CN111989148B - 经由o2 vsa生产氧气、最小化阀的打开和关闭的方法 - Google Patents

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Abstract

披露了一种使用真空变压吸附(VSA)借助于至少包括两个吸附器的单元来生产氧气的方法，每个吸附器彼此偏移地遵循压力循环，该压力循环包括生产、减压、吹扫、和再压缩步骤，其中该减压步骤至少包括用于借助于均衡阀而与另一个正进行逆流再压缩的吸附器进行部分地均衡压力的并流第一减压子步骤，并且该压力循环至少对于三个循环中的一个循环而言包括在第一减压子步骤之后的停滞时间子步骤，其中：‑对于没有停滞时间子步骤的这些循环，在该第一减压子步骤结束时压力为X巴，‑对于有停滞时间子步骤的这些循环，在该停滞时间子步骤结束时压力为X巴，并且在该第一减压子步骤和该停滞时间子步骤中该平衡阀的开度相同。

Description

经由O2 VSA生产氧气、最小化阀的打开和关闭的方法
本发明涉及一种通过真空变压吸附(VSA)从空气流中生产氧气的方法。
O2 VSA(真空变压吸附)单元是用于通过变压吸附工艺从空气中分离气体的单元，在该工艺中，基本上在被称为高压的大气压力(即1巴到1.5巴之间)下进行吸附，并且在低于大气压力的压力(典型地在0.3巴到0.5巴之间)下进行解吸。气态氧的生产实现了约90％至93％的纯度，并且这种类型的设备的生产范围从30t/d至150t/d不等。这些工艺应用于比如水净化、玻璃制造、纸浆处理等领域。
压缩机(或鼓风机)和真空泵通常用于实现循环的压力。
VSA循环至少包括以下步骤：生产、减压、吹扫、再压缩。VSA单元使用选择性沸石，这使得可以获得纯度典型地约为90％或更高的产品。
这些单元总体上以大于30秒的总循环时间操作并且采用一至三个吸附器。
这个循环持续时间被细分为总体上高于8个的多个子步骤，以便实现良好的生产率和低的比能量这两者。因此，这些单元的阀(总体上为蝶阀型)需要多次打开和关闭(每年几百万次)，其中循环数越高，所要求的维护间隔就会越短，并且操作成本将会越高。此外，循环数可能导致这些阀的设置发生变化，从而损害单元的性能，或者更严重的是，可能导致这些阀发生故障，进而需要以可观的额外成本蒸发液体来确保向客户的连续供应。
图2描绘了涉及2个吸附器、1个生产缓冲体积、鼓风机、真空泵，并且包括14个子步骤的循环。
每个吸附器具有2侧，第一侧是供应侧或泵送侧，并且第二侧是氧气生产侧。
在吸附器1进行步骤1至7的同时，吸附器2进行步骤8至14。
步骤1(生产1)：鼓风机向第一吸附器供应空气，氮气被选择性吸附，并且富氧流被送到生产体积。
步骤2(生产2)：鼓风机向第一吸附器供应空气，氮气被选择性吸附，并且富氧流被送到生产体积。所生产的氧气流的一部分直接从第一吸附器的出口分接出并且用于随后的步骤(步骤9)。
步骤3(平衡1)：鼓风机不再向第一吸附器进行供应。因此，第一吸附器的供应侧封闭，并且出口连接至第二吸附器，使得吸附器中包含的一些富氧和未被吸附的气体被再次用于重新填充和洗脱第二吸附器(步骤10)。
步骤4(减少运行)：第一吸附器和第二吸附器关闭，并且机器在最小压差下操作。当单元以其标称输出操作时，此步骤的持续时间为零(图1)。
步骤5(平衡2+吹扫)：第一吸附器以供应侧连接至真空泵，使得可以解吸吸附剂中包含的一些氮气，并且第一吸附器的出口连接至第二吸附器，使得吸附器中包含的未吸附阶段的一些气体被重新使用以重新填充气瓶2(步骤12)。
步骤6(吹扫1)：第一吸附器的氧气生产侧关闭，供应侧连接至真空泵，然后真空泵提取吸附剂中包含的氮气。
步骤7(吹扫2)：第一吸附器的氧气生产侧关闭，供应侧连接至真空泵，然后真空泵提取吸附剂中包含的氮气。
步骤8(吹扫3)：第二吸附器的氧气生产侧关闭，供应侧连接至真空泵，然后真空泵提取吸附剂中包含的氮气。
步骤9(洗脱)：第二吸附器的氧气侧被供应有步骤2中从第一吸附器的出口所分接出的气体，使得可以将所吸附的氮气前沿推回。在供应侧，真空泵抽取吸附剂中包含的氮气。
步骤10(上部平衡2+吹扫)：在氧气侧向第二吸附器供应步骤3中从第一吸附器的出口分接出的气体，这使得可以实现回收否则会就损失掉的氧气和推回氮气前沿两者，同时供应侧连接至真空泵，真空泵真空提取吸附剂中包含的氮气。
步骤11(减少运行)：这2个吸附器关闭，并且机器在最小压差下操作。当单元以其标称输出操作时，此步骤的持续时间为零。
步骤12(上部平衡1)：第二吸附器的供应侧关闭。归功于第一吸附器中包含的并且来自步骤5的气体，第二吸附器经由氧气侧重新填充，使得可以实现回收否则就会损失掉的氧气和推回氮气前沿两者。
步骤13(O2+再压缩空气)：使用鼓风机来经由供应侧重新填充第二吸附器，同时从生产缓冲储罐中分接出氧气来从顶部重新填充吸附器，从而允许氮气前沿被推回。
步骤14(最终再压缩)：使用鼓风机来经由供应侧重新填充第二吸附器。吸附器的氧气侧关闭。
注意，平衡阀KV105持续3个连续的子步骤以可变的开度保持打开。
当客户对O2的需求下降时，就需要调节生产。
第一级调节是降低生产阀的开度，并且这具有增大氧气纯度的效果。单元的盈利能力因此下降。此外，上至一定纯度水平，纯度可能会因氩气富集现象而急剧降低。出于这2个原因，此解决方案仅限于适度降低产量输出。
作为替代方案，如果可以减少供应和吹扫气体的量，则可以通过改变循环时间来调节生产。在O2 VSA中，例如可以通过在供应和泵送机器上安装变速驱动器来进行此类操作。
然而，在大多数情况下，出于与成本相关的原因，O2 VSA设施没有配备用于调节机器能力的系统。因此，每个循环所生产的输出量是固定的，并且为了减少生产，有必要减少单位时间的循环数。这是通过在循环中明确定义的时刻(总体上在真空泵从一个吸附器切换到另一个吸附器的时刻)隔离吸附器，并通过以最小的压差运行压缩机和真空泵(例如将机器所输送的气体注入其入口侧)来实现的，以便最小化它们的能量消耗。暂停循环的这一步骤被称为停滞时间，并与“减少运行”(RR)模式的启用相关联。
当氧气需求减少时，这种模式不会立即触发，而是当百分比下降超过某一水平时触发，因此使得可以具有与阀打开/关闭时间相适应的停滞时间持续期。
常规地，RR模式在子步骤3结束时启用，尽可能减少空气阀和真空阀的操作。相比之下，有必要在这个子步骤3结束时关闭平衡阀，然后在停滞时间(RR步骤)结束时重新打开平衡阀。
图2描绘了常规的O2 VSA循环，其中在子步骤3结束时启用RR模式(停滞时间)。有必要在子步骤3结束时关闭平衡阀KV105，并且然后在停滞时间结束时重新打开。
基于此，出现的一个问题是，提供一种通过O2 VSA生产氧气的、使阀的打开和关闭最小化的改进方法。
本发明的解决方案是一种使用真空变压吸附(VSA)借助于至少包括两个吸附器的单元从空气中生产氧气的方法，每个吸附器带有偏移地遵循压力循环，该压力循环包括生产、减压、吹扫、和再压缩的步骤，其中该减压步骤至少包括用于借助于平衡阀而与另一个正进行逆流再压缩的吸附器进行部分压力平衡的并流第一减压子步骤，并且该压力循环至少对于三个循环中的一个循环而言包括在该第一减压子步骤之后的停滞时间子步骤，其中：
-对于没有停滞时间子步骤的这些循环，在该第一减压子步骤结束时压力为X巴，
-对于有停滞时间子步骤的这些循环，在该停滞时间子步骤结束时压力为X巴，并且在该第一减压子步骤和该停滞时间子步骤中该平衡阀的开度完全相同。
停滞时间是指两个吸附器关闭的持续时间。在此持续时间过程中，为了将设备的其他机器的消耗降至最低，这些机器总体上以再循环模式运行(其中机器的入口和出口相互连通)或将进入的空气排放到大气中。
图3描绘了根据本发明的O2 VSA循环。
当RR模式(停滞时间子步骤)被启用时，平衡阀的开度减小，使得停滞时间结束时的最终压力(即停滞时间子步骤期间平衡阀关闭的循环情况下(参见图2))与正常运行模式下子步骤3结束时的最终压力相同。因此，平衡阀不会在平衡子步骤之间再次关闭，从而使该单元更加可靠，并限制性能下降或循环的与阀打开时间的持续时间与步骤的持续时间有关的设置的困难度。当然，这个解决方案的实施需要合适的控制策略来控制平衡阀的开度，即掌控平衡阀的开度以使其与该单元的生产输出相关。
与在步骤3和步骤4期间发生的情况类似，当启用RR模式时停滞时间步骤11结束时的压力将与没有停滞时间步骤的循环的步骤10结束时的压力相同。
RR模式的启用包括对每个循环添加停滞时间，并且出于考虑最小的停滞时间持续期的原因，RR模式的启用仅是针对充分减少O2生产而发生的(在此之前，生产输出仅导致O2纯度的增大)。为了针对较小的生产输出减少而触发RR模式，添加停滞时间并非每个循环都进行，而是每N个循环(N＝1至5)有1个循环进行这种解决方案的引入，加上之前提出的想法，显著减少了与RR模式相关的缺点。
视情况而定，根据本发明的方法可以表现出以下特征中的一个或多个：
-在没有停滞时间子步骤的循环期间，减压速率在300至100毫巴/秒之间。
-在具有停滞时间子步骤的循环期间，减压速率在150至5毫巴/秒之间。
-减压步骤包括针对两个循环中至少一个循环的停滞时间子步骤。
-两个吸附器所遵循的压力循环偏移半个循环时间。
-在第一减压子步骤和停滞时间子步骤期间使用的平衡阀是蝶阀或截止阀类型的阀。
-平衡阀的开度根据所需的氧气生产输出来调节，并且因此是根据随后的停滞时间来调节的。
图4示意性地描述了本发明所应用的V(P)SA装置。
在所描绘的示例中，该装置基本上包括两个吸附器1A和1B、压缩机或鼓风机2、真空泵3、和一组管道和阀，以及未描述的控制和调节装置，这些装置适于实施后面描述的循环。压缩机和泵是“罗茨(Roots)”型的容积式机器，并且以恒定速度永久旋转。
图4示意性地指示了：
-大气空气供应管道4，其从压缩机2的出口侧开始，分成两个分支4A、4B，配备有各自的供应阀5A、5B，并分别连接至吸附器的下部入口6A、6B；
-吹扫/洗脱管道7，其分成两个分支7A、7B，配备有吹扫/洗脱阀8A、8B，分别从吸附器的入口6A、6B开始；
-生产管道9，其分成配备有生产阀10A、10B的两个分支9A、9B，并分别从吸附器的上部出口11A、11B开始。缓冲体积12安装在管道9中；以及
-平衡/洗脱管道13，其直接将出口11A和出口11B连接在一起，并配备有平衡阀/洗脱阀14。
压缩机2的入口侧和真空泵3的出口侧与周围大气永久连通。吸附器1A至1B的每个吸附器都包含至少一个吸附剂床，该吸附剂床被设计成选择性地从空气中吸附氮气，并且在该示例中是CaA型的分子筛或锂交换沸石。此外，配备有各自的阀17、18的旁路15和16分别在压缩机2的紧邻下游和泵3的紧邻上游从管道4和管道7分接出。这些旁路(特别是在对应于减少运行模式的停滞时间步骤中使用的旁路)向周围大气开放。
本发明在于当O2 VSA的减少运行模式(停滞时间)启用时，限制平衡阀的打开/关闭。超过一定的产量减少百分比后，每单位时间的循环数通过称为停滞时间步骤的步骤来减少，在该步骤中，机器处于再循环模式，因此与吸附器断开。在某些循环中，该停滞时间的启用会在可能非常短的时间内强制打开/关闭平衡阀，导致该阀疲劳和难以掌握该方法的性能。因此，根据本发明的解决方案通过避免完全关闭然后打开该阀，使得可以提高单元的可靠性或降低其维护成本或频率。

Claims (7)

1.一种使用真空变压吸附(VSA)借助于至少包括两个吸附器的单元从空气中生产氧气的方法，每个吸附器带有偏移地遵循压力循环，该压力循环包括生产、减压、吹扫、和再压缩的步骤，其中该减压步骤至少包括用于借助于平衡阀而与另一个正进行逆流再压缩的吸附器进行部分压力平衡的并流第一减压子步骤，并且该压力循环至少对于三个循环中的一个循环而言包括在该第一减压子步骤之后的停滞时间子步骤，其中：
-对于没有停滞时间子步骤的这些循环，在该第一减压子步骤结束时压力为X巴，
-对于有停滞时间子步骤的这些循环，在该停滞时间子步骤结束时压力为X巴，并且在该第一减压子步骤和该停滞时间子步骤中该平衡阀的开度完全相同。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在没有停滞时间子步骤的这些循环期间，该减压速率在300至100毫巴/秒之间。
3.如权利要求1和2之一所述的方法，其特征在于，在具有停滞时间子步骤的这些循环期间，该减压速率在150至5毫巴/秒之间。
4.如权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，对于两个循环中至少一个循环该减压步骤包括停滞时间子步骤。
5.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，这两个吸附器所遵循的压力循环偏移半个循环时间。
6.如权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，在该第一减压子步骤和该停滞时间子步骤期间使用的该平衡阀是蝶阀或截止阀类型的阀。
7.如权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，根据所希望的氧气生产输出来调节该平衡阀的开度。
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