以下發(fā)明涉及一種空氣分離單元，其用于例如利用基于單床反向鼓風(fēng)機(jī)吸附的空氣分離單元從空氣中分離氧氣。更具體地，本發(fā)明涉及基于單床反向鼓風(fēng)機(jī)吸附的空氣分離單元，所述空氣分離單元能夠有效調(diào)節(jié)從其供應(yīng)的氧氣，以匹配空氣分離單元的氧氣需求。

背景技術(shù)：

使用真空變壓吸附(vsa)生產(chǎn)氧氣對于空氣分離技術(shù)而言眾所周知。vsa提供簡單的非低溫方法以生產(chǎn)純度為80％至95％的氣態(tài)氧。在最近20年，氧氣vsa設(shè)備得以廣泛應(yīng)用并且在各種床構(gòu)造中予以提供。通常在每天60噸(tpd)以及更高的規(guī)模范圍內(nèi)使用多床vsa。單床處理被采用作為針對通常介于1tpd至40tpd之間的較低生產(chǎn)范圍的、較低成本且更簡單的處理。一般地，單床系統(tǒng)通常由單個(gè)鼓風(fēng)機(jī)機(jī)組構(gòu)成，所述單個(gè)鼓風(fēng)機(jī)組用于供氣提供裝置以及再生真空系統(tǒng)。該處理通常包含自動(dòng)閥，以在循環(huán)期間引導(dǎo)空氣和真空流。單床處理的更新的實(shí)施例使用反向鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生原料流并且施加真空，以用于再生步驟。這一最新實(shí)施例非常適于小至中等規(guī)模的氧氣vsa生產(chǎn)設(shè)備(1tpd至10tpd)。在美國專利no.8,496,738中描述了這種類型的單床反向鼓風(fēng)機(jī)(sbrb)vsa處理的一個(gè)示例。

盡管單床反向鼓風(fēng)機(jī)(sbrb)vsa處理易于實(shí)踐，但是當(dāng)與多床系統(tǒng)相比時(shí)其簡易性伴隨著性能折中。首先，缺乏其它吸收器床未顧及到重要的床與床之間的平衡。壓力平衡步驟對于降低能耗和增加產(chǎn)品氧氣回收至關(guān)重要。本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過向sbrb系統(tǒng)添加平衡罐(例如，由德克薩斯州的airliquideofhouston提供的sbrb系統(tǒng)中的平衡罐)克服了這個(gè)缺陷。

在任何吸附處理中所存在的另一種功率損耗是處理的欠佳調(diào)節(jié)比。在多床中，鼓風(fēng)機(jī)必須保持通電的事實(shí)限制了雙鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。這種系統(tǒng)中針對調(diào)節(jié)的一個(gè)選項(xiàng)是將供給鼓風(fēng)機(jī)排氣引入真空系統(tǒng)抽吸管，有效縮短了vsa處理的循環(huán)。盡管不是特別有效，但是允許鼓風(fēng)機(jī)無載運(yùn)行，從而節(jié)能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在單床系統(tǒng)中，能夠針對電動(dòng)機(jī)使用變頻驅(qū)動(dòng)裝置，以實(shí)現(xiàn)顯著和有效的調(diào)節(jié)比，通常調(diào)節(jié)成銘牌的25％至10％。然而，難以構(gòu)造適當(dāng)控制變頻驅(qū)動(dòng)裝置以實(shí)現(xiàn)所需的有效調(diào)節(jié)比的算法。為了提供該控制算法，根據(jù)本發(fā)明，位于吸附器容器下游的產(chǎn)品緩沖儲存罐監(jiān)測其中的壓力水平。通過根據(jù)接收自緩沖儲存罐內(nèi)的壓力水平的反饋而調(diào)節(jié)進(jìn)入到吸附容器中的入口流量來動(dòng)態(tài)管理吸附平衡。

遵循這種算法，并且在來自產(chǎn)品緩沖儲存罐的壓力輸入提供進(jìn)入到吸附床的入口流量的控制的情況下，以更低的所需功率以及更低的產(chǎn)品氣體(通常為氧氣)輸出提供了遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)中心的容器流量和速度，而仍然保持高純度和吸附平衡。這種系統(tǒng)還能夠包括：來自操作者的控制，所述控制選擇待提供的調(diào)節(jié)量；致使系統(tǒng)更接近或者遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)中心運(yùn)轉(zhuǎn)，但是仍然保持吸附平衡和產(chǎn)品氣體純度，并且具有更低的功耗。

在本發(fā)明的優(yōu)化實(shí)施例中，在兩個(gè)位置處感測壓力并且通過兩個(gè)感測到的壓力控制這種制氧所需的制氧率和功率。在第一位置處感測第一壓力，所述第一位置優(yōu)選地位于吸附床下游的氧氣存儲區(qū)域內(nèi)的氧氣緩沖罐(也稱作氧氣處理罐)處。利用該第一壓力控制通過反向鼓風(fēng)機(jī)的流量。特別地，如果在第一位置處感測到的壓力大于表示過壓和氧氣需求遲滯的壓力設(shè)定值，則降低通過反向鼓風(fēng)機(jī)的流量。具體地，以更慢的速度驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，使得降低經(jīng)由鼓風(fēng)機(jī)(正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn))的流量。在一個(gè)實(shí)施例中，由變頻驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，所述變頻驅(qū)動(dòng)器易于控制，以便實(shí)現(xiàn)通過此的更低的流量。在這種更低的流量下，通過使得空氣更加緩慢地通過吸附床而更加緩慢地產(chǎn)生氧氣。因此氧氣更加緩慢地流入到緩沖罐中，從而趨于降低其中的壓力。替代地，如果在第一位置處感測到的壓力降低，則這種壓力減小代表系統(tǒng)對氧氣的需求增加。這種降低的壓力由控制器反饋給反向鼓風(fēng)機(jī)，以便增加通過反向鼓風(fēng)機(jī)的流量。

另外，在本發(fā)明的優(yōu)選形式中優(yōu)選地在第二位置處感測壓力。在壓縮機(jī)的下游處感測第二壓力，所述壓縮機(jī)位于緩沖罐的下游處并且從系統(tǒng)供應(yīng)增壓的氧氣。將在壓縮機(jī)下游的第二位置處感測到的第二壓力與設(shè)定值比較。如果這個(gè)感測到的壓力大于設(shè)定值，則這代表氧氣需求遲滯并且將其反饋給壓縮機(jī)，以使壓縮機(jī)以更低的功率和更低的通過流量運(yùn)轉(zhuǎn)。替代地，如果感測到壓力在第二位置處小于設(shè)定值，則這代表需求增加并且在更高的對應(yīng)功耗以更高的流量驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。以這種方式，壓縮機(jī)也響應(yīng)于氧氣需求發(fā)揮作用。

這兩個(gè)分離反饋環(huán)路皆感測壓力并且反饋控制信號，以增加或者降低通過上游設(shè)備的流量。為了保持設(shè)備相互和諧運(yùn)轉(zhuǎn)并且避免發(fā)生兩個(gè)控制系統(tǒng)彼此響應(yīng)而非響應(yīng)實(shí)際氧氣負(fù)荷/需求的情況，兩個(gè)控制系統(tǒng)在感測壓力和調(diào)節(jié)與每個(gè)控制環(huán)路有關(guān)的流量之間暫停的時(shí)間間隔被設(shè)置為相互不同。在一個(gè)實(shí)施例中，壓縮機(jī)控制系統(tǒng)大約每秒感測壓力并且適當(dāng)響應(yīng)。同時(shí)，允許在第一位置處感測到的緩沖罐壓力大約每分鐘調(diào)節(jié)反向鼓風(fēng)機(jī)流量。

緩沖罐和其體積的存在確保壓縮機(jī)能夠快速響應(yīng)在第二位置處感測到的快速增加需求并且壓縮機(jī)在緩沖罐內(nèi)的第一位置處感測到升高的需求并且作出響應(yīng)之前不會(huì)排放緩沖罐內(nèi)的供應(yīng)品，從而致使反向鼓風(fēng)機(jī)增加流量并且更加快速地制氧。對應(yīng)地，如果在第二位置處的壓力傳感器感測到的氧氣需求快速降低，從而致使壓縮機(jī)以顯著更低的流量運(yùn)轉(zhuǎn)，則緩沖罐大到足以使得反向鼓風(fēng)機(jī)能夠繼續(xù)處于高流量(大約一分鐘)，以生產(chǎn)能夠存儲在緩沖罐內(nèi)的氧氣，這種過剩供應(yīng)易于被吸附在緩沖罐內(nèi)達(dá)一分鐘，使得這種快速降低需求可能在感測到緩沖罐中的壓力增加之前致使反向鼓風(fēng)機(jī)的流量降低。因此實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的負(fù)荷跟蹤并且即使在50％、75％或者更大的調(diào)節(jié)比下也保持有效制氧。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的單床反向鼓風(fēng)機(jī)真空變壓吸附空氣分離單元的示意圖，其為本發(fā)明技術(shù)解決的典型情況；

圖2是適于實(shí)施本發(fā)明的單床反向鼓風(fēng)機(jī)真空變壓吸附空氣分離單元的示意圖，在其中包括吹洗恢復(fù)罐以增強(qiáng)空氣分離單元的性能，并且限定改進(jìn)的真空變壓吸附空氣分離處理；

圖3至圖5是與圖2中示出的示意圖類似的示意圖，但是各種不同箭頭示出了反向鼓風(fēng)機(jī)真空變壓吸附空氣分離單元的操作中的各個(gè)步驟。圖5還包括由控制器和多個(gè)傳感器以及控制輸出裝置實(shí)施的控制系統(tǒng)，以便有助于用于根據(jù)本發(fā)明的空氣分離單元的負(fù)荷跟蹤；

圖6是根據(jù)本發(fā)明的功率級響應(yīng)與感測到的壓力的曲線圖，其示出了在圖5中示出的第一和第二傳感器位置處感測到的壓力如何導(dǎo)致反向鼓風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置和壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置的功耗針對自動(dòng)可靠的氧氣需求負(fù)荷跟蹤而變化；

圖7是相對功耗和氧氣生產(chǎn)的曲線圖，其示出了即使在75％以上的調(diào)節(jié)比下也如何整體保持空氣分離單元的生產(chǎn)效率。

具體實(shí)施方式

參照附圖，在各個(gè)附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同的部件，附圖標(biāo)記10(圖1)指的是構(gòu)造成從空氣分離/濃縮氧氣的現(xiàn)有技術(shù)的氧氣分離機(jī)。這種分離機(jī)通過本發(fā)明的空氣分離單元110(圖2至圖5)和本發(fā)明的鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)210(圖4)修改，如在下文更加詳細(xì)描述的那樣。

實(shí)質(zhì)上，具體參照圖1，公開了通過本發(fā)明的空氣分離單元110和鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)210修改的氧氣分離機(jī)10的基本細(xì)節(jié)。氧氣分離機(jī)10包括吸附床20，所述吸附床20在其中包括吸附材料，所述吸附材料相比于氧優(yōu)先吸附氮?dú)狻⒍趸己退?。閥30位于吸附床20的下游。緩沖罐40設(shè)置在閥30的下游。鼓風(fēng)機(jī)50限定位于吸附床20上游的泵的優(yōu)選形式?？刂破?0聯(lián)接到閥30和鼓風(fēng)機(jī)50(或其它泵)以控制閥30的打開和關(guān)閉及控制鼓風(fēng)機(jī)50(或其它泵)的運(yùn)行方向，從而將空氣提供到吸附床20中或抽真空以從吸附床20脫附并去除氮?dú)?。通常，在鼓風(fēng)機(jī)和吸附床之間需要換熱器以消除在壓縮空氣時(shí)產(chǎn)生的熱量。在循環(huán)的真空階段期間可繞過換熱器。

繼續(xù)參考圖1，描述了吸附床20的細(xì)節(jié)。吸附床20包括用于容納吸附材料的外殼22。該外殼22包括與出口26間隔開的入口24。入口24和出口26限定了進(jìn)入外殼22的第一和第二口的優(yōu)選形式。入口24和出口26通常結(jié)合到蓋或“端板”中，蓋或“端板”可被移除以允許接近外殼22中的吸附部件。另外，優(yōu)選地密封外殼22以防止氣體泄漏至外殼22中或從外殼22泄漏出。

吸附床20內(nèi)的吸附材料可以是相比于氧優(yōu)先吸附氮?dú)獾娜魏涡问降牟牧?。一種這樣的材料是分子篩，如nitroxysiliporite。該材料優(yōu)選按照珠的形式供應(yīng)，珠通常為球形或可以具有不規(guī)則形狀。由于珠由外殼22內(nèi)的分子篩材料構(gòu)成，因此氣體通路穿過吸附材料、在吸附材料之間以及在吸附材料周圍延伸。

最優(yōu)選地，在吸附床的入口和出口端處構(gòu)造小室以在吸附床截面上提供均勻的氣流。在優(yōu)選構(gòu)造中，入口24位于出口26下方，并且入口24處于外殼22的最下游部分處，出口26位于外殼22的最上游部分處。外殼22可具有多種不同的形狀。在一實(shí)施例中，外殼22可以為大體矩形形狀。外殼可以類似壓力容器成形以最大化在外殼22上抽出的真空量，而與此同時(shí)最小化在外殼22內(nèi)必須設(shè)計(jì)的材料強(qiáng)度量(即，壁厚或材料選擇)。如果吸附材料的尺寸小到足以可能通過入口24或出口26，則在入口24和出口26處提供過濾器以將吸附材料保持在外殼22內(nèi)。

繼續(xù)參照圖1，詳細(xì)描述閥30的細(xì)節(jié)。閥30插置在從吸附床20的出口26延伸并且延伸到緩沖罐40的管路32上。該管路32優(yōu)選大致為剛性，尤其是在閥30和吸附床20之間的部分為剛性，使得當(dāng)在吸附床20上抽真空時(shí)，管路32也不會(huì)塌陷。優(yōu)選地將閥30密封，以在閥30處于關(guān)閉位置時(shí)防止發(fā)生任何形式的泄漏而僅在閥30處于打開位置時(shí)允許氣體沿管路32通過。

閥30優(yōu)選地聯(lián)接到控制閥30打開和關(guān)閉的控制器60?？蛇x地，閥30可具有內(nèi)置在閥30內(nèi)的控制器，該控制器可進(jìn)行單次設(shè)定然后根據(jù)其設(shè)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

盡管閥30通常編程一次然后根據(jù)該設(shè)定運(yùn)轉(zhuǎn)，可選地也可至少部分通過控制系統(tǒng)控制閥30，所述控制系統(tǒng)包括傳感器和給閥30的反饋。例如，氧傳感器能夠提供在閥30附近或沿在閥30和吸附床20之間的管路32提供，以檢測正接近閥30的氧氣濃度水平。鄰近閥30的氮?dú)鈱⒅甘疚酱?0內(nèi)的吸附材料氮?dú)怙柡筒⑶抑甘狙鯕夥蛛x機(jī)10需要改變運(yùn)轉(zhuǎn)模式，以使得鼓風(fēng)機(jī)50(或其它泵)反轉(zhuǎn)以抽真空并且從吸附材料脫附氮?dú)獠⒌獨(dú)獬槌鑫酱?0以再裝填系統(tǒng)。

通常，使用壓力傳感器實(shí)現(xiàn)周期控制，該壓力傳感器使鼓風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)適當(dāng)次數(shù)。通常，在真空達(dá)到某一預(yù)定水平時(shí)開始吹洗周期。然后，閥30被打開預(yù)定時(shí)間，以允許氧氣的吹洗層能夠從床吹洗剩余的氮?dú)?。這樣，壓力和真空周期由壓力確定并且為周期的吹洗部分定時(shí)。

其它傳感器也可能用于允許氧氣分離機(jī)10最有效地運(yùn)轉(zhuǎn)。閥30的類型優(yōu)選以最小量的潤滑劑運(yùn)轉(zhuǎn)或者能夠使用與氧氣處理相容的潤滑劑運(yùn)轉(zhuǎn)。閥30和氧氣分離機(jī)10的其它部分也優(yōu)選地由與氧氣處理相容的材料形成。例如，黃銅通常對于氧氣處理有效，這樣當(dāng)系統(tǒng)10用于氧氣分離時(shí)，黃銅是可適當(dāng)制造閥30的一種材料。

繼續(xù)參考圖1，描述緩沖罐40的細(xì)節(jié)。緩沖罐40對系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)不是嚴(yán)格需要的，但其允許呈氧氣分離機(jī)10形式的系統(tǒng)大致連續(xù)輸送氧氣并且能夠緩和系統(tǒng)中的壓力峰值。在圖1中，緩沖罐40包括具有輸入口44和輸出口46的外殼42。然而，緩沖罐通常不具有分開的入口和出口。因?yàn)槠淠康臑閮H僅作為聚集裝置并且最小化變壓吸附過程中固有的壓力波動(dòng)。輸入口44在閥30的吸附床20下游一側(cè)上聯(lián)接到管路32。

緩沖罐40在輸出口46上通常具有某種形式的調(diào)節(jié)閥，所述調(diào)節(jié)閥在緩沖罐40下游的用氧系統(tǒng)需要氧氣時(shí)從緩沖罐40輸送出氧。緩沖罐40的輸入口44能夠保持與閥30流體連通。當(dāng)吸附床20主動(dòng)吸附氮?dú)獠⑶已趿魅刖彌_罐40時(shí)，緩沖罐40可以容納壓力高于大氣壓力并與吸附床20的運(yùn)轉(zhuǎn)壓力匹配或稍低的氧。

傳感器能夠與緩沖罐40相關(guān)聯(lián)，當(dāng)緩沖罐40接近充滿條件時(shí)，所述傳感器與控制器60協(xié)作以關(guān)閉氧氣分離機(jī)10。在許多應(yīng)用中，壓縮器位于緩沖罐40的下游以填充氧容器。當(dāng)該容器充滿時(shí)，系統(tǒng)將被關(guān)閉。如果需要，也可以在緩沖罐40的輸出口46上提供壓力調(diào)節(jié)器，使得從緩沖罐40供應(yīng)的氧的壓力保持基本不變。類似地，如果需要以高于緩沖罐40內(nèi)的壓力的升高壓力供應(yīng)氧，則可在緩沖罐40的下游處提供氧泵。

最優(yōu)選地，緩沖罐40不是特別高壓力的罐，使得包括鼓風(fēng)機(jī)50(或其它泵)和吸附床20的氧氣分離機(jī)10在向緩沖罐40輸送氧時(shí)不需要以特別高的壓力運(yùn)轉(zhuǎn)。通過使緩沖罐40的壓力最小化，能夠大幅減輕緩沖罐40(和系統(tǒng)10的其它部件)的重量。而且，由于鼓風(fēng)機(jī)上的壓降減小，因此由鼓風(fēng)機(jī)耗用的功率也得以減少。

繼續(xù)參照圖1，描述鼓風(fēng)機(jī)50(或其它泵))的細(xì)節(jié)。該鼓風(fēng)機(jī)50通常包括殼體52，所述殼體52中具有某種形式的聯(lián)接到驅(qū)動(dòng)器(如電動(dòng)機(jī))的原動(dòng)機(jī)。在優(yōu)選實(shí)施例中，鼓風(fēng)機(jī)50的殼體52包括直接進(jìn)入周圍環(huán)境的入口54。在殼體52上還提供排放口56，該排放口位于鼓風(fēng)機(jī)50的最靠近吸附床20的一側(cè)上。

鼓風(fēng)機(jī)50的形式優(yōu)選是以直接驅(qū)動(dòng)方式聯(lián)接到電動(dòng)機(jī)的兩葉或三葉旋轉(zhuǎn)鼓風(fēng)機(jī)。在一實(shí)施例中，電動(dòng)機(jī)是5馬力的三相電動(dòng)機(jī)，旋轉(zhuǎn)鼓風(fēng)機(jī)是兩葉或三葉鼓風(fēng)機(jī)而且在大氣壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)每分鐘可輸送大約100立方英尺。該旋轉(zhuǎn)鼓風(fēng)機(jī)還優(yōu)選地構(gòu)造成在吸附床20上抽真空時(shí)具有可接受的性能。

旋轉(zhuǎn)鼓風(fēng)機(jī)的葉片優(yōu)選構(gòu)造成使得它們在氣體沿著任一方向在入口54和排放口56之間移動(dòng)通過鼓風(fēng)機(jī)50時(shí)具有大約相似的效率。在一種形式中，這些葉片形式對稱，使得它們沿著鼓風(fēng)機(jī)50的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向類似地作用于空氣。

鼓風(fēng)機(jī)50優(yōu)選地基本為正排量類型，使其在吸附床20上抽真空時(shí)保持適當(dāng)?shù)男阅?，以致?dāng)鼓風(fēng)機(jī)50沿著反轉(zhuǎn)方向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能夠從吸附床20中的吸附材料有效地脫附氮?dú)?，以從吸附?0抽出氮?dú)獠⑶覐娜肟?4輸出氮?dú)狻?/p>

最優(yōu)選地，鼓風(fēng)機(jī)50以直接驅(qū)動(dòng)方式(或通過變速箱)聯(lián)接到電動(dòng)機(jī)。最優(yōu)選地，電動(dòng)機(jī)是三相交流電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)能夠通過使三相中的兩相反向而輕易地反轉(zhuǎn)。以這種方式，控制器60僅需要使三相電動(dòng)機(jī)的兩極反向。在另一實(shí)施例中，可以使用直流永磁體，其中，能夠通過使得極性反向而讓旋轉(zhuǎn)方向反向，這繼而將使鼓風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)反向。幾乎所有三相電動(dòng)機(jī)均能夠如上所述反轉(zhuǎn)。通過改變極性而使旋轉(zhuǎn)方向反向的直流電動(dòng)機(jī)也易于從許多制造商獲得。

其它類型的泵也可以替代地用于將空氣抽入用于氧氣分離機(jī)10的吸附床20中以及將氮?dú)鈴奈酱?0抽出來。例如，該泵可以是正排量泵，如活塞泵或蠕動(dòng)泵。還能夠使用其它形式的正排量泵，包括擺線泵、齒輪泵等。還可以選擇非嚴(yán)格意義上的正排量泵的其它形式的泵，如離心泵或軸流泵。用于將空氣泵入系統(tǒng)以及從床排氣的最有效方案取決于最終用戶的需求。

繼續(xù)參考圖1，詳細(xì)描述根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例的控制器60的細(xì)節(jié)?？刂破?0示出為單獨(dú)單元，通過鼓風(fēng)機(jī)信號線62聯(lián)接到鼓風(fēng)機(jī)50(或其它泵)并且通過閥信號線64聯(lián)接到閥30。實(shí)際上，控制器60可集成在閥30內(nèi)或集成在鼓風(fēng)機(jī)50(或其它泵)內(nèi)或設(shè)置為獨(dú)立單元，如圖1中所示。還應(yīng)當(dāng)理解的是，控制器60能夠分成兩個(gè)(或更多個(gè))單獨(dú)的裝置，與鼓風(fēng)機(jī)50和閥30分離或集成在鼓風(fēng)機(jī)50和閥30內(nèi)。

控制器60提供控制鼓風(fēng)機(jī)50的運(yùn)轉(zhuǎn)方向并且控制閥30是打開還是關(guān)閉的基本功能。已經(jīng)使用簡單地對周期進(jìn)行定時(shí)的控制系統(tǒng)。通常，控制器構(gòu)造成對壓力或一些其它輸入作出反應(yīng)。

在下文詳細(xì)描述了鼓風(fēng)機(jī)50的方向控制以及閥30的打開和關(guān)閉的優(yōu)選順序?？刂破?0可以是可編程邏輯裝置的形式，或可以是專用集成電路的形式，或可以是專用計(jì)算機(jī)或通用個(gè)人計(jì)算機(jī)或其它計(jì)算裝置的cpu的形式?？刂破?0能夠構(gòu)造成在中央控制位置(如制造期間)設(shè)定運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，或能夠被構(gòu)造成允許在運(yùn)轉(zhuǎn)之前和/或期間現(xiàn)場編程。

在使用和運(yùn)轉(zhuǎn)中，具體參照圖1，描述現(xiàn)有技術(shù)的氧氣分離機(jī)10的運(yùn)轉(zhuǎn)的細(xì)節(jié)。應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)不同于從空氣分離氧而分離其它氣體時(shí)，分離機(jī)10將類似地運(yùn)轉(zhuǎn)，并且作為氧氣分離機(jī)10的運(yùn)轉(zhuǎn)僅作為一個(gè)示例提供。

初始，系統(tǒng)10配置成閥30關(guān)閉并且致使鼓風(fēng)機(jī)50(或其它泵)沿著將氣體驅(qū)出吸附床20(沿箭頭e)的方向旋轉(zhuǎn)。這是用于從吸附床20中的珠脫附氮?dú)獾恼婵罩芷?。具體地，鼓風(fēng)機(jī)50旋轉(zhuǎn)以使氣體抽入入口54中(沿箭頭e)。由鼓風(fēng)機(jī)50從床20去除氣體并且致使氣體沿箭頭f遠(yuǎn)離吸附床20通過排放口54而進(jìn)入周圍大氣。

氮?dú)?或其它不想要的氣體)由吸附床20內(nèi)的吸附材料吸附。通常，該吸附材料還吸附水蒸汽和二氧化碳以及可能吸附微量的其它氣體，包括污染物。

在真空周期的最后部分期間，閥30被打開以使緩沖罐的少量內(nèi)含物被引入吸附床中。該步驟稱為“吹洗階段”。吹洗階段用于將氮?dú)?以及一些二氧化碳和水)吹洗出閥30和鼓風(fēng)機(jī)50之間的管道線路和空間，但并非明顯吹洗入周圍大氣。該短吹洗階段通常定時(shí)為與通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算或確定的量匹配，但也能夠基于傳感器讀數(shù)結(jié)束。該吹洗階段結(jié)束真空周期并且先于后面的吸附周期。

隨后，鼓風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)以開始吸附周期?？諝庠诠娘L(fēng)機(jī)50的入口54處抽入鼓風(fēng)機(jī)(沿著箭頭a表示的方向)?？諝?沿箭頭b)流入吸附床20中，在吸附床20中氮?dú)?、二氧化碳和水被?yōu)先吸附。在吸附床中未被吸附的氣體(通常為氧氣和氬氣的混合物)通過閥30進(jìn)入緩沖罐40中。

吸附床20也可能一定程度上吸附氧氣。然而，選擇吸附材料使得其較之氧氣優(yōu)先吸附更多的氮?dú)?。由于在吸附?0內(nèi)存在吸附材料，基本上只有氧氣(或其它所需的氣體)能夠通過出口26離開吸附床20。通常，氬氣也與氧氣保持在一起。由于空氣為大約1％的氬氣和大約20％的氧氣，該20∶1的比例通常導(dǎo)致從吸附床20的出口26排出的氣體是大約95％的氧氣和5％的氬氣。

由于閥30打開，氧氣能夠(沿箭頭c)流動(dòng)通過閥30并且流入緩沖罐40中。因此，氧氣填充緩沖罐40。如果需要氧氣，能夠從緩沖罐40的輸出口46排出氧氣(沿著箭頭d)。吸附床20內(nèi)的吸附材料最終變得氮?dú)庖约捌渌衔?如水蒸汽和二氧化碳)飽和。該飽和點(diǎn)能夠提前計(jì)算并且校準(zhǔn)在分離機(jī)10內(nèi)。替代地，能夠例如沿鄰近閥30的管路32提供傳感器，以感測基本上應(yīng)僅為氧氣和氬氣中的氮?dú)饣蚱渌廴疚?。該傳感器可使系統(tǒng)檢測吸附床20內(nèi)的吸附材料的該飽和并且因此將氧氣分離機(jī)10的運(yùn)轉(zhuǎn)模式從吸附周期改變?yōu)檎婵罩芷凇Ｓ|發(fā)該改變的其它傳感器可以是單獨(dú)的或與時(shí)鐘或校準(zhǔn)表結(jié)合的壓力傳感器或體積流量傳感器。目標(biāo)是在吸附床20飽和之后防止氮?dú)饣蚱渌廴疚锿ㄟ^閥30。

當(dāng)已感測到正在發(fā)生飽和或預(yù)計(jì)將發(fā)生飽和時(shí)，通過關(guān)閉閥30，分離機(jī)10改變運(yùn)轉(zhuǎn)模式。然后，鼓風(fēng)機(jī)50(或其它泵)反轉(zhuǎn)其運(yùn)轉(zhuǎn)方向。例如，控制器60能夠使聯(lián)接到鼓風(fēng)機(jī)的三相電動(dòng)機(jī)的三相中的兩相反向。隨后，致使鼓風(fēng)機(jī)50沿著相反方向旋轉(zhuǎn)，并且開始(沿箭頭e)將氣體從排放口56抽出吸附床20并且抽入鼓風(fēng)機(jī)50中然后通過入口54離開鼓風(fēng)機(jī)50進(jìn)入周圍環(huán)境，作為如上所述的真空周期的重復(fù)。

控制器60能夠用從吸附床20內(nèi)的吸附材料有效脫附氮?dú)馑枰牡湫蜁r(shí)間量編程。通常，控制器60感測吸附床20中的閾值低壓。然后，系統(tǒng)如上所述繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)較短的吹洗階段，接著返回到脫附周期。

氧氣分離機(jī)10的這種運(yùn)轉(zhuǎn)順序可能能夠無限重復(fù)。當(dāng)緩沖罐40充滿(或由緩沖罐40填充的容器充滿)時(shí)，與緩沖罐40相關(guān)聯(lián)的適當(dāng)傳感器能夠表明緩沖罐40已滿并關(guān)閉氧氣分離機(jī)10。當(dāng)例如由于緩沖罐40中的壓力下降而感測到需要附加氧氣量時(shí)，能夠?qū)⑿盘柊l(fā)送給控制器60以再一次使得系統(tǒng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。

利用本發(fā)明，修改的空氣分離單元110通過本發(fā)明的空氣分離單元110和下文更加詳細(xì)描述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)210實(shí)施現(xiàn)有技術(shù)的單床反向鼓風(fēng)機(jī)(sbrb)真空變壓吸附(vsa)氧氣分離機(jī)10的修改方案。sbrbvsa空氣分離單元(asu)110在該示例性asu110中修改成包括吹洗恢復(fù)罐160。asu110的多個(gè)其它部分均與如在圖1中示出的現(xiàn)有技術(shù)的sbrbvsa技術(shù)類似。

本質(zhì)上，具體參照圖2，描述根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例的asu110的基礎(chǔ)細(xì)節(jié)，其中，asu110通常也包括如上所述的氧氣分離機(jī)10的多個(gè)細(xì)節(jié)。單吸附器容器120由進(jìn)風(fēng)口130供氣，所述進(jìn)風(fēng)口130將空氣供應(yīng)到容器120。在容器120的下游，氧氣供應(yīng)管路125通向氧氣處理罐140，所述氧氣處理罐140可選地設(shè)置成在設(shè)備利用過量氧氣和/或過量氧氣用于氧氣處理罐140下游的處理之前容納該過量氧氣。反向鼓風(fēng)機(jī)150插置在吸附器容器120和進(jìn)風(fēng)口130之間。吹洗恢復(fù)罐160優(yōu)選地通過控制閥165聯(lián)接到容器120下游的氧氣供應(yīng)管路125，控制閥165控制是打開還是關(guān)閉吹洗恢復(fù)罐160。壓縮機(jī)170優(yōu)選地設(shè)置在氧氣處理罐下游處，能夠控制從asu110供應(yīng)的氧氣的壓力。

更加具體地并且繼續(xù)參照圖2，描述asu110的具體細(xì)節(jié)。單吸附器容器120在入口122和出口124之間延伸，入口122限定了容器120的最接近進(jìn)風(fēng)口130的一側(cè)而出口124位于容器120的與入口122相對的一側(cè)上。該容器120能夠具有多種構(gòu)造中的任意一種。盡管該容器120被描述為單吸附器容器120，但是可以設(shè)想的是能夠設(shè)置位于單吸附器容器120上游和下游的歧管，使得能夠并行提供多個(gè)容器120，但是所述多個(gè)容器120一致地運(yùn)轉(zhuǎn)，使得asu110仍然作為單床反向鼓風(fēng)機(jī)(sbrb)系統(tǒng)但是具有僅用于調(diào)節(jié)容器120的尺寸的可選的附加容器120。

容器120容納吸附材料，所述吸附材料較之氧氣優(yōu)先吸附氮?dú)?。該材料通常以珠或其它固體介質(zhì)的形式提供，這允許氣體在其從入口122延伸到出口124時(shí)在固定介質(zhì)周圍流動(dòng)并且經(jīng)過吸附材料的表面。吸附材料的表面將氮?dú)馕皆谄渖希试S氧氣通過容器120。一般地，容器120內(nèi)的材料還吸附水蒸氣和各種其它氣體，而通?？諝鈨?nèi)的氬氣不會(huì)被吸附而是跟隨氧氣一起離開容器120。容器120包括容器壁，所述容器壁足夠堅(jiān)固，使得其能夠在承受范圍從下端處的接近真空至高端處的大約大氣壓力(但是可能略微高于大氣壓力)的壓力時(shí)保持其容積。

最簡單形式的進(jìn)風(fēng)口130只包括開口，所述開口通向周圍大氣，用于將空氣吸入到asu110中。在示出的實(shí)施例中，進(jìn)風(fēng)口130能夠包括某種形式的過濾器元件(例如顆粒過濾器)，并且包括與吹洗口134間隔開的空氣口132。進(jìn)風(fēng)口130內(nèi)的閥致使在鼓風(fēng)機(jī)150將空氣抽吸到容器120中時(shí)通過空氣口132吸入空氣，而吹洗口134在鼓風(fēng)機(jī)150反轉(zhuǎn)并且從容器120抽出氣體時(shí)排放氣體(主要包括氮?dú)?。吹洗口134優(yōu)選地與空氣口132間隔開，以最小化氮?dú)鈴U氣自行返回到空氣口132中的可能性。在需要時(shí)，吹洗口134能夠通向其它設(shè)備，例如氮?dú)饣厥赵O(shè)備。

容器120下游的區(qū)域共同被總稱為氧氣輸出部，因?yàn)榇蟛糠质茄鯕獾臍怏w保持在asu110的這些部分中。在制造氧氣時(shí)使用氧氣的系統(tǒng)中、或者在超過由asu110下游設(shè)備使用數(shù)量的過量氧氣僅僅能夠排放到大氣的系統(tǒng)中、或者在asu110自身下游設(shè)備包括適當(dāng)容積(例如，呈罐或者其它設(shè)備的形式)使得不需要氧氣處理罐140的系統(tǒng)中，能夠消除氧氣處理罐140。然而，通常，設(shè)置氧氣處理罐140，以在反向鼓風(fēng)機(jī)150將空氣驅(qū)動(dòng)進(jìn)入到容器120中并且asu110正在制氧時(shí)保持所生產(chǎn)的過量氧氣，使得當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)150反轉(zhuǎn)并且容器120處于恢復(fù)模式而且從其排放氮?dú)鈺r(shí)，能夠從氧氣處理罐140繼續(xù)供應(yīng)氧氣，以供應(yīng)下游用氧設(shè)備(圖4)。

最優(yōu)選地，產(chǎn)品止回閥145設(shè)置在氧氣處理罐140的上游。該止回閥145用于將增壓氧氣保持在氧氣處理罐140內(nèi)并且防止氧氣回流向容器120。該種產(chǎn)品止回閥145還提供了氧氣供應(yīng)管路125內(nèi)的一種閥形式，反向鼓風(fēng)機(jī)150對氧氣供應(yīng)管路125起作用，使得能夠在容器120上抽至少部分真空，而氣體不會(huì)從氧氣供應(yīng)管路125顯著泄露到容器120中。需要這種真空以通過致使材料釋放氮?dú)鈦砘謴?fù)容器120內(nèi)的材料，并且回到準(zhǔn)備好再次優(yōu)先吸附氮?dú)獠⒀鯕夤?yīng)到氧氣處理罐140的狀態(tài)。氧氣處理罐140包括與出口144相對的入口142，其中，入口142位于產(chǎn)品止回閥145附近，出口144進(jìn)一步通向asu110下游的利用氧氣的設(shè)備。

反向鼓風(fēng)機(jī)150在反向鼓風(fēng)機(jī)150的最靠近進(jìn)風(fēng)口130的一側(cè)上包括入口152，而在反向鼓風(fēng)機(jī)150的與入口152相對的一側(cè)上包括出口154。該反向鼓風(fēng)機(jī)150優(yōu)選地是正排量泵，最為典型地是旋轉(zhuǎn)葉片類型，所述旋轉(zhuǎn)葉片類型能夠有效地吹送空氣通過容器120以制氧，而且還有效地在反向時(shí)在容器120上抽真空。聯(lián)接到反向鼓風(fēng)機(jī)150的旋轉(zhuǎn)葉片原動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)最優(yōu)選地是這樣一類電動(dòng)機(jī)，所述電動(dòng)機(jī)例如通過使得與電動(dòng)機(jī)相關(guān)的電場極性顛倒而易于反向，或者聯(lián)接到反向鼓風(fēng)機(jī)150的旋轉(zhuǎn)葉片原動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)是某種其它類型的電動(dòng)機(jī)，易于反轉(zhuǎn)其運(yùn)轉(zhuǎn)方向，在與反向鼓風(fēng)機(jī)150相關(guān)的設(shè)備上產(chǎn)生最小應(yīng)力。通常，控制器聯(lián)接到反向鼓風(fēng)機(jī)150，所述控制器在適當(dāng)時(shí)間將信號發(fā)送到反向鼓風(fēng)機(jī)150，以使其從將空氣吸入到容器120中反轉(zhuǎn)成從容器120中抽出氣體。

吹洗恢復(fù)罐160優(yōu)選地在其中設(shè)置有聯(lián)接到氧氣供應(yīng)管路125的開口，所述開口優(yōu)選地位于容器120的出口124和產(chǎn)品止回閥145之間的接合部162處。作為替代方案，吹洗恢復(fù)罐150通常能夠直接聯(lián)接到吸附器容器120的位于容器120的與入口122相對的一側(cè)上的部分處。

控制閥165插置在罐160和氧氣供應(yīng)管路125之間。替代地，該控制閥167能夠插置在罐160和容器120之間。在任意一種構(gòu)造中，控制閥165、167從關(guān)閉狀態(tài)和打開狀態(tài)轉(zhuǎn)變，在所述關(guān)閉狀態(tài)中，吹洗恢復(fù)罐160與氧氣供應(yīng)管路125和吸附器容器120隔離開，在所述打開狀態(tài)中，吹洗恢復(fù)罐160通向氧氣供應(yīng)管路125和/或吸附器容器120。控制閥165、167通常聯(lián)接到伺服電動(dòng)機(jī)，使其為伺服閥(sv)的形式。

控制閥165聯(lián)接到控制器，所述控制閥165能夠聯(lián)接到與反向鼓風(fēng)機(jī)150相關(guān)聯(lián)的控制器或者與所述控制器相同，使得以與反向鼓風(fēng)機(jī)150反向同步的方式打開和關(guān)閉吹洗恢復(fù)罐160。在需要時(shí)，這種控制器或者控制器組還能夠聯(lián)接到例如氮?dú)鈧鞲衅鞯膫鞲衅?，所述傳感器能夠檢測容器120下游的微量氮?dú)獠⑶抑甘救萜?20內(nèi)的材料接近飽和以及需要通過使得反向鼓風(fēng)機(jī)150反轉(zhuǎn)進(jìn)入到恢復(fù)階段并通過在容器120內(nèi)抽吸真空而從容器120中抽出氮?dú)?。控制器能夠可選地包括時(shí)鐘并且在已經(jīng)經(jīng)歷設(shè)定時(shí)間之后使得鼓風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)(并且打開/關(guān)閉閥165、167)。

壓縮機(jī)170可選地設(shè)置在氧氣供應(yīng)管路125下游和任何氧氣處理罐140的下游。優(yōu)選地，壓縮機(jī)止回閥175設(shè)置在壓縮機(jī)170上游。壓縮機(jī)170允許控制從asu110供應(yīng)氧氣所需的壓力。壓縮機(jī)止回閥175輔助防止壓縮機(jī)170下游的氧氣倒退返回到asu110中。

具體地參照圖3至圖5，描述asu110的一般操作步驟。圖3示出了asu110的供給步驟。在這個(gè)步驟中，反向鼓風(fēng)機(jī)150沿著箭頭g通過空氣口132從進(jìn)風(fēng)口130抽吸空氣。鼓風(fēng)機(jī)150沿著箭頭h將空氣驅(qū)動(dòng)進(jìn)入到容器120中。空氣通過容器120(沿著箭頭i)，在所述容器120中，選擇性吸附氮?dú)?。大部分為氧氣的氣體流出容器120(沿著箭頭j)并且在氧氣供應(yīng)管路125內(nèi)流動(dòng)。吹洗恢復(fù)罐160的控制閥165在供給步驟的開始階段期間關(guān)閉，使得氧氣繼續(xù)流動(dòng)越過接合部162并且通過氧氣供應(yīng)管路125(沿著箭頭k)。隨后氧氣通過產(chǎn)品止回閥145進(jìn)入到氧氣處理罐140中(沿著箭頭l)。此外，氧氣能夠流經(jīng)壓縮機(jī)止回閥175并且通過壓縮機(jī)170，以從asu110排放(沿著箭頭m)。

只要容器120內(nèi)的材料具有吸附氮?dú)獾倪^剩能力，這種供給步驟(如圖3所示)便繼續(xù)。當(dāng)容器120內(nèi)的該吸附材料變得氮?dú)怙柡蜁r(shí)，asu110需要準(zhǔn)備重新裝填容器120內(nèi)的吸附材料。為了檢測需要重新裝填/復(fù)原容器120內(nèi)的材料，asu110能夠跟隨定時(shí)電路或者跟隨測量氣體流量的氣體流量閥，或者能夠包括位于容器120下游的氮?dú)鈧鞲衅骰蛘咂渌鼈鞲衅鳎龅獨(dú)鈧鞲衅骰蛘咂渌鼈鞲衅髦甘救萜?20下游的氣體表示需要重新裝填/重新調(diào)理容器120內(nèi)的材料。

能夠以幾種略微不同但是密切相關(guān)的方式準(zhǔn)備容器120內(nèi)的材料恢復(fù)。在一實(shí)施例中，這種準(zhǔn)備開始于打開控制閥165(或者閥167)。壓力恢復(fù)罐160的內(nèi)部優(yōu)選地具有低于大氣壓力的壓力，使得大部分為氧氣的氣體(但是可能存在一些氮?dú)?通過控制閥165快速流入到吹洗恢復(fù)罐160中。

當(dāng)吹洗恢復(fù)罐160充滿或者當(dāng)吹洗恢復(fù)罐160實(shí)現(xiàn)大到足以滿足針對容器120實(shí)施吹洗恢復(fù)的目的的填充水平時(shí)，控制閥165關(guān)閉。吹洗恢復(fù)罐160因此容納并且保持作為吹洗裝填物的大部分為氧氣的裝填物(但是通常存在一些氮?dú)夂推渌廴疚?，所述吹洗裝填物能夠接近大氣壓力，或者可以設(shè)想在容器120的下游的壓力高于大氣壓力的情況中所述吹洗裝填物高于大氣壓力。

命令反向鼓風(fēng)機(jī)150反向，使得空氣不再被驅(qū)動(dòng)進(jìn)入到容器120中，而且鼓風(fēng)機(jī)150反轉(zhuǎn)并且開始通過反向鼓風(fēng)機(jī)150從容器120抽出氣體并且氣體返回到進(jìn)風(fēng)口130。反向鼓風(fēng)機(jī)150開始反轉(zhuǎn)的精確時(shí)刻能夠處于與吹洗恢復(fù)罐160相關(guān)的控制閥165關(guān)閉之前或者能夠與控制閥165關(guān)閉同時(shí)或者能夠在控制閥165關(guān)閉之后稍過一會(huì)。反向鼓風(fēng)機(jī)150通常需要一些時(shí)間停止正向移動(dòng)然后開始反向移動(dòng)。這種減速至零速度并反向加速還限定了一時(shí)間段，所述時(shí)間段能夠是控制閥165關(guān)閉或者緊鄰控制閥165關(guān)閉之前或者之后的時(shí)間段。

隨后，反向鼓風(fēng)機(jī)150沿著反向方向運(yùn)轉(zhuǎn)，在吸附器容器120和氧氣供應(yīng)管路125的位于吸附器容器120和產(chǎn)品止回閥145或者氧氣供應(yīng)管路125上的阻止氧氣供應(yīng)管路125內(nèi)的真空抽吸的其它閥之間的部分上抽真空。因此壓力在氧氣供應(yīng)管路125和吸附器容器120內(nèi)減小。氣體沿著圖5的箭頭r流經(jīng)容器120。因?yàn)槲狡魅萜鲀?nèi)的壓力減小，所以降低了容器120內(nèi)的材料保持氮?dú)獾哪芰?。因此從吸附材料釋放氮?dú)獠⑶以摰獨(dú)庋刂^s(圖5)流經(jīng)反向鼓風(fēng)機(jī)150并且流出進(jìn)風(fēng)口130的吹洗口134(沿著圖5的箭頭t)。在足夠時(shí)間之后并且在容器120內(nèi)實(shí)現(xiàn)足夠低的壓力以令人滿意地允許容器120內(nèi)的材料恢復(fù)之后，asu110隨后準(zhǔn)備使得反向鼓風(fēng)機(jī)150再次反向并且使得asu110回到供給模式(圖3)。這種準(zhǔn)備通常初始涉及到打開與吹洗恢復(fù)罐160相關(guān)的控制閥165(或者閥167)。因此通過控制閥165釋放已經(jīng)存儲在其中的主要為氧氣的氣體(其中具有一些氮?dú)?并且該氣體進(jìn)入到氧氣供應(yīng)管路125(或者通過圖2的閥167直接進(jìn)入到容器120中)。

通過將主要為氧氣的氣體連同其它氣體吹洗到低壓容器120中，允許容器120內(nèi)的壓力快速恢復(fù)而且允許在其中包含一些氮?dú)夂推渌廴疚餁怏w的少量吹洗氣體再次接觸容器120內(nèi)的吸附材料，以從其移除氮?dú)夂推渌廴疚?。該吹洗流用箭頭p以及箭頭q整體表示，以返回到吸附器容器120(圖5)。

容器120因此已經(jīng)完全準(zhǔn)備好回到供給步驟。反向鼓風(fēng)機(jī)150之后能夠再次反轉(zhuǎn)，以再次從進(jìn)風(fēng)口130(沿著箭頭g)驅(qū)動(dòng)氣流(沿著圖3中的箭頭h)并且氣流通過容器120(沿著箭頭i)。能夠正好在反向鼓風(fēng)機(jī)150再次反轉(zhuǎn)之前、與反向鼓風(fēng)機(jī)150再次反轉(zhuǎn)同時(shí)、或者在反向鼓風(fēng)機(jī)150再次反轉(zhuǎn)之后不久，使得控制閥165和吹洗恢復(fù)罐160關(guān)閉。

例如能夠停留在毗鄰吹洗恢復(fù)罐160的各種管路內(nèi)的氣體的容積和asu110是否對于氧氣純度、能量效率或者生產(chǎn)率最優(yōu)的各種因素能夠是精確判定控制閥165(或者167)應(yīng)當(dāng)回到其關(guān)閉狀態(tài)的時(shí)刻所考慮的。在判定初始打開控制閥165的時(shí)刻以及初始關(guān)閉控制閥165的時(shí)刻時(shí)能夠發(fā)生類似的優(yōu)化。控制閥165再次關(guān)閉，使其保持其中的真空，以便使得在asu110實(shí)施的周期的下一個(gè)循環(huán)中再次利用吹洗恢復(fù)罐160時(shí)吹洗恢復(fù)罐160最為有效。

繼續(xù)參照圖5，在優(yōu)選實(shí)施例中公開負(fù)荷跟蹤系統(tǒng)210的細(xì)節(jié)，負(fù)荷跟蹤系統(tǒng)210允許空氣分離單元110或者類似的基于吸附的空氣分離單元(例如，圖1的系統(tǒng)10)被控制成即使在氧氣需求變化時(shí)也保持有效和可靠的操作，例如以便促進(jìn)50％、75％或者更大的調(diào)節(jié)比。負(fù)荷跟蹤系統(tǒng)210包括控制器220，所述控制器220聯(lián)接到位于由單吸附器容器120示出的吸附床下游的氧氣存儲區(qū)域中的至少一個(gè)壓力傳感器230。最優(yōu)選地，第二壓力傳感器240也設(shè)置在氧氣存儲區(qū)域內(nèi)的更下游和吸附器容器120的下游。

該氧氣存儲區(qū)域270一般能夠認(rèn)為包括吸附器容器120下游的氧氣流動(dòng)管路、任何吹洗恢復(fù)罐160、氧氣處理罐140或者其它緩沖罐、壓縮機(jī)170和位于它們之間以及其下游的各種氧氣處理管路。第二壓力傳感器240優(yōu)選地位于壓縮機(jī)170下游并且沿著產(chǎn)品管路244，氧氣通過所述產(chǎn)品管路244從空氣分離單元110排放。

第一壓力傳感器230包括數(shù)據(jù)路徑232，所述數(shù)據(jù)路徑232將壓力傳感器數(shù)據(jù)供給到控制器220。第二壓力傳感器240包括數(shù)據(jù)路徑242，所述數(shù)據(jù)路徑242將第二壓力傳感器數(shù)據(jù)從第二壓力傳感器240供應(yīng)到控制器220?？刂破?20輸出控制信號，所述控制信號包括鼓風(fēng)機(jī)控制信號250和壓縮機(jī)控制信號260。盡管在本發(fā)明的最簡單形式中位于氧氣存儲部中的某些部位的單個(gè)壓力傳感器能夠供給到控制器220并且能夠利用單控制信號(例如鼓風(fēng)機(jī)控制信號250)，但是最優(yōu)選地，控制器220接收位于吸附器容器120下游的氧氣存儲部270內(nèi)的兩個(gè)分離位置處的至少兩個(gè)壓力傳感器信號，并且供應(yīng)兩個(gè)分離控制信號250、260，以控制反向鼓風(fēng)機(jī)空氣分離單元(例如sbrbvsa空氣分離單元110)內(nèi)的流量。

特別參照圖6，連同由控制器220響應(yīng)產(chǎn)生的功率級控制信號示出了在兩個(gè)傳感器230、240位置處的感測壓力的示例性細(xì)節(jié)。圖6是功耗和感測壓力與時(shí)間的曲線圖。功耗實(shí)際上是由反向鼓風(fēng)機(jī)消耗的功率和由壓縮機(jī)170消耗的功率。盡管這些元件具有顯著不同的功耗，但是功耗示出為“使用的功率”和“全功率”的比。因此，功耗值看起來彼此類似。作為示例，反向鼓風(fēng)機(jī)可具有十千瓦的全功耗率。當(dāng)以七千瓦為鼓風(fēng)機(jī)供電時(shí)，將在圖6的曲線圖中示出0.7的值。在同一曲線圖上，如果壓縮機(jī)具有一千瓦的全功率比并且當(dāng)前以七百瓦運(yùn)轉(zhuǎn)，則在圖6的曲線圖中也會(huì)顯示0.7的功耗。

類似地，在同一曲線圖上繪出的壓力數(shù)據(jù)不是按照真實(shí)的測量壓力繪出的，而是相對于針對在第一和第二位置處感測的典型壓力的“壓力目標(biāo)”(也稱作設(shè)定值)繪出的。該設(shè)定值不是最大可允許壓力，而是最優(yōu)壓力或者某個(gè)其它任意壓力值，其中，系統(tǒng)能夠操縱高于壓力目標(biāo)的壓力或者低于壓力目標(biāo)的壓力。在一個(gè)實(shí)施例中，能夠替代地利用壓力的可接受范圍，其中，設(shè)定值是這個(gè)范圍中的中點(diǎn)或者這個(gè)范圍內(nèi)的某個(gè)其它點(diǎn)。而且，第一和第二壓力通常彼此不同(盡管它們能夠類似)，但是相對于它們的設(shè)定值規(guī)范化。例如，如果第一壓力設(shè)定值是10psig并且感測壓力是7.5psig，則能夠在圖6的曲線圖上繪制低25％的值。對應(yīng)地，如果第二位置處的壓力設(shè)定值為5psig并且感測的真實(shí)壓力是3.75psig，則針對第二位置繪制的壓力也將是“低25％”。

對圖6的曲線圖的研究表明在特定情況中在第一位置和第二位置處感測到的壓力可能如何稍微變化。在此示出的壓力值是處理罐140(或者其它緩沖罐)處的壓力和在輸出/供應(yīng)部(例如產(chǎn)品管路244)處的壓力。影響這些位置處的壓力的因素包括氧氣需求。因?yàn)檩敵?供應(yīng)部壓力最接近氧氣負(fù)荷源，所以輸出/供應(yīng)部壓力可能最容易受到氧氣需求的影響。影響輸出/供應(yīng)部處的壓力的其它因素包括從壓縮機(jī)輸送的氧氣的當(dāng)前流量、在某種程度上來說是sbrbvsa空氣分離單元110當(dāng)前是以供給模式還是恢復(fù)模式運(yùn)轉(zhuǎn)、以及處理罐140的充滿度。在第二位置處處理罐140中的壓力某種程度受到氧氣需求的影響，但是因?yàn)槠涓咏掌魅萜?20和反向鼓風(fēng)機(jī)150，所以該壓力對空氣分離單元110當(dāng)前是處于供給模式、恢復(fù)模式、吹洗模式還是處于它們之間的過渡狀態(tài)更敏感。

為了保持可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，響應(yīng)處理罐壓力作用的鼓風(fēng)機(jī)功率控制信號和響應(yīng)輸出/供應(yīng)部壓力操作的壓縮機(jī)功率控制信號是具有不同時(shí)間間隔的兩個(gè)單獨(dú)控制環(huán)路。該時(shí)間間隔是當(dāng)控制環(huán)路向鼓風(fēng)機(jī)或者壓縮機(jī)發(fā)送新信號以改變功耗的時(shí)刻之間所經(jīng)歷的時(shí)間。在圖6示出的示例中，壓縮機(jī)功率控制具有大約一秒的時(shí)間常數(shù)，而鼓風(fēng)機(jī)功率控制信號具有大約一分鐘的時(shí)間常數(shù)。在圖6的曲線圖中，鼓風(fēng)機(jī)功率級因此每分鐘進(jìn)行調(diào)節(jié)，除此之外保持相對恒定的功耗。相反，壓縮機(jī)功率似乎連續(xù)變化，因?yàn)槠浯蠹s每秒鐘變化一次。

當(dāng)時(shí)間常數(shù)指的是大約一秒或者大約一分鐘時(shí)，可以設(shè)想的是該近似值可能是這些值的5倍或者五分之一。例如，對于大約一秒的時(shí)間常數(shù)，設(shè)想介于0.2秒和5秒之間的范圍。對于大約1分鐘的時(shí)間常數(shù)，設(shè)想介于0.2分鐘和5分鐘之間的范圍。

通過保持這些時(shí)間常數(shù)彼此不同，提供了多種益處。首先，反向鼓風(fēng)機(jī)150對感測需求的過度反應(yīng)能夠?qū)е聉saasu110過度反應(yīng)并且太迅速地減緩分離處理并且導(dǎo)致?lián)p失氧氣純度。如果時(shí)間常數(shù)太慢，則需求快速下降的可能性能夠?qū)е滦枰谪?fù)荷跟蹤系統(tǒng)210能夠有效響應(yīng)之前從過壓口釋放氧氣需求并且減小了生產(chǎn)率。而且，通過保持時(shí)間常數(shù)類似，鼓風(fēng)機(jī)具有遵循壓縮機(jī)而非遵循真實(shí)需求的傾向。因此增加了控制系統(tǒng)內(nèi)失穩(wěn)的可能性。這種失穩(wěn)能夠要求功耗發(fā)生多次不必要的變化，或者對于控制系統(tǒng)而言完全失效并且回落到超馳關(guān)閉電路或者其它電路，這可能使得asu110脫線。

最優(yōu)選地，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)170和鼓風(fēng)機(jī)150的電動(dòng)機(jī)是變頻驅(qū)動(dòng)裝置。易于調(diào)節(jié)這種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功耗并且還易于調(diào)節(jié)對應(yīng)流量，而同時(shí)能夠保持效率。因?yàn)楣娘L(fēng)機(jī)150和壓縮機(jī)170均優(yōu)選地為正排量流動(dòng)感應(yīng)裝置，所以變頻驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)能夠僅僅修改它們的輸出軸轉(zhuǎn)速，并且對應(yīng)地修改流量，而同時(shí)在很大程度上保持效率。例如，流量減小50％伴隨著小于50％的抽拉功率。因此，即使在需要50％或者75％或者更大的調(diào)節(jié)比以滿足需求變化時(shí)也能夠保持有效操作。圖7示出了功耗與制氧的曲線圖，并且示出了如何與對應(yīng)功耗減小密切相關(guān)地發(fā)生氧氣減產(chǎn)，從而保持效率。

在多種氧氣供應(yīng)設(shè)施中，需要使得氧氣供應(yīng)與預(yù)期需求匹配。而且，利用標(biāo)準(zhǔn)單元而非將大量不同尺寸的單元分組在一起是有益處的。在某些情況中這能夠?qū)е麓蝺?yōu)設(shè)施。例如，如果工廠需要每天60噸(tpd)的氧氣，并且提供了sbrbvsa空氣分離單元，每個(gè)單元供應(yīng)40tpd，那么將需要提供兩個(gè)空氣分離單元。然而，系統(tǒng)能夠比通常需求制造的多。盡管能夠使得單元中的一個(gè)在部分時(shí)間內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，或者將單元構(gòu)造成使得它們共享工作周期并且交替關(guān)閉，但是有益的是單元能夠跟蹤負(fù)荷并且在仍然保持效率的同時(shí)具有調(diào)節(jié)比。因此，利用本發(fā)明，能夠用兩個(gè)40tpd單元滿足60tpd需求，其中一個(gè)單元全力運(yùn)轉(zhuǎn)而另一個(gè)單元以50％的調(diào)節(jié)比運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)需求向上以及向下波動(dòng)時(shí)，能夠跟隨負(fù)荷類似地向上和向下調(diào)節(jié)該調(diào)節(jié)比。作為替代方案，單元中的每一個(gè)均能夠類似地構(gòu)造成具有高調(diào)節(jié)比，而同時(shí)保持效率，使得它們能夠在經(jīng)受正常需求時(shí)均以大約75％的生產(chǎn)力運(yùn)轉(zhuǎn)并且能夠利用在此公開的發(fā)明一起或者交替發(fā)揮作用，以滿足需求變化。

提供本公開是為了展現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例以及實(shí)施本發(fā)明的最佳方式。因此，盡管已按這種方式描述本發(fā)明，但很顯然在不背離本公開范圍和精神的前提下可對優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行多種不同的修改。當(dāng)結(jié)構(gòu)被認(rèn)定為執(zhí)行功能的方式時(shí)，這種認(rèn)定旨在包括能夠?qū)嵤┧付üδ艿乃薪Y(jié)構(gòu)。

工業(yè)實(shí)用性

本發(fā)明展現(xiàn)的工業(yè)實(shí)用性在于其提供了基于單床反向鼓風(fēng)機(jī)(sbrb)真空變壓吸附(vsa)或者其它吸附的空氣分離單元，所述空氣分離單元能夠通過有效地使得氧氣需求與空氣分離單元內(nèi)的流量匹配而滿足很大范圍的需求。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種單床反向鼓風(fēng)機(jī)空氣分離單元，其即使在氧氣需求大范圍變化時(shí)也保持有效操作。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種sbrbvsa空氣分離單元，其能夠以可變的流量保持連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)并且避免過度啟動(dòng)和關(guān)閉周期，同時(shí)滿足可變的氧氣需求。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種空氣分離單元，所述空氣分離單元按照以高調(diào)節(jié)比跟蹤空氣分離單元上的負(fù)荷而同時(shí)保持有效制氧操作的方式運(yùn)轉(zhuǎn)。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種控制基于吸附的空氣分離單元內(nèi)的設(shè)備的流量以有效響應(yīng)氧氣負(fù)荷變化的方法。

通過仔細(xì)閱讀所包括的詳細(xì)描述、回顧附圖和所附權(quán)利要求，闡述本發(fā)明工業(yè)適用性的本發(fā)明的其它目的將變得顯而易見。