CN111183213B - 利用环境co2监测对变动吸附工艺循环时间的控制 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过监测环境CO2水平来控制预纯化器循环时间的方法，以防止由于环境CO2水平的极端瞬时变化导致的CO2的穿透发生。本发明的所述方法不是仅通过预纯化器设计床容量进行操作，而是使用所述进料温度、压力和污染物组合物连续地更新用于所述污染物的床容量，计算在所述进料步骤期间被进料至所述预纯化器的所述污染物总量，并且估计扰动前沿速度，即来自环境水平的极端瞬时变化的所述污染物前沿将在所述吸附剂床内传播的所述速度。对扰动前沿速度的估计允许在开始经历CO2的穿透之前更精确地估计进料步骤剩余的最长时间。这消除了不必要地过早地切换所述在线床的需求，并且有可能使所述离线床的再生风险缩短。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于通过监测环境CO2水平来控制预纯化器循环时间的方法，以防止由于环境CO2水平的极端瞬时变化导致的意想不到的CO2的穿透发生。
背景技术
在低温工艺中，必须从进料气体流中去除二氧化碳、水和其他高沸点材料，因为它们将在低温下液化或固化，从而导致下游工艺中的压降和流动困难。还期望从进料气体中去除危险的和/或爆炸性的污染物，以降低其在后续工艺中积聚的风险。这些污染物通常使用循环吸附气体纯化工艺去除。
循环吸附气体纯化工艺通常采用两种一般类型的吸附系统中的一种，即：变温吸附(TSA)系统和变压吸附(PSA)系统。这些吸附系统通常含有两个或更多个吸附器，其含有用于从进料气体中去除杂质的吸附剂。通常将吸附器描述为在也被称为吸附状态或再生状态的生产状态下操作。处于生产状态的吸附器也被称为在线。处于再生状态的吸附器也被称为离线。在 TSA和PSA系统的生产状态下，进料气体流与吸附器中的吸附剂床接触以产生纯化气体流。吸附器可含有一种或多种吸附剂。给定吸附剂选择性吸附进料气体流中存在的一种或多种杂质。在空气为进料气体的工艺中，水和二氧化碳通常通过使进料气体与吸附水和二氧化碳的一种或多种吸附剂接触来去除。水吸附剂材料通常是硅胶、氧化铝或分子筛，并且二氧化碳吸附剂材料通常是分子筛，例如沸石。通常首先去除水，之后通过使进料流/空气穿过一个或多个吸附剂层来去除二氧化碳，该一个或多个吸附剂层是针对其对水和二氧化碳的选择性而选择的。在生产状态结束时，关闭进入吸附器的进料气体流。在TSA和PSA系统的再生状态下，负载污染物的吸附剂床暴露于再生气体流中，该再生气体流促进杂质从吸附剂中解吸并从吸附器中去除解吸的杂质(例如二氧化碳和水)，从而使吸附剂材料再生以供进一步使用。再生状态下的再生气体通常沿着处于生产状态的进料气流的逆流方向流动。在TSA系统中，所采用的再生气体是加热的再生气体，以高于进料气体的温度提供。通常，加热的再生气体的温度在约200℉至约600℉的范围内。加热的再生气体加热吸附剂并通过解吸杂质来促进吸附剂的再生。吸附剂在较高温度下具有较低的吸附能力。加热的再生气体用作热吹扫气体，该热吹扫气体用于从吸附器中去除解吸的杂质。之后进行冷却步骤，该步骤涉及使接近环境温度的再生气体流动，以冷却吸附剂，通过吸附剂床将热向前排出，并使其准备用于吸附步骤。空气分离设备中的PSA系统采用空气分离设备内产生的废气流作为再生气体。废气通常处于接近进料空气温度的温度下，并且在高于大气压力的压力下提供给 PSA系统，该压力足以克服压降并使废气能够排放到大气中。由于在较低压力下吸附能力较低，PSA中的吸附的杂质被解吸。PSA再生气体充当通过解吸杂质和从吸附器去除解吸的杂质而促进吸附剂再生的吹扫气体。
在低温空气分离设备中，循环吸附气体纯化系统能够包含一个或多个吸附器，称为预纯化单元或预纯化器，并且通过吸附进料空气中的杂质而产生用于低温下蒸馏的纯化空气。通过使用至少两个并联布置的吸附器，循环吸附气体纯化系统能够以连续模式操作；例如一个吸附器能够在吸附状态下操作，而另一个吸附器正在进行再生，并且在适用于吸附状态和再生状态的时间相同下在操作循环中它们的角色周期性地发生反转。通常，这样的系统含有基本上为圆柱形的吸附器，并且其轴线可以相对于进料流为轴向(垂直或水平)或径向类型。
用于纯化空气的常规TSA工艺循环通常被描述为含有以下步骤：a) 通过吸附在超大气压力和环境温度下流过吸附器的进料空气中的杂质预定时间段来生产纯化空气；
b)通过停止进料空气流并使吸附器减压至通常接近大气压力的较低操作压力来开始吸附剂的再生；
c)通过使加热的再生气体(也称为热吹扫气体)流过预定的时间段，使减压的吸附器中的吸附剂再生；加热的再生气体的示例是通过一个或多个加热器/热交换器加热的空气分离单元中产生的废氮；
d)通过使冷的废气流动来冷却吸附器中的再生吸附剂，以排出吸附剂床中的余热；
e)用来自例如处于生产阶段中的另一吸附器的纯化空气对吸附器再加压；
f)使所述再加压的吸附器在线
并且重复步骤(a)至(e)。在较不常见的情况下，再生可以在基本上不同于大气压力的压力下进行，通过使用合适的真空泵装置使该压力大于或者甚至小于环境压力。
用于纯化空气的常规PSA工艺循环通常被描述为含有：
a)通过吸附在超大气压力下流经吸附器的进料空气中的杂质预定的时间段来生产纯化空气；
b)通过停止进料空气流并使吸附器减压至通常接近大气压力的较低操作压力来开始吸附剂的再生；
c)通过使吹扫气体流过预定的时间段，使减压的吸附器中的吸附剂再生；吹扫气体的示例是在空气分离单元中产生的废氮，
d)用来自例如处于生产阶段中的另一吸附器的纯化空气对吸附器再加压；
e)使再加压的吸附器在线，
并且重复步骤(a)至(d)。PSA工艺循环与TSA工艺循环的区别在于再生气体不被加热。因为吸附剂不会被再生气体加热，所以不需要吸附剂床冷却步骤。与TSA循环时间相比，PSA循环时间通常短得多。
在人口稠密的地区和工业活动密集的地区，可能会发生环境污染物水平(例如CO2)的极端瞬时变化。污染物水平的变化能够导致在预纯化器出口处污染物的大量穿透，并且有时甚至是意想不到的穿透。即使在进料步骤期间观察到的平均污染物水平比预纯化器被设计为处理的平均污染物水平低以及进料步骤的持续时间比设计的持续时间短的情况下，也能够发生污染物的穿透。根据这些环境污染物峰值事件的量值，能够发生设备的跳闸。如果过于频繁，则这些污染物穿透事件能够导致设备停工。
本发明提出通过监测被进料至预纯化器中的环境污染物水平来整合对热、压力和/或混合变动吸附预纯化器操作循环时间的控制，以避免由于环境污染物水平的极端瞬时变化导致的预纯化器出口处的污染物穿破。
发明内容
本发明涉及一种通过监测环境CO2水平来控制预纯化器循环时间的方法，以防止由于环境CO2水平的极端瞬时变化导致的CO2的穿透发生。本发明的所述方法不是仅通过预纯化器设计床容量进行操作，而是使用所述进料温度、压力和污染物组合物连续地更新用于所述污染物的床容量，计算在所述进料步骤期间被进料至所述预纯化器的所述污染物总量，并且估计所述扰动前沿速度，即来自环境水平的极端瞬时变化的所述污染物前沿将在所述吸附剂床内传播的所述速度。对扰动前沿速度的估计允许在开始经历CO2的穿透之前更精确地估计进料步骤剩余的最长时间。这消除了不必要地过早地切换所述在线床的需求，并且有可能使所述离线床的再生风险缩短。
附图说明
图1绘制了当前发明与现有技术的预期的污染物穿透时间。
具体实施方式
循环吸附工艺是其中使用吸附剂床来选择性地从工艺流中吸附一种或多种物质的工艺，其中通过提高床的温度和/或降低压力从而释放出选择性吸附的物质来在后续的步骤中使吸附剂床再生。在某些条件下的操作允许气体混合物中的一种或多种选择性组分相对于气体混合物中的一种或多种第二组分被优先吸附在多孔吸附剂材料的孔结构内。在此类单元中，可以使用可被布置为分立的床或层、混合物、复合物或它们的组合的吸附剂来完成空气预纯化。所使用的吸附剂是(但不限于)沸石、活性氧化铝、硅胶、交换的沸石、掺杂的氧化铝等。
在通过吸附从气体混合物中去除污染物的工艺中，通常以相对于所选择的吸附剂吸附性降低和/或选择性降低的顺序依次吸附污染物。选择性通常能够通过在特定的压力和温度条件下操作吸附方法来改善，因为压力和温度均会在不同程度上影响组分的吸附负载。通常能够通过使用构造成层或混合物的吸附剂组合来增强每种污染物的去除，即通过选择特定的吸附剂以实现每种污染物相对于气体混合物的最大吸附性和/或选择性，从而改善吸附工艺的有效性。在吸附器中分层设置的不同吸附剂的使用在本领域中是已知的。吸附剂去除特定污染物的选择性取决于许多因素，例如在吸附器内进行去除时混合物中的目标污染物和其他气体的类型和组分，吸附剂对污染物和非污染物的相对选择性，以及吸附剂对污染物的负载能力。吸附容量是材料中每种组分的吸附总量，以及特定组分对另一种组分的吸附选择性。因为吸附等温线受温度的强烈影响，因此物质被解吸。
空气分离单元中所使用的预纯化器床被设计为去除能够见于空气中的污染物，诸如CO2、H2O、C2H2、N2O、各种烃等。待去除的最常见的污染物是H2O和CO2。每种污染物通常从含有特定吸附剂的预纯化器的特定区内的空气流中去除。预纯化单元通常含有用于去除水的第一层活性氧化铝和用于去除二氧化碳的第二层分子筛。每层吸附剂的尺寸基于温度、压力、流、污染物浓度和期望的循环时间。所使用的设计污染物浓度通常是在预纯化器正常操作期间观察到的浓度。吸附器床被设计为基于预期的操作条件诸如进料流、进料压力、进料温度和进料污染物组合物来去除污染物。吸附器床的设计床容量指定在这些预期的进料操作条件下吸附剂能够去除而不经历污染物穿透的吸附物总量。
环境吸附物水平的极端瞬时变化能够根据多种因素而发生。例如，在高度工业化的地点或地区能够发生CO2浓度的极端变化。环境CO2浓度的这些变化能够导致在预纯化器出口处CO2的大量穿透，并且有时甚至是意想不到的穿透。因为这些环境CO2浓度的峰值，因此CO2穿透能够发生在进料步骤期间观察到的平均CO2浓度比预纯化器被设计为处理的平均CO2水平低的情况下。CO2的穿透也能够发生在进料步骤的持续时间比设计的持续时间短的情况下。根据这些环境CO2峰值事件的量值，能够发生设备的跳闸。如果过于频繁，则这些CO2的穿透事件能够导致设备停工。
在一个实施方案中，环境吸附物水平的极端变化被定义为大于或等于预纯化器被设计为处理的环境吸附物水平的+/-10％的吸附物水平。在另一个实施方案中，环境吸附物水平的极端变化被定义为大于或等于预纯化器被设计为处理的环境吸附物水平的+/-20％的吸附物水平，并且在另一个实施方案中，环境吸附物水平的极端变化被定义为大于或等于预纯化器被设计为处理的环境吸附物水平的+/-25％的吸附物水平。
本发明通过监测被进料至预纯化器的环境吸附物水平来控制再纯化器的操作循环时间，以避免由于环境污染物水平的极端瞬时变化导致的预纯化器出口处的吸附物穿破。本发明的方法能够用于各种变动吸附工艺，包括变温、变压和/或混合变温/变压吸附工艺。混合变温/变压吸附工艺被定义为包括TSA和PSA工艺的任何组合的吸附工艺。在常规循环变动吸附工艺中，利用至少两个吸附床，其中一个吸附器床处于运转模式，在此期间，吸附物从穿过该床的进料气体混合物中被吸附，而第二吸附器床处于再生模式，在此期间，吸附物从该床中被解吸。这些床在所述模式之间交替，其中完成运转模式所需的时间通常由用于吸附物的设计床容量确定。吸附器床能够保持处于运转模式而不经历污染物穿透的最长时间被定义为“预测的穿透时间”。下文描述了变温吸附工艺(“TSA”)的工艺，从而示出了本发明的方法。
TSA工艺循环
常规的TSA预纯化器工艺具有两种一般状态。在第一状态下，可采用两个吸附器系统，其中一个或两个可以是“在线”。当只有一个吸附器接收进料空气时，则该吸附器被称为处于“进料”步骤，产生供应到空气分离设备中的下游生产单元的所有纯化空气。当两个吸附器正在接收进料空气时，则这些吸附器被称为处于“共混”步骤，各自对供应到所述下游生产单元的纯化空气有贡献。在线时，吸附器通过吸附去除进料空气中的杂质，诸如水和二氧化碳。非“在线”的吸附器处于“离线”或再生状态。这种再生状态包括四个不同的步骤，按照以下顺序：减压；通过在与进料温度相比的高温下解吸来进行吸附剂再生；吸附剂冷却；以及吸附器再加压。为了进行这些不同的步骤，打开或关闭各种阀以提供必要的流体流动通道或以周期性方式隔离，从而产生连续的产物空气流。
需要热源来将再生气体的温度升高到所需的能够使吸附剂完全再生的在约200℉至约600℉范围内的期望高温。在下游生产单元中产生的废气的全部或一部分作为再生气体源提供。在紧接着吸附器的减压之后，再生气体源将在约200℉至约600℉的温度下加热的再生气体提供给吸附器。根据哪个吸附器正在接收加热的再生气体，允许气体流动预定的时间段，之后关闭热源。废气流现在绕过加热器并引入离线吸附器以冷却吸附剂。吸附剂冷却步骤进行预定的时间段，以在将吸附器从离线状态切换到在线状态并重复该循环之前将吸附剂冷却至期望温度。
用于从空气中去除杂质诸如水和二氧化碳的TSA循环被设计为在生产状态或再生状态下操作吸附器预定的时间段，称为循环时间，通常在约2 小时至约10小时的范围内。在生产状态下，吸附器从进料空气产生纯化空气流。在再生状态下，通过解吸在生产状态期间负载在吸附剂上的杂质，在高温下使吸附器中负载杂质的吸附剂再生。加热的再生气体流经吸附器的时间段期间能够在总再生状态循环时间的约15％至约60％的范围内，余量用于吸附剂冷却步骤。例如，当总再生状态循环时间是4小时时，则加热的再生气体流动期间的时间段能够在36分钟至2小时的范围内，并且当总再生状态循环时间是10小时时，则加热的再生气体流动的时间段能够在 90分钟至5小时的范围内。只要提供足够的再生能量并且在开始下一个生产状态之前将吸附剂冷却到期望温度，则高温解吸步骤和吸附剂冷却步骤期间再生气体的流速可以相同或不同。4小时以下的循环时间很难将热向前推动穿过床，并且在吸附剂冷却步骤期间需要更高的再生气体流速，以在规定的时间内将吸附剂冷却至期望温度。高于10小时的循环时间是可能的，但由于大量吸附剂材料和增加资金成本的较大容器的要求而不太理想。较冷的气体将热向前推动通过吸附器，为下一个进料步骤做好准备。一旦足量的热被排出，如例如通过吸附器内的进料端上的温度探针所确定的，则通过关闭吸附剂冷却气体到吸附器的流动并通过以下操作来打开和关闭适当的阀以在吸附器内建立压力来对吸附器再加压：转移在线吸附器中产生的纯化空气流的一部分，或者转移被进料至在线吸附器的加压空气流的一部分，或其组合。在在线模式中，吸附器在高压下操作，例如在约 30psia至约600psia的范围内，以提供足够压力下的纯化空气，用于在下游生产区段中产生氧气产物、氮气产物和氩气产物中的一种或多种。在高温下再生期间，吸附器在接近大气压力的压力下操作，该压力足以排放离开该吸附器的再生气体，但是低于在线模式操作压力的任何压力均可行。然后将再加压的吸附器带回在线并重复TSA循环步骤。
在本发明的方法中，完成运转模式所需的时间不是基于设计床容量，而是基于重新计算或更新的床容量。更具体地讲，进料流、温度和压力以及进料污染物浓度均被连续地监测，并且这些测量值被用于基于重新计算的床容量而不是设计床容量来计算预纯化器能够保持在线的时间的新估计。这通过以下步骤来完成：使用进料温度、压力和污染物组合物来更新用于污染物的预纯化器床容量，计算到目前为止在当前进料步骤期间被进料至预纯化器的污染物总量，并且估计扰动前沿速度，即来自环境水平的极端瞬时变化的污染物前沿将在吸附剂床内传播的速度。对扰动前沿速度的估计允许在开始经历CO2的穿透之前更精确地估计进料步骤剩余的最长时间。这消除了不必要地过早地切换所述在线床的需求，并且有可能使所述离线床的再生风险缩短。
在平衡分离中，气体混合物穿过吸附剂颗粒的床，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。在一些分离方法中，该区迅速达到恒定长度(通常显著小于吸附剂床的总深度)，并且以恒定速度移动通过床。如果需要相对高纯度的轻质产品，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(并且随后是再生步骤)。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。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”。如果使床呈短于传质区的长度，则将去除的组分将在吸附步骤开始时立即穿透床。当环境污染物水平的瞬时变化发生时，第二传质区可能会在平衡区的顶部形成。这在此处称为“扰动前沿”。正如传质区一样，这种扰动前沿将以给定速度移动通过床。扰动前沿速度是进料气体条件(即流、压力、温度和污染物浓度)的函数。扰动前沿速度能够通过使用预纯化器的工艺模型、预纯化器/设备的数字孪生(或虚拟孪生)模型，或者甚至通过从实际设备数据(实验测量值)或工艺建模中得出的经验相关性直接获得。当环境吸附物水平没有瞬时变化时，扰动前沿速度基本上为零。
使用Aspen Adsorption进行的建模工作证实，CO2峰值浓度和持续时间、进料步骤中CO2峰值发生的时间以及正常的环境CO2浓度都是影响预纯化器的CO2穿透时间的因素。在扰动前沿移动通过床时，CO2峰值能够被描绘为穿过预纯化器的波。即使来自CO2峰值的较高CO2分压将导致吸附剂上的CO2固体负载较高，但一旦CO2环境水平恢复到床内正常条件，额外吸附的CO2最终将解吸。然后，解吸的CO2将被进一步向下重新吸附到预纯化器床中。这种现象可显著降低预纯化器的CO2穿透时间。当CO2峰值的发生更接近进料步骤结尾时，对CO2穿透时间的影响会减小。不希望受任何特定理论的束缚，据信这是由于进料步骤结束之前没有足够的时间使CO2水平恢复到床内正常条件，因此减少了额外被解吸的CO2的量。因此，简单地观察在进料步骤期间被进料至预纯化器床中的CO2总量不足以决定性地且准确地确定何时发生CO2穿透。观察整个进料步骤期间的平均环境CO2浓度也不足以确定是否/何时将发生CO2穿透。即使床被设计用于高于当前的平均环境CO2浓度，CO2峰值也能够导致穿透时间缩短。因此，了解扰动前沿行进的速度是重要的。
本发明提供了一种用于使吸附剂床在TSA、PSA或混合TSA/PSA工艺中能够保持在线而不经历进料气体混合物不需要的组分的穿透的时间最大化的方法。这通过以下步骤来完成：使用进料温度、压力和污染物组合物来更新用于污染物的预纯化器床容量，计算到目前为止在当前进料步骤期间被进料至预纯化器的污染物总量，并且估计来自环境水平的极端瞬时变化的污染物前沿将在吸附剂床内传播的速度。估计扰动前沿速度对于准确地估计进料步骤剩余的最长时间是必要的。然后适当调节被再生床的再生条件，以确保其在在线预纯化床的进料步骤完成之前或同时完成。调节的再生条件可以是吹扫流、吹扫温度和/或热吹扫时间。以下流程图汇总了本发明的步骤。
第一步包括评估当前进料时间是否低于穿透时间的当前预测。如果是这种情况，则切换床，使在线床离线并且使离线床在线。如果不是这种情况，则第二步包括验证吸附床没有经历污染物穿透。如果是这种情况，则使在线床离线并且使离线床在线。如果不是这种情况，则使用进料污染物、进料压力、进料温度和进料流监测数据计算到此时为止被进料至吸附床的污染物总量，并且估计吸附物通过吸附剂床的扰动前沿速度。然后，这些计算将用于更新床容量并且提供对预测的污染物穿透时间的新估计。如果需要，更新在线床的最大进料循环时间，并且调节离线床的再生条件，使得再生模式恰好在在线模式之前或与其同时完成。
现在将通过以下非限制性实施例来证实本发明。
实施例1：
考虑到405ppm的环境CO2水平，设计了TSA预纯化器床。假定预纯化器在设计的进料流、温度和压力下操作，则该预纯化器在进料步骤中预期保持的最长时间接近14小时，并且在这些条件下能够去除特定量的污染物。考虑了环境CO2水平极端瞬时变化的三种场景。瞬时变化大约为 1200ppm(而不是405ppm)CO2，持续2小时。第一场景假定扰动发生在进料步骤的开始，第二场景假定扰动发生在进料步骤的中间，并且第三场景假定扰动发生在进料步骤的结尾。图1比较了根据本发明的预纯化器预期在进料步骤中保持的最长时间，其中考虑了污染物扰动前沿速度，并且将其与仅考虑被进料至预纯化器床的污染物总量的已知方法进行了比较。对于所有这三种场景，都计算了扰动前沿速度，并且发现其平均值为 0.5×10-4m/s。使用由这些描述的场景的吸附工艺模型提供的数据来完成该计算。考虑到吸附剂床的值和尺寸，发现对于第一场景，扰动前沿将有时间赶上床的主传质前沿，这就是本发明和现有技术的结果相同的原因。然而，对于第二场景和第三场景，扰动前沿没有足够的时间完全赶上主传质前沿和/或在给定其速度的情况下一直传播到吸附床的结尾。这意味着吸附床容量大于所设计的容量。因此，能够延长该吸附床能够保持在线的穿透时间(或最长时间)。
数据清楚地表明，根据已知方法仅考虑污染物总量显著低于预测床在进料步骤中能够保持的实际时间。这意味着根据已知方法，在线床会过早地离线。这也意味着将需要使用更积极的再生条件，以确保另一个预纯化器床在当前床需要离线的同时准备在线。根据本发明的方法，根据在进料步骤中发生CO2扰动的时间，床能够保持在线最多另外2小时。如上所述，在进料步骤中，进料污染物组合物发生的扰动越远，对在线时间的影响越小。
实施例2：
另选地，对于实施例1中使用的相同的预纯化器床设计，考虑了两种不同的场景。第一场景假定整个进料步骤的环境水平恒定在350ppm，而不是405ppm。第二场景假定在进料循环开始时会发生进料CO2组合物的扰动 (1200ppm CO2，持续2小时)，并且在进料步骤的剩余时间内污染物水平降至350ppm。下表呈现了使用本发明的预期的CO2穿透时间，并且如果仅按现有技术计算的那样考虑进料的污染物总量，则将其与预期的污染物穿透时间进行比较。如表1所示，如果仅考虑污染物总量，则预期的CO2穿透时间比通过本发明的方法预测的穿透时间长。这导致显著量的CO2传递到空气分离单元。因为考虑了扰动前沿速度并且使用进料温度、压力和流动条件以及CO2浓度连续地更新了CO2的床容量，因此本发明的方法提供了对实际CO2穿透时间的更准确的估计。另外，数据表明，采用现有技术的方法，即使预纯化器被设计为去除更大量的污染物，其也能够经历CO2的穿透。
表1
本发明对于现有技术的一个经济优势是对吸附物/污染物(例如CO2) 穿透时间的更准确的预测。对穿透时间进行更准确的预测能够更好地估计吹扫需求，并且因此能够导致来自压缩机和/或再生加热器的功率消耗的降低以及放气损失的降低。它还能够防止由于污染物穿透高于临界操作参数 (COP)而导致的设备跳闸，或者由于污染物在吸附床下游单元中积聚而导致的设备停工。
本领域的普通技术人员将认识到，本发明能够应用于空气预纯化、合成气预纯化，并且还能够应用于除CO2以外的污染物，诸如N2O、C2H2和其他烃。本发明适用于TSA型预纯化器床，并且也可与混合TSA/PSA预纯化器床一起使用。
Claims (18)
1.一种用于使吸附剂床在变动吸附工艺中在进料模式中能够保持在线而不经历吸附物的穿透的时间最大化的方法，其中所述变动吸附工艺包括至少两个吸附剂床，每个吸附剂床均具有预定的设计床容量，其中一个吸附剂床在进料模式中在线，在所述进料模式期间，吸附物从穿过在线吸附剂床的进料气体混合物中被吸附，而另一个吸附剂床处于再生模式，在所述再生模式期间，吸附的组分从处于再生模式的吸附剂床中被解吸，其中所述两个吸附剂床在所述进料模式和所述再生模式之间交替，所述方法包括：
a)在所述进料模式期间，重复地测量进料气体流速、进料气体温度、进料气体压力以及吸附物在所述进料气体中的浓度水平；
b)当存在所述吸附物在所述进料气体中的环境水平的瞬时变化时，计算所述吸附物通过所述在线吸附剂床的扰动前沿速度，其中所述扰动前沿速度是来自环境水平的极端瞬时变化的吸附物前沿在所述在线吸附剂床内传播的速度；
c)基于所述吸附物通过所述在线吸附剂床的所述扰动前沿速度来计算所述吸附物的穿透时间，以及
d)更新床容量和在线循环时间，以使所述在线吸附剂床在进料模式中能够保持在线而不经历所述吸附物的穿透的时间最大化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中如果计算的穿透时间比所述设计床容量长，则延长至所述在线吸附剂床的进料循环时间，或者如果所述计算的穿透时间比所述设计床容量短，则缩短至所述在线吸附剂床的所述进料循环时间。
3.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括至少两个吸附剂床，其中一个吸附剂床处于在线模式，在所述在线模式期间，吸附物从穿过处于在线模式的吸附剂床的所述进料气体混合物中被吸附，而另一个吸附剂床处于再生模式，在所述再生模式期间，吸附的吸附物从处于再生模式的吸附剂床中被解吸，其中所述两个吸附剂床在所述在线模式和所述再生模式之间交替，并且其中基于更新的床设计进料时间来调节所述处于再生模式的吸附剂床的再生参数，以确保在床切换之前提供足够的吹扫，并且确保所述再生模式恰好在所述在线模式之前或与其同时完成。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述变动吸附工艺是TSA、PSA或混合TSA/PSA工艺。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述进料气体混合物包括空气和/或合成气。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述吸附物选自以下中的至少一种：CO2、N2O、H2O和烃。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述吸附物的浓度通过所述在线吸附剂床的上游的所述进料气体混合物中的测量值或者通过在所述在线吸附剂床中的测量值来监测。
8.根据权利要求1所述的方法，其中调节再生模式操作条件，以确保再生将恰好在所述在线吸附剂床的所述进料模式完成之前或同时完成，其中待调节的操作条件是吹扫流、吹扫温度、热吹扫时间，或其组合。
9.一种空气分离方法，其中空气在主空气压缩机中被压缩，以提供压缩空气，并且其中二氧化碳通过循环变动吸附工艺从所述压缩空气中去除，所述循环变动吸附工艺包括处于运转模式的一个吸附剂床，在所述运转模式期间，二氧化碳从所述压缩空气中被吸附到运转的吸附剂床上，以提供无二氧化碳的空气进料，而另一个吸附剂床处于再生模式，在所述再生模式期间，所述二氧化碳从处于再生模式的吸附剂床中被解吸，并且上述两个吸附剂床在所述运转模式和所述再生模式之间交替；并且所述无二氧化碳的空气进料被进料至空气分离单元，以提供富含所述无二氧化碳的空气进料的组分的至少一种产物流，其中完成所述运转模式所需的时间由以下步骤确定：
在所述运转模式期间，监测进料气体流速、进料气体温度、进料气体压力以及二氧化碳在所述进料气体中的浓度水平；
计算二氧化碳通过所述运转的吸附剂床的扰动前沿速度，其中所述扰动前沿速度是来自环境水平的极端瞬时变化的二氧化碳前沿在所述运转的吸附剂床内传播的速度；
基于二氧化碳通过所述运转的吸附剂床的所述扰动前沿速度来计算二氧化碳的穿透时间；以及
更新床容量和进料循环时间，以使所述运转的吸附剂床在进料模式中能够保持在线而不经历二氧化碳的穿透的时间最大化。
10.根据权利要求9所述的方法，其中响应于更新的床容量和进料循环时间以及对所述运转的吸附剂床能够保持在线的时间的新估计来修改再生模式操作条件。
11.根据权利要求10所述的空气分离方法，其中所述二氧化碳的浓度通过在所述运转的吸附剂床的上游的进料气体混合物中的测量值或者通过在所述运转的吸附剂床中的测量值来监测。
12.一种用于改善TSA、PSA或混合TSA/PSA工艺中从进料气体混合物中去除CO2的预纯化器循环时间效率的方法，所述方法包括：
a)基于预纯化器床的设计床容量来确定进料循环时间；
b)在运转模式期间，监测进料气体流速、进料气体温度、进料气体压力以及CO2在所述进料气体中的浓度水平，并且计算所述CO2通过吸附剂床的扰动前沿速度，其中所述扰动前沿速度是来自环境水平的极端瞬时变化的CO2前沿在所述吸附剂床内传播的速度；
c)基于CO2通过所述吸附剂床的所述扰动前沿速度来计算所述CO2的穿透时间；以及
d)更新床容量和进料循环时间，以使所述吸附剂床能够保持运转而不经历CO2的穿透的时间最大化。
13.根据权利要求12所述的方法，其中如果CO2穿透时间比基于设计床容量的所述进料循环时间长，则延长所述进料气体被进料至所述吸附剂床的所述进料循环时间，或者如果所述CO2穿透时间比基于设计床容量的所述进料循环时间短，则缩短所述进料气体被进料至所述吸附剂床的所述进料循环时间。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述TSA、PSA或混合TSA/PSA工艺包括至少两个吸附剂床，其中第一吸附剂床处于运转模式，在所述运转模式期间，CO2从穿过所述第一吸附剂床的所述进料气体混合物中被吸附，而第二吸附剂床处于再生模式，在所述再生模式期间，吸附的CO2从所述第二吸附剂床中被解吸，其中所述两个吸附剂床在所述运转模式和所述再生模式之间交替，并且其中基于运转的吸附剂床的更新的床容量和进料循环时间来调节处于再生模式的附剂床的再生参数，以确保在床切换之前提供足够的吹扫，并且确保所述再生模式恰好在所述运转模式之前或与其同时完成。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述进料气体混合物包括空气和/或合成气。
16.根据权利要求14所述的方法，其中CO2浓度通过在所述运转的吸附剂床的上游的所述进料气体混合物中的测量值或者通过在所述运转的吸附剂床中的测量值来监测。
17.根据权利要求14所述的方法，其中调节再生模式操作条件，以确保再生将恰好在运转的吸附剂床的进料模式完成之前或同时完成，其中待调节的操作条件是吹扫流、吹扫温度、热吹扫时间，或其组合。
18.一种用于纯化空气的TSA或混合TSA/PSA工艺循环，所述工艺循环包括：
a)通过吸附流经吸附器的进料气体中的杂质预定的时间段来生产纯化空气，所述吸附器包括具有预定的设计床容量的吸附剂床；
b)通过停止进料空气流并使所述吸附器减压至较低操作压力来开始所述吸附剂的再生；
c)通过使加热的再生气体流经所述吸附剂预定的时间段，使减压的吸附器中的所述吸附剂再生；
d)通过使冷的废氮流经所述吸附剂来冷却所述吸附器中的再生吸附剂，以排出所述吸附剂床中的余热；
e)用纯化空气对所述吸附器进行再加压；
f)使再加压的吸附器在线
并且重复步骤(a)至(e)，其中所述工艺还包括在运转模式期间，监测进料气体流速、进料气体温度、进料气体压力以及CO2在所述进料气体中的浓度水平；估计CO2通过所述吸附剂床的扰动前沿速度，其中所述扰动前沿速度是来自环境水平的极端瞬时变化的CO2前沿在所述吸附剂床内传播的速度；基于CO2通过所述吸附剂床的所述扰动前沿速度来计算所述CO2的穿透时间，并且更新床容量和进料循环时间，以使所述吸附剂床在进料模式中能够保持在线而不经历CO2的穿透的时间最大化。
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