CN107438474B - 用于通过包括四个吸附器的vpsa来生产氧气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于通过使用VPSA单元吸附大气空气流来生产氧气的方法，该VPSA单元包括四个吸附器、一个空气压缩机以及两个真空泵，每个吸附器经受具有阶段时间移动的单一压力循环，该方法包括以下步骤：a)生产具有氧气含量T1的第一气体流，同时在上游将该大气空气流装载到吸附器中；b)生产包含氧气含量T2<T1的第二气体流；c)生产包含氧气含量T3<T2<T1的第三气体流，同时地提取富含氮气的残余流；d)唯一地经由在步骤b)中生产的该第二气体流或在步骤c)中生产的该第三气体流洗脱该吸附器，在步骤a)、b)和c)中生产的这三种气体流取自该吸附器；e)连续地用具有增加的氧气含量的至少两个流，即第一和第二再加压流，对经受步骤d)的洗脱的该吸附器再加压，该第一再加压流是在步骤c)中生产的该第三气体流并且该第二再加压流是在步骤b)中生产的该第二气体流。
Description
本发明涉及一种用于通过采用包括4个吸附器的VPSA类型的单元吸附大气空气流来生产氧气的方法。
近几十年来通过PSA类型的单元从大气空气中生产氧气已经经受显著的发展。改进涉及吸附剂、技术和方法本身。
关于吸附剂，最有效的单元现在使用在同一个吸附器内的旨在停止空气和至少部分二氧化碳的湿度的第一层。它总体上将涉及有利于吸附CO2的活性氧化铝或掺杂的活性氧化铝。在特别污染空气的情况下，活性氧化铝的至少一部分可以被更耐受性的硅胶替换。
氮气的停止优选地在具有任选地用于停止残余CO2并且开始吸附氮气的X类型的沸石预层的LiLSX类型的沸石上进行。若干类型的LiLSX(例如或多或少与锂交换的并且根据在床内的氮气分压优化的)可以用于连续的层中。优选地，在生产阶段结束处用氮气饱和的区域中，具有高吸附能力的吸附剂将是有利的，然而，在传质区域中，具有高亨利常数的吸附剂将是有利的，同时考虑与这些选择相应的热效应。
直径(或在棒形式的吸附剂的情况下的等效直径)总体上是在0.5与2mm之间。所选择的尺寸是所涉及的循环的持续时间的函数并且是在动力学与压力降之间的折衷。
在此提出的方法是先验地基于使用上述吸附剂但是不限于它们的使用。
已经存在很多技术进展。它们已经涉及阀(这些阀现在是更快的、更可靠的、对于大气更不漏的，等等)，装置，空气压缩机和真空泵(专门地由制造商适配于氧气生产单元的操作参数，由变速电动机驱动)，更精确、更有效并且更快的仪器装备和控制系统。根据涉及的流速或当地经济条件使用不同类型的吸附器：具有竖直轴的圆柱形吸附器，其有时并联使用直到形成对于较高的流速可以范围是例如最高达8个类似的单元的组件(然后参考组或簇)；具有水平轴的圆柱形吸附器；径向吸附器。已经采用用于将吸附剂保持在适当位置并且防止磨损或流体化的若干系统(在陶瓷或钢珠、膜、气球、弹簧等的情况下超重)。还可能的是将通过加入惰性材料如相变材料(PCM)控制吸附床的热容量的热效应管理放入本领域中。在本发明的上下文中，可以应用非穷尽地给出的这些类型的发展，而其不能够被认为是在此处提供的内容上的改进。
最后的主要改进领域是方法本身。术语“方法”在此被理解为是指吸附器在其操作期间将遵循的步骤连接在一起和这些步骤中的每一个的特征：持续时间、传递的气体量、压力、温度等。
总体上，术语PSA表示用于采用压力的循环变化来纯化或分离气体的任何方法，吸附剂在被称为吸附压力的高压与被称为再生压力的低压之间经历该变化。因此，这种通用名称PSA被无差别地用于指示以下循环方法，还常见的是取决于所采用的压力水平或吸附器返回到其起始点所必要的时间(循环时间)给予其更多的特定名称：
-VSA方法，其中吸附实质上在大气压、优选地在0.95与1.25巴绝对值之间下进行，并且解吸压力小于大气压、典型地从50至400毫巴绝对值。
-MPSA或VPSA方法，其中吸附在大于大气压、典型地在1.5与6巴绝对值之间的高压下进行，并且解吸在低于大气压、总体上在200与600毫巴绝对值的低压下进行。
-确切的说PSA方法，其中高压实质上大于大气压、典型地在3与50巴绝对值之间，并且低压实质上等于或大于大气压，总体上在1与9巴绝对值之间。
-RPSA(快速的PSA)方法，其中压力循环的持续时间典型地小于一分钟。
-URPSA(超快速的PSA)方法，其中压力循环的持续时间是最多约几秒钟。
应注意，这些不同的名称不是标准化的并且根据作者，限制经受变化。
在前述定义的情况下，本发明涉及VSA方法和VPSA方法两者。当前，由于所使用的循环时间，本发明还涉及RPSA方法并且可能地在将来涉及URPSA方法。为了简化文本，我们将从现在开始将我们自己限制于术语VPSA以便涵盖本发明的应用领域，如刚刚已经被定义的。
无论什么类型的PSA，吸附器将开始吸附的周期，直到在高压下它被装入有待被停止的一种或多种成分并且然后通过减压和提取吸附的化合物将被再生(在被恢复、实际上被再加压之前)，以便再次开始新的吸附周期。然后吸附器已经进行“压力循环”并且PSA方法的特有原则是将这些循环相继地连接在一起；因此涉及循环方法。吸附剂返回到其初始状态所耗费的时间被称为循环时间。原则上，每个吸附器遵循具有时间偏移的同一个循环，该时间被称为阶段时间或更简单地阶段。以下关系因此存在：
阶段时间＝循环时间/吸附器的数目，并且看出来阶段的数目等于吸附器的数目。
存在包括仅仅单一吸附器的单元，然而单元例如像PSA H2单元常常包括从10至16个吸附器。
一个循环总体上包括以下时段：
-生产或吸附，在此期间将进料气体经由吸附器端之一引入，优先地吸附最可吸附的化合物并且经由第二端提取富含最不可吸附的化合物的气体(产物气体)。吸附可以在增加的压力下、在基本上恒压下、实际上甚至在稍微减少的压力下进行。
-减压，在此期间不再进料有进料气体的吸附器经由其端的至少一个排出存在于吸附剂和自由空间中的化合物的一部分。取在吸附时段中的流体的循环的方向作为参考，有可能限定并流减压、逆流减压或同时地并流和逆流减压。
-洗脱或吹扫，在此期间富含最不可吸附的成分的气体(吹扫气体)循环通过吸附床以便帮助最可吸附的化合物的解吸。吹扫总体上逆流地进行。
-再加压，在此期间在再次开始吸附时段之前至少部分地使吸附器再加压。再加压可以逆流和/或并流地用各种流(到单元的内部的进料、生产、流)进行。
-死时间，在此期间吸附器保持相同的状态。这些死时间可以形成循环的组成部分，使得可能在吸附器之间的步骤同步，或形成在指定的时间之前已经结束的步骤的一部分。根据循环的特征，阀可以闭合或保持在这个状态下。
减压和再加压可以以不同的方式进行，特别地当PSA单元包括多个吸附器(或容器)时。因此，这导致单独步骤被限定以便更精确地描述气体传递，这些气体传递在吸附器(或容器)之间并且在外部环境(低压废气、产物气体、进料回路)的情况下发生。
吸附器的数目相对独立于对于这些步骤所选择的连接在一起，也就是说独立于循环。如果所讨论的步骤是同时的，则若干吸附器的使用使得可能在第二吸附器中直接使用由第一吸附器所得的流。因此，这使得可能避免使用中间容器，以更好地利用压力梯度。这还可以使得可能优化装置的操作、使生产连续等。
如将看出的，至少迄今为止存在包括1、2、3或4个吸附器的VPSA单元。还可能的是通过以下方式使用并联的2个或更多个这种类型的单元：任选地联合使用一些设备项目(连接的空气过滤器、消声器、生产容器等)。
与许多方法相反，在氧气生产的情况下，起始材料，即大气空气，是游离的并且单元的能量消耗是在氧气生产的成本中的主要项目之一。由于这个原因，因为关于比能量的最少节约直接并且实质上影响生产成本，所有它在不变的资本支出下是有利的。
这通过大量的循环的存在反映在事实中，这些循环经常仅仅差别在于进入或离开的流的稍稍不同的管理或对所使用的吸附器的数目的稍稍不同的适配。
愈发有效的模拟程序的使用现在使得可能探索并且比较非常大量的变体，并且流速的逐渐增加(通过减少资本支出的相对成本)使得以合理的成本在流的管理上的更大复杂性成为可能的。
以相同的方式，与关于吸附剂的进展(本征动力学的增加)或与使用较小颗粒(与和吸附器(径向吸附器，例如，整体式吸附器等)相关的发展相关)的可能性相关的材料或热传递的动力学的改进使得可能缩短循环的持续时间以及因此吸附器的尺寸。
由于所有这些原因(游离的起始材料、减少的资本支出的影响)，能量消耗愈发地呈现主导地位。
由这开始，形成的问题是提供展示积极地高性能循环的改进的方法的问题。
本发明的解决方案是一种用于通过采用VPSA类型的单元吸附大气空气流来生产氧气的方法，该VPSA类型的单元包括4个吸附器、1个空气压缩机以及2个真空泵，其中每个吸附器遵循同一个具有阶段时间的偏移的压力循环，该方法包括以下步骤：
a)生产包含氧气含量C1的第一气体流，同时在上游将该大气空气流装入该吸附器，
b)生产包含氧气含量C2<C1的第二气体流，
c)生产包含氧气含量C3<C2<C1的第三气体流，同时提取富含氮气的废流，
d)唯一地借助于在步骤b)中生产的该第二气体流或在步骤c)中生产的该第三气体流洗脱该吸附器，在步骤a)、b)和c)中生产的这三种气体流已经从该吸附器出来，
e)依次用具有增加的氧气含量的至少两个流，即第一和第二再加压流，对已经经受步骤d)的洗脱的该吸附器再加压，该第一再加压流是在步骤c)中生产的该第三气体流并且该第二再加压流是在步骤b)中生产的该第二气体流。
视情况而定，根据本发明的方法可展示出以下特征中的一个或多个：
-在步骤b)中该第二气体流的生产通过并流减压进行，
-在步骤b)中该第二气体流的生产在两个步骤中进行：第一步骤，在该第一步骤期间该生产通过并流减压进行，以及第二步骤，在该第二步骤期间该生产通过与逆流减压组合的并流减压进行。
-该逆流减压借助于阀进行，
-该再加压步骤e)依次用具有增加的氧气含量的3个流，即第一、第二和第三再加压流进行，该第一再加压流是在步骤c)中生产的该第三气体流，该第二再加压流是在步骤b)中生产的该第二气体流并且该第三再加压流是在步骤a)中生产的该第一气体流，
-在该再加压步骤e)中，对于这个步骤的至少一部分，用该第一再加压流进行的再加压与在该吸附器的进料侧上并流引入空气一起同时进行，
-在该再加压步骤e)中，对于这个步骤的至少一部分，用该第二再加压流进行的再加压与在该吸附器的进料侧上并流引入空气一起同时进行，
-在该再加压步骤e)中，对于这个步骤的至少一部分，用该第三再加压流进行的再加压与在该吸附器的进料侧上并流引入空气一起同时进行，
-在步骤a)结束时的压力是在1.75与1.25巴绝对值之间、优选地在1.55与1.45巴绝对值之间，在步骤b)结束时的压力是在1.5与1.0巴绝对值之间、优选地在1.30与1.20巴绝对值之间，在步骤c)结束时的压力是在1.0与0.7巴绝对值之间、优选地在0.90与0.80巴绝对值之间，并且该压力循环的低压是在0.25与0.45巴绝对值之间、优选地在0.40与0.30巴绝对值之间，
-所述单元的循环时间是小于60秒、优选地在15与45秒之间，
-至少一个真空泵、优选地离心真空泵包括一个或多个选自下组的并联和/或串联的级，该组由凸轮、叶片或液环特别是水环类型的正排量装置形成。
-该空气压缩机C-空气(C-air)连续地供给这4个吸附器之一，
-将在步骤a)中生产的该第一气体流至少部分地送到第一保持槽中，
-将在步骤b)中生产的该第二气体流至少部分地送到第二保持槽中。
在此提出的新循环对应于使用4个吸附器，因此这些吸附器将各自遵循这个循环，在它们之间有阶段时间(等于循环时间除以4)的时间偏移。
在此提出的解决方案比现有技术的解决方案更简单，因为它仅导致生产纯度减少的三个流并且关于在该循环中这些流的用途而不同。该洗脱完全用仅一个流进行，然而该再加压通过依次使用增加纯度的所生产流进行。
因此，在本发明的上下文中提出的循环的特征为序列i、i+1和i+2，在此期间，该单元产生3个连续的富含氧气并且纯度减少的流。步骤i对应于步骤a)并且因此对应于适当具有平均纯度C1的生产，这总体上对应于由客户要求的规格；通过举例，我们取93vol％的O2。在此步骤期间，该吸附器经由空气压缩单元(C-空气)进料有空气。
引用的步骤i+1对应于步骤b)并且因此对应于富含氧气但是具有低于前一步骤的平均纯度C2的第二流的生产；通过举例，我们取91vol％的O2。在该吸附器的另一端处在引入或不引入空气的情况下和/或不提取废物的情况下，可以生产这种级分。更确切地说，可以在空气侧上隔离该吸附器，并且通过并流减压生产该氧气级分，或者可以在仅这个步骤的一部分期间或贯穿该步骤的持续时间以标称或减少的流速引入空气。还可能的是通过逆流减压，在该步骤的所有或仅仅一部分期间同时抽出富含氮气的流。这些不同的可能性由如以下描述的两个空方格表示，其表征这个步骤i+1(步骤b))是以低于在步骤a)中氧气生产的平均纯度C1的平均纯度C2的氧气生产。
引用的步骤i+2对应于步骤c)并且因此对应于富含具有低于前一步骤的平均纯度C3的氧气的第三流的生产；我们取89vol％的O2。这个流是通过与旨在同时地从该吸附器中提取富含氮气的流的逆流减压同时的并流减压获得的。根据压力水平，此逆流减压可以经由阀和/或经由真空泵进行。实际上，它将总体上涉及至少在该步骤结束处的真空抽吸，并且为简单起见，已经采用表示[VP]来意指这些不同的可能性，对于“真空抽吸”采取VP，并且方括号的存在是指该真空抽吸步骤不是强制的。
在这些产生的不同氧气级分的循环中的管理的特征为将以下序列连接在一起：
步骤j对应于简单真空抽吸的步骤以便提取氮气。该吸附器的生产侧被隔离。
步骤j+1对应于用抽吸洗脱的步骤。与该抽吸同时地，在该生产侧上引入富含氧气的气体。氧气的存在有利于氮气的解吸。
步骤j+2、j+3和j+4是该吸附器的再加压步骤。
步骤j+1的洗脱唯一地用由对应于以上定义的步骤i+1的步骤b)所得的气体，或者唯一地用由对应于步骤i+2的步骤c)所得的气体进行。
该再加压就其本身而言通过具有增加的氧气纯度的流的连续步骤进行：是在步骤c)中生产的该第三气体流的第一再加压流、是在步骤b)中生产的该第二气体流的第二再加压流以及任选地是在步骤a)中生产的该第一气体流的第三再加压流。根据操作条件，为简单起见，该第三再加压的贡献可能是弱的并且可以被避免。在此通过方括号的存在正是这个意思：[C1]。
以总结的方式，存在表示PSA类型的单元的循环的若干方式。
在此将使用表方法，其中每个单独的步骤出现在一个方格中。该循环可以通过描述吸附器在循环期间进行的所有步骤来限定。优选地，不同吸附器同时遵循的不同阶段的描述是一个接一个地表示的。如果所希望的是详尽的，则每个吸附器的操作被一个接一个地描述。每个方格通过缩写标题(Prod、Eq、吹扫等)限定步骤。此表示是非常紧凑且非常实用的。然而，因为进入或离开的流具有若干用途，当这种方法变得难以简单地限定相应步骤时，它失去了清晰性。然而，这仍然是目前最广泛使用的方法。
在此已经使用呈表形式的中间方法，其中对于每个步骤，限定了该吸附器的进入和离开的流。此方法已经以有点不同的形式使用。因此，例如：
意味着该吸附器处于步骤1并且它接收作为进料的由压缩机(C-空气)所得的流，在本发明的上下文中，此流是大气空气。对应于该生产(Prod)的流在该吸附器的相反端处离开。
意味着步骤j是经由与该进料端连接的真空泵简单置于真空下的步骤，同时关闭该生产侧(X)。
两个顶部或底部方格是留空的，如果在该生产侧或进料侧上分别发生的是没有被正式限定或者此刻不被限定来令人满意地理解该循环，也就是说，例如，存在提取、注射气体或者隔离的端不是所讨论的步骤的特征并且所有情况、实际上甚至它们的组合，例如注射接着提取，是可能的。
与本发明相关的循环的家族然后可以由下表来表征，这些列留有空闲，意味着除了所描述的8个步骤之外，可能存在附加的步骤，例如对应于真空泵的变化、简单地用空气的最终再加压的那些步骤等：
根据优选的实施例，该洗脱唯一地用在步骤b)(i+1)中生产的该第二气体流进行。
然后特征步骤是：
应注意，在所采用的2个真空泵之间的区分不在这个水平下进行，该压力循环不是完整的。
根据一个实施例，根据步骤b)的富含氧气的第二气体流的生产通过简单的并流减压进行，对应于以下特征步骤：
根据另一个实施例，根据步骤b)的富含氧气的第二气体流的生产在两个子步骤中进行，首先通过简单的并流减压，并且然后仍然通过并流减压但是同时用逆流减压，优选地经由阀朝向大气。后一操作对应于与纯度Pur2的流的生产相关的以下特征子步骤k-a和k-b，这些子步骤替换上表中的步骤i+1。
根据另一个优选的实施例，在此步骤的全部或一部分期间用在步骤c)中生产的该第三气体流的吸附器的初始再加压与在该进料侧上的空气的并流引入同时进行。当该吸附器在真空下时，此空气的引入可以经由阀直接从大气进行。它可以是完全开放或者完全关闭的阀或其打开贯穿该步骤变化的阀。关于时间延迟或压力阈值，该打开可以仅仅在该步骤的过程中进行。此打开是待优化的参数之一。最有效的模拟软件使得可能确定待观察的趋势。现场调节可以使得可能改善打开特征。由于不强制穿过该真空泵并且由于此空气的注射有可能减少、实际上甚至为零，表示[ATM]已经被采用来表示这些操作可能性，因此代表性的步骤：
在此变体中，保留用具有各自纯度C2或C3的该第二或该第三气体流进行该洗脱的可能性，但优选地，借助于在步骤b)中生产的该第二气体流进行该洗脱。
根据另一个优选的实施例，用在步骤b)中生产的该第二气体流进行的吸附器进行的再加压与在此步骤的全部或一部分期间并且优选地贯穿整个步骤在该进料侧上的空气的并流引入同时进行。当该吸附器在真空下时，用空气的该再加压的大部分可以经由阀直接从大气进行。它可以是完全开放或者完全关闭的阀或其打开贯穿该步骤变化的阀。关于时间延迟或压力阈值，该打开可以仅仅在该步骤的过程中进行。此打开是待优化的参数之一。如以上所说的，优选地将空气贯穿此步骤引入，并且然后相应的表示如下：
在此变体中，保留用具有各自纯度C2或C3的该第二或该第三气体流进行该洗脱的可能性，但优选地，借助于在步骤b)中生产的该第二气体流进行该洗脱。
根据变体，用由氧气的生产所得的气体对该吸附器的任选的再加压与在该进料侧上的空气的并流引入同时进行。考虑到该压力循环，这种任选的再加压在约大气压或完全高于大气压进行。然后必要的是使用压缩器件(C-空气)以便将大气空气引入到该吸附器内。
根据优选的实施例，该循环附加地包括用在该进料侧上唯一地引入空气的该吸附器的最终再加压。然后此步骤在生产具有纯度C1的氧气的步骤a)之前。此步骤的持续时间由时间延迟或由压力阈值确定。当该吸附器至少在该步骤结束处在大于大气压的压力下时，通常将空气从该空气压缩机C-空气引入。此步骤在再加压步骤e)之后进行。
当在该循环的并非无关紧要的部分期间每个吸附器在真空下时，可以将在这些条件下用于使该吸附器再加压(至低于大气压的压力)的空气全部或部分地引入，而不穿过用于压缩大气空气的器件C-空气。然而，如果在此时间的一部分期间，此压缩机是可获得的，也就是说，不存在其他使用压缩空气的吸附器，一部分或全部空气可以穿过它，然后该装置不消耗能量(实际上甚至生产能量)。
基于前述特征，然后本发明涉及一种用于借助于VPSA类型的单元从大气空气生产氧气的方法，该VPSA类型的单元包括1个空气压缩机C-空气、2个真空泵VP1和VP2以及4个吸附器，这些吸附器各自遵循相同的具有阶段时间的时间偏移的循环，所述循环有可能以以下不同形式Cyc1至Cyc 6之一提供，所有形式是根据本发明的原理，区别仅在于存在或者不存在用由该生产本身所得的氧气进行的再加压、接着是或不是在该生产步骤之前用空气进行的再加压，并且在于该循环的从一个真空泵(VP1)到另一个(VP2)发生变化的点。
对于以下的所有循环，为了简单起见，已经任意选择每个阶段3个步骤，但是应注意，例如，对于第一循环Cyc 1，一方面步骤5和6，或者另一方面步骤8和9，可能被组合在一起，而不改变VPSA操作中的任何事情。它们部分的第一和第四阶段包括3个不同的步骤，这些步骤已经导致此选择。应注意，该循环的描述的起点是该生产，但是将可能的是选择另一个步骤以便开始像在此引用的步骤10，这对应于该吸附器的再加压的开始。
在这些循环Cyc 1至Cyc 3中，真空泵VP2完成在进行该洗脱(步骤8和9)之前由泵VP1开始的置于真空下的过程(步骤7)。
考虑到真空泵VP1在阶段的整个持续时间内是可获得的，在以下循环中已经接受的是，步骤4的逆流减压通过该真空泵进行，即使在该吸附器中的压力瞬间大于大气压，这是为了使消耗的能量最小化的目的。然而，应理解的是，在大于大气压的压力下的减压气体级分或此气体的一部分可以出于机械原因或者用于增加排出流速直接被排放而不穿过该真空泵。
-Cyc 1
循环包括与用空气进行的再加压(步骤12)同时的用产物的一部分进行的再加压、接着是用空气进行的最终再加压(步骤1)。
-Cyc 2
循环在用该Pur2流进行的再加压的步骤(步骤11)之后没有用该生产的氧气进行的再加压而是有用空气进行的最终再加压(步骤12)。以下步骤(步骤1)是生产步骤。
-Cyc 3
循环具有与用空气进行的再加压(步骤12)同时地用生产的氧气进行的再加压、接着是开始该生产(步骤1)。
在这些循环Cyc 4至Cyc 6中，将该吸附器用单一泵VP1置于真空下，并且唯一地用真空泵VP2进行该洗脱。在前述循环与这些循环之间，主要修改了这些真空泵的尺寸的比率，在此的VP1的尺寸较大并且VP2的尺寸较小。真空泵VP1和VP2的体积流速(m3/h)的比率范围总体上是从1比1至1比2。
-Cyc 4
循环包括与用空气进行的再加压(步骤12)同时的用产物的一部分进行的再加压、接着是用空气进行的最终再加压(步骤1)。
-Cyc 5
循环在用该C2纯度的流进行的再加压步骤(步骤11)之后没有用该生产的氧气进行的再加压而是有用空气进行的最终再加压(步骤12)。以下步骤(步骤1)是生产步骤。
-Cyc 6
循环具有与用空气进行的再加压(步骤12)同时地用生产的氧气进行的再加压、接着是开始该生产(步骤1)。
应注意，如以上解释的，这些循环Cyc 1至Cyc 6的步骤3可以被2个子步骤3-a和3-b替换，而不改变这些循环的基本特征，即C1、C2和C3纯度的流的生产以及它们在该循环中的用途。
优选地，本发明涉及一种用于借助于VPSA类型的单元从大气空气生产氧气的方法，该VPSA类型的单元包括1个空气压缩机(C-空气)、2个真空泵(VP1和VP2)以及4个吸附器，这些吸附器各自遵循相同的具有阶段时间的时间偏移的循环，所述循环有可能以以下不同形式Cyc 7至Cyc 12之一提供，所有形式还是根据本发明的原理，构成关于使用唯一地中间纯度C2的氧气流作为洗脱气体的前述循环的选择。至于前述、更一般的系列，它们彼此的不同之处仅在于：一方面，存在或者不存在用由该生产本身所得的氧气进行的再加压、接着是或不是在该生产步骤之前的用空气进行的再加压，以及另一方面，该循环的从一个真空泵(VP1)到另一个(VP2)发生变化的点。
在这些循环Cyc 7至Cyc 9中，真空泵VP2完成在进行该洗脱(步骤8和9)之前由泵VP1开始的置于真空下的过程(步骤7)。
-Cyc 7
循环包括与用空气进行的再加压(步骤12)同时的用产物的一部分进行的再加压、接着是用空气进行的最终再加压(步骤1)。
-Cyc 8
循环在用该Pur2流进行的再加压的步骤(步骤11)之后没有用该生产的氧气进行的再加压而是有用空气进行的最终再加压(步骤12)。以下步骤(步骤1)是生产步骤。
-Cyc 9
循环具有与用空气进行的再加压(步骤12)同时地用生产的氧气进行的再加压、接着是开始该生产(步骤1)。
在这些循环Cyc 10至Cyc 12中，将该吸附器用单一泵VP1置于真空下，并且唯一地用真空泵VP2进行该洗脱。在前述循环与这些循环之间，主要修改了这些真空泵的尺寸的比率，在此的VP1的尺寸较大并且VP2的尺寸较小。
-Cyc 10
循环包括与用空气进行的再加压(步骤12)同时的用产物的一部分进行的再加压、接着是用空气进行的最终再加压(步骤1)。
-Cyc 11
循环在用该C2纯度的流进行的再加压步骤(步骤11)之后没有用该生产的氧气进行的再加压而是有用空气进行的最终再加压(步骤12)。以下步骤(步骤1)是生产步骤。
-Cyc 12
循环具有与用空气进行的再加压(步骤12)同时地用生产的氧气进行的再加压、接着是开始该生产(步骤1)。
应注意，如以上解释的，这些循环Cyc 7至Cyc 12的步骤3可以被2个子步骤3-a和3-b替换，而不改变这些循环的基本特征，即C1、C2和C3纯度的流的生产以及它们在该循环中的用途。
同样提醒读者，在由[ATM]表示的所有循环(Cyc 1至Cyc 12)的步骤10期间用空气的再压缩可能被限制，可能仅在该步骤的过程中、在一段时间或压力阈值内发生，实际上甚至被消除。这种选择将能够取决于外部条件，特别是气候条件，而不是循环的精细优化，以便获得最佳可能的性能水平。
与如在热带地区中可能发现的高外部温度相关联的高水平的相对湿度的存在可导致在步骤10期间空气的引入被减速以便防止吸附剂的过高污染。相反地，在低的相对湿度的情况下或在寒冷的天气中，可以更有利的是立即引入大气空气连同第三纯度的氧气流。这些效果可以根据对于一个或多个旨在停止二次杂质的床所选择的尺寸来评估。在此再次，这是优化的事情。因此，在平均相当冷且干燥的国家中并且在相对未受污染(例如，小于或等于400ppm的CO2含量)的地点上，优选地将使用循环Cyc13，该循环Cyc 13仅仅是其中从步骤10开始引入大气空气的循环Cyc 8的选择。
这种情况对应于下表：
或对应于其引用的变体Cyc 14，在此用子步骤3-a和3-b表示，但是其同样可以良好地通过仅保留用于第一阶段的3个步骤来表示：1对应于生产(C1)并且2、3专用于C2生产。在这个主题上，将再次注意到，它不是经受修改(如以上描述的修改)的详细的循环表示，其表征本发明但是清楚地具有减少的O2含量的3个氧气流的生产以及它们作为再加压气体和洗脱气体的用途。
-Cyc 14
应注意，容易通过改变在该再加压(步骤10)开始期间引入的空气的量，例如通过使此引入提前或延迟，修改这些循环，包括在操作中，以便考虑冬季/夏季气候变化。
更一般地，取决于操作条件(产物的纯度、生产量、外部温度和/或进入到这些吸附器内的温度)的变化，可能的是提供在以上描述的循环之中从一个循环传到另一个循环的可能性。在季节性变化的情况下，能量的成本，例如，需要周期性地使用具有较大的再生能力的循环以便进行用于保留二次杂质的吸附剂的异常再生的等效物等，还可以导致对该压力循环的修改，同时始终保持在本发明的上下文中。向该产物(C1)的一部分的再加压的增加可以是这些瞬时修改的实例。
还应注意，当保持在同一循环内时，可能的是适配于真实的操作条件、一定数目的参数(如传递的气体的量，例如洗脱气体的量)、某些步骤的持续时间，同时在这种情况下明显地保留相同的阶段时间和先前已经引用的同时性或持续时间的限制、这些吸附器中的空气的入口温度(假设存在加热或冷却的器件)。不同的中等压力可以特别地构成良好的调节参数。
拿循环Cyc 13作为实例，例如将可能的是在步骤2、5、8和11中增加附加的2秒，或者相反地，从这些相同的步骤中去除一秒，如果被证明一个或另一个修改是有利的情况。
2个真空泵VP1和VP2在相同的压力范围内不先验地操作。VP1从大气压开始，实际上甚至最初在约1.1至1.2巴绝对值的稍稍较大的压力下被供给，并且使该吸附器低于大气压直到总体上在0.45与0.65巴绝对值之间的压力，而VP2具有从0.65至0.45开始至范围至0.45至0.35巴绝对值的较低的抽吸压力。因此，将可能的是使这些装置的选择适配于它们不同的操作条件。这将一定改变它们的尺寸(抽吸能力，以m3/h表示的)，而且还有装置的类型。
因此，根据优选的实施例，开始将该吸附器置于真空下的过程的第一真空泵(VP1)包括一个或多个选自下组的并联和/或串联的级，该组由凸轮(罗茨)、叶片或液环特别是水环类型的正排量装置形成。取决于有利于简单性还是比能量，凸轮(罗茨)类型的泵可以是干燥的或具有水的注射。
第二真空泵(VP2)包括一个或多个选自下组的并联或串联的级，该组由凸轮(罗茨)、叶片、液环特别是水环、螺杆或离心类型的正排量装置形成。此装置的压缩比变化小于第一真空泵的压缩比，并且然后有可能有利地使用在这些条件下可能更有效的其他类型的装置。
因此，如以上陈述的，第一和第二真空泵可以是不同类型。
特别地，该压力循环总体上使得在步骤9结束时的压力等于在步骤7开始时的压力加上或减去100毫巴、优选地加上或减去50毫巴。
更确切地说，该压力循环可以使得在对应于VP2的操作范围的步骤7、8和9期间该吸附器中的压力保持在等于P加上或减去100毫巴、优选地等于P加上或减去50毫巴的压力范围内，P是在0.45与0.3绝压之间的压力。当排出压力是大气压时，压缩比将保持实际上恒定的，大约在2与3之间。
优选地，在步骤7、8和9期间该吸附器中的压力保持等于450毫巴绝对值加上或减去100毫巴、优选地加上或减去50毫巴。
在真空泵VP2的操作期间，如必要的话，有可能调节在该步骤的开始与结束之间的洗脱气体流速，以便优化该循环的性能水平或有利于该真空泵的操作，特别是在离心装置的情况下。
如果引用这些循环Cyc 1至Cyc 12中的任何一个，则可以指出，可取的是关于这些步骤的持续时间引入一定数目的约束以便具有最佳的循环，也就是说，避免不必要的保持槽或至少使它们的尺寸最小化并确保这些装置的连续操作。特别地，步骤4的持续时间等于步骤10的持续时间使得可能开始直接用在步骤4期间生产的第三纯度的流进行再加压。
同样地，优选地，步骤12的持续时间等于步骤3的持续时间，使得该空气压缩机C-空气有可能连续操作，步骤12、1和2的持续时间的总和等于该循环的一个阶段。这还解释了在此与整个优选循环的系列(Cyc 1至12)相关做出的选择，即，通过简单的并流减压和/或通过与朝向大气的减压同时的简单的并流减压在步骤3(或3-a和3-b)中获得了中间纯度C2的流，从而在此步骤期间避免使用任何一个装置。
对于某些传递，为了不通过引入例如死时间来延长该循环，优选的是使用保持槽。总体上，这些槽可以接收所抽出的全部气体流，并且如果必要的话，同时提供后者的一部分，或者可以仅接收过量的、同时直接前进到所涉及的吸附器中的所使用的部分。第一种解决方案使得可能更好地均化该流，但是可能导致扩大一些管道。因此，将在步骤3期间以第二纯度(C2)生产的氧气至少部分地送到第一保持槽内。
除非该氧气产物在生产压力下供给足够体积的网络，否则将构成在步骤1和2期间以第一纯度生产的产物(C1)的氧气至少部分地送到第二保持槽内。
当循环时间是短的时并且当维持该吸附剂和该循环的固有性能水平时，生产性输出(根据所选择的定义，在专用于O2/N2分离的吸附剂的总吸附剂的每m3吸附器所要求的氧气(被认为是纯的)的纯度或流速下的总生产)是更加高的。这同样很好地涉及质量传递动力学、压力降(以及因此，结果是该吸附器的几何结构)、用于阀工作的时间等。用当前的技术，循环时间总体上小于一分钟并且优选地位于范围15/45秒内。
遵循由本发明推荐的循环的VPSA内部的热效应将有利地通过使用相变材料和/或具有通过加入惰性材料而改进的热容量的吸附剂来改进。特别地已知的是，使用具有惰性芯的吸附剂增加了颗粒的热容量，致使该循环更加等温，但是还增加了质量传递动力学。可以利用这后一特征来缩短这些步骤的持续时间或者通过使用具有等动力学上较大尺寸的颗粒来减少压力降。文献FR 2 794 993描述了这种类型的吸附剂颗粒。
根据本发明的循环还可以结合用途使用，代替接触器(特别地平行通道接触器并且优选地整体式接触器)的微粒吸附剂。这些接触器的表示可以例如发现于文献FR 2 952553中。
然后这些阀可以被分配器、特别地被旋转系统替换。在这些条件下，然后以上提及的循环时间可以除以作为数量级的2至10的因数，并且可能仅仅是几秒。
我们将满足于再次引用的所有后者点和其他，例如使用展示了对于氩气的亲和力的吸附剂的吸附剂多层、使用用于装置的变速驱动电动机，如若干个相同单元的耦合等构成了任选地可应用于本发明的上下文中的VPSA循环的仅仅已知的改进并且将在此文献的上下文中不作进一步详述。
该实例涉及生产最低流速每天120吨的90mol％的纯度被认为纯的氧气。该产物必须是在1.35巴绝对值的压力下连续并且恒久地可获得的。地点接近海平面，并且当地条件对应于正常湿度的温带地区。
选择的循环是以上描述的循环7，具有1.50巴绝对值的高压以及0.35巴绝对值的低压。
使用4个吸附器，每个包括10m3的具有大约85vol％的LiLSX的吸附剂。循环时间是36秒，即9秒的阶段时间。每个单独步骤是大约3秒。在步骤10期间，随后将大气空气稍微引入到纯度C3的氧气中，同时该吸附器中的压力是约0.45巴绝对值。因此，构成该产物的流C1是90mol％的O2，流C2是在88％与89％的O2之间并且流C3是大约85％的O2。该空气进料具有20 000m3/h的流速，第一真空泵VP1还具有大约20 000m3/h的流速，而第二真空泵VP2具有接近于30 000m3/h的流速。
以那种方式，获得了稍稍大于所要求的每天120吨的氧气产量，这对应于大约90Nm3/h/m3的生产性输出。
比能量基本上取决于这些装置的选择并且更特别地取决于在性能水平、资本支出与简单性之间的优化。它可以通过有利于性能水平而下降稍稍低于0.3KWh/Nm3，或者用较不复杂的装置达到大约0.34KWh/Nm3。
使用相变材料使得可能消除大多数热效应，并且使生产性输出增加以及可以超过10％的比能量的节约成为可能。
通过模拟已经确认，在本文献中描述的其他循环给出了与循环7接近的结果，操作条件有可能稍稍不同于有利于一些循环或其他的实例的操作条件。
这增强了以下想法：基本选择一方面涉及在3个水平纯度下的氧气的生产，即：
-对于所要求的纯度Pur1的93％的O2，大约在91％与92％的O2之间的第二流以及在88％与91％之间的第三流
-对于所要求的纯度Pur1的90％的O2，在大约88％与89％的O2之间的第二流以及在85％与87％之间的第三流
并且另一方面，涉及这些流作为洗脱并且用于按最佳顺序的再加压的用途。
应注意，流C2单独地在步骤3期间生产，而它在步骤8、9和11期间被使用。考虑到这些步骤的持续时间，每个约3秒，可以看出，可取的是使用用于储存对于步骤8和步骤11必要的量的气体的保持槽，而在步骤9期间使用的气体可以直接地被抽出。在这种情况下，对于对应于步骤8、9和11的流确实存在同一个平均纯度。可能任选地有可能构造具有稍稍不同的步骤持续时间的类似循环，例如较短的步骤9，这将导致在储存量与直接使用量之间的组成的细微差异。此种差异不是显著的，并且在技术水平下引入第四流不是合乎情理的。对于本发明的原理是相同的，其包括此类无关紧要的变体。
Claims (22)
1.一种用于通过采用VPSA类型的单元吸附大气空气流来生产氧气的方法，该VPSA类型的单元包括4个吸附器、1个空气压缩机以及2个真空泵，其中每个吸附器遵循同一个具有阶段时间的偏移的压力循环，该方法包括以下步骤：
a)生产包含氧气含量C1的第一气体流，同时在上游将该大气空气流装入该吸附器，
b)生产包含氧气含量C2<C1的第二气体流，
c)生产包含氧气含量C3<C2<C1的第三气体流，同时提取富含氮气的废流，
d)唯一地借助于在步骤b)中生产的该第二气体流或在步骤c)中生产的该第三气体流洗脱该吸附器，在步骤a)、b)和c)中生产的这三种气体流已经从该吸附器出来，
e)依次用具有增加的氧气含量的至少两个流，即第一再加压流和第二再加压流，对已经经受步骤d)的洗脱的该吸附器再加压，该第一再加压流是在步骤c)中生产的该第三气体流并且该第二再加压流是在步骤b)中生产的该第二气体流。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b)中该第二气体流的生产通过并流减压进行。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b)中该第二气体流的生产在两个步骤中进行：第一步骤，在该第一步骤期间该生产通过并流减压进行，以及第二步骤，在该第二步骤期间该生产通过与逆流减压组合的并流减压进行。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，该逆流减压借助于阀进行。
5.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，该再加压步骤e)依次用具有增加的氧气含量的3个流，即第一再加压流、第二再加压流和第三再加压流进行，该第一再加压流是在步骤c)中生产的该第三气体流，该第二再加压流是在步骤b)中生产的该第二气体流并且该第三再加压流是在步骤a)中生产的该第一气体流。
6.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，在该再加压步骤e)中，对于这个步骤的至少一部分，用该第一再加压流进行的再加压与在该吸附器的进料侧上并流引入空气一起同时进行。
7.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，在该再加压步骤e)中，对于这个步骤的至少一部分，用该第二再加压流进行的再加压与在该吸附器的进料侧上并流引入空气一起同时进行。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在该再加压步骤e)中，对于这个步骤的至少一部分，用该第三再加压流进行的再加压与在该吸附器的进料侧上并流引入空气一起同时进行。
9.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，在这3个生产步骤a)、b)和c)之后并且在该洗脱步骤d)之前，使该吸附器经受真空抽吸步骤。
10.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于：
-在步骤a)结束时的压力是在1.75与1.25巴绝对值之间，
-在步骤b)结束时的压力是在1.5与1.0巴绝对值之间，
-在步骤c)结束时的压力是在1.0与0.7巴绝对值之间，并且
-该压力循环的低压是在0.25与0.45巴绝对值之间。
11.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述单元的循环时间小于60秒。
12.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，至少一个真空泵包括一个或多个选自下组的并联和/或串联的级，该组由凸轮、叶片或液环类型的正排量装置形成。
13.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，该空气压缩机连续地供给这4个吸附器之一。
14.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，将在步骤a)中生产的该第一气体流至少部分地送到第一保持槽中。
15.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，将在步骤b)中生产的该第二气体流至少部分地送到第二保持槽中。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在步骤a)结束时的压力在1.55与1.45巴绝对值之间。
17.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在步骤b)结束时的压力在1.30与1.20巴绝对值之间。
18.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在步骤c)结束时的压力在0.90与0.80巴绝对值之间。
19.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该压力循环的低压在0.40与0.30巴绝对值之间。
20.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述单元的循环时间在15与45秒之间。
21.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述真空泵是离心真空泵。
22.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述液环类型的正排量装置是水环类型的正排量装置。
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