CN103608085B - 利用离心压缩机的循环吸附工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种循环吸附工艺，该工艺包含一个或多个吸附剂容器，吸附剂容器至少经过加压和减压的步骤并且由一个或多个变速离心机驱动，变速离心机在加速和减速条件下操作并且适于所采用的步骤、容器尺寸和工艺条件，其中工艺循环时间大于惯性变化——其限定在循环期间由于惯性变化导致的损耗的最大能量——与多个离心机中的一个在不存在惯性效应时消耗的总功率的0.3倍之间的比率。

Description

利用离心压缩机的循环吸附工艺

技术领域

本发明提供用于利用离心机分离气体流组分的改进的循环吸附系统以及工艺。更具体地，本发明涉及利用在循环的加速和减速状态下操作的一个或多个变速驱动离心压缩机的吸附工艺，其中选择工艺循环时间以使压缩机功率消耗最小化且工艺的效率最大化。

背景技术

循环吸附工艺众所周知并且典型地用于从较不易吸收的组分气体中分离较易吸收的组分气体。示例包括：变压吸附（PSA）或真空变压吸附（VPSA）工艺，其利用低压或真空和吹扫气体来再生吸着剂；以及变温吸附（TSA）工艺，其利用例如热的吹扫气体等热驱动力来解吸杂质。这些工艺通常用于从空气中分离氧气或氮气、从供给空气气体中分离诸如碳氢化合物和/或水蒸气等其他杂质、从一氧化碳中分离氢气、从其他气体混合物中分离碳氧化合物，等等。这些工艺还用于在低温空气分离之前从空气中去除例如水蒸气和碳氢化合物等杂质。可使用任何用于分离或提纯气体组分的循环吸附系统。

用于说明的目的，在此描述了用于从空气中分离氧气的典型的VPSA工艺，尽管本发明可与利用离心压缩机的其他循环吸附工艺一起使用并且并不意于限于该工艺。典型的循环VPSA工艺是其中吸附剂床经过如下阶段的工艺：

1. 将吸附剂床加压至期望的压力，其中当供给空气通过该床时由吸附剂容易地吸附氮气；

2. 当供给空气中的氮气被吸附时产生了富含氧气的产品气体；

3. 将包含吸附剂的床抽空至低压（典型地处于真空），其中将吸附的氮气从吸附剂床中的吸附剂中解吸；以及，优选地，

4. 使吹扫气体通过该床以去除任何剩余的氮气。

技术人员应理解循环时间意指完成一个循环所需的时间的总量，例如，工艺按步骤依次进行并且然后返回至初始状态。

一些吸附工艺将具有更多步骤或多个床并且经常对于各个加压和减压步骤使用一个或多个鼓风机。如果VPSA设备包含两个或更多个吸附剂容器，那么各个容器均经过以上步骤；然而，两个容器不同步地操作，使得当一个容器在生产产品时另一个进行再生。而且，在两床工艺中典型地使用两个鼓风机，其中一个专门用于将气体供给至吸附剂容器，而另一个专门用于抽空吸附剂容器。

无论是使用单个容器、两个容器或甚至更多个容器，当工艺从吸附向解吸循环时在工艺内的压力和流量迅速地变化。通常，容器的压力将在快速的周期循环时间内——例如小于一分钟——从位于大气压或低于大气压的低压状态——优选地低于大气压，例如约6至8 psia（磅/平方英寸）——向高于大气压的高压状态——例如约19至24 psia——变化。一些吸附工艺在类似的快速的循环时间内将需要甚至更宽的压力和/或真空跨度。

传统上，VPSA设备使用例如在固定速度下操作的旋叶鼓风机等正位移机以使气体移动通过该工艺。这些机器是耐用的，并且当压力和流量变化并反转时一般不会受到任何重大的操作问题。然而，这些机器具有低的功率效率，并且传统的机器仅为60%-65%的效率。因此浪费掉供应至这些机器的能量的约35%-40%。因此显然期望用能够满足快速循环状态的严格要求的更有效的机器来取代传统的旋叶机器。

一类这种机器是由直驱变速高速永磁马达或变速高速感应马达来驱动的离心压缩机。这种压缩机具有已知的约85%的效率。在使用这种压缩机时所涉及的挑战在于其性能对于压力的变化非常敏感，例如在变压吸附工艺期间出现的快速的压力改变。在如此处描述的吸附工艺的快速循环工艺中使用的离心压缩机高度地易受到频繁相反的操作状态或情况的影响——已知为涌浪效应和石墙效应，这在下文将更全面地描述。这些状态可导致低的功率效率和对压缩机叶轮及其他压缩机或系统部件的损坏或故障，并且因此已在实践中避免。因此，如果要在循环吸附工艺中成功地利用更有效的离心机取代正位移机，那么有必要解决涌浪效应和石墙效应的不利情况。

已提出将离心压缩机用于在吸附工艺中使用。例如，美国专利No. 5,555,749提出在循环的抽尽部分（减压）期间离心压缩机在吸附系统中的使用。美国专利No. 7,785,405B2公开了用于气体分离的系统和工艺，利用高速永磁变速马达来加速和减速在变压吸附（PSA）或真空变压吸附（VPSA）工艺中使用的离心压缩机。这些专利没有教示一种工艺，在该种工艺中选择最佳循环时间来从这种压缩机的使用中实现功率效益。

发明内容

本发明提供针对离心机在循环吸附工艺中的使用的改进的工艺以及系统。该发明提供一种方法，其用于通过使石墙效应的不利状态最小化来实现利用离心机替代传统的正位移机的功率效益，石墙效应与压头的快速减小相关联，压头与在工艺的某些步骤期间气体突然流出或流入容器相关联。尽管已知离心机比传统的正位移机更高效，但当在这种处于加速和减速状态下操作的循环工艺中使用时未实现功率优势，除非将工艺循环时间调节为大于预定值，该预定值基于离心叶轮和其他运动部分的惯性力矩计算。通过将吸附工艺调整为使用较长的循环时间，可使石墙效应最小化并且更充分地实现离心机的效率。

换言之并且如下面更加充分地说明，在操作期间机器使用的能量就是对于完成必需的工艺步骤所需的时期段将工艺气体从吸入压力压缩至排出压力所需的能量加上使压缩机叶轮（包括转子和其他运动部分）的速度从低操作速度增加至高操作速度所需的能量。现已发现对于在加速/减速状态下操作的给定的离心机，克服惯性力矩所需的能量始终是固定的。因此，将每循环时间的惯性能量（或惯性功率）相对于总生产率的比率最小化以实现离心机的最佳操作。

根据本发明的一个实施方式，提供一种循环吸附工艺，其包括一个或多个吸附剂容器，吸附剂容器在循环中至少经过加压、减压和吹扫的步骤并且由在加速和减速状态下操作的一个或多个变速离心机驱动，变速离心机适于所采用的步骤、容器尺寸和工艺条件，其改进包括操作该工艺使得循环时间大于如下比率，该比率为Δ_inertia与多个离心机中的一个在不存在惯性效应时消耗的总功率的0.3倍之间的比率。

根据本发明的另一实施方式，提供一种用于改进利用正位移机——其包含至少经过加压和减压步骤的一个或多个吸附剂容器——的循环吸附工艺的功率效率的方法，该方法包括：利用变速离心机取代正位移机；在加速和减速状态下操作离心机，该离心机适于所采用的步骤、吸附剂容器尺寸和工艺条件；以及将工艺循环时间调节成大于如下比率，该比率为计算的Δ_inertia与不存在惯性效应时的离心机功率消耗的0.3倍之间的比率。

在本发明的又一实施方式中，提供一种对于在高压状态和低压状态之间循环的变压吸附工艺，并且其中该循环至少包括加压和减压步骤，该工艺包括循环地操作与至少一个吸附剂容器流体连通的至少一个变速离心压缩机，以从低操作速度加速至高操作速度来获得高循环压力状态并且从高操作速度减速至低操作速度来获得低循环压力状态，其中调节循环时间使得离心压缩机处于石墙效应状态的时间段不大于在所采用状态下的工艺的循环时间的40%。

在又一实施方式中，提供一种利用至少一个离心压缩机用于在变压吸附或真空变压吸附工艺中使用的吸附剂容器的加压和减压步骤的方法，其中压缩机适于所采用的具体步骤、吸附剂容器尺寸和工艺条件，该方法包括：

利用变频驱动器控制马达将离心压缩机从不大于7000 RPM（转数/分）的低操作速度驱动到至少大于13000 RPM的高操作速度；

根据工艺需要循环地操作压缩机一时间段以从低操作速度加速至高操作速度并且从高操作速度减速至低操作速度，该时间段不小于如下比率，该比率为Δ_inertia与不存在惯性效应时的离心压缩机和马达功率消耗额定值的0.3倍之间的比率；

并且其中压缩机在石墙效应状态下不大于在所采用状态下的工艺的总循环时间的40%。

附图说明

图1是示出离心压缩机特性图的曲线图，其利用曲线指出横跨整个机器对于不同的操作速度和压力比由离心机所产生的流量。

图2是示出压缩机效率的特性图的曲线图，其作为横跨整个机器的操作速度和压力比的函数。

图3是使用来自利用离心机的VPSA循环的数据的曲线图。

具体实施方式

如上所述，本发明提供用于在循环吸附工艺中使用离心压缩机的改进系统和工艺。该系统和工艺利用由变速高速马达驱动的离心压缩机来取代传统的正位移机并且更具体地为旋叶鼓风机/压缩机，以使功率消耗最小化并且工艺效率最大化。此外，循环时间的选择使石墙效应的出现最小化，石墙效应被发现是由在这些快速的循环吸附工艺中使用这种离心压缩机而导致。

本发明涉及循环流体分离工艺，并且具体地涉及具有其中包含至少一个吸附床（在此为“吸附剂床”或“吸附剂容器”）的至少一个容器的循环吸附工艺。商用系统的示例包括但不限于PSA和VPSA工艺及系统，其中吸附床用于从较易吸收的组分中分离较不易吸收的组分。

传统的循环吸附系统典型地具有至少一个吸附床，该吸附床通过至少一个正位移供给压缩机进行循环地加压并且间或通过至少一个这种真空压缩机进行抽空。在本发明中，使用设计用于变速操作的一个离心机用于单个吸附剂床的加压和减压，并且多个床系统将具有单独的离心机，一个用于将气体供给至容器而一个用于抽空容器。当与足够大的吸附剂容器一起使用时这些机器通过它们减小的操作功率需求来提供改进的工艺效率，足够大的吸附剂容器致使工艺循环时间不小于Δ_inertia与不存在惯性效应时消耗的离心压缩机功率的0.3倍之间的比率。

由变速高速马达驱动的离心压缩机是已知的并且已被本受让人提议用于吸附工艺，如在美国专利No. 7,785,405B2中教示，其在此处以参引的方式全部纳入本文。离心压缩机——有时也称为径向压缩机——被认为是动态轴对称耗功（work-absorbing）型涡轮机械的子类。这些机器是众所周知的，尽管它们在循环吸附工艺中的应用仅在最近才提出。离心机典型地以高速操作并且产生高的增压。术语“机器”在此用于描述包括压缩机/鼓风机和马达驱动系统的操作机器。

离心压缩机优选地由具有变频驱动器的直驱变速高速永磁马达驱动，其允许压缩机以如当前PSA或VPSA循环时间——例如小于一分钟——所需的快速的速率循环地从低操作速度加速至高操作速度以及从高操作速度减速至低操作速度。这些马达能够以大于5000RPM、优选地大于10,000 RPM、并且最优选地大于15,000 RPM的速度操作压缩机。优选地，对于VPSA和PSA工艺，低操作速度将不大于7000 RPM而高操作速度将大于13,000 RPM。

如在此处使用，术语“离心机”意指包括由高速感应马达——还已知为旋转变压器或异步马达——驱动的离心压缩机。感应马达是交流马达的类型，其中借助于电磁感应将能量供应至转子。电动马达由于施加在固定电磁体（定子）和旋转电磁体（转子）之间的磁力而转动。

在本发明工艺中使用的压缩机可具有单级或多级、可具有不同的叶轮或叶片构造、可构造成与一个或多个床相关联操作、并且可与其他正位移机结合使用。然而，每次工作（service）典型地使用一个压缩机，并且在此处的一个实施方式中在不存在正位移机时使用压缩机。选择离心机使得其效率比在相同应用中使用的传统的正位移机的效率至少大10%。

图1是图示了在典型的VPSA氧气工艺期间离心压缩机怎样以不同的操作速度和压力操作的曲线图。曲线展示了将导致涌浪效应、石墙效应以及最佳效率的操作条件。另外，VPSA工艺仅用于说明性的目的。如图1中所示，线1是涌浪效应线，线2是最佳效率线，以及线3是石墙效应线。在速度为设计速度的100%以及横跨压缩机的压力比为1.65时流动系数（流动系数是无量纲数，其可用于计算质量流量）为0.3。如果压缩机保持在设计速度的100%而横跨其的压力比突然降至1.6，那么流动系数将为0.43，表现出在流量上40%的增加。对于操作速度的每种选择，在横跨压缩机的增压和压缩机可产生的流量之间存在固定的关系。

在图1中的线1的左侧是已知为“涌浪效应”的状态。涌浪效应点在此限定为对于横跨离心压缩机的给定增压的最小稳定流率。如果流率降低超过该点，那么由压缩机产生的压头降低，从而在压缩机排出口处导致相反的压力梯度以及由此导致的气体的回流。一旦在压缩机的排放管线中的压力降至低于由叶轮产生的压力，则流动再一次反向。已发现这种交替的流动模式为不稳定的状态，其可导致对压缩机叶轮、驱动机构和部件的严重的损坏。这种状态必须避免。

在线3的右侧是已知为“石墙效应”的状态。石墙效应在此处限定为一种压缩机无法产生任何压头的状态，因为通过压缩机的体积流量对于叶轮旋转的给定速率而言太高。因此，压力比的进一步减少不会导致额外的流量。尽管该状态不会损坏叶轮，但压缩机的功率效率将会降低。石墙效应的出现或石墙效应状态应当最小化，以便确保不会使由更高效的离心压缩机取代旋转叶型鼓风机所产生的功率效益无效。优选地，选择循环时间使得压缩机在石墙效应状态中不大于工艺的总循环时间的40%，并且优选地小于30%。

当在吸附剂容器内的压力改变时，离心压缩机的操作速度必须改变。通过使压缩机保持在其涌浪效应状态的稍右侧（在图1上）可实现最大效率。例如并再次参照图1，示出了在横跨压缩机的压力比为1.4处，压缩机应当以其设计速度的80%操作。通常，理论上可以控制压缩机的速度以便在避免涌浪效应和石墙效应状态的同时保持最佳效率。然而，在工艺内的时间点期间，当压力比突然下降时，实际上不可能完全地避免石墙效应状态。尽管通过向压缩机马达增加动力可以突然增加压缩机速度，但由于叶轮作用于被压缩的气体或流体，因此使叶轮降低速度的最好方式是允许其自然地减速。

在图1中如线2所示的最佳效率线是在操作速度和压力比之间的使机器效率最大化的关系。图2示出效率怎样作为压力比和操作速度的函数而变化。曲线图示出对于各个操作速度，当流量系数约为0.3时，效率处于最大值——接近85%。最佳流量将随着速度改变。在非常低的操作速度下，最佳流量系数为0.28，而在非常高的操作速度下，最佳流量系数为0.32。在图2的曲线图上的最佳点直接转换为在图1中如线2所示的最佳操作线。

图3为示出了在用于从空气中分离氧气的实际的VPSA工艺的完整循环期间在吸附剂床内的床压力和由直驱变速高速永磁马达驱动的离心压缩机的速度的曲线图。该循环包括加压、减压、均衡、抽空以及吹扫步骤。使用单个离心压缩机，其在13,500 RPM的操作速度下产生7000 ACFM（实际的每分钟的立方英尺）的流量。在图3中的曲线图包含曲线（由带有三角形的线表示），其示出了吸附剂容器压力怎样作为时间的函数改变。另一曲线（由不带有三角形的线表示）图示了离心机速度怎样随着时间改变，以匹配在吸附剂容器内变化的压力。阴影区域（由箭头1、2和3指出）表示压缩机的惯性能量损耗。第一阴影区域（1）是在吸附剂床加压的时间段期间，而第二阴影区域（2和3）是在吸附剂床减压的时间段期间。在循环的最开始，床刚被吹扫并且其处于非常低的压力下。压缩机速度在这点非常高，因为其被用以保持低压（横跨压缩机的高压力比）。现在切换在系统内的一组阀，使得压缩机可用以将大气空气供给至吸附剂容器。在压缩机的吸入口处的从真空状态向环境状态的压力的突然变化以及在压缩机的排出口处的从环境状态向真空状态的压力的变化导致横跨压缩机的压力比的突然减小（例如从2到0.5）。该变化使压缩机处于石墙效应状态。随着空气流动通过压缩机，其在速度上减速并且吸附剂床在压力上逐渐增加。随着压缩机在速度上减速，叶轮、马达转子和轴的惯性能量提供将气体压缩到吸附剂容器中所需的能量。石墙效应是非常低效率的状态，从而导致少量的惯性能量——例如小于在该示例期间使用的压缩机中的二分之一——被用以压缩气体，而其余的能量被浪费。

一旦压缩机叶轮充分地减小速度以致使系统脱离石墙效应状态，将能量供应至压缩机以增大其速度来匹配在吸附剂容器中增大的压力。当吸附剂容器达到可产生氧气产品气体（或，对于其他工艺而言，为较不易吸收的气体）的压力时，速度达到工艺中的峰值点。一旦吸附剂容器变得充满了氮气（或较易吸收的气体），那么随后将其放气。在该放气步骤（2）期间，当离心压缩机使空气（或其他供给气体）从系统的供给侧经通风口运动时允许离心压缩机在速度上减速，同时吸附剂容器中的压力通过其他阀减轻。空气通风至大气，或在该情况或其他工艺中根据需要以其他方式获取。在循环的该时间段期间，叶轮的惯性能量变化的100%在没有作任何有用功的情况下损耗掉。应当指出，无论工艺中使用离心压缩机或传统的旋叶鼓风机都会损耗功，尽管对于离心压缩机而言损耗更高，这是因为通过离心压缩机的气体的流量更高于通过旋叶鼓风机的气体的流量。

在吸附剂容器达到大气压力后，压缩机用以将吸附剂容器降低至深真空状态。当从容器中去除气体时，压缩机首先处于石墙效应状态并且继续在速度上减速。一旦压缩机的速度足够低并且横跨其的压力比足够高，压缩机从其石墙效应状态中脱离出来。此时向压缩机供应动力以进一步抽空吸附剂容器。

如在图3的阴影区域中所示，相当大量的时间花在压缩机处于石墙效应状态，并且功率损耗也相当大。估计与图3中所示的循环的浅阴影部分（1和3）相对应的浪费的功率相当于多达总功率消耗的15%。总系统功率的另外的4.5%在图3中所示工艺的更暗的阴影部分（2）期间浪费掉。考虑到在典型的VPSA氧气工艺中从传统的正位移类型的机器转换到离心机可节省多达总功率消耗的30%（85%的效率比65%的效率），因此有必要将由于压缩机石墙效应而导致的惯性能量损耗最小化来使从离心机获得的功率效益最大化。

在此描述的本发明涉及以如下方式选择吸附工艺循环——例如如图示的VPSA工艺循环——使得由于压缩机石墙效应导致的惯性能量损耗相对于供应至系统的能量的总量很小。这通过增加整个工艺循环的持续时间完成，其通过增加与离心压缩机的尺寸相关的吸附剂容器的尺寸来实现。这与容器和循环设计的当前趋势相反，容器和循环设计最近聚焦于更小的床和更快的循环。因此已惊讶地发现，在没有将这些系统调节成具有足够长的工艺循环时间的情况下，利用离心压缩机的循环吸附系统与利用正位移类型鼓风机的当前系统相比并不具有更高的能量效率。

尽管不想束缚于理论，但这种需求可通过再次参照图3来解释。相信该效率上的局限性被示出，其中基于离心叶轮和马达转子的构造的材料和几何形状计算出叶轮和马达转子的惯性的力矩为0.28 kg*m²。惯性效应是抵抗速度改变的计算结果，其由叶轮和马达转子的旋转重量（或质量）导致。这可由本领域技术人员根据机器的设计和操作说明书计算出。

如在图3中可见，在供给的开始，已知叶轮将在速度上从约16,500 RPM减速至约6600 RPM。在该时间期间，压缩机的惯性能量从420 kJ变为67 kJ，能量的总减少量为353kJ。同样在放气和抽空开始的期间，已知叶轮将在速度上从约13,500 RPM（参照上文的设计速度）减速至约5,400 RPM。在该时间段期间，压缩机的惯性能量从277 kJ变为44 kJ，总变化为233 kJ。如所示，在关于典型的VPSA循环的两个减速时间段期间惯性能量的总变化为586 kJ。现在这已被发现成为重要的机器设计参数，其可计算用于任何选择的马达加上离心叶轮（运动部分）以及用于在循环操作期间的操作的最大和最小速度的知识。在此将该参数——随惯性变化——限定为Δ_inertia并且表示由于惯性变化导致的在循环期间损耗的最大可能的能量。一旦选择了离心压缩机和马达，不管整个循环的持续时间怎样，每个循环的惯性能量（Δ_inertia）就固定并且不变。尽管上面示例展示了对于一个特定系统的Δ_inertia的计算结果，但可使用一般公式来确定对于任何系统的Δ_inertia。这样的公式在物理的领域中已知并且提供如下：

KE_max=∙I∙ω_max ²

KE_min=∙I∙ω_min ²

Δ_inertia=KE_max−KE_min

在上面的公式中，I是绕旋转轴线的转子、轴和叶轮的惯性力矩，ω_max和ω_min是以每单位时间的弧度来表示的转子、轴和叶轮的旋转的最大和最小速度，而KE_max和KE_min是转子、轴和叶轮的旋转的动能。

一旦对于给定的压缩机/马达设计来讲Δ_inertia已知，就有可能利用具体的工艺循环时间的知识来计算与惯性能量损耗相关联的功率损失。这通过将惯性能量损耗除以循环时间来确定，通过公式表示为：

在对于VPSA工艺的上面的示例中，总惯性功率损耗为17.7 kW（计算成每循环586kJ除以33.2秒的循环时间）。在实际中，实际的惯性功率损耗将稍小于该数字，因为小部分的能量对气体做了有用功。虽然如此，该损耗将会足够小而不会对上面的表达式具有显著的影响。

由离心压缩机消耗的总功率将是在不存在惯性效应时消耗的+由石墙效应操作导致的惯性损耗的理论功率，其通过公式表示为：

P_noinertia的值将不取决于压缩机的几何形状或循环时间的选择，如对于P_inertia的情况。其将为设备能力的线性函数。在上面的示例中，商用规模的VPSA设备进行操作以产生每天12.5吨的氧气。测量的功率消耗为90 kW。这是包括惯性损耗的总功率消耗。由于计算的惯性功率损耗为17.7 kW，因此上面的公式提供不存在惯性效应的离心压缩机的功率消耗P_noinertia=72.3 kW。将其表示为设备能力的函数会导致P_noinertia的具体功率消耗（不存在惯性效应）为5.8 kW/TPD，能够用于计算对于任何尺寸的设备的P_noinertia的关系式（将5.8kW乘以以每天吨数（TPD）表示的设备设计能力）。因此，P_noinertia等于每TPD（美国短吨）5.8kW的设备能力（每天907.2千克），其为在工业气体工业中使用的常规生产流率。

如上所述，选择充分持续时间的循环时间以确保利用离心压缩机的工艺至少与利用传统鼓风机的工艺的（在下文中为旋叶型鼓风机）能量效率相同是很重要的，优选地更有效率。

已知由利用旋叶鼓风机的工艺消耗的功率将为利用没有惯性效应的离心压缩机的工艺的1.3倍。换言之，对于离心压缩机的85%的绝热效率除以对于旋叶鼓风机的65%的绝热效率从而得出1.3的功率比。因此，为确保在利用离心压缩机时的功率消耗小于由利用旋叶型鼓风机产生的功率消耗，必须保证以下方程式成立：

针对最小循环时间简化并重新整理得出：

在该示例中，压缩机的选择导致每循环586 kJ的Δ_inertia。不存在惯性效应时的离心压缩机功率为72.3。

再次参照方程式，在该示例中导致利用离心压缩机替代旋叶型鼓风机的功率效益的最小循环时间为27秒。现可确定小于该值的任何循环时间导致的功率消耗高于在此工艺中用于旋叶型鼓风机的功率消耗。优选地，当在循环吸附工艺中使用时，将对于离心机所需的总功率选择成比当在相同工艺中使用时的正位移机所需的功率少至少10%。

因为以上示例是相当典型的VPSA工艺设计并且使用了适于该VPSA工艺的最佳变速离心压缩机设计，所以可以推断需要至少27秒的循环时间以便确保离心压缩机的使用相对于传统旋叶型鼓风机导致了净能量节省。

虽然以上示例使用用于从空气中分离氧气的典型的VPSA工艺进行计算，但应当指出可采用这些相同的研究成果用于为了快速加压和/或减压而使用一个或多个离心压缩机的任何循环吸附工艺。这包括了利用多个吸附剂床的以及具有例如径向或轴向构造等任何床或容器构造的吸附工艺。

这对于本领域的技术人员是显而易见的，本发明并不限于在此提供的示例，这些示例仅提供用以展示本发明的可行性。在不脱离如在此处公开和描述的本发明的精神的情况下，吸附工艺、工艺状态、循环时间以及吸附剂容器尺寸的选择可由本领域技术人员根据说明书确定。本发明的范围包括落入所附权利要求的范围内的等同实施方式、改型和变体。

Claims (23)

1.一种包括一个或多个吸附剂容器的循环吸附工艺，所述吸附剂容器在循环中至少经过加压、减压和吹扫的步骤并且由在加速和减速状态下操作的一个或多个变速离心机驱动，所述变速离心机适于所采用的步骤、容器尺寸和工艺状态，改进包括操作所述工艺使得循环时间大于如下比率，该比率为Δ_inertia与多个离心机中的一个在不存在惯性效应时将消耗的总功率的0.3倍之间的比率，其中

KE_max=∙I∙ω_max ²

KE_min=∙I∙ω_min ²

Δ_inertia=KE_max−KE_min

其中，I是绕旋转轴线的转子、轴和叶轮的惯性力矩，ω_max和ω_min是以每单位时间的弧度来表示的转子、轴和叶轮的旋转的最大和最小速度，而KE_max和KE_min是转子、轴和叶轮的旋转的动能。

2.根据权利要求1所述的循环吸附工艺，其中所述工艺为用于氧气从空气中的分离的VPSA工艺。

3.根据权利要求2所述的循环吸附工艺，其中所述工艺循环时间至少为27秒。

4.根据权利要求1所述的循环吸附工艺，其中在所述循环中所述步骤至少包括加压、减压、均衡、抽空以及吹扫。

5.根据权利要求2所述的循环吸附工艺，其中所述离心机的效率比当在所述工艺中使用时的正位移机的效率至少大10%。

6.根据权利要求1所述的循环吸附工艺，其中所述离心机具有直驱变速高速永磁马达，所述马达具有变频驱动器。

7.根据权利要求1所述的循环吸附工艺，其中所述离心机具有直驱变速高速感应马达，所述马达具有变频驱动器。

8.一种改进循环吸附工艺的功率效率的方法，所述循环吸附工艺使用正位移机并包含至少经过加压和减压的步骤的一个或多个吸附剂容器，所述方法包括：利用变速离心机取代所述正位移机；在加速和减速的状态下操作所述离心机，所述离心机适于所采用的步骤、吸附剂容器尺寸和工艺状态；以及将所述工艺循环时间调节成大于如下比率，所述比率为计算的Δ_inertia与不存在惯性效应时的离心机功率消耗的0.3倍之间的比率，其中

KE_max= ∙I∙ω_max ²

KE_min=∙I∙ω_min ²

Δ_inertia=KE_max−KE_min

其中，I是绕旋转轴线的转子、轴和叶轮的惯性力矩，ω_max和ω_min是以每单位时间的弧度来表示的转子、轴和叶轮的旋转的最大和最小速度，而KE_max和KE_min是转子、轴和叶轮的旋转的动能。

9.根据权利要求8所述的改进循环吸附工艺的功率效率的方法，其中所述工艺为VPSA或PSA工艺。

10.根据权利要求9所述的改进循环吸附工艺的功率效率的方法，其中所述步骤至少包括加压、减压、均衡、抽空以及吹扫，并且所述离心机具有的效率比当在所述工艺中使用时的所述正位移机的效率至少大10%。

11.根据权利要求9所述的改进循环吸附工艺的功率效率的方法，其中所述工艺循环时间至少为27秒。

12.一种对于在高压状态和低压状态之间循环的变压吸附工艺，并且其中所述循环至少包括加压和减压步骤，所述工艺包括循环操作与至少一个吸附剂容器流体连通的至少一个变速离心压缩机以从低操作速度加速至高操作速度来获得高循环压力状态并从高操作速度减速至低操作速度来获得低循环压力状态，其中调节所述循环时间使得所述离心压缩机处于石墙效应状态的时间段不大于在所采用状态下的所述工艺的所述循环时间的40%。

13.根据权利要求12所述的变压吸附工艺，其中所述高压状态为高于大气压力并且所述低压状态为低于大气压力。

14.根据权利要求13所述的变压吸附工艺，其中所述高压状态为19 psia至24 psia并且所述低压状态为6 psia至8 psia。

15.根据权利要求12所述的变压吸附工艺，其中所述工艺为VPSA或PSA工艺。

16.一种快速循环吸附系统，其具有其中包含至少一个吸附床的至少一个容器，所述吸附床用于在高压下接收供给气体，其中当所述供给气体通过所述吸附床时所述供给气体中较易吸附的气体被吸附剂吸附从而在所述供给气体中产生富含较不易吸附的气体的产品气体，并且将所述至少一个容器抽空至低压其中将吸附的气体从所述吸附剂中解吸，改进在于其中所述系统由一个或多个变速离心机驱动，所述变速离心机设计成根据权利要求12所述的变压吸附工艺操作。

17.根据权利要求16所述的快速循环吸附系统，其中所述压缩机由具有变频驱动器的直驱变速高速永磁马达驱动。

18.一种利用至少一个离心压缩机用于在变压吸附或真空变压吸附工艺中使用的吸附剂容器的加压和减压步骤的方法，其中所述压缩机适于所采用的具体步骤、吸附剂容器尺寸和工艺状态，所述方法包括：

利用变频驱动器来控制马达从而将所述离心压缩机从不大于7000 RPM的低操作速度驱动至大于13000 RPM的高操作速度；

根据所述工艺所需来循环地操作所述压缩机以从所述低操作速度加速至高操作速度加速并从高操作速度减速至地操作速度；

并且其中所述压缩机处于石墙效应状态不大于在所采用状态下的所述工艺的总循环时间的40%。

19.根据权利要求18所述的利用至少一个离心压缩机用于在变压吸附或真空变压吸附工艺中使用的吸附剂容器的加压和减压步骤的方法，其中工艺循环时间至少为27秒。

20.根据权利要求18所述的利用至少一个离心压缩机用于在变压吸附或真空变压吸附工艺中使用的吸附剂容器的加压和减压步骤的方法，其中所述压缩机在不存在正位移机时使用。

21.根据权利要求18所述的利用至少一个离心压缩机用于在变压吸附或真空变压吸附工艺中使用的吸附剂容器的加压和减压步骤的方法，其中所述工艺为用于氧气从空气中的分离的VPSA工艺。

22.根据权利要求18所述的利用至少一个离心压缩机用于在变压吸附或真空变压吸附工艺中使用的吸附剂容器的加压和减压步骤的方法，其中所述压缩机处于石墙效应状态不大于所述总循环时间的30%。

23.根据权利要求18所述的利用至少一个离心压缩机用于在变压吸附或真空变压吸附工艺中使用的吸附剂容器的加压和减压步骤的方法，其中操作所述工艺的时间段不小于如下比率，该比率为Δ_inertia与不存在惯性效应时的所述离心压缩机和马达功率消耗额定值的0.3倍之间的比率，其中

KE_max= ∙I∙ω_max ²

KE_min=∙I∙ω_min ²

Δ_inertia=KE_max−KE_min

其中，I是绕旋转轴线的转子、轴和叶轮的惯性力矩，ω_max和ω_min是以每单位时间的弧度来表示的转子、轴和叶轮的旋转的最大和最小速度，而KE_max和KE_min是转子、轴和叶轮的旋转的动能。