变压吸附基础之Skarstrom 循环与 Guerin-Domine循环

基本PSA 循环由Skarstrom在1960年设计，另一个相似的是Guerin-Domine 循环，在1964年设计，后者是现代真空变压吸附的基础，主要变化是增加了顺放(Cocurrent depressurization,CD) 和均压 (Pressure equalization,PE) 步骤，顺放步骤是为了增 加产品收率，均压步骤主要是为了保存机械能。

Skarstrom循环使用双床流程，主要包含两个循环步骤：高压吸附和低压解吸， 如图 1所示(以PSA 空分为例),图中粗实线表示相关阀门打开，有气相流动；图中细实线表示相关阀门关闭，无气相流动。图2是对 Skarstrom循环几个步骤(升压、吸附、降压、清洗)的床层压力变化示意图。

Skarstrom循环的发明提出了两个具有启发性且实用的理念：第一，每次循环使用短程循环和低处理量以保存吸附热的热能，这个想法来自于一个不利于分离的现象：高处理量循环使得吸附床层在吸附时过热、解吸时过冷。即通过快速切换实现 解吸时回收利用吸附时床层内积累的吸附热(有文献提出在床层内设置一定厚度的惰性瓷球层吸收吸附时放出的热量，再生时又通过与再生气接触加热再生气以加强再生效果，个人认为这种设计意义不大)。第二，在再生过程中，进料和解吸时各自压强下的体积流率应该相等，至少保证完全清洗或置换。

Guerin-Domine 循环增加了一个顺放(均压)的步骤：从A(/B)  塔出口端顺向放压出来的气体，从B(/A) 塔进口端进入对B(/A) 塔升压。并且引入了抽真空解吸的概念，前者是压力均衡(均压)最原始的形式。顺放(均压)步骤不仅回收机械 能，而且能提高床层内强吸附质的浓度，这也是强吸附质(例如 CO₂) 回收的原理。

需要说明的是，Guerin-Domine 循环中的顺放过程与目前常见的PSA 循环中的“顺 放”还不完全相同，目前常见的PSA 循环中顺放过程也被称为“提供冲洗”(Providingpurge,PP),因为该步骤主要是将纯度较高的(或弱吸附质较多的)顺放气作为冲 洗气源。该步骤一般是处于“顺放”状态的吸附床顺向放压将床层顶部纯度较高的气源 放出储存之后(或直接)从处于“冲洗”状态的吸附床出口端逆向冲洗床层。

现代的均压过程也是与Guerin-Domine 循环中的顺放(均压)概念不同，现在常见的均压过程是将两个吸附床出口端直接相连，实现机械能和有效组分的回收。现代 PSA 循环也由 Skarstrom循环和Guerin-Domine循环这种最原始的双床系统逐渐发展 为4~5床，乃至超过10床的循环系统，主要是在复杂的再生过程中合理利用多次均 压以提高装置性能，并使产品气流(压力、流量)更加连续稳定。