CN110536735A - 产生更高vpsa产品压力的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于修改VPSA/VSA/PSA循环以允许最大产品压力而不需要基本负荷氧气压缩机(BLOC)或基本负荷氧气鼓风机(BLOB)的方法，从而向最终使用者提供了低压氧气(3Psig至7Psig)，同时降低了产品成本10％至30％。本发明的系统优选地采用从VPSA至含氧燃料滑橇的较大管道、用于该含氧燃料滑橇的较大管道、用于该VPSA的较大管道、低压降流量测量和低压降止回阀。

Description

产生更高VPSA产品压力的工艺
技术领域
本发明涉及一种用于修改VPSA/VSA/PSA循环以允许最大产品压力而无需基本负荷氧气压缩机(BLOC)或基本负荷氧气鼓风机(BLOB)的方法。典型的设备产生的氧气在1至2psig的范围内，而燃烧和其他应用的消耗量则需要2至8psig。根据本发明，可以以改善的工艺循环使用较高速率的吸附剂，以更有效和高效地向最终客户递送氧气，同时节省大量的资金和运营费用。这些益处适用于任何递送1psig至多达11psig的压力而无需产品压缩的系统。
背景技术
通常，VPSA O2的生产在低压下发生，使得需要压缩产品的O2流以便为客户服务。本发明的目的是采用先进的材料以实现更高的氧气递送压力，使得可以消除产品压缩。
授予Ackley等人的美国专利No.6,500,234描述了利用相对于常规吸附剂具有高固有扩散率的高级吸附剂的工艺。通过增加吸附/解吸速率以在固定压力比下产生更高的氮传质系数，可以证明提高了氧气的回收率。这些速率在1.5bar和300k时被定义为传质系数为>＝12/s，并且N2的固有扩散率为3.5×10-6m2/s。然后应用该概念以实现非常短的循环(例如，大于10s)和非常低的床尺寸因子(BSF)，同时仅影响产品回收率的最小降低。本发明利用先进的特性以及循环修改以在不使用产品压缩的情况下递送更高的供应压力。
授予Ackley等人的美国专利No.6,506,234(其全部内容并入本文)描述了一种利用高固有扩散率吸附剂的先进方法。Ackely等人特别教导了除进料气体之外还需要用产品气体对吸附床加压以达到所需纯度的需求。Ackley还教导了一种用于制备本发明工艺中使用的高固有扩散率吸附剂的方法。
在Zhu等人的文章“Study of a novel rapid vacuum pressure swingadsorption process with intermediate gas pressurization for producing oxygen”的研究中，这些教导再次证明了对产品加压的要求，以实现高纯度和高生产率。作者还具体教导了产品加压的增加与材料和系统生产率的增加之间的关系。
授予Hirooka等人的美国专利No.5,122,164描述了用于分离空气以产生氧气的6步、8步和10步真空变压吸附(VPSA)工艺。该专利的主要重点是循环配置和各个循环步骤的详细操作，以提高收率和生产率，目标是纯度>90％的循环。附加步骤诸如产品加压和分流均衡有助于提高>90％的高纯度应用的生产。
在授予Schaub等人的美国专利No.5,702,504中，作者提出了一种循环，以显著降低用于O2 VPSA设备的工业用电。重叠均衡和排空的进展大大减小了工业真空鼓风机的局限性，并且通过向床提供较低的总底部压力而增加了吸附剂的工作能力。作者还要求使用产品加压。
在授予Smolarek等人的美国专利No.6,010,555中，作者提出了对Schaub等人详细描述的循环的修改，以包括附加步骤，该步骤将在产品加压与产品制造之间将吸附床与缓冲罐隔离。事实表明，该步骤可提高VPSA系统生产的O2产品纯度(88％至95％)的性能。作者还要求使用产品加压。
由于大多数燃烧应用仅需要氧气燃烧器入口处约1psig的供气压力，因此可以通过简单的工程改造(更大的管道)、更高速率的吸附剂和循环修改的组合来克服整个系统其余部分的压降。对控制逻辑的附加修改可以进一步增加供应压力，并且能够降低其他地方的成本(较小的缓冲罐或较小的管道)。这些对现有技术的修改通常是与直觉相反或与先前所教导的相反的，是本发明的基础。
发明内容
本发明涉及一种用于修改VPSA/VSA/PSA循环以允许最大产品压力而不需要基本负荷氧气压缩机(BLOC)或基本负荷氧气鼓风机(BLOB)的方法，从而向最终使用者提供了低压氧气(3至7Psig)，同时降低了产品成本10％至30％。本发明的系统优选地采用从VPSA至含氧燃料滑橇的较大管道、用于含氧燃料滑橇的较大管道、用于VPSA的较大管道、低压降流量测量和低压降止回阀。
附图说明
图1是本发明的VPSA系统的示意图。
图2是本发明的VPSA系统的工艺步骤图。
图3是根据本发明的径向床容器的示意图。
图4是详细说明本发明的压力和压降的工艺示意图。
图5示出了流量阀的位置以及缓冲罐压力以实现恒流。
图6是具有和不具有加压的VPSA缓冲罐加压循环的曲线图。
图7示出了在加压和不加压下的燃烧器压力控制。
具体实施方式
在为燃烧应用供应氧气时，通常以明显高于所需压力的压力供应氧气。例如，在许多应用中，大约需要大约1psig的氧气才能注入，以提供充分的混合，但是氧气的供给通常为12-30psig。例如，VPSA是为玻璃熔炉设计的，通常包括BLOC或BLOB，以将产品氧气的递送压力提高到约10到15psig。由于BLOC的大量成本(取决于设备大小)，这增加了VPSA的部署CAPEX。通过将O2 VPSA和燃烧器系统设计相结合，本发明消除了氧气压缩，并向客户递送低功率、低成本和更可靠的氧气。本发明的工艺依赖于先进的吸附材料，该吸附材料能够消除产品加压并且显著降低床压降。
在一个实施方案中，本发明涉及一种变压吸附系统方法，用于通过将所述第一组分选择性地吸附到吸附剂床中而将进料气体混合物的组分分离为至少第一组分和第二组分。本发明的方法包括基于循环的以下步骤：
a)在循环的吸附步骤期间将进入所述床的所述进料气体的压力提高至吸附压力，以使得所述第一组分能够被所述吸附剂吸附，所述吸附剂在1.5bar和300k时表现出的传质系数为>＝12/s，N2的固有扩散率为3.5×10-6m2/s，在所述循环的解吸步骤期间，将所述床减压至解吸压力，以使得从所述吸附剂解吸所述第一组分，所述吸附压力与所述解吸压力的压力的比率在小于约5.0的范围内，在另一个实施方案中为约3.5至约5，并且在另一个实施方案中为约1.5至约3.5；其中所述床被加压的进料气体加压至所述吸附压力并且没有用产品加压。
一般来讲，循环期间的最低压力为约6至12psia，所述循环期间的最高压力为约2至12psig。在一个实施方案中，吸附剂床在所述气体流过所述吸附剂床的方向上的尺寸小于约1.2m，在另一个实施方案中，小于约0.9m，在另一个实施方案中，小于约0.6m，并且所述方法在小于约40秒的时间内执行步骤a)和b)，在另一个实施方案中，小于约30秒，而在又一个实施方案中，小于约20秒。
在一个优选的实施方案中，进料气体是空气，所述第一组分是氮气，所述第二组分是氧气。
“消除产品加压”、“不具有产品加压”和/或“没有产品加压”被定义为从缓冲罐60到吸附器床26的气体流量的显著减少。这可以通过与吸附器床26与缓冲罐60之间的压力差有关的产品制造阀52的打开正时来表征。拐点是缓冲罐与床之间的差为0时。如果阀52在拐点之前小于2秒打开，则从缓冲罐60流到吸附剂床52的气体量对于该工艺而言是微不足道的，并且对低速率材料没有益处并且对高速率材料没有不利影响。因此，没有将产品加压定义为产品阀52在拐点之前少于2秒打开的循环。
本发明的工艺通过利用高速率吸附剂来消除产品加压并且产生较大的粒度，这降低了床压降，同时保持了性能，从而降低了产品成本。除通过增加管道直径来减少压降并且减少压降流量测量技术之外，所要求保护的工艺还能够消除产品压缩机，从而节省了大量资金和功率。此处的工艺充分利用了高速率和高热容量的芯壳材料的先进性能，以递送更高的产品压力。并且令人惊讶地，已经发现无需产品加压就可以保持甚至提高吸附剂的生产率。
上述益处是由于在低压比下以短循环、浅床、消除的产品加压步骤以及简化的压缩设备使用的高速率吸附剂的综合作用。这远远抵消了伴随较低压力比的较低产品回收率。如上所述，现有技术利用产品加压步骤，其中至少一部分产品被循环回并且用于对吸附剂床加压。如果在使用传统吸附剂的工艺中消除了该产品加压步骤，则会观察到显著的性能下降以及每单位产品产量的功耗增加。在本发明的工艺中，使用先进速率材料使得能够消除产品加压并且直观地反作用、实际上产量增加以及每单位产品的功率降低。
本发明将低压力比PSA循环与高吸附剂固有扩散率以及产品加压步骤的修改相结合，以降低成本并保持甚至改善生产率。本发明的益处可以在低于大气压、跨大气压和高于大气压的压力比循环中实现，并且有可能用于任何堆积气体的分离。这些教导不限于先进吸收剂，尽管对于此类高平衡性能的材料来说，益处可能是最有吸引力的。在PSA空气分离中，将低压比与高吸附剂固有扩散率、短循环和浅床相结合的益处如下：降低的功耗、增加的吸附剂生产率(降低的BSF)、降低的容器大小当量或降低的系统压降、与消除产品加压相关联的降低的系统成本以及降低的产品成本。
本文所用的高速率吸附剂相对于常规吸附剂具有高固有扩散率，并由授予Ackley等人的美国专利No.6,500,234公开，该专利以引用方式并入本文。Ackley等人证明了通过增加吸附/解吸速率以在固定压力比下产生更高的氮传质系数来提高氧气回收率。这些速率在1.5bar和300k时被定义为传质系数为>＝12/s，并且N2的固有扩散率为3.5×10-6m2/s。在另一个实施方案中，本发明方法中使用的高速率吸附剂在1.5bar和300k下具有等于或大于4.0×10-6m2/秒的固有N2扩散率。本发明人意外地发现，当在1.5bar和300k下使用传质系数>＝12/s和固有N2扩散率为3.5x10-6m2的高速率吸附剂时，可以消除产品加压，同时对系统生产产生积极影响。与以前的低速率材料相比，该材料表现出明显的产品纯度和生产损失，本文所采用的先进材料以及循环修改能够保持产品纯度，在不使用产品压缩的情况下递送较高的供应压力，并且在减少功耗的情况下提高生产率。现有技术的深入教导说明了这一发现的反直觉性质，该教导不断地指出，更多的产品加压(即在循环期间以较低的床压力开始)会导致更高的产品纯度和更高的生产率。
本发明观察到的出乎意料的改善表明依赖于高速率材料的使用，并且已经在模型和现场测试两者中得到证明。用现有技术的低速率材料未观察到类似的改善。除其他益处外，本发明实现了更小和更可预测的缓冲罐压力变化。
吸附剂通常是平均粒径为约0.8mm至约1.6mm的颗粒。在一个优选的实施方案中，吸附剂为SiO2/Al2O3比率小于或等于2.5且与Li(>70％)交换的X型沸石。
本发明可将吸附剂部署在一个或多个不同的吸附区，例如预处理区和主吸附区。每个区中可以包含一种或多种吸附剂，并且这些区域不必包含在同一吸附剂容器中。预处理区位于最靠近进料口的位置，其目的是从进料流中去除任何不希望的污染物。空气分离中的典型污染物是水和二氧化碳。本领域的技术人员将会知道在预处理区中使用沸石、活性氧化铝、硅胶以及其他合适的吸附剂。主吸附剂区位于预处理区的下游(相对于吸附步骤期间流过床的流量)，并且含有对进料中主要重组分有选择性的吸附剂。如果进料流中不存在污染物，则可以排除预处理区。
本文所述的VPSA/PSA方法是其中气相混合物中至少两种组分的分离受主要吸附剂中组分的平衡吸附容量差异的影响的工艺，即，与其他组分的吸附相比，混合物中的至少一种组分在平衡时更选择性地被吸附。本发明使用的吸附剂的固有扩散速率高于常规吸附剂。
不希望受任何特定理论的束缚，据信传质前沿在本发明的意想不到的改善中起重要作用。位于主吸附区入口与传质区后部之间的床部分称为“平衡区”。如果使床层短于传质区的长度，则将去除的组分将在吸附步骤开始时立即穿透床。当传质区的分数大小相对于床的总大小保持较小时，即，在吸附步骤结束时，大多数床处于饱和状态(平衡区)，吸附剂对重组分的总工作能力最大。更快的循环需要更短的床，从而导致传质区的分数大小增加。使用具有高固有扩散率的吸附剂可以抵消这种影响，并且可以使用快速循环，同时又避免了传质区分数大小的增加。
在平衡分离中，气体混合物通过吸附剂颗粒的床，并且保留了吸附更强的气体组分(重组分)，而其他组分(轻组分)则从吸附器出口出来。在吸附步骤开始时，传质区形成并且移动通过床。几乎所有的吸附都发生在该区内。在该区的长度上，待去除的气体的浓度从进料混合物中的浓度降低到非常低的值。在一些分离工艺中，该区迅速达到恒定长度(通常明显小于吸附床的总深度)，并且以恒定速度移动通过床。如果需要相对较高纯度的轻质产品，则当区的前部刚开始在床出口处喷出时，必须停止吸附步骤(随后是再生步骤)。此时，该床在出口附近包含传质区，并且床的其余部分被更牢固地保持的组分完全饱和，并且与该组分的进料浓度保持平衡。
传质区的大小受粒度和气体向颗粒中扩散的速率的影响。在许多情况下，对这种扩散的最大阻力是在颗粒的大孔中，即，气体分子必须通过颗粒内部狭窄且弯曲的空隙通道才能到达吸附剂的活性表面。如果减小粒度，则这种转移的发生要快得多(因为路径长度缩短了)，从而缩短了传质区。这种方法既有局限性也有弊端，因为小颗粒会导致每单位床长的压降增加、颗粒在床中的保留困难以及液化趋势增加。这种方法还受到限制，因为它忽略了通过直接增加颗粒内扩散率而不减小粒度来实现工艺性能改善的可能性。
固定床吸附器中吸附剂物料上的压降取决于通过床的气体速度、床中颗粒的大小、颗粒的堆积密度和床深度。这些变量之间的关系通过众所周知的Ergun公式(Chem.Engng.Progress，1952年)建立，该公式广泛用于确定固定吸附剂床的压力损耗。简而言之，对于较小的颗粒、更深的床、更高的气流和更密集的堆积，压降会增加。
尽管具体的吸附器取决于待执行的分离特性，但是使用N2选择性吸附剂的O2生产以及在其他常规PSA工艺中，吸附剂床的压降小于或等于0.25psi/ft(56mbar/m)、床深为4.0ft(1.2m)至6.0ft(1.8m)是非常普遍的。为了补偿由于减小的粒度而导致的较高的压降，并且为了最小化功率的增加和液化的趋势，必须减小床的深度和/或穿过床的流速。这些变化会导致固定粒度下床的回收率和折衷率降低，即较短的床需要更快的循环，从而导致回收率降低，并且床利用率可能有所提高，尽管降低的速度抵消了床利用率的增加(对于固定的入口面积)，这是由于导致较低的进料通过量。这也增加了产品的空隙面积，这抵消了较慢的气体速度的有益效果，而需要更多的气体来填充空隙。模拟无法证明在使用典型吸附剂的较大床的情况下，纯度达到>＝90％而生产损失不超过10％(在相等的总设备功率下)的能力，这在经济上没有吸引力。
如前所提及的，据信传质前沿在本发明的意想不到的改善中起重要作用。该理论用于预测减少其他高速率吸附剂生产损耗的方法。先前发现的方法是将床的最高压力与产品罐对准。然而，如果与缓冲罐的相互作用变缓，而不是完全打开(即，当进料超过缓冲罐中的压力时，允许床的最高压力升高)，则纯度受限的生产进一步增加，而功耗却可以忽略不计。如果操作正确，将可以防止缓冲罐的摆动增加，并进一步提高系统的效率。
消除产品压缩可以节省VPSA供应系统中的大量投资成本。为了能够在足够高的压力下递送氧气到使用点，而无需附加的O2产品压缩，减少用于将制氧设备连接到该使用点的O2分配管道系统中的任何摩擦压力损耗非常重要。因此，优选较低的压降设计和布置。这可以通过增加管道直径并且选择可使压力损耗最小化的结构、配件、阀和部件的材料来实现，从而导致向O2设备下游的氧气燃料燃烧设备递送更高的压力。简单的经济分析表明，在一些情况下，这可能会增加VPSA下游系统的成本，但是成本的增长明显少于通过消除O2压缩装置而节省的成本，此外由于减少了功耗，O2设备的运行成本大大降低。
分配管道中低摩擦压降的必要性必须扩展到测量和流量控制装置。基于创建永久压降的测量(诸如孔板计)不支持该目标，这会导致压降，这在O2设备的上下文中可能很明显，因此，对于建议的教导而言，它不是优选的。低压降流量测量诸如热分散质量流量计和涡旋脱落流量计的使用使得所公开技术的应用成为可能。
然后可以通过简单的算法对来自缓冲罐的流量进行更可预测的建模，以为比例积分微分(PID)或其中的任何组合提供偏差，控制器自然包含来自下游使用变化的反馈控制，而且还与VPSA设备操作中缓冲罐的变化完全对准。还已证明这种前馈偏置可适应阀滞后响应和压力换能器滞后，并且具有该循环固有的可预测性。这些修改都组合成一个发明，该发明允许通过系统的压降显著减小，使得不再需要产品加压以在下游的利用位置处递送所需的压力。
虽然已经针对空气分离的情况证明了本发明，但是一般的方法学适用于其他气相分离，其：(1)取决于平衡吸附选择性的差异；以及(2)其中传质阻力主要由在吸附剂颗粒大孔中的扩散决定。该方法特别适用于在包含N2选择性吸附剂(例如X型沸石)或先进吸附剂(诸如高Li交换的X型沸石或其他单价阳离子交换的沸石)的PSA工艺中的氧气生产。本发明特别适合于将具有高容量和高选择性(结合高固有扩散率)的吸附剂用于待分离的气体混合物中最易吸附的(重)组分。本发明的方法和系统可包括两个或更多个串联或并联的床。
在第一组分包含N2并且本发明的方法适于从进料空气中回收O2的实施方案中，O2的回收纯度范围为>70％，在另一个实施方案中为>80％，在另一个实施方案中为>85％，在另一个实施方案为>90％，在又一个实施方案中为>95％。
VPSA工艺/系统的描述
现在参考图1和图2，将描述根据本发明的VPSA系统的操作。图1示出了具有进料空气入口12的VPSA系统10，该进料空气入口使进料空气能够通过入口过滤器14和入口消音器16进入。鼓风机18压缩空气，以经由排放消音器20和导管22递送到系统。在卸载期间，进料鼓风机经由阀24排气。
空气经由导管30进入吸附器26和28，并打开阀门32和34。经由打开的阀38和40，导管36、导管42和真空泵44从吸附器中去除了废料N2和污染物。废气在通过消音器46排出之前被消音。在卸载期间，真空泵44通过开阀48再循环。
产品回流步骤和产品制造是经由导管50以及阀52和54完成的。产品制造通过导管56和阀58进行。最终产品存储装置包含在缓冲罐60中，并且经由阀64和导管66递送到使用点62。假定VPSA系统将用于生产O2，则吸附器床26和28中的每个都包括对N2有选择性的高速率吸附剂。
表1中示出了由本发明的VPSA系统执行的工艺步骤，结合图2中示出了处理步骤图。
表1
表1示出了代表循环每个步骤的经过循环时间、开始压力和结束压力。本领域的技术人员将认识到，可以使用其他循环配置来实践本发明的基本要素。为了以下循环说明的目的，容器的“底部”是指进料口，而容器的“顶部”是指产品取出点。需注意，吸附器床26进行步骤1至6，而吸附器床28进行步骤7至12。
表2列出了表1中说明的每个步骤。
步骤#1—通过重叠均衡提高压力进料；
该步骤发起进料空气加压期。空气例如从压缩机18并且经由导管22被馈送到吸附器床26的底部。吸附器床26内的压力从约8.0psia迅速升高至约14.5psia。该步骤持续时间为3秒。
步骤#2—通过不具有产品加压提高压力进料：
该步骤继续进料空气加压期。空气从压缩机18被馈送到吸附器床26的底部。在该步骤期间，压力继续从14.5psia继续升高到约17psia，该步骤持续时间约为1至5秒。
步骤#3—通过产品加压提高压力进料：
进料空气继续被引入吸附器床26中，并且在该步骤期间，容器的顶部，即阀52现在部分地和/或完全地打开。在该0至4秒的步骤期间，压力从17.0psia上升到22.0psia。在该步骤期间，进料空气由压缩机18供应。
步骤#4-#5—通过成品的恒压进料：
将进料空气引入吸附器床26的底部，同时从顶部去除氧气产品。在这6至9秒期间，压力保持相对恒定，为22.0至23.0psia。进料空气由压缩机18供应。在步骤5期间，作为氧气吹扫，将氧气产品供应到氧气缓冲罐60以及吸附器床28。在产品制造步骤期间，氧气产品的纯度保持相对恒定(90％)。
步骤#6—下降压力均衡：
在该步骤期间，在吸附器床26顶部的残余氧气产品从容器的顶部排出。不存在来自吸附器床26底部的流动。在这3秒的步骤期间，容器压力从23.0psia降至19.0psia。在该步骤期间对压缩机18进行排气。
步骤#7—通过重叠均衡下降压力排空：
打开阀门38，并通过真空泵44从吸附器床26的底部去除废氮。在这3秒的步骤期间，压力从19.0psia降至13.0psia。氧气浓度从约空气纯度开始并迅速下降。当从吸附器床26的顶部去除富氧气体时，均衡下降步骤继续。
步骤#8-#10—下降压力排空：
通过真空泵44从吸附器床26的底部去除废氮。在这8秒期间，压力从13.0psia降至7.0psia。在该步骤期间，吸附器床26的顶端被关闭。在步骤10结束时，废气中的氧气浓度达到最小值。
步骤#11—通过氧气吹扫的恒压排空：
达到最小抽空压力，并且将氧气吹扫引入吸附器26的顶部。由于吹扫流量与排空流量的匹配，在此3至6秒的步骤期间，压力在7.0psia下保持恒定。
步骤#12—通过重叠均衡提高压力排空：
真空泵44继续从吸附器床26的底部去除废气，同时将氧气均衡气体添加到吸附器床的顶部。在该步骤期间，压力提高，因为氧气平衡流量大于排空流量。在3秒的步骤期间，压力从7.0psia上升到8.0psia。
上述循环仅是例示性的，并且本发明的基本特征可以使用其他吸附循环来实践。
径向床配置：
本发明的VPSA方法部分适用于径向床配置，这部分是因为所采用的压力比低。这种径向床配置在图3中示出。进料和废气通过导管80供应到径向流分配组件82，其中入口气体流到容器84的外壁。
现在均匀分布在下头部86中的气体经由外部垂直流动路径90被供应到吸附器床88，这些垂直流动路径向上流动通过直的或渐缩的流动通道。气体然后以径向向内的方式流过吸附器床88。在吸附器床88的产品端离开的气体被收集在垂直流动路径92内并向下流动。产品气体被收集在容器84底部的锥形收集组件74中。所收集的产品气体通过包含在进料导管80中的导管96离开容器。另选地，导管96可以被取向成使得在图3中在容器的顶部处抽出产品气体。
容器的流量分配对于VPSA工艺的成功操作至关重要，并且流量分配的主要因素是吸附器进料端与产品端之间的通道压差。该压差是摩擦压力损耗和流动气体中速度头变化的结合。当流量进入通道时，这两种影响趋于抵消，而当流量离开通道时，这两种影响是相加的。取消和添加的程度受室内部几何结构的影响，即通过渐缩通道的设计。本质上，所有VPSA工艺都会周期性地反转气流方向，以完成后续的吸附和解吸工艺步骤。
还应当清楚的是，本发明可以在主吸附剂区中以各种布置的吸附剂来实践，例如，各种类型或相同类型但具有变化的吸附和/或物理特性的吸附剂的层和混合物。例如，本发明的低压比/高扩散率的概念可以应用于Ackley在美国专利No.6,152,991中建议的层状床。尽管已经针对由固定的吸附剂颗粒床组成的吸附剂区对本发明进行了描述，但是可以使用另选吸附剂布置配置(例如整料、分散在纤维基质上的吸附剂团聚物等)来实践本发明。
通过适当地选择吸附剂粒度与吸附剂固有扩散率并在低压比循环中组合，可以实现附加的改善。对于空气分离以及对于上述优选的压力比范围和N2固有的扩散率，优选的平均粒度(直径)在0.8mm至1.6mm之间。使用径向流可以最好地解决后一个问题，其中将压降控制在可接受的水平方面，选择流面积、床深度和流分布的灵活性最大。径向流吸附器提供了吸附剂的固有约束，使得在使用小颗粒时可以避免液化。
本发明通常适用于整个循环步骤和工艺条件，例如温度、压力、进料速度等。同样，其概念可以应用于以低于大气压(VSA)、跨大气压(VPSA)或高于大气压(PSA)循环操作的单床和多床工艺。此处描述的概念不限于任何特定的吸附器配置，并且可以有效地应用于轴向流、径向流、侧向流等吸附器。吸附剂可以在吸附器容器内被约束或不受约束。
实施例1：
结果是经由建模并且在N2的MTC约为14/s的低速率设备和N2的MTC约为26/s的高速率设备上获得的。表2示出了在床顶部和缓冲罐的拐点之前0.25s前不打开产品阀的建模和演示影响。这使设备无法为低速率材料产生目标纯度，并且导致在经济上与高速率材料相当的结果(需要更多的材料，但是功耗降低了)。
表2.
具有PPS 不具有PP 具有PP的高速率 不具有PP的高速率
纯度 90.5％ 88.6％ 89.8％ 89.9％
功率(kW) 100.0％ 97.7％ 100.0％ 97.2％
纯度校正因子 101％ 98％ 100.0％ 100％
纯度校正生产 100.0％ 100.0％ 100.0％ 98.1％
设备实际纯度 91.0％ * 91.0％ 90.5％
设备实际生产 100.0％ * 100.0％ 100.0％
设备实际功率 100.0％ * 100.0％ 97.1％
*设备无法保持91％的合同纯度
应当理解，前面的描述仅是对本发明的说明。在不脱离本发明的情况下，本领域的技术人员可以设计出各种另选方案和修改。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求书范围内的所有此类另选方案、修改和差异。
实施例2：
经由建模以及在N2的MTC约为28/s的高效率设备上获得结果。表3示出了在床顶部和缓冲罐的拐点之后直到2s才完全打开产品阀的建模和演示影响。这使得高效率设备能够生产出更多纯度相同的O2产品，但对低效率设备没有影响。
表3
没有变缓的高速率 变缓的高速率
纯度 90.4％ 90.5％
功率(kW) 100.0％ 99.6％
纯度校正因子 101％ 101％
纯度校正生产 100.0％ 101.1％
设备实际纯度 90.1％ 91.0％
设备实际生产 100.0％ 100.0％
设备实际功率 100.0％ 100.4％
应当理解，前面的描述仅是对本发明的说明。在不脱离本发明的情况下，本领域的技术人员可以设计出各种另选方案和修改。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求书范围内的所有此类另选方案、修改和差异。
实施例3：
对于低速率设备，在经济上相关的情况下，起始最大最高压力为11.3psig。这种情况下，ASME的极限为12psig，并且为工艺安全阀提供0.5psig的抵消。这也考虑了循环到循环的最高压力的0.2psig正态变化，作为供气压力必要假设的一部分。表4示出了典型的压降曲线。
表4
系统组分 图1和图4的标签 压力(psig)
过滤器外壳 14 0.2
冷却后 18 0.25
至床的管道 22 0.05
床dP 26 2
至缓冲罐的管道 50、52、56、58 0.4
缓冲罐摆动 60 3.2
流量调节阀 64 1.5
流量计 100 1
止回阀 101 1
带有备份的流量计 103 1
备份抵消 104 0.5
至燃烧器的管道 105 3
燃烧器管道 106 10
燃烧器计量 106 1
系统中的dP 25.1
供应压力上限 11.3
BLOB要求 13.8
对于具有相同启动压力的高效率设备，通过对本发明进行修改，如表5所示，在约$3MM的设备中可实现25％的单位功率降低和约$400k的资本节省。
表5
该示例具有以下修改，可以任选地添加这些修改以进一步改善本发明：
1.较大的管道直径可减少压降。管道可以由碳钢、铜、304不锈钢或奥氏体不锈钢制成。管道也可由抗UV塑料制成。
2.低压降计量可能来自使用质量流量计。
3.标称的过大的缓冲罐60的体积比每秒的体积流量大100倍。例如，180,000scfh的流量将具有5200scf的缓冲罐60。
4.一种低压降止回阀，旨在将压降限制为小于0.5psig。
5.迅速响应压力换能器，使P/PI/PID/PD控制器具有循环校正因子，可将产品压力62的变化限制为小于0.5psig。
实施例4：
对于燃烧应用，必须将提供的产品流量和压力控制在严格的公差范围内，以确保精确的温度控制并且满足气体排放法规。理想的是，这可以通过使用位于缓冲罐下游的流量控制阀调节缓冲罐的流量来实现。为了提供恒定的产品流量，需要将流量控制阀与缓冲罐中的循环压力同步放置，参见图6。但是，由于阀门响应和压力仪表的限制，阀门位置将滞后于实现恒流和供应压力所需的实际位置。需注意，通过正确选择和集成阀与仪表以及正确调节流量控制器，可以将这种滞后降到最低。此外，通过减小阀必须打开和关闭的程度，最大程度地减小缓冲罐的压力摆动也将改善流量控制。为此，使用高速率的吸附剂是有益的，因为消除了加压的使用，从而减小了缓冲罐的压力摆动，参见图7。表6示出了循环正时和随后的偏置示例，用于控制来自缓冲罐的压力和/或流量的阀。
表6
应当理解，前面的描述仅是对本发明的说明。在不脱离本发明的情况下，本领域的技术人员可以设计出各种另选方案和修改。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求书范围内的所有此类另选方案、修改和差异。

Claims (21)

1.一种变压吸附方法，用于通过将第一组分选择性地吸附到吸附剂床中而将进料气体混合物的组分分离为至少所述第一组分和第二组分，所述方法包括以下循环步骤：
a)在所述循环的吸附步骤期间将进入所述床的所述进料气体的压力提高至吸附压力，以使得所述第一组分能够被所述吸附剂吸附，所述吸附剂在1.5bar和300k时表现出的传质系数为>＝12/s，N2的固有扩散率为3.5×10-6m2/s，
b)在所述循环的所述解吸步骤期间，将所述床减压至解吸压力，以使得从所述吸附剂解吸所述第一组分，所述吸附压力与所述解吸压力的压力的比率在小于约5.0的范围内；
其中所述床被加压的进料气体加压至所述吸附压力并且没有用产品加压。
2.根据权利要求1所述的变压吸附方法，其中所述压力比率在约3.5至5的范围内。
3.根据权利要求1所述的变压吸附方法，其中所述吸附剂对所述第一组分的所述固有扩散率等于或大于4.0×10-6m2/秒，并且所述压力比在约1.5至3.5的范围内。
4.根据权利要求3所述的变压吸附方法，其中循环期间的最低压力在6psia至12psia之内，所述循环期间的最高压力在约2psia至12psig之内。
5.根据权利要求3所述的变压吸附方法，其中所述进料气体是空气，所述第一组分是氮气，并且所述第二组分是氧气。
6.根据权利要求1所述的变压吸附方法，其中所述吸附剂是平均粒径为约0.8mm至约1.6mm的颗粒。
7.根据权利要求1所述的变压吸附方法，其中所述吸附剂为SiO2/Al2O3比率小于或等于2.5且与Li(>70％)交换的X型沸石。
8.根据权利要求1所述的变压吸附方法，其中所述吸附剂床在所述气体通过所述吸附剂床的流动方向上的尺寸小于约1.2m，并且所述方法在小于约40秒的时间内执行步骤a)和b)。
9.根据权利要求1所述的变压吸附方法，其中所述吸附剂床在所述气体通过所述吸附剂床的流动方向上的尺寸小于约0.9m，并且所述方法在小于约30秒的时间内执行步骤a)和b)。
10.根据权利要求1所述的变压吸附方法，其中所述吸附剂床在所述气体通过所述吸附剂床的流动方向上的尺寸小于约0.6m，并且所述方法在小于约20秒的时间内执行步骤a)和b)。
11.根据权利要求1所述的变压吸附方法，其包括一个或多个串联或并联的床。
12.根据权利要求1所述的变压吸附方法，其中所述第一组分包括N2，并且所述方法适于从进料空气中以>70％O2的纯度回收O2。
13.一种变压吸附系统，用于通过在循环的吸附步骤期间将第一组分选择性地吸附到吸附剂颗粒床中而将进料气体混合物的组分分离为至少所述第一组分和第二组分，所述系统包括至少两个吸附容器，每个容器包含对所述第一组分具有选择性的吸附材料床，所述吸附剂对所述第一组分表现出等于或大于3.5×10-6m2/秒的固有扩散率，所述系统被配置为在所述循环的吸附步骤期间将所述进料气体至所述吸附剂颗粒床的所述压力升高至吸附压力，以使得所述第一组分被所述吸附剂吸附；
其中所述床被加压的进料气体加压并且没有用产品加压。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述压力比率在约3.5至5的范围内。
15.根据权利要求12所述的系统，其被配置为使得在解吸期间和在吸附期间，跨所述床的压降不超过约1.0psi。
16.根据权利要求12所述的系统，其被配置为使得在解吸期间和在吸附期间，跨所述床的压降不超过约1.5psi。
17.根据权利要求12所述的系统，其中所述床被布置成径向环形配置，并且所述气体混合物表现出横向于所述环形配置的流型。
18.根据权利要求16所述的系统，还包括：单级真空泵，所述单级真空泵联接到所述床，以在所述气体分离方法的解吸阶段期间从所述床抽出吸附的组分。
19.根据权利要求12所述的系统，其中所述气体是空气，所述第一组分是氮气，所述第二组分是氧气。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述系统表现出<600Lb/TODO的床尺寸因子和<7.5kW/TODO的比功耗。
21.根据权利要求12所述的系统，其中所述吸附剂床在所述气体通过所述吸附剂床的流动方向上的尺寸小于约1.2m，并且吸附和解吸步骤在小于约40秒的时间内执行。
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