。这些改进会有利于减少总循环时间，但仍有足够的时间完成每一个循环步骤，不至于降低产品的纯度和回收率。
因此，本发明的目的是提供一个改进的变压吸附过程和系统。
本发明的另一个目的是提供一个变压吸附过程和系统用来从空气中分离和回收氧。
本发明还有一个目的是提供一个变压吸附过程和系统使总的循环时间减少到最小，但仍有足够的时间完成每一个单独的循环步骤，而不至于降低产品的纯度和回收率。
以下详细叙述的本发明正是为了这些和其它的目的，在所附的权利要求中特别指出本发明的特点。
本发明的变压吸附过程及系统有利地采用了新颖的同时循环步骤，使得总循环时间减少，产品的回收率增加，BSF值减小。独立提供吹扫气体的步骤所需的时间希望比吹扫步骤短，在实施本发明允许的较短的总循环时间内，其中逆流减压和吹扫的时间能足够使床层实现充分的再生。
通过把同时循环步骤引入以上叙述的Wagner专利中的变压吸附过程，来实现本发明之目的。所谓同时循环步骤是指在总循环中与同流减压和逆流减压步骤有关的阶段。这些同时循环步骤使总循环时间减少，也使BSF值减小，即使吸附剂的生产能力增加。实施本发明时，可在总循环时间减到最小的情况下，得到强化的床层生产能力，而不会降低产品的纯度或回收率。与以上叙述的标准的工业用三床变压吸附过程及系统的结果相比，已发现本发明的产品回收率在实际上有了显著的改进。
应该指出，本发明的一个适宜的实施方案采用了上述的Wagner循环中的恒压强吸附步骤，即吸附床层在保持较高的吸附压强条件下，原料气体通过床层，使易被吸附的组分选择性地被吸附，同时，从床层的产品出口采出难被吸附的组分作为产品。经本发明改进的这种恒压强吸附循环能够得到较小的BSF值，因而，对一定的生产能力和纯度来说，这种循环使单系列的生产能力较高，并使吸附剂的装入量减少。因此，人们将会理解，以下叙述的是本发明对上述引用的Wagner总操作循环的改进。
本发明能十分有利地应用于至少有四个吸附剂床层的多床变压吸附系统。在某些应用场合中，四床吸附系统更合符需要。在另一些场合中，五、六或七床吸附系统也是合乎需要的。尽管能实现有八个或更多个床层的变压吸附系统，但通常使用两个四床系统或类似的系统来代替有更多床层数的单列系统更为有利。在这样的多床系统中，在循环过程的任一个特定阶段，原料气要通过一个以上的床层，这是可以理解的，例如，在操作这样的系统时，在任何给定的时间，原料气常常通过至少两个床层。象传统的实践一样，变压吸附过程希望采用两个、三个或更多的压强平衡步骤，其间，在高压强下从一个床层采出的同流减压气体被用来使最初处于较低压强的另外一个床层部分增压，还被用作处于较低压强的床层的吹扫气体。因此，本发明能用于多种操作循环，例如，包括五个或更多床层的循环。在变压吸附的总操作循环中，在任何给定时间，其中有两个床层以部分重叠的顺序处于吸附步骤，熟悉技术的人们将会理解，可以采用其它各种变压吸附过程及系统，以便以合适的变压吸附循环获得本发明的优越性。
下表Ⅰ可以用来说明如何实施本发明。它是对于本发明的一个四床系统实施方案而言的。
对于每一个床层，上表中A表示在较高的吸附压强下的吸附步骤从床层的产品出口采出难被吸附的组分作为产品，PP表示同流减压步骤，在此期间，上述床层从较高的中间压强减压至中间压强，从床层的产品出口采出床层空隙内的气体，用作处于较低脱附压强下的另一个床层的吹扫气体;P表示处于较低脱附压强下的吹扫步骤，在此期间，从另一个床层采出的床层空隙内的气体直接通入处于吹扫步骤的上述床层，上述吹扫步骤的时间要比产生吹扫气体的同流减压步骤PP长一些;R表示增压至较高吸附压强的增压步骤;E1/PP表示本发明的其中一个新颖的步骤，也就是同流减压步骤，在这一步骤中，从较高的吸附压强减压至较高的中间压强，采出的床层空隙内的气体通入系统中另一个床层，该床层正部分增压至上述较高的中间压强，同时还通入处于较低脱附压强的另外第二个床层作为吹扫气体;E2/BD表示本发明的另一个新颖的步骤，在这一步骤中，进一步进行同流减压，从中间压强降至较低的中间压强，从床层的产品出口采出更多的床层空隙内的气体，将这种气体通入系统中的另一个床层，使相互间在较低的中间压强下，达到压强平衡，而上述床层同时从床层的原料气入口采出气体进行逆流减压。上述E2/BD步骤中的BD部分即逆流减压部分一直进行到使床层减压至较低的脱附压强，完成上述的压强平衡为止。从上述表Ⅰ说明的实施方案的过程里，可以看出在四床系统中，在一个循环周期的任意给定时间，仅有一个床层处于吸附步骤。因为采用了两个压强平衡步骤，也就是上述的E1/PP和E2/BD步骤以及与它们相应的E2和E1步骤，表Ⅰ中的标题（412）E1/PP-E2/BD是指总循环，这里4表示床层数;1表示在任意给定时间处于吸附过程的床数;2表示直接的压强平衡步骤数;E1/PP-E2/BD表示本发明的两个新颖的特点。这里的变压吸附过程采用了以上叙述的两个同时操作步骤，从而取得了本文所指出的本发明的优越性。
在表Ⅰ中说明的操作循环中，例如，床层1在E1/PP步骤床层进行同流减压，将从床层的产品出口采出的床层空隙内的气体，通入床层3，在较高中间压强下，进行压强平衡，与此同时，通入床层4作为该床层的吹扫步骤的最初阶段。继续进行床层1的同流减压步骤，在此期间采出的床层空隙内的气体通入床层4作为吹扫气体，床层1进一步减压至中间压强。紧接着进行E2/BD步骤，从床层1的产品出口采出床层空隙内的其余的气体，床层同流减压至较低的中间压强，上述气体通入床层4，在上述较低的中间压强下，进行压强平衡。同时从床层1的原料气入口采出气体，使床层1逆流减压。E2/BD步骤中的BD阶段一直进行到使正在减压的床层1和正在增压的床层4，在上述较低的中间压强下，达到压强平衡为止。从这个例子可以看出，E2步骤表示床层的部分增压，即通过将床层空隙内的气体直接加入床层，使床层从较低的脱附压强增至较低的中间压强，上述气体是一床层处于E2/BD步骤进行同流减压时采出的，通过与正在部分地增压的上述床层的压强平衡，使该床层从中间压强减压至上述的较低的中间压强，而上述床层从较低的脱附压强增至上述较低的中间压强。同样，E1表示通过将床层空隙内的气体直接通入床层，使其进一步部分增压至较高的中间压强。上述气体是从处于E1/PP步骤的同流减压的一个床层中采出的，通过与正在部分地增压的上述床层的压强平衡，使该床层从较高的吸附压强减压至较高的中间压强，而上述床层从较低的中间压强增至较高的中间压强。
当把表Ⅰ中表示的本发明的操作循环应用于实际的工业空气分离操作时，在较高的吸附压强为2.8〔公斤/（厘米）2〕（表压）下进行操作每个床层，能有效地利用160秒总循环时间。工业用13X8×12柱型分子筛吸附剂的BSF值为3000英磅13X/吨产品氧（纯度为90%）·天，产品氧的回收率为53%。与此相对照，在同样的2.8〔公斤/（厘米）2〕（表压）的吸附压强下操作，使用5A，8×12柱型分子筛，生产纯度为90%的氧产品，四床Wagner循环系统需要的总循环时间为240秒，BSF值较高，为6000英磅5A/吨氧产品·天，也就是生产能力较低。
本发明的另一个令人满意的实施方案中采用了五个吸附剂床层，在任何给定时间，其中有两个床层处于吸附步骤，和以上说明的实施方案一样，采用了两个压强平衡步骤和本发明的E1/PP和E2/BD步骤，因此在下表Ⅱ中，称该循环过程为（522）E1/PP-E2/BD循环。
在表Ⅱ的循环过程中，A、E1/PP、PP、E2/BD、P、E2和R与在表Ⅰ中的实施方案所表示的意义完全相同。实施上述（522）E1/PP-E2/BD循环，可分离空气，采用的较高吸附压强为2.8〔公斤/（厘米）2〕（表压），用同样的工业用13X、8×12柱型分子筛吸附剂，总的循环时间为200秒，得到的氧产品纯度为90%，BSF值约为3800英磅13X/吨氧产品·天，产品氧的回收率为54%，与此相对照，在同样的2.8〔公斤/（厘米）2〕（表压）吸附压强下，用同样的工业13X、8×12柱型分子筛吸附剂，采用以上叙述的标准三床循环，总循环时间为180秒，得到的氧产品纯度为90%，BSF值为4000英磅13X/吨氧产品·天，氧产品的回收率只有49%。
熟悉技术的人们会理解，对本发明的变压吸附过程及系统的具体细节作出的各种改进，都不会偏离在所附的权利要求中陈述的本发明之范围。他们也会理解，变压吸附系统必须包括各种管路，阀门和其它控制器件，以适当的顺序来实现吸附床层从一个操作步骤切换到下一个操作步骤。本发明能很容易地选用传统的管路和技术上众所周知的控制器件。为了实现本发明之目的，变压吸附系统应包括管路系统。在一个床层从较高的中间压强同流减压的过程中，从床层的产品气体出口采出床层空隙内的气体，通过这些管路系统，同时将上述气体通入系统中的其它床层，其中一部分上述气体通入一个床层，在上述较高的中间压强下进行压强平衡，还有一部分通入另一个床层作为床层的吹扫气体。可方便地采用工业上现有的控制系统。使来自正处于同流减压床层的床层空隙内的气体通过，直到达到中间压强为止，采出的气体通入正处于吹扫步骤的床层，然后中断气体通入床层，在较高压强下平衡。进一步进行同流减压步骤（床层压强从上述中间压强减压至较低的中间压强），从床层的产品出口采出床层空隙内的其余气体，通入系统中的另一个床层，使相互间在较低的中间压强下达到平衡，同时从床层的原料入口采出气体。为此也配置了管路系统。控制系统能防止气体通过一床层，因该床层在较低的中间压强下进行压强平衡时已有气体通过。在压强平衡过程中，从床层的原料气入口连续采出气体，也就是E2/BD步骤的BD阶段，一直减压至较低的脱附压强，在较低中间压强下达到压强平衡。可以很方便地采用在线控制阀作为上述后一种控制手段，上述控制阀被用来防止较低中间压强的气体反流入上述正处于进一步减压的床层，该床层从较低中间压强减压至较低的脱附压强。熟悉技术的人们将会理解在适当的条件下，本发明的吸附过程及系统的各种改进和修改，包括引进另外的压强平衡步骤或在部分重叠的顺序中，在任何给定时间还有另外的吸附剂床层处于吸附步骤。
尽管以上叙述的本发明包括一个恒压吸附步骤，与此相反，标准的三床系统包括一个压强递增的吸附步骤，随后不再在恒定的较高吸附压强下进行吸附，但是应该指出，实施本发明时可以在增压步骤如表Ⅰ和表Ⅱ中的R步骤引进一个压强递增吸附步骤，接着通过压强平衡使床层部分增压，即表Ⅰ和表Ⅱ中的E2和E1步骤。因此，在这样的实施方案中，床层增压至较高吸附压强，同时从床层的产品出口采出产品气体。在这种情况下，在任何给定的时间内将会回收更多的产品气体，而不会耗费用于床层再生的时间，或者说可以把恒压吸附步骤定得更短，以便有更多的时间用来进行床层的再生，从而使产品的纯度和（或）回收率增加。这是十分有利的。还应指出，能有利地采用上述压强递增的吸附步骤，并与本发明的三床变压吸附系统中的E2/BD步骤结合在一起（该系统不包括恒压吸附步骤）。这种操作上的改变也适用于具有三床以上的变压吸附系统。例如在实施本发明时，可采用操作顺序E1（从较高吸附压强进行减压）、PP、E2/BD、P、E2（部分增压）和将吸附压强增至较高的吸附压强。
在这里公开和申请权利要求的变压吸附过程及系统可有利地用来选择性吸附原料气体混合物中的至少一个组分，因而能分离和提纯需要的气体产品。虽然，本发明涉及分离和回收空气中的氧气-难被吸附的组分，其中氮气为易被吸附组分，熟悉技术的人们会懂得其它各种分离过程，包括从原料气体混合物中回收氢气或甚至从原料气体中分离和回收氮气作为产品，也是可行的，这只取决于在变压吸附系统中采用的特定的吸附剂的性质，及其从原料气体混合物中相对于难被吸附的组分选择性地吸附一个组分的能力。适合的吸附剂材料包括沸石分子筛、活性炭、硅胶、活性氧化铝以及其它类似的材料。从空气中分离和回收氧气，一般需要使用沸石分子筛吸附剂，上述13X吸附剂或5A分子筛是标准材料，可用于工业上实施本文公开和申请为权利要求的经改进的原有技术。
人们将会理解，在实施本发明时可采用各种操作条件，这取决于进行的特定的分离过程、要求的纯度、选用的吸附剂材料和其它等等。但是已发现，特别是对于从空气中分离和回收氧气，采用的较高吸附压强约为2.8-4.2〔公斤/（厘米）2〕（表压），最好为1.1-3.9〔公斤/（厘米）2〕（表压）约在太气压强下进行脱附是便利的，但是在特定的分离过程中，也可以采用其它更高或更低的脱附压强。本发明能使总循环时间减少到最小，在各种实施方案中，尤其在四床系统中，循环时间约为140-180秒。象在表Ⅱ中说明的那样的实施方案中，可能需要更长一点的循环时间。这些实施方案，采用五床系统，在任何给定的时间，其中有两个床层处于吸附过程。与表Ⅰ中说明的四床系统相比，五床系统可获得更高的回收率。一般来说，用本发明进行空气分离时，氧的回收率很容易达到50%-60%范围内，通常约在53-55%。
因此，可见本发明能满足技术上所需要的改进，使变压吸附技术能应用于各种气体分离操作，例如从空气中分离和回收氧。本发明的同时循环步骤使吸附剂的生产能力增加，提高了床层的容量，而且与工业上用的三床变压吸附过程相比。产品的回收率约提高5-6%。在本发明的循环过程中，采用了产生吹扫气体步骤所需的时间比为床层提供的实际吹扫步骤时间短，这是有利的，因为它使总循环时间减少到最小，而不会降低气体产品的纯度。因此，本发明提高了把变压吸附技术应用于实际的工业气体分离操作的可行性，它比在这以前开发的变压吸附技术能更有效益地得以应用。