CN1110346C - 真空变压吸附设备 - Google Patents

Abstract

一种VPSA设备，该设备包括第一吸附床和第二吸附床，用于大致在大气压下向吸附床提供气体混合物气流的进料吹送器，及用于除去气流并将所述气体排至在大气压下的一空间的真空吸送器，单马达，通过一公共轴被连至所述进料吹送器和真空吸送器，以便同时操作这两个装置；和导管/阀体装置，当吸附床分别处于增压/抽气状态时，至少在所述预定处理时间的部分期间内工作，以使进料吹送器与所述第二吸附床连通且同时使真空吸送器与将被抽空的第二吸附床连通。

Description

真空变压吸附设备

本发明涉及用于从一种优选气体和其它气体的混合物中分离出该优选气体，如氧气的设备，特别涉及气体分离设备，该设备使用了一真空变压吸附(VPSA)工艺并通过完成VPSA工艺的设备所使用的吹送器回收能量。

在现有技术中已知的VPSA工艺及系统用于分离一种原料气混合物中的组分，该气体混合物包括一种更易吸附的组分(即，一“更优”气体)和一不太容易吸附的组分(即，一“次优”气体)，并从一吸附床上通过，该吸附床在较高的吸附压力下可选择性地吸附一更易吸附的组分。此后，吸附床的压力降至一低解吸压力(如，真空)，以便更易吸附组分的解吸及其在原料气体混合物追加量进入之前从吸附床排出。在一多层VPSA系统中，吸附床通过上述工序步骤的次序循环工作，但是在一个吸附床中的步骤顺序与另一吸附床中的步骤顺序不同步。完成该步骤顺序不同步允许使用同一进、排气系统以实现工序节约及节能。

在传统的VPSA系统中，通常使用多层吸附床，同时每一吸附床须经过在一周期基础上的VPSA处理顺序，以便能实现效果。VPSA系统通常用于从一输入气流中分离氧气。在VPSA系统操作期间的某些时间内，一进料吹送器或真空吸送器，或两者均以一“空载”方式工作，此处它们不与相应的吸附床相互作用以自动使进气或排气通过所述系统。这种工作后文称为卸载状态。术语关闭状态在后文将参考用作这样的状态：进料吹送器和真空吸送器在一段长时间内被设置在卸载状态(空载)，且VPSA系统不产生产品。

在VPSA作业期间，在作业期间压力变化时，气流被频繁膨胀。这种气体的迁移发生在吸附床的成品端和进入端。在VPSA作业中，从膨胀气体产生的能量回收一直是系统设计的一个目标。

最新的VPSA系统，特别是双层吸附床系统包括使用节流气流来实现压力输送气体的目的的工艺步骤。所述节流会导致能量损失及附加的低效缺陷。现有技术中的能量回收在真空状态期间，在VPSA循环的开始时使用了自然吸入法。该自然吸入法需要一额外的气流输入调节系统并在输入气体的压力要求上仅产生较小的降低。而吸气系统并不能从膨胀气流回收能量，仅在不产生额外能量消耗的条件下提供一气流入口。

与气体分离系统中能量回收有关的其它现有技术教导如下。Agrawal等的美国专利5,429,666描述了一种真空变压吸附(VSA)工艺，该工艺使用了两个吸附床，这些吸附床在其间的制品增压和压力均衡的情况下工作。在该申请中描述了为进料吹送器和真空吸送器的连续作用而采用的工艺步骤的同步操作。Agrawal等的工艺利用了作为能量回收工艺的输入气体的自然吸气。该系统试图在无需使用一空气压缩机的情况下，通过利用低吸附床压力而在循环周期开始时降低进料压力以允许一部分输入气体被直接吸入吸附床，这一外界输入气体不能回收由气体膨胀所产生的能量。

Abel等的美国专利4,995,889描述了一种吸附节流气体分离系统的产品流量的方法，特别是在根据变化不定的消费要求而产生的不连续产品流量的条件下调节所述系统产品流量的方法。一控制阀被连至分离设备的生产线并对通过处于控制阀上游的一可变或固定节流装置的产品流量加以控制。一用以探测节流装置上游和下游压力的压差控制装置被用来操纵控制阀。

Keefer的美国专利5,096,469详细描述了一种吸附气体分离工艺，该工艺利用了一液柱的振动来改变可变排量室的容积以便形成变压工艺所需的周期性压力变化。实际上，振动流体的惯性会在气体分离室间产生能量交换。

Servido等的美国专利5,183,483描述了一种用于一变压吸附(PSA)处理的气动控制工艺。通过使用两个三相阀和一简单的压缩机而使吸气、解吸及均衡相位联系起来。通过控制三相阀的工作，压缩机可用来吸气和解吸或也可空载工作。

Baksh等的美国专利5,518,526描述了一种PSA工艺，该工艺重复不同的步骤以减少总循环时间并提高效率和产量。其中，所描述的一独特的步骤是在经历一均衡上升步骤中对一吸附床的同步抽空，而同时另一吸附床则经历一均衡下降步骤。在循环周期内的下一步骤为在吸附床相对端同步进行生产和输送压力，继而进气增压至理想的吸附压力。

Smolarek(此处为申请人)的美国专利5,042,994描述了一种控制一PSA系统的方法，该方法通过在氮气生产操作期间，对一可变容积存贮容器的监控。工艺循环周期包括两个进料吹送器和真空吸送器处于空转的步骤。第一步为一在前解除吸附床的逆流氧预加压步骤，而此时吸附床则进行产品氮气的排放。在对可变容积制品储藏容器的状态监制以便确定消费要求变化时的一关闭步骤期间，第二步在处理设备空转且不被使用时进行。因此，Smolarek指出空转时间应与消费者的要求量成正比。Smolarek还提到在关闭状态下，能量的降低及节能通过根据消费者要求而相应空转设备并同时保持产品纯度而得以实现。

虽然针对变压吸附(PSA)和VPSA工艺和设备已产生了实质性的改进效果，但是仍存在继续提高效率的要求。

因此，本发明的一个目的在于提供一种能够表现出能量利用经济性的变压吸附系统。

一种VPSA设备，该设备包括第一吸附床和第二吸附床，用于向吸附床提供一股大致在大气压下的气体混合物气流的进料吹送器，及用于除去吸附床的气流并将所述气体排至大气压下的空间的真空吸送器。所述VPSA工艺通过所述真空吸送器而使第一吸附床为抽气作好了准备，同时第二吸附床处于真空状态并由进料吹送器为增压作好了准备。一单马达，通过一公共轴被连至所述进料吹送器和真空吸送器，以便同时操作这两个装置；一导管/阀体装置，当吸附床分别处于增压/抽气状态时，至少在一部分处理时间期间工作，以使进料吹送器与处于真空状态的所述第二吸附床连通，且同时使真空吸送器与将被抽空的第一吸附床连通。因此，使进料吹送器在气体膨胀状态下工作并通过所述公共轴将膨胀能量传递至真空吸送器。

本发明的另一实施例包括辅助导管和阀体，这些装置将由进料吹送器伸出的输入管和输入真空吸送器的输出管相连通。当系统处于关闭状态时，吸附床与真空吸送器隔离且进料吹送器和真空吸送器空转并处于卸载状态。在这种条件下，操作所述阀体使进料吹送器通过排气管排出气流，从而在进料吹送器和真空吸送器上产生一更低的压降。

在另一个优选实施例中，使用了独立的马达来驱动进料吹送器和真空吸送器，但在关闭期间，使进料吹送器与第二吸附床(处于真空状态)相连，以使进料吹送器以气体膨胀方式工作。将一发电机连至进料吹送器马达并形成输入电源的电能，从而产生以后或当前用以驱动真空吸送器的能量保证。

图1为一简图，用于说明能够体现本发明最佳方式的VPSA系统。

图2为VPSA系统的方框图，说明了本发明的一优选方案。

从后文中能够了解到，图1中本发明的最佳实施例的结构使VPSA系统10能补偿与膨胀气流有关的能量并将该能量直接送至真空吸送器。VPSA系统10包括一对吸附床12和14，它们通过控制阀18和20分别被连接至一输出成品容器16。

应理解，虽然后文的描述仅考虑了吸附床12和14，但所述系统可采用辅助层，如现有技术中所公知的那样。此外，在气体分离工艺的上下文中对所述系统作了描述，但是，已知变压气体分离系统可适于其它的分离，在该处从一种更优气体和一种次优气体的混合物中分离一种更优气体和/或一种次优气体并作为产品输出。在以下所描述的实施例中，次优气体(氧气)作为产品输出(在吸附床用于吸附氮气的情况下)。因此，本发明被认为适于分离合适气体的所有工艺。

一进料吹送器22通过一进料管24和进料阀26和28被分别连接至吸附床12和14。一真空吸送器30通过一排气管32和排气阀34和36被分别连接至吸附床12和14。一控制器38能够以已知方式使每一前述元件工作以使一输入空气39分为一被送至用于储存的产品容器16中的氧气输出气流(通过导管40)。

进料吹送器22和真空吸送器30均由一马达50操纵，该马达通过一公共轴52与所述进料吹送器和真空吸送器相连。通过这种配置，如下文将进一步描述的那样，当进料吹送器22以气体膨胀方式工作时，产生的膨胀能量通过轴52被输送至真空吸送器30，从而能使输入马达50的电能减小，即使在低能耗的条件下，仍能使真空吸送器30保持其工作水平。

一第一卸载阀54被连接在进气管24和排气管32之间，且一第二卸载阀56还使排气管32连接至一真空消音器58。真空消音器58能通过排气管60排出来自真空吸送器30气流。当一控制阀62被开启并使进气管24与真空消音器58连通时，真空消音器58通过排气管60排气操作且使真空吸送器30和进料吹送器22排气。

从后文能够了解到，马达50和公共轴52连接进料吹送器22和真空吸送器30的结构实质上形成了一整体装置，在VPSA工作周期的部分期间，由于传送至进料吹送器22的气体膨胀能量的结果，该装置能使真空吸送器30在减小的电能下工作。在这一气体膨胀时期间提供给马达50的电能通过控制器38以正比下降。

其次，包括卸载阀54，56和62及其与真空消音器58互连的管线结构能够在卸载期间，允许进料吹送器22向真空吸送器30形成的负压区排气。这一动作会在所述吸送器未加载时的循环时期，使真空吸送器30和进料吹送器22间产生的压力提高降低并减小它们的合成动力牵引。

如以上所述，在分离过程的几个工序步骤期间，VPSA系统通常使吸附床12和14被分别加压并处于真空状态。例如，VPSA系统使用一清洗和重叠均衡循环，其中从一吸附床除去的连续废料产生一膨胀输入气流，该气流能与一股真空能级废气流同时产生需要的能量。在这种措施期间，当输入气流由进料吹送器22被送至吸附床12时，吸附床12处于例如62.01-89.57kPa(9-13磅/英寸²)的真空状态。这一措施在进料管24内形成了真空状态，从而在整个步骤期间形成了输入气体的膨胀。输入气体流量也必须在此期间被限制，从而通过对由于膨胀而通过进料吹送器22的气流输入流量加以限制对排气工作从工艺观点上看是有益的。

同时，吸附床14必须通过真空吸送器30穿过排气管32和真空消音器58至排气管70的操作而被抽空。在该时刻，废氮气从吸附床14除去并通过排气管70被排至大气。在这样的时期，吸附床14经历了一个压降而进入真空状态(例如，从约110.24kPa降至89.57kPa(从约16降至13磅/英寸²))。

因此，当输入气体通过进料吹送器22从输入气体入气口39进入导管24时，输入气体被膨胀且膨胀能量被传送至进料吹送器22，该进料吹送器又通过轴52将机械动力送至真空吸送器30。此时，控制器38能降低根据从进料吹送器22输入的膨胀能量而输入马达50的电能。此时，马达50和公共轴52能使膨胀气体直接通过进料吹送器22将能量送至真空吸送器30，该真空吸送器同时在压缩状态下工作以通过排气管32，从吸附床14抽出气体。

除通过上述结构实现节能以外，还能获得一种更为紧凑的设备布局，同时通过省略另一驱动马达及一马达起动器而降低系统的费用。一单马达的设置还能简化起动控制。一共用驱动马达同时起动两吸送器，消除了任何可能导致不能同时起动吸送器的可能性，该可能性可在机器上产生某些过载而导致不希望的磨损。

在VPSA工作周期的某些时刻，通过中断吸附床12和14的周期性工作，隔离吸附床并使进料吹送器22和真空吸送器30排气而实现设备的卸载。在加载操作期间，进料吹送器22和真空吸送器30通过气体被送至或送出吸附床12和14而分别被加载。进料阀26或28根据吸附床被吸附而被打开或关闭。排气阀34和36根据吸附床被吸附也被打开或关闭。在加载操作期间，卸载阀54，56和62可被关闭。根据VPSA的循环周期，进料吹送器和真空吸送器或其中任一个在部分所述循环周期期间能够被卸载。

当在VPSA循环周期达到进料吹送器22和真空吸送器30将被卸载的时刻时，卸载阀54和56被打开而进料阀26，28和排气阀34，36则被关闭。当这一情况发生时，真空吸送器30以一种循环方式工作，而进料吹送器22通过卸载阀54将气体(在卸载期间)排入真空吸送器30所占用的再循环回路(即，真空吸送器30，导管60，真空消音器58，卸载阀56和排气管32)。

在处于卸载状态时，图1的系统一般在卸载阀54，56打开而第三卸载阀62关闭的条件下工作。在与导管尺寸有关的某些设备布置条件下，如果能在卸载导管内实现压降的进一步降低的话，那么在卸载状态下，最好打开第三卸载阀62是有益的。整个压降的附加降低将会产生额外的节能效果。

在处于卸载状态时，图1的系统可在所述吸附床的进料阀和真空阀处于关闭的状态下工作。在与导管尺寸有关的某些设备布置条件下，如果能在卸载导管内实现压降的进一步降低的话，那么在卸载状态下，可最好打开这些阀室是有益的。压降上的这一附加降低将会产生额外的节能效果。在这种情况下，除卸载阀54，56和62被打开以外，进料和排气阀26，34和/或28，36也被打开。此外，如果进料阀和排气阀如上述那样被打开的话，第一卸载阀54可从所述系统中省去。

所述吸附床阀体的打开需用一控制系统，其结构能在卸载期间，在所述吸附床上保持理想的压力值。这些压力值被控制为与卸载压力相等以消除任何进、出吸附床的气流。在卸载导管内增大压降的进料阀和真空阀的打开能被应用于一层和多层吸附床系统中

作为如何在一60吨每日的氧气VPSA系统中实现关闭/卸载的实施例，在满载生产的正常循环期间，第一和第三卸载阀54，56和第三卸载阀62均被关闭。在卸载期间，第三卸载阀62向卸载进料吹送器22打开，而卸载阀54，56仍保持关闭。在关闭期间，卸载阀54，56被打开，而卸载阀62可如上所述被打开或关闭。当进料吹送器22的卸载排气压降为3.445kPa(0.5磅/英寸²)时，对于图2系统的次优系统来说，真空卸载吸气压降为6.89kPa(1.0磅/英寸²)。通过执行图1所描述的本发明，在进料卸载排气压降为1.378kPa(0.2磅/英寸²)时，真空卸载吸气压降为2.067kPa(0.3磅/英寸²)。如果设备流量降至总流量的66％，在能耗上的降低预计为5％。

在关闭条件下的改进由执行关闭控制的方法产生。当实际要求降低时，系统通过在与实际要求率成反比的一段时间内，对其设备卸载并空转循环而作用。因此，当对机器卸载所需的时间量占据了整个工艺周期时间的较大比例时，流量上的显著降低加强了本发明的优点。例如当流量降至33％时，能耗上的改进为10％。

通过对来至进料吹送器22的膨胀输入气流的利用，本发明能量回收的状况可根据本发明排气能量的降低状况而独立进行(如上文所述，通过卸载阀54和56及其它阀体的使用而实现)。这种能量回收系统适于通过一进料吹送器产生一股膨胀气流的任何工作周期。

现参见图2，图2所示为本发明的一次优实施例，其中进料吹送器22和真空吸送器30均分别由独立的马达70和72驱动。但在这种情况下，马达70包括一发电机构件74，其输出端通过导线76被连至电源。一消音器78通过进料卸载阀80被连至进料吹送器22。

真空吸送器30通过一真空卸载阀82被连至一消音器58，且排气管32通过排气阀84被连至消音器58，当在真空状态下，一吸附床上的压力上升，另一吸附床上的压力下降时，控制器38使进料吹送器22连至真空状态下，压力上升的吸附床上。此时，由进料吹送器22产生的膨胀能量通过马达70被送至发电机74，该发电机通过导线76将能量送入电源。因此，能量存储量(energy credit)被累加。

此时(或在某一其它时间)，真空吸送器30从在压降状态下的所述吸附床除去气体。在这种状态下，当以前所获得的能量存储量被用于弥补输入能量的消耗时，向马达72的输入能量能够由发电机74产生的能量部分提供或全部由电源获得。以此方式来实现节能。但是应懂得，作为需要的机电机器转换器的结果，会降低总体能量贮存效果的固有能量损失，这一系统的效率低于图1所描述的最佳实施例。

应懂得前面所描述的内容仅是对发明的说明。在不脱离本发明的条件下，本领域有经验的技术人员能够作出不同的选择及改进。因此，本发明意在包括所有落入权利要求书范围内的所有选择方案、改进及变化。

Claims (3)

1、一种真空变压吸附(VPSA)设备，该设备用于通过分选工艺，从优选气体及次优选气体的混合物中生产所述优选气体，所述VPSA设备包括：

至少一第一吸附床和一第二吸附床；

进料吹送器装置，用于从处于大致为大气压下的一源头通过一送料管向所述第一吸附床或所述第二吸附床提供所述气体混合物气流；

真空吸送器装置，用于通过一排气管，从所述第一吸附床或所述第二吸附床除去气流并通过排气装置将所述气体排至在大气压下的一空间；

一马达，通过一公共联接器被连至所述进料吹送器装置和真空吸送器装置，以便同时操作这两个装置；及

导管/阀体装置，用以使所述进料吹送器装置与所述第二吸附床连通且同时使所述真空吸送器装置与所述第一吸附床连通，以便使所述进料吹送器装置以在气体膨胀状态下工作并通过所述公共联接器传递膨胀能量至所述真空吸送器。

2、根据权利要求1所述的VPSA设备，还包括：

被连至所述真空吸送器装置的排气装置，用于使气体排放至大气压下的空间；

阀体装置，用于可选择地使所述进料管与所述排气装置连通；及

在卸载期间工作的控制装置，用于打开所述阀体装置以能使所述进料吹送器装置通过所述排气装置排气。

3、根据权利要求1所述的VPSA设备，其特征在于所述优选气体为氧气而所述混合物为空气。

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