CN1027493C - 改进的变压吸附操作控制 - Google Patents

Abstract

用于空气分离的一个变压吸附方法和系统包括一个可变容积的氮气产品贮存容器，对其监测以确定产品使用者需求的变化。在降低需求期间，调节工艺循环和各个工艺步骤，以保持所需的产品纯度和压力，在调节条件下，降低功率，实现节能。

Description

本发明涉及变压吸附操作。更具体地说，涉及在可变要求条件下的操作。

在现有技术中，已知变压吸附方法和系统可用来实现所需的原料混合气的分离。在实施变压吸附（PSA）法时，使含有一种易吸附组分和一种不易吸附组分的原料气混合物通过一个能在较高吸附压力下选择性吸附易吸附组分的吸附床。此后，使该床减压到一个可解吸所述易吸附组分的较低的解吸压力，并在加入另一批原料气混合物之前，从所述床中除去易吸附组分，在PSA系统中连续进行这种周期性的吸附-解吸操作。在常见的PSA实践中，一般采用多床系统，其中，按一个循环计，用每个床进行与系统中其它床所进行工序相互关联的PSA处理工序。

PSA技术可非常有利地用于分离空气，以得到产物氮气和副产物氧气。对于这样的操作，通常采用平衡型吸附剂，如沸石分子筛，用来选择性吸附氮气（空气中的易吸附组分），而允许氧气（空气中的不易吸附组分）通过吸附材料床。这样，可以生产所需浓度的稳定的氮气和氧气流。

虽然PSA方法和系统可在稳态条件下对于所需的氮气和氧气生产很容易地实现最佳化，但在不同的实际工业应用中，对这些气体产物的要求不能在长的时间期间保持不变。现有技术中还需要进一步发展PSA方法和系统，以适合在可变的控制条件下操作。因此，需要调节式控制装置，以便使PSA系统可以有效地操作，从而在可变的用户要求条件下，保持所需产物的供应和纯度，同时在降低要求的条件下，降低能量的要求。

因此，本发明的一个目的是提供一种PSA方法和系统，用来在可变要求的条件下由空气生产氮气和氧气。

本发明的另一个目的是提供一种改进的PSA方法和系统，用来在降低氮气产物气量的条件下，提高空气分离操作的效率。

考虑到这些及其它的目的，下面详细地描述本发明，其新颖的特征将在所附的权利要求中具体地指出。

监测一个容积可变的产品贮存容器，以确定用户要求的变化，并在可变要求的条件下，控制用来生产产品氮气和副产品氧气的PSA系统中处理步骤的程序。

下面结合附图详细描述本发明。唯一的附图是本发明为了适应可变的要求条件而采用调节式控制特征的一个两床PSA系统操作的工艺流程循环图。

本发明的目的是通过用一个与PSA系统相配合的可变容积的贮罐来实现的，贮罐系统之间有一流动体积，以便按照可变的要求条件实现PSA循环的所需控制。

在本发明的变压吸附工艺中，用至少有两个吸附床的PSA系统从原料空气中选择性地吸附氮气来生产氮气产物和氧气副产物。按一个循环计，每个吸附床经历的工艺步骤包括再加压到较高的吸附压力，用回流气从床中置换出未吸附的副产物氧气，放气并抽空到较低的解吸压力，以便解吸并从床中除去产物氮气。在高压下提供置换气来对床进行回流置换，如果需要，在再加压和/或放气前，吹洗并调节，以适应降低产物要求时的期间。

按照如图示的具体工艺程序，使用一个两床PSA系统，按一个循环计，床A和床B各自经历所标出的工艺程序，在一个床减压回收产物氮气的同时，另一个床在加压以从原料空气中选择性地吸附另一些氮气，并回收副产物氧气。按所述的一个适当的循环计，在床A中可以看到十个列出的处理程序的步骤的下述描述也与床B有关。在步骤1，通过使床A从其高吸附压力放气到中等压力，解吸高压氮气产物，并从床A的原料-产物端（下端）排到贮罐中。氮气产物从床A流到一个氮气贮罐，通过缓慢地打开位于床A的原料-产物端与所述氮气贮罐之间的管路中的阀件，将气体的流速控制在一个稳定的值。

步骤2包括使床A从所述中间压力抽空到较低压力，在真空下，从所述床A中进一步解吸氮气，并从其原料-产物端排出所述氮气（作为低压氮气产物）。这种氮气可以通往所述的氮气贮罐。通过控制步骤2的持续时间，可使在步骤2从床A排出的氮气数量保持恒定。

在步骤3中，继续对床A抽空，使其达到更低的低于大气压的解吸压力，在该步骤从床A的原料-产物端排出的氮气被作为低压氮气产物回收。像步骤2一样，通过控制步骤3的持续时间，使得从床A排出的气量保持恒定。排出的氮气送往所述的氮气贮罐，或送往床B作为回流气或置换气。

在步骤4期间，从床A的原料-产物端再排出一些氮气，其中将氧气吹洗气引入床A的吹洗一排气端（上端）。这样排出的氮气可以送往床B用作回流气或在床B中作置换气，也可以送往氮气贮罐。

在调节步骤5期间，处理程序继续进行，没有气体也即没有原料气，吹洗气或回流气通入床A，也没有气体从它排出。用合适的工艺过程计算机/控制器装置，包括相配合的体积测量装置，监测氮气贮罐中存在的氮气数量。当观察到氮气使用速度降低或所述速发生任何变化时，计算机/控制器装置就根据后来确定的氮气使用速度自动调整整个工艺循环时间和各个步骤的时间。循环时间与使用速度成反比增加，也就是说，当使用速度降低时，循环时间延长。还要监测由氮气贮罐排出用于下游用途的氮气产物。以保证供给的氮气产物纯度不变。工艺过程计算机/控制器装置也用来保证氮气贮罐处于恒压下，以便对下游用户提供压力和纯度都恒定的氮气产品。在调节步骤5期间，调节用 来向床供应原料气，吹洗气和回流气及从其排出气体的压缩机/真空泵装置，以降低所述压缩机/真空泵装置的能耗，从而实现压缩机的动力正比于产品要求速度的降低的节能。

在调节之后处理程序重新起动之时，步骤6提供了氧气从床A的吹洗一排气端进入床A的通道，对便对床再加压。工艺过程计算机/控制器装置用来使氧气在与任何具体用户要求条件下的整个工艺循环时间相协调的所需循环时间期间通入床内。在该再加压步骤，一般没有气体从床A排出。

在步骤7，通过在床的原料-产物端引入新鲜空气，继续对床A进行加压。通过循环控制系统装置控制这种原料空气的加压步骤的时间，来控制在该步骤通入床A的原料空气的数量。在该加压步骤期间，可以看到，没有气体从床的吹洗-排气端排出，因此，床被加压到其较高的吸附压力。

用新鲜原料空气使床A加压到较高吸附压力之后，从空气中选择吸附氮气，在步骤8，使回流气或置换氮气在原料-产物端通入床，以便从相对端，也即从其吹洗排气端置换出氧气。用于这一目的的氮气可从氮气贮罐抽出，或从床B通入床A，如步骤1、2或3所进行的那样。在该步骤由床中置换出的氧气贮存在合适的氧气贮罐中，一般处于最高的有效压力下。

在步骤9，将另一批回流气或置换氮气通入床A的原料-产物端，另一些氧气从床的吹洗-排气端被置换出来。通过监测氮气贮罐中的氮气总贮量，并用工艺过程计算机/控制器装置合适地调节步骤9的循环时间，控制在该步骤加入床A的置换氮气的量。在该步骤，副产物氧气由床通入合适的氧气贮罐，以便用作副产物氧气，并如前所述那样在步骤4作为氧气吹洗气再循环使用，和/或如在床A或床B中进行的那样，在步骤6用作氧加压气。

步骤10接在回流气从床A置换氧气之后，但在重复循环的PSA处理程序的步骤1，即由床中排出氮气产物之前，如步骤5所述那样，步骤10也包括调节系统。这样，在调节步骤10期间，既没有气体通入床A，也不从其排出气体。在该步骤，用工艺过程计算机/控制器装置监测氮贮罐中存在的氮气量。当观察到氮气使用速度下降或出现任何变化时，工艺过程计算机/控制器装置就按照后来确定的氮气使用速度自动地调节PSA工艺循环及步骤的时间。在降低需求的时间内，由氮气贮罐向下游用户供给的氮气产品物流也希望保持在所需要的产物纯度和压力下，同时降低用在实际的PSA工艺及系统中的压缩机/真空装置的能耗。

在本发明所示出的具体方案的循环操作中，可以看到，床B经历了与床A同样的处理程序，床B处于调节步骤10的同时，床A中处于调节步骤5。与此类似，床B进行调节步骤5的同时，床A进行调节步骤10。还可进一步看到，在床A进行步骤1-4回收氮气产物期间，床B进行步骤6-9，对床进行再加压并从其置换副产物氧气。与此类似，床B进行所述PSA处理程序的步骤1-4时，床A进行其步骤6-9。

如上述，由于本发明可以很方便地在一个两床的PSA系统中实施，显而易见，如果需要，发明也可在包括三个或多个吸附床的PSA系统中实施。在这种情况下，这样进行所需的处理程序，从而连续地回收氮气产物，并通入氮气贮罐或送往另一个床中以用于置换氧气的目的，但相应于图示循环步骤5和10的调节步骤除外，在该两个步骤期间，压缩机/真空装置无负荷，用工艺过程计算机/控制器装置确定氮气使用的变化。

熟悉现有技术的专业人员懂得，不脱离本发明的权利要求所述的范围，即可对本发明的细节作出各种修改。因此，在实施本发明时，可以使用能够选择性吸附氮气（原料空气中易吸附组分）的任何合适的工业可用的平衡型吸附材料。优先选择的吸附剂包括沸石分子筛，如像“X”型沸石，例如13X，包括用一价阳离子（优选锂）高度交换的那些吸附材料，或碱蒸煮的“X”型材料。

由于图示的实施例用一种具体的放气，抽空，再加压，回流程序具体描述了本发明的方法，可以理解，也可以采用任何其它适于提供高压吸附-低压解吸程序，并带有合适的调节式装置、以监测用氮气要求变化的处理程序。因为图示处理程序中包括两个调节步骤，也可用包括一个或多个确定氮气产物使用要求变化的调节步骤的工艺循环实施本发明。通过在每个处理循环中包括多于一个这样的调节步骤，该控制方法可以更确切地用来降低能量消耗，实现本发明PSA工艺及系统操作中明显的节 能。

实施本发明所用的工艺过程计算机/控制器装置，可以是任何常用的工业上现有的装置。包括一台常用的信号发送器，为排定程序，通过测量氮气贮罐中的气体量，例如通过体积测量确定氮气需求改变时，发送器依此发出一个输出信号来控制由床A和床B的气体通量，并向所述工艺计算机/控制器装置发送一个以此为基础的输入信号。如上所述，改变各个处理步骤时间和整个PSA循环时间，以便使氮气产物的生产与其需要相互高度地协调一致，有效地维持氮气产物的纯度和压力恒定，并按照对氮气产物需求的变化改变所述压缩机/真空泵装置的负荷时间比率，从而通过降低所用压缩机/真空设备的能耗来降低操作成本。这样，本发明就能在用于设计的操作条件下操作PSA系统所需处理程序的时间与用于在降低需求条件下的时间之间调节循环步骤时间，同时维持所需的氮气产物纯度并通过在降低要求条件期间降低能耗实现显著的节能。

用于空气分离的PSA方法及系统可普遍用来生产纯度范围97-99.9%的高纯度氮气，和纯度范围为30-90%的氧气副产物，最典型的是60-80%，高压吸附-低压解吸循环可望在0-15psig的高吸附压力与低于大气压的低解吸压力之间操作，低压一般为2-8psia，当然也可采用其它的压力范围。

可以理解，也可采用合适的温度控制装置来确保可使温度控制在所需的吸附床操作条件下，并使在PSA系统中内部气体流速一致。

在实施本发明时的调节可以直到5-10%的程度，以PSA系统设计的流量计。可以观察到调节的典型效率范围为100%流量-100%功率;20%流量-30-40%功率，在不需要氮气产物的持续期间，通过在5-10%负荷时间比率内自动循环的PSA系统，可方便地保持产物的纯度。在此期间回收的氮气可被用作回流气或置换气，如果需要，也可以从系统中排入大气。

氮气贮罐一般接收湿的氮气产物，因而配有导管装置，以便能从系统中排出聚积的水。由于密封不严，仪器使用和回流气循环而回收的氮气可经合适的导管装置返回氮气贮罐，从而最大程度地减少PSA系统整个操作中无谓的氮气产物损失。工艺过程计算机/控制器装置自动地适应由总贮气量控制器输出确定的气体贮量的变化。虽然氮气贮罐可以是容积固定的容器，对于本发明的目的，采用容积可变的氮气贮罐一般是方便的。为此目的，可在氮气贮罐内装入一个可按照容器内存在的气体体积来改变体积的活动的衬套。这样一种衬套可用适合的材料制成，如用增强纤维聚合材料，在指定的操作条件下有所需的强度和渗透性能等特性。

可以看出，本发明对空气分离的PSA技术提供了一种非常需要且有益的改进。由于能使PSA工艺及系统在降低氮气产物需求期间在调节条件下有效地运行，本发明能使PSA技术更加有效地适应在高纯度氮气和副产物氧气的实际工业应用中经常碰到的可变需求的情况。

Claims (9)

1、在一种变压吸附方法中，生产氮气产品以供给可变需求的用途，同时生产副产物氧气，所述的产物在一个包含至少两个能选择性吸附氮(作为原料空气中的易吸附组分)的吸附床的变压吸附系统中生产，按一个循环计，每个床经历的处理程序包括将原料空气通入床中，以便在较高的吸附压力下选择性地吸附氮气，使所述床降压到一较低的解吸压力，以解吸氮气，并从床中回收，其特征包括：

(a)将回收的氮气送入一个氮气贮存容器，以供给下游所述氮气的可变需求的用途；

(b)在每个床的吸附一解吸处理程序中提供一个调节期间，在此期间，不向床通入气体，也不从床中排出气体，各床中调节期间同时发生；

(c)在调节期间内监测氮气贮存容器，以确定氮气需求的变化；

(d)在可用于设计操作条件下以所需纯度生产氮气的时间与在降低需求的条件下以基本相同的纯度生产氮气的所述时间之间调整处理程序的总循环时间和各个处理步骤的时间；和

(e)按照降低需求的条件减少变压吸附系统的能量消耗，从而可在可变需求条件下操作该方法，生产纯度恒定的氮气产物，在降低需求操作期间大幅度降低能量消耗。

2、按权利要求1的方法，其特征是所述氮气贮存容器是可变容积的容器。

3、按权利要求1的方法，其特征是所述氮气产物是在一个两床变压吸附系统中生产的。

4、按权利要求2的方法，其特征是所述氮气产物是在一个两床变压吸附系统中生产的。

5、按权利要求4的方法，其特征是每个床中的高吸附压力一低解吸压力程序包括两个调节期间，一个在每个床由低解吸压力开始再加压之前，另一个在由其高吸附压力降压之前，一个床中在加压之前的调节期间，在时间上与另一个床中在降压之前的调节期间相一致。

6、按权利要求1的方法，其特征是低解吸压力为低于大气压的压力。

7、按权利要求2的方法，其特征是低解吸压力是低于大气压的压力。

8、按权利要求5的方法，其特征是低解吸压力是低于大气压的压力。

9、按权利要求5的方法，其特征是每个床的处理程序包括：（a）由高吸附压力排气到一个中间压力，从床的原料一产物端排出氮气;（b）将床抽空到一个较低的低于大气压的压力，从床的原料一产物端进一步排出氮气;（c）继续将床抽空到一个低于大气压的解吸压力;（d）向床的吹洗一排气端加入副产物氧气进行吹洗，从床的原料-产物端排出另一些氮气，（e）调节，没有气体通入床，也不从床排出气体;（f）向床的吹洗-排气端通入氧气副产物，使床从其较低解吸压力加压到一个中间压力;（g）向床的原料-产物端通入原料空气，使其从中间压力进一步加压到高吸附压力，用吸附床选择性吸附原料空气中存在的氮气;（h）将氮气通入床的原料-产物端对床进行回流吹洗，以便从床的吹洗一排气端置换出未吸附的氧气;（i）进一步对床回流吹洗，将副产物氧气通入一个氧贮存容器;和（j）调节，没有气体通入床，也没有气体从床排出，在一个床中进行步骤（i）的时间与另一个床进行步骤（j）的时间相一致。

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