專利名稱：真空變壓吸附系統(tǒng)的調(diào)諧的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體分離的變壓吸附。具體地說(shuō)，涉及真空變壓吸附系統(tǒng)的調(diào)諧，以保持穩(wěn)定高效運(yùn)轉(zhuǎn)。
變壓吸附(PSA)方法已被應(yīng)用于具有重要意義的場(chǎng)合分離和提純氣體，例如空氣分離以生產(chǎn)產(chǎn)品氣體氧或氮。多數(shù)PSA過(guò)程采用多床系統(tǒng)來(lái)實(shí)施，其中每一床按照相對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)其他床不同的相位關(guān)系，經(jīng)受相同的步驟順序。這樣的過(guò)程包括高壓吸附、低壓解吸以及由低壓再加壓至高壓。許多PSA過(guò)程還采用一個(gè)或多個(gè)壓力均衡步驟或再加壓步驟，其中氣體被從一個(gè)高壓下的床抽出，直接或經(jīng)過(guò)一個(gè)緩沖罐，送入另一個(gè)起初處于低壓的床，直至上述床達(dá)到壓力均衡為止。這樣做可以節(jié)省一定的壓縮能量，并且通常還能提高過(guò)程中產(chǎn)品氣，例如氧氣的總回收率。
在真空變壓吸附過(guò)程(VPSA)中，低解吸壓力為負(fù)壓，即真空解吸壓。在理想的空分用VPSA加工順序中，在一個(gè)或多個(gè)能從進(jìn)料氣混合物難吸附組分中選擇性吸附易吸附組分的吸附劑床層里，按循環(huán)方式實(shí)施下列順序的操作步驟(1)每個(gè)吸附劑床的進(jìn)料氣從某一中間壓力加壓至高的正吸附壓;(2)進(jìn)料氣以上述高吸附壓引入到吸附床的進(jìn)料端，易吸附組分被吸附且同時(shí)難吸附組分從床層的產(chǎn)物端被抽出;(3)隨著從床層進(jìn)料端釋放氣體，逆流減壓至低壓;(4)抽真空至較低的負(fù)壓，即真空解吸壓;(5)任選的吹掃，典型做法是向處于低解吸壓的床層的產(chǎn)物端引入少量產(chǎn)物氣體;以及(6)床層被再加壓至中間壓力。此種VPSA處理順序可被應(yīng)用在單床系統(tǒng)或者含有兩個(gè)或更多個(gè)吸附床的多床系統(tǒng)中。在此種處理的各種變形方法中，可以采用一個(gè)或多個(gè)順流減壓步驟，其中氣體從床層的產(chǎn)物端釋放出來(lái)，同時(shí)與系統(tǒng)內(nèi)另一床層均壓至某一中間壓力。
PSA過(guò)程，包括VPSA過(guò)程，是一種非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，受外部擾動(dòng)和變量的影響。在某些情況下，一旦有擾動(dòng)進(jìn)入該系統(tǒng)，它不能針對(duì)此變化自動(dòng)地自行矯正。相反，這個(gè)問(wèn)題會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，會(huì)自發(fā)持續(xù)下去，直至PSA過(guò)程不能再以峰值生產(chǎn)能力和效率操作為止?？赡苡绊慞SA過(guò)程的變量包括周圍環(huán)境溫度、進(jìn)口處進(jìn)料狀況、工藝設(shè)備的可變性、過(guò)程中閥位及響應(yīng)時(shí)間以及其他各種因素。為使PSA過(guò)程能在最佳狀況運(yùn)轉(zhuǎn)，必須對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)以確定是否有外部變量對(duì)過(guò)程產(chǎn)生干擾。一旦確認(rèn)出現(xiàn)干擾，便可采取措施對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行糾正和補(bǔ)償，迫使其重新運(yùn)行在最佳狀態(tài)。業(yè)已發(fā)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行有很大影響的一個(gè)PSA過(guò)程變量為吸附劑罐溫度曲線。典型地，尤其對(duì)先進(jìn)的高效吸附劑來(lái)說(shuō)，在PSA過(guò)程中沿軸向的溫度曲線服從下列趨勢(shì)吸附劑罐底部溫度(進(jìn)料氣進(jìn)口端)低于進(jìn)料氣溫度30-60°F吸附劑罐中部溫度(介于進(jìn)料氣端進(jìn)口與罐的產(chǎn)物端出口端的中間一點(diǎn))低于進(jìn)料氣溫度10-30°F吸附劑罐頂部溫度(罐的產(chǎn)物端)在進(jìn)料氣溫度±10°F范圍內(nèi)。
在PSA過(guò)程中，若吸附劑罐溫度曲線符合上述趨勢(shì)，則認(rèn)為該過(guò)程運(yùn)行在穩(wěn)定的“調(diào)諧”狀態(tài)。但是，過(guò)程中出現(xiàn)小擾動(dòng)會(huì)很容易使罐溫曲線偏斜，使之與上述標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)很大差異。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)吸附劑罐具有遠(yuǎn)不同于本技術(shù)中通常見(jiàn)到的溫度曲線時(shí)，則產(chǎn)品收率將下降，單位能耗提高，以及整個(gè)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)性能惡化。尤其當(dāng)在PSA，包括VPSA系統(tǒng)中采用較新、性能較好吸附劑材料時(shí)，該問(wèn)題就變得益發(fā)嚴(yán)重。
為了使VPSA系統(tǒng)在最佳狀態(tài)運(yùn)行，必須手動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)吸附劑罐的壓力均衡、再加壓以及吹掃流，以確保每一吸附劑床達(dá)到產(chǎn)生出相似產(chǎn)物純度的狀態(tài)。典型的做法是，在產(chǎn)物抽出點(diǎn)下游的一點(diǎn)與床之間接入一個(gè)氧分析儀并測(cè)量產(chǎn)物氣臨界點(diǎn)純度。一旦臨界點(diǎn)純度達(dá)到平衡，則過(guò)程可謂處于“調(diào)諧”狀態(tài)，且此時(shí)以最低單位能耗生產(chǎn)出最多產(chǎn)物氣體。
Abel等人的專利，U.S.4，995，089探討了下游用戶為斷續(xù)使用情況時(shí)，來(lái)自吸附分離系統(tǒng)的產(chǎn)物流控制問(wèn)題，采用差壓控制器來(lái)測(cè)量產(chǎn)物管線內(nèi)的壓差(DP)。差壓控制器根據(jù)測(cè)得的管線內(nèi)壓差值(DP)向管線中的閥門(mén)發(fā)出適當(dāng)?shù)臍鈩?dòng)信號(hào)，以控制產(chǎn)物流量。這種自動(dòng)控制的方法只與通往用戶管線的產(chǎn)物流量控制有關(guān)，并未針對(duì)實(shí)際的PSA過(guò)程的操作或能使過(guò)程運(yùn)行更有效的最佳化。
Schebler等人在U.S.4，589，436中披露了另一種PSA控制方法，采用與氧分壓監(jiān)測(cè)儀相聯(lián)的小排放閥，旨在控制產(chǎn)物流中的氧氣分壓。若上述分壓上升超過(guò)預(yù)定的某一極限，排放閥會(huì)打開(kāi)，從而令一小部分產(chǎn)物氣放入大氣。這導(dǎo)致PSA裝置產(chǎn)出更多氣體，從而又降低產(chǎn)物流中氧氣純度，因而降低該物流中氧的分壓。雖然該專利討論了通過(guò)提高產(chǎn)物氣流量來(lái)控制氧分壓的方法，但卻既未涉及以有效方式降低產(chǎn)物流量，以避免單位能耗的提高，也未涉及PSA罐溫度或用它來(lái)控制出自特定PSA罐的產(chǎn)物純度，以克服上述工藝擾動(dòng)。
另一種用于PSA系統(tǒng)的自動(dòng)控制方法見(jiàn)諸于Gunderson的專利U.S.4，725，293。為控制產(chǎn)物流內(nèi)雜質(zhì)含量，根據(jù)產(chǎn)物流純度值來(lái)改變進(jìn)口處進(jìn)料流量。但是，理想地用來(lái)向PSA系統(tǒng)提供進(jìn)料流的壓縮機(jī)為恒量位移式機(jī)器，故實(shí)際進(jìn)口進(jìn)料氣(例如空氣)的體積流量是相對(duì)恒定的，為改變用于PSA過(guò)程的進(jìn)料氣總量，只能改變周期時(shí)間。在實(shí)施該專利所提出的方法時(shí)，其他工藝變量維持恒定而減少進(jìn)料氣將導(dǎo)致產(chǎn)物流量相應(yīng)的減少。另外，該專利未提及監(jiān)測(cè)吸附劑罐溫度以控制PSA過(guò)程運(yùn)行期間產(chǎn)物的純度。
在Grader的專利，U.S.4，673，743中，介紹了在變動(dòng)需求條件下使用PSA系統(tǒng)供應(yīng)氧氣。當(dāng)處于PSA系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)能力時(shí)，產(chǎn)物氧對(duì)進(jìn)料空氣比為一設(shè)定值。根據(jù)該專利方法，當(dāng)來(lái)自用戶的氧需求量從設(shè)計(jì)流量條件下降時(shí)，就提高產(chǎn)物氧對(duì)進(jìn)料空氣比?？偖a(chǎn)物純度下降，但送往廢水處理操作的產(chǎn)物流中的實(shí)際含氧量數(shù)值則維持在要求的流量值。因此，進(jìn)料空氣流量減少，或者產(chǎn)物流率提高，因而降低了總的氧純度，但是在需求降低條件下能向用戶供應(yīng)準(zhǔn)確的氧流量。在實(shí)施其他PSA應(yīng)用場(chǎng)合時(shí)，希望氧純度維持在恒定水平。該專利沒(méi)有提出有關(guān)監(jiān)測(cè)床層溫度，以便從PSA過(guò)程操作的每一吸附劑床產(chǎn)出恒定純度產(chǎn)品的方法。
Miller等人的專利U.S.4，693，730介紹了控制PSA產(chǎn)物流內(nèi)氣體組分純度的方法。分析順流減壓(即壓力均衡)氣體，以確定是否存在產(chǎn)物純度問(wèn)題。一旦發(fā)現(xiàn)存在，就采取措施以使產(chǎn)物流純度值恢復(fù)到正常水平。該專利提出了三種矯正工藝過(guò)程中存在的純度問(wèn)題的方法。即，可以通過(guò)調(diào)整吸附步驟時(shí)間來(lái)控制PSA系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)吸附劑罐中雜質(zhì)負(fù)荷量;可以通過(guò)調(diào)整最終減壓步驟壓力以避開(kāi)含雜臨界點(diǎn)或者，可以調(diào)整吹掃步驟期間進(jìn)入每個(gè)吸附劑罐的吹掃氣數(shù)量。這些措施是根據(jù)對(duì)壓力均衡氣體純度的監(jiān)測(cè)結(jié)果而采取的。該專利未建議床層溫度監(jiān)測(cè)，也未考慮當(dāng)用戶沒(méi)有從該工藝過(guò)程抽取最大設(shè)計(jì)流量時(shí)降低出自PSA系統(tǒng)產(chǎn)物流量帶來(lái)的能耗方面的效率問(wèn)題。
Miller等人提出的PSA系統(tǒng)調(diào)諧方法要求抽取系統(tǒng)內(nèi)吸附劑床的接近臨界點(diǎn)純度的氧氣試樣。這就要求使用一臺(tái)額外的氧分析儀以及為“調(diào)諧”P(pán)SA系統(tǒng)和平衡各吸附劑床之間產(chǎn)物流量及純度而進(jìn)行的工藝控制參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。這種程序需要跨越較長(zhǎng)時(shí)間的幾個(gè)逐步逼近過(guò)程，典型地約需12-24小時(shí)。
在這頂技術(shù)方面需要一種改進(jìn)的PSA系統(tǒng)，包括VPSA系統(tǒng)的調(diào)諧方法。雖然在VPSA系統(tǒng)產(chǎn)物純度最佳化進(jìn)行產(chǎn)物流控制與改變方面，已提出了建議，但為改進(jìn)過(guò)程性能所做吸附劑罐調(diào)諧方法，在技術(shù)上尚未見(jiàn)報(bào)道。一種針對(duì)吸附劑罐調(diào)諧方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在任何工藝上低效率因素對(duì)PSA系統(tǒng)能產(chǎn)生負(fù)面影響之前就努力對(duì)它們加以補(bǔ)償。在采用先有技術(shù)方案的情況下，對(duì)產(chǎn)物流的監(jiān)測(cè)，目的在于確定是否存在需要矯正的工藝問(wèn)題。而就在此刻，產(chǎn)物流量和/或純度已經(jīng)受到影響，且必須加以補(bǔ)救。在潛在工藝問(wèn)題出現(xiàn)之前就將它們解決掉乃是控制PSA，例如VPSA過(guò)程的本質(zhì)上更優(yōu)越的途徑。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用來(lái)調(diào)諧PSA，包括VPSA系統(tǒng)以便維持穩(wěn)定、高效運(yùn)行的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種根據(jù)VPSA運(yùn)行期間對(duì)吸附劑罐溫度曲線監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)調(diào)諧VPSA罐的方法。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是，提供一種自動(dòng)補(bǔ)償過(guò)程擾動(dòng)不利影響并使最佳操作條件得以維持的VPSA調(diào)諧方法。
本著上述以及其他目的，下面對(duì)本發(fā)明加以詳述，其新穎特征將在所附權(quán)利要求書(shū)中具體指出。
對(duì)VPSA以及其他PSA吸附劑罐進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)被扭曲的床層溫度曲線自動(dòng)進(jìn)行調(diào)諧。當(dāng)罐溫監(jiān)測(cè)結(jié)果確認(rèn)在VPSA系統(tǒng)中各個(gè)床之間存在氧或其他產(chǎn)物純度失衡時(shí)，立即采取矯正調(diào)節(jié)措施，以便在工藝問(wèn)題出現(xiàn)之前，而不是當(dāng)它們存在并需要糾正之后，消除之。
下面，結(jié)合所附一幅關(guān)于實(shí)施本發(fā)明的雙吸附床方案的示意流程圖，對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述。
本發(fā)明的目的系通過(guò)用吸附劑罐溫度來(lái)確定是否出現(xiàn)氣體純度失衡達(dá)到的，此失衡是由于外部工藝擾動(dòng)和變量造成的。根據(jù)對(duì)吸附劑罐溫度的監(jiān)測(cè)而確定的溫度曲線，在壓力均衡量或氧再加壓量、或吹掃流數(shù)量、和/或所制產(chǎn)品(即氧)數(shù)量等方面，對(duì)每個(gè)罐進(jìn)行調(diào)整，以便使每個(gè)床的溫度曲線達(dá)到平衡。應(yīng)當(dāng)往意的是、這種調(diào)整的作用在于調(diào)整來(lái)自床層的凈氣體量，此時(shí)該凈氣體量就是產(chǎn)品制取步驟期間產(chǎn)生的產(chǎn)品氣體量以及并流減壓步驟期間取出的氣體量，減去回流至床層的回流量。其中，回流量定義為均壓流、氧或其他產(chǎn)品氣再加壓流以及注入床層的吹掃氣的總量。因而，工藝低效因素在其對(duì)VPSA裝置效能產(chǎn)生負(fù)面影響之前便被補(bǔ)償了。結(jié)果，在任何具體產(chǎn)品純度指標(biāo)下，均達(dá)到經(jīng)調(diào)諧的效能和最佳流量，同時(shí)過(guò)程能耗達(dá)到最低值。
在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，通過(guò)先進(jìn)的VPSA系統(tǒng)調(diào)諧，利用VPSA進(jìn)料端床層溫度和壓力指示儀表分別對(duì)均壓、氧的再加壓和吹掃流數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)對(duì)循環(huán)操作的這種調(diào)節(jié)可以維持VPSA系統(tǒng)的高效運(yùn)行，以致固定循環(huán)加工順序因上述外部變量影響而遭受的效能下降得以克服。
在VPSA過(guò)程中，當(dāng)每個(gè)吸附劑罐產(chǎn)出相同純度產(chǎn)物流時(shí)，就達(dá)到了給定產(chǎn)品純度的最大流量。如果每個(gè)吸附劑罐產(chǎn)出不同純度產(chǎn)品，則將導(dǎo)致低于最大流量的情況。在雙床過(guò)程的情況下，從一個(gè)吸附劑罐流出的產(chǎn)品流間接影響出自另一個(gè)罐的產(chǎn)品流。當(dāng)兩罐正在產(chǎn)出相同純度產(chǎn)品時(shí)，若出現(xiàn)擾動(dòng)，導(dǎo)致一吸附劑罐產(chǎn)出的產(chǎn)品純度低于管線中的產(chǎn)品純度，則另一罐將自動(dòng)地產(chǎn)出高于管線平均純度的產(chǎn)品，原因是每個(gè)罐的流量影響另一罐中的流量。當(dāng)?shù)谝还揲_(kāi)始產(chǎn)出較低純度產(chǎn)品氣時(shí)，另一罐被迫產(chǎn)出較高純度的產(chǎn)品氣，以便維持管道中規(guī)定的純度。為了使第二罐產(chǎn)出高純度產(chǎn)品氣，正常情況下通過(guò)吸附劑罐移動(dòng)的產(chǎn)物純度前沿，將不再被一直沿伸到床層端部，因?yàn)樵谠摷兌惹把氐倪吘壧幋嬖陔s質(zhì)氣組分，所以不能產(chǎn)生高純產(chǎn)品氣。相反地，讓純度前沿留在吸附劑罐內(nèi)部，而這樣又在罐內(nèi)留下大量需要的氣體組分有待在抽真空步驟時(shí)被抽出。出自該罐的產(chǎn)品氣具有較高純度，但是出自該罐的流量則要低得多才能獲得這樣高的純度。這種現(xiàn)象的后果是，在保持與擾動(dòng)前同樣純度條件下，管道內(nèi)總流量下降。從另一罐產(chǎn)出的這種低純度產(chǎn)品氣的原因也跟罐內(nèi)純度前沿有關(guān)。發(fā)生這種情況時(shí)，該罐實(shí)際上被過(guò)分抽出了，而有相當(dāng)體積的污染物被隨同占?xì)怏w流中的大多數(shù)的所需產(chǎn)品組分一起，從罐中抽出。人們會(huì)期待，這兩種效應(yīng)將互相抵消而總產(chǎn)品流量在保持同樣管道內(nèi)產(chǎn)品純度條件下不受損失。而事實(shí)上，只需極少量的雜質(zhì)氣就能污染出自一個(gè)罐的產(chǎn)品流，而為了從另一吸附劑床抽出高純度氣以保持總的管道平均純度，在這個(gè)罐的產(chǎn)品流中只能含有極少量的污染物。故要達(dá)到上述目的的唯一辦法是在純度前沿上升至該罐產(chǎn)品端之前就停止從該罐產(chǎn)出氣。結(jié)果，最終從這個(gè)罐抽出的產(chǎn)品數(shù)量遠(yuǎn)低于從低純度罐過(guò)量抽出的流量。此種現(xiàn)象已在許多VPSA裝置中觀察到，而且多次發(fā)現(xiàn)，一且這種問(wèn)題開(kāi)始出現(xiàn)，就將愈演愈烈，于是裝置可能開(kāi)始產(chǎn)生具有給定純度的、愈來(lái)愈少的產(chǎn)品氣量，不能自行嬌正。這種過(guò)程已在VPSA裝置中觀察到，且發(fā)現(xiàn)有某種趨勢(shì)的吸附劑罐溫度曲線伴隨此種現(xiàn)象而出現(xiàn)。
每當(dāng)吸附劑罐以上面描述的方式變得“不平衡”時(shí)，產(chǎn)出低純度產(chǎn)品的罐便逐漸出現(xiàn)從吸附劑床的底部，即進(jìn)料端，到頂部，即產(chǎn)品端，溫度梯度減小的現(xiàn)象在這種情況下，床頂部存在較正常溫度低，而吸附劑罐底部溫度較正常高的情況。從罐的底部到頂部的溫度梯度，此時(shí)，將在10～20°F，而不是正常運(yùn)行時(shí)的30-60°F。與之相反，產(chǎn)出高純度產(chǎn)品的罐出現(xiàn)溫度梯度增大，具有較低的底部溫度和較高頂部溫度。
舉例說(shuō)，底部溫度可能比正常低10°F或更多，床層中部為平均溫度，頂部溫度非常高，比前面提到的典型VPSA溫度曲線高出10°F或更高。這種吸附劑罐溫度梯度的改變與產(chǎn)品純度及其回收率的比率成比例關(guān)系。這可歸因于出自各吸附劑罐的相對(duì)流量。在高純度罐中，產(chǎn)物氣體以低得多的流量被抽出。由于沒(méi)有從該罐中充分地抽出氣體，局部溫度梯度有增加的趨勢(shì)。在罐頂，由于只有較少的熱量被抽出，此時(shí)頂部充滿了氧和極少量的氮，所以溫度偏高。因?yàn)橥ㄟ^(guò)該床層的流量偏低，熱量無(wú)法以正常速率排出，而將積聚在罐頂，從而造成在失衡VPSA罐的高純度罐中出現(xiàn)較大的溫度梯度。另方面，在低純度產(chǎn)品罐中，導(dǎo)致出自該床層產(chǎn)品純度偏低的原因是由于從該罐中氣體流的過(guò)分抽出。在發(fā)生此種情況時(shí)，在每個(gè)加工周期內(nèi)從床層出來(lái)的氣體流量偏高，而這種偏高的流量會(huì)形成偏低的溫度曲線。VPSA過(guò)程中產(chǎn)生的熱量被帶出吸附劑罐，其結(jié)果是該罐從罐底到罐頂?shù)臏囟确秶苄』虮粶p小。為了平衡每一吸附劑罐內(nèi)的溫度曲線，還必須使從每一吸附劑罐產(chǎn)物端流出來(lái)的相對(duì)流量達(dá)到平衡。
在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，出自每一吸附劑罐產(chǎn)物端的相對(duì)流量要達(dá)到平衡，以便從整個(gè)VPSA運(yùn)行過(guò)程中獲得最高產(chǎn)品流量。當(dāng)過(guò)程中出現(xiàn)失衡時(shí)，這可通過(guò)在規(guī)定的床層溫度曲線中出現(xiàn)的變化立即判定，就會(huì)導(dǎo)致每一VPSA罐隨之開(kāi)始以不同的流量產(chǎn)出不同純度的產(chǎn)品，此時(shí)需要對(duì)罐的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)以嬌正此種失衡。為此，一種辦法是改變出自每一罐產(chǎn)品流量的相對(duì)數(shù)量。然而這將需要額外的控制和流量測(cè)量設(shè)備?？梢源愿淖冞M(jìn)入每一罐的壓力均衡、或氧再加壓氣的相對(duì)數(shù)量，以及若采用吹掃步驟的話，連同吹掃氣流量一起改變，以便使出自每一罐的產(chǎn)品流總量達(dá)到平衡。在失衡期間的高純度罐內(nèi)，從該床抽出的產(chǎn)品流量偏低，導(dǎo)致該罐的溫度曲線被拉高。通過(guò)提高出自該罐并進(jìn)另一罐的氣量，抽出的總流量加大了，以便降低該罐的溫度曲線。對(duì)于純度偏低的罐，則從該罐抽出的氣體總流量過(guò)大。通過(guò)降低從該罐抽出的產(chǎn)品氣流量，從而將該罐溫度曲線提高到較為正常狀態(tài)，與此同時(shí)高純度罐內(nèi)的溫度曲線將被壓回到較為正常狀態(tài)。
在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，一臺(tái)適宜的工藝過(guò)程計(jì)算機(jī)/控制器采用流量控制邏輯，此邏輯較好使用底部平均溫度來(lái)調(diào)節(jié)均壓或產(chǎn)品再加壓流量。這樣做的原因是，底部溫度對(duì)任何擾動(dòng)響應(yīng)最快，而且任何工藝中可能出現(xiàn)的變化，在罐內(nèi)任何其他溫度點(diǎn)尚未反映時(shí)首先反映在這一點(diǎn)上。但類似地，其他的床層溫度點(diǎn)也可用來(lái)控制VPSA過(guò)程的運(yùn)行。但是，實(shí)踐表明，床層底部溫度點(diǎn)因其響應(yīng)時(shí)間較短，因而是最有效的位置。不同罐間床層溫度差被用來(lái)計(jì)算用于控制每一吸附劑罐產(chǎn)品端調(diào)節(jié)閥的、新的均壓或產(chǎn)品氣(例如氧)的再加壓設(shè)定值，控制計(jì)算是用下列關(guān)系式，根據(jù)確定需要從罐中抽出更多或更少氣量進(jìn)行的。用以簡(jiǎn)便地計(jì)算要求的閥位調(diào)節(jié)量的控制邏輯方程式是基于調(diào)節(jié)時(shí)刻前1小時(shí)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)平均的底部溫度間的差值。該溫度差值乘上增益值便得到工藝控制系統(tǒng)的閥位改變量。此外還采用一個(gè)重新設(shè)定重定值來(lái)改進(jìn)穩(wěn)定性，方法是利用調(diào)節(jié)周期之間的溫度差變化速率對(duì)閥位調(diào)節(jié)量進(jìn)行校正。增益值和重定值是通過(guò)為達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行的VPSA裝置試運(yùn)轉(zhuǎn)而確定的數(shù)值常量。其數(shù)值將隨閥門(mén)尺寸、環(huán)境條件、吸附劑材料以及VPSA系統(tǒng)特性而變化。閥位調(diào)節(jié)周期也是通過(guò)為達(dá)到穩(wěn)定制氣所做VPSA裝置試運(yùn)轉(zhuǎn)，針對(duì)具體VPSA系統(tǒng)確定的。
所需的閥位調(diào)節(jié)量(%)＝增益值×(床A底部溫度-床B底部溫度)＋重定值×(溫度差/上1小時(shí))-(溫度差/前一時(shí)間周期))表1中第2、3和4列所載對(duì)于床“A”的實(shí)際閥位調(diào)節(jié)數(shù)值的計(jì)算過(guò)程如下床"A"閥位調(diào)節(jié)量=(0.1)(57-62)+(0.1){(57-62)-(60-60)}第2列=-0.5-0.5=-1.0第3列=(.1)(58-61)+(0.1){(58-61)-(57-62)}=-0.3+0.2=-0.1第4列=(.1)(59-60)+(0.1){(59-60)-(58-61)}=-0.1+0.2=+0.1應(yīng)當(dāng)注意，閥位改變不能過(guò)于頻繁。還則過(guò)程將沒(méi)有時(shí)間改變由閥位變化導(dǎo)致的床層底部溫度，結(jié)果過(guò)程將振湯不止。試車的經(jīng)驗(yàn)表明，調(diào)節(jié)可每隔數(shù)小時(shí)進(jìn)行以維持“調(diào)諧”狀態(tài)的運(yùn)行。
為形象說(shuō)明起見(jiàn)，在附圖
中畫(huà)出了2-床VPSA過(guò)程并參考2-床VPSA制氧系統(tǒng)。在含有吸入過(guò)濾器2的管線1中的進(jìn)料空氣，被送入進(jìn)料風(fēng)機(jī)3、后冷卻器4和水分離器5，然后或經(jīng)包含閥門(mén)7的管線6進(jìn)入床8的進(jìn)料端或底端，或經(jīng)管線9(它包括閥10)進(jìn)入床11的進(jìn)料端或底端。裝有調(diào)節(jié)閥13的管線12從床8的產(chǎn)物端或頂端通到氧接受罐14，由此產(chǎn)品氧被送過(guò)包括氧壓縮機(jī)16和換熱器17的管線15，作為VPSA系統(tǒng)所需產(chǎn)品氧回收。裝有調(diào)節(jié)閥19的管線18連接床11的頂部或產(chǎn)品端與上述的管線12。
排放管線20，包括閥21，在閥7和床8底部之間從管線6接出，接真空泵22，由此，非產(chǎn)品氣體被沿管線23送至收集罐24，或者從系統(tǒng)排出。相似地，排放管線25，包括閥26，在閥10和床11底部之間，把管線9與上述排放管20連接。
吸附劑床層溫度傳感器27較好位于床8的底部，而吸附劑床層溫度傳感器28較好位于床11的底部，以便用于本發(fā)明的床調(diào)諧。應(yīng)注意到，溫度傳感器29和30分別位于床8的中間和頂部，而溫度傳感器31和32類似地分別位于床11的中部和頂部。溫度傳感器27和28被分別配置用于將溫度輸入信號(hào)從床8和11送至工藝過(guò)程計(jì)算機(jī)/控制器23，它再將輸出控制信號(hào)33a和33b分別發(fā)送至床8和11頂部的控制閥13和控制閥19。應(yīng)當(dāng)理解，上述溫度輸入信號(hào)亦可發(fā)自床8和11的中部的溫度傳感器29和31，或者發(fā)自上述床8和11上部的溫度傳感器30和32，用來(lái)替代或者附加于做為較好方案的上述床8和11底部溫度傳感器27和28。
吸附劑床層壓力傳感器34位于床8的頂部，而吸附劑床層壓力傳感器35位于床11的頂部。兩個(gè)傳感器分別用于將壓力輸入信號(hào)送至工藝過(guò)程計(jì)算機(jī)/控制器36，后者又將輸出控制信號(hào)送給分別位于床8和11頂部的上述控制閥13和控制閥19。
在實(shí)施如圖所示由空氣制取氧的2-床VPSA系統(tǒng)中的本發(fā)明時(shí)，每一床均經(jīng)受如下的處理順序高壓下吸附，此時(shí)把進(jìn)料氣通入床層并從其中回收氧;順流減壓，此時(shí)隨著從床的產(chǎn)品端放出氣體，床壓從高壓吸附壓降至中間壓力，將上述氣體通入到起初處于低壓的另一床的產(chǎn)品端，以便在兩床間實(shí)現(xiàn)均壓達(dá)到中間壓力;逆流減壓，此時(shí)從床的進(jìn)料端釋放氣體，把壓力降至更低的、負(fù)壓(真空)解吸壓任選地在更低解吸壓下吹掃;從更低解吸壓升至中間壓力的部分再加壓，此時(shí)氣體由另一床進(jìn)入該床的產(chǎn)品端以便均壓;以及通過(guò)向該床的進(jìn)料端加入進(jìn)料空氣，實(shí)現(xiàn)從中間壓力到高吸附壓的再加壓。吸附劑床溫度傳感器，例如床8的傳感器27和床11的傳感器28，被用來(lái)監(jiān)測(cè)床內(nèi)的溫度曲線。當(dāng)出現(xiàn)失衡時(shí)，工藝過(guò)程控制器33發(fā)生輸出信號(hào)33a和33b，以便調(diào)節(jié)控制閥8和11，以改變均壓期間進(jìn)、出床的氣體流量。這樣，在順流減壓一均壓步驟期間，從低純度罐抽出較少的氣體流量并送入另一罐，以便把所說(shuō)罐的溫度曲線提到較為正常范圍，此時(shí)純度較好地被提高。在高純度罐的并流減壓-均壓期間，從其中抽出較多量的氣體，其結(jié)果趨于使該床溫度曲線壓縮成(同時(shí)也為另一床所達(dá)到的)比較正常的范圍，從而實(shí)現(xiàn)VPSA系統(tǒng)調(diào)諧的目的。
雖然已參考2-床系統(tǒng)的附圖對(duì)本發(fā)明做了說(shuō)明，但應(yīng)該理解的是，本發(fā)明還適用于操作期間需調(diào)諧的、具有不同數(shù)目床的系統(tǒng)，以維持具有穩(wěn)定高效能的平衡運(yùn)行。還應(yīng)該理解的是，每一床所采用的處理順序可以包括除上面提到以外的處理步驟或其變換形式，而不背離所附權(quán)利要求中列舉的本發(fā)明范圍。
雖然已具體地針對(duì)PSA系統(tǒng)，例如用于從進(jìn)料空氣分離和回收氧產(chǎn)品的VPSA系統(tǒng)，對(duì)本發(fā)明做了說(shuō)明，但熟悉本技術(shù)的人們會(huì)明白，把這里介紹的調(diào)諧方法用于其他重要的PSA氣體分離操作，仍屬本發(fā)明范圍之內(nèi)。故而，本發(fā)明可用于空分制氮操作以及其他分離操作，例如氫/甲烷、甲烷/一氧化碳等等。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，如下面所述，在床層吹掃調(diào)諧中采用壓力傳感器34和35與工藝過(guò)程計(jì)算機(jī)/控制器36并用，以便控制進(jìn)入床的吹掃氣流量，使吹掃操作期間維持恒定壓力，例如，在VPSA系統(tǒng)中每一床的吹掃期間，有利地維持恒定的真空余壓。
雖然通常分步地實(shí)施PSA處理順序，其中，床壓首先由中間壓升至高吸附壓，然后把進(jìn)料氣引入到處于高吸附壓床的進(jìn)料端，并從床的產(chǎn)品端抽出不易選擇吸附的組分，但是采用這種方法的一種熟知的變換方法仍屬本發(fā)明的范圍。因此，上述步驟可以按如下方式實(shí)施將進(jìn)料氣引入到床的進(jìn)料端時(shí)控制流量，使其壓力從中間壓升至高吸附壓，與此同時(shí)，從床的產(chǎn)物端抽出不易選擇吸附的組分。在實(shí)施這種升壓吸附步驟時(shí)，可以隨后向床內(nèi)加入或不加入另外數(shù)量的進(jìn)料氣，同時(shí)，在并流減壓-均壓步驟開(kāi)始之前，在吸附壓力下抽出不易選擇吸附的組分。
為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方法，假定附圖中所載系統(tǒng)所描述的2-床VPSA系統(tǒng)具有的控制系統(tǒng)，被調(diào)整為兩次調(diào)節(jié)之間時(shí)間延遲為6小時(shí)的情況，其中每次調(diào)節(jié)對(duì)每個(gè)產(chǎn)品端壓力均衡/氧產(chǎn)品氣再加壓閥確定一個(gè)新的閥位?，F(xiàn)在參見(jiàn)下面的表1以幫助理解所用控制邏輯，假定調(diào)節(jié)時(shí)刻為上午6點(diǎn)，床A和床B間底部床溫差的計(jì)算便是，根據(jù)從上午5點(diǎn)至6點(diǎn)間1小時(shí)平均溫度算出，然后將前述公式增益值與此溫差相乘。公式中重定值計(jì)算方法是，求上午5點(diǎn)至6點(diǎn)間1小時(shí)平均底部床溫差，從中減去從晚11點(diǎn)至晨12點(diǎn)期間的平均底部床溫差。重定值乘上該數(shù)量，為了確定所需的閥位調(diào)節(jié)量，從公式的增益值中減掉公式的總重定值，如表1所載。該閥位調(diào)節(jié)量可正可負(fù)，且被加到當(dāng)前閥位控制設(shè)定點(diǎn)上去。假如床A正在產(chǎn)出高純度氣，而床B正產(chǎn)出低純度氣，則床A頂部溫度將偏高，而床A底部溫度將低于床B底部溫度，于是閥位調(diào)節(jié)量將為負(fù)值。這意味著，在向床A均壓期間，床A頂部閥門(mén)將關(guān)小一個(gè)調(diào)節(jié)量，使得離開(kāi)床B的氣體量減少，于是床B傾向于以低一些的流量相應(yīng)地產(chǎn)出純度高一些的產(chǎn)品。調(diào)節(jié)公式或方便地用來(lái)將床A和床B的頂部閥閥位改變相同的數(shù)量，然而改變方向相反。因此，當(dāng)床B進(jìn)入均壓或再加壓步驟時(shí)，對(duì)于上述計(jì)算的閥位調(diào)節(jié)量而言，其頂部閥將離啟開(kāi)一個(gè)閥位調(diào)節(jié)量，從而導(dǎo)致有更多的氣體離開(kāi)床A，并因而降低了該床中氣體的純度。
假定1)初始閥位設(shè)定值為50%2)增益值＝0.13)重定值＝0.1在VPSA(或其他PSA)過(guò)程中，影響流出VPSA罐總流量的另一個(gè)步驟是吹掃步驟。重要的是，在更低解吸壓下抽真空期間，吹掃氣量是為脫除解吸氣所需的恰當(dāng)數(shù)量。故而，通入正在抽真空罐的吹掃氣量應(yīng)產(chǎn)生與抽氣流量相等的廢氣流量。如果罐被過(guò)度吹掃，則吹掃流將在開(kāi)始吹掃步驟之前產(chǎn)生一股大于抽氣流量的廢氣流，于是罐內(nèi)壓力開(kāi)始升至超過(guò)低解吸壓。一旦出現(xiàn)此種升壓，被解吸并正被抽出的雜質(zhì)氣體(即進(jìn)料氣中易吸附組分)的分壓將發(fā)生變化，從而將導(dǎo)致一小部分雜質(zhì)再吸附到床層吸附劑材料表面上，從而降低了吹掃效果。如果罐吹掃不足，則吹掃流將產(chǎn)生一股小于抽氣流量的廢氣流，罐內(nèi)壓力會(huì)繼續(xù)降低。在這種情況下，吹掃步驟在將雜質(zhì)從罐中清洗出去方面將在一定程度上更為有效，然而在廢氣壓縮方面將消耗更多能量。正因?yàn)槿绱?，控制吹掃流量，以便在吹掃步驟期間抽真空床處于基本上恒定的低解吸真空余壓之下，是很重要的。已設(shè)計(jì)出了一個(gè)將吹掃流量控制在上述標(biāo)準(zhǔn)的控制方案。
在VPSA過(guò)程的吹掃調(diào)諧中，吹掃步驟的頂部閥位設(shè)定值作了改變，以便在抽真空罐中，吹掃步驟的開(kāi)始和終了階段之間的設(shè)定壓差維持不變。從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，吹掃步驟系一恒壓步驟，其中在吹掃步驟期間，抽真空罐保持在恒定真空度之下。然而，在向抽真空罐內(nèi)開(kāi)始吹入氣體時(shí)刻，閥門(mén)打開(kāi)，將出現(xiàn)一個(gè)由于吹掃氣體流入抽真空罐造成的頂端壓力的小幅度升高，以及由于該氣流引起的吸附劑床壓力降低。如果罐內(nèi)吹掃流量恰當(dāng)，該壓力將在整個(gè)吹掃步驟期間保持恒定。假如在頂部壓力初始升高之后，罐內(nèi)壓力繼續(xù)上升，則表明吹掃流量太高。用于控制向每個(gè)吸附劑罐吹掃的流量的一般公式如下所需閥位調(diào)節(jié)量＝增益值×(理想壓力升高值-實(shí)際壓力升高值)例如，假設(shè)增益值等于1.0，理想壓力升高值為0.5磅/平方英寸，若吹掃步驟從開(kāi)始到終了的平均實(shí)際壓力升高為0.25磅/平方英寸，則閥門(mén)調(diào)節(jié)量將等于0.25%，故吹掃閥控制設(shè)定值將增加這樣一個(gè)數(shù)量，以便提高向抽真空罐的吹掃流量，在下面的表2中，給出了過(guò)度吹掃和吹掃不足實(shí)例的吹掃步驟閥門(mén)設(shè)定值。吹掃閥的調(diào)節(jié)頻率并不重要，已發(fā)現(xiàn)，每4次處理循環(huán)調(diào)整一次是足夠了。
假定1)初始閥位設(shè)定值為25%2)增益值＝1.03)理想壓升高＝0.5磅/平方英寸從以上公開(kāi)的內(nèi)容將會(huì)體會(huì)到，按照本發(fā)明的VPSA系統(tǒng)以及其他PSA系統(tǒng)的調(diào)諧，提供一種明顯優(yōu)于以往做法的改進(jìn)，以往做法涉及在吸附劑床，例如在一個(gè)2-床系統(tǒng)的2床共同產(chǎn)品管線上連接一個(gè)純度分析儀。雖然以往做法做到了為平衡臨界點(diǎn)純度而進(jìn)行的對(duì)均壓或再加壓閥控制設(shè)定點(diǎn)的調(diào)節(jié)，但是本發(fā)明的方法能為在潛在工藝問(wèn)題出現(xiàn)之前便將其解決而進(jìn)行理想調(diào)節(jié)，從而最大限定地減少任何對(duì)所需產(chǎn)品流量和/或純度值的不利影響。因此，本發(fā)明的VPSA調(diào)諧方法能方便地調(diào)節(jié)處理周期，從而有利地維持VPSA或其他PSA系統(tǒng)所需的穩(wěn)定、高效的特性。
權(quán)利要求
1.用于從進(jìn)料氣物流中分離和回收一種組分的變壓吸附系統(tǒng)的調(diào)諧方法，所述系統(tǒng)包括至少兩個(gè)能從其他組分中選擇吸附進(jìn)料氣物流的一種組分的吸附劑床，其中每個(gè)床，按照循環(huán)的方式，經(jīng)受一系列加工順序，包括(1)從中間壓力再加壓至高吸附壓；(2)將進(jìn)料氣引入到處于高吸附壓的床的進(jìn)料端，同時(shí)從該床產(chǎn)品端抽出不容選擇吸附的組分；(3)通過(guò)從該床產(chǎn)品端放出氣體并將其送入系統(tǒng)內(nèi)另一起初處于低壓的床的產(chǎn)品端以便均壓至中間壓力的并流減壓或均壓；(4)通過(guò)從該床的進(jìn)料端放氣，實(shí)現(xiàn)逆流減壓至低解吸壓；以及(5)通過(guò)把自由系統(tǒng)內(nèi)另一起初處于高壓的床放出的氣體送入到該床的產(chǎn)品端，使壓力均衡至所述中間壓力而實(shí)現(xiàn)的部分再加壓或均壓至中間壓，該方法的改進(jìn)之處包括(a)監(jiān)測(cè)每個(gè)吸附劑床相同部位的床溫，以便跟蹤每個(gè)床的溫度曲線；以及(b)根據(jù)床內(nèi)溫度曲線變化判定系統(tǒng)中出現(xiàn)的失衡，并針對(duì)此失衡調(diào)節(jié)每個(gè)吸附劑床流出氣體的凈數(shù)量，具體做法是，(1)提高從溫度區(qū)間超過(guò)系統(tǒng)正常平衡運(yùn)行狀態(tài)時(shí)正常溫度曲線的床的產(chǎn)品端放出氣體的凈數(shù)量，該數(shù)量的氣體即為另一床的回流氣體量，以達(dá)到把上述溫度曲線降至其正常的平衡狀態(tài)，以及(2)降低從溫度區(qū)間小于系統(tǒng)正常平衡運(yùn)行狀態(tài)時(shí)正常溫度曲線的床的產(chǎn)品端放出氣體的凈數(shù)量，該數(shù)量的氣體即為另一床的回流氣體量，以便將溫度曲線提高到正常平衡狀態(tài)，通過(guò)以上方法，因工藝擾動(dòng)而變得不平衡的系統(tǒng)便得以順利地恢復(fù)到平衡運(yùn)行狀態(tài)，從而維持了系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。
2.權(quán)利要求1的方法，其中還包括，在起初逆流減壓至步驟(4)的低解吸壓之后，把該床抽真空到更低的負(fù)解吸壓。
3.權(quán)利要求1的方法，其中進(jìn)料氣為空氣。
4.權(quán)利要求2的方法，其中進(jìn)料氣為空氣，且所述不易選擇吸附的組分包括產(chǎn)品氧。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所說(shuō)的系統(tǒng)包含兩個(gè)吸附劑床。
6.權(quán)利要求4的方法，其中所說(shuō)的系統(tǒng)包含兩個(gè)吸附劑床。
7.權(quán)利要求1的方法，其中在每個(gè)床的底部監(jiān)測(cè)床溫。
8.權(quán)利要求7的方法，其中在每個(gè)床的底部、中部和頂部監(jiān)測(cè)床溫。
9.權(quán)利要求7的方法，其中還包括將溫度監(jiān)測(cè)輸入信號(hào)送至工藝過(guò)程計(jì)算機(jī)控制器，并將輸出信號(hào)送至系統(tǒng)，針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)的失衡對(duì)每個(gè)床的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。
10.權(quán)利要求1的方法，其中還包括對(duì)該床層進(jìn)行吹掃，以促使易選擇吸附的組分的解吸，以便將之在更低解吸壓下從該床的進(jìn)料端移出。
11.權(quán)利要求10的方法，其中所說(shuō)的更低解吸壓為一個(gè)更低的負(fù)解吸壓。
12.權(quán)利要求11的方法，其中所說(shuō)的進(jìn)料氣為空氣，且所說(shuō)的不易選擇吸附的組分包括產(chǎn)品氧。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所說(shuō)的系統(tǒng)包括兩個(gè)吸附劑床。
14.權(quán)利要求10的方法，其中還包括調(diào)節(jié)向該床內(nèi)吹掃的氣體流量，以維持恒定的吹掃壓力條件。
15.權(quán)利要求14的方法，其中還包括把輸入的壓力條件送至工藝過(guò)程計(jì)算機(jī)/控制器，并把從中輸出的信號(hào)送至控制裝置以調(diào)節(jié)向該床內(nèi)吹掃的氣體流量。
16.權(quán)利要求15的方法，其中還包括，在最初逆流減壓至較低解吸壓(步驟(4))之后，把該床抽真空至更低的負(fù)壓。
17.權(quán)利要求16的方法，其中進(jìn)料氣為空氣，且所說(shuō)不易選擇吸附的組分包括產(chǎn)品氧。
18.權(quán)利要求17的方法，其中所說(shuō)的系統(tǒng)包含兩個(gè)吸附劑床，它們盛有能從空氣中有選擇性地吸附氮的吸附劑材料。
19.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(1)和(2)包括向該床的進(jìn)料端引入進(jìn)料氣體，控制其加入流量使床內(nèi)壓力從中間壓力提高到高吸附壓，與此同時(shí)，從該床的產(chǎn)品端抽出不易選擇吸附的組分。
20.權(quán)利要求19的方法，其中還包括將該床抽真空至更低的負(fù)解吸壓。
全文摘要
對(duì)真空或其他變壓吸附罐進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并針對(duì)罐的溫度曲線中出現(xiàn)的失衡，在均壓和/或再加壓步驟當(dāng)中采取矯正調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)諧。為避免每個(gè)罐過(guò)度吹掃或吹掃不足，較好對(duì)PSA過(guò)程也進(jìn)行吹掃調(diào)諧。
文檔編號(hào)B01D53/047GK1107751SQ9411909
公開(kāi)日1995年9月6日 申請(qǐng)日期1994年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月16日
發(fā)明者H·R·肖布, J·施莫拉列克, F·W·利維特, L·J·圖圣特, K·A·拉薩拉 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司