CN107206303B - 负荷跟踪单床反向鼓风机吸附空气分离系统 - Google Patents

Abstract

一种基于示例性单床反向鼓风机吸附的空气分离单元构造成允许通过调节流经其的流量和功耗而跟踪位于其上的氧气负荷。至少一个并且优选地多个压力感测器感测位于吸附器容器下游处的氧气储存区域内的氧气压力。利用这些感测到的压力产生控制信号，所述控制信号控制位于压缩机上游位置处的流量，例如，位于反向鼓风机和输出压缩机处的流量。用于鼓风机和压缩机的控制环路彼此独立并且具有不同的时间常数。因此在不需要将空气分离单元驱动到处于设计范围外的操作条件而且保持制氧的最优功耗的条件下实现氧气负荷的有效跟踪，从而在大调节比范围保持效率。

Description

负荷跟踪单床反向鼓风机吸附空气分离系统

技术领域

以下发明涉及一种空气分离单元，其用于例如利用基于单床反向鼓风机吸附的空气分离单元从空气中分离氧气。更具体地，本发明涉及基于单床反向鼓风机吸附的空气分离单元，所述空气分离单元能够有效调节从其供应的氧气，以匹配空气分离单元的氧气需求。

背景技术

使用真空变压吸附(VSA)生产氧气对于空气分离技术而言众所周知。VSA提供简单的非低温方法以生产纯度为80％至95％的气态氧。在最近20年，氧气VSA设备得以广泛应用并且在各种床构造中予以提供。通常在每天60吨(TPD)以及更高的规模范围内使用多床VSA。单床处理被采用作为针对通常介于1TPD至40TPD之间的较低生产范围的、较低成本且更简单的处理。一般地，单床系统通常由单个鼓风机机组构成，所述单个鼓风机组用于供气提供装置以及再生真空系统。该处理通常包含自动阀，以在循环期间引导空气和真空流。单床处理的更新的实施例使用反向鼓风机产生原料流并且施加真空，以用于再生步骤。这一最新实施例非常适于小至中等规模的氧气VSA生产设备(1TPD至10TPD)。在美国专利No.8,496,738中描述了这种类型的单床反向鼓风机(SBRB)VSA处理的一个示例。

尽管单床反向鼓风机(SBRB)VSA处理易于实践，但是当与多床系统相比时其简易性伴随着性能折中。首先，缺乏其它吸收器床未顾及到重要的床与床之间的平衡。压力平衡步骤对于降低能耗和增加产品氧气回收至关重要。本领域的技术人员通过向SBRB系统添加平衡罐(例如，由德克萨斯州的Air Liquide of Houston提供的SBRB系统中的平衡罐)克服了这个缺陷。

在任何吸附处理中所存在的另一种功率损耗是处理的欠佳调节比。在多床中，鼓风机必须保持通电的事实限制了双鼓风机系统的调节。这种系统中针对调节的一个选项是将供给鼓风机排气引入真空系统抽吸管，有效缩短了VSA处理的循环。尽管不是特别有效，但是允许鼓风机无载运行，从而节能。

发明内容

在单床系统中，能够针对电动机使用变频驱动装置，以实现显著和有效的调节比，通常调节成铭牌的25％至10％。然而，难以构造适当控制变频驱动装置以实现所需的有效调节比的算法。为了提供该控制算法，根据本发明，位于吸附器容器下游的产品缓冲储存罐监测其中的压力水平。通过根据接收自缓冲储存罐内的压力水平的反馈而调节进入到吸附容器中的入口流量来动态管理吸附平衡。

遵循这种算法，并且在来自产品缓冲储存罐的压力输入提供进入到吸附床的入口流量的控制的情况下，以更低的所需功率以及更低的产品气体(通常为氧气)输出提供了远远低于设计中心的容器流量和速度，而仍然保持高纯度和吸附平衡。这种系统还能够包括：来自操作者的控制，所述控制选择待提供的调节量；致使系统更接近或者远离设计中心运转，但是仍然保持吸附平衡和产品气体纯度，并且具有更低的功耗。

在本发明的优化实施例中，在两个位置处感测压力并且通过两个感测到的压力控制这种制氧所需的制氧率和功率。在第一位置处感测第一压力，所述第一位置优选地位于吸附床下游的氧气存储区域内的氧气缓冲罐(也称作氧气处理罐)处。利用该第一压力控制通过反向鼓风机的流量。特别地，如果在第一位置处感测到的压力大于表示过压和氧气需求迟滞的压力设定值，则降低通过反向鼓风机的流量。具体地，以更慢的速度驱动鼓风机，使得降低经由鼓风机(正转或者反转)的流量。在一个实施例中，由变频驱动器驱动鼓风机，所述变频驱动器易于控制，以便实现通过此的更低的流量。在这种更低的流量下，通过使得空气更加缓慢地通过吸附床而更加缓慢地产生氧气。因此氧气更加缓慢地流入到缓冲罐中，从而趋于降低其中的压力。替代地，如果在第一位置处感测到的压力降低，则这种压力减小代表系统对氧气的需求增加。这种降低的压力由控制器反馈给反向鼓风机，以便增加通过反向鼓风机的流量。

另外，在本发明的优选形式中优选地在第二位置处感测压力。在压缩机的下游处感测第二压力，所述压缩机位于缓冲罐的下游处并且从系统供应增压的氧气。将在压缩机下游的第二位置处感测到的第二压力与设定值比较。如果这个感测到的压力大于设定值，则这代表氧气需求迟滞并且将其反馈给压缩机，以使压缩机以更低的功率和更低的通过流量运转。替代地，如果感测到压力在第二位置处小于设定值，则这代表需求增加并且在更高的对应功耗以更高的流量驱动压缩机。以这种方式，压缩机也响应于氧气需求发挥作用。

这两个分离反馈环路皆感测压力并且反馈控制信号，以增加或者降低通过上游设备的流量。为了保持设备相互和谐运转并且避免发生两个控制系统彼此响应而非响应实际氧气负荷/需求的情况，两个控制系统在感测压力和调节与每个控制环路有关的流量之间暂停的时间间隔被设置为相互不同。在一个实施例中，压缩机控制系统大约每秒感测压力并且适当响应。同时，允许在第一位置处感测到的缓冲罐压力大约每分钟调节反向鼓风机流量。

缓冲罐和其体积的存在确保压缩机能够快速响应在第二位置处感测到的快速增加需求并且压缩机在缓冲罐内的第一位置处感测到升高的需求并且作出响应之前不会排放缓冲罐内的供应品，从而致使反向鼓风机增加流量并且更加快速地制氧。对应地，如果在第二位置处的压力传感器感测到的氧气需求快速降低，从而致使压缩机以显著更低的流量运转，则缓冲罐大到足以使得反向鼓风机能够继续处于高流量(大约一分钟)，以生产能够存储在缓冲罐内的氧气，这种过剩供应易于被吸附在缓冲罐内达一分钟，使得这种快速降低需求可能在感测到缓冲罐中的压力增加之前致使反向鼓风机的流量降低。因此实现了稳定的负荷跟踪并且即使在50％、75％或者更大的调节比下也保持有效制氧。

附图说明

图1是现有技术的单床反向鼓风机真空变压吸附空气分离单元的示意图，其为本发明技术解决的典型情况；

图2是适于实施本发明的单床反向鼓风机真空变压吸附空气分离单元的示意图，在其中包括吹洗恢复罐以增强空气分离单元的性能，并且限定改进的真空变压吸附空气分离处理；

图3至图5是与图2中示出的示意图类似的示意图，但是各种不同箭头示出了反向鼓风机真空变压吸附空气分离单元的操作中的各个步骤。图5还包括由控制器和多个传感器以及控制输出装置实施的控制系统，以便有助于用于根据本发明的空气分离单元的负荷跟踪；

图6是根据本发明的功率级响应与感测到的压力的曲线图，其示出了在图5中示出的第一和第二传感器位置处感测到的压力如何导致反向鼓风机的驱动装置和压缩机的驱动装置的功耗针对自动可靠的氧气需求负荷跟踪而变化；

图7是相对功耗和氧气生产的曲线图，其示出了即使在75％以上的调节比下也如何整体保持空气分离单元的生产效率。

具体实施方式

参照附图，在各个附图中，相同的附图标记代表相同的部件，附图标记10(图1)指的是构造成从空气分离/浓缩氧气的现有技术的氧气分离机。这种分离机通过本发明的空气分离单元110(图2至图5)和本发明的鼓风机驱动系统210(图4)修改，如在下文更加详细描述的那样。

实质上，具体参照图1，公开了通过本发明的空气分离单元110和鼓风机驱动系统210修改的氧气分离机10的基本细节。氧气分离机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优先吸附氮气、二氧化碳和水。阀30位于吸附床20的下游。缓冲罐40设置在阀30的下游。鼓风机50限定位于吸附床20上游的泵的优选形式。控制器60联接到阀30和鼓风机50(或其它泵)以控制阀30的打开和关闭及控制鼓风机50(或其它泵)的运行方向，从而将空气提供到吸附床20中或抽真空以从吸附床20脱附并去除氮气。通常，在鼓风机和吸附床之间需要换热器以消除在压缩空气时产生的热量。在循环的真空阶段期间可绕过换热器。

继续参考图1，描述了吸附床20的细节。吸附床20包括用于容纳吸附材料的外壳22。该外壳22包括与出口26间隔开的入口24。入口24和出口26限定了进入外壳22的第一和第二口的优选形式。入口24和出口26通常结合到盖或“端板”中，盖或“端板”可被移除以允许接近外壳22中的吸附部件。另外，优选地密封外壳22以防止气体泄漏至外壳22中或从外壳22泄漏出。

吸附床20内的吸附材料可以是相比于氧优先吸附氮气的任何形式的材料。一种这样的材料是分子筛，如nitroxy siliporite。该材料优选按照珠的形式供应，珠通常为球形或可以具有不规则形状。由于珠由外壳22内的分子筛材料构成，因此气体通路穿过吸附材料、在吸附材料之间以及在吸附材料周围延伸。

最优选地，在吸附床的入口和出口端处构造小室以在吸附床截面上提供均匀的气流。在优选构造中，入口24位于出口26下方，并且入口24处于外壳22的最下游部分处，出口26位于外壳22的最上游部分处。外壳22可具有多种不同的形状。在一实施例中，外壳22可以为大体矩形形状。外壳可以类似压力容器成形以最大化在外壳22上抽出的真空量，而与此同时最小化在外壳22内必须设计的材料强度量(即，壁厚或材料选择)。如果吸附材料的尺寸小到足以可能通过入口24或出口26，则在入口24和出口26处提供过滤器以将吸附材料保持在外壳22内。

继续参照图1，详细描述阀30的细节。阀30插置在从吸附床20的出口26延伸并且延伸到缓冲罐40的管路32上。该管路32优选大致为刚性，尤其是在阀30和吸附床20之间的部分为刚性，使得当在吸附床20上抽真空时，管路32也不会塌陷。优选地将阀30密封，以在阀30处于关闭位置时防止发生任何形式的泄漏而仅在阀30处于打开位置时允许气体沿管路32通过。

阀30优选地联接到控制阀30打开和关闭的控制器60。可选地，阀30可具有内置在阀30内的控制器，该控制器可进行单次设定然后根据其设定运转。

尽管阀30通常编程一次然后根据该设定运转，可选地也可至少部分通过控制系统控制阀30，所述控制系统包括传感器和给阀30的反馈。例如，氧传感器能够提供在阀30附近或沿在阀30和吸附床20之间的管路32提供，以检测正接近阀30的氧气浓度水平。邻近阀30的氮气将指示吸附床30内的吸附材料氮气饱和并且指示氧气分离机10需要改变运转模式，以使得鼓风机50(或其它泵)反转以抽真空并且从吸附材料脱附氮气并将氮气抽出吸附床20以再装填系统。

通常，使用压力传感器实现周期控制，该压力传感器使鼓风机反转适当次数。通常，在真空达到某一预定水平时开始吹洗周期。然后，阀30被打开预定时间，以允许氧气的吹洗层能够从床吹洗剩余的氮气。这样，压力和真空周期由压力确定并且为周期的吹洗部分定时。

其它传感器也可能用于允许氧气分离机10最有效地运转。阀30的类型优选以最小量的润滑剂运转或者能够使用与氧气处理相容的润滑剂运转。阀30和氧气分离机10的其它部分也优选地由与氧气处理相容的材料形成。例如，黄铜通常对于氧气处理有效，这样当系统10用于氧气分离时，黄铜是可适当制造阀30的一种材料。

继续参考图1，描述缓冲罐40的细节。缓冲罐40对系统运转不是严格需要的，但其允许呈氧气分离机10形式的系统大致连续输送氧气并且能够缓和系统中的压力峰值。在图1中，缓冲罐40包括具有输入口44和输出口46的外壳42。然而，缓冲罐通常不具有分开的入口和出口。因为其目的为仅仅作为聚集装置并且最小化变压吸附过程中固有的压力波动。输入口44在阀30的吸附床20下游一侧上联接到管路32。

缓冲罐40在输出口46上通常具有某种形式的调节阀，所述调节阀在缓冲罐40下游的用氧系统需要氧气时从缓冲罐40输送出氧。缓冲罐40的输入口44能够保持与阀30流体连通。当吸附床20主动吸附氮气并且氧流入缓冲罐40时，缓冲罐40可以容纳压力高于大气压力并与吸附床20的运转压力匹配或稍低的氧。

传感器能够与缓冲罐40相关联，当缓冲罐40接近充满条件时，所述传感器与控制器60协作以关闭氧气分离机10。在许多应用中，压缩器位于缓冲罐40的下游以填充氧容器。当该容器充满时，系统将被关闭。如果需要，也可以在缓冲罐40的输出口46上提供压力调节器，使得从缓冲罐40供应的氧的压力保持基本不变。类似地，如果需要以高于缓冲罐40内的压力的升高压力供应氧，则可在缓冲罐40的下游处提供氧泵。

最优选地，缓冲罐40不是特别高压力的罐，使得包括鼓风机50(或其它泵)和吸附床20的氧气分离机10在向缓冲罐40输送氧时不需要以特别高的压力运转。通过使缓冲罐40的压力最小化，能够大幅减轻缓冲罐40(和系统10的其它部件)的重量。而且，由于鼓风机上的压降减小，因此由鼓风机耗用的功率也得以减少。

继续参照图1，描述鼓风机50(或其它泵))的细节。该鼓风机50通常包括壳体52，所述壳体52中具有某种形式的联接到驱动器(如电动机)的原动机。在优选实施例中，鼓风机50的壳体52包括直接进入周围环境的入口54。在壳体52上还提供排放口56，该排放口位于鼓风机50的最靠近吸附床20的一侧上。

鼓风机50的形式优选是以直接驱动方式联接到电动机的两叶或三叶旋转鼓风机。在一实施例中，电动机是5马力的三相电动机，旋转鼓风机是两叶或三叶鼓风机而且在大气压力下运转时每分钟可输送大约100立方英尺。该旋转鼓风机还优选地构造成在吸附床20上抽真空时具有可接受的性能。

旋转鼓风机的叶片优选构造成使得它们在气体沿着任一方向在入口54和排放口56之间移动通过鼓风机50时具有大约相似的效率。在一种形式中，这些叶片形式对称，使得它们沿着鼓风机50的两个旋转方向类似地作用于空气。

鼓风机50优选地基本为正排量类型，使其在吸附床20上抽真空时保持适当的性能，以致当鼓风机50沿着反转方向运转时能够从吸附床20中的吸附材料有效地脱附氮气，以从吸附床20抽出氮气并且从入口54输出氮气。

最优选地，鼓风机50以直接驱动方式(或通过变速箱)联接到电动机。最优选地，电动机是三相交流电动机，该电动机能够通过使三相中的两相反向而轻易地反转。以这种方式，控制器60仅需要使三相电动机的两极反向。在另一实施例中，可以使用直流永磁体，其中，能够通过使得极性反向而让旋转方向反向，这继而将使鼓风机的旋转反向。几乎所有三相电动机均能够如上所述反转。通过改变极性而使旋转方向反向的直流电动机也易于从许多制造商获得。

其它类型的泵也可以替代地用于将空气抽入用于氧气分离机10的吸附床20中以及将氮气从吸附床20抽出来。例如，该泵可以是正排量泵，如活塞泵或蠕动泵。还能够使用其它形式的正排量泵，包括摆线泵、齿轮泵等。还可以选择非严格意义上的正排量泵的其它形式的泵，如离心泵或轴流泵。用于将空气泵入系统以及从床排气的最有效方案取决于最终用户的需求。

继续参考图1，详细描述根据优选实施例的控制器60的细节。控制器60示出为单独单元，通过鼓风机信号线62联接到鼓风机50(或其它泵)并且通过阀信号线64联接到阀30。实际上，控制器60可集成在阀30内或集成在鼓风机50(或其它泵)内或设置为独立单元，如图1中所示。还应当理解的是，控制器60能够分成两个(或更多个)单独的装置，与鼓风机50和阀30分离或集成在鼓风机50和阀30内。

控制器60提供控制鼓风机50的运转方向并且控制阀30是打开还是关闭的基本功能。已经使用简单地对周期进行定时的控制系统。通常，控制器构造成对压力或一些其它输入作出反应。

在下文详细描述了鼓风机50的方向控制以及阀30的打开和关闭的优选顺序。控制器60可以是可编程逻辑装置的形式，或可以是专用集成电路的形式，或可以是专用计算机或通用个人计算机或其它计算装置的CPU的形式。控制器60能够构造成在中央控制位置(如制造期间)设定运转参数，或能够被构造成允许在运转之前和/或期间现场编程。

在使用和运转中，具体参照图1，描述现有技术的氧气分离机10的运转的细节。应当理解的是，当不同于从空气分离氧而分离其它气体时，分离机10将类似地运转，并且作为氧气分离机10的运转仅作为一个示例提供。

初始，系统10配置成阀30关闭并且致使鼓风机50(或其它泵)沿着将气体驱出吸附床20(沿箭头E)的方向旋转。这是用于从吸附床20中的珠脱附氮气的真空周期。具体地，鼓风机50旋转以使气体抽入入口54中(沿箭头E)。由鼓风机50从床20去除气体并且致使气体沿箭头F远离吸附床20通过排放口54而进入周围大气。

氮气(或其它不想要的气体)由吸附床20内的吸附材料吸附。通常，该吸附材料还吸附水蒸汽和二氧化碳以及可能吸附微量的其它气体，包括污染物。

在真空周期的最后部分期间，阀30被打开以使缓冲罐的少量内含物被引入吸附床中。该步骤称为“吹洗阶段”。吹洗阶段用于将氮气(以及一些二氧化碳和水)吹洗出阀30和鼓风机50之间的管道线路和空间，但并非明显吹洗入周围大气。该短吹洗阶段通常定时为与通过实验计算或确定的量匹配，但也能够基于传感器读数结束。该吹洗阶段结束真空周期并且先于后面的吸附周期。

随后，鼓风机反转以开始吸附周期。空气在鼓风机50的入口54处抽入鼓风机(沿着箭头A表示的方向)。空气(沿箭头B)流入吸附床20中，在吸附床20中氮气、二氧化碳和水被优先吸附。在吸附床中未被吸附的气体(通常为氧气和氩气的混合物)通过阀30进入缓冲罐40中。

吸附床20也可能一定程度上吸附氧气。然而，选择吸附材料使得其较之氧气优先吸附更多的氮气。由于在吸附床20内存在吸附材料，基本上只有氧气(或其它所需的气体)能够通过出口26离开吸附床20。通常，氩气也与氧气保持在一起。由于空气为大约1％的氩气和大约20％的氧气，该20∶1的比例通常导致从吸附床20的出口26排出的气体是大约95％的氧气和5％的氩气。

由于阀30打开，氧气能够(沿箭头C)流动通过阀30并且流入缓冲罐40中。因此，氧气填充缓冲罐40。如果需要氧气，能够从缓冲罐40的输出口46排出氧气(沿着箭头D)。吸附床20内的吸附材料最终变得氮气以及其它化合物(如水蒸汽和二氧化碳)饱和。该饱和点能够提前计算并且校准在分离机10内。替代地，能够例如沿邻近阀30的管路32提供传感器，以感测基本上应仅为氧气和氩气中的氮气或其它污染物。该传感器可使系统检测吸附床20内的吸附材料的该饱和并且因此将氧气分离机10的运转模式从吸附周期改变为真空周期。触发该改变的其它传感器可以是单独的或与时钟或校准表结合的压力传感器或体积流量传感器。目标是在吸附床20饱和之后防止氮气或其它污染物通过阀30。

当已感测到正在发生饱和或预计将发生饱和时，通过关闭阀30，分离机10改变运转模式。然后，鼓风机50(或其它泵)反转其运转方向。例如，控制器60能够使联接到鼓风机的三相电动机的三相中的两相反向。随后，致使鼓风机50沿着相反方向旋转，并且开始(沿箭头E)将气体从排放口56抽出吸附床20并且抽入鼓风机50中然后通过入口54离开鼓风机50进入周围环境，作为如上所述的真空周期的重复。

控制器60能够用从吸附床20内的吸附材料有效脱附氮气所需要的典型时间量编程。通常，控制器60感测吸附床20中的阈值低压。然后，系统如上所述继续运转较短的吹洗阶段，接着返回到脱附周期。

氧气分离机10的这种运转顺序可能能够无限重复。当缓冲罐40充满(或由缓冲罐40填充的容器充满)时，与缓冲罐40相关联的适当传感器能够表明缓冲罐40已满并关闭氧气分离机10。当例如由于缓冲罐40中的压力下降而感测到需要附加氧气量时，能够将信号发送给控制器60以再一次使得系统开始运转。

利用本发明，修改的空气分离单元110通过本发明的空气分离单元110和下文更加详细描述的驱动系统210实施现有技术的单床反向鼓风机(SBRB)真空变压吸附(VSA)氧气分离机10的修改方案。SBRB VSA空气分离单元(ASU)110在该示例性ASU 110中修改成包括吹洗恢复罐160。ASU 110的多个其它部分均与如在图1中示出的现有技术的SBRB VSA技术类似。

本质上，具体参照图2，描述根据优选实施例的ASU 110的基础细节，其中，ASU 110通常也包括如上所述的氧气分离机10的多个细节。单吸附器容器120由进风口130供气，所述进风口130将空气供应到容器120。在容器120的下游，氧气供应管路125通向氧气处理罐140，所述氧气处理罐140可选地设置成在设备利用过量氧气和/或过量氧气用于氧气处理罐140下游的处理之前容纳该过量氧气。反向鼓风机150插置在吸附器容器120和进风口130之间。吹洗恢复罐160优选地通过控制阀165联接到容器120下游的氧气供应管路125，控制阀165控制是打开还是关闭吹洗恢复罐160。压缩机170优选地设置在氧气处理罐下游处，能够控制从ASU 110供应的氧气的压力。

更加具体地并且继续参照图2，描述ASU 110的具体细节。单吸附器容器120在入口122和出口124之间延伸，入口122限定了容器120的最接近进风口130的一侧而出口124位于容器120的与入口122相对的一侧上。该容器120能够具有多种构造中的任意一种。尽管该容器120被描述为单吸附器容器120，但是可以设想的是能够设置位于单吸附器容器120上游和下游的歧管，使得能够并行提供多个容器120，但是所述多个容器120一致地运转，使得ASU 110仍然作为单床反向鼓风机(SBRB)系统但是具有仅用于调节容器120的尺寸的可选的附加容器120。

容器120容纳吸附材料，所述吸附材料较之氧气优先吸附氮气。该材料通常以珠或其它固体介质的形式提供，这允许气体在其从入口122延伸到出口124时在固定介质周围流动并且经过吸附材料的表面。吸附材料的表面将氮气吸附在其上，允许氧气通过容器120。一般地，容器120内的材料还吸附水蒸气和各种其它气体，而通常空气内的氩气不会被吸附而是跟随氧气一起离开容器120。容器120包括容器壁，所述容器壁足够坚固，使得其能够在承受范围从下端处的接近真空至高端处的大约大气压力(但是可能略微高于大气压力)的压力时保持其容积。

最简单形式的进风口130只包括开口，所述开口通向周围大气，用于将空气吸入到ASU 110中。在示出的实施例中，进风口130能够包括某种形式的过滤器元件(例如颗粒过滤器)，并且包括与吹洗口134间隔开的空气口132。进风口130内的阀致使在鼓风机150将空气抽吸到容器120中时通过空气口132吸入空气，而吹洗口134在鼓风机150反转并且从容器120抽出气体时排放气体(主要包括氮气)。吹洗口134优选地与空气口132间隔开，以最小化氮气废气自行返回到空气口132中的可能性。在需要时，吹洗口134能够通向其它设备，例如氮气回收设备。

容器120下游的区域共同被总称为氧气输出部，因为大部分是氧气的气体保持在ASU 110的这些部分中。在制造氧气时使用氧气的系统中、或者在超过由ASU 110下游设备使用数量的过量氧气仅仅能够排放到大气的系统中、或者在ASU 110自身下游设备包括适当容积(例如，呈罐或者其它设备的形式)使得不需要氧气处理罐140的系统中，能够消除氧气处理罐140。然而，通常，设置氧气处理罐140，以在反向鼓风机150将空气驱动进入到容器120中并且ASU 110正在制氧时保持所生产的过量氧气，使得当鼓风机150反转并且容器120处于恢复模式而且从其排放氮气时，能够从氧气处理罐140继续供应氧气，以供应下游用氧设备(图4)。

最优选地，产品止回阀145设置在氧气处理罐140的上游。该止回阀145用于将增压氧气保持在氧气处理罐140内并且防止氧气回流向容器120。该种产品止回阀145还提供了氧气供应管路125内的一种阀形式，反向鼓风机150对氧气供应管路125起作用，使得能够在容器120上抽至少部分真空，而气体不会从氧气供应管路125显著泄露到容器120中。需要这种真空以通过致使材料释放氮气来恢复容器120内的材料，并且回到准备好再次优先吸附氮气并将氧气供应到氧气处理罐140的状态。氧气处理罐140包括与出口144相对的入口142，其中，入口142位于产品止回阀145附近，出口144进一步通向ASU110下游的利用氧气的设备。

反向鼓风机150在反向鼓风机150的最靠近进风口130的一侧上包括入口152，而在反向鼓风机150的与入口152相对的一侧上包括出口154。该反向鼓风机150优选地是正排量泵，最为典型地是旋转叶片类型，所述旋转叶片类型能够有效地吹送空气通过容器120以制氧，而且还有效地在反向时在容器120上抽真空。联接到反向鼓风机150的旋转叶片原动机的电动机最优选地是这样一类电动机，所述电动机例如通过使得与电动机相关的电场极性颠倒而易于反向，或者联接到反向鼓风机150的旋转叶片原动机的电动机是某种其它类型的电动机，易于反转其运转方向，在与反向鼓风机150相关的设备上产生最小应力。通常，控制器联接到反向鼓风机150，所述控制器在适当时间将信号发送到反向鼓风机150，以使其从将空气吸入到容器120中反转成从容器120中抽出气体。

吹洗恢复罐160优选地在其中设置有联接到氧气供应管路125的开口，所述开口优选地位于容器120的出口124和产品止回阀145之间的接合部162处。作为替代方案，吹洗恢复罐150通常能够直接联接到吸附器容器120的位于容器120的与入口122相对的一侧上的部分处。

控制阀165插置在罐160和氧气供应管路125之间。替代地，该控制阀167能够插置在罐160和容器120之间。在任意一种构造中，控制阀165、167从关闭状态和打开状态转变，在所述关闭状态中，吹洗恢复罐160与氧气供应管路125和吸附器容器120隔离开，在所述打开状态中，吹洗恢复罐160通向氧气供应管路125和/或吸附器容器120。控制阀165、167通常联接到伺服电动机，使其为伺服阀(SV)的形式。

控制阀165联接到控制器，所述控制阀165能够联接到与反向鼓风机150相关联的控制器或者与所述控制器相同，使得以与反向鼓风机150反向同步的方式打开和关闭吹洗恢复罐160。在需要时，这种控制器或者控制器组还能够联接到例如氮气传感器的传感器，所述传感器能够检测容器120下游的微量氮气并且指示容器120内的材料接近饱和以及需要通过使得反向鼓风机150反转进入到恢复阶段并通过在容器120内抽吸真空而从容器120中抽出氮气。控制器能够可选地包括时钟并且在已经经历设定时间之后使得鼓风机反转(并且打开/关闭阀165、167)。

压缩机170可选地设置在氧气供应管路125下游和任何氧气处理罐140的下游。优选地，压缩机止回阀175设置在压缩机170上游。压缩机170允许控制从ASU 110供应氧气所需的压力。压缩机止回阀175辅助防止压缩机170下游的氧气倒退返回到ASU 110中。

具体地参照图3至图5，描述ASU 110的一般操作步骤。图3示出了ASU 110的供给步骤。在这个步骤中，反向鼓风机150沿着箭头G通过空气口132从进风口130抽吸空气。鼓风机150沿着箭头H将空气驱动进入到容器120中。空气通过容器120(沿着箭头I)，在所述容器120中，选择性吸附氮气。大部分为氧气的气体流出容器120(沿着箭头J)并且在氧气供应管路125内流动。吹洗恢复罐160的控制阀165在供给步骤的开始阶段期间关闭，使得氧气继续流动越过接合部162并且通过氧气供应管路125(沿着箭头K)。随后氧气通过产品止回阀145进入到氧气处理罐140中(沿着箭头L)。此外，氧气能够流经压缩机止回阀175并且通过压缩机170，以从ASU 110排放(沿着箭头M)。

只要容器120内的材料具有吸附氮气的过剩能力，这种供给步骤(如图3所示)便继续。当容器120内的该吸附材料变得氮气饱和时，ASU 110需要准备重新装填容器120内的吸附材料。为了检测需要重新装填/复原容器120内的材料，ASU 110能够跟随定时电路或者跟随测量气体流量的气体流量阀，或者能够包括位于容器120下游的氮气传感器或者其它传感器，所述氮气传感器或者其它传感器指示容器120下游的气体表示需要重新装填/重新调理容器120内的材料。

能够以几种略微不同但是密切相关的方式准备容器120内的材料恢复。在一实施例中，这种准备开始于打开控制阀165(或者阀167)。压力恢复罐160的内部优选地具有低于大气压力的压力，使得大部分为氧气的气体(但是可能存在一些氮气)通过控制阀165快速流入到吹洗恢复罐160中。

当吹洗恢复罐160充满或者当吹洗恢复罐160实现大到足以满足针对容器120实施吹洗恢复的目的的填充水平时，控制阀165关闭。吹洗恢复罐160因此容纳并且保持作为吹洗装填物的大部分为氧气的装填物(但是通常存在一些氮气和其它污染物)，所述吹洗装填物能够接近大气压力，或者可以设想在容器120的下游的压力高于大气压力的情况中所述吹洗装填物高于大气压力。

命令反向鼓风机150反向，使得空气不再被驱动进入到容器120中，而且鼓风机150反转并且开始通过反向鼓风机150从容器120抽出气体并且气体返回到进风口130。反向鼓风机150开始反转的精确时刻能够处于与吹洗恢复罐160相关的控制阀165关闭之前或者能够与控制阀165关闭同时或者能够在控制阀165关闭之后稍过一会。反向鼓风机150通常需要一些时间停止正向移动然后开始反向移动。这种减速至零速度并反向加速还限定了一时间段，所述时间段能够是控制阀165关闭或者紧邻控制阀165关闭之前或者之后的时间段。

随后，反向鼓风机150沿着反向方向运转，在吸附器容器120和氧气供应管路125的位于吸附器容器120和产品止回阀145或者氧气供应管路125上的阻止氧气供应管路125内的真空抽吸的其它阀之间的部分上抽真空。因此压力在氧气供应管路125和吸附器容器120内减小。气体沿着图5的箭头R流经容器120。因为吸附器容器内的压力减小，所以降低了容器120内的材料保持氮气的能力。因此从吸附材料释放氮气并且该氮气沿着箭头S(图5)流经反向鼓风机150并且流出进风口130的吹洗口134(沿着图5的箭头T)。在足够时间之后并且在容器120内实现足够低的压力以令人满意地允许容器120内的材料恢复之后，ASU 110随后准备使得反向鼓风机150再次反向并且使得ASU 110回到供给模式(图3)。这种准备通常初始涉及到打开与吹洗恢复罐160相关的控制阀165(或者阀167)。因此通过控制阀165释放已经存储在其中的主要为氧气的气体(其中具有一些氮气)并且该气体进入到氧气供应管路125(或者通过图2的阀167直接进入到容器120中)。

通过将主要为氧气的气体连同其它气体吹洗到低压容器120中，允许容器120内的压力快速恢复而且允许在其中包含一些氮气和其它污染物气体的少量吹洗气体再次接触容器120内的吸附材料，以从其移除氮气和其它污染物。该吹洗流用箭头P以及箭头Q整体表示，以返回到吸附器容器120(图5)。

容器120因此已经完全准备好回到供给步骤。反向鼓风机150之后能够再次反转，以再次从进风口130(沿着箭头G)驱动气流(沿着图3中的箭头H)并且气流通过容器120(沿着箭头I)。能够正好在反向鼓风机150再次反转之前、与反向鼓风机150再次反转同时、或者在反向鼓风机150再次反转之后不久，使得控制阀165和吹洗恢复罐160关闭。

例如能够停留在毗邻吹洗恢复罐160的各种管路内的气体的容积和ASU 110是否对于氧气纯度、能量效率或者生产率最优的各种因素能够是精确判定控制阀165(或者167)应当回到其关闭状态的时刻所考虑的。在判定初始打开控制阀165的时刻以及初始关闭控制阀165的时刻时能够发生类似的优化。控制阀165再次关闭，使其保持其中的真空，以便使得在ASU 110实施的周期的下一个循环中再次利用吹洗恢复罐160时吹洗恢复罐160最为有效。

继续参照图5，在优选实施例中公开负荷跟踪系统210的细节，负荷跟踪系统210允许空气分离单元110或者类似的基于吸附的空气分离单元(例如，图1的系统10)被控制成即使在氧气需求变化时也保持有效和可靠的操作，例如以便促进50％、75％或者更大的调节比。负荷跟踪系统210包括控制器220，所述控制器220联接到位于由单吸附器容器120示出的吸附床下游的氧气存储区域中的至少一个压力传感器230。最优选地，第二压力传感器240也设置在氧气存储区域内的更下游和吸附器容器120的下游。

该氧气存储区域270一般能够认为包括吸附器容器120下游的氧气流动管路、任何吹洗恢复罐160、氧气处理罐140或者其它缓冲罐、压缩机170和位于它们之间以及其下游的各种氧气处理管路。第二压力传感器240优选地位于压缩机170下游并且沿着产品管路244，氧气通过所述产品管路244从空气分离单元110排放。

第一压力传感器230包括数据路径232，所述数据路径232将压力传感器数据供给到控制器220。第二压力传感器240包括数据路径242，所述数据路径242将第二压力传感器数据从第二压力传感器240供应到控制器220。控制器220输出控制信号，所述控制信号包括鼓风机控制信号250和压缩机控制信号260。尽管在本发明的最简单形式中位于氧气存储部中的某些部位的单个压力传感器能够供给到控制器220并且能够利用单控制信号(例如鼓风机控制信号250)，但是最优选地，控制器220接收位于吸附器容器120下游的氧气存储部270内的两个分离位置处的至少两个压力传感器信号，并且供应两个分离控制信号250、260，以控制反向鼓风机空气分离单元(例如SBRB VSA空气分离单元110)内的流量。

特别参照图6，连同由控制器220响应产生的功率级控制信号示出了在两个传感器230、240位置处的感测压力的示例性细节。图6是功耗和感测压力与时间的曲线图。功耗实际上是由反向鼓风机消耗的功率和由压缩机170消耗的功率。尽管这些元件具有显著不同的功耗，但是功耗示出为“使用的功率”和“全功率”的比。因此，功耗值看起来彼此类似。作为示例，反向鼓风机可具有十千瓦的全功耗率。当以七千瓦为鼓风机供电时，将在图6的曲线图中示出0.7的值。在同一曲线图上，如果压缩机具有一千瓦的全功率比并且当前以七百瓦运转，则在图6的曲线图中也会显示0.7的功耗。

类似地，在同一曲线图上绘出的压力数据不是按照真实的测量压力绘出的，而是相对于针对在第一和第二位置处感测的典型压力的“压力目标”(也称作设定值)绘出的。该设定值不是最大可允许压力，而是最优压力或者某个其它任意压力值，其中，系统能够操纵高于压力目标的压力或者低于压力目标的压力。在一个实施例中，能够替代地利用压力的可接受范围，其中，设定值是这个范围中的中点或者这个范围内的某个其它点。而且，第一和第二压力通常彼此不同(尽管它们能够类似)，但是相对于它们的设定值规范化。例如，如果第一压力设定值是10psig并且感测压力是7.5psig，则能够在图6的曲线图上绘制低25％的值。对应地，如果第二位置处的压力设定值为5psig并且感测的真实压力是3.75psig，则针对第二位置绘制的压力也将是“低25％”。

对图6的曲线图的研究表明在特定情况中在第一位置和第二位置处感测到的压力可能如何稍微变化。在此示出的压力值是处理罐140(或者其它缓冲罐)处的压力和在输出/供应部(例如产品管路244)处的压力。影响这些位置处的压力的因素包括氧气需求。因为输出/供应部压力最接近氧气负荷源，所以输出/供应部压力可能最容易受到氧气需求的影响。影响输出/供应部处的压力的其它因素包括从压缩机输送的氧气的当前流量、在某种程度上来说是SBRB VSA空气分离单元110当前是以供给模式还是恢复模式运转、以及处理罐140的充满度。在第二位置处处理罐140中的压力某种程度受到氧气需求的影响，但是因为其更接近吸收器容器120和反向鼓风机150，所以该压力对空气分离单元110当前是处于供给模式、恢复模式、吹洗模式还是处于它们之间的过渡状态更敏感。

为了保持可靠运转，响应处理罐压力作用的鼓风机功率控制信号和响应输出/供应部压力操作的压缩机功率控制信号是具有不同时间间隔的两个单独控制环路。该时间间隔是当控制环路向鼓风机或者压缩机发送新信号以改变功耗的时刻之间所经历的时间。在图6示出的示例中，压缩机功率控制具有大约一秒的时间常数，而鼓风机功率控制信号具有大约一分钟的时间常数。在图6的曲线图中，鼓风机功率级因此每分钟进行调节，除此之外保持相对恒定的功耗。相反，压缩机功率似乎连续变化，因为其大约每秒钟变化一次。

当时间常数指的是大约一秒或者大约一分钟时，可以设想的是该近似值可能是这些值的5倍或者五分之一。例如，对于大约一秒的时间常数，设想介于0.2秒和5秒之间的范围。对于大约1分钟的时间常数，设想介于0.2分钟和5分钟之间的范围。

通过保持这些时间常数彼此不同，提供了多种益处。首先，反向鼓风机150对感测需求的过度反应能够导致VSA ASU 110过度反应并且太迅速地减缓分离处理并且导致损失氧气纯度。如果时间常数太慢，则需求快速下降的可能性能够导致需要在负荷跟踪系统210能够有效响应之前从过压口释放氧气需求并且减小了生产率。而且，通过保持时间常数类似，鼓风机具有遵循压缩机而非遵循真实需求的倾向。因此增加了控制系统内失稳的可能性。这种失稳能够要求功耗发生多次不必要的变化，或者对于控制系统而言完全失效并且回落到超驰关闭电路或者其它电路，这可能使得ASU 110脱线。

最优选地，驱动压缩机170和鼓风机150的电动机是变频驱动装置。易于调节这种驱动电动机的功耗并且还易于调节对应流量，而同时能够保持效率。因为鼓风机150和压缩机170均优选地为正排量流动感应装置，所以变频驱动电动机能够仅仅修改它们的输出轴转速，并且对应地修改流量，而同时在很大程度上保持效率。例如，流量减小50％伴随着小于50％的抽拉功率。因此，即使在需要50％或者75％或者更大的调节比以满足需求变化时也能够保持有效操作。图7示出了功耗与制氧的曲线图，并且示出了如何与对应功耗减小密切相关地发生氧气减产，从而保持效率。

在多种氧气供应设施中，需要使得氧气供应与预期需求匹配。而且，利用标准单元而非将大量不同尺寸的单元分组在一起是有益处的。在某些情况中这能够导致次优设施。例如，如果工厂需要每天60吨(TPD)的氧气，并且提供了SBRB VSA空气分离单元，每个单元供应40TPD，那么将需要提供两个空气分离单元。然而，系统能够比通常需求制造的多。尽管能够使得单元中的一个在部分时间内运转，或者将单元构造成使得它们共享工作周期并且交替关闭，但是有益的是单元能够跟踪负荷并且在仍然保持效率的同时具有调节比。因此，利用本发明，能够用两个40TPD单元满足60TPD需求，其中一个单元全力运转而另一个单元以50％的调节比运转。当需求向上以及向下波动时，能够跟随负荷类似地向上和向下调节该调节比。作为替代方案，单元中的每一个均能够类似地构造成具有高调节比，而同时保持效率，使得它们能够在经受正常需求时均以大约75％的生产力运转并且能够利用在此公开的发明一起或者交替发挥作用，以满足需求变化。

提供本公开是为了展现本发明的优选实施例以及实施本发明的最佳方式。因此，尽管已按这种方式描述本发明，但很显然在不背离本公开范围和精神的前提下可对优选实施例进行多种不同的修改。当结构被认定为执行功能的方式时，这种认定旨在包括能够实施所指定功能的所有结构。

工业实用性

本发明展现的工业实用性在于其提供了基于单床反向鼓风机(SBRB)真空变压吸附(VSA)或者其它吸附的空气分离单元，所述空气分离单元能够通过有效地使得氧气需求与空气分离单元内的流量匹配而满足很大范围的需求。

本发明的另一个目的是提供一种单床反向鼓风机空气分离单元，其即使在氧气需求大范围变化时也保持有效操作。

本发明的另一个目的是提供一种SBRB VSA空气分离单元，其能够以可变的流量保持连续运转并且避免过度启动和关闭周期，同时满足可变的氧气需求。

本发明的另一个目的是提供一种空气分离单元，所述空气分离单元按照以高调节比跟踪空气分离单元上的负荷而同时保持有效制氧操作的方式运转。

本发明的另一个目的是提供一种控制基于吸附的空气分离单元内的设备的流量以有效响应氧气负荷变化的方法。

通过仔细阅读所包括的详细描述、回顾附图和所附权利要求，阐述本发明工业适用性的本发明的其它目的将变得显而易见。

Claims (5)

1.一种利用负荷感测和负荷跟踪的空气分离方法，其包括以下步骤：

感测单吸附床空气分离系统内的至少一个压力，所述单吸附床空气分离系统具有位于反向鼓风机上游的空气入口和位于所述吸附床下游的氧气储存部；

所述感测步骤检测在所述反向鼓风机下游的第一位置处的压力大小；

响应于所述感测步骤的压力而改变通过所述反向鼓风机的流量；和

在所述感测步骤的压力低于设定值时增加通过所述反向鼓风机的流量；

在所述感测步骤的压力高于所述设定值时减小通过所述反向鼓风机的流量；并且

包括进一步感测在所述第一位置下游的第二位置处的第二压力的步骤，

其中，压缩机位于所述吸附床下游的所述氧气储存部内，所述第二位置位于所述压缩机下游，

所述空气分离方法还包括响应于在所述第二位置处的第二压力而改变通过压缩机的流量的步骤，

其中，所述改变通过所述反向鼓风机的流量的步骤和所述改变通过所述压缩机的流量的步骤均发生多次，所述多次因经历至少一个时间间隔而分开，

其中，所述改变通过所述反向鼓风机的流量的步骤的时间间隔介于0.2分钟和5分钟之间，所述改变通过所述压缩机的流量的步骤的时间间隔介于0.2秒和5秒之间。

2.根据权利要求1所述的空气分离方法，其中，所述第一位置位于所述吸附床下游的缓冲罐处。

3.根据权利要求1所述的空气分离方法，其中，控制所述反向鼓风机的时间间隔比控制所述压缩机的时间间隔长。

4.根据权利要求3所述的空气分离方法，其中，控制所述反向鼓风机的时间间隔为大约每分钟，而控制所述压缩机的时间间隔为大约每秒。

5.根据权利要求1所述的空气分离方法，其中，所述改变通过所述反向鼓风机的流量的步骤和所述改变通过所述压缩机的流量的步骤包括以下步骤：利用分离的变频驱动装置驱动所述反向鼓风机和所述压缩机；和响应于在所述第一位置处的压力和在所述第二位置处的压力控制所述变频驱动装置的转速。

Images