(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ガス留分と第２ガス留分とを、第１留分と第２留分とを含むガス混合物から抽出するために、上位圧力と下位圧力との間での運転圧力循環を有する圧力スイング吸収プロセスを実現するための回転モジュールであって、
第１ステータバルブ表面、第２ステータバルブ表面、前記第１ステータバルブ表面の中に開口した複数の第１機能コンパートメント、および前記第２ステータバルブ表面の中に開口した複数の第２機能コンパートメントを有するステータと、
このステータに回転自在に結合され、前記第１ステータバルブ表面と連通する第１ロータバルブ表面と、前記第２ステータバルブ表面と連通する第２ロータバルブ表面と、複数の流路であって、各々の前記流路が１対の反対側の端部を有し、前記流路を流れる前記ガス混合物から前記第１ガス留分および前記第２ガス留分の一方を吸収するための少なくとも１枚の積層吸収材シートを内部に有する複数の流路と、前記第１ロータバルブ表面及び前記第２ロータバルブ表面内に設けられ、前記第１機能コンパートメント及び前記第２機能コンパートメントを通る均一なガスの流れを維持するために、前記上位圧力と前記下位圧力との間の複数の異なる圧力レベルに前記各流路を周期的にさらすための、前記流路の端部と前記第１機能コンパートメント及び前記第２機能コンパートメントとに連通する複数の開口と、を有するロータと、
を具備する回転モジュール。
【請求項２】
前記第１機能コンパートメント及び前記第２機能コンパートメントは、前記流路を通る均一なガスの流れを提供するように形成されている請求項１に記載された回転モジュール。
【請求項３】
前記第１ステータバルブ表面、前記第２ステータバルブ表面、前記第１ロータバルブ表面及び前記第２ロータバルブ表面の少なくとも１つは、バルブ表面同士間のガス流損失を減少させるための密封ストリップを有し、この密封ストリップは、前記流路を通る均一なガスの流れを提供するための先細部分を有する請求項１に記載された回転モジュール。
【請求項４】
前記密封ストリップは、前記流路の急速な閉鎖を与えるように形成されている請求項３に記載された回転モジュール。
【請求項５】
前記第１機能コンパートメント及び前記第２機能コンパートメントの各々は、前記第１機能コンパートメント及び前記第２機能コンパートメントを通る均一なガスの流れを提供するために少なくとも２つの流路と同時に連通する請求項１に記載された回転モジュール。
【請求項６】
前記第１機能コンパートメント及び前記第２機能コンパートメントの各々は、高周波圧力スイング吸収を実現するために、前記流路の内の各１つの各端部にすぐに隣接して結合される請求項１に記載された回転モジュール。
【請求項７】
前記第１機能コンパートメント及び前記第２機能コンパートメントは、少なくとも毎分２０回転のロータ回転速度で前記圧力スイング吸収プロセスを実現するのに十分なそれぞれの流路端部からの距離で設置されている請求項６に記載された回転モジュール。
【請求項８】
前記第１機能コンパートメント及び前記第２機能コンパートメントは、前記流路を複数の増分圧力増加にさらすために複数の加圧コンパートメントを有する請求項１に記載された回転モジュール。
【請求項９】
前記加圧コンパートメントは、複数の増分的に異なる圧力で前記ガス混合物を前記流路に送出するために、前記第１ステータバルブ表面の中に開口したガス供給コンパートメントを備えている請求項８に記載された回転モジュール。
【請求項１０】
前記加圧コンパートメントは、複数の増分的に異なる圧力で軽い還流ガスを前記流路に送出するために、前記第２ステータバルブ表面の中に開口した軽い還流戻りコンパートメントを備えている請求項８に記載された回転モジュール。
【請求項１１】
前記第１機能コンパートメントは、複数の増分的な圧力低下に前記流路をさらすために、複数のブローダウンコンパートメントを有する請求項１に記載された回転モジュール。
【請求項１２】
前記ブローダウンコンパートメントは、複数の増分的に異なる圧力で前記流路から軽い還流ガスを除去するために、前記第２ステータバルブ表面の中に開口した軽い還流出口コンパートメントを備えている請求項１１に記載された回転モジュール。
【請求項１３】
前記ブローダウンコンパートメントは、複数の増分的に異なる圧力で前記流路から重い生成物ガスを除去するために、前記第１ステータバルブ表面の中に開口した逆流ブローダウンコンパートメントを備えている請求項１１に記載された回転モジュール。
【請求項１４】
前記第２機能コンパートメントは、前記流路を複数の増分圧力低下にさらすために複数の並流ブローダウンコンパートメントと、前記流路を複数の増分圧力増加にさらすために前記並流ブローダウンコンパートメントと連通した複数の軽い還流戻りコンパートメントとを有し、また、前記ステータは、減圧された圧力で前記並流ブローダウンコンパートメントから除去されたガスを前記軽い還流戻りコンパートメントへ送出するために、前記並流ブローダウンコンパートメントと前記軽い還流戻りコンパートメントとの間に結合されている圧力減圧手段を有する請求項１に記載された回転モジュール。
【請求項１５】
前記圧力減圧手段は、機械的な膨張段、レストリクタオリフィス、およびスロットル弁の１つを備えている請求項１４に記載された回転モジュール。
【請求項１６】
前記第２機能コンパートメントは、軽い生成物コンパートメントを有し、また、前記圧力減圧手段は、前記並流ブローダウンコンパートメントと前記軽い還流戻りコンパートメントとに結合されたエキスパンダと、軽い生成物ガス圧力をブーストするために前記軽い生成物コンパートメントと前記エキスパンダとに結合されているコンプレッサとを有する請求項１４に記載された回転モジュール。
【請求項１７】
前記第１機能コンパートメントは、前記流路を複数の増分圧力低下にさらすために複数の逆流ブローダウンコンパートメントと、前記逆流ブローダウンコンパートメントの少なくとも１つと連通する重い還流戻りコンパートメントとを有し、また、前記ステータは、昇圧された圧力で前記逆流ブローダウンコンパートメントから除去されたガスを、前記重い還流戻りコンパートメントに送出するために、前記逆流ブローダウンコンパートメントと前記重い還流戻りコンパートメントとの間に結合されている還流コンプレッサを有する請求項１に記載された回転モジュール。
【請求項１８】
前記第１機能コンパートメント及び前記第２機能コンパートメントは、各流路ごとに１つの共通した所定順序で前記流路に沿ってガスを運ぶためにそれぞれのバルブ表面の回りに配置されており、各流路の順序は、上位圧力で前記第２ロータバルブ表面に隣接する流路端部から軽い生成物機能コンパートメントに軽い生成物ガスを除去する一方で、ガス供給機能コンパートメントから前記第１ロータバルブ表面に隣接する流路端部に上位圧力で前記ガス混合物を送出すること、前記第１ロータバルブ表面に隣接する流路端部から重い生成物ガス機能コンパートメントへ低い方の圧力で重い生成物ガスを除去することと、再加圧機能コンパートメントから、ガス供給機能コンパートメント前方にある前記第１ロータバルブ表面に隣接する流路端部に上位圧力と下位圧力との中間の圧力でガスを送出することと、を有する請求項１に記載された回転モジュール。
【請求項１９】
前記第１機能コンパートメント及び前記第２機能コンパートメントは、各流路ごとに１つの共通した所定順序で前記流路に沿ってガスを運ぶためのそれぞれのバルブ表面の回りに配置されており、各流路の順序は、上位圧力で前記第２ロータバルブ表面に隣接する流路端部から軽い生成物機能コンパートメントへ軽い生成物ガスを除去する一方で、ガス供給機能コンパートメントから前記第１ロータバルブ表面に隣接する流路端部に上位圧力で前記ガス混合物を送出すること、前記第２ロータバルブ表面に隣接する流路端部から並流ブローダウン機能コンパートメントへ、上位圧力と下位圧力との中間の圧力でガスを除去することと、前記第１ロータバルブ表面に隣接する流路端部から重い生成物ガス機能コンパートメントへ下位圧力で重い生成物ガスを除去することとを含む請求項１に記載された回転モジュール。
【請求項２０】
前記第１機能コンパートメント及び前記第２機能コンパートメントは、各流路ごとに１つの共通した所定順序で前記流路に沿ってガスを運ぶためのそれぞれのバルブ表面の回りに配置されており、各流路の順序は、上位圧力で前記第２ロータバルブ表面に隣接する流路端部から軽い生成物機能コンパートメントへ軽い生成物ガスを除去する一方で、ガス供給機能コンパートメントから前記第１ロータバルブ表面に隣接する流路端部に上位圧力で前記ガス混合物を送出すること、前記第１ロータバルブ表面に隣接する流路端部から逆流ブローダウン機能コンパートメントへ、上位圧力と下位圧力との中間の圧力でガスを除去することと、前記第１ロータバルブ表面に隣接する流路端部から重い生成物ガス機能コンパートメントへ下位圧力で重い生成物ガスを除去することとを含む請求項１に記載された回転モジュール。
【請求項２１】
第１ガス留分と第２ガス留分とを、第１留分と第２留分とを含むガス混合物から抽出するための圧力スイング吸収プロセスを実現するためのロータを具備する回転モジュールであって、前記ロータは、
内側バルブ表面と外側バルブ表面とを有する環状体と、
この環状体の中に設けられ、前記内側バルブ表面と前記外側バルブ表面との間に伸びた複数の流路であって、各流路が前記流路を流れる前記ガス混合物から前記第１ガス留分および前記第２ガス留分の一方を吸収するための少なくとも１枚の積層吸収材シートを有する積層吸収材を含む複数の流路と、
前記流路を通るガスの流れを可能にするために前記流路と連通している前記内側バルブ表面および前記外側バルブ表面に設けられ、前記内側バルブ表面および前記外側バルブ表面の少なくとも１つが前記ガスの流れを実質的に均一に維持するために構成されている複数の開口と、を備えている、回転モジュール。
【請求項２２】
前記各積層吸収材は、少なくとも２枚の積層吸収材シートを備え、これら各シートは、補強材、内部に配置されている吸収材、前記吸収材を接着剤に固定するための接着剤、および間にフローチャネルを提供するために２枚の積層シートの間に設けられているスペーサを有する請求項２１に記載された回転モジュール。
【請求項２３】
前記補強材は、ガラス繊維、金属ワイヤ結合剤、金属箔、無機繊維および有機繊維から選択される請求項２２に記載された回転モジュール。
【請求項２４】
前記吸収材は、ゼオライトクリスタライトを備えている請求項２２に記載された回転モジュール。
【請求項２５】
前記ロータは、内側周囲と外側周囲とを有し、また、前記各積層吸収材は、所定の幅を有し、この幅は、前記内側周囲に隣接するより前記外側周囲に隣接して大きく、前記内側周囲からの距離に従って大きさが拡大する請求項２１に記載された回転モジュール。
【請求項２６】
前記積層吸収材は、曲線状の形状を有する請求項２１に記載された回転モジュール。
【請求項２７】
前記流路は、１対の反対側の端部を有し、前記各開口は、前記反対側の端部のそれぞれ１つにすぐに隣接して置かれる請求項２１に記載された回転モジュール。
【請求項２８】
第１ガス留分と第２ガス留分とを、第１留分と第２留分とを含むガス混合物から抽出するための圧力スイング吸収システムであって、
ガス供給マニホールド、重い生成物マニホールド、および軽い生成物マニホールドに結合されている回転モジュールを具備しており、
この回転モジュールは、
第１ステータバルブ表面、第２ステータバルブ表面、第１ステータバルブ表面の中に開口した複数の第１機能コンパートメント、および第２ステータバルブ表面の中に開口した複数の第２機能コンパートメントを有するステータと、
このステータに回転自在に結合され、前記第１ステータバルブ表面と連通する第１ロータバルブ表面と、前記第２ステータバルブ表面と連通する第２ロータバルブ表面と、複数の流路であって、各々の前記流路が１対の反対側の端部を有し、前記流路を流れる前記ガス混合物から前記第１ガス留分および前記第２ガス留分の一方を吸収するための少なくとも１枚の積層吸収材シートを内部に有する複数の流路と、前記第１ロータバルブ表面及び前記第２ロータバルブ表面の中に設けられ、流路端部と機能コンポーネントと連通する複数の開口と、を有するロータと、を備え、
前記流路を通る均一なガスの流れを与えるために、前記第１機能コンパートメント及び前記第２機能コンパートメントを、上位圧力と下位圧力の間の複数の異なる圧力レベルで維持するための回転モジュールに結合されている圧縮／膨張機械を更に具備する圧力スイング吸収システム。
【請求項２９】
前記第１機能コンパートメント及び前記第２機能コンパートメントは、複数のガス供給コンパートメントを有し、また、前記圧縮／膨張機械は、複数の圧力出力ポートを有する多段コンプレッサを備え、前記各圧力出力ポートは、供給ガスを複数の圧力増分で前記流路に送出するために前記供給コンパートメントのそれぞれ１つに結合されている請求項２８に記載された圧力スイング吸収システム。
【請求項３０】
前記多段コンプレッサは、複数の段を有する遠心コンプレッサを有し、前記各段がガス入口、ディフューザ、およびガス入口に結合され、ガスを前記ガス入口から前記ディフューザに向かって加速するための回転軸を有するインペラを有する請求項２９に記載された圧力スイング吸収システム。
【請求項３１】
前記多段コンプレッサは、直径が漸次的に減少する複数の環状ステータリングを有する多段軸流スプリットストリームコンプレッサを有し、また、前記各ステータリングは、環状流域および複数のステータブレードを有し、また、前記ロータは、回転軸を有し、流域を通るガスの流れを圧縮するためにステータブレードと協調する複数のロータブレードを有し、前記ステータリングの少なくとも１つは、さらにコレクタと、このコレクタと前記ステータリングのそれ以降の１つの流域との間で圧縮されたガスの流れを配分するためにディフューザとを有する請求項２９に記載された圧力スイング吸収システム。
【請求項３２】
前記第１機能コンパートメント及び前記第２機能コンパートメントは、複数のブローダウンコンパートメントを有し、また、前記機械／膨張機械は、コンプレッサに結合されている多段真空ポンプを有し、真空ポンプは、複数の入口ポートを有し、各圧力入り口ポートが複数の圧力増分で流路からブローダウンガスを受け入れるためにブローダウンコンパートメントそれぞれ１つに結合されている請求項２９に記載された圧力スイング吸収システム。
【請求項３３】
前記第１機能コンパートメント及び前記第２機能コンパートメントは、複数のブローダウンコンパートメントを有し、また、前記圧力スイング吸収システムは、複数の圧力増分でブローダウンガスを前記流路から放出するために前記ブローダウンコンパートメントに結合されている複数のスロットルオリフィスを有する請求項２９に記載された圧力スイング吸収システム。
【請求項３４】
前記第１機能コンパートメント及び前記第２機能コンパートメントは、複数の逆流ブローダウンコンパートメントと、複数の並流ブローダウンコンパートメントとを有し、また、前記圧縮／膨張機械は、逆流ブローダウンコンパートメントに結合されている第１エキスパンダと、この第１エキスパンダおよび前記並流ブローダウンコンパートメントに結合されている第２エキスパンダとを備えている請求項２８に記載された圧力スイング吸収システム。
【請求項３５】
前記第１機能コンパートメント及び前記第２機能コンパートメントは、複数のガス供給コンパートメントを有し、前記圧縮／膨張機械は、ガス供給コンパートメントに、および第１エキスパンダと第２エキスパンダに結合されているコンプレッサを有する請求項３２に記載された圧力スイング吸収システム。
【請求項３６】
前記多段タービンは、複数の前記回転モジュールに結合され、ガス供給マニホールド、重い生成物マニホールド、および軽い生成物マニホールドが複数の回転モジュールに結合される請求項２９に記載された圧力スイング吸収システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のガス留分を有するガス混合物からガス留分を分離するための装置に関する。特に、本発明は、ガス留分を取り除くために圧力スイング吸収プロセスを実現するために、その中に配置されている複数の回転する吸収床を有する回転弁ガス分離システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
圧力スイング吸収（ＰＳＡ）および真空圧力スイング吸収（ＶＰＳＡ）は、混合物のそれほど容易には吸収されない（ｌｅｓｓ  ｒｅａｄｉｌｙ  ａｄｓｏｒｂｅｄ）成分に比して、さらに容易に吸収される成分を優先的に吸収する吸収床で圧力循環および流動逆転を整合することによって、ガス留分をガス混合物から分離する。吸収床の中のガス混合物の総圧力は、ガス混合物がその第１端部から第２端部へ吸収床を通って流れている間に高められ、ガス混合物が第２端部から第１端部へと吸収材を通って戻る間に減少される。ＰＳＡまたはＶＰＳＡサイクルが繰り返されるにつれて、それほど容易には吸収されない成分は吸収床の第２端部に隣接して凝縮されるが、さらに容易に吸収される成分は吸収床の第１端部に隣接して凝縮される。その結果、「軽い」生成物（ガス留分はさらに容易に吸収される成分の中で減損され、より容易にではなく吸収される成分の中で濃縮される）は床の第２端部から送出され、「重い」生成物（ガス留分がさらに強力に吸収された成分の中で濃縮される）は床の第１端部から排出される。
【０００３】
圧力スイング吸収または真空圧力スイング吸収を実現するための従来のシステムは、２つまたはそれ以上の定置吸収床を並列して使用し、床を交互に圧力源とシンクに繋ぐために、各吸収床の各端部で方向弁が付けられている。しかしながら、このシステムは、多くの場合、必要となる弁の設置の複雑さのために実現するには困難で、高価である。
【０００４】
さらに、従来のＰＳＡシステムまたはＶＰＳＡシステムは、供給ガス加圧が、その送出圧力がサイクルの最高圧力であるコンプレッサによって行われるために、かけられるエネルギーを非効率的に利用する。その上、ＰＳＡでは、加圧に使用される供給ガスを圧縮する際に消費されるエネルギーは、吸収材と高圧供給物の間の瞬間的な圧力差を超えて弁の流量を調節する（ｔｈｒｏｔｔｌｉｎｇ  ｏｖｅｒ）際に消散する。同様に、サイクルの低い方の圧力がその圧力でガスを排出する真空ポンプによって確立されるＶＰＳＡでは、エネルギーは、その圧力が減少されている吸収材の逆流ブローダウンの間に調節する際に消散する。両方のシステムでのさらなるのエネルギー消散は、パージ、等化、並流ブローダウン、および生成物加圧または埋め戻しのステップに使用される軽い還流ガスの流量を調節する際に発生する。
【０００５】
従来のＰＳＡシステムまたはＶＰＳＡシステムに関する欠陥を克服する多数の試みがなされてきた。例えば、Ｓｉｇｇｅｌｉｎ（米国特許第３，１７６，４４６号）、Ｍａｔｔｉａ（米国特許第４，４５２，６１２号）、ＤａｖｉｄｓｏｎとＬｙｗｏｏｄ（米国特許第４，７５８，２５３号）、Ｂｏｕｄｅｔら（米国特許第５，１３３，７８４号）、Ｐｅｔｉｔら（米国特許第５，４４１，５５９号）およびＳｃｈａｒｔｚ（ＰＣＴ公開ＷＯ第９４／０４２４９号）は、ロータに複数の斜めに分離されている吸収床が取り付けられている回転分配（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒ）弁を使用するＰＳＡ装置を開示する。ロータが装着されている吸収床と連通するポートは、供給物導入、生成物送出、および圧力等化のために固定ポートを越えて動く。しかしながら、これらの従来の技術の回転分配バルブは、回転するアセンブリの重量のために大型ＰＳＡ／ＶＰＳＡ装置には実現不可能である。さらに、バルブ表面が吸収床の端部から離れているので、これらの回転分配バルブは、流量の分散および収集のためにかなりの死空間（ｄｅａｄ  ｖｏｌｕｍｅ）を有する。その結果、従来の技術の回転分配バルブは、特に高いサイクル周波数で不十分な流量の供給を有する。
【０００６】
Ｈａｙ（米国特許番号第５，２４６，６７６号）およびＥｎｇｌｅｒ（米国特許番号第５，３９３，３２６号）は、ガス分離処理システムの効率を改善しようとして、流量調節損失を減少する真空圧力スイング吸収システムの例を示す。ＨａｙおよびＥｎｇｌｅｒによって教示されているシステムは、複数の真空ポンプを使用し、各吸収床の圧力を順番にポンピングして下げ（ｐｕｍｐ  ｄｏｗｎ）、ポンプは継続的に低い方の圧力で動作し、その結果、各真空ポンプはそれぞれの床の圧力を所定量減圧する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのシステムを使用すると、真空ポンプは大きな圧力変化にさらされ、コンプレッサに圧力を加え、総合的な動力需要で大きな変動を引き起こす。遠心機械または軸流コンプレッサはこのような不安定な条件下では動作できないため、典型的にはこのようなシステムでは回転ローブ機械が使用される。しかしながら、このような機械の効率は定常条件下で作動している近代的な遠心コンプレッサ／真空ポンプより低い。
【０００８】
したがって、従来の技術の装置に関連する損失を減少する一方で、大容量（ｈｉｇｈ  ｖｏｌｕｍｅ）および高周波生産に適しているＰＳＡ／ＶＰＳＡシステムを求めるニーズが残る。
【０００９】
高周波圧力スイング吸収プロセスを実現するための回転モジュールに高エネルギー効率を与えることが、本発明の目的である。
【００１０】
【課題を解決するためのめ手段】
本発明に従った回転モジュールは、ステータ、およびこのステータに回転自在に結合されているロータを備えている。このステータは、第１ステータバルブ表面、第２ステータバルブ表面、第１ステータバルブ表面の中に開口した複数の第１機能コンパートメント、および第２ステータバルブ表面の中に開口した複数の第２機能コンパートメントを有する。ロータは、第１ステータバルブ表面と連通する第１ロータバルブ表面、第２ステータバルブ表面と連通する第２ロータ弁、およびその中に吸収材を受け入れるための複数の流路を有する。それぞれの前記流路は、１対の反対側の端部、およびロータバルブ表面に設けられ、第１機能コンパートメントと第２機能コンパートメントを通る均一なガスの流量を維持するために高い方の圧力と低い方の圧力の間の複数の異なる圧力レベルに前記各流路を周期的にさらすために流路端部と機能ポートと連通する複数の開口を有する。
【００１１】
加圧ステップとブローダウンステップの間、ステップを通過するいくつかの吸収材が、吸収材によって経験されている過去のステップの圧力レベルからの流量調節圧力等化によって各ステップの名目圧力レベルに集中するだろう。流れは、加圧ステップで吸収材に与えられるか、そのステップの名目圧力レベルでコンプレッサによってブローダウンステップで後退される。したがって、各吸収材は圧力と流量の大きな周期的な変化を経験するが、各中間圧力レベルで圧力機械によって見られる流量と圧力の脈動は、ステップを通過する複数の吸収材から平均することにより最小となる。
【００１２】
吸収材ごとの加圧ステップの間、すでに圧力に達している単一または複数の吸収材の開口のどちらか（あるいは両方）は、それぞれ、段階を追って高くなる圧力で第１加圧コンパートメントまたは第２加圧コンパートメントに開かれる。同様に、吸収材ごとの加圧ステップの間、すでに圧力に達している吸収材の単一または複数の開口のどれか（または両方）は、それぞれ、段階を追って低くなる圧力で第１加圧コンパートメントまたは第２加圧コンパートメントに開かれる。それから、加圧／ブローダウンコンパートメントから、加圧／ブローダウンステップの最後までに加圧／ブローダウンコンパートメント（複数の場合がある）とほぼ同じ圧力を達成した吸収材の中への開かれた開口（複数の場合がある）を通る流れによって等化が起こる。各加圧／ブローダウンコンパートメントは、典型的には複数の、任意の指定される時間に（異なる角位相と時間位相で）加圧されている吸収材と連通しているため、そのコンパートメントでの圧力およびそのコンパートメントへの加圧流量は実質的には不変である。
【００１３】
吸収材を通る流路は、半径方向または軸方向であってよい。吸収材が半径方向の流れに構成されると、第１バルブ表面は、それ程強力には吸収されない（ｌｅｓｓ  ｓｔｒｏｎｇｌｙ  ａｄｓｏｒｂｅｄ）ガス流分の密度がさらに強力に吸収されている流分よりはるかに高いときに、好ましくは半径方向に内向きとなり、それほど強力には吸収されないガス留分の密度がさらに強力に吸収されている留分よりはるかに低くなるときに、第１バルブ表面は、好ましくは半径方向に外向きになるだろう。したがって、半径方向の流れの実施形態での水素精製の場合、供給ガスは、好ましくは外側半径での第１バルブ表面に導入され（重い生成物としてのさらに高い分子重量不純物留分がそこから排出され）るが、第１生成物ガスとしての水素は第２バルブ表面から送出される。
【００１４】
本発明は、（１）層をなす、または積層したシート吸収材、および（２）例外的に高いサイクル周波数での運転を可能にするために、遠心力を利用して安定化された細かい粒子の粒状の吸収材という代替策も含む。毎分少なくとも１００サイクルまでのＰＳＡサイクル周波数が本発明の範囲内で実施可能であり、コンパクトなモジュールから高い生産性を実現できるようにプロセスの強化を可能にするだろう。毎分約５０サイクルより速いサイクル周波数が、粒状の吸収材より高い周波数でのさらに低い摩擦圧力低下を得るために、吸収材が負荷されているシートの隣接する対に正接する、およびそれらの間のフローチャネル内に流路がある、好ましくは層をなすシート吸収材で達成される。
【００１５】
好ましくは、隣接する圧力レベル間の増分は、モジュールの中に入るまたはモジュールを出るガスの流れが流速と圧力の両方で実質的に安定するような大きさで作られる。その結果、モジュールは、最も好ましい効率および資本費用の規模の経済のために、遠心または軸流コンプレッサまたはエキスパンダによって動作可能である。流量調節損失を減少するために、機能コンパートメントが、流路を通る均一なガスの流れを提供するように形成される、および／またはバルブ表面が流路を通る均一なガスの流れを提供するための先細部分を有するスケーリング（ｓｃａｌｉｎｇ）片を有することも好ましい。
【００１６】
弁を付ける機能を提供するオリフィスが流路の端部のすぐ隣にあるため、従来の技術の供給マニホルドに関連する死空間は大幅に減少される。また、第１バルブ表面と第２バルブ表面と連通しているコンパートメントは、弁を付ける機能にとっては外部であるため、コンパートメントは吸収材の死空間には貢献しない。その結果、高周波圧力／真空スイング吸収が可能になる。
【００１７】
また、その圧力容器が圧力循環ならびにその結果の疲労負荷にさらされる従来の技術のＰＳＡ装置とは対照的に、本発明の圧力容器は、コンパートメントのそれぞれが定常圧力条件下で動作するため、実質的に静的な応力を受けて動作する。（隣接する中間圧力の間の間隔に最も等しい）小さい摩擦圧力低下だけが流れの方向で適用するが、吸収要素間の横断方向圧力勾配も要素が大多数であるために小さいため、ロータとその軸受けにかかる機械的な応力は相対的に小さい。圧力容器の疲労は大きな懸念であり、特にさらに高い圧力またはさらに高いサイクル周波数での腐食性ガスと動作するＰＳＡシステムの設計での制限であるため、これらの特徴は重要である。
【００１８】
さらに複数の緊密に間隔をあけて配置されている中間圧力レベルに、実質的に各レベルで一定の流量と圧力を提供することによって、本発明は、（半径方向での流入タービン、軸流タービン、および部分進入衝撃タービンを有する）多段エキスパンダだけではなく、供給圧縮、重い生成物排出、および重い還流圧縮のための（遠心または軸流コンプレッサを有する）多段供給コンプレッサと真空ポンプのエネルギー効率適用を容易にする。確動的な変位（往復運動ピストン、回転ピストン、またはねじやスクロール機械などの漸次空洞）圧縮および拡大機械も、特に複数の中間送出圧力でえガスを送出するように、および／または複数の中間入口圧力でガスを吸い込む（ｉｎｔａｋｅ）よう適応されているときに、本発明の範囲内で適用されてよい。本発明は、段階のさらに柔軟なモジュール化と分割のためにモータ駆動式機械と自由なロータ機械を組み合わせて使用することだけではなく、並列した複数のモジュールにすべての圧縮と拡大の機能を提供するために単一軸機械を使用することも可能にする。
【００１９】
スプリットストリーム遠心機械という本発明の概念は、異なる総圧力での別々の流体ストリームで多様なエンタルピーを必要とする記述されたＰＳＡプロセスにとって望ましいオプションである。エンタルピーまたは総圧力の異なる変化は、インペラ全体での流れごとに半径の異なる変化、または異なるブレード角度を有することによって達成される。スプリットストリームコンプレッサは１つの入口であるが、異なる総圧力またはエンタルピーレベルでの単一インペラからの多数の出口を有する。スプリットストリーム排気装置は真空ポンプ叉はクスパンダ−であってよく、単一インペラのための異なる総圧力またはエンタルピーレベルで複数の入口と単一の出口を有するだろう。本発明では、単一のインペラのための異なる圧力またはエンタルピーレベルでの多数の入口と同じ数の出口を有するスプリットストリームの軽い還流エキスパンダも有用である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１、２、３および４
本発明に従った回転モジュール１０は、図１、２、３、および４に図示されている。モジュールは、ステータ１４内で矢印１３によって示されている方向で軸１２の回りを回転するロータ１１を有する。図４は、図１の矢印１５と１６によって画定されている、モジュール１０の軸に沿った断面図である。図１は、図４の矢印１７と１８によって画定されている、モジュール１０の断面図である。図２は、明確さを期すためにステータが削除されている図１から繰り返されるロータ１１の断面図である。図３は、明確さを期すために詳細が削除されている図１から繰り返されるステータ１４の断面図である。
【００２１】
一般的には、本発明の装置は、ロータ軸を基準にして、半径方向、軸流方向、または斜め円錐方向の吸収要素を通る流れのために構成されてよい。高いサイクル周波数での動作のためには、半径方向の流れは、求心加速度が均一な流量供給による粒状吸収材の遠心力を利用した締め付けだけではなく、浮力によって駆動される自由対流の最も好ましい安定化のための流路に並行となるという優位点を有する。図２に示されているように、ロータ１１は、軸１２に同心的に、その外面が第１バルブ表面２１である外側円筒形壁２０と、その内面が第２バルブ表面２３である内側円筒形壁２３を有する環状断面である。ロータは（図４の矢印１５と１６によって画定されている断面の平面内に）「Ｎ」半径方向流吸収要素２４全体を有する。吸収要素２５と２６という隣接する対は、構造上、および封止状に外壁２０と内壁２２に接合されている仕切り２７によって分けられている。隣接する吸収要素２５と２６は、軸１２を基準にして［３６０°／Ｎ］という角度分、角度を形成して間隔をあけて配置されている。
【００２２】
吸収要素２４は、サポートスクリーン３１によって画定されている第１端部３０、およびサポートスクリーン３３によって画定されている第２端部３２を有する。吸収材は、粒状吸収材として提供されてよく、そのパッキング間隙率が吸収材の第１端部と第２端部の間で吸収材と接触する流路を画定する。
【００２３】
第１開口すなわちオリフィス３４は、第１バルブ表面２１から壁２０を通って吸収材２４の第１端部３０までの流れ連通を提供する。第２開口すなわちオリフィス３５は、第２バルブ表面２３から壁２２を通って吸収材２４の第２端部３１までの流れ連通を提供する。サポートスクリーン３１と３３は、それぞれ、吸収要素２４の、第１開口３４と第１端部３０の間、および第２開口３５と第２端部３２の間の流量供給３２を提供する。サポートスクリーン３１は、吸収材の遠心力負荷も支持する。
【００２４】
図３に示されているように、ステータ１４は、外側円筒形シェルまたは環状ロータ１１の外側の第１バルブステータ４０、および内側円筒形シェルまたは環状ロータ１１の内側の第２バルブステータ４１を含む圧力ハウジングである。外側シェル４０は、第１バルブ表面２１と封止状に係合している、軸に沿って伸びるストリップシール（例えば、４２と４３）を担持するが、内側シェル４１は、第２バルブ表面２３に封止状に係合している軸に沿って伸びるストリップシール（例えば、４４と４５）を担持する。ストリップシールの方位角密封幅は、第１バルブ表面と第２バルブ表面を通って開口した第１開口３４と第２開口３５の直径または方位角幅より大きい。
【００２５】
外側シェルの１セットの第１コンパートメントは、それぞれ第１バルブ表面に対し角度を形成するセクタ内で開き、それぞれが第１バルブ表面のその角度を形成するセクタとモジュールの外部のマニホルドの間の流体連通を提供する。コンパートメントの角度を形成するセクタは、吸収要素の角分離よりはるかに幅広い。第１コンパートメントは、ストリップシール（例えば４２）によって第１密封面上で分離される。図３で時計回りに、ロータ回転の方向で進むと、第１供給加圧コンパートメント４６が、導管４７によって、第１中間圧力に維持される第１供給加圧マニホルド４８に連絡する。同様に、第２供給加圧コンパートメント５０は、第１中間供給圧力より高いが、さらに高い作業圧力より低い第２中間供給圧力で維持される第２供給加圧マニホルド５１に連通する。
【００２６】
より一般的には、モジュール１０は、２つの供給混合物の連続的な進入のための備えとともに示され、第１供給ガスは、第２供給ガスを基準にしてさらに容易に吸収される成分の低い方の濃度を有する。第１供給コンパートメント５２は、実質的には高い方の作業圧力で維持される、第１供給マニホルド５３に連通する。同様に、第２供給コンパートメント５４は、実質的には高い方の作業圧力で維持される第２供給マニホルド５５に連通する。第１逆流ブローダウンコンパートメント５６は、第１逆流ブローダウン中間圧力で維持される第１逆流ブローダウンマニホルド５７に連通する。第２逆流ブローダウンコンパートメント５８は、低い方の作業圧力を超える第２逆流ブローダウン中間圧力で維持される、第２逆流ブローダウン間のホールド５９に連通する。重い生成物コンパートメント６０は、実質的には低い方の作業圧力で維持される生成物排出マニホルド６１に連通する。コンパートメント５８は、ストリップシール４２と４３によって制限され、同様にすべてのコンパートメントがストリップシールによって制限され、相互に隔離されている。
【００２７】
内側シェル内の１セットの第２コンパートメントは、それぞれ、角セクタ内で第２バルブ表面に対し開き、それぞれが第２バルブ表面のその角セクタとモジュールに外部のマニホルドの間で流体連通を提供する。第２コンパートメントは、ストリップシール（例えば、４４）によって第２密封面で分離されている。図３で時計回りに、再びロータの回転の方向で進み、軽い生成物コンパートメント７０は軽い生成物マニホルド７１に連通し、実質的に高い方の作業圧力で軽い生成物ガスを受け取り、さらに少ない摩擦圧力が吸収材および第１オリフィスと第２オリフィスを通って低下する。コンパートメント５２と５４を基準にしたコンパートメント７０の角拡張に従って、軽い生成物がこの供給ガスをコンパートメント５２からだけ同時に受け取る吸収材、または第１供給ガスと第２供給ガスの両方を受け取る吸収材から得られてよい。
【００２８】
第１の軽い還流出口コンパートメント７２は、第１の軽い還流出口圧力、ここでは実質的には摩擦圧力低下を差し引いた高い方の作業圧力で維持される第１の軽い還流出口マニホルド７３に連通する。（実際には第２の軽い還流出口コンパートメントである）第１並流ブローダウンコンパートメント７４が、高い方の作業圧力を差し引いた第１並流ブローダウン圧力で維持される第２の軽い還流出口マニホルド７５に連通する。第２並流ブローダウンコンパートメントまたは第３の軽い還流出口コンパートメント７６は、第１並流ブローダウン圧力より低い第２並流ブローダウン圧力で維持される第３の軽い還流出口マニホルド７７に連通する。第３並流ブローダウンコンパートメントまたは第４の軽い還流出口コンパートメント７８は、第２並流ブローダウン圧力より低い第３並流ブローダウン圧力で維持される第４の軽い還流出口マニホルド７９に連通する。
【００２９】
パージコンパートメント８０は、第３並流ブローダウン圧力から、実質的には低い方の作業圧力まで拡大された第４の軽い還流ガスに、摩擦圧力低下の許容差を与える。軽い還流加圧ステップの配列は、軽い還流ガスパケットの所望の「後出し−先入れ」層状構造を維持するために、軽い還流出口または並流ブローダウンステップの配列から逆転される。したがって、第１の軽い還流加圧コンパートメント８２は、第２並流ブローダウン圧力から低い方の作業圧力より大きい第１の軽い還流加圧圧力まで拡大された第３の軽い還流ガスを供給する第３の軽い還流戻りマニホルド８３に連通する。第２の軽い還流加圧コンパートメント８４は、第１並流ブローダウン圧力から第１の軽い還流加圧圧力より大きい第２の軽い還流加圧圧力に拡大された第２の軽い還流ガスを供給する第２の軽い還流戻りマニホルド８５に連通する。最後に、第３の軽い還流加圧コンパートメント８６は、ほぼ高い圧力から、第２の軽い還流加圧圧力より大きく、この例では第１供給加圧圧力より低い第３の軽い還流加圧圧力に拡大された第１の軽い還流ガスを供給する第１の軽い還流戻りマニホルド８７に連通する。
【００３０】
追加の詳細は、図４に示されている。導管８８は第１コンパートメント６０をマニホルド６１に接続し、複数の導管がコンパートメント６０での優れた軸流分配に備えている。同様に、導管８９は第２コンパートメント８０をマニホルド８１に接続する。ステータ１４は、軸受け９１と９２のある基部９０を有する。環状ロータ１１は、そのシャフト９４が軸受け９１と９２によって支えられている端ディスク９３の上で支えられる。モータ９５はロータ１１を駆動するためにシャフト９４に結合される。ロータは、代わりに、そのリムの回りの複数の角位置でローラーによって支えられるだけではなく、シャフトが必要とされないようにそのリムで駆動される環状ドラムとして回転できるだろう。リム駆動装置は、ロータに取り付けられているリングギアによって、またはそのステータがリムのアークを係合する線形電磁モータによって提供されるだろう。外側周方向のシール９６が、外側ストリップシール４２の端部と第１バルブ表面２１の縁部を密封するが、内側周方向シール９７が内側ストリップシール４４の端部と第２バルブ表面２３の縁部を密封する。ロータ１１は、外側壁２０と内側壁２２の間に、吸収材２４を設置し、除去するためのアクセスを提供するアクセスプラグ９８を有する。
【００３１】
半径方向流実施形態での本発明の追加の最も重要な利点は、さらに高い分子重量不純物を除去するための水素とヘリウムなどの非常に低分子重量のガスの精製で生じる。ここでは、軽い生成物は半径方向に内向きに分離されるが、重量不純物は本発明の遠心ＰＳＡ装置によって半径方向に外向きに分離される。すべてのＰＳＡシステムにおいては、軸流分散、不均等な床パッキング、熱勾配、および壁流量チャネリングを有する分散効果のすべてが、分離性能を劣化するために床の中の濃度勾配を広げる傾向がある。しかし、本発明の強力な求心加速度は、分離された重い留分の半径方向に内向きの精製された軽い留分の浮揚性のある層状構造を誘発し、このようにして分散影響に対抗し、分離性能を高める。この重要な望ましい影響は、粒状吸収材が使用されるのか、積層シートで支えられている吸収材が使用されるのかに関係なく存在する。
【００３２】
供給が吸収材の外側半径に呈示される空気分離では、窒素に比較してさらに大きい酸素の分子重量のための浮揚性影響は適度に不利である。水素と（ヘリウム以外の）その不純物の分子重量差ははるかに大きく、所望の方向にある。本発明のいくつかのプロセス実施形態は、膨張エネルギーの回収を熱的に高める、吸収／脱着動態を改善する、および最適運転圧力範囲を真空から正の（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）超大気（ｓｕｐｅｒａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ）圧力状態にシフトするという主要な目的のために、酸素の軽い還流ガスを加熱するという特徴を有する。軽い還流酸素を十分に加熱すると、放射熱勾配が生じ、その結果（内側半径での）吸収材の第２端部は、（外側半径での）吸収材の第１端部より熱くなるだろう。本発明の急速に回転するロータでは、この熱勾配は、吸収材の質量移動前面の対流安定性を高め、等しい温度では窒素よりさらに密度が高い酸素の悪影響を補償する傾向がある。このようにして、本発明は、吸収材に半径方向に内向きに接触するガスの低い方の分子重量の、または半径方向に内向きの高い方の温度の熱勾配によって、半径方向の密度勾配を確立することによって、質量移動前部の半径方向の安定化を提供できる。
【００３３】
代わりに、空気分離用途での対流安定性は、半径方向流回転吸収材の内側半径に適用される供給で動作することによって高められてよいが、第２生成物としての酸素は外側半径から引き下げられる。
図５
粒流吸収材の使用の魅力的な代替策は、適切な補強結合剤で吸収材を薄い吸収材シートに形成し、隣接するシートの対の間に流路のある層をなしたシート接触子を形成するためにスペーサで吸収材シートを層化することによって得られる。それから、吸収要素は、ロータ内、および第１バルブ表面と第２バルブ表面の間に角間隔をあけて配置される矩形ブロックとして設置してよく、吸収材シートは実質的には平らなシートとしてロータの軸と矩形ブロックのを通る軸からの半径で画定される平面に平行に伸び、それらの間に流路のある平らな吸収材シートは層化され、矩形ブロックを形成する。流路は、シートに、およびロータの軸と矩形ブロックを通る軸からの半径によって画定される平行する平面内にもあり、軸流または半径方向流のどちらかのために構成されてよい。軸流のケースでは、第１バルブ表面と第２バルブ表面が、回転の軸に垂直で、それと同心である平らな円板として提供されるだろう。図１〜４によって表されている半径方向流のケースでは、第１バルブ表面と第２バルブ表面が、吸収要素がその中に取り付けられている環状ロータを制限する内側円筒形表面と外側円筒形表面として提供される。
【００３４】
ロータ１１のセクション１１０は、端点１１１と１１２、および１１３と１１４のある曲線の間で図２に識別された。図５は、吸収材の積層シート実施形態によってセクション１１０を詳細に示す。
【００３５】
積層シート１１５は、放射平面内にあり、吸収要素２４を矩形ブロックとして形成するために層化される。各シート１１５は、例えば、吸収材（ゼオライトクリスタライト）が適切な接着剤（例えば、粘土、珪酸塩、またはコークス結合材）によってその上で支えられているガラス繊維または金属ワイヤマトリックス（織布または不織布）などの補強材を備えている。吸収材シートの典型的な厚さは約１００ミクロンであってよい。シート１１５は、片側または両側にスペーサとともに設置され、シートの隣接する対の間に流路を確立する。フローチャネルは、各吸収要素の流路の第１端部３０と第２端部３２の間のほぼ半径方向で流路を画定する。典型的なチャネルの高さは、吸収材厚さの約５０％から１００％であろう。
【００３６】
吸収材シートは補強材、好ましくはガラス繊維であるが、代わりに、吸収材が適切な接着剤によって取り付けられる金属箔またはワイヤメッシュを備えている。濃縮された酸素を生じさせるための空気分離の場合、典型的な吸収材は、典型的にはカルシウム陽イオンまたはリチウム陽イオンと交換されるＸ、Ａまたは斜方沸石型ゼロライトである。ゼオライト結晶は、吸収材シートマトリックスの中でシリカ、粘土、またはその他の接着剤で固められる。
【００３７】
満足の行く吸収材シートは、ゼオライト結晶のスラリーを接着剤成分で補強材の上に被覆することによって作られ、成功例は不織布繊維ガラススクリム、織布金属ファブリック、および拡大アルミニウム箔を有する。スペーサは、印刷する、または隆起パターンで吸収材シートでエンボス加工することによって、あるいは吸収材シートの隣接する対の間に製作されたスペーサを配置することによって設けられる。代わりの満足の行くスペーサは、織布金属スクリーン、繊維ガラススクリム、および金属箔として、フォトリソグラフィパターンでエッチングされたフローチャネルを提供された。
【００３８】
典型的な実験シート厚さは１５０ミクロンであり、スペーサ高さは１００ミクロンから１５０ミクロンの範囲内にあり、吸収材流量溝型チャネル材長さは約２０ｃｍである。Ｘ型ゼオライトを使用すると、毎分５０サイクルから１００サイクルという範囲のＰＳＡサイクル周波数での空気からの酸素分離で優れた性能が達成された。
【００３９】
図６と図７
図６は本発明に従った典型的なＰＳＡサイクルを示すが、図７は、第２供給ガスをプロセスに提供するための第１生成物ガスの一部の重い還流再圧縮のある類似したＰＳＡサイクルを示す。
【００４０】
図６と図７では、垂直軸１５０が、吸収材の作業圧力および第１コンパートメントと第２コンパートメントの圧力を示す。吸収要素内での流量による圧力の低下は無視されている。高い方の作業圧力と低い方の作業圧力は、それぞれ点線１５１と１５２によって示される。
【００４１】
図６と図７の水平軸１５５は時間を示し、ＰＡサイクル期間は、点１５６と１５７の間の時間間隔で定められる。時間１５６と１５７では、ある特定の吸収材内の作業圧力は圧力１５８である。時間１５６から開始すると、ある特定の吸収材（例えば２４）のサイクルは、その吸収材の第１開口３４が、第１中間供給圧力１６１で第１供給物供給手段１６０によって供給される第１供給加圧コンパートメント４６に対して開かれると始まる。その吸収材の中の圧力は、時間１５７で圧力１５８から、第１中間供給圧力１６１に上昇する。先に進むと、第１開口はシールストリップ、第１閉鎖吸収材２４の上をコンパートメント４６まで通過してから、それを、第２中間供給圧力１６３で第２供給物供給手段１６２によって供給される第２供給加圧コンパートメント５０に開放する。吸収圧力は、第２中間供給圧力まで上昇する。
【００４２】
吸収材２４の第１開口は、第３供給物供給手段１６５によって実質的には高い方の圧力で維持される、第１供給コンパートメント５２の隣に開かれる。いったん吸収圧力が実質的に高い方の作業圧力まで上昇すると、（時間１５６以来すべての第２コンパートメントに対し閉鎖していた）その第２開口３５が軽い生成物コンパートメント７０に対して開き、軽い生成物１６６を送出する。
【００４３】
図７のサイクルでは、吸収材２４の第１開口３４が、第４供給物供給手段１６７によってやはり実質的に高い方の圧力で維持される第２供給コンパートメント５４の隣に開かれる。一般的には、第４供給物供給手段が、典型的には、第１供給物供給手段、第２供給物供給手段、および第３供給物供給手段によって提供される第１供給ガスより、さらに容易に吸収される成分においてより濃厚である第２供給ガスを供給する。図７に示されている特定のサイクルにおいては、第４供給物供給手段１６７は「重い還流」コンプレッサであり、重い生成物の一部を装置の中に再圧縮する。図６に示されているサイクルでは、第４供給物供給手段はなく、コンパートメント５４は排除されるか、あるいはステータのさらに幅広い角弧の上で拡張されているコンパートメント５２と連結できるだろう。
【００４４】
供給ガスは、依然としてコンパートメント５２または５４のどちらかから吸収材２４の第１端部に供給されているが、吸収材２４の第２端部は、第１の軽い還流圧力減圧手段（またはエキスパンダ）１７０に（第２生成物ガスに類似する、それほど容易には吸収されない成分で濃縮されている）「軽い還流」ガスを送出しつつ、軽い生成物コンパートメント７０に対して閉じられ、第１の軽い還流出口コンパートメント７２に対して開口している。吸収材２４の第１開口３４は、それからすべての第１コンパートメントに対し閉じられるが、第２開口３５は、（ａ）軽い還流ガスを第２の軽い還流圧力減圧手段１７２に送出しつつ、吸収圧力を第１並流ブローダウン圧力１７１に低下させる第２の軽い還流出口コンパートメント７４、（ｂ）軽い還流ガスを第３の軽い還流圧力減圧手段１７４に送出しつつ、吸収圧力を第２並流ブローダウン圧力１７３に低下させる第３の軽い還流出口コンパートメント７６、および（ｃ）軽い還流ガスを第４の軽い還流圧力減圧手段１７６に送出しつつ、吸収圧力を第３並流ブローダウン圧力１７５に低下させる第４の軽い還流出口コンパートメント７８に連続して開かれる。それから、第２開口３５は、逆流ブローダウンステップに続く軽い還流戻りステップまで間隔の間閉じられる。
【００４５】
軽い還流圧力減圧手段は、機械的なエキスパンダまたは膨張エネルギー回収のための膨張段であってよいか、あるいは逆転できない圧力減圧用のレストリクタオリフィスまたはスロットル弁であってよい。（図６と図７に示されているように）最終的な軽い還流出口ステップの後に第２開口が閉じられているとき、あるいは軽い還流出口ステップが依然として進行中である初期のどちらかに、第１開口３４は第１逆流ブローダウンコンパートメント５６に対し開かれ、（さらに強力に吸収されている成分の中で濃縮されている）「重い」ガスを第１排出手段１８１に放出する一方で、吸収圧力を第１逆流ブローダウン中間圧力１８０まで低下させる。それから、第１開口３４は第２逆流ブローダウンコンパートメント５８に開かれ、重いガスを第２排出手段１８３に放出する一方で、吸収圧力を第１逆流ブローダウン中間圧力１８２まで低下させる。最終的には、低い方の作業圧力に到達すると、第１開口３４は重い生成物コンパートメント６０に開かれ、重いガスを第３排出手段１８４に放出する一方で、吸収圧力を低い方の圧力１５２まで低下させる。第１開口３４がコンパートメント６０に開いている間に、いったん吸収圧力が実質的に低い方の圧力に達すると、第２開口３５は、さらに多くの重いガスを第１生成物コンパートメント６０の中に変位するために、第４の軽い還流圧力減圧手段１７６から第４の軽い還流ガスを受け取るパージコンパートメント８０に対して開口している。
【００４６】
図６では、第１排出手段、第２排出手段、および第３排出手段からの重いガスが、重い生成物１８５として送出される。図７では、このガスは重い生成物１８５として部分的に放出されるが、残りは第４供給物供給手段１６７としての重い還流圧縮器に「重い還流物」１８７として向け直される。ちょうど軽い還流物が、軽い生成物中のそれほど容易には吸収されない（「軽い」）成分の高純度への接近を可能にするように、重い生成物中の重い還流物はさらに容易に吸収される（「重い」）成分の高純度への接近を可能にする。
【００４７】
それから、吸収材は、第１開口と第２開口がコンパートメント６０と８０に対し閉じた後に、軽い還流ガスによって再加圧される。引き続いて、第１開口３４が少なくとも最初は閉じられたままでいる間に、（ａ）第２開口３５が、第３の軽い還流圧力減圧手段１７４から第３の軽い還流ガスを受け入れつつ、第１の軽い還流加圧コンパートメント８２に対して開かれ、吸収圧力を第１の軽い還流加圧圧力１９０に上昇させ、（ｂ）第２開口３５が、第２の軽い還流圧力減圧手段１７２から第２の軽い還流ガスを受け入れつつ、第２の軽い還流加圧コンパートメント８４に対して開かれ、吸収圧力を第２の軽い還流加圧圧力１９１に上昇させ、（ｃ）第２開口３５が、第１の軽い還流圧力減圧手段１７０から第１の軽い還流ガスを受け入れつつ、第３の軽い還流加圧コンパートメント８６に対して開かれ、吸収圧力を第３の軽い還流加圧圧力１９２に上昇させる。軽い還流加圧のための軽い還流戻りが依然として続行中に、供給加圧がすでに開始されていない限り、（図６と図７に基づくような）プロセスは、第３の軽い還流加圧ステップが完了するとすぐに、時間１５７の後の次のサイクルのための供給加圧を始める。
【００４８】
各吸収材の圧力変動波形は、第１弁と第２弁で流量調節がない場合には矩形の階段となるだろう。吸収材のバランスの取れた性能を提供するためには、好ましくは開口のすべてが互いに密接に同一である。
【００４９】
各加圧ステップまたはブローダウンステップの圧力変化の速度は、第１弁手段と第２弁手段のポート内（または隙間あるいは複雑に入り組んだ密封間隙内）での流量調節によって、あるいは吸収材の第１端部と第２端部での開口内の流量調節によって制限され、図６と図７に描かれている典型的な圧力波形を生じさせる。代わりに、開口は、シールストリップによってゆっくりと開かれ、開口が徐々に完全な流量だけに開かれるように、（シールストリップの縁部の中に切り欠きまたは先細のスリットを有する）のこ歯形縁部を有することがある開口とシールストリップの間の流量制約調節を提供する。圧力変化の過剰に速い速度は、吸収材の濃度波頭の軸に沿った分散を増加させる傾向がある流量過渡現象も引き起こす一方で、吸収材を機械的な応力にさらす。流れの脈動および圧力は、サイクルの各ステップを同時に移動させる複数の吸収材を有することによって、および機能コンパートメントと関連するマニホルドの中で、それらがコンプレッサと、第１弁手段と第２弁手段の間のサージ吸収材としての役割を効果的に果すように十分な体積を提供することによって最小限に抑えられる。
【００５０】
サイクルが、供給加圧、逆流ブローダウン排出、または軽い還流というそれぞれの主要なステップでさらに多い、またはさらに少ない中間段を有することによって一般化できるだろうことは明らかである。さらに、空気分離または空気精製の用途では、供給加圧の段（典型的には第１段）が、サイクルの中間圧力としての大気との等化によって実行できるだろう。同様に、逆流ブローダウンの段は、サイクルの中間圧力しての大気との等化によって実行できるだろう。
図８
図８〜１５は、基本的な基礎単位として図１〜４のモジュールを使用し、モジュールの第１マニホルドと第２マニホルドから典型的な用途でのガスの圧縮と膨張のための機械への接続を示すＰＳＡシステムの簡略化された概略図である。図８〜１５では、第１マニホルドと第２マニホルドの参照番号が、図３に関して定められている通りである。
【００５１】
図８は、窒素選択ゼオライト吸収材を使用して、空気から酸素を分離するためのＰＳＡシステムの簡略化された概略図である。軽い生成物は凝縮された酸素であるが、重い生成物は、通常は廃棄物として排出される窒素で濃縮された空気である。サイクルの低い方の圧力１５２は、名目上大気圧である。供給空気は、フィルタ吸い込み口２００から供給コンプレッサ２０１に導入される。供給コンプレッサは、コンプレッサ第１段２０２、中間冷却器２０３、コンプレッサ第２段２０４、第２中間冷却器２０５、コンプレッサ第３段２０６、第３中間冷却器２０７、およびコンプレッサ第４段２０８を有する。供給コンプレッサ２０１は、説明されているように、軸２１０によって結合されている原動機としてモータ２０９を有する４段軸流コンプレッサまたは遠心コンプレッサであってよく、中間冷却器はオプションである。図６に関しては、供給コンプレッサ第１段と第２段は第１供給物供給手段１６０であり、導管２１２と水凝縮分離器２１３を介して第１中間供給圧力１６１での供給ガスを第１供給加圧マニホルド４８に送出する。供給コンプレッサ第３段２０６は第２供給物供給手段１６２であり、導管２１４と水凝縮分離器２１５を介して第２中間供給圧力１６３での供給ガスを第２供給加圧マニホルド５１に送出する。供給コンプレッサ第４段２０８は第３供給物供給手段１６５であり、導管２１６と水凝縮分離器２１７を介して供給マニホルド５３に高い方の圧力１５１の供給ガスを送出する。軽い生成物酸素流量は、軽い生成物マニホルド７１から、実質的には、摩擦圧力低下を差し引いた高い方の圧力で維持される導管２１８によって送出される。
【００５２】
図８の装置は、シャフト２２２によって供給コンプレッサ２０１に結合されている軽い還流エキスパンダ２２０（ここでは４段階を有する）と並流ブローダウンエキスパンダ２２１（ここでは２段階を有する）を有するエネルギー回収エキスパンダを有する。エキスパンダ段は、例えば、半径方向の流入タービン段として、別個のホイールを備えている完全進入軸流タービン段として、あるいは以下に図１７〜２０に示されているように単一ホイール内で結合されている進入衝撃タービン段として設けられてよい。
【００５３】
第１の軽い還流出口マニホルド７３からの軽い還流ガスは、導管２２４と加熱器２２５を介して、ここでは第１の軽い還流エキスパンダ段２２６である第１軽い圧力減圧手段１７０に高い方の圧力で流れ、それから導管２２７によって第１の軽い還流戻りマニホルド８７に第３の軽い還流加圧圧力１９２で流れる。第２の軽い還流出口マニホルド７５からの軽い還流ガスは、導管２２８と加熱器２２５を介して、ここでは第２エキスパンダ段２３０である第２の軽い還流圧力減圧手段に第１並流ブローダウン圧力１７１で流れ、それから導管２３１によって第２の軽い還流戻りマニホルド８５に第２の軽い還流加圧圧力１９１で流れる。第３の軽い還流出口マニホルド７７からの軽い還流ガスは、導管２３２と加熱器２２５を介して、ここでは第３エキスパンダ段２３４である第３の軽い還流圧力減圧手段１７４に第２並流ブローダウン圧力１７３で流れ、それから導管２３５によって第３の軽い還流戻りマニホルド８３に第１の軽い還流加圧圧力１９０で流れる。最後に、第４の軽い還流出口マニホルド７９からの軽い還流ガスは、導管２３６と加熱器２２５を介して、ここでは第４の軽い還流エキスパンダ段２３８である第４の軽い還流圧力減圧手段１７６に第３並流ブローダウン圧力１７５で流れ、それから導管２３９によって第４の軽い還流戻りマニホルド８１に実質的に低い方の圧力１５２で流れる。
【００５４】
第１逆流ブローダウンマニホルド５７からの重い並流ブローダウンガスは、導管２４０によって加熱器２４１へ、そこから第１排出手段１８１としての並流ブローダウンエキスパンダ２２１の第１段２４２へ第１逆流ブローダウン中間圧力１８０で流れ、エキスパンダ２４３から排出マニホルド２４３に実質的には低い方の圧力１５２で放出される。第２逆流ブローダウンマニホルド５９からの並流ブローダウンガスは、導管２４４によって加熱器２４１へ、そこから第２排出手段１８３としての逆流ブローダウンエキスパンダ２２１の第２段２４５へ第２並流ブローダウン中間圧力１８２で流れ、エキスパンダから排出マニホルド２４３に実質的に低い方の圧力１５２で放出される。最後に、重い生成物排出マニホルド６１からの重いガスは、第３排出手段１８４としての導管２４６によって排出マニホルド２４３に流れ、重い生成物ガス１８５を実質的には低い方の圧力１５２で送出する。
【００５５】
加熱器２２５と２４１は、エキスパンダ２２０と２２１に進入するガスの温度を上昇させ、このようにして膨張エネルギーの回収を補い、シャフト２２２によってエキスパンダ２２０と２２１から供給コンプレッサ２０１へ伝達される動力を増加し、原動機２０９から必要とされる動力を減少する。加熱器２２５と２４１は、熱をエキスパンダに提供するための手段であるが、中間冷却器２０３、２０５、および２０７は供給コンプレッサから熱を除去し、高い方のコンプレッサ段の要求動力を減少するのに役立つ。加熱器と中間冷却器は、本発明のオプションの機能である。
【００５６】
軽い還流加熱器２４９が、軽い還流膨張段の出口温度が導管２１２、２１４および２１６によって供給マニホルドに送出される温度より高いように十分に高温で動作する場合、吸収材２４の第２端部３５の温度はその第１端部３４の温度より高い可能性がある。したがって、吸収器は流路に沿った熱勾配を有し、第１端部を基準にしてその第２端部での温度はさらに高くなる。これが、米国特許番号第４，７０２，９０３号でＫｅｅｆｅｒによって紹介される「熱的に結合される圧力スイング吸収」（ＴＣＡＰＳＡ）の原理の拡張部分である。それから、吸収材ロータ１１は、コンプレッサ２０１とエキスパンダ２２０を有する再生ガスタービンエンジンでの場合のように、熱回転熱交換器としての役割を果す。加熱器２２５によってＰＳＡプロセスに与えられる熱は、圧縮側での中間冷却および膨張側での段間加熱を伴うＥｒｉｃｓｓｏｎの熱力学サイクルをほぼ実現する先進再生ガスタービンエンジンと同様に、再生熱力学的パワーサイクルに従ってプロセスに動力を提供するのを補助する。
【００５７】
空気からの酸素分離に適用されるＰＳＡの例では、総軽い還流流量は、窒素の強力なバルク吸収のために供給流量よりはるかに少ない。したがって、エキスパンダから回収可能な動力はコンプレッサによって必要とされる動力よりはるかに少ないが、依然として酸素生成の効率を高めることに大きく貢献するだろう。吸収材を適度に上昇した温度で動作し、Ｃａ−Ｘ、Ｌｉ−Ｘまたはカルシウム斜方沸石などの強力窒素選択吸収材を使用することによって、ＰＳＡ酸素精製システムは好ましい性能と例外的な効率で動作できる。吸収材の高い方の温度が窒素の摂取を減少し、選択的に等温線はさらに線形となるだろう。超大気圧ＰＳＡサイクルでの有効作業容量は、吸収材の昇温勾配に従ったＴＣＰＳＡでの動作によって高められてよい。Ｃａ−ＸとＬｉ−Ｘなどの吸収材を研究対象とし、最近の従来の慣行は、いわゆる「真空スイング吸収」（ＶＳＡ）で大気中より低い方の圧力で周囲温度ＰＳＡを動作し、その結果、きわめて選択的な吸収材が窒素吸い込みで飽和をかなり下回って動作し、相対的に線形の当恩船範囲で大きな作業容量を有することであった。さらに高温では、窒素摂取の飽和はさらに高められた圧力にシフトされるので、最適ＰＳＡサイクルの高い方の圧力と低い法の圧力も上方へシフトされる。図８の装置の満足の行く動作のために、吸収材の第２端部の典型的な運転温度は、Ｃａ−ＸまたはＬｉ−Ｘの場合約５０℃、カルシウム斜方沸石の場合１００℃から１５０°となってよい。
【００５８】
高エネルギー効率は最高に重要ではないが、軽い還流エキスパンダ段および並流ブローダウンエキスパンダ段は、図１０に示されているように、圧力減圧のためにレストリクタオリフィスまたはスロットル弁によって置換されるだろう。図８の概略図は、コンプレッサを原動機に結合するだけではなく、コンプレッサ段、並流ブローダウン段または排出エキスパンダ段、および軽い還流段もサポートする単一軸を示す。しかしながら、別の軸およびさらに別の原動機も、本発明の範囲内で別個の圧縮段と膨張段に使用されてよいことが理解されるべきである。
【００５９】
また、（以下の図９の実施形態の真空ポンプ段の数だけではなく）圧縮段の数と膨張段の数も本発明の範囲内で変えられてよいことも理解されるべきである。一般的には、および選択されたコンプレッサまたはエキスパンダの種類の等しい段効率に関して、第１オリフィスと第２オリフィスでの逆転できない等化膨張がさらに狭い圧力間隔で実行されるため、多数の段はＰＳＡプロセス効率を改善するだろう。しかしながら、各追加段の効率の改善は、段数が大きくなるにつれて減少するだろう。
図９
図９は、空気からの酸素分離のための真空ＰＳＡ（ＶＰＳＡ）システムを示す。図６の中間圧力１５８は、現在、名目大気圧である。低い方の圧力１５２と高い方の圧力１５１は、それぞれ約０．５倍と１．５倍の大気圧である。供給コンプレッサ第１段２０２は直接的に第１フィード手段供給マニホルド４８になる。同様に、コンプレッサ第２段２０４と第３段２０６は、それぞれ第２供給手段１６２と第３供給手段として動作する。凝縮分離器は簡略さのために省略されている。
【００６０】
多段真空ポンプ２６０は、シャフト２２２によって駆動され、軽い還流エキスパンダ２２０によって補助される。真空ポンプは、例えば多段遠心コンプレッサまたは軸流コンプレッサであってよいか、あるいはそれは複数の吸い込み圧力で入口ガスを受け入れるように適応されている回転確動変位機会によって提供されてよい。（第３排出手段１８４としての役割を果す）第１段真空ポンプ２６１は、実質的に低い方の圧力で重い生成物排出マニホルド６１から窒素で濃厚にされた空気を引き出し、このガスを、中間冷却器２６２を通して第２逆流ブローダウン圧力１８２で、やはり重いガスを第２並流ブローダウンマニホルド５９から同じ圧力で引き出す（第２排出手段１８２としての役割を果す）第２段真空ポンプ２６３に送出する。真空ポンプ２６０から放出される結合の重いガスは、（第１排出手段１８１としての役割を果す）導管２４０によって放出される重いガスと結合され、導管２４３によって（第１並流ブローダウン圧力に等しい）大気に送出される従量生成物１８５を形成する。
図１０
図１０は、図９のＶＰＳＡ装置に類似するが、軽い還流圧力減圧手段１７０，１７２，１７４および１７６がスロットルオリフィス２７０，２７２、２７４、および２７６によってそれぞれ提供されているＶＰＳＡ装置を示す。スロットルオリフィスは固定オリフィスであってよいか、あるいはそのオリフィス開口の調和した調整のための制御アクチュエータ２７７付きスロットル弁であってよい。制御アクチュエータ２７７は、軽い還流ステップごとに圧力減圧の速度を調整するための手段を提供し、その結果、プロセスは異なるサイクル周波数または高い方の作業圧力と低い方の作業圧力の異なる比率での動作のために調整されてよい。（制御装置２７７による前記調整可能スロットルと類似する）調整可能ノズルが、軽い還流（または逆流ブローダウンエキスパンダ段のそれぞれに使用される膨張タービンといっしょに代わりに使用されてよいことに注意する必要がある。
図１１
図１１は、２つの供給ガス混合物を受け入れるように適応され、重い生成ガスの再圧縮を伴うＰＳＡ装置を示す。適切な用途は、例えば、典型的には炭化水素ガスを含有する、水素が３０％から７０％の水素化処理装置パージガスなどの石油精製オフガスからの水素回収だろう。頻繁には、異なる水素濃度の複数のオフガスが、１０〜２０大気の範囲での上昇供給圧力で使用可能である。例えば、活性炭やゼオライトなどの典型的な吸収材を使用すると、炭化水素不純物は水素よりはるかに容易に吸収されるため、精製された水素が、供給物供給圧力をわずかに下回るだけの可能性がある高い方の作業圧力で送出される軽い生成物となるが、不純物は重い生成物として濃縮され、低い方の作業圧力で「ＰＳＡテールガス」としてＰＳＡプロセスから排出されるだろう。しばしば、テールガスは不要なガスを放出し燃焼されるか、あるいは燃料ガスとして使用されるかのどちらかである。
【００６１】
水素負担量（ｄｕｔｙ）の場合、ガスの低分子重量のために、確動変位膨張機械とコンプレッサ（例えば、ツインのねじ機械）が好まれることがある。このような機械は、複数の中間圧力でガスを受け入れ、送出するために余分な入口および／または放出ポートにより、本発明に従って適応されてよい。
【００６２】
（吸収材が周囲温度近くで動作している）精油所オフガスからのＰＳＡ水素回収の性能と生産性は、低い方の作業圧力を可能な限り低く、好ましくは大気圧近くで動作することによって大幅に高められるだろう。しかしながら、テールガスは、通常、精油所燃料ガスヘッダへの処分のために少なくと５または６大気という圧力で送出される。特に、精油所の安全制約の元での可燃性ガスの圧縮費用は、法外に高い可能性がある。
【００６３】
図１１の装置は、第１供給ガス混合物と第２供給ガス混合物を受け入れるように構成され、第１はより容易ではなく吸収される成分（例えば、水素）のさらに高い濃度を有するが、第２はさらに容易に吸収される留分の第１供給ガス混合物よりさらに濃縮される。第１供給ガスは、第１送り込み導管２８０によって第１供給マニホルド５３に実質的には高い方の作業圧力で供給されるが、第２供給ガスは第２送り込み導管２８１によって第１供給マニホルド５５へ実質的には高い方の作業圧力で供給される。各吸収材は第１供給ガスを受け取った後に第２供給ガスを受け入れ、その結果、吸収材の中の濃度プロファイルは、吸収要素２４の流路の第１端部３４から第２端部３５までその流路に沿ったさらに容易に吸収される成分の濃度で単調に衰える。最終的な加圧ステップを除くすべてのステップが、ここでは軽い還流ガスで達成される。（第３の軽い還流加圧圧力１９２から直接的に高い方の圧力１５１への）最終的な供給加圧は、各吸収材の第１端部がマニホルド５３に連通するコンパートメント５２に開かれるにつれて達成される。追加供給加圧ステップは、図８の実施形態でのように容易に取り入れることができるだろう。
【００６４】
この実施形態では、テールガス（重い生成物）は、第２生成物送出導管から、この例では、ほぼ、導管２４０が第１排出手段１８１である図６の第１並流ブローダウン圧力１８０である、低い方の作業圧力より高い方の作業圧力で排出される。テールガスはテールガスコンプレッサ２９０によって再圧縮され、コンプレッサ第１段２９０は、導管２６４を経由する排出マニホルド６１からの第１生成物ガスを圧縮し、第１段圧縮後の第１生成物ガスを、中間冷却器２９２を通して、それ自体が導管２４４を経由するマニホルド５９からの第２逆流ブローダウンガスを圧縮する第２排出手段であるコンプレッサ第２段２９３に送出する第３排出手段１８４である。
図１２
図１２は、さらに容易に吸収される成分の重い生成物への高い方の濃縮と純度、あるいは軽い生成物へのより容易ではなく吸収される成分の高い方の生産量（回収）のどちらかを得るための重い還流物によるＰＳＡ装置を示す。この装置は、重い生成物を、両方の生成物ガスがほぼ高い方の圧力で送出されるように、ここではほぼ高い方の作業圧力である高められた圧力で送出するように構成されてもよい。
【００６５】
図１２の装置は、第１供給マニホルド５３に供給ガスを実質的に高い方の圧力で導入するための送り込み導管３００を有する。図１１の例でのように、吸収材加圧は、おもに、マニホルド５３を通る最終送り加圧ステップで軽い還流物によって達成される。
【００６６】
多段重い還流コンプレッサ３０１は、図７の第１排出手段１８４として第１段階３０２を有し、導管２４６によって重いガスを第１生成物排出マニホルド６１から引き出し、このガスを、中間冷却器３０３を通して第２段階３０４まで圧縮する。第２排出手段１８３としての重い還流コンプレッサ第２段３０４は、導管２４４を通して、第２逆流ブローダウンマニホルド５９から重いガスを引き出し、第１排出手段１８１として導管２４０を通って第１逆流ブローダウンマニホルド５７から重いガスを引き出し、このガスを中間冷却器によって実質的にはＰＳＡサイクルの高い方の作業圧力を達成する第４段３０８に送出する第３段３０６に中間冷却器３０５によって送出する。重い還流コンプレッサは、軸２１０を通る原動機２０９によって、および軸３０９を通る軽い還流エキスパンダ２２０によって駆動される。
【００６７】
圧縮された重いガスは、コンプレッサ第４段３０８から、導管３１０によって凝縮分離器３１１に伝えられ、そこから重い生成物は、実質的には摩擦圧力低下を差し引いた高い方の圧力で外部で維持される導管３１２によって送出される。（水または液体炭化水素などの）凝縮された蒸気は、実質的には導管３１２内の重い生成物と同じ圧力で導管３１３を通って除去される。第１生成物ガスの除去後の残りの重いガス流量は、導管３１４によって、吸収材ごとの供給ステップに続く吸収材への重い還流物として、第２供給マニホルド５５に流れる。重い還流ガスは、第１供給ガスより、さらに容易に吸収される成分または留分中のさらに高い濃度の第２供給ガスである。
図１３
図１３は、多段ターボチャージャに類似するエネルギー回収エキスパンダによって動力を提供される自由なロータテールガスコンプレッサまたは真空ポンプ付きのＰＳＡ装置を示す。自由ロータコンプレッサ３２０は、軸３２１上に、重い生成物ガスまたはテールガスを排出マニホルド６１から引き出す第３排出手段１８４である、テールガスコンプレッサ３２２（または低い方の圧力が大気中より低い場合には、真空ポンプ３２２）を有する。この例では、重い生成物ガスは、低い方の圧力を超えている第２逆流ブローダウン圧力１８２で導管２４３から放出される。圧力１８２は、ここでは大気圧であってよく、その場合、第３排出手段は真空ポンプである。導管２４４は第２排出手段１８３である。第１排出手段１８１は、自由ロータコンプレッサ３２０の軸３２１に結合されているエキスパンダ３２３である。エキスパンダ３２３は、導管２４０とオプションの加熱器２４１を通ってマニホルド５７から流れる重いガスを膨張させ、そのガスを排出導管２４３に放出する。
【００６８】
軽い還流エキスパンダ２２０と逆流ブローダウンエキスパンダ３２３は、ともに、軸３２１によってテールガスコンプレッサ３２２を駆動するために結合され、機械的な動力のそれ以外のソースは必要とされていない。（軽い還流物および逆流ブローダウンからの）エネルギー回収の適用は、ＰＳＡ（またはＶＰＳＡ）サイクル性能を改善するために低い方の圧力を減少するか、例えばテールガス処置などに必要とされる可能性のある第１生成物送出圧力を、電気モータ駆動式コンプレッサを必要としなくても上昇させるという代替利点を提供する。この特徴は、特に、高められたテールガス圧力が望まれる可能性はあるが、低い方の圧力の減少が性能を大幅に改善する水素分離に有効だろう。代わりに、水素ＰＳＡシステムは、大気中より低い、低い方の圧力で動作できるだろうが、テールガスはフレアまたは炉の中での燃焼のために大気圧を十分に超えて放出される。
図１４
図１４は、自由なロータコンプレッサまたはターボチャージャを使用する別の実施形態を示す。この実施形態では、空気からの酸素分離に適用され、モータ駆動式第１供給コンプレッサ３３０がシャフト２１０を通る原動機２０９によって駆動される。図８と同じ供給圧縮段の名称および参照番号を使用し、供給コンプレッサ３３０は、モータ２０９によって駆動される軸２１０上の供給圧縮第１段２０２と第３段２０６を有する。自由ロータ第２コンプレッサ３４０は、シャフト２２２を通る逆流ブローダウンエキスパンダ２２１と軽い還流エキスパンダ２２０によって駆動されるシャフト２２２上の供給圧縮第２段２０４、および第４段２０８を有する。この形状構成により、自由ロータコンプレッサが、熱的に昇圧された膨張エネルギー回収の適用により供給圧力を昇圧するための手段、およびＰＳＡモジュールへの供給のために段中間圧力を分割するための手段として二重機能を有するため、ＰＳＡサイクルをより多数の供給物供給圧力（ここでは図６の３つの圧力１６１，１６３、および１５１）で動作するために段数が制限されている（ここでは２段）モータ駆動式供給コンプレッサの動作が可能になる。
図１５
図１５は、それぞれが、エネルギー回収エキスパンダによって動力を提供される自由ロータ昇圧コンプレッサを有し、装置全体が、例えば、電気モータまたはガスタービンであってよい単一原動機３５０を有する、４つのモジュールが並列されるＶＰＳＡ酸素精製プラントを示す。原動機３５０は、シャフト３５２上で第１供給コンプレッサ３５１を駆動する。供給コンプレッサ３５１は、送り込み導管２００から供給ガスを引き出す第１段３５３、および第３段３５４を有する。供給圧縮の第２段は、各モジュールの自由ロータコンプレッサによって提供される。この実施形態の第１供給コンプレッサ３５１は、同様にシャフト３５２に結合されている排出真空ポンプ３５５も有する。
【００６９】
プラントは、４つの同一モジュール１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃおよび１０Ｄを有する。図１５と図１６では、構成要素の名称と参照番号は、図１〜１４に関して確立されたものに従い、接尾語ＡからＤがモジュール構成要素の参照番号に付加され、任意の１つのモジュールに関連してそのように識別される各構成要素が、その他のモジュールのそれぞれでも同一に発見されるだろう。第１マニホルドは、モジュール１０Ｄに関して、供給加圧のための４８Ｄと５１Ｄ、高い方の圧力での供給物供給のための５３Ｄ、逆流ブローダウンのための５７Ｄと５９Ｄ、および低い方の圧力での排出のための６１Ｄとして識別される。第２マニホルドは、モジュール１０Ｃに関して軽い生成物送出マニホルド３６０と送出導管２１８に連通する７１Ｃ、軽い還流出口マニホルド、７３Ｃ、７５Ｃ、７７Ｃおよび７９Ｃ、および軽い還流戻りマニホルド８１Ｃ、８３Ｃ、８５Ｃよび８７Ｃとして識別される。
【００７０】
各モジュールの同一自由ロータコンプレッサは、モジュール１０Ｂに関連して説明されるだろう。自由ロータコンプレッサアセンブリ３７０Ｂは、ともにシャフト３７３Ｂによって軽い還流エキスパンダ２２０Ｂに結合されている供給圧縮第２段３７１Ｂおよび真空ポンプ３７２Ｂを有する。供給コンプレッサ第１段３５３によって圧縮される供給ガスは、各モジュールの第１供給加圧マニホルド（例えば４８Ｄ）に、およびさらに圧縮された供給加圧ガスを各モジュールの第２供給加圧マニホルド（例えば、５１Ｄ）に送出する各モジュールの自由ロータコンプレッサアセンブリ（例えば、３７０Ｂ）の供給圧縮第２段（例えば、３７１Ｂ）の入口に並列に供給マニホルド３７６によって伝えられる。第３供給コンプレッサ段３５４によって高い方の圧力に圧縮される供給ガスは、モジュールのそれぞれの第１供給物供給マニホルド（例えば、５３Ｄ）に並列に供給マニホルド３７７によって伝えられる。低い方の圧力での重いガスは、各モジュールの重いコンパートメント（例えば、６１Ｄ）から、真空排出マニホルド３７８を通って第３排出手段としての排気真空ポンプ３５５に引き出される。各モジュールの第１逆流ブローダウンマニホルド（例えば、５７Ｄ）からの逆流ブローダウンガスは第１排出手段としての導管２４０Ｂによって放出されるが、各モジュールの第２並流ブローダウンマニホルド（例えば、５９Ｄ）からの逆流ブローダウンガスは第２排出手段としての自由ロータコンプレッサアセンブリの真空ポンプ（例えば、３７２Ｂ）によって排出され、重いテールガスを、例えば２４３Ｂなどのモジュール重い生成物または廃棄ガス排出物に送出する。
図１６
図１６は、５つのモジュール１０Ａ〜１０ＥのあるＰＳＡ装置を示す。この実施形態では、原動機、すべてのコンプレッサ段、およびすべてのエキスパンダ段が、図８の実施形態と構成要素の説明に従って、直接的に機械的に（例えば、単一シャフト上で）結合され、唯一の相違点は複数のモジュールの並列での接続である。
図１７
この例では、密封面２１と２３は、それぞれ、第１バルブステータと第２バルブステータ４０と４１上の硬い面（ｈａｒｄ−ｆａｃｅｄ）の孔付き表面として提供される。摺動シール３８０は、各吸収材２４とその隣接物（ｎｅｉｇｈｂｏｕｒｓ）間のロータ１１上に、密封面２１と２３の両方を流体密封接触で係合するために設けられている。シール３８０は、ＰＴＦＥまたは炭素に基づく適切な複合材の磨耗面を有することがあり、磨耗、振れ、および心のずれを補償するためにロータ１１の上に柔軟に取り付けられる必要がある。各吸収材は代わりにそのコンパートメントに対して開かれるので、ポート３８１は、特に各コンパートメントの先端で、吸収材とそのコンパートメントの間の円滑な圧力等化のための制御された流量調節を提供するための寸法に作られてよい。
【００７１】
スプリットストリーム真空ポンプ２６０は、逆流ブローダウンコンパートメント５６、コンパートメント５８、およびコンパートメント６０から、増分的に減ぜられる圧力で排ガスを受け取る３つのストリームで、逆流ブローダウン排出流を受け取る。結合された排ガスは、重い生成物ガスとして放出される。この例では、初期の供給加圧が大気から実行されるので、第１供給加圧導管３８２は、実質的には大気圧で、入口フィルタ２００から第１供給加圧コンパートメント４６に直接供給空気を導入する。供給コンプレッサ２０１の第１放出ポートは、ここでは、第２供給加圧コンパートメント５０に連通する。コンプレッサは、入口３９１、および増分的に高い方の圧力での３つの排出口３９２、３９３、および３９４のある分割段機械として示される。
【００７２】
エネルギー回収が行われる軽い還流圧力減圧のオプションでは、スプリットストリームの軽い還流エキスパンダ２２０が、４つの軽い還流段の圧力減圧にエネルギー回収を提供するために設けられる。軽い還流エキスパンダは、示されているように４つの軽い還流段のそれぞれに圧力減圧を提供する。破線３９５によって示されているように、段は、要すれば、段の間でのガス濃度の混合を最小限に抑えるために、軽い還流エキスパンダ内で区分されてよい。軽い生成物純度は、高い方の圧力の軽い還流段から低い方の圧力の軽い還流段に衰える傾向があり、その結果、混合が回避される場合には軽い還流物の所望の層状構造は維持することができる。
【００７３】
軽い還流エキスパンダ２２０は、シャフト３９７によって軽い生成物圧力昇圧コンプレッサ３９６に結合される。コンプレッサ３９６は、コンパートメント７０から軽い生成物を受け取り、（ＰＳＡサイクルの高い方の圧力を超える送出圧力に圧縮される）軽い生成物を送出導管２１８から送出する。軽い還流物および軽い生成物はともにほぼ同じ純度の濃厚にされた酸素のストリームであるため、エキスパンダ２２０と軽い生成物コンプレッサ３９６は、ターボチャージャに類似する単一ハウジング内で密封封入されてよい。
図１８
図１８は、かなりの分量の酸素生成に意図されている半径方向流回転ＰＳＡモジュール５００を示す。図１７に関して、この図は、高い方の圧力でコンパートメント５４と７０と、低い方の圧力でコンパートメント８０と６０を通る軸に沿ったセクションと解釈されてよい。矢印５０１と５０２は、それぞれ供給流れと排出流れを示す。ロータ１１は、第１バルブステータ４０と一体化している第１軸受けハウジング５１３内の軸受け５１２によって支えられているスタブシャフト５１１付きの第１端プレートを有する。ロータ１１は、第１バルブステータ４０にアセンブリジョイント５１９で取り付けられている、第２軸受けハウジング５１８内の軸受け５１７によって支えられているスタブシャフト５１６付きの第１端プレート５１５にアセンブリジョイント５１４で取り付けられる。
【００７４】
ロータ１１は、シャフトシール５２２を通ってハウジング５１３を貫通するシャフト９４によってスタブシャフト５１１に接続されているモータ９５によって駆動される。第１端プレート５１０は、第１バルブ表面から第２バルブ表面への漏れによって軽い生成物ガスの純度を傷つける可能性のある穿孔は有していない。第２端プレート５１５は、第２バルブステータによってブッシュ５３０で貫通される。第２バルブステータ４１は、ガイドブッシュ５３０と５３２付きのロータ１１内の静止ピントルであり、アセンブリ面５３４で第２軸受けハウジング５１８に取り付けられる。軸受け５１２と５１７は、密封面２１でのロータ１１の外径より直径ではるかに小さいことがある。シャフトシール５３５は、シャフト５１６と軸受け５１７の間に設けられ、第１弁密封面２１に隣接するチャンバ５３６から第２弁密封面２３に隣接するチャンバ５３７への漏れによる軽い生成物ガスの汚染を防止する。
【００７５】
好ましくは、シール５３５は、生成物純度が傷つけられないように漏れに対して密封されている。このシールを弁密封面より小さい直径で構成することにより、シャフトシール５３５からの摩擦トルクは、このシールが完全ロータ直径である場合より大幅に減少される。第１バルブ表面のシールでの漏れは、それらのシールでの適度な漏れはプロセスの体積測定の効率を減少しただけであるため、はるかに重要ではない。同様に、第２バルブ表面でのシールでの適度な漏れは、それらのシール全体で漏れることのある軽い還流ガスと軽い生成物ガスの濃度がほぼ同一であるために許容されてよい。（周方向のシール９６を有する）第１バルブ表面のシール全体、および（周方向のシール９７を有する）第２バルブ表面のシール全体での適度な漏れは許容できるため、それらのシールのすべては、摩擦トルクを最小限に抑えるために相対的に軽い機械的な係合のために設計されてよい。事実上、機械的なこすり摩擦がゼロである狭い間隙隙間シールまたは複雑に入り組んだシールの使用は、特に、密封漏れ流れが総合的な効率に最小の影響を及ぼす高いサイクル周波数（例えば、毎分５０または１００サイクル）で動作するさらに大きな容量のモジュールにとっては魅力的なオプションである。好ましくは、第１バルブ表面と第２バルブ表面のシールは、一貫した性能と漏れを有し、その結果すべての「Ｎ」個の吸収材は、吸収材の間の漏れの変動により失敗させられずに、可能な限り、同じＰＳＡサイクル流れと圧力領域を経験する。
【００７６】
したがって、本発明の重要な利点とは、閉鎖公差密封が、機械的な摩擦電力損だけではなく、密封周縁部も減少するために、１つの動的回転シール、つまりその直径がロータ直径よりはるかに小さくされた軸シール５３５だけで必要とされるという点である。
【００７７】
前記図１７に関して説明されるような「ターボコンプレッサ」酸素昇圧機の（自動車ターボチャージャに類似する）コンパートメントのために、軽いバルブステータの内側で閉鎖結合されている軽い生成物コンプレッサ３９６のあるスプリットストリームの軽い還流エキスパンダを設置することが可能である。圧縮された酸素生成物は導管２１８によって送出される。
図１９
図１９は、さらに小規模の酸素生成のための軸流回転ＰＳＡモジュール６００を示す。吸収材２４内の流路は、ここでシャフト６０１に平行である。それぞれ矢印６０２−６０３、６０４−６０５、および６０６−６０７によって画定されている平面内のモジュール６００の断面である図２０、図２１、および図２２からさらに理解が得られるだろう。図１９は、高い方の圧力にあるコンパートメント５４と７０と、低い方の圧力にあるコンパートメント６０と８０を通るモジュール６００の軸に沿ったセクションである。吸収材ロータ１１は、吸収材ホイール６０８の中に「Ｎ」個の吸収材２４を有し、第１バルブステータ４０と第２バルブステータ４１の間で回転する。圧縮された供給空気は、矢印５０１によって示されているようにコンパートメント５４に供給されるが、窒素に富む排ガスは矢印５０２によって示されているように、コンパートメント６０から排出される。
【００７８】
ロータ１１の端部では、周方向シール６０８と６０９が第１密封面２１の境界となり、周方向シール６１０と６１１が第２密封面２３の境界となる。密封面は、平らな円板である。周方向シールは、吸収材同士の間のシールの、または代わりにステータコンパートメント同士の密封面内の動的シールの端部も画定する。ロータ１１は、第１バルブステータ４０と一体化している第１軸受けハウジング５１３内の軸受け５１２により支えられているスタブシャフト５１１を有する。第２バルブステータ４１は、ガイドブッシュ６１２とロータ１１を係合するスタブシャフトを有する。
フランジ付きカバープレート６１５が、構造上の結合および第１バルブステータ４０と第２バルブステータ４１との間の流体密封囲いのために具備される。ロータは、ジョイント６１９で吸収材ホイール６０８に取り付けられ、第２バルブステータ４１の後部とカバープレート６１５の間で動的シール６２５により接触される密封面６２１まで伸びているシールキャリヤ６１８を有する。シール６２５は、第１弁密封面２１に隣接する室６２６から第２弁密封面２３に隣接する室６２７への漏れによる、軽い生成物ガスの汚染を防ぐ。
【００７９】
シール６２５は、製品の純度を損なう漏れに対して緊密である必要がある。バルブ表面外径より小さい直径に対するこのシールによって、このシールからの摩擦トルクは、このシールが完全なロータ直径である場合より大幅に減少される。漏れにさらされる周方向の周縁部も減少される。図１８に示されているように、閉鎖結合されている軽い生成物コンプレッサ３９６付きのスプリットストリームの軽い還流エキスパンダ２２０として示されている軽い還流圧力減圧手段は、軽いバルブステータの内側に設置されてよい。
図２０
図２０は、ツインの吸収材ホイール付きの軸流回転ＰＳＡモジュール６５０を示す。第１吸収材ホイール６０８に関する図１９でのと同じ参照番号が使用され、ロータ１１として合わせて組立てられている第２吸収材ホイール６０８‘にプライム符号参照番号が使用されている。モジュール６５０は２つの第１バルブ表面２１と２１’を有し、それぞれが供給物供給コンパートメントと第２生成物排出コンパートメントの完全なセットを備えている。外部マニホールドは、供給流体を供給コンパートメントのそれぞれの組に供給するために、および排出コンパートメントのそれぞれの組から排出流体を退出させるために設けられるだろう。モジュール６５０は、軽い生成物送出、軽い還流出口と戻り、およびパージのためのコンパートメントの共通セットを共有する２つの第２バルブ表面２３と２１９‘を有する。矢印６５１が、コンパートメント２２１の中での流れの方向を示し、矢印６５２がコンパートメント７０の中での流れの方向を示す。
【００８０】
ロータ１１は、第１吸収材ホイール６０８に結合されているシャフト９４によって駆動される。吸収材ホイール４０８と６０８‘は、ジョイント６５５で取り付けられる。図１９のフランジ付きカバープレート６１５は、モジュール用の封入されたハウジングを形成するために第１バルブステータ４０と第２バルブステータ４１を結合する役割において、ここでは第１バルブステータ４０’によって第２吸収材ホイール６０８の代わりに置換される。小さい直径の動的シール６６０は、ブッシュ６１２‘に隣接して取り付けられ、第１バルブ表面と第２バルブ表面の間の漏れを妨ぐ。
【００８１】
実施形態６５０は、単一ホイール実施形態６００に例えられる、双子の軸に沿ったホイール形状構成の二重容量定格を可能にする。
図２１
図２１は、スプリットストリーム供給コンプレッサ２０１とスプリットストリーム逆流ブローダウンエキスパンダ２２１に流体結合がなされているセクション６０２−６０３での図１９の実施形態６００の第１バルブ表面２１を示す。矢印６７０は、吸収材ロータ１１の回転の方向を示す。供給コンパートメントと排出コンパートメントへの出口が付けられているバルブ表面２１の開放領域は、周方向シール６０８と６０９の間のそれらのコンパートメントに対応する明確な角のあるセグメント４６、５０，５２，５６，５８，６０によって示されている。コンパートメント間のバルブ表面２１の閉じられている領域は、ハッチングされているセクタ６７５と６７６によって示される。典型的な閉鎖されているセクタ６７５が、コンパートメント５６に開かれている（ｂｅｉｎｇ  ｏｐｅｎ  ｔｏ  ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ  ５６）とコンパートメント５８に開いている（ｏｐｅｎ  ｔｏ  ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ  ５８）間の吸収材に遷移を提供する。新しいコンパートメントに対して開かれている吸収材の緩やかな圧力等化を達成するために、コンパートメントの前縁６７７と６７８の間で漸進的な開口が提供される。はるかに幅広い閉じられているセクタ（例えば、６７６）が、加圧またはブローダウンが他方の端部から実行されているときに、吸収材の一方の端部へまたは一方の端部からの流れを実質的に閉じるために設けられている。
【００８２】
典型的な閉鎖されているセクタ（例えば、６７５）にあるコンパートメントの間の密封は、ステータまたはロータのどちらかの上でのシールを、向かい合うロータまたはステータの孔付き硬い面（ｈａｒｄ−ｆａｃｅｄ）密封反対面に対してこすりつけることによって、あるいは名目上閉じられている表面のハッチングされている領域で画定されている狭い密封間隙の領域のあるステータ上の狭い間隙隙間シールによって設けられてよい。こすり（ｒｕｂｂｉｎｇ）シールは、適切なＰＴＦＥ化合物または黒鉛などの自己潤滑固形物質による半径方向ストリップシールとして、あるいは柔軟な繊維の緊密に詰められたブラシが反対面に対してこするブラシシールとして設けられてよい。
【００８３】
こすりシールが（隣接する吸収材間の）ロータ上にある場合、ハッチングされているセクタ６７５と６７６は、ステータ上の固い面の密封反対面の孔が付かない部分だろう。こすりシールがステータ上にある場合には、孔付きの硬い面の反対面がロータバルブ表面上にある。それらのこすりシールは、狭い閉じられたセクタ（例えば、６７５）の完全セクタストリップとして設けることができるだろう。さらに幅広い閉じられたセクタ（例えば、６７６）の場合、このような幅広いセクタの完全な領域を横切るこする係合と比較して摩擦を減少するために、狭い半径方向のこすりシールが縁部６７８と６８９として、それらの縁部の間の間隔で使用されてよい。
【００８４】
隙間シールは、特に、非常に多数「Ｎ」個の吸収材が平行してあるさらに大規模なモジュールの場合に魅力的である。隙間間隙への、または隙間間隙からの漏れ排出係数は、吸収材の角位置に対応して変化し、このようにして所望されるように緩やかな圧力等化を提供する。隙間間隙幾何学的配置は、隙間間隙内での漏れがおもとして吸収圧力等化のために使用され、このようにしてコンパートメントの間の貫通する漏れを最小限に抑えるように、典型的な名目上閉じられているセクタ（例えば、６７５）内で最適化される。隙間間隙は、開かれているコンパートメントに向かって間隙を広げるためにこのようなセクタ６７５内で先細にされてよく、その結果圧力等化における圧力変化の速度は線形に近くなる。幅広い閉じられているセクタ（例えば、６７６）の場合、隙間間隙は、それらのセクタを通過する吸収材のその端部での流量を最小限に抑えるために、所望されるように相対的に狭いだろう。
【００８５】
前述されたすべての種類のバルブ表面シールの場合、継時的に一貫した性能が達成され、すべての「Ｎ」個の吸収材が、シールの欠陥（ｉｍｐｅｒｆｅｃｔてｉｏｎｓ）からのすべての摂動後に同じ流れパターンを経験することが望ましい。この考えは、あらゆる欠陥がすべての吸収材によって同様に経験されるように、こすりシールをステータ上に配置することを好む。シールが吸収材の間のロータ上に置かれる場合、それらが厳密に同一であり、隣接する吸収材の間のめちゃめちゃにする漏れを回避するためにきわめて信頼できることが好ましい。
【００８６】
調整不良、熱歪み、構造上の振れ、およびシールと軸受けの磨耗を補償するために、密封システムは適切な自己整合サスペンションを有する必要がある。このようにして、こすりシールまたは隙間シール要素は、自己整合サスペンションに動的シール要素の後ろで静的な密封を与えるために、エラストマサポート、ベローズまたはダイアフラム上で支えられてよい。こすりシールは弾性予荷重とガス圧力負荷の組み合わせによって密封接触するように活発にされてよい。
【００８７】
隙間シールは、こすりガイドによって確立されてよい、きわめて正確なガス制御を必要とする。隙間シールギャップ制御は、正しい間隙が隙間シールセグメントの間隙内のガス圧力と、そのセグメントの後ろでサスペンションを負荷する隣接するコンパートメントの圧力の間の均衡によって維持される受動的なサスペンションによって達成されてもよい。ブローダウンコンパートメント間のシール要素の場合、簡略な受動的な自己調整サスペンションが安定している必要がある。隙間密封間隙を調整するためには活性制御要素も使用でき、直接間隙高さ測定から、または間隙内の圧力勾配から帰還がある。活性制御は、簡略な受動制御が不安定であることがある加圧コンパートメント間の密封要素にも考えられてよい。
図２２
図２２は、スプリットストリームの軽い還流エキスパンダ２２０と軽い生成物ブースタコンプレッサ３９６への流体結合がなされているセクション６０４−６０５での図１９の実施形態６００の第２バルブ表面２３を示す。流体密封原則および代替策は図２１の原則と代替策に類似している。類似する原則および代替策は、それぞれ円筒形面または円板面上で密封する、半径方向流と軸流の幾何学的配置に適用する。
図２３
吸収材ホイール６０８は、半径方向の流れに関して図５に示されているように、吸収材積層物の半径方向に位置合わせされている矩形の平坦なパックを使用してよい。図２３は、セクション６０６−６０７で、図１９の実施形態に関する代替吸収材ホイール形状構成を示す。図５に示されているように、吸収材２４は、再びスペーサ付きであるが、ここでのシートは平らよりむしろ曲線状の弧である矩形吸収材シートのパックから形成されている。この形状構成を使用すると、バルブ表面２１と２３でのポートとシールは、望ましくは対応する曲線状の弧として構成されるだろう。円形に曲線状の吸収材パックの間の空隙は、分離器６８４によって充填されている。このような円形に曲線状の吸収材パックは、吸収材シートを、円形円筒形心棒での螺旋状のロールでスペーサで形成してから、所望のパックを得るために縦方向に螺旋状のロールを切削することによって作られてよい。パッキング密度は、さらに、円形の曲線より螺旋形に吸収材シートを形成することによって改善されてよい。
図２４〜２７
図２４は、図８の供給コンプレッサ段２０２，２０４，２０６、および２０８、逆流ブローダウンエキスパンダ段２４２と２４５、および軽い還流エキスパンダ段２２６，２３０、２３４および２３８を提供するように構成されている、軽い還流および逆流ブローダウンのための衝動タービンエキスパンダ付き多段遠心コンプレッサ４００を示す。原動機２０９は、軸４０６上で軸受け４０４と４０５によってコンプレッサケーシング４０３の中で支えられている軸４０２を駆動する。軸４０２は、第１段インペラ４１１、第２段インペラ４１２、第３段インペラ４１３、および第４段インペラ４１４、排出衝動タービン羽根車４１５、および軽い還流衝動タービン羽根車４１６を担持する。
【００８８】
ＰＳＡプラント入口２００からの供給空気は吸い込みポート４２０に入り、吸い込みスクロール４２１まで、インペラ４１１の入口４１１まで進入する。インペラ４１１は、空気を、第１段ディフューザ４２５と、第１段圧縮空気を第２段インペラ４１２の入り口に向ける第１段コレクタスクロール４２６まで排出する。インペラ４１２は、空気を、第２段ディフューザ４３０と、その中から第２段送出ポートが、供給空気の一部を、導管２１２への第２段圧力での加圧ガスの一部として排出する第２段コレクタスクロール４１３に排出する。同様に、供給空気は、第３段インペラ４１３と第４段インペラ４１４によって圧縮され、空気を、導管２１４に連通している第３段送出ポート４３６から第３段圧力で、および第４段送出ポート４４０から第４段圧力で排出する。
【００８９】
多段遠心コンプレッサ４００は、図８の供給コンプレッサ２０１の段を提供する。図９の実施形態に必要とされているように、多段真空ポンプは、従来の遠心段として同様に設けられてよい。例えば、図１６に説明されているような大きな複数のモジュールのプラントの場合、排出タービンと軽い還流エキスパンダタービンは、その段階が図２４の遠心段に機械的に類似するだろう多段半径方向流入タービンとして設けられてよい。さらに大きいプラントでは、エキスパンダ段は、ガスタービン段と類似する、完全導入軸流タービン段として設けられてもよい。
【００９０】
さらに小さいプラント容量での特定の優位点のために、逆流ブローダウンおよび軽い還流膨張用に部分進入衝撃タービンを使用することによってかなりの簡略化が図２４〜２７の実施形態で得られ、各エキスパンダ段は単一羽根車ホイール上の対応するタービンのセクタの弧を占有する。各タービンのための段が隣接する圧力間隔でほぼ類似する成分のガスを膨張するため、この方法は実施できる。
【００９１】
図２５は、軽い還流衝撃タービン羽車４１６の平面を横切って、矢印４５１と４５２によって画定されている図２４のセクションである。図２４は、矢印４５３と４５４によって示されている平面内での図２５のセクションである。羽根車４１６は軸４０６の回りで、矢印４５５により示される方向で回転する。羽根車４１６はそのリム上にブレード４５６が取り付けられている。図２６は、図２５の端部４５９と４６０のある破壊された円５８によって示されているように、衝撃タービンの周縁部の３６０°の回りで展開されている、軽い還流エキスパンダ衝撃タービンの投影図である。
【００９２】
軽い還流タービンは、導管２２４に連通しているポート４６２から流れを受け入れる第１ノズル４６１、導管２２８に連通しているポート４６４から流れを受け入れる第２ノズル４６３、導管２３２に連通しているポート４６６からの流れを受け入れる第３ノズル４６５、および導管２３６に連通しているポート４６８から流れを受け入れる第４ノズル４６７を有する、４つの膨張段を提供するために羽根車の４つの９０°の四分円にサービスを提供する４つのノズルを有する。
【００９３】
ノズル４６１からの第１段軽い還流流れはブレード４５６に衝突し、ディフューザ４７１の中で収集され、導管２２７に連通するポート４７２によって減圧された圧力で排出される。同様に、ノズル４６３からの軽い還流流れはディフューザ４７３で収集され、ポート４７４によって導管２３１に流れ、ノズル４６５からの軽い還流流れはディフューザ４７５で収集され、ポート４７６によって導管２３５に流れ、ノズル４６７からの軽い還流流れはディフューザ４７７で収集され、ポート４７８によって導管２３９に流れる。段間の漏れ損失を最小限に抑えるために、羽根車４１６のケーシング４０３とブレード４５６の間の溝間隙４７９は、四分円の間で適切に狭い。
【００９４】
排出エキスパンダタービンまたは逆流ブローダウンエキスパンダタービンは２つの段を有する。そのセクションの配列は、２つの排出段に、４つのノズルとディフューザよりむしろ２つが必要とされるという点を除き、図２５に描かれている配列に類似している。図２７は、軽い還流タービンのための破壊された円４５８で示されているように、排出タービン羽車４１５の回りの展開投影図である。排出タービンは、羽根車４１５の上に衝撃ブレード４８０を有する。ノズル４８１は導管２４０に連通しているポート４８２によって第１逆流ブローダウンストリームを受け入れるが、ノズル４８３は導管２４４に連通しているポート４８４によって第２逆流ブローダウンストリームを受け入れる。ノズル４８１と４８３はガイド羽根４８５と４８６を有し、逆流ブローダウン流を、タービン４１５の向かい合う半分のセクタ内のブレード４８０に衝突するように向ける。ブレード４８０による振れの後、ノズル４８１からの膨張した流れはディフューザ４９１の中で収集され、コレクタリングマニホールド４９２に渡される。ノズル４８３からの流れは、同様にブレード４８０を通過し、マニホールド４９２を接合するディフューザ４９３の中で収集され、それが排出物２４３に結合される排出ポート９４によって結合された低圧排出流を送出する。
図２８
図２８は、第３段軸流スプリットストリームコンプレッサ７００を示す。多段軸流コンプレッサまたはエキスパンダの段の間でのマイナーな抽気流を逸らすことが従来の技術で知られているが、コンプレッサ７００は、段間の主要な流れからの大きい中間流を断片的に分割することによって環状のディフューザを入れ子にした。
【００９５】
コンプレッサ７００は、図４のスプリットストリームコンプレッサ２０１を表してよく、供給入口３９１、第１排出ポート３９２、第２排出ポート３９３、および第３排出ポート３９４付きのスクロールハウジング７０１を有する。ロータ７０２は、ハウジング７０１内に軸シール７０５と７０６のある軸受け７０３と７０４によって支えられ、軸２１０を通してモータ２０９によって駆動される。ロータは第１段ロータブレード７１１、第２段ロータブレード７１２、および第３段ロータブレード７１３を支える。
【００９６】
ハウジング７０１は、入口３９１から環状供給プレナム７２２に供給ガスを供給する入口スクロール７２１を有し、流れの方向は矢印７２３で示されている。供給流量エンタルピは、第１段ブレード７１１によって増加され、静的圧力は、第１段ステータリング７２５に取り付けられている第１段ステータブレード７２４によって回復される。供給流量エンタルピは、さらに、第２段ブレード７１２によって増加され、静的圧力は第２段ステータリング７２７に取り付けられている第２段ステータブレード７２６によって回復され、最後に第３段ブレード７１３によって増加され、静的圧力は、第３段ステータリング７２９に取り付けられている第３段ステータブレード７２８によって回復される。
【００９７】
第２段ステータリング７２７は、第１段ステータリング７２５より小さい直径を有し、第１中間供給加圧流をコレクタスクロール７３２へ、それから矢印７３３によって示されるように第１排出ポート３９２に送出する環状の第１段ディフューザ７３１の環状領域を画定する。同様に、第３段ステータリング７２９は、第２段ステータリング７２７より小さい直径を有し、第１中間供給加圧流をコレクタスクロール７３５へ、それから矢印７３６によって示されているように、第２排出ポート３９３へ送出する、環状第２段ディフューザ７３４の環状領域を画定する。第１段環状ディフューザと第２段環状ディフューザに入る流量の留分は、実質的には、それらのディフューザ入口の環状領域の、そのステータリングとロータ７０２の間のその段の環状流域に対する割合に等しい。
【００９８】
第３段によって送出される流れは、矢印７３９によって示されているように、ステータブレード７２８を通り、第３段ディフューザ７３７の中へ、およびコレクタスクロール７３８の中で排出ポート３９４に入る。ステータリング７２５，７２７および７２９は、入口と排出スクロールを分離する間仕切り７４１，７４２、および７４３によってそれぞれ支えられている。
【００９９】
追加段には、ロータブレードとステータブレードのさらに多くの組にされたセットが加えられ、段の隣接する組の間で中間流ストリームを逸らすための環状ディフューザを有するまたは含まないというオプションがあることが明らかになるだろう。また、コンプレッサ７００の構造は、矢印７２３，７３３、７３６および７３９によって示されている流れの方向を逆転させることによって、スプリットストリーム軸流真空排出装置またはエキスパンダに適用でき、その結果増分総圧力での３つの入口ストリームのそれぞれにとって、ポート３９４が第１入口となり、ポート３９３が第２入口となり、ポート３９２が第３入口となり、ポート３９１が結合された総流量のための排出ポートとなることは明らかだろう。
図２９
図２９は、粒状の詰めこまれた床吸収材２４を使用するという代替策で、図４、図５、図６および図１８の半径方向の流れの形状構成がある、本発明の実践で有用な複合吸収材ペレット８００を示す。
【０１００】
粒状吸収材床は、初期の流動化とその結果として生じる磨耗につながる過剰な圧力低下のない非常に高いサイクル周波数での従来の技術によるＰＳＡ装置では動作できない。半径方向の流れの形状構成での本発明の装置は、通常の重力場より大きい可能性のある求心加速度を提供する。これが、吸収材とこを安定化するための所望の「遠心締め付け」効果を提供し、このようにしてさらに高いサイクル周波数での安全な動作を容易にする。しかしながら、従来のｍａｃｒｏｐｏｒｏｕｓゼオライト吸収材ペレットの比重は約０．７５にすぎず、このようにして遠心締め付けの効果を制限する。回転する粒状の吸収材床を半径方向流の形状構成で使用することは前記に引用された従来の技術では周知であるが、有効な遠心締め付けを提供する運転状態は開示されていなかった。したがって、米国特許番号第５，１３３，７８４号のＢｏｕｄｅｔらは、１メートルという彼らの言及されたロータ外側半径を使う場合、外側半径での重力の加速度の半分未満の最大急進化速度を提供するだろう、２０ＲＰＭという最大サイクル周波数とロータ速度を意図する。ロータ内にあり、軸により近い吸収材床は、はるかに小さい求心加速度にさらされる。
【０１０１】
安定している（ｂａｌｌａｓｔｅｄ）複合ペレット８００は、従来の吸収ペレットの材料に類似するｍａｃｒｐｏｒｏｕｓゼオライト材料のコーティング８０２によって囲まれている密な材料の不活性コア８０１を有する。コア材料は高い密度、高い熱容量、高い熱伝導率、および熱膨張のためだけではなくゼオライト接着剤への接着のための互換性に関して選択されてよい。適切なコア材料は、固形鉄またはニッケル−鉄合金だけではなく、遷移金属酸化物、最も簡略な鉄酸化物も含む。
【０１０２】
球形ペレット８００の総合的な直径が１ｍｍとなるように、コア８０１の直径が例えば７９０ミクロンであり、コーティング８０２の半径方向厚さが例えば１０５ミクロンである場合、ペレットの体積は５０％不活性で、５０％活性の多孔質吸収材である。このような複合ペレットを使用する詰めこまれた床の中では、吸収材の活性体積は５０％減少したが、活性材料の留分床間隙率は球形の粒状媒体の典型的な３５％からほぼ５０％に増加した。これは、高い有効空隙留分のために、多くても半分の有効な材料と、有効選択性性能が減少された、劣っている詰めこまれた床のように考えられる可能性がある。予期されないように、これは、圧力の低下と質量移動抵抗が両方とも減少され、その結果ＰＳＡサイクルが、過剰な圧力低下なしに、および流動化のリスクなしにさらに高いサイクル周波数で動作できるため、優れた詰め込まれた床となることがある。同じサイクル周波数では、圧力低下は同じ間隙溝のためのさらに小さい活性吸収材在庫（ｉｎｖｅｎｔｏｒｙ）に比例してさらに小さい流量分減少されるが、多孔を通る質量移動は相対的に薄いシェルを通って起こりさえすればよい。また、不活性材料は、吸収熱のための熱振動に対して吸収材を等温化（ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌｉｚｅ）するための熱バラスとしての役割も果す。
【０１０３】
さらに高い空隙留分は非常に低いサイクル周波数の不経済な領域の指定された純度での生成物歩留まりを減少するが、生成物歩留まりと生産性は、さらに高いサイクル周波数の経済的な領域では実際には高められている。（指定された生成物純度での）生成物歩留まりとプロセスエネルギー効率の劣化は、質量移動抵抗と圧力低下から生じ、複合ペレットのそれらの劣化は本発明の粒状の吸収材に対してより従来の床に対してさらに厳しくなる。
【０１０４】
このような複合ペレットは、質量移動抵抗と圧力低下が減少されても、重い複合ペレットは非常に確実に遠心安定化されているため、回転吸収材モジュールの半径方向流の実施形態では非常に有効である。垂直向きの流路のある非回転吸収材だけではなく、このような複合ペレットも軸流実施形態で非常に有効だろう。再び、サイクル周波数は増加できるが、性能は、最も経済的な運転ポイントで生産性、歩留まり、および効率という点で高めることができる。図４と図１８が半径方向流実施形態の垂直図であると考える。図４の垂直軸の実施形態は、その回転体半径とサイクル周波数が十分に高い場合にも遠心安定化から恩恵を被るだろう。図１８の水平軸実施形態は、高い方の圧力でのコンパートメント５４からコンパートメント７０への上方への流れで、供給物生産ステップでの流動化を抑制するために、重力場を補助する求心加速度を有するだろうが、求心加速度はその回転軌道の上部での吸収材の下方への崩壊を防ぐために、低い方の圧力でのコンパートメント８０からコンパートメント６０への上方の流れでパージステップ内の圧力低下を補助するだろう。吸収材床は、スクリーンの第１セットによってその第１端部（半径方向で外側）で支えられ、ロータがその第２端部（半径方向で内側）でスクリーンの第２セットによって停止されるときの崩壊に対し保持される。したがって、吸収材床は、求心加速度による第１スクリーン上で遠心で締め付けられ、ロータは遠心機の役割を果す。
【０１０５】
複合ペレット８００は図２９で球形として図示されているが、その他の幾何学的配置も魅力的である。例えば、円筒形の複合ペレットは、ゼオライトと接着剤のスラリーを、その後短い長さに切断される鋼棒の上に浸漬塗装することによって作られる可能性がある。
【０１０６】
本発明の遠心締め付け態様は、粒子の移動と磨耗を確実に防ぎつつも、従来の流量摩擦圧力勾配よりはるかに高く、粒状の吸収材床の動作を可能にする。代わりに、これは、さらに小さい吸収材粒状物サイズの使用を可能にし、総圧力低下を減少する非常に浅い半径方向の床の深度も可能にする。質量移動拡散抵抗を減少する小さい吸収材顆粒サイズを使う場合、高いＰＳＡサイクル周波数が実施できるようになる。論理的な議論を終了するので、高いサイクル周波数は、遠心締め付けに必要とされる高い回転速度に一致する。
【０１０７】
本発明の好ましい実施形態の前記説明は、本発明を示すことが意図されている。普通の技術の熟練者は、ここに明示的に開示されていないが、添付クレームによって定められているような本発明の精神または範囲を逸脱することのない、説明された実施形態に対する一定の追加、削除、または修正を心に描くことができるだろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明に従った回転ＰＳＡモジュールの断面図である。
【図２】  図２は、図１のモジュールのステータである。
【図３】  図３は、図１のモジュールのロータである。
【図４】  図４は、図１のモジュールの軸に沿った断面である。
【図５】  図５は、層をなす吸収材シートを使用する代替吸収材構成を示す。
【図６】  図６は、本発明に従った典型的なＰＳＡサイクルを示す。
【図７】  図７は、重い還流物によるＰＳＡサイクルを示す。
【図８】  図８は、単一回転モジュールとエネルギー回収を備えているＰＳＡ装置を示す。
【図９】  図９は、空気からの酸素分離のための真空ＰＳＡ（ＶＰＳＡ）を示す。
【図１０】  図１０は、軽い還流エネルギー回収のないＶＰＳＡ装置を示す。
【図１１】  図１１は、２つの供給ガス混合物を受け入れるように適応され、テールガスの再圧縮のあるＰＳＡ装置を示す。
【図１２】  図１２は、重い還流物のあるＰＳＡ装置を示す。
【図１３】  図１３は、エネルギー回収によって動力を供給される、自由ロータテールガスコンプレッサまたは真空ポンプなるＰＳＡ装置を示す。
【図１４】  図１４は、自由ロータコンプレッサのあるＰＳＡ装置の別の実施形態を示す。
【図１５】  図１５は、４つのモジュールのあるＶＰＳＡ装置を示す。
【図１６】  図１６は、５つのモジュールのあるＰＳＡ装置を示す。
【図１７】  図１７は、スプリットストリーム空気コンプレッサ、逆流ブローダウン排気装置としてのスプリットストリーム真空ポンプ、および生成物酸素コンプレッサに動力を供給するスプリットストリームの軽い還流エキスパンダを使用する酸素生成用のＶＰＳＡサイクルの簡略化された概略図を示す。
【図１８】  図１８は、半径方向流回転ＰＳＡモジュールを示す。
【図１９】  図１９は、軸流回転ＰＳＡモジュールを示す。
【図２０】  図２０は、二重軸流回転ＰＳＡモジュールを示す。
【図２１】  図２１は、図１９の実施形態の第１バルブ表面を示す。
【図２２】  図２２は、図１９の実施形態の第２バルブ表面を示す。
【図２３】  図２３は、図１９の実施形態のための積層吸収性シート吸収材に基づいた吸収材ホイール形状構成を示す。
【図２４】  図２４は、軽い還流と逆流ブローダウン用の衝撃タービンエキスパンダ付きの多段遠心コンプレッサを示す。
【図２５】  図２５は、４個のノズル付きの軽い還流衝撃タービンランナを示す。
【図２６】  図２６は、軽い還流エキスパンダ衝撃タービンの展開図である。
【図２７】  図２７は、逆流ブローダウンエキスパンダ衝撃タービンの展開図である。
【図２８】  図２８は、第３段軸流スプリットストリームコンプレッサを示す図である。
【図２９】  図２９は、半径方向の流れでの遠心力的に安定化された粒状吸収材のための高い比重の不活性コアにコーテングされた複合吸収材ペレット８００を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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