專利名稱：改進的變壓吸附操作控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變壓吸附操作。更具體地說，涉及在可變要求條件下的操作。
在現(xiàn)有技術(shù)中，已知變壓吸附方法和系統(tǒng)可用來實現(xiàn)所需的原料混合氣的分離。在實施變壓吸附(PSA)法時，使含有一種易吸附組分和一種不易吸附組分的原料氣混合物通過一個能在較高吸附壓力下選擇性吸附易吸附組分的吸附床。此后，使該床減壓到一個可解吸所述易吸附組分的較低的解吸壓力，并在加入另一批原料氣混合物之前，從所述床中除去易吸附組分，在PSA系統(tǒng)中連續(xù)進行這種周期性的吸附-解吸操作。在常見的PSA實踐中，一般采用多床系統(tǒng)，其中，按一個循環(huán)計，用每個床進行與系統(tǒng)中其它床所進行工序相互關(guān)聯(lián)的PSA處理工序。
PSA技術(shù)可非常有利地用于分離空氣，以得到產(chǎn)物氮氣和副產(chǎn)物氧氣。對于這樣的操作，通常采用平衡型吸附劑，如沸石分子篩，用來選擇性吸附氮氣(空氣中的易吸附組分)，而允許氧氣(空氣中的不易吸附組分)通過吸附材料床。這樣，可以生產(chǎn)所需濃度的穩(wěn)定的氮氣和氧氣流。
雖然PSA方法和系統(tǒng)可在穩(wěn)態(tài)條件下對于所需的氮氣和氧氣生產(chǎn)很容易地實現(xiàn)最佳化，但在不同的實際工業(yè)應(yīng)用中，對這些氣體產(chǎn)物的要求不能在長的時間期間保持不變。現(xiàn)有技術(shù)中還需要進一步發(fā)展PSA方法和系統(tǒng)，以適合在可變的控制條件下操作。因此，需要調(diào)節(jié)式控制裝置，以便使PSA系統(tǒng)可以有效地操作，從而在可變的用戶要求條件下，保持所需產(chǎn)物的供應(yīng)和純度，同時在降低要求的條件下，降低能量的要求。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種PSA方法和系統(tǒng)，用來在可變要求的條件下由空氣生產(chǎn)氮氣和氧氣。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種改進的PSA方法和系統(tǒng)，用來在降低氮氣產(chǎn)物氣量的條件下，提高空氣分離操作的效率。
考慮到這些及其它的目的，下面詳細地描述本發(fā)明，其新穎的特征將在所附的權(quán)利要求中具體地指出。
監(jiān)測一個容積可變的產(chǎn)品貯存容器，以確定用戶要求的變化，并在可變要求的條件下，控制用來生產(chǎn)產(chǎn)品氮氣和副產(chǎn)品氧氣的PSA系統(tǒng)中處理步驟的程序。
下面結(jié)合附圖
詳細描述本發(fā)明。唯一的附圖是本發(fā)明為了適應(yīng)可變的要求條件而采用調(diào)節(jié)式控制特征的一個兩床PSA系統(tǒng)操作的工藝流程循環(huán)圖。
本發(fā)明的目的是通過用一個與PSA系統(tǒng)相配合的可變?nèi)莘e的貯罐來實現(xiàn)的，貯罐系統(tǒng)之間有一流動體積，以便按照可變的要求條件實現(xiàn)PSA循環(huán)的所需控制。
在本發(fā)明的變壓吸附工藝中，用至少有兩個吸附床的PSA系統(tǒng)從原料空氣中選擇性地吸附氮氣來生產(chǎn)氮氣產(chǎn)物和氧氣副產(chǎn)物。按一個循環(huán)計，每個吸附床經(jīng)歷的工藝步驟包括再加壓到較高的吸附壓力，用回流氣從床中轉(zhuǎn)換出未吸附的副產(chǎn)物氧氣，放氣并抽空到較低的解吸壓力，以便解吸并從床中除去產(chǎn)物氮氣。在高壓下提供置換氣來對床進行回流置換，如果需要，在再加壓和/或放氣前，吹洗并調(diào)節(jié)，以適應(yīng)降低產(chǎn)物要求時的期間。
按照如圖示的具體工藝程序，使用一個兩床PSA系統(tǒng)，按一個循環(huán)計，床A和床B各自經(jīng)歷所標出的工藝程序，在一個床減壓回收產(chǎn)物氮氣的同時，另一個床在加壓以從原料空氣中選擇性地吸附另一些氮氣，并回收副產(chǎn)物氧氣。按所述的一個適當(dāng)?shù)难h(huán)計，在床A中可以看到十個列出的處理程序的步驟的下述描述也與床B有關(guān)。在步驟1，通過使床A從其高吸附壓力放氣到中等壓力，解吸高壓氮氣產(chǎn)物，并從床A的原料一產(chǎn)物端(下端)排到貯罐中。氮氣產(chǎn)物從床A流到一個氮氣貯罐，通過緩慢地打開位于床A的原料一產(chǎn)物端與所述氮氣貯罐之間的管路中的閥件，將氣體的流速控制在一個穩(wěn)定的值。
步驟2包括使床A從所述中間壓力抽空到較低壓力，在真空下，從所述床A中進一步解吸氮氣，并從其原料一產(chǎn)物端排出所述氮氣(作為低壓氮氣產(chǎn)物)。這種氮氣可以通往所述的氮氣貯罐。通過控制步驟2的持續(xù)時間，可使在步驟2從床A排出的氮氣數(shù)量保持恒定。
在步驟3中，繼續(xù)對床A抽空，使其達到更低的低于大氣壓的解吸壓力，在該步驟從床A的原料一產(chǎn)物端排出的氮氣被作為低壓氮氣產(chǎn)物回收。像步驟2一樣，通過控制步驟3的持續(xù)時間，使得從床A排出的氣量保持恒定。排出的氮氣送往所述的氮氣貯罐，或送往床B作為回流氣或置換氣。
在步驟4期間，從床A的原料一產(chǎn)物端再排出一些氮氣，其中將氧氣吹洗氣引入床A的吹洗一排氣端(上端)。這樣排出的氮氣可以送往床B用作回流氣或在床B中作置換氣，也可以送往氮氣貯罐。
在調(diào)節(jié)步驟5期間，處理程序繼續(xù)進行，沒有氣體也即沒有原料氣，吹洗氣或回流氣通入床A，也沒有氣體從它排出。用合適的工藝過程計算機/控制器裝置，包括相配合的體積測量裝置，監(jiān)測氮氣貯罐中存在的氮氣數(shù)量。當(dāng)觀察到氮氣使用速度降低或所述速發(fā)生任何變化時，計算機/控制器裝置就根據(jù)后來確定的氮氣使用速度自動調(diào)整整個工藝循環(huán)時間和各個步驟的時間。循環(huán)時間與使用速度成反比增加，也就是說，當(dāng)使用速度降低時，循環(huán)時間延長。還要監(jiān)測由氮氣貯罐排出用于下游用途的氮氣產(chǎn)物。以保證供給的氮氣產(chǎn)物純度不變。工藝過程計算機/控制器裝置也用來保證氮氣貯罐處于恒壓下，以便對下游用戶提供壓力和純度都恒定的氮氣產(chǎn)品。在調(diào)節(jié)步驟5期間，調(diào)節(jié)用來向床供應(yīng)原料氣，吹洗氣和回流氣及從其排出氣體的壓縮機/真空泵裝置，以降低所述壓縮機/真空泵裝置的能耗，從而實現(xiàn)壓縮機的動力正比于產(chǎn)品要求速度的降低的節(jié)能。
在調(diào)節(jié)之后處理程序重新起動之時，步驟6提供了氧氣從床A的吹洗一排氣端進入床A的通道，以便對床再加壓。工藝過程計算機/控制器裝置用來使氧氣在與任何具體用戶要求條件下的整個工藝循環(huán)時間相協(xié)調(diào)的所需循環(huán)時間期間通入床內(nèi)。在該再加壓步驟，一般設(shè)有氣體從床A排出。
在步驟7，通過在床的原料一產(chǎn)物端引入新鮮空氣，繼續(xù)對床A進行加壓。通過循環(huán)控制系統(tǒng)裝置控制這種原料空氣的加壓步驟的時間，來控制在該步驟通入床A的原料空氣的數(shù)量。在該加壓步驟期間，可以看到，沒有氣體從床的吹洗一排氣端排出，因此，床被加壓到其較高的吸附壓力。
用新鮮原料空氣使床A加壓到較高吸附壓力之后，從空氣中選擇吸附氮氣，在步驟8，使回流氣或置換氮氣在原料一產(chǎn)物端通入床，以便從相對端，也即從其吹洗排氣端置換出氧氣。用于這一目的的氮氣可從氮氣貯罐抽出，或從床B通入床A，如步驟1、2或3所進行的那樣。在該步驟由床中置換出的氧氣貯存在合適的氧氣貯罐中，一般處于最高的有效壓力下。
在步驟9，將另一批回流氣或置換氮氣通入床A的原料一產(chǎn)物端，另一些氧氣從床的吹洗一排氣端被置換出來。通過監(jiān)測氮氣貯罐中的氮氣總貯量，并用工藝過程計算機/控制器裝置合適地調(diào)節(jié)步驟9的循環(huán)時間，控制在該步驟加入床A的置換氮氣的量。在該步驟，付產(chǎn)物氧氣由床通入合適的氧氣貯罐，以便用作副產(chǎn)物氧氣，并如前所述那樣在步驟4作為氧氣吹洗氣再循環(huán)使用，和/或如在床A或床B中進行的那樣，在步驟6用作氧加壓氣。
步驟10接在回流氣從床A置換氧氣之后，但在重復(fù)循環(huán)的PSA處理程序的步驟1，即由床中排出氮氣產(chǎn)物之前，如步驟5所述那樣，步驟10也包括調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這樣，在調(diào)節(jié)步驟10期間，既沒有氣體通入床A，也不從其排出氣體。在該步驟，用工藝過程計算機/控制器裝置監(jiān)測氮貯罐中存在的氮氣量。當(dāng)觀察到氮氣使用速度下降或出現(xiàn)任何變化時，工藝過程計算機/控制器裝置就按照后來確定的氮氣使用速度自動地調(diào)節(jié)PSA工藝循環(huán)及步驟的時間。在降低需求的時間內(nèi)，由氮氣貯罐向下游用戶供給的氮氣產(chǎn)品物流也希望保持在所需要的產(chǎn)物純度和壓力下，同時降低用在實際的PSA工藝及系統(tǒng)中的壓縮機/真空裝置的能耗。
在本發(fā)明所示出的具體方案的循環(huán)操作中，可以看到，床B經(jīng)歷了與床A同樣的處理程序，床B處于調(diào)節(jié)步驟10的同時，床A中處于調(diào)節(jié)步驟5。與此類似，床B進行調(diào)節(jié)步驟5的同時，床A進行調(diào)節(jié)步驟10。還可進一步看到，在床A進行步驟1-4回收氮氣產(chǎn)物期間，床B進行步驟6-9，對床進行再加壓并從其置換副產(chǎn)物氧氣。與此類似，床B進行所述PSA處理程序的步驟1-4時，床A進行其步驟6-9。
如上述，由于本發(fā)明可以很方便地在一個兩床的PSA系統(tǒng)中實施，顯而易見，如果需要，發(fā)明也可在包括三個或多個吸附床的PSA系統(tǒng)中實施。在這種情況下，這樣進行所需的處理程序，從而連續(xù)地回收氮氣產(chǎn)物，并通入氮氣貯罐或送往另一個床中以用于置換氧氣的目的，但相應(yīng)于圖示循環(huán)步驟5和10的調(diào)節(jié)步驟除外，在該兩個步驟期間，壓縮機/真空裝置無負荷，用工藝過程計算機/控制器裝置確定氮氣使用的變化。
熟悉現(xiàn)有技術(shù)的專業(yè)人員懂得，不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求所述的范圍，即可對本發(fā)明的細節(jié)作出各種修改。因此，在實施本發(fā)明時，可以使用能夠選擇性吸附氮氣(原料空氣中易吸附組分)的任何合適的工業(yè)可用的平衡型吸附材料。優(yōu)先選擇的吸附劑包括沸石分子篩，如像“X”型沸石，例如13X，包括用一價陽離子(優(yōu)選鋰)高度交換的那些吸附材料，或堿蒸煮的“X”型材料。
由于圖示的實施例用一種具體的放氣，抽空，再加壓、回流程序具體描述了本發(fā)明的方法，可以理解，也可以采用任何其它適于提供高壓吸附一低壓解吸程序，并帶有合適的調(diào)節(jié)式裝置、以監(jiān)測用氮氣要求變化的處理程序。因為圖示處理程序中包括兩個調(diào)節(jié)步驟，也可用包括一個或多個確定氮氣產(chǎn)物使用要求變化的調(diào)節(jié)步驟的工藝循環(huán)實施本發(fā)明。通過在每個處理循環(huán)中包括多于一個這樣的調(diào)節(jié)步驟，該控制方法可以更確切地用來降低能量消耗，實現(xiàn)本發(fā)明PSA工藝及系統(tǒng)操作中明顯的節(jié)能。
實施本發(fā)明所用的工藝過程計算機/控制器裝置，可以是任何常用的工業(yè)上現(xiàn)有的裝置。包括一臺常用的信號發(fā)送器，為排定程序，通過測量氮氣貯罐中的氣體量，例如通過體積測量確定氮氣需求改變時，發(fā)送器依此發(fā)出一個輸出信號來控制由床A和床B的氣體通量，并向所述工藝計算機/控制器裝置發(fā)送一個以此為基礎(chǔ)的輸入信號。如上所述，改變各個處理步驟時間和整個PSA循環(huán)時間，以便使氮氣產(chǎn)物的生產(chǎn)與其需要相互高度地協(xié)調(diào)一致，有效地維持氮氣產(chǎn)物的純度和壓力恒定，并按照對氮氣產(chǎn)物需求的變化改變所述壓縮機/真空泵裝置的負荷時間比率，從而通過降低所用壓縮機/真空設(shè)備的能耗來降低操作成本。這樣，本發(fā)明就能在用于設(shè)計的操作條件下操作PSA系統(tǒng)所需處理程序的時間與用于在降低需求條件下的時間之間調(diào)節(jié)循環(huán)步驟時間，同時維持所需的氮氣產(chǎn)物純度并通過在降低要求條件期間降低能耗實現(xiàn)顯著的節(jié)能。
用于空氣分離的PSA方法及系統(tǒng)可普遍用來生產(chǎn)純度范圍97-99.9%的高純度氮氣，和純度范圍為30-90%的氧氣副產(chǎn)物，最典型的是60-80%，高壓吸附一低壓解吸循環(huán)可望在0-15psig的高吸附壓力與低于大氣壓的低解吸壓力之間操作，低壓一般為2-8psia，當(dāng)然也可采用其它的壓力范圍。
可以理解，也可采用合適的溫度控制裝置來確?？墒箿囟瓤刂圃谒璧奈酱膊僮鳁l件下，并使在PSA系統(tǒng)中內(nèi)部氣體流速一致。
在實施本發(fā)明時的調(diào)節(jié)可以直到5-10%的程度，以PSA系統(tǒng)設(shè)計的流量計?？梢杂^察到調(diào)節(jié)的典型效率范圍為100%流量-100%功率;20%流量-30-40%功率。在不需要氮氣產(chǎn)物的持續(xù)期間，通過在5-10%負荷時間比率內(nèi)自動循環(huán)的PSA系統(tǒng)，可方便地保持產(chǎn)物的純度。在此期間回收的氮氣可被用作回流氣或置換氣，如果需要，也可以從系統(tǒng)中排入大氣。
氮氣貯罐一般接收濕的氮氣產(chǎn)物，因而配有導(dǎo)管裝置，以便能從系統(tǒng)中排出聚積的水。由于密封不嚴，儀器使用和回流氣循環(huán)而回收的氮氣可經(jīng)合適的導(dǎo)管裝置返回氮氣貯罐，從而最大程度地減少PSA系統(tǒng)整個操作中無謂的氮氣產(chǎn)物損失。工藝過程計算機/控制器裝置自動地適應(yīng)由總貯氣量控制器輸出確定的氣體貯量的變化。雖然氮氣貯罐可以是容積固定的容器，對于本發(fā)明的目的，采用容積可變的氮氣貯罐一般是方便的。為此目的，可在氮氣貯罐內(nèi)裝入一個可按照容器內(nèi)存在的氣體體積來改變體積的活動的襯套。這樣一種襯套可用適合的材料制成，如用增強纖維聚合材料，在指定的操作條件下有所需的強度和滲透性能等特性。
可以看出，本發(fā)明對空氣分離的PSA技術(shù)提供了一種非常需要且有益的改進。由于能使PSA工藝及系統(tǒng)在降低氮氣產(chǎn)物需求期間在調(diào)節(jié)條件下有效地運行，本發(fā)明能使PSA技術(shù)更加有效地適應(yīng)在高純度氮氣和副產(chǎn)物氧氣的實際工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常碰到的可變需求的情況。
權(quán)利要求
1.在一種變壓吸附方法中，生產(chǎn)氮氣產(chǎn)品以供給可變需求的用途，同時生產(chǎn)副產(chǎn)物氧氣。所述的產(chǎn)物在一個包含至少兩個能選擇性吸附氮(作為原料空氣中的易吸附組分)的吸附床的變壓吸附系統(tǒng)中生產(chǎn)，按一個循環(huán)計，每個床經(jīng)歷的處理程序包括將原料空氣通入床中，以便在較高的吸附壓力下選擇性地吸附氮氣，使所述床降壓到一較低的解吸壓力，以解吸氮氣，并從床中回收，其特征包括(a)將回收的氮氣送入一個氮氣貯存容器，以供給下游所述氮氣的可變需求的用途；(b)在每個床的吸附一解吸處理程序中提供一個調(diào)節(jié)期間，在此期間，不向床通入氣體，也不從床中排出氣體，各床中調(diào)節(jié)期間同時發(fā)生；(c)在調(diào)節(jié)期間內(nèi)監(jiān)測氮氣貯存容器，以確定氮氣需求的變化；(d)在可用于設(shè)計操作條件下以所需純度生產(chǎn)氮氣的時間與在降低需求的條件下以基本相同的純度生產(chǎn)氮氣的所述時間之間調(diào)整處理程序的總循環(huán)時間和各個處理步驟的時間；和(e)按照降低需求的條件減少變壓吸附系統(tǒng)的能量消耗，從而可在可變需求條件下操作該方法，生產(chǎn)純度恒定的氮氣產(chǎn)物，在降低需求操作期間大幅度降低能量消耗。
2.按權(quán)利要求1的方法，其特征是所述氮氣貯存容器是可變?nèi)莘e的容器。
3.按權(quán)利要求1的方法，其特征是所述氮氣產(chǎn)物是在一個兩床變壓吸附系統(tǒng)中生產(chǎn)的。
4.按權(quán)利要求2的方法，其特征是所述氮氣產(chǎn)物是在一個兩床變壓吸附系統(tǒng)中生產(chǎn)的。
5.按權(quán)利要求4的方法，其特征是每個床中的高吸附壓力一低解吸壓力程序包括兩個調(diào)節(jié)期間，一個在每個床由低解吸壓力開始再加壓之前，另一個在由其高吸附壓力降壓之前，一個床中在加壓之前的調(diào)節(jié)期間，在時間上與另一個床中在降壓之前的調(diào)節(jié)期間相一致。
6.按權(quán)利要求1的方法，其特征是低解吸壓力為低于大氣壓的壓力。
7.按權(quán)利要求2的方法，其特征是低解吸壓力是低于大氣壓的壓力。
8.按權(quán)利要求5的方法，其特征是低解吸壓力是低于大氣壓的壓力。
9.按權(quán)利要求5的方法，其特征是每個床的處理程序包括(a)由高吸附壓力排氣到一個中間壓力，從床的原料一產(chǎn)物端排出氮氣;(b)將床抽空到一個較低的低于大氣壓的壓力，從床的原料一產(chǎn)物端進一步排出氮氣;(c)繼續(xù)將床抽空到一個低于大氣壓的解吸壓力;(d)向床的吹洗一排氣端加入副產(chǎn)物氧氣進行吹洗，從床的原料一產(chǎn)物端排出另一些氮氣，(e)調(diào)節(jié)，沒有氣體通入床，也不從床排出氣體;(f)向床的吹洗一排氣端通入氧氣副產(chǎn)物，使床從其較低解吸壓力加壓到一個中間壓力;(g)向床的原料一產(chǎn)物端通入原料空氣，使其從中間壓力進一步加壓到高吸附壓力，用吸附床選擇性吸附原料空氣中存在的氮氣;(h)將氮氣通入床的原料一產(chǎn)物端對床進行回流吹洗，以便從床的吹洗一排氣端置換出未吸附的氧氣;(i)進一步對床回流吹洗，將副產(chǎn)物氧氣通入一個氧貯存容器;和(j)調(diào)節(jié)，沒有氣體通入床，也沒有氣體從床排出，在一個床中進行步驟(i)的時間與另一個床進行步驟(j)的時間相一致。
10.在一種變壓吸附系統(tǒng)中，生產(chǎn)氮氣產(chǎn)物以供給可變需求的用途，同時生產(chǎn)氧氣副產(chǎn)物，所述系統(tǒng)包括至少兩個能選擇性地吸附氮氣(作為原料空氣中的易吸附組分)的吸附床，按一個循環(huán)計，每個床經(jīng)歷的處理程序包括將原料空氣通入床中，以便在高吸附壓力下選擇性地吸附氮氣，將所述床降壓到一較低的解吸壓力，以解吸氮氣，并從床中回收，其特征是(a)一個氮氣貯存容器，用于以恒定的純度向可變的需求用途供給在所述系統(tǒng)中回收的氮氣產(chǎn)物;(b)切斷每個床中吸附一解吸處理程序用的調(diào)節(jié)裝置，使得在所述調(diào)節(jié)期間沒有氣體通入床中，也沒有氣體從床中排出，而且，所述調(diào)節(jié)期間在每個床中同時發(fā)生;(c)用來確定所述氮氣貯存容器中氮氣體積和氮氣需求量變化的監(jiān)測裝置;(d)對于處理程序的總循環(huán)時間和單個處理步驟的時間在可用于在設(shè)計的操作條件下以所需純度生產(chǎn)氮氣的時間與在降低需求條件下以基本相同的純度生產(chǎn)氮氣的所述時間之間進行調(diào)節(jié)用的控制裝置;和(e)按所述降低需求的條件降低變壓吸附系統(tǒng)能量消耗的裝置，從而可使該系統(tǒng)在可變需求條件下操作，來生產(chǎn)純度恒定的氮氣，在降低需求期間能耗明顯降低。
11.按權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其特征是所述氮氣貯存容器是一個容積可變的容器。
12.按權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其特征是所述系統(tǒng)包括兩個吸附床。
13.按權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其特征是所述系統(tǒng)包括兩個吸附床。
14.按權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其特征是所述調(diào)節(jié)裝置適于提供兩個調(diào)節(jié)期間，一個在每個床從低解吸壓力開始加壓之前，另一個在從高吸附壓力降壓之前，一個床中，在加壓之前的調(diào)節(jié)期間，在時間上與另一個床在降壓前的調(diào)節(jié)期間相一致。
15.按權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其特征是還包括使所述的床降壓到低于大氣壓的較低的解吸壓力的真空裝置。
16.按權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其特征是所述的氮氣貯存容器是一個容積可變的容器，所述的系統(tǒng)包括兩個吸附床。
全文摘要
用于空氣分離的一個變壓吸附方法和系統(tǒng)包括一個可變?nèi)莘e的氮氣產(chǎn)品貯存容器，對其監(jiān)測以確定產(chǎn)品使用者需求的變化。在降低需求期間，調(diào)節(jié)工藝循環(huán)和各個工藝步驟，以保持所需的產(chǎn)品純度和壓力，在調(diào)節(jié)條件下，降低功率，實現(xiàn)節(jié)能。
文檔編號B01D53/047GK1057404SQ91103770
公開日1992年1月1日 申請日期1991年5月24日 優(yōu)先權(quán)日1990年5月25日
發(fā)明者詹姆斯·斯莫拉列克 申請人:聯(lián)合碳化工業(yè)氣體技術(shù)公司