TW202009056A

TW202009056A - 多床體快速循環動力學變壓吸附

Info

Publication number: TW202009056A
Application number: TW108128194A
Authority: TW
Inventors: 舒伯拉朱羅帝巴卓拉; 羅吉帝懷特利; 提蒙斯克里斯多夫戈登; 定軍吳; 格倫保羅華格納
Original assignee: 美商氣體產品及化學品股份公司
Priority date: 2018-08-14
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2020-03-01
Also published as: BR102019016306A2; MX2019009509A; US20200054987A1; RU2019125424A; US10744450B2; KR20200019570A; JP2020025957A; TWI725506B; JP6923600B2; CA3051875C; CN110813022A; EP3613492A1; KR102279619B1; CA3051875A1

Abstract

本文揭露用於自氮氣與/或氬氣分離氧氣之多床體快速循環變壓吸附（RCPSA）程序，其中該程序利用至少5個吸附劑床體，各床體包含針對氧氣之動力學選擇性吸附劑，其具有藉由線性驅動力模型於1 atma與86^o F下經測定至少為0.20之氧氣吸附率（1/s）。

Description

多床體快速循環動力學變壓吸附

本發明與一種用於自氮氣與/或氬氣中分離氧氣之多床體快速循環變壓吸附（PSA）程序有關。

變壓吸附程序長久以來用於空氣成分之分離。近來，人們對分離程序之強化產生極大興趣。於例如變壓吸附程序（PSA）與變溫吸附程序（TSA）之循環程序中，縮短循環時間為自給定數量之材料實現更高產率之主要手段。然而，隨著循環時間減少，循環程序通常面臨感興趣成分之各循環之工作容量降低，產物回收率下降以及壓降增加之問題。

變壓吸附程序之近來發展涉及利用具有較快吸附動力學之吸附劑，例如相對快速之動力學選擇性層壓吸附劑結構，以提高產率。然而，此種產率之提高通常以減少選擇性為代價，導致產物回收率減少。其他發展包括利用具有相對慢速之吸附動力學吸附劑以改善過程之總體產物回收率。然而，產物回收率之提高通常以減少產率為代價。

美國專利第7,645,324號揭露一種利用層壓吸附劑進行氣體動力學分離之旋轉變壓吸附程序。美國專利第7,645,324號揭示利用動力學選擇性層壓材料可提高產率，但為避免透過大孔質量傳遞阻力掩蓋動力學選擇性，吸附劑層內之大孔結構應盡可能開放，即，大孔空隙率應相對較高。然而，於此方面之問題為具有高空隙體積通常會減損產物回收率。

美國專利第9,895,646號揭露一種用於自進料流中產生富含化合物X之氣流之多床體變壓吸附程序。美國專利9,895,646號指出，將壓力等化步驟引入變壓吸附程序可提高產物回收率，但此舉通常不利於該過程之產率。值得注意地，自1至3之等化可獲得2.5%之效率，但不利於吸附劑體積增加40%（由於需要更多吸附劑床體）。因此，增加吸附劑床體之數量可提高產物回收率（由於可進行更多壓力等化步驟），然而，此也導致該程序之產率降低（產物之標準體積流速除以系統中吸附劑總量）。

國際專利申請公開第WO 2015/199227號揭露一種用於自沼氣分離甲烷之多床體（3床體或更多床體）變壓吸附程序。該程序執行於一吸附塔中轉移氣體之壓力等化程序，其中該吸附塔為吸附程序完成所在地，並且於高壓狀態進入處於低壓狀態之另一吸附塔，以使吸附塔內部進入中壓狀態，並且於完成減壓程序後，壓力等化程序接收來自處於較高壓狀態之另一吸附塔之氣體，以使吸附塔內部進入中壓狀態。據說此提高吸附塔中壓力增加與壓力降低所需之能量效率，並且亦提高待淨化氣體之回收率，同時提高待淨化氣體之純度。然而，增加壓力等化步驟並未提高該程序之具體產率。未對所利用之吸附劑提供動力學資訊，然而，長壓力轉移步驟（6秒）之需求表示利用緩慢動力學吸附劑。

綜上所述，已知具有較快吸附率之吸附劑可提高程序產率，但此通常以較低之產物回收率為代價，由於空隙體積較大與/或選擇性水平降低。理論上，將更多吸附床與壓力等化步驟引入至使用該吸附劑之程序中可提高產物回收率，然而，預計此舉將以消除透過首先利用較快之吸附劑獲得之產率提高為代價。或者，可利用較慢、更具選擇性之動力學吸附劑以獲得具有良好產物回收率之高純度產物，然而，此亦會以降低過程之整體產率為代價。

因此，自先前技術中可明顯看出，於產物回收與程序產率之間存在折衷。提高產物回收率之程序改進通常不利於程序產率，反之亦然。

因此，仍然需要具有高程序產率同時保持高產物回收率之變壓吸附程序。

本發明人已發現，當利用「較慢」之動力學吸附劑透過變壓吸附程序（PSA）自氮氣或氬氣中分離氧氣時，自兩床體變壓吸附程序轉換為具有5個或更多個吸附劑床體之變壓吸附程序會降低產率，並對回收率影響不大。然而，驚訝地，當於快速變壓吸附循環中利用「較快」之動力學吸附劑時，可實現較高之產率，同時於自兩床體變更為五床體或更多床體變壓吸附程序時，保持產物回收率並且於該過程中併入至少兩個「真實」壓力等化減壓與壓力等化再加壓步驟（即其中涉及第一壓力等化減壓與第一壓力等化再加壓步驟之成對床體相異於涉及第二壓力等化減壓與第二壓力等化再加壓步驟中之床體對），因此，本發明人現在已開發用於自氮氣或氬氣中分離氧氣之多床體快速循環變壓吸附程序，其具有優異之產物回收率與製程產率。

以下概述根據本發明程序之數個較佳層面。

層面1：一種用於自氮氣與/或氬氣中分離氧氣之多床體快速循環變壓吸附（RCPSA）程序，其中該程序利用至少5個吸附劑床體，各吸附劑床體包含針對氧氣之動力學選擇性吸附劑，其具有藉由線性驅動力模型於1 atma與86^o F下所測定之至少為0.20之氧氣吸附率（1/s），並且其中快速循環變壓吸附程序包含使各吸附劑床體進行快速變壓吸附循環，其包含以下列順序進行之步驟： i）進料 ii）一第一等化減壓 iii）一第二等化減壓 iv）逆流減壓 v）逆流沖洗 vi）一第一等化再加壓 vii）一第二等化再加壓 viii）產物與/或進料再加壓其中當吸附劑床體進行等化減壓步驟ii）時，其與同時進行等化再加壓步驟vii）之其他吸附劑床體之一者連接並對其提供再加壓流，並且當吸附劑床體進行等化減壓步驟iii）時，其與同時進行等化再加壓步驟vi）之其他吸附劑床體之一者連接並對其提供再加壓流。

層面2：層面1之快速循環變壓吸附程序，其中步驟iii）為雙等化減壓步驟，步驟vi）為雙等化再加壓步驟。

層面3：層面1或2之快速循環變壓吸附程序，其中步驟viii）為產物與進料再加壓步驟。

層面4：層面1至3中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中步驟ii）為並流等化減壓步驟，步驟vii）為逆流等化再加壓步驟。

層面5：層面1至4中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中該程序利用5至18個吸附劑床體。

層面6：層面1至4中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中該程序利用7至9個吸附劑床體。

層面7：層面1至4中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中該程序利用7個或9個吸附劑床體。

層面8：層面1至7中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中進料步驟之持續時間為3至45秒。

層面9：層面1至8中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中各等化減壓與等化再加壓步驟之持續時間為1秒至5秒。

層面10：層1至9中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中快速變壓吸附循環之循環時間等於或小於100秒。

層面11：層面1至10中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中進料步驟於0^o F至125^o F之溫度下進行。

層面12：層面1至10中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中進料步驟於20^o F至100^o F之溫度下進行。

層面13：層面1至10中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中進料步驟於20^o F至40^o F之溫度下進行。

層面14：層面1至13中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中於進料步驟之全部或部分期間，將循環氣體並流引入進行進料步驟之床體中，循環氣體包含於逆流減壓步驟與/或沖洗步驟期間，自進行該等步驟之床體中獲得之氣體。

層面15：層面1至14中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中於等化減壓步驟ii）之全部或部分期間，將循環氣體並流引入進行該步驟之床體中，循環氣體包含於逆流減壓步驟與/或沖洗步驟期間，自進行該等步驟之床體中獲得之氣體。

層面16：層面1至15中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中動力學選擇性吸附劑具有藉由線性驅動力模型於1 atma與86^o F下所測定之至少為5之氧氣/氮氣動力學選擇性，與/或藉由線性驅動力模型於1 atma與86^o F下所測定之至少為5之氧氣/氬氣動力學選擇性。

層面17：層面1至16中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中動力學選擇性吸附劑為沸石或碳分子篩。

層面18：層面1至17中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中該程序用於自氬氣中分離氧氣，並且動力學選擇性吸附劑為矽/鋁比為3.2至4.5並含有非質子外骨架陽離子之RHO沸石，其中沸石每單位晶格含有至多一質子，並且其中存在於沸石中之外骨架陽離子之尺寸、數量與電荷使每單位晶格需要至多一個非質子外骨架陽離子以佔據八環位置。

層面19：層面1至17中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中該程序用於自氮氣中分離氧氣，並且動力學選擇性吸附劑為一碳分子篩（CMS），其具有藉由線性驅動力模型於1 atma與86^o F下所測定為5至30之氧氣/氮氣動力學選擇性。

層面20：層面1至19中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中該程序為旋轉床體快速循環變壓吸附程序。

層面21：層面1至19中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中該程序為旋轉閥快速循環變壓吸附程序。

層面22：層面1至21中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中各吸附劑床體之空隙體積相對於床體體積為3%至15%。

層面23：層面1至22中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中該程序利用7個吸附劑床體，並且其中快速循環變壓吸附程序包含使各吸附劑床體進行快速變壓吸附循環，其包含以下列順序進行之步驟：進料（F）；並流等化減壓（EQD1）；雙等化減壓（DEQD2）；逆流減壓（CnD）；逆流沖洗（PU）；雙等化再加壓（DEQR2）；逆流等化再加壓（EQR1）；以及產物與進料再加壓（RP/F）；其中，當吸附劑床體進行並流等化減壓（EQD1）步驟時，其與同時進行逆流等化再加壓（ EQR1）步驟之其他吸附劑床體中之一者連接並對其提供逆流再加壓流，並且其中當吸附劑床體進行雙等化減壓（DEQD2）步驟時，其與同時進行雙等化再加壓（DEQR2）步驟之其他吸附劑床體中之另一者連接並對其提供並流與逆流再加壓流。

層面24：層面1至22中任一者之快速循環變壓吸附程序，其中該程序利用9個吸附劑床體，並且其中快速循環變壓吸附程序包含使各床體進行快速變壓吸附循環，其包含以下列順序進行之步驟：進料（F）；並流等化減壓（EQD1）；第一雙等化減壓（DEQD2）第二雙等化減壓（DEQD3）逆流減壓（CnD）；逆流沖洗（PU）；第一雙等化再加壓（DEQR3）；第二雙等化再加壓（DEQR2）；逆流等化再加壓（EQR1）；以及產物與進料再加壓（RP/F）；其中，當吸附劑床體進行並流等化減壓（EQD1）步驟時，其與同時進行逆流等化再加壓（ EQR1）步驟之其他吸附劑床體中之一者連接並對其提供逆流再加壓流，以及其中當吸附劑床體進行第一雙等化減壓（DEQD2）步驟時，其與同時進行第二雙等化再加壓（DEQR2）步驟之吸附劑床體中之另一者連接並對其提供並流與逆流再加壓流，以及其中當吸附劑床體進行第二雙等化減壓（DEQD3）步驟時，其與同時進行第一雙等化再加壓（DEQR3）步驟之吸附劑床體中之另一者連接並對其提供並流與逆流再加壓流。

以下詳細描述僅提供較佳示例性實施例，並不旨在限制本發明之範圍、適用性或配置。而是，較佳示例性實施例之以下詳細描述將為該領域通常知識者提供用於實現本發明之較佳示例性實施例之可行描述。於不脫離如所附申請專利範圍中闡述之本發明之精神與範圍之情況下，可對元件之功能與配置進行各式改變。

當經應用於說明書與申請專利範圍中描述之本發明實施例之任何特徵時，本文使用冠詞「一」與「一個」表示一個或多個。除非特別說明此種限制，否則「一」與「一個」之使用不限制單一特徵之含義。單數或複數名詞或名詞片語之前之冠詞「該」表示一特定具體特徵或複數特定具體特徵，並可具有單數或複數含義，其取決於上下文使用之情形。

如本文所使用，「第一」、「第二」、「第三」等經用於區分複數步驟與/或特徵，並且不指示總數，或時間與/或空間上之相對位置，除非明確說明。

如本文所使用，用語「包含」意指包含有或包括。

如本文所使用，放置於第一實體與第二實體之間之片語「與/或」包括（1）僅第一實體，（2）僅第二實體，以及（3）第一實體與第一實體之任何含義。於3個或更多個實體之列表之最後兩實體之間放置之用語「與/或」表示列表中之至少一實體，包括該列表中實體之任何特定組合。例如，「A、B與/或C」具有與「A與/或B與/或C」相同之含義，並且包括A、B與C之以下組合：（1）僅A，（2）僅 B，（3）僅C，（4）A與B而非C，（5）A與C而非B，（6）B與C而非A，以及（7）A與B與C。

本發明揭露一種用於自氮氣與/或氬氣中分離氧氣之多床體快速循環變壓吸附（RCPSA）程序，其中該程序利用至少5個吸附劑床體，各吸附劑床體包含用於氧氣之「快速」動力學選擇性吸附劑，變壓吸附循環包括至少兩個「真實」壓力等化減壓步驟與兩個「真實」壓力等化再加壓步驟。已發現此程序能提供良好之產物回收率與程序產率。

如本發明所用，用語針對氧氣之「快速」動力學選擇性吸附劑意指氧氣動力學選擇性吸附劑之氧氣吸附率（1 / s）藉由線性驅動力模型於1 atma與86^o F下所測定至少為0.20。較佳地，快速CMS 吸附劑之氧氣吸附率（1 / s）藉由線性驅動力模型於1 atma與86^o F下所測定至少為0.21、至少為0.22、至少為0.23、至少為0.24、至少為0.25、至少為0.26、至少為0.27、至少為0.28、至少為0.29或至少為0.30。

如本發明所用，用語對於氧氣之「慢速」動力學選擇性吸附劑係指氧氣之動力學選擇性吸附劑之氧氣吸附率（1/s）藉由線性驅動力模型於1 atma與86^o F下所測定少於0.2000。

線性驅動力學（LDF）模型為用於自實驗吸收曲線決定吸附速率之眾所周知之模型，並可經用以計算特定吸附劑對特定被吸附物之吸附速率，以及對特定被吸附物之吸附劑之所得動力學選擇性。

更具體地，利用標準體積吸附裝置評估被吸附物（例如氧氣、氮氣或氬氣）於吸附劑上之吸附速率。該實驗包括將最初於真空與303K（86^o F）下之吸附劑樣品暴露於1 atma（760Torr / 101kPa）且於相同溫度下之被吸附物之測量量。壓力變化經記錄為時間之函數。接著利用相同重量之石英珠取代吸附劑樣品自相似壓力歷程中減去壓力時間數據，以獲得作為時間函數之經吸附氣體量之圖，亦經稱為吸收曲線。接著以線性驅動力學（LDF）模型自吸收曲線以逆時（1/s）為單位提取被吸附物之吸附速率。吸附劑對特定被吸附物之選擇性亦可由兩種被吸附物之經計算之吸附速率之比率個別決定。藉由以下等式給定該模型之分析形式（亦如文獻之表1所列，Sircar, S. 與Hufton, J. R.，為什麼吸附動力學之線性驅動力模型有效？，吸附 2000年，第6卷第137至147頁），其中f （ t ）為吸收分率、k 為線性驅動力模型之質量傳遞係數、α 為恆定體積實驗之校正因子以及t 為時間。

如上所述，本文提及兩個「真實」壓力等化減壓步驟與兩個「真實」壓力等化再加壓步意指於第一壓力等化減壓與第一壓力等化再加壓步驟中涉及之成對床體不同於第二壓力等化減壓與第二壓力等化再加壓步驟中所涉及之成對床體。例如，若床體「A」中之第一壓力等化減壓步驟透過床體「B」之該床體等化壓力（其因此進行第一壓力等化再加壓步驟）而發生。接著，為使第二壓力等化減壓步驟成為「真實」第二壓力等化減壓步驟，該床體「A」中之該第二壓力等化減壓必須透過第三床體，床體「C」而非床體「B」之該床體等化壓力而發生（即因此進行第二壓力等化再加壓步驟）。

快速循環變壓吸附程序包括使各吸附劑床體進行快速變壓吸附循環，其包括至少以下列順序進行之以下步驟：i）進料；ii）一第一等化減壓；iii）一第二等化減壓；iv）逆流減壓；v）逆流沖洗；vi）一第一等化再加壓；vii）一第二等化再加壓；viii）產物與/或進料再加壓。應注意該循環亦可包括於上面列出之任何步驟之前、之後或之間發生之其他步驟。當吸附劑床體進行第一等化減壓步驟ii）時，其與同時進行第二等化再加壓步驟vii）之其他吸附劑床體中之一者連接並對其提供再加壓流，並且當吸附劑床體進行第二等化減壓步驟iii）時，其與同時進行第一等化再加壓步驟vi）之其他吸附劑床體中之另一者連接並對其提供再加壓流。本文提及之吸附劑床體之「另一者」意指當進行步驟iii）時，進行該循環之床體與一相異床體連接，其相異床體為當進行步驟ii）時所預先連接之床體。換言之，步驟ii）與iii）代表兩個「真實」壓力等化減壓步驟，以及步驟vi）與vii）代表兩個「真實」壓力等化再加壓步驟。

如本發明所用，用語「快速」變壓吸附循環意指循環之進料步驟（即步驟i）之總持續時間較佳為至多45秒進料步驟（通常亦稱為吸附步驟）為吸附劑床體處於高壓（相對於程序之步驟期間床體之壓力）之循環步驟，並且將進料流引入並通過床體以自進料流中吸附至少一種成分以產生離開床體之產物流，其於經吸附成分中為耗盡（相對於進料流之組成），如本領域中係為眾所周知。較佳地，循環之進料步驟之總持續時間為至少3秒。較佳地，進料步驟之總持續時間為3至45秒或3至16秒。

較佳地，快速變壓吸附循環亦具有至多100秒之循環時間，循環時間為完成變壓吸附循環之一整套步驟所花費之時間。更優選地，變壓吸附循環之循環時間具有至多60秒、至多50秒或至多40秒。較佳地，變壓吸附循環之循環時間至少為15秒。

已發現若各等化減壓步驟與等化再加壓步驟之持續時間為1至5秒亦為較佳。快於此（即>1秒）可導致系統效率降低，並且慢於此（即> 5秒）則將增加循環時間並降低整體產率。因此較佳地，步驟ii）、iii）、vi）與vii）之持續時間各為1至5秒。此外，由於步驟ii）與vii）係為連接，且步驟iii）與vi）係為連接（步驟ii）與vii）同時於進行壓力等化之不同床體之間進行，同樣地，步驟iii）與vi）同時於進行壓力等化之不同床體之間進行，應當理解，步驟ii）與vii）具有相同持續時間，且步驟iii）與vi）具有相同持續時間（因此，若步驟ii）具有例如4秒之持續時間，則步驟vii）同樣會有4秒之持續時間）。

如本發明關於變壓吸附循環所用，「並流」步驟為指氣體流入與/或流出床體之步驟，該床體進行與於進料步驟期間氣體流動方向相同方向之步驟。同樣地，「逆流」步驟為指氣體流入與/或流出床體之步驟，該床體進行與於進料步驟期間氣體流動方向相反方向之步驟。類似地，如本發明所用，床體之「入口」或「入口」端指進料氣體於進料步驟期間進入床體之入口或端點，並且床體之「出口」或「出口」端指產物氣體於進料步驟期間離開床體之出口或端點。

「雙」步驟表示氣體自兩端離開床體或自兩端進入床體。因此，於雙重再加壓步驟中，氣體自兩端進入床體，並於雙重減壓步驟中，氣體自兩端離開床體。

進料步驟i）通常於約0^o F至約125^o F之溫度下進行，並更佳地，於約20^o F至約100^o F或約20^o F至約40^o F之溫度下進行。如本發明所用，進行進料步驟之溫度意指進料氣體經引入吸附劑床體時，於吸附劑床體之入口處所測量之溫度。驚訝地，本發明人已發現，於本發明描述與揭露之程序中，於較低溫度（例如約30^o F）下進行進料步驟會進一步提高程序產率與產物回收率，此與已知之變壓吸附系統相反，其中以降低程序產率為代價降低溫度會提高產物回收率。於如此低溫下進行進料步驟係為特別有利，其中進料氣體於亞環境溫度下係可取得（例如，此程序用以將氧氣與/或氮氣與自蒸餾塔所獲得之粗氬氣流分離），因此，為獲得用於進料步驟之較低溫度之進料氣流，不需顯著冷卻進料氣體。

於進料步驟期間可利用任何合適之進料壓力。例如，於進料步驟期間於吸附劑床體之入口處所測得之壓力可為約5至約12個絕對大氣壓。

若本發明之程序用於將氧氣與氮氣分離，則於根據本發明之程序中所利用之動力學選擇性吸附劑較佳地具有至少為5之氧氣 / 氮氣動力學選擇性，其係於1 atma與86^o F下透過線性驅動力模型所測定。同樣地，若本程序用於將氧氣與氬氣分離，則於根據本發明之程序中所利用之動力學選擇性吸附劑較佳地具有至少為5之氧氣 / 氬氣動力學選擇性，其係於1 atma與86^o F下透過線性驅動力模型所測定。透過線性驅動力模型所測定之動力學選擇性係如上所述。

吸附劑可為任何合適類型之材料。合適之吸附劑包括碳分子篩（CMS）；任何具有快速吸收速率之基於小孔沸石之動力學吸附劑，例如（但不限於）RS-10、RHO或菱沸石。本領域已知如何製造具有所需「快速」動力學吸附特質之吸附劑。

例如，已建立用於製造氧氣對氮氣或氧氣對氬氣上顯示高動力學選擇性之碳分子篩吸附劑之方法論。為達成此目的，將選擇性微孔引入吸附劑中，其中孔口直徑控制氧氣、氮氣或氬氣之吸附動力，並因此經視為擴散之關鍵尺寸。此種微孔可表現出極高選擇性，通常以總體吸附速率為代價實現。另一方面，吸附速率可以選擇性為代價而增加。用於本發明快速循環變壓吸附程序之合適碳分子篩吸附劑可為例如具有5至30、10至25或15至20之氧氣/氮氣動力學選擇性，與/或5至40之氧氣 / 氬氣動力學選擇性。碳分子篩可具有任何合適之吸附容量。例如，其可於平衡時具有0.2至0.4 mmol / g之吸附容量，其係透過於1 atma與86^o F下之標準等溫測量測定。

用於本發明之快速循環變壓吸附程序之合適沸石可為矽 / 鋁比為3.2至4.5並含有非質子外骨架陽離子之RHO沸石，其中沸石每單位晶格包含至多1質子，並其中存在於沸石中之外骨架陽離子之尺寸、數量與電荷使得每單位晶格需要至多1個非質子外骨架陽離子以佔據8環位置。此種RHO沸石揭露於2017年9月28日提交之美國申請號USSN 15 / 718,467與USSN 15 / 718,620中，其內容透過引用整體併入本文。

合適之菱沸石吸附劑揭露於US 9,669,349與US 9,925,514中，其內容透過引用整體併入本文。

吸附劑床體可用任何合適形式之吸附劑填充，但較佳地包含隨機充填形式之吸附劑。吸附劑較佳應為緻密填料並用可滲透之壓緊系統保持於位置上，例如多孔板，其具有面向碳分子篩之線網以容納碳分子篩並例如透過彈簧施加向下之壓力。緻密填料可防止會卸載彈簧之額外沉降。可透過本領域已知之程序實現緻密填料，例如降雪型填料。

較佳地，該程序中所利用之各吸附劑床體其相對於總床體體積之空隙體積為約3%至約15%。最佳地，該程序中所利用之各吸附劑床體其相對於總床體體積之空隙體積為約5%至約13%、約7%至約12%、或約10%。如本文所用，「相對於總床體體積之空隙體積」為指額外之柱體空隙除以床體總體積。

可利用任何合適用於進行快速循環變壓吸附之裝置進行該程序。傳統之開關閥可作用而達到一定程度。然而，較佳地，快速循環變壓吸附程序為利用旋轉床體變壓吸附裝置進行之旋轉床體快速循環變壓吸附程序（其中吸附劑床體安裝於轉子中，該轉子位於進料與產物定子組件間並相對於其等旋轉，進料與產物定子組件各包含定子板，其係作為用於循環之變壓吸附步驟之間切換床體之閥板），或者為利用旋轉閥變壓吸附裝置進行之旋轉閥快速循環變壓吸附程序（其中相反地，吸附劑床體位於固定床體組件中，並透過本領域已知之旋轉進料與產物閥於變壓吸附步驟之間切換）。

現在將參考圖1與圖8描述數個多床體多步驟變壓吸附循環，於其中，圖1與4顯示以少於5個床體進行作業並且非根據本發明之變壓吸附循環對照，以及圖2、3及5至8顯示利用至少5個適用於本發明所利用之床體之示例性變壓吸附循環。於此方面，應注意本文所用用語「吸附劑床體」或「床體」為指至少一個吸附劑容器，其各自同時進行變壓吸附循環之各步驟。因此，利用兩個床體之程序具有第一容器或一組容器，其全部同時進行變壓吸附循環之各步驟（此代表其中一床體），並具有第二容器或一組容器，其同時進行變壓吸附循環之各步驟（此代表其中另一床體），然而，第一容器或一組容器中之變壓吸附循環之時間與第二容器或一組容器中之變壓吸附循環之時間錯開，使得第一容器或一組容器中之變壓吸附循環之各步驟不會與第二容器或一組容器中之變壓吸附循環之相應步驟同時起始與結束。循環時間表以表格形式包含所有該等設計。於該等時間表中，表格之各行代表給定床體於整體循環中所進行之所有不同循環步驟，而表格之一列表示於特定單位時間步驟由哪個床體運行哪個循環步驟。總循環時間係為特定行之全部個別單位時間步驟之總和。應注意，於循環時間表中，有一經強調部分，通常稱為「單位區塊」，於此區塊內，所有步驟皆由多床體中之一者運行（Mehrotra等，2011年）。重複單位區塊之數量與床體之數量相同。典型循環時間表制定程序可見於以下文獻中：「Mehrotra, A.、 Ebner, A. D.、 Ritter, J. A.用於複雜變壓吸附循環排程之簡化圖形程序，吸附，2011年，第17卷，第337至345頁」。圖1至8中所呈現之所有循環設計之顯著特徵歸納如下：2 床體循環（圖 1 ）

圖1顯示非根據本發明之2床體變壓吸附循環，其經包括用於比較目的上。該循環包含產物與進料再加壓步驟（RP1 / F1）、進料步驟（F2、F3）、並流減壓步驟（CoD）、並流與雙等化減壓步驟（EQD1、DEQD2、DEQD3）、逆流減壓步驟（CnD1、CnD2），產物沖洗步驟（PU1、PU2）、產物再加壓步驟（RP2、RP3）、逆流與雙等化再加壓步驟（EQR1、DEQR2、DEQR3）以及各種閒置步驟（I1、I2、I3）。於產物與進料再加壓（F1 / RP1）步驟中，透過分別自床體頂端與底端添加初級產物（例如豐沛之氮氣）與進料氣體（例如空氣）將床體加壓至循環之最高壓力水平。於循環之此步驟期間並無產物經提取。下一步，於進料步驟中（F2與F3表示相同進料步驟之時期），持續引入進料氣體，直到優先吸附之成分（即氧氣）之質量傳遞區到達但未實質上突破床體出口端，而未受吸附之氣體（例如經純化之氮氣）自床體之出口端排出作為主要產物。接著於並流減壓步驟（CoD）中停止進料流，並透過自床體頂端提取產物將床體壓力降低至第一中間水平。然後，於並流等化減壓步驟（EQD1）中，床體與進行逆流等化再加壓步驟（EQR1）之床體連接，並且一部分空隙以及脫離吸附之氣體自進行EQD1之床體之產物端轉移至進行EQR1之床體之產物端，因此，於該步驟結束時，部分等化兩床體之間之壓力並將進行EQD1之床體中之床體壓力降低至第二中間水平。接著，於雙端等化減壓步驟（DEQD2）中，更多共吸附氣體與空隙氣體自進行該步驟之第一床體之頂部與底部經提取，使該床體之壓力降低至第三中間水平，自床體之頂部與底部經提取之氣體分別設置於進行雙等化再加壓步驟（DEQR2）之床體之頂部與底部。接著，於步驟（DEQD3 / CnD1）中繼續進行雙端等化減壓，但將某些逆流提取之減壓步驟作為二級產物（即富含氧氣之氣體）而非用以再加壓另一床體，此進一步將床體壓力降低至第四中間水平。接著，於逆流減壓步驟（CnD2）中將床體逆流減壓至最低作業壓力，並於沖洗步驟（PU1與PU2）中，於循環之最低作業壓力下沖洗，產生進一步之二級產物。此後，於逆流再加壓步驟（RP2與RP3）中，以初級產物氣體對床體進行逆流再加壓。於再加壓步驟（RP2與RP3）之後，透過壓力等化再加壓步驟（EQR1、DEQR2與DEQR3）進一步加壓管柱以恢復用於啟動與重複循環之壓力水平。應注意3個閒置步驟（I1、I2與I3）經結合至循環時間表中，進行閒置步驟之床體於此期間係經隔離，導致通往此床體之閥門處於關閉位置。

雖然上面列出3個獨立等化減壓步驟與3個獨立等化再加壓步驟，但應注意於此循環之所有3個等化減壓（EQD1、DEQD2、DEQD3）與等化再加壓（EQR1、DEQR2、DEQR3）步驟皆發生於兩個相同床體之間（此係為不可避免，由於循環為一2床體循環，因此僅有兩個床體）。因此，於本申請之內文中，此程序僅具有一個「真實」等化減壓步驟與一個「真實」等化再加壓，其步驟EQD1、DEQD2、DEQD3代表相同等化減壓步驟之階段，以及步驟EQR1、DEQR2、 DEQR3代表相同等化再加壓步驟之階段。9 床體循環（圖 2 ）

圖2顯示適用於根據本發明一實施例之9床體變壓吸附程序。該程序包含進料（F1至F4）、並流等化減壓1（EQD1）、雙等化減壓2（DEQD2）、雙等化減壓3（DEQD3）、逆流減壓（CnD1至CnD3）、逆流產物沖洗（PU1至PU4）、雙等化再加壓3（DEQR3）、雙等化再加壓2（DEQR2）、逆流等化再加壓1（EQR1）以及產物與進料再加壓（RP / F5）步驟。以下詳細描述各步驟。 i）進料步驟（F1至F4）：假設床體已預先經加壓至循環之最高壓力水平，則將進料氣體混合物引入床體之入口端，並且未受吸附氣體自床體出口端排出。持續進行進料步驟，直到優先吸附之成分之質量傳遞區（MTZ）到達但實質上未突破床體出口端。 ii）並流等化減壓1（EQD1）：於進料步驟終止時，床體與EQR1步驟（以下描述）中之另一床體連接。一部分空隙以及脫離吸附之氣體自EQD1中床體的產物（出口）端經傳送至EQR1中另一床體之產物（出口）端，因此將EQD1中之床體壓力降低至第一中間水平。 iii）雙等化減壓2（DEQD2）：於EQD1之後，透過於DEQR2步驟（以下描述）中將床體與另一床體連接而將床體減壓至第二中間壓力水平。含有空隙與脫離吸附氣體之流出物透過進料（入口）與產物（出口）端自DEQD2中之床體轉移至DEQR2中之另一床體中。 iv）雙等化減壓3（DEQD3）：於DEQD2之後，透過於DEQR3步驟（以下描述）中將空隙與脫離吸附之氣體轉移至另一床體而進一步將床體中之壓力降低至第三中間水平。再次透過床體之進料（入口）以及產物（出口）端進行壓力傳送。 v）逆流減壓（CnD1至CnD3）：於DEQD3之後，床體透過進料（入口）端逆流至或接近環境壓力水平而減壓。含有較多選擇性吸附物質之流出物經提取而作為二級產物。 vi）逆流產物沖洗（PU1至PU4）：於逆流減壓步驟終止時，將沖洗氣體引入床體之產物（出口）端，並從床體之進料（入口）端收集流出物作為第二產物。 vii）雙等化再加壓3（DEQR3）：於沖洗步驟之後，透過從進行DEQD3之另一床體引入空隙與脫離吸附之氣體，使床體壓力從大氣壓恢復至第三中間水平（如DEQD3步驟所述）。應注意，氣體透過管柱之兩端傳送。 viii）雙等化再加壓2（DEQR2）：於DEQR3之後，透過自進行DEQD2之另一床體引入空隙與脫離吸附之氣體，使床體壓力恢復至第二中間水平（如DEQD2步驟所述）。此亦為雙端壓力轉移步驟。 ix）逆流等化再加壓1（EQR1）：於DEQR2之後，透過自進行EQD1之另一床體引入空隙與脫離吸附之氣體，使床體壓力恢復至第一中間水平（如EQD1步驟所述）。應注意，氣體透過管柱之產物（出口）端傳送。 x）產物 & 進料再加壓（RP/ F5）：最終，床體壓力回至循環之進料或最高壓力水平以開始並重複該循環。此步驟分別透過自進料（入口）與產物（出口）端引入進料與部分初級產物氣體而開始。

於該程序循環中，持續對兩個床體進料，因此產物之提取係為連續。由於該程序之多床體性質，可減少/消除進料與產物流中之流動波動。於壓力等化之最後階段，於步驟EQR1期間，利用含有大部分初級產物之幾乎純淨之空隙氣體對床體加壓。因此，壓力等化比圖1中所示傳統2床體動力學變壓吸附循環更有效率。7 床體循環（圖 3 ）

圖3顯示適用於根據本發明另一實施例之7床體變壓吸附程序。該程序包含進料（F1至F4）、並流等化減壓1（EQD1）、雙等化減壓2（DEQD2）、逆流減壓（CnD1與CnD2）、逆流產物沖洗（PU1至PU3）、雙等化再加壓2（DEQR2）、逆流等化再加壓1（EQR1）及產物與進料再加壓（RP / F5）步驟。以下詳細描述各步驟。 i）進料（F1至F4）：假設床體已預先經加壓至循環之最高壓力水平，則將進料氣體混合物引入床體之入口端，並且未吸附氣體自床體出口端排出。持續進行進料步驟，直到優先吸附之成分之質量傳遞區（MTZ）到達但實質上未突破床體出口端。 ii）並流等化減壓1（EQD1）：於進料步驟終止時，床體與進行EQR1步驟（以下描述）之另一床體連接。一部分空隙以及脫離吸附之氣體自EQD1步驟中床體之產物（出口）端經傳送至EQR1步驟中另一床體之產物（出口）端，因此將EQD1中之床體壓力降低至第一中間水平。 iii）雙等化減壓2（DEQD2）：於EQD1之後，透過將床體與進行DEQR2步驟（以下描述）之另一床體連接而將床體減壓至第二中間壓力水平。含有空隙與脫離吸附氣體之流出物透過進料（入口）與產物（出口）端自DEQD2中之床體經傳送至DEQR2中之另一床體中。 iv）逆流減壓（CnD1與CnD2）：於DEQD2之後，床體透過進料（入口）端逆流至或接近環境壓力水平而減壓。含有較多選擇性吸附物質之流出物經提取而作為二級產物。 v）逆流產物沖洗（PU1至PU3）：於逆流減壓步驟終止時，將沖洗氣體引入床體之產物（出口）端，並從床體之進料（入口）端收集流出物作為二級產物。 vi）雙等化再加壓2（DEQR2）：於沖洗步驟之後，透過自進行DEQD2之另一床體引入空隙與脫離吸附之氣體，使床體壓力回復至第二中間水平（如DEQD2步驟所述）。此再次係為雙端壓力傳送模式。 vii）逆流等化再加壓1（EQR1）：於DEQR2之後，透過自進行EQD1之另一床體引入空隙以及脫離吸附之氣體，使床體壓力回復至第一中間水平（如EQD1步驟所述）。應注意，氣體透過管柱之產物（出口）端傳送。 viii）產物與進料再加壓（RP / F5）：最終，床體壓力回復至循環之進料或最高壓力水平以開始並重複該循環。此步驟分別透過自進料（入口）與產物（出口）端引入進料氣體與部分初級產物氣體而開始。

於該程序循環中，持續對兩個床體進料，因此產物之提取係為連續。由於該程序之多床體性質，可減少/消除進料與產物流中之流動波動。於壓力等化之最後階段，於步驟EQR1期間，利用含有大部分初級產物之幾乎純淨之空隙氣體對床體加壓。因此，壓力等化比圖1中所示之傳統2床體動力學變壓吸附循環更有效率。4 床體循環 （圖 4 ）

圖4顯示非根據本發明之4床體變壓吸附程序，其經包含用於比較目的上。該程序包含進料（F1與F2）、並流等化減壓（EQD）、逆流減壓（CnD）、逆流產物沖洗（PU1與PU2）、逆流等化再加壓（EQR）以及產物與進料再加壓（RP / F3）步驟。以下詳細描述各步驟。 i）進料（F1與F2）：假設床體已預先經加壓至循環之最高壓力水平，則將進料氣體混合物引入床體之入口端，並且未吸附氣體自床體出口端排出。持續進行進料步驟，直到優先吸附之成分之質量傳遞區（MTZ）到達但實質上未突破床體出口端。 ii）並流等化減壓（EQD）：於進料步驟終止時，床體與進行EQR步驟（以下描述）之另一床體連接。一部分空隙以及脫離吸附之氣體自EQD中床體之產物（出口）端經傳送至EQR中另一床體之產物（出口）端，因此將EQD中之床體壓力降低至中間水平。 iii）逆流減壓（CnD）：於EQR之後，床體透過進料（入口）端逆流至或接近環境壓力水平而減壓。含有較多選擇性吸附物質之流出物經提取而作為二級產物。 iv）逆流產物沖洗（PU1至PU2）：於逆流減壓步驟終止時，將沖洗氣體引入床體之產物（出口）端，並自床體之進料（入口）端收集流出物作為二級產物。 v）逆流等化再加壓（EQR）：於沖洗步驟之後，透過自進行EQD之另一床體引入空隙與脫離吸附之氣體，使床體壓力回復至中間水平（如EQD步驟所述）。應注意，氣體透過床體之產物（出口）端傳送。 vi）產物與進料再加壓（RP / F3）：最終，床體壓力回復至循環之進料或最高壓力水平以開始並重複該前述步驟。此步驟分別透過自進料（入口）與產物（出口）端引入進料氣體與部分初級產物氣體而開始。18 床體循環（圖 5 ）

圖5顯示適用於根據本發明另一實施例之18床體變壓吸附程序。該程序包含進料（F1至F4）、並流等化減壓1（EQD1）、雙等化減壓2（DEQD2）、雙等化減壓3（DEQD3）、逆流減壓（CnD至CnD4）、逆流產物沖洗（PU1至PU3）、雙等化再加壓3（DEQR3）、雙等化再加壓2（DEQR2）、逆流等化再加壓1（EQR1）及產物與進料再加壓（RP / F5）步驟。以下詳細描述各步驟。 i）進料（F1至F4）：假設床體已預先經加壓至循環之最高壓力水平，則將進料氣體混合物引入床體之入口端，並且未吸附氣體自床體出口端排出。持續進行進料步驟，直到優先吸附之成分之質量傳遞區（MTZ）到達但實質上未突破床體出口端。 ii）並流等化減壓1（EQD1）：於進料步驟終止時，床體與EQR1步驟（以下描述）中之另一床體連接。一部分空隙以及脫離吸附之氣體自EQD1中床體之產物（出口）端經傳送至EQR1中另一床體之產物（出口）端，因此將EQD1中之床體壓力降低至第一中間水平。 iii）雙等化減壓2（DEQD2）：於EQD1之後，透過將床體與DEQR2步驟（以下描述）中之另一床體連接而將床體減壓至第二中間壓力水平。含有空隙與脫離吸附氣體之流出物透過進料（入口）與產物（出口）端自DEQD2中之床體經傳送至DEQR2中之另一床體。 iv）雙等化減壓3（DEQD3）：於DEQD2之後，透過將空隙與脫離吸附之氣體傳送至DEQR3步驟（下面描述）中之另一床體而將床體壓力進一步降低至第三中間水平。再次透過進料（入口）以及床體之產物（出口）端進行壓力傳送。 v）逆流減壓（CnD至CnD4）：於DEQD3之後，床體透過進料（入口）端逆流至或接近環境壓力水平而減壓。含有較多選擇性吸附物質之流出物經提取而作為二級產物。 vi）逆流產物沖洗（PU1至PU3）：於逆流減壓步驟終止時，將沖洗氣體引入床體之產物（出口）端，並自床體之進料（入口）端收集流出物作為二級產物。 vii）雙等化再加壓3（DEQR3）：於沖洗步驟之後，透過自進行DEQD3之另一床體引入空隙與脫離吸附之氣體，使床體壓力由大氣壓力回復至第三中間水平（如DEQD3步驟所述）。應注意，氣體透過管柱之兩端傳送。 viii）雙等化再加壓2（DEQR2）：於DEQR3之後，透過自進行DEQD2之另一床體引入空隙與脫離吸附之氣體，使床體壓力回復至第二中間水平（如DEQD2步驟所述）。此再次係為雙端壓力傳送步驟。 ix）逆流等化再加壓1（EQR1）：於DEQR2之後，透過自進行EQD1之另一床體引入空隙以及脫離吸附之氣體，使床體壓力回復至第一中間水平（如EQD1步驟所述）。應注意，氣體透過管柱之產物（出口）端傳送。 x）產物與進料再加壓（RP / F5）：最終，床體壓力回復至循環之進料或最高壓力水平以開始並重複該前述步驟。此步驟分別透過自進料（入口）與產物（出口）端引入進料與部分初級產物氣體而開始。

於該程序循環中，對7床體持續進料，因此產物之提取係為連續。由於該程序之多床體性質，可減少/消除進料與產物流中之流動波動。於壓力等化之最後階段，於步驟EQR1期間，利用含有大部分初級產物之幾乎純淨之空隙氣體對床體加壓。因此，壓力等化比圖1中所示之傳統2床體動力學變壓吸附循環更有效率。應注意，由於空間限制，循環時間表中僅顯示一個「單位區塊」。可透過文獻中描述之程序填充剩餘區塊（Mehrotra等，2011年）。9 床體循環（圖 6 ）

圖6顯示適用於根據本發明另一實施例之具有附加再回收步驟之9床體變壓吸附程序。圖2中所示之9床體18步驟循環所描述之所有特徵適用於此實施例。唯一例外為此循環引入回收方案。回收氣體取自於逆流減壓（CnD1至CnD3）與產物沖洗（PU1至PU4）步驟期間產生之二級產物氣體。接著將再回收氣體與新鮮進料混合。當排出氣體處於或接近大氣壓力時，回收氣體可獨立加壓（達到進料壓力水平），之後與新鮮進料混合（如圖6所示）或低壓排出氣體可與新鮮進料混合，接著將結合氣流加壓（未示出）並作為進料送至床體。若排出氣體經獨立加壓，或需要較大壓縮機用於結合之加壓選項，則需獨立循環壓縮機。此循環經設計以提高初級產物氣體之回收。9 床體循環（圖 7 ）

圖7顯示適用於根據本發明另一實施例之具有附加再回收步驟之另一9床體變壓吸附程序。再次，包括循環步驟係用以提高初級產物氣體之回收。圖2中所示之9床體18步驟循環所描述之特徵適用於此實施例，但有以下例外： i）添加回收流於進行並流等化減壓步驟EQD1之床體之進料（入口）端。回收流為於逆流減壓（CnD1至CnD3）與產物沖洗（PU1至PU4）步驟期間產生之二級產物氣體，其經由循環壓縮機加壓。自床體之產物（出口）端從EQD1 / RC1步驟產生之氣體經用於再加壓透過如圖7所示之床體之產物（出口）端進行等化再加壓（EQR1）步驟之另一床體。此選項需要獨立循環壓縮機。 ii）雙等化減壓2（DEQD2）步驟經轉換為並流單端等化減壓步驟EQD2，並於床體之進料（入口）端引入回收流。回收流為於逆流減壓（CnD1至CnD3）與產物沖洗（PU1至PU4）步驟期間產生之二級產物氣體，其經由循環壓縮機加壓。自床體之產物（出口）端從EQD1 / RC2步驟（如圖7所示）產生之氣體係用以透過床體之產物（出口）端再加壓進行逆流等化再加壓EQR2步驟之另一床體。如先前所述，為此需要獨立循環壓縮機。9 床體循環（圖 8 ）

圖8顯示適用於根據本發明另一實施例之具有附加再回收步驟之另一9床體變壓吸附程序，並係為圖7中所示之9床體循環之修改。與圖7之唯一差異為於此程序中，來自床體之產物（出口）端之自EQD2 / RC2步驟產生之氣體係用以透過如圖8所示之床體之進料（入口）端再加壓進行並流等化再加壓步驟（EQR2B）之另一床體。範例

利用2床體多步驟（圖1中所示）與9床體多步驟（圖2中所示）變壓吸附（PSA）循環針對利用碳分子篩（CMS）吸附劑自空氣分離出氮氣之進料與產物比以及產率以評估程序效能指標。表1呈現各碳分子篩吸附劑之氧氣、氮氣與氬氣吸附速率以及氧氣相對於氮氣之動力學選擇性之總結。應注意，414-01（「慢速」）和414-02（「快速」）碳分子篩吸附劑之氧氣對氮氣之動力學選擇性係為相同，但414-02 碳分子篩吸附劑上之氧氣吸附率比414-01碳分子篩吸附劑快2倍。另一方面，414-02與414-03（「快速」）碳分子篩吸附劑之氧氣吸附率係為相同，但414-02 碳分子篩吸附劑之動力學選擇性（氧氣對於氮氣）比414-03吸附劑高2倍。床體幾何形狀、作業條件與產物氧氣濃度同樣總結於表1中。應注意，進料與產物比係與回收率相反，因此，當比率越低，則回收率越高，反之亦然。換言之，較低之進料與產物比表示壓縮機之功率需求較低。

上述碳分子篩吸附劑之2床體與9床體變壓吸附程序效能總結於圖9（9a至9f）。評估之結論總結如下。

當利用「慢速」碳分子篩吸附劑（414-01）且當自2床體更換為9床體多步驟快速循環變壓吸附程序時，未觀察到程序性能之改善。例如，對於利用414-01 碳分子篩吸附劑之9床體程序，在40秒循環時間之最大產率為146.98 scfh60F / ft³ ，其可見於圖9a中以及對應之進料與產物比為2.53（自圖9b可看出）。另一方面，對於2床體多步驟程序，最大產率與對應之進料與產物比分別為151.38 scfh60F / ft³ 與2.30，其中循環時間為100s（自圖9a與9b可看出）。對於此兩種程序，於溫度為100^o F且床體壓力為7.80 atma下評估含有4500ppm氧氣之氮氣產物之變壓吸附程序效能。

於圖9c與9d中總結利用具有與「慢速」（414-01）碳分子篩類似之動力學選擇性之「快速」碳分子篩吸附劑（414-02）對2床體與9床體多步驟程序效能之比較。再次，於溫度為100^o F且床體壓力為7.80 atma下評估含有4500ppm氧氣之氮氣產物之變壓吸附程序效能。床體之幾何形狀與其他參數總結於表1中。

9c與9d清楚地顯示即使兩種碳分子篩吸附劑之動力學選擇性（於此例，氧氣對於氮氣）係為相似（自表1中可看出），當與多床體多步驟程序耦合時，較快速碳分子篩吸附劑（414-02碳分子篩）遠優於較慢速碳分子篩吸附劑（414-01碳分子篩）。如上所述，414-01碳分子篩與2床體多步驟程序耦合時之表現係為可接受（即透過改變成9床體程序未獲得益處）。因此，利用慢速414-01 碳分子篩吸附劑之2床體程序之效能經用於與利用快速414-02 碳分子篩之9床體程序效能做比較。例如，利用414-01碳分子篩之2床體程序，於100秒循環時間下之產率以及進料與產物比分別為151.38 scfh60F / ft³ 與2.30。利用414-02碳分子篩之9床體多步驟程序，於50秒循環時間下之產率以及進料與產物比分別為240.92 scfh60F / ft³ 與2.29。此表示當較快速碳分子篩吸附劑與多床體程序耦合時，於相似之進料與產物比（或回收率）下，可於產率上達成至少59％之提升。

與2床體程序相比，9床體多步驟快速循環變壓吸附程序亦保持高產率，並具有相當之產物回收率。自圖9c中可看出，當循環時間自50秒減少至20秒時，利用快速碳分子篩之9床體程序之產率由240.92增加至265.35 scfh60F / ft³ 。在此期間，進料與產物比僅由2.29適度地增加至2.93（參見圖9d）。利用較快速之碳分子篩吸附劑（414-02）之2床體程序優於「慢速」碳分子篩（414-01）2床體程序，但當作業於較快速循環時間（20秒對50秒）時，相較於9床體程序，顯示出較低產率與回收率，其自圖9c與9d可看出。

於圖9e與9f中總結利用相似速率但較低選擇性碳分子篩吸附劑（414-03碳分子篩）之2床體與9床體多步驟程序效能。再次，於溫度為100^o F且床體壓力為7.80 atma下評估含有4500ppm氧氣之氮氣產物之程序效能。床體之幾何形狀與其他參數總結於表1中。

9床體程序再次優於2床體多步驟程序。當2床體循環利用較快之循環時間進行作業時，產率與回收率之損失係為顯著。由於414-03 碳分子篩之氧氣對氮氣之動力學選擇性較低，因此與414-02相比，其自圖9d可看出，進料與產物之比率較高（自圖9f可看出）。然而，9床體程序之414-03 碳分子篩之產物回收率仍為2床體慢速碳分子篩程序之顯著改進，並且產率遠優於9床體414-03 碳分子篩程序。

快速碳分子篩吸附劑與多床體多步驟快速循環變壓吸附程序耦合之另一有利特徵為自床體空隙有效地推出較快速脫離吸附之成分（透過基於碳分子篩之變壓吸附程序進行空氣分離時之氧氣）之所需沖洗氣體量令人驚訝地低於自空氣中產生之高純度氮氣。圖10提供利用414-02 碳分子篩吸附劑與圖2所示之9床體快速循環變壓吸附循環於100^o F與7.80 atma下產生含有不同氧氣量（9 ppm、90 ppm與4500 ppm）之產物氮氣所需沖洗氣體之概述。床體長度為40英寸，內徑（ID）為4英寸經用於此評估。

如圖10所示，當初級產物氣體中氧氣含量自4500ppm降至90ppm時，需要約少於75％之沖洗。當初級產物含有9ppm氧氣時，甚至所需沖洗更少。由於快速碳分子篩吸附劑之較快速氧氣動力學與有效多床體多步驟程序循環耦合，床體之有效再生經視為生產高純度初級產物之較少沖洗需求之主因。值得注意地，針對圖10中報告之三種沖洗需求情況，個別最佳化所有快速循環變壓吸附程序參數（循環時間、所有等化閥常數、進料與產物再加壓閥常數及沖洗流）。

採用傳統閥之傳統變壓吸附程序之額外管柱空隙非僅僅是採用旋轉閥技術之變壓吸附程序。額外管柱空隙包括：i）未包含吸附劑之床體中進料（入口）或產物（出口）端處之任何無效體積、ii）於旋轉閥變壓吸附程序中，與將各床體連接至各閥口之床體相關之程序氣體傳輸線路、及iii）與程序氣體傳輸線路耦合之任何調諧或控制閥或儀表。空隙體積會大幅降低程序效能。

利用採用旋轉閥技術之多床體多步驟快速循環變壓吸附程序研究空隙體積對程序效能之影響。圖11a與11b顯示利用414-02碳分子篩吸附劑與圖2呈現之9床體多步驟快速循環變壓吸附循環，就「產率」與「進料與產物比」於100^o F與7.80 atma下產生含有4500ppm氧氣之氮氣產物而言，空隙體積對程序效能之影響。414-02 碳分子篩之吸附劑特性總結於表1中。用於此評估之床體長度與內徑（ID）分別為40英寸與4英寸。應注意，於研究期間，進料或產物端之空隙體積以相同比例增加，並以相對於一床體體積之百分比表示。

如圖11b所示，隨著空隙體積增加，進料與產物比增加（或回收率減少）。然而，令人驚訝之發現係為於某一空隙體積下存在最大產率（相對於床體體積約10%之空隙體積，自圖11a可看出），隨後產率便開始降低。

建立採用旋轉閥技術之9床體多步驟快速循環變壓吸附程序（具有圖2中所示之循環順序）以利用不同碳分子篩吸附劑評估程序效能指標。快速循環變壓吸附程序之各床體高度為40英寸，內徑（ID）為4英寸。選擇不同氧氣速率、氧氣對於氮氣之動力學選擇性以及平衡容量（如表2所示）之三種碳分子篩吸附劑（414-04、414-05與414-06）進行效能評估，於69.8^o F與7.80 atma床體壓力下，以自空氣中產生不同純度（或含不同量之氧氣）之氮氣。利用9床體多步驟快速循環變壓吸附單元（圖2中所示之循環序列）評估414-05與414-06 碳分子篩吸附劑，並將利用此碳分子篩吸附劑之效能與利用414-04 碳分子篩吸附劑產生之2床體多步驟傳統程序（圖1）之數據進行比較。應注意，用於評估之2床體程序之床體高度與內徑（ID）分別為120英寸與1.908英寸。

針對各吸附劑於各純度、溫度與床體壓力下，個別最佳化快速循環變壓吸附程序參數，例如循環時間或旋轉速度、頂部與底部等化閥係數、進料與產物再加壓閥係數及沖洗流量。應注意，因為進料與產物提取係為連續，故快速循環變壓吸附單元不具進料與產物槽。亦以與快速循環變壓吸附程序相同方式最佳化2床體多步驟程序參數。

關於標準化產率與標準化進料與產物比，圖12a與12b總結針對414-04、414-05與414-06 碳分子篩吸附劑之程序效能指標。於含有95%至99.9%氮氣（或不同氧氣量）之所有產物純度下，來自含有快速碳分子篩吸附劑（414-05與414-06）之9床體多步驟程序之標準化產率顯著優於與傳統2床體程序耦合之慢速碳分子篩吸附劑（414-04）之標準化產率。具有上述產物純度範圍之進料與產物比類似於或低於含有快速碳分子篩吸附劑之9床體程序。

如可見於圖12a，於此考慮之碳分子篩吸附劑之標準化產率以414-06 > 414-05 > 414-04之順序降低。如可見於表2，此與吸收速率順序（按遞減順序）一致：414-06 > 414-05 > 414-04。令人驚訝之特徵為相較於414-04 碳分子篩，即使414-05與414-06 碳分子篩吸附劑具有較低氧氣與氮氣之動力學選擇性，但進料與產物比為相似或更低。由於多床體多步驟程序之較高效率，因此可利用具有較低動力學選擇性之碳分子篩吸附劑以維持相等或較高回收率（較低進料與產物比）。

利用414-05、414-06碳分子篩吸附劑及上述9床體多步驟快速循環變壓吸附單元，生產含有45,000ppm氧氣之氮氣產物，有關於69.8^o F下標準化產率及進料與產物比，於圖13a及13b總結床體壓力對程序效能之影響。亦包括「慢速」碳分子篩吸附劑之效能，該吸附劑於相同條件下自傳統2床體變壓吸附單元（床體長度= 120英寸，床體ID = 1.908英寸）生產含有45,000ppm氧氣之氮氣產物。圖1與2分別呈現2床體與9床體程序之循環配置。

圖13a與13b顯示，由於較高之氧氣吸收速率，快速414-06 碳分子篩之產率於所有壓力範圍內皆較高。414-06 碳分子篩之有趣特點為即使其氧氣對氮氣之選擇性略為較低，但進料與產物比係低於414-05 碳分子篩吸附劑之進料與產物比。於此程序中，較高之平衡容量（如表2所示，相對 414-05 碳分子篩，其高出18.5%）及降低之壓降（由於利用較大之吸附劑顆粒：414-06 碳分子篩顆粒尺寸為 0.0719 英吋及414-05碳分子篩顆粒尺寸為 0.0568英寸）經視為所觀察到之趨勢之主因。由於較慢之氧氣速率及效率差之程序，利用414-04 碳分子篩之2床體程序作業不如預期。

利用快速碳分子篩吸附劑414-02，並且利用分別於圖1、圖2、圖3、圖4與圖5中所呈現之9床體、7床體、4床體與18床體多步驟循環設計以進行程序效能評估研究，其用於不同壓力、溫度及床體長度與直徑比（或縱橫比）下生產不同純度之氮氣（或含有不同量之氧氣）。吸附劑特性總結於表1中。表3呈現作業條件以及床體特性。應注意，個別最佳化快速循環變壓吸附程序參數，如循環時間、頂部與底部等化閥係數、進料與產物再加壓閥係數以及沖洗流量以用於不同溫度、壓力及產物氧氣純度下作業之各循環設計。以下呈現表3之評估總結。

對於9床體多步驟循環，其於7.80 atma下生產含有4500 ppm氧氣之氮氣產物，當溫度自100^o F變為30^o F（案例8、案例2與案例1）時，進料與產物比自2.32變為2.05。對應之產率自260.42減少至242.10 scfh60F / ft³ 。應注意，用於該評估之長度與內徑比（或長寬比）係為10。

於相同作業條件、相同之產物規格與相同床體長寬比下，18床體多步驟程序優於9床體多步驟快速循環變壓吸附程序，如表3中之案例27至29所示。

對於7.80 atma與100^o F下產生含90ppm氧氣之氮氣之9床體多步驟循環，床體長寬比（或長度與內徑比）於2至18之間變化（案例4至7）。對於含有90ppm氧氣之氮氣產物，於床體長寬比為18時，進料與產物比與產率係為最佳。對於含有4500ppm氧氣之氮氣產物（案例8至13），最佳床體長寬比為10，如表3中之案例8所示。

對於100^o F與11.21 atma（案例15與22）下生產含有45,000 ppm氧氣之氮氣，7床體多步循環優於9床體多步驟循環。於相似之進料與產物比下，利用7床體程序可實現提高約13%之產率。即使對於100^o F與7.80 atma下生產含有4500 ppm氧氣之氮氣，利用7床體多步驟循環可於較低之進料與產物比（或較高之回收率）下實現約14%之較佳產率，如表3中之案例13與16。

對100^o F與7.80 atma（案例16與25）下生產含有4500 ppm氧氣之氮氣，7床體多步驟循環亦優於4床體多步驟循環。

利用7床體多步驟程序，進行調低研究以利用414-02 碳分子篩吸附劑於100^o F與11.21 atma下生產含有45,000ppm氧氣之氮氣。當產率需求低於必要時，需進行調低。對於動力學程序，若程序效率不佳，則於調低模式下功率要求（或進料與產物比）可能較高。調低評估研究（案例31至41）之總結與最佳案例（案例30）一同呈現於表4中。

表4顯示，當產率降低至最佳案例（案例37）之約70%時，觀察到進料與產物比僅增加約21.9%。透過改變作業參數以及循環時間以進行下調，如表4所示。

利用基於RHO之沸石吸附劑自氬氣/氧氣/氮氣混合物生產純氬氣之程序效能，以圖2、圖6、圖7與圖8中示出之9床體多步驟快速循環變壓吸附循環設計進行評估。對於該等循環設計，利用7.80 atma之高壓、1.05 atma之低壓與100^o F之溫度進行效能評估。進料氣體混合物含有20莫耳分率之氧氣、0.05莫耳分率之氮氣與剩餘氬氣，以及最終氬氣產物含有2ppm之氧氣雜質。表5包括床體與吸附劑特性以及用以評估程序效能之作業條件之總結。表中亦添加有關氬氣回收率與產率之程序效能指標。應注意，對於各循環設計，個別優化快速循環變壓吸附程序參數，例如循環時間、頂部與底部等化閥係數、進料與產物再加壓閥係數以及沖洗流量。

表5顯示所有循環設計（圖6至8中所示之循環）皆優於無圖2中所示之回收之循環設計。於回收選項中，圖6中呈現之新鮮進料設計之回收係為優選選項，因為：i）僅具有44.57%之排出氣體回收，與圖7與8中所示之其他設計相比，可以相似或較佳之產率實現超過75%之氬氣回收率。ii）排出氣體可與低壓粗氬氣進料混合，接著，結合之進料可透過單一壓縮機再壓縮，因此，不需要額外機械，以及iii）當進料步驟於恆定壓力下作業時，可實現簡單之控制方案，但對於圖7與8之循環設計，排出氣體經回收返回至壓力變化步驟，其可能增加某些控制複雜性。

雖然以上已結合較佳實施例描述本發明之原理，但應清楚地理解，該描述僅透過示例之方式進行，而非作為對本發明範圍之限制。表 1. 吸附劑與床體特性以及針對414-01、414-02與414-03碳分子篩吸附劑之作業條件之總結。

表 2. 基於氧氣速率常數之線性驅動力（LDF）模型、氧氣對氮氣之動力學選擇性以及於1 atma與86^o F下414-04、414-05與414-06碳分子篩吸附劑上氧氣平衡容量之總結。

表 3. 對於利用4床體（圖4中示出）、7床體（圖3中示出）、9床體（圖2中示出）與18床體（圖5中示出）之變壓吸附循環之414-02碳分子篩吸附劑，於不同產物氧氣雜質下之效能（就「產率」與「進料與產物比」而言）之總結。

表 4. 利用414-02碳分子篩吸附劑之7床體程序循環（圖3中示出），其用於100^o F與11.21 atma下生產含有45,000 ppm氧氣之氮氣產物，就「產率」與「進料與產物比」而言，最佳（案例30）與調低（案例31至41）效能之總結。

表 5. 於圖2、圖6、圖7與圖8中所示之利用9床體多步驟程序循環以自氧氣/氮氣/氬氣混合物中分離氬氣之基於RHO吸附劑特性、床體特性、作業條件與程序效能（就「產率」與「氬氣回收率」而言）之總結。

無

圖1顯示一2床體多步驟變壓吸附循環之作業。

圖2顯示一9床體多步驟變壓吸附循環之作業。

圖3顯示一7床體多步驟變壓吸附循環之作業。

圖4顯示一4床體多步驟變壓吸附循環之作業。

圖5顯示一18床體多步驟變壓吸附循環之作業。

圖6顯示一9床體多步驟變壓吸附循環之作業，其中排出氣體經回收至變壓吸附進料步驟。

圖7顯示一9床體多步驟變壓吸附循環之作業，其中排出氣體經回收至變壓吸附等化步驟。

圖8顯示一9床體多步驟變壓吸附循環之作業，其中排出氣體經回收至變壓吸附等化步驟。

圖9a、9b、9c、9d、9e與9f為顯示2床（圖1中所示之循環）與9床（圖2中所示之循環）利用不同碳分子篩吸附劑（414-01、414-02與414-03吸附劑）自空氣中產生氮氣之多步驟變壓吸附循環之程序效能（「產率」與「進料與產物比」為循環時間之函數）比較圖。

圖10為顯示利用碳分子篩吸附劑414-02與圖2中所示之9床體變壓吸附循環於100^o F與7.80 atma下製造含有不同量氧氣之氮氣產物之沖洗需求之圖表。

圖11a 與11b為顯示利用碳分子篩吸附劑414-02與圖2中所示之9床體變壓吸附循環，於100^o F與7.80 atma下製造含有4500 ppm 氧氣之氮氣產物之空隙體積對程序效能（就「產率」與「進料與產物比」而言）影響之圖表。

圖12a與12b為顯示於69.8^o F與7.80 atma下，來自9床體試驗單元（床體長度 = 40 英寸及床體內徑 = 4 英寸）之「快速」碳分子篩吸附劑414-05與414-06之標準化效能（就「產率」與「進料與產物比」而言）之圖表。此亦包括來自2床體變壓吸附循環（床體長度= 120英寸及床體內徑 = 1.908英寸）之「慢速」碳分子篩吸附劑414-04之效能。

圖13a 與13b為顯示利用來自9床體試驗單元（床體長度 = 40 英寸及床體內徑 = 4 英寸）之碳分子篩吸附劑414-05與414-06於69.8^o F與7.80 atma下製造含有45000 ppm 氧氣之氮氣產物之床體壓力對效能（就標準化「產率」與標準化「進料與產物比」而言）影響之圖表。來自2床體變壓吸附循環（床體長度= 120英寸及床體內徑 = 1.908英寸）之傳統碳分子篩吸附劑414-04於相同條件下製造含有45,000ppm 氧氣之氮氣產物之效能亦包含於內，並經用於標準化所有數據。

Claims

一種用於自氮氣與/或氬氣中分離氧氣之多床體快速循環變壓吸附（RCPSA）程序，其中該程序利用至少5個吸附劑床體，各該吸附劑床體包含一針對氧氣之動力學選擇性吸附劑，其氧氣吸附率（1/s）藉由線性驅動力模型於1 atma與86^o F下經測定至少為0.20，並且其中該快速循環變壓吸附程序包含使各該吸附劑床體進行快速變壓吸附循環，其包含按以下順序進行之以下步驟： i）進料 ii）一第一等化減壓 iii）一第二等化減壓 iv）逆流減壓 v）逆流沖洗 vi）一第一等化再加壓 vii）一第二等化再加壓 viii）產物與/或進料再加壓其中當一吸附劑床體進行等化減壓步驟ii）時，該吸附劑床體與同時進行等化再加壓步驟vii）之其他吸附劑床體中之一者連接並對其提供一再加壓流，以及當一吸附劑床體進行等化減壓步驟iii）時，該吸附劑床體與同時進行等化再加壓步驟vi）之其他吸附劑床體中之另一者連接並對其提供一再加壓流，該吸附劑床體之另一者。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中該步驟iii）為一雙等化減壓步驟，以及該步驟vi）為一雙等化再加壓步驟。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中該步驟viii）為一產物與進料再加壓步驟。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中該步驟ii）為一並流等化減壓步驟，以及該步驟vii）為一逆流等化再加壓步驟。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中該程序利用5至18個吸附劑床體。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中該程序利用7至9個吸附劑床體。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中該程序利用7或9個吸附劑床體。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中該進料步驟之持續時間為3至45秒。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中各該等化減壓與該等化再加壓步驟之持續時間為1秒至5秒。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中該快速變壓吸附循環之循環時間至多為100秒。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中該進料步驟於0^o F至125^o F之溫度下進行。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中該進料步驟於20^o F至100^o F之溫度下進行。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中該進料步驟於20^o F至40^o F之溫度下進行。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中於該進料步驟之全部或部分期間，將一回收氣體並流引入進行該進料步驟之該床體中，該回收氣體包含於該逆流減壓步驟與/或該沖洗步驟期間自進行該步驟之該床體中獲得之氣體。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中於該等化減壓步驟ii）之全部或部分期間，將一回收氣體並流引入進行該步驟之該床體中，該回收氣體包含於該逆流減壓步驟與/或該沖洗步驟期間自進行該步驟之該床體中獲得之氣體。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中該動力學選擇性吸附劑具有至少為5之一氧氣/氮氣動力學選擇性，其係藉由線性驅動力模型於1 atma與86^o F下所測定，與/或至少為5之一氧氣/氬氣動力學選擇性，其係藉由線性驅動力模型於1 atma與86^o F下所測定。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中該動力學選擇性吸附劑為一沸石或一碳分子篩。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中該程序用於自氬氣中分離氧氣，並且該動力學選擇性吸附劑為具有矽/鋁比為3.2至4.5並含有非質子外骨架陽離子之RHO沸石，其中該沸石每單位晶格含有至多1質子，且其中存在於該沸石中之外骨架陽離子之尺寸、數量與電荷使得每單位晶格需要至多1個非質子外骨架陽離子以佔據8環位置。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中該程序用於自氮氣中分離氧氣，並且該動力學選擇性吸附劑為一碳分子篩（CMS），其具有於1 atma與86^o F下透過線性驅動力模型所測定為5至30之一氧氣/氮氣動力學選擇性。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中該程序為一旋轉床體快速循環變壓吸附程序。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中該程序為一旋轉閥快速循環變壓吸附程序。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中各該吸附劑床體其相對於床體體積之空隙體積為3%至15%。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中該程序利用7個吸附劑床體，並且其中該快速循環變壓吸附程序包含使各該吸附劑床體進行一快速變壓吸附循環，其包含按以下順序進行之以下步驟：進料（F）；並流等化減壓（EQD1）；雙等化減壓（DEQD2）；逆流減壓（CnD）；逆流沖洗（PU）；雙等化再加壓（DEQR2）；逆流等化再加壓（EQR1）；以及產物與進料再加壓（RP/F）；其中當一吸附劑床體進行該並流等化減壓（EQD1）步驟時，該吸附劑床體與同時進行該逆流等化再加壓（EQR1）步驟之其他吸附劑床體中之一者連接並對其提供一逆流再加壓流，，以及其中當一吸附劑床體進行該雙等化減壓（DEQD2）步驟時，該吸附劑床體與同時進行該雙等化再加壓（DEQR2）步驟之其他吸附劑床體中之另一者連接並對其提供一逆流再加壓流。
如請求項1所述之快速循環變壓吸附程序，其中該程序利用9個吸附劑床體，並且其中該快速循環變壓吸附程序包含使各該吸附劑床體進行一快速變壓吸附循環，其包含按以下順序進行之以下步驟：進料（F）；並流等化減壓（EQD1）；第一雙等化減壓（DEQD2）；第二雙等化減壓（DEQD3）；逆流減壓（CnD）；逆流沖洗（PU）；第一雙等化再加壓（DEQR3）；第二雙等化再加壓（DEQR2）；逆流等化再加壓（EQR1）；以及產物與進料再加壓（RP/F）；其中當一吸附劑床體進行該並流等化減壓（EQD1）步驟時，該吸附劑床體與同時進行該逆流等化再加壓（EQR1）步驟之其他吸附劑床體中之一者連接並對其提供一逆流再加壓流，以及其中當一吸附劑床體進行該第一雙等化減壓（DEQD2）步驟時，該吸附劑床體與同時進行該第二雙等化再加壓（DEQR2）步驟之該等吸附劑床體中之另一者連接並對其提供並流與逆流再加壓流，以及其中當一吸附劑床體進行該第二雙等化減壓（DEQD3）步驟時，該吸附劑床體與同時進行該第一雙等化再加壓（DEQR3）步驟之該等吸附劑床體中之另一者連接並對其提供並流與逆流再加壓流。