[发明专利]使用换向鼓风机的VSA气体浓缩器

说明书

技术领域

本发明涉及用于优先将一种气体从不同气体的混合物分离出来如从空气中收集氧气的气体浓缩器和气体分离器。更具体地，本发明涉及变压吸附和真空变压吸附(VSA，变压吸附PSA的一种)型气体分离器。

背景技术

当气体被组合时，它们在有限空间内几乎总是保持均匀分布。即使无限空间如大气层也包含均匀的气体混合物。通常希望以纯或实质上纯的形式收集气体。收集这样的气体的一种方法是将它们从均匀气体混合物分离出来，在该气体混合物中一种想要的气体与其它气体混合。例如，通常希望通过从空气分离出氧气而使氧气浓缩为实质上纯的形式。

大气层中的空气为大约79％的氮、20％的氧及1％的氩的均匀混合物。根据空气湿度，空气还不同程度地包括水蒸汽。空气还包括小百分比的二氧化碳及痕量的其它气体如氢、氦、其它惰性气体及小痕量的气态化合物。

一种已知的从空气分离氧(或从气体混合物分离其它想要的气体)的技术是利用不同气体冷凝为液体的不同冷凝点。当气体混合物中的气体具有广泛不同的冷凝点时，这样的“液化”特别有效，尤其在至少一冷凝点接近室温时更是如此。例如，用于冷凝空气中的水蒸汽的冷凝器有效运行，通常只有很少或没有功率输入口，以从空气中去除大部分气态水(即蒸汽或水蒸汽)。

然而，当将要分离的气体具有类似的冷凝温度或冷凝温度明显低于室温时，为了有效分离气体，需要大量功率及精心制造的机械。当从空气分离氧时，遭遇这样的困难。氧和氮具有极为相似的冷凝温度且这些冷凝温度大大低于室温(即，氮的冷凝温度为-320.5°F，氧为-297.3°F)。因此，从空气有效分离氧的液化需要大量功率输入口及精心制造的机械，这使得液化在许多情形下不合乎需要。

广泛用于空气分离的第二种技术是膜技术，其中膜用于分离气体。通常在想要的气体为氮时使用该方法。该方法也可用于提供氧，但通常仅在氮是想要的气体时使用，因为使用膜技术产生的氧没有使用其它技术获得的氧纯。在使用膜技术的大多数情况下，空气的氩成分将与氮在一起，而二氧化碳和水将与氧在一起。

用于从气体混合物分离气体的另一技术是利用某些材料相比于另外的气体优先吸附某一气体的独特特性。例如，已知道将适当大小的分子筛材料用作吸附剂，其相比于氧优先吸附氮。当空气通过吸附器材料床时，氮被吸附在吸附器材料的表面上。空气的其余部分实质上完全是氧。这样的吸附器材料也吸附二氧化碳和水蒸汽。在氩通常不被吸附从而与氧在一起时，即使来自初始空气气体混合物的氩仍然存在时氧通常也可得以有效利用。

这样的变压吸附系统可分为两种一般类型，包括变压吸附(PSA)和真空变压吸附(VSA)。PSA和VSA之间的主要区别在于吸附器材料被使得对先前吸附的气体分子或化合物进行脱附以复新吸附器材料时的压力。对于PSA，吸附在高于大气压力的压力下发生，脱附在更低的压力下发生，通常在或接近大气压力。对于VSA，吸附在或高于大气压力时发生，脱附在低于大气压力下至少部分真空时发生。

已知商用的现有技术VSA系统通常以下述系统为代表，如由康涅狄格州Danbury的Praxair提供的系统、宾夕法尼亚州Allentown的Airproducts及其它公司提供的系统、及美国专利4,661,124中描述的系统。在这些系统中，通常提供一个或多个床吸附器。通常使用两个床吸附器。在两床吸附器系统中，一个床吸附器吸附氮及其它不想要的气体，另一个将处于脱附(复新)处理。当前领域的最简单例子是单床吸附器VSA系统的情形。在这些单床吸附器系统中，鼓风机按一个方向旋转。空气从鼓风机的压力侧馈给床吸附器。当床吸附器上氮饱和时，开启阀以将床吸附器的入口从鼓风机的出口侧改为鼓风机的入口侧。因此，同一鼓风机用处理空气装满床吸附器并产生真空以对床吸附器进行脱附。在每一种变压系统(PSA和VSA)中，通常包括缓冲罐使得可实现持续供应氧。

现有技术VSA系统的一个问题在于它们需要非一般复杂性的阀和管道系统。这些各种各样的零件不仅占用额外的空间，而且还增加了系统的复杂性和重量。它们的复杂性还导致比所需要的更高的功耗。因此希望提供简洁且轻便的VSA系统以使该系统更易于携带从而增强该系统的有用性。

发明内容