壓力擺動式氣體分離器的製作方法

2023-06-28 12:41:16

專利名稱：壓力擺動式氣體分離器的製作方法
專利說明 壓力擺動式氣體分離器包括一個吸附材料墊，該墊能選擇性地吸附混合氣體中的至少一種組分。壓力擺動式氣體分離器能利用這種選擇吸附作用去除混合氣體中的某種氣體，以便或者得到一種含較高濃度的選擇吸附性氣體的混合氣體，或者得到一種含濃度較低地選擇吸附性氣體的混合廢氣。在這樣的壓力擺動式氣體分離器中，吸附墊受到混合氣體的壓力，並且選擇吸附性組分被吸附到墊中，直到混合氣體中的該組分在墊中達到飽和為止。然後打開吸附墊，使選擇吸附組分含量很少的混合氣體被排放出去。接著這個吸附墊經歷一個減壓過程，在這種情況下，吸附到墊上的氣體被解吸，於是可以得到一種富含被選擇吸附組分的氣體。
目前在這個領域中已經做了許多工作，特別是在所謂快速壓力擺動式吸附系統中，上述系統的工作周期一般短於30秒。對吸附墊的安排應能保證氣體混合物能從一側進入墊中，並且在解吸後含高濃度選擇吸附組分的混合氣體從吸附墊的同側離開，而沒有被選擇吸附到墊上的氣體能從吸附墊的另一側離開，而這側始終在排氣。這些系統的實例見EP-A-0008619，EP-A-0013680和EP-A-0055160。
按照本發明的第一個方案，壓力擺動式氣體分離器利用其升壓和降壓狀態之間的壓力差來工作，該壓力差小於0.1巴。
目前的快速壓力擺動的吸附式氣體分離器的吸附墊的壓力擺動範圍至少為1/2巴，通常為2/3巴。產生這麼大幅度的壓力擺動需要相當大的能量。按照本發明的第一個方案，使壓力擺動式氣體分離器在很小壓力差下並在低於0.1巴壓力差下工作時需要的能量很少，不過在每次壓力擺動中產生的氣體的量也比較少。
按照本發明的第二個方案，壓力擺動式氣體分離器的工作頻率大於1周/秒。
該壓力擺動式氣體分離的工作頻率一般大於10周/秒，典型的工作頻率在50至200周/秒的範圍之間。因此，根據本發明的第二個方案做出的壓力擺動式氣體分離器在壓力值做快速擺動以吸附氣體方面的速度比先前的分離器快1000倍。該壓力擺動式氣體分離器最好能把本發明的第一和第二方案組合起來。在這種情況下，分離器以高頻率工作，克服了在每個循環內只產生少量氣體的缺點。而且本發明的第一和第二方案的組合還能只用較少的能量獲得大量的氣體。
按照本發明的第三個方案，壓力擺動式氣體分離器包括一個吸附材料墊，並且該分離器構成了共振系統的一部分。壓力擺動式氣體分離器還包括一個以共振系統的共振頻率工作的、對吸附材料先後增壓、減壓的組件，以便使被解吸的混合氣體的壓縮能基本上被回收。
由於本發明的第三個方案所涉及的共振系統能夠把包含在從墊的一側排放出的氣體組分中的壓能儲存起來，所以使用該共振系統可以節省很多壓縮能量。根據本發明的第三個方案，由於共振系統具有特殊的結構，所損失的能量僅僅是吸附墊中摩擦損耗。這樣，採用本發明的這個方案能使壓力擺動式氣體分離器所需要的能量進一步減少。
最好把本發明的前三個方案組合起來，為了描述這樣的系統，發明人杜撰了「聲壓擺動式氣體分離器」這個術語。
EP-A-0267727號專利申請描述了並要求保護一種氣體共振裝置，它包括一個橫截面沿長度方向從一端到另一端擴大的共振管，一個位於共振管一端的熱源，以及激勵該共振管內氣體振蕩的組件。該共振管最好是卵形的，熱源和激勵共振管內氣體振蕩的組件最好由一個脈衝式燃燒器構成，該脈衝式燃燒器的脈衝頻率與該氣體共振管的共振頻率相同。該專利申請描述並要求保護的這種熱力驅動式氣體共振裝置所產生的壓力波可以帶動一個壓力擺動式氣體分離器工作。
本發明的第二和第三方案不包括EP-A-0267727描述並要求保護的那些組合方案。
按照本發明的第四個方案，壓力擺動式氣體分離器包括一個吸附材料墊，一個和吸附材料墊的一個面相靠近、但是有間隔的諧振膜板，一個為激勵該膜板以共振頻率沿著朝向和離開該吸附墊的方向運動的驅動組件，一組使混合氣體進入和使廢氣混合物排出的閥組件，一個介於膜板和墊之間的空間，一個與吸附墊的另一面相通的氣體出口。在工作過程中，隨著膜板朝向和離開該吸附墊運動，它分別對吸附墊升壓和降壓。
驅動組件可以由EP-A-02667727所述的熱力驅動式氣體共振裝置構成，也可由一個包括一脈衝式燃燒器的氣體共振裝置構成，該脈衝式燃燒器位於一個大致呈球形的共振腔的中部。該熱力驅動式氣體共振裝置的優點是完全消除了在EP-A-0267727中所涉及的側壁摩擦損失。因為該脈衝式燃燒器能產生基本上是球面擴展的波前，所以當該波前從共振腔中心向共振腔外面傳播時，根本不會產生側壁摩擦。
該氣體共振裝置最好包括一個向脈衝式燃燒器輸送易爆氣體混合物的設備。該脈衝式燃燒器的脈衝頻率最好與大致呈球形的共振腔的共振頻率相同，而共振腔的共振頻率很大程度上決定於腔的半徑。向脈衝式燃燒器輸送易爆氣體混合物的設備可以包括一個調諧閥或者一個共振管，這樣使得脈衝式燃燒器接受脈衝式易爆氣體混合物。在這種情況下，易爆氣體最好以大致呈球形的共振腔的共振頻率供給燃燒器。
該壓力擺動式氣體分離器最好包括一個由分子篩材料製成的墊，該墊位於大致呈球形的共振腔的內表面上。這個共振腔最好做成一個正二十面體的形狀。在這種情況下，每個分子篩材料墊最好做成基本上是圓形的墊，安裝在共振腔的側壁上。正二十面體上每個大致呈三角形的構件中有三個圓形墊，正二十面體的每個頂點上有一個墊。
將共振腔的內部和分子篩材料墊分開的膜板既可以用於在EP-A-0267727中描述的圓錐形的共振腔，也可以用於大致呈球形的共振腔上。氣體的機械性振動引起膜板相應的振動，不過膜板成了一個使吸附材料墊和共振腔內表面分開的屏障，這樣可以防止來自脈衝式燃燒器的燃燒產物汙染吸附材料墊。膜板的直徑、厚度和剛性最好能根據保證膜板的固有振動頻率同共振腔的共振頻率相一致的要求來選擇。
驅動組件可以是電動激勵器，在這種情況下，電動激勵器最好包括一個電樞線圈和一個定子。電樞線圈和定子中的一個與膜板相連接，另一個安裝在周圍的固定架上。在工作中，加在電樞上的振蕩電流引起了電樞、既而又引起了膜板相對於定子的振動。定子可以用永久磁鐵來做，但最好用電磁鐵來做。當電動激勵器由電網供電時，最好能把膜板的共振頻率調諧為50或60Hz的電網頻率，並且裝置由單相電源來驅動。
此外，這個驅動裝置也可以由一個馬達來構成，這裡所說的馬達或者是一個電動馬達，或者是一個內燃機。在這種情況下，可以用一個曲軸或其它的偏心連接件把膜板和馬達的軸連接起來，也可以將馬達固定在膜板上並帶動一個不對稱的負載旋轉。
這個使混合氣體進入膜板吸附墊之間的空間內和使混合廢氣從該空間內排出的閥組件包括一個同膜板配合的環形閥座，而膜板構成了閥的密封件，這個密封件構成一個緊貼膜板的環狀氣密性密封。但當膜板背離吸附墊運動時，膜板微微升起，使氣體在閥座和膜板之間通過。
閥組件還可以包括一個位於膜板中間的排氣閥，以便使氣體混合物從環形閥座向內快速衝向膜板的中部。這樣，排氣閥應該適當設置，使得它在進氣閥打開之後才打開，而基本上和進氣閥同時關閉。為做到這一點，一種途徑是使排氣閥可以自由地在裝在膜板上的軸的極限範圍內滑動，以便使得在工作過程中，當排氣閥的密閉元件跟隨模板一起離開吸附墊時，該排氣閥的密閉元件處在該軸上的第一個位置，而當膜板朝向吸收墊運動時，該密閉元件處在該軸上的第二個位置。
作為另一種選擇，也可使由環形閥座和膜板構成的閥既起進氣閥的作用，也起排氣閥的作用。在這種情況下，需在膜板上疊加一個諧振動，也就是說，除了使膜板以基頻作朝向和背離吸附墊的運動外，還在其上疊加一個二次諧振動，該二次諧振動看上去就象一個從膜板的一端傳向另一端的波。這樣，當膜板背離吸附墊運動時，膜板的一側首先從環形閥座上抬起。當膜板背離吸附墊運動的同時，墊中的壓力降低，致使氣體混合物通過位於膜板一側的未閉合的膜板閥座進入膜板和墊之間的空間。經過一段延遲時間後，膜板的另一側也從環形閥座處微微抬起，進入膜板一側的氣體有一個橫向動量，由於膜板之彎曲使該動量持續並加強，使膜板旁產生一個從膜板一端流向另一端的氣流，該氣流驅使墊與膜板之間的空間內的廢氣從膜板的另一側流出。當膜板朝向吸附墊返回運動時，膜板的一側首先靠在環形閥座上，隨後另一側也靠上閥座。當膜板繼續朝吸附墊方向運動時，它就要壓迫吸附墊，然後從吸附墊處彈回，背向吸附墊運動，致使壓力降低，膜板的一側從閥座處重新抬起，上述過程又重新進行。在這種情況下，不僅膜板的基頻振動致使施加在吸附墊上的壓力值周期性變化，而且加在膜板上的諧振動還能在膜板上產生一個橫波，該橫波驅使氣體橫向通過吸附墊的上部。這將有助於有效地排除廢氣，廢氣混合物就是在膜板的每次振動過程中從吸附墊的上部排出的。
在膜板上疊加諧振動的方法比如可以是在膜板的一側放置一個偏心物，同時在膜板的另一側上挖去一個與上述偏心物相應的部分。這種方法對膜板由熱力機驅動的情況特別有用。當膜板用一個電動激勵器或一個與膜板相連的機械來驅動時，應該偏心安裝。當膜板用一個曲軸來驅動時，通過把曲軸的一端同膜板直接連接起來，也可以得到這個疊加的諧振動。這樣，連接曲軸和膜板的連杆所發生的角度搖擺將直接作用到膜板上，並使膜板相應地彎曲。
按照本發明，壓力擺動式氣體分離器最好這樣安排在工作時，使混合氣體以一個低到足以保證氣體在吸收墊內形成層流的速度進入墊中。正如後面要詳細說明的那樣，在墊中形成層流的氣體進入墊中的速度是墊材料的顆粒大小的函數。墊中顆粒的尺寸最好基本上是1/4mm或更小。保證在墊中建立層流的重要性首先在於使聲壓擺動式氣體分離系統的摩擦損失減小，這樣會進一步減少分離氣體所需要的能量;其次，用層流能更有效地分離混合廢氣和富含未被吸附墊吸附的組分的氣體，這些被富集化的氣體從吸附墊的一個面流向另一個面。
在常規的快速壓力擺動式吸附系統中，為求得系統最大效率，吸附墊要做得窄而厚。與此相反，本發明的吸附墊做得寬而薄。在產生同樣數量的選擇吸附性氣體的前提下，本發明的吸附墊所用材料的體積與常規的快速壓力擺動式吸附系統大體相當。
下面結合附圖來說明本發明的壓力擺動式氣體分離器的幾個例子，並討論某些理論問題。


圖1是氣體共振裝置的第一個實施例的剖面示意圖; 圖2是圖1中的氣體共振裝置的局部剖開的示意圖; 圖3是氣體分離器組件的第一個實施例的剖視圖; 圖4示出了氣體分離器組件的第一個實施例中閥的位移與時間的關係曲線; 圖5是氣體分離器組件的第二個實施例的剖視圖; 圖6是一個膜板的截面的放大圖; 圖7示出了氣體分離器組件的第二個實施例中膜板的一組橫截面，它表明了膜板的彎曲方式; 圖8是第二個實施例的沿橫截面的剖視圖。
熱力驅動式氣體共振裝置包括一個大致為球形的腔1和一個位於腔的中心的脈衝式燃燒器2。燃燒器2中包括一個如我們先前的專利申請EP-A-0267727中所述的可調諧的單向閥。空氣和適宜的氣體燃料的混合物經過調諧閥進入到腔1中，以一個與球形共振腔1的共振頻率相匹配的頻率周期性地引燃氣體燃燒混合物，為此需在燃燒器中裝一個火花塞，火花塞的作用是在裝置開始工作時首次引燃氣體混合物，但隨後脈衝式燃燒器就能自己保持脈衝式燃燒的不斷進行。
此外，如果不在燃燒器中使用調諧的單向閥，也可以通過一個通進腔1的共振式供氣管把燃燒氣體通進腔1。調諧該供氣管，以使它以一個適當的頻率脈衝式地向腔1中輸送氣體混合物。
按照上述方式工作的燃燒器在共振腔1的中心構成一個脈衝式熱源，該脈衝式熱源產生一個大致呈球形向外擴展的球面波。由於燃燒器的頻率與共振腔的共振頻率相匹配，燃燒器在腔中引起共振模式，使燃燒器的熱能轉換為與腔1中的氣體壓力周期性變化相聯繫的機械能的效率達到最大。在所述的第一個實施例中，該機械能主要用於驅動一個以富集氧氣為目的的氣體分離器。
在圖1和圖2中示出的本發明的第一個實施例中，基本上是球形的共振腔1是由一個正二十面體的殼3來確定的。該殼體通常由多個三角形的構件組成。多個開口的排氣管5沿徑向伸進腔中的最深處離球心的距離約為球半徑的3/4。在這樣的半徑情況下，當腔處於共振模式時有一個壓力零值點，因此在這些點將燃燒產物排出腔1所需的功耗和產生的噪聲都最小。如果需要使排放的廢氣進一步遠離腔1，可以使這些排氣管5伸到殼體3的表面之外。
若干根同外部水源相連接的管子(未示出)集中地裝在排氣管5裡面，這些管子直接向腔內噴水，這些水的一小部分被在熱脈衝期間由熱源產生的熱量蒸發，變成蒸汽，由此補充了腔內氣體振動產生的機械能，其餘的霧狀水滴在下一個膨脹過程中再次壓縮之前先冷卻共振腔內的氣體，帶走多餘的熱量，進而提高了裝置的效率。返回到共振腔1中的內球面的水滴凝成的熱水從底部排出，可經冷卻後再循環使用。
共振腔1中的組件是由氣體分離器組件構成。這些氣體分離器組件即圖2所示的外表面已被揭去的構件4′。每個氣體分離器組件包括若干個圓形構件7，每個構件7包括一個碟形沸石墊8和一個膜板9，膜板9的內表面蓋在墊8的上面。每個構件的直徑是0.8米，72個這樣的構件裝在半徑為2米的腔1的內壁上。在工作時，腔1表面所受的壓力周期性變化，驅使膜板9沿徑向來回運動，該徑向即為橫切於墊8表面的切向。把空氣從一個圍繞墊8的周邊的環形進氣口吸入，並使之以下述方式通過墊8富氧氣體離開墊8的下表面，集中到一個側緣11的下面後經導管12傳輸到正二十面體的殼體3上的由管道構成的框架13中，該管路框架原則上與所有的氣體分離器組件6相連，並構成組件6通往排氣口(未畫出)的通道，富氧氣體就是通過上述的排氣口被排出。
膜板9除了用做使沸石墊8與共振腔1內部的燃燒氣隔離此外，還提供了一個閥調節結構，該結構保證在振蕩周期中的適當時刻吸進空氣，排出廢氣。選定膜板的尺寸的要求是，應使之與共振腔1有相同的共振頻率。在本發明的這個實施例中，膜板9由鋼板製成，其直徑為0.8米，厚為6mm。膜板9邊緣懸在墊8的外面，這樣當處於其平衡位置時，膜板9與墊8的緣不接觸，但與墊8在位於墊8的外部邊緣向內幾十釐米處的環形閥座14處接觸。墊8上從閥座14處以外的環形部分是密封的，能阻止空氣通過，而膜板9和墊8相接觸的區域可以用做一個能控制從進氣口流入墊8主體的空氣流量的閥。在墊8的中部有一個圓柱形的廢氣出口15，當膜板處於平衡位置時，該廢氣出口被一個圓錐形閥件16密封住，該閥件壓在杆17上面，杆17固定在膜板9的中心處。
現在參考圖4描述壓力值周期性擺動式氣體分離器的工作過程。圖4表示進氣閥和出氣閥與時間的關係。在t0時刻膜板9位於平衡位置。其後，隨著共振腔中緊靠膜板處氣體壓力的下降，膜板9背離墊8沿徑向向裡運動，離開閥座14，打開進氣閥。不過，由於杆17和閥件16之間是活動的，廢氣閥應是關閉的，使行雖然閥杆17被帶起，閥件16仍為閉合的。在t0至t1期間，膜板9下面為局部真空狀態，使空氣得以從進氣口10中進入並使之加速通過閥座14。在時刻t1，隨著膜板9繼續向上運動，閥杆17的一端牽動閥件16，使它不再密封，這樣就打開了廢氣閥。因此空氣從進氣口10被吸進膜板9的下方並越過墊8，氣體的動量決定了它能沿徑向吹進到墊8的中心。這樣，進來的空氣能把原來在墊8和膜板9之間的廢氣通過廢氣出口15吹出。
膜板9一達到它的最大位移處，就開始向下朝墊8運動。在t2時刻，膜板9又回到它的平衡位置，使進氣閥和出氣閥關閉。需要注意的是，雖然進氣口和出氣口的打開時間由於閥杆17的動作而不完全一致，但是在時刻t2，它們基本上同時關閉。在該周期的下一個狀態中，由於膜板9下方處的壓力加大，使新鮮空氣能夠通過環形進氣口進入到沸石墊中。當空氣穿過墊8向前運動時，沸石墊的作用相當於一個分子篩，它能選擇性地吸附空氣中的氮氣，從而使通過墊8底部的空氣富氧而貧氮。在t3時刻，膜板9的位移量達到最大，隨後膜板9反過來朝著墊8的方向運動。在它趨近平衡位置的過程中墊8上方的壓力降低，壓力的降低使氮氣從墊8中釋放出來，並被抽往表面處。當膜板8達到平衡位置時，上述循環又重新進行，再通入空氣，使貧氧富氮氣體從墊8的表面向廢氣出口15排出。這樣的循環過程使氣體在通過墊表面的路徑時被加速，這樣當氣體到達排氣口15時，它所具有的動量能使其象一般噴氣般排出腔1，而不與剛剛抽進墊中的新鮮空氣混合。在下一個循環期間，氧氣經墊8的外表面被吹出，其引出方式如前面所述。
圖5、6和7示出了一種改進的氣體分離器組件。在這個實施例中，一個環形閥座31包圍著一個吸附材料製成的碟形墊32。一個調諧的厚膜板33以大致呈球形的共振腔1(圖5中未示出)的共振頻率共振。通常墊32和環形閥座31與第一個實施例中的墊8和閥座14類似。如圖6所示，膜板33結構上不平衡，在其一側有一個多出物34，在其另一側挖去一個與34相應的部分35。膜板33的這種非對稱結構除了能使膜板因受腔1中傳播的波前激勵而沿徑向以基頻做前後振蕩外，還能在膜板33中產生一個諧波振動。如圖5所示，該諧振動具有形如一個從左向右傳播的橫波。
在圖7中用圖示的方法說明了這個效應。在圖7中用一條能代表橫向振動幅度的線來代表膜板。為清楚起見，振動幅度被大大誇張了。如圖5、6和7所示，在膜板33背向墊32運動的同時，其左側從環形閥座31上抬起，這樣新鮮空氣就被吸入到膜板33和位於氣體分離器組件左側的閥座31之間的空隙裡。隨著膜板33繼續遠離吸附墊32，吸附墊33上方的壓力進一步降低，更多的新鮮空氣從墊32的左側被吸入，更多的富氮廢氣從墊32中被排出。如圖5和圖6所示，當新鮮空氣向內進入墊32和膜板33之間的空間時，它具有一個方向為從左到右的很大的速度。當到達彎曲最大的位置以後，膜板開始朝碟形墊32的方向返回。從圖7中看得很清楚，這時膜板的右側又首先開始運動，這將使膜板33的左側和位於膜板左側的環形閥座31之間形成密封，此時膜板的右側同環形閥座31的右側之間仍然沒有接觸。空氣的這種越過碟形墊32表面的橫向運動能夠有效地從墊32的表面和氣體分離器組件的右側外排出富氮廢氣，該氣體分離器組件位於環形閥座31的右側和膜板33之間。當膜板33繼續朝吸附墊運動時，它最終將坐靠在環形閥座31的整個圓環上，使閥關閉，壓迫進入到組件中的新鮮空氣並把它們壓進吸附墊32。當膜板到達最大彎曲處後，它將再次朝墊32的方向返回，然後再離開墊32。膜板的左側再次首先從環形閥座31上抬起，使新鮮空氣從左側進入氣體分離器組件，整個過程如此反覆進行。膜板33中產生的橫波還有助於使空氣沿橫向從氣體分離裝置組件的左側往右側運動。
與一般的氧氣生產廠家所用的制氧機(如低溫氧氣分離裝置)相比，上述的壓力擺動式氣體分離器具有效率高、成本低的優點。一個半徑為2米、表面整個被氣體分離器組件覆蓋的球每天能夠生產純度為98%的氧氣100噸，裝置的氧氣分離率(即輸入的氧氣與輸出的氧氣的體積比)為100∶15，比能耗(即生產1公斤氧氣所需的機械能)為0.125千瓦·小時/公斤。所生產的氧含量為98%的混合氣體可以用於工業生產(如鋼鐵冶鐵)中，也可以用於其它方面，例如汙水處理或者醫用氧氣的生產中。氣體分離裝置的大小和所生產的氧氣的濃度可以根據具體應用的要求來定。對氧氣需要量不大的地方，可以把僅由一個上述的圓形墊和膜板構成的氣體分離單元用於上述歐洲專利申請所述的卵形氣體共振裝置中，以製備氧氣。
壓力擺動式氣體分離器的第二個實施例所用的墊和膜板的結構布置類似於第一個實施例的改型，但是它的膜板由一個電動激勵器40來驅動。該氣體分離器包括一個膜板41，該膜板的邊緣夾在一O形環42和若干個等角分隔的球43之間。該O形環42接納在殼44中的環形槽中，而該球43則接納在該殼的底部45之內。該殼的上下兩半由栓46固定在一起，藉此把膜板41夾在O形環42和球43之間。一個用吸附材料填充的沸石墊47位於殼的下半部45中並被環形密封48所包圍，該環形密封延伸到膜板41的邊緣。和墊47的後表面相通的排氣口49從殼的下半部45引出，殼的上半部44支持電動激勵器40，該激勵器包括一個定子50，定子可以是永久磁鐵但最好是一個直流激勵線圈激勵的電磁鐵。一個由運動線圈構成的電樞51與膜板11偏心連接，圖8示出了膜板中心和轉子心的偏心情形。電動激勵器40的結構與用於驅動揚聲器的激勵器相似。
通常用一個單相交流電源與運動線圈的電樞相連接，在這個交變電流的作用下，電樞上下運動(如圖8所示)，從而使膜板振動。應選擇模板的振動頻率，使之同電源的頻率一致。由於膜板的軸和電樞的軸側向偏心，使膜板作如上面圖7的振動。
關於本發明中的理論概述 利用液體的壓力上升和下降的吸附/解吸作用可以使不同組分的氣體分子分離開，例如應用由分等級或均勻大小的顆粒構成的多孔墊所組成的沸石分子篩可以使氮氣或氧氣從空氣中分離出來。通常是，將混合氣體引到墊的頂部，而其中的一個組分以低流速從墊的底部抽出，氣體產量決定於對被分離組分的純度的要求。這種分離裝置的能源利用率對於在大氣壓下提供的分離氣體來說將是非常高的，並且在實際應用中遠比低溫分離工藝的能源利用率高。
分子的選擇性是用吸附的方法進行分離的基礎。一個眾所周知的例子是，由於氮氣具有與氧氣不同的分子構型，它可以被選擇性地吸附在沸石表面。這個吸附過程隨著壓力的變化是完全可逆的，在室溫和寬範圍的壓力下沸石對N2/O2混合氣體中氮氣分子的吸附比可以保持在2.8。由於分子過程的一個固有特徵就是運動速度非常快，顯然吸附率受擴散的限制比受分子吸附本身因素的影響更大。這是因為在空氣中惰性組分例如空氣中的氬氣總是存在的，它能在氮和吸附墊之間形成一個有效的屏障。此外，因為絕熱壓縮也是可逆的，所以如果利用聲壓共振系統，可以使很多壓縮能被保存起來。因此在改進的進程中，影響能量利用率提高的兩個主要因素看來是在墊中摩擦流動阻力聯同在大氣壓力下在墊頂部排氣的阻力。下面來研究這些因素。
1、選擇吸附 兩種密度相近的不同組分B和C能吸附在一個清潔的表面上，這種性質被認為是由分子的選擇性S和這兩種分子到達該表面上的量的比率的乘積來決定。設阻礙氣體流向表面的組分A的隋性邊界層的厚度為σ，另外兩種不同的組分通過該邊界層時的互擴散率為D。斯忒藩定律指出，吸附組分在界面上每單位面積的總的質量擴散率q等於 q=- (DρO)/(δ) lnCA[1] 式中PO是組分的總的密度，CA是隋性組分A的數值很小的百分濃度(負號是因為考慮到對數值是負值)。對公式[1]做定性估計，可以預見，在小顆粒的吸附墊上可以獲得相當高的吸附率。
如果不考慮各組分的密度差，設組分B、C的體積百分濃度分別為CB和CC(即CB+CC+CA＝1)，那麼可以假定，相對B和C的選擇係數S對組分B和C的作用可以分別表示為 (qB)/(q) = (SCB)/(SCB+CC) ， (qC)/(q) = (CC)/(SCB+CC) ，and qB+qC＝q[2] 方程[2]表明，在邊界層中的瞬時有效選擇率可以簡化為 σ= (qB)/(qC) = (SCB)/(CC) [3] σ在過程開始時大於S，以後隨著過程的進行逐漸減小。
為了求出這個濃度變化，必需假定混合氣體靠近界面處的初始體積V隨著吸附的進行而不斷減小(略去組分B和組分C之間的密度差，認為它們都和CA一樣)，於是 CB= (VB-∫qBdt)/(V-qt) ，CC= (VC-∫qCdt)/(V-qt) ，cB+cC＝1[4] 用V去除兩邊，並設 (qt)/(V) ＝X，這裡的X是被吸附的氣體佔混合氣體中的比值，再從方程[2]中減去qB和qC，得到 [5] 式中CB.O和Cc.O分別是CB和CC的初始值，對其中的第一個方程進行微分並進行分離變量得到 (dx)/(1-x) = - ((S-1)CB+1)/((S-1)CB(1-CB)) ·dcB[6] 對兩邊積分並代入上下限的值，得到 [7] 在方程[5]、[6]和[7]中利用CC的表達式，可以導出同樣的結果。方程[7]可以寫成 式中k = ((1-C)S)/(C) . 隨著未被吸附的排入出的氣體部分的壓力擺動不斷進行，濃度項依次為K0，K1，K2……Kn，累加值1-X由等式
給出，其累加的結果和一次壓力擺動的結果相同。
2、在墊內部的層流 一個理由充分的層流存在的假設是在小顆粒和低流速的情況下，雷諾數很小(＜100)。如果用Z代表在墊中進入表面之下的距離，則墊中每單位的質量流可以表示為qO(dp)/(dz) ，其中P為餘壓，而每單位墊體積的質量流量率Qp，通過墊後的壓力的衰減滿足方程 qO(d2p)/(dz2) = Qp，
不管A是常數還是一個與SinWt(此處W是角頻率，t是時間)成正比的量，假設Q是常數(也就是說不受吸附的飽和程度的影響)，並且層流條件始終能得到滿足，活性墊的厚度和正比流量率都是不變的。這個簡化的重要結果表明，裝置的工作頻率可以在很寬的範圍內變化。在下面為方便起見，設A＝ppO，其中p是一無量綱的量，而pO是大氣壓力。
墊的體積為V，每一個緊密填充的直徑都為d的球所佔有的體積為 (πd3)/6 ，體積V內球的數目與球在墊中的佔空比η的關係為n＝

在單位體積內的吸附表面積為，

因此，平行通道的等效厚度為 ((1-η))/(3η) d。考慮到區域 (6η)/(d) 的量綱為 (L2)/(L) =L2，則每單位體積對平均路徑長度和對平均通道橫截面寬的貢獻分別為(3η)1/2和

。將它們和通道厚度 (1-η)/(3η) d一起相乘，就得到微孔的有效體積1-η。為說明延長的路徑，引入有效壓力梯度為

，其中p′是一個無量綱的壓力梯度。
層流的流量率q＝qOp1為
式中μ為粘度，量綱為 (M)/(LT) 。相應的質量吸附流量率為 Q = (6η)/(d) ( (6η)/(1-η) ) (pρoD lnCA)/(d) = (pρoDlnCA(6η)2)/(d2(1-η)) [11] 設比值

，則 [12] 氣體進入墊的速度V為 [13] 從方程[12]中可以看出，活化墊的深度做為a2的倍數，與d2成正比。而從方程[13]中可以看出V與d無關。這兩個方程表明了佔空比η的顯著影響，因為隨著η的增加，活化墊的深度和V都減小。
進一步可以發現，在循環工作期間每單位墊面積的平均功率為 (ppov)/2 ，分離氣體所需的比分離能中用於克服墊的摩擦的那個部分(單位為KWhr/m3)為 (πp)/(72(1-x)) ，式中的1-x為回收率，它與具體的濃度有關，可由方程[7]導出。這些表達式都與工作頻率無關，比能還與V無關。可以用類似的表達式來表徵非共振型分離墊的情形，並且得出的結果與上面的結果很接近。本發明的共振裝置的壓力擺動幅度非常低，由此決定了它具有較高的經濟效益。
3、墊中流體流動模式的比較 小球的體積為 (πd2)/6 ，單位體積內小球的數目為 (6η)/(πd3) 。
下面所給出的比較結果是對用管組模型(孔的直徑為D)和原來設想的一組分離式平板模型做出的。雖然這些結果相似，但從對結果所做的一個簡單的比較中很容易看出管組模型的質量吸附率比板式模型低，但質量流動率、流體入墊速度和活性墊長度都較後者要大。因此，雖然二者都是可取的，但平板模型的效果更好一些。作為一個重要的指標，流體入墊速度V在兩模型差別不大，約相差20%。每單位體積的吸附面積為 (6η)/(d) 。
板式模擬管式模擬 通道表面面積2× (3η)/(d) 壁表面面積mπD＝ (6η)/(d) 通道厚度 ((1-η))/(3η) d 管體積 (πD2)/(m 4) =1-η 通道寬度

管直徑D＝ (2(1-η))/(3η) d 通道長度

管的數目m=wd2((3η)2)/((1-η)) 孔的體積比(1-η)- 邊界層厚度 ((1-η))/(6η) d 邊界層厚度 ((1-η))/(3η) d 質量流量率質量流量率 q = (p′poρod2)/(12μ) ( (1-η)/(3η) )3q = (p′poρod2)/(8μ) ((1-η)3)/((3η)2) ;(

) 質量吸附率質量吸附率 Q = (PρoDlnCA(6η)2)/(d2(1-η)) Q = (PρoDlnCA(6η)2)/(2d2(1-η)) ;(

) 用保守的方法，兩種模式都結合最大可能的邊界層厚度，而且忽視在小球內部的吸附面積，然而它們都沒有考慮到氣體路徑上的橫截面的不規則性，這個橫截面的不規則性在層流中比在湍流中影響要小。
4、聲壓擺動式氣體分離和快速壓力擺動式吸附之間的區別 最明顯的而且是非本質上的區別是在頻率方面。在快速壓力擺動式吸附系統(RPSA)中是採用按順序工作的閥交替地升壓和降壓，而聲壓擺動式氣體分離系統則利用共振來儲存包含在經分離的其它組分後的氣體組分中的壓能。就這點來說，兩個系統所用的頻帶是類似的，但不重合。
由上述觀點出發，對墊所受的截荷進行分析，結果證實為了減少墊的摩擦損失而採用比較小的壓力擺動幅度和氣體入墊速度對聲學分離裝置要比對快速擺動式氣體分離器更為可取。對於一定的產量來說，聲壓分離裝置墊的表面積雖然較大，但相應地它的厚度可以做得比較小。用這種方法可以使聲壓分離裝置的能量效率大為提高。
如果對分離出的氣體的純度要求比較高，那末要求這兩種分離裝置中使用的吸附顆粒的尺寸要小於250μm。這樣可使流經吸附墊的層對湍流佔據優勢。因此湍流的反方向擴散和分離組分的損失都能得到抑制。為形成層流，要求雷諾數比較小，而雷諾數主要由吸附小球的尺寸和氣體入墊速度的乘積決定的。因此對於一個給定的吸附顆粒尺寸的聲壓分離裝置，在比較低的氣體入墊速度下更容易產生層流。
快速壓力擺動式氣體分離和聲壓式擺動分離之間本質上的區別在於前者在氣體進入吸附時吸附墊吸附這些氣體直至飽和狀態，而聲學裝置則做不到這點。對於快速壓力擺動式分離裝置來說，當開始加壓時，壓力升得很快，然後在一個循環中的大部分時間裡保持不變，與此同時墊被充氣，然後一個壓力波和吸附波向墊的下面傳播，波的幅度是指數衰減的。這樣，為增加產量，需要相當長的墊。如在分析中所示，為避免飽和吸附，需要提高頻率，以實現充分的吸附作用，這就是聲壓墊在比較低的進口壓力和速度下能達到同樣的體積填充量，而能耗卻很低的原因。
為抽出分離後的氣體組分，在這兩類裝置中都使穩定的氣流通過吸附墊。這樣，分離出的氣體的量的多少決定了它的純度。當然，在這兩種裝置中都可以利用在墊的底部恆定的低壓下了實現飽和吸附的性質，因為無論壓力有多大，只要其值恆定，吸附最終將趨於停止。
總之，對聲壓擺動式分離墊的充氣指標是氣體的入墊速度而不是頻率。在高頻時墊的尺寸最好要小一些，以便限制由高的排出速度引起的能量損失。
權利要求
1、一個壓力擺動式氣體分離器，其特徵在於，該分離器在升壓和降壓狀態之間壓力差小於0.1巴的條件下工作。
2、一個如權利要求1所述的壓力擺動式氣體分離器，其特徵在於，該分離器以高於1周/秒的頻率工作。
3、一個壓力擺動式氣體分離器，它包括一個吸附材料墊(8、47)並構成了一個共振系統的一部分;該壓力擺動式氣體分離器還包括組件(1、40、41)，這些組件在共振系統的共振頻率下工作，能對吸附材料墊升壓和降壓，從而使解吸混合氣體的壓能基本上被回收。
4、一個如權利要求2或3所述的壓力擺動式氣體分離器，其特徵在於它的工作頻率在50至200周/秒之間。
5、一個壓力擺動式氣體分離器，其特徵在於，包括一個吸附材料墊(8、47)，一個與吸附材料墊(8、47)的一個面相靠近但是隔開的調諧膜板(9、33、41)，一個驅動膜板(9、33、41)以其共振頻率沿著朝向和離開吸附材料墊(8、47)的方向運動的驅動組件(2、40、50)，一個用於使混合氣體進入和排出混合廢氣的閥組件(10、16、31)，一處於膜板(9、33、41)和墊(8、47)之間的空間，以及一個與吸附材料墊(8、47)的另一面相通的排氣口(12、13、49)，在工作中，膜板在作朝向和離開吸附材料墊(8、47)的運動的同時對墊升壓和降壓。
6、如權利要求3、4或5所述的壓力擺動式氣體分離器，其特徵在於以系統的共振頻率工作的驅動組件由一個位於大致呈球形的共振腔(1)中間或位於卵形共振腔(1)一端的脈衝式燃燒器(2)構成。
7、如權利要求5所述的壓力擺動式氣體分離器，其特徵在於驅動組件由一個電動激勵器(50)構成，該電動激勵器包括一個電樞線圈和一個定子，電樞線圈與定子中的一個與膜板(41)相連接，另一個固定在周圍的框架(46)上;工作時，供給電樞的振蕩電流引起電樞因而也引起膜板(41)相對於定子振動。
8、如權利要求5、6、7中任何一個所述的壓力擺動式氣體分離器，其特徵在於，使混合氣體進入膜板(9、33、41)與吸附材料墊(8、47)之間的空間和使廢氣混合物從這個空間排出的閥組件包括一環狀閥座(31、48)，該閥座靠在膜板(9、33、41)上，膜板(9、33、41)構成閥的密封件;該密封件靠在環形閥座(31、48)上時構成了一個氣密性密封裝置，但當膜板離開吸附墊運動時，該密封件與閥座脫開，使氣體在閥座和膜板(9、33、41)之間通過。
9、如權利要求8所述的壓力擺動式氣體分離器，其特徵在於，由環形閥座和膜板構成的閥既起進氣閥的作用，又起排氣閥的作用;此外，對膜板施加一個諧振動時，這樣膜板除以基頻朝向和離開吸附墊運動外，還做疊加的二次諧振動，該諧波看上去是一個從膜板的一側向另一側傳播的波。
10、如前述的任何一個權利要求所述的壓力擺動式的氣體分離器，其特徵在於吸附材料墊(8、47)中的顆粒尺寸基本上是1/4mm或更小。
全文摘要
在升壓和降壓狀態之間壓力差小於0.1巴下工作的壓力擺動式氣體分離器，工作頻率高於1周/秒，最好在50至200周/秒間。該分離器包括構成共振系統的一部分的吸附材料墊；還包括在系統共振頻率工作的組件，能使墊被升壓和降壓，從而基本回收解吸混合氣體的壓能。該組件包括與墊的一面靠近但隔開的調諧膜板；以共振頻率驅動膜板沿朝向和離開墊方向運動的驅動組件；供混合氣體進入和排出廢氣的膜板和墊間的空間的閥件；及連通墊另一面的排氣口。
文檔編號B01D53/047GK1046856SQ8910918
公開日1990年11月14日 申請日期1989年11月10日 優先權日1988年11月10日
發明者阿倫·阿瑟·威爾斯 申請人:哈沙公司