CN113874097A - 用于调节针对每个吸附器具有不同设定点的氧气生产单元的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于调节包括N个吸附器的气流分离单元的方法，其中，N≥2，每个吸附器遵循具有阶段时间的时滞的PSA、VSA或VPSA吸附循环，所述调节方法包括以下步骤：a)对于该吸附循环的至少一个阶段，连续地测量与进入和/或离开该吸附器的气流相关的物理参数；b)确定在步骤a)中选择的该步骤的至少一个特征值，该特征值选自在步骤a)中测量的该物理参数的值或这些值的函数；c)将该特征值与目标值进行比较；以及d)在该(这些)差值与这些目标值之间出现变化的情况下，改变该气流的流量以便获得该目标值，其中，对每个吸附器进行步骤a)至步骤d)，并且其中，至少一个吸附器具有不同于其他吸附器的目标值的目标值。

Description

用于调节针对每个吸附器具有不同设定点的氧气生产单元的 方法

本发明涉及一种用于调节气流分离单元的方法，该气流分离单元包括遵循PSA、VSA或VPSA压力循环的吸附器。

一般来说，可以使用气相吸附过程以通过利用一或多种吸附剂对含有一种或多种分子的气体混合物的各种组成分子的亲和力差异，来将所述分子从该混合物中分离。吸附剂对分子的亲和力部分地取决于吸附剂的结构和成分，并且部分地取决于分子的性质，特别是其大小、电子结构和多极矩。吸附剂可以是例如沸石、活性炭、可选掺杂的活性氧化铝、硅胶、碳分子筛、有机金属结构、碱或碱土金属氧化物或氢氧化物，或优选地含有能够可逆地与分子反应的物质的多孔结构，例如，比如胺、物理性溶剂、金属络合剂、金属氧化物或氢氧化物。

最常用的吸附材料是呈颗粒的形式(珠子、棒条、粉碎材料等)，但是它们也可以呈结构化形式，比如整料、轮子、平行通道接触器、织物、纤维等。

吸附过程主要有3大类：牺牲载料过程、TSA(变温吸附)过程以及最后的PSA(变压吸附)过程。

在牺牲载料过程中，在这种情况下经常使用术语“保护床”，当现有载料充满杂质时，或更一般地说，当载料不再能够提供足够的保护时，引入新的载料。

在TSA过程中，吸附剂在使用结束时原位再生，换言之，排出所捕获的杂质，以便使所述吸附剂恢复其吸附能力的更大部分并能够重新开始纯化循环，主要的再生效果是由于温度升高。

最后，在PSA过程中，在生产阶段结束时，吸附剂通过杂质的解吸来再生，杂质的解吸是通过其局部压力的降低来实现。这种压力的降低可以通过降低总压力和/或通过用不含杂质或含有很少杂质的气体冲洗来实现。

这种最后的过程—PSA—是这里感兴趣的。

变压吸附过程既用于消除微量杂质(例如，进料气体中低于1％的杂质)，也用于分离含有百分之几十的不同气体的混合物。第一种情况通常称为纯化(例如，气体干燥)，并且第二种情况称为分离(例如，从大气中生产氧气或氮气)。在最复杂的情况下，纯化和分离当然可以在同一单元中发生。

从文献EP 1 880 753 A2中已知一种用于分离气体的装备，其中常规装备的每个吸附器被平行安装的几个吸附器代替，并在给定时刻进行循环的相同阶段。

从文献US 6 277 174 B1中已知一种PSA系统，其包括多个吸附器，并且其中循环步骤的持续时间被调节。

从文献KR 2017 0087954 A中已知一种设定点(吸附器产生的气体的量)，该设定点可以是一个吸附器特有的，以便对单元的两个吸附器之间的不同能力(体积、吸附性能……)进行补偿。

在本发明的上下文中，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过程，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过程，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过程，其中吸附基本上是在大气压、优选地在0.95至1.25巴绝对值之间下进行，并且解吸压力低于大气压、典型地从50至400毫巴绝对值。

-MPSA或VPSA过程，其中吸附在大于大气压、典型地在1.4至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至600毫巴绝对值之间的低压下进行。

-确切的说PSA过程，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PSA)过程，其中压力循环的持续时间典型地小于一分钟。

-URPSA(超快速PSA)过程，其中压力循环的持续时间是最多约几秒钟。

应当注意，这些不同的名称并不是标准化的，并且限制经受变化。再次，除非另有说明，否则这里使用的术语PSA涵盖了所有这些变体。

还应注意，在PSA过程中回收的气体部分可以对应于在高压下产生的部分，而且一旦感兴趣的成分在混合物中是最易吸附的时，也可以对应于在低压下提取的部分。

因此，吸附器将在高压下开始吸附的周期，直到其装载有待捕获的一种或多种成分为止，并且然后将通过减压和提取吸附的化合物再生，之后被恢复，以便再次开始新的吸附周期。然后吸附器已经完成了“压力循环”并且PSA过程的特有原则是将这些循环相继地连接在一起；因此，这是一种循环过程。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，每个吸附器遵循有时滞的同一循环，该时滞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/吸附器的数量

并且看出阶段的数量等于吸附器的数量。

因此，该循环总体上包括以下周期：

-生产或吸附，在此期间将进料气体经由吸附器端之一引入，优先地吸附最易吸附的化合物并且经由第二端提取富含最难吸附的化合物的气体(产物气体)。吸附可以在增加的压力下、在基本上恒定的压力下或者甚至在稍微降低的压力下进行。术语HP压力(高压)用于表示吸附压力。

-减压，在此期间，存在于吸附剂和自由空间中的一部分化合物通过吸附器的端部的至少一个从吸附器中释放出来，该吸附器不再被供应进料气体。取在吸附周期中流体的循环的方向作为参考，有可能限定顺流减压、逆流减压或同时地顺流减压和逆流减压。

-洗脱或吹扫，在此期间富含最难吸附的成分的气体(吹扫气体)循环通过吸附床以便帮助最易吸附的化合物的解吸。吹扫通常逆流进行。

-再加压，在此期间在再次开始吸附周期之前至少部分地使吸附器再加压。再加压可以逆流地和/或顺流地发生。

-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，使得可能对吸附器之间的步骤进行同步，或者形成在规定时间之前已经结束的步骤的一部分。取决于循环的特征，阀可以闭合或保持在相同的状态下。

当回收的产品由最易吸附的成分组成时，可以添加冲洗步骤，该步骤涉及使富含最易吸附的成分的气体在吸附器中顺流地循环，目的是将最难吸附的化合物排出吸附剂和死空间。该冲洗步骤可以在高压与低压之间的任何压力下进行，并且通常在压缩后使用一部分低压产物。在该步骤期间从吸附器中提取的气体可以用于各种目的(富含最难吸附的成分的气体的二次生产、再加压、洗脱、燃料气体管网等)。

类似地，一些PSA过程包括置换步骤，在该步骤中使用流体(通常在PSA本身之外)将吸附最少的气体推向出口，从而增加产量。

减压和再加压可以以不同的方式进行，特别是当PSA单元包括多个吸附器(或容器)时。因此，这导致基本步骤被限定以便更精确地描述气体传递，这些气体传送在吸附器(或容器)之间并且在外部环境(进料回路、产物气体回路、低压气体回路)之间发生。

因此，减压周期期间排出的气体可以：

-用于对一个或多个吸附器进行再加压，然后将其置于更低压力下；这被称为减压均衡或向下均衡(Ed)

-用作洗脱气体(吹扫气体)，有助于在低压下从吸附器中解吸最易吸附的成分；这被称为吹扫提供(PP)

-排入低压管网或大气；这被称为LP减压或放空(BD)

类似地，在再加压期间由吸附器接收的气体可以来自：

-如果这是在增加的压力下进行的，则部分来自吹扫气体。该步骤仍称为洗脱或吹扫(P)步骤，可选地指定在增加的压力(Pup)下发生。

-从其他吸附器进行向下均衡(Ed)。然后这些步骤被称为向上均衡(Eup)。

-来自产物气体：Rep Pr

-来自进料气体：Rep F。如果吸附压力大于气体可用的压力，则进料气体可以在被引入吸附器之前被压缩。

注意

-吸附步骤(生产最难吸附的气体部分)可以在增加的压力下发生，或者甚至在稍微降低的压力下发生，这取决于所使用的循环。(生产)输出阀的开启通常限定了吸附步骤的开始，即使在某些再加压步骤中已经吸附了各种化合物(特别是Rep F)，以及

-再生可以在真空下发生，使用泵或其他具有相同功能的设备(喷射器、鼓风机等)来提取气体；则该步骤改为被称为泵送步骤。然而，为了更普遍的适用性，这里将保留术语“减压”。

这里更详细地描述了均衡的作用。均衡允许回收一些最难吸附的化合物，这些化合物包含在死空间(颗粒吸附剂床的情况下的粒间空间、结构化吸附剂情况下的通道、吸附器的末端等)中或被(较差地)吸附。由于这些成分在残余物中不再损失，因此可以提高可吸附性差的气体的提取产率，该提取产率定义为在生产期间回收的部分相对于进料气体中所含的量。

由于至少一些向下均衡是顺流地进行的以便有效，因此吸附最多的化合物倾向于朝向出口端前进。由于期望将这些化合物保持在吸附器中，这导致提供额外量的吸附剂。与均衡相关的产率增加导致吸附器更大。

一旦存在多个(N个)吸附器，多重均衡是可能的，被减压的吸附器以较低的初始压力连续地向各种吸附器供应气体。

如果在子步骤结束时2个吸附器的压力相同(例如，在十毫巴内)，则均衡可以被认为是完全的，或者如果在结束前气体交换被中断，在2个吸附器之间留下相当大的压力差，例如，如果在该子步骤期间吸附器中的压力变化等于或小于完全均衡情况下的压力变化的95％，则均衡可以被认为是部分的(不完全的)。然后可以指定步骤结束时两个吸附器之间的压力差，例如，DP2＝1巴，这表示第二均衡结束时吸附器之间的压力差为1巴。除非进一步详细说明，否则术语“均衡”包含以上两种情况。

这在图1中展示。例如，示出了PSA-H2的典型压力循环。吸附器中的压力绘制在y轴上，并且时间绘制在x轴上。该循环由9个阶段组成，并且因此必须包括9个吸附器。我们将描述吸附器随时间的演变，假定吸附器刚刚完成被再生和再加压，并且因此开始其吸附周期(生产周期，如果如这里假设的，回收的是最难吸附的气体)。

该吸附器(在下文中称为R01)在3个连续的阶段时间中进料了待处理的气体流的1/3。在该周期结束时，再生开始，这种再生涉及首先通过4次连续的均衡(Ed1、Ed2、Ed3和Ed4)(这发生在阶段时间4和5期间)来回收最大可能量的轻型(可吸附性差的)气体。在阶段6开始时，继续从生产中顺流地提取气体。此气体(PP)将在吹扫步骤期间用于洗脱。在阶段6结束时，吸附器中包含的残余加压气体被逆流地提取，并且形成残余物的一部分。这种类型的循环包括4次均衡，对应于与投资相比更倾向于单元的提取产率的决定。例如，该PSA单元可以是生产超过50,000Nm3/h的H2的PSA单元。吹扫发生在阶段时间7期间，然后是向上均衡4。接下来是均衡Eup 3、Eup 2和Eup 1，并且最后是最终的再加压。

9个吸附器中的每一个都应被视为遵循这种在阶段时间之间有时滞的同一循环。因此，针对吸附器R01描述的压力循环也反映了构成PSA单元的9个吸附器中的每一个在给定时刻的状态。例如，在生产步骤开始时，R02处于第二步骤，并且R03正开始其最后一个生产阶段，以此类推。

注意，阶段时间必须绝对地相同，但对于组成循环的子步骤也有时间限制。因此，例如，在降低的压力下的均衡和对应的增加的压力下的均衡之间必须具有同时性。通过同时性，我们不仅指这些步骤具有相同的持续时间，还指它们在各自的阶段时间内相同地定位，例如在阶段开始时。

这导致了在单元调整(scaling)期间，尤其是在操作期间的严格的时间管理，在该操作期间不允许有时滞。

关于调整，例如可以看出，均衡3发生在阶段的开始，而均衡4发生在均衡的结束。在这种情况下，给定这些步骤的持续时间，则必须增加死时间(阶段5的中间)。

在这里描述的情况下，前3个均衡是完整的(P'＝P)，而第四均衡是不完整的，其中DP4实质上不为零。这可能意味着已经达到了期望的提取产率，或者通过继续第四均衡没有获得更多。模拟程序现在可以提供为达到要求的规格而需要实施的循环的精确描述，以及适当吸附剂的性质和量。

除了9个吸附器外，PSA单元还将包括用于进行指定的流量交换(管道、阀等)必要的连接和设备、以及能够管理所有这些元件的监测和控制系统。

基本调节将使吸附器中的每一个达到选定的压力水平。在我们的情况下，假设吸附压力HP和再生压力BP由PSA上游和下游的单元(压缩机的出口、现场废气管网等)施加，则仍需控制5个压力(P1、P2、P3、P4和P5)。然后，在再加压阶段(P'4、P'3、P'2、P'1)期间的压力是交换流量的结果。可以表明，压力P1、P2、P3不能是任意值，并且相反地，存在制约因素。为此，为了实现期望的循环，调节将有利地与均衡DP1、DP2、DP3、DP4结束时的压力差以及与压力P5、洗脱气体提供步骤和最终逆流减压之间的截止压力相关。

虽然压力显然是PSA单元的重要标准，但可能有必要直接调节其他操作要素，例如引入或排出的气体的流量或量(吸附、冲洗、置换步骤等)。

更一般地，PSA循环的每个步骤(无论使用哪种过程)的特征在于对进入或离开吸附器—除了死阶段(根据定义，死阶段不存在输入或输出)—的至少一种量的气体进行转移。为了以预期的方式完成循环，有必要控制这些转移。这是如上所述的各种调节的功能。为此，根据调节的特有定义，选择作为转移的特征的物理参数(压力、如在前一示例中所见的压力差)，与考虑该设定点的点一起分配设定点值或目标值(巴绝对值、毫巴等)(步骤的结束、整个步骤等)，并且识别为了作用于流量而要致动的设备/元件(阀、变频器、定时器、公式中的系数等)。然后，调节原理涉及将特征参数的测量值与其设定点值进行比较，并且进行动作以减小该差距，直到达到目标值为止。注意，术语“目标值”和“设定点”被无差别地使用，尽管目标值更多地对应于过程，并且设定点对应于调节。因为这些原理是众所周知的，所以没有必要进一步详细描述实施这种系统的方法，该系统可能从一个单元到另一个单元变化。

现今，这适用于PSA单元的N个吸附器，这些吸附器遵循具有阶段的时滞的同一压力循环，并且以相同的方式被控制，每个吸附器仅具有用于系统的不同的指标(i、i+1、...)，其他一切(参数、设定点、要致动的设备/元件等)保持不变。然而，注意，为了在结束时达到同一设定点，每个吸附器的动作本身可能不同。例如，为了在减压步骤结束时达到相同的压力P，吸附器1的排放阀可以打开30％，而吸附器2的排放阀可以打开33％。典型地，调节的功能是对设备之间的微小变化(与配置、设置、磨损等的差异相关联)进行管理以便获得相同的最终结果。

然而，与通常的实践相反，当单元的吸附器劣化时(例如，当吸附器之一的吸附剂质量较低(磨损、污染……)时)，或者当单元包括具有不同性质(密度、填充方法、几何特征、不同性质的吸附剂)的至少两个吸附器时，似乎可以提高单元的性能。

因此，本发明的主题是一种用于调节包括N个吸附器的气流分离单元的方法，其中，N≥2，每个吸附器遵循具有阶段时间的时滞的PSA、VSA或VPSA吸附循环，所述调节方法包括以下步骤：

a)对于该吸附循环的至少一个步骤，连续地测量与进入和/或离开该吸附器的气流相关的物理参数；

b)确定在步骤a)中选择的该步骤的至少一个特征值，该特征值选自在步骤a)中测量的该物理参数的值或这些值的函数；

c)将该特征值与目标值进行比较；以及

d)在这个(这些)差值与这些目标值之间出现变化的情况下，改变该气流的流量以便获得该目标值，

其中，对每个吸附器执行步骤a)至步骤d)，并且

其中，至少一个吸附器具有不同于其他吸附器的目标值的目标值，

该目标值是与吸附循环步骤的调节相对应的目标值，对于吸附器(i)，其形式为：X+ΔXi，其中，X是所有吸附器的公共值，并且ΔXi是对所述吸附器(i)的公共值的校正值，

这些目标值是压力或压力差，并且所述目标值优选地是该步骤结束时的期望值。

视情况而定，根据本发明的方法可以具有以下特征中的一个或多个：

-目标值对于每个吸附器是个性化的；

-至少一个吸附器遵循与其他吸附器不同的吸附循环；

-在步骤a)中，该吸附循环的选择的步骤选自吸附步骤、吸附器之间或吸附器与储存容器之间的均衡步骤、洗脱气体提供步骤、利用可选的真空泵吸的减压步骤、可选地在真空下的洗脱步骤、再加压步骤或者冲洗或置换步骤；

-考虑到每个吸附器的具体特征，使用吸附过程模拟软件来确定(多个)目标值；

-执行确定每个吸附器的目标值的步骤，特别是在步骤a)之前执行；

-周期性地重新评估这些目标值；

-在多变量过程中使用最佳搜索软件通过计算或用实验来确定这些目标值。

如上所述，至少一个吸附器可以遵循与其他吸附器不同的吸附循环。

这是由根据本发明的调节带来的自愿动作，而不是循环的非自愿中断(泄漏、堵塞、阀问题等)。

为了简化，可以继续说，所有的吸附器(包括由于个性化调节而具有不同于其他吸附器的压力的至少一种压力的吸附器)都遵循由对应于不同步骤的基础X的目标值所限定的整个相同的吸附循环。然后，ΔXi值显示为对该基础循环的刻意校正。如以下示例所示，对于数量级通常为几巴(实际上，特别是在PSA-H2吸附器的情况下甚至为几十巴)的循环高压与低压之间的压力差，这些校正将为几十毫巴。然而，情况仍然是，在绝对意义上，在本发明的范围内的吸附器中的至少一个具有与该单元的其他吸附器不同的压力循环(HP、P1…Pi、…LP)。

目标值可以具有以下特征中的一个或多个：

-考虑到每个吸附器的具体特征，使用吸附过程模拟软件来确定这些目标值。

-目标值是通过实验活动确定的。

-周期性地重新评估这些目标值，并将新值引入监测和控制系统。

-在多变量过程中使用最佳搜索软件通过计算或用实验来确定这些目标值。

使过程优化的目标值并且因此用于调节的设定点(如已经解释的，两个表达式都被无差别地使用，其中，目标值更多地指过程并且设定点指调节)通常不会被吸附器区分。在实践中，这种区分仅适用于某些步骤，例如一个或两个步骤。因此，在过程模拟软件中，所有吸附器共有的一定数量的目标值将是固定的，而其他的值将被允许在基础值(例如，最初假设N个吸附器完全相同而确定的值)附近变化。不是系统地计算所有可能的情况(一旦考虑包含多于2个吸附器的过程，并且一旦多于一个步骤的目标值要被个性化，这些情况的数量会迅速变得非常大)，而是优选地使用能够更快地达到最佳值的方法。然后将过程模拟软件与多变量过程中的最佳搜索软件结合使用。该软件自动地确定要测试或要模拟的情况，以避免长时间的详尽研究。在实践中，在复杂的情况下，仅这种组合才能在合理的时间框架内获得结果。

将参考图2更详细地描述本发明。这里感兴趣的是在洗脱步骤中由吸附器A向吸附器B提供洗脱气体(或吹扫提供)，并且然后，相反地，在洗脱步骤中进而由吸附器B向吸附器A提供洗脱气体。流动的流体通常是富含可吸附性差的成分的气体，这些成分有助于最易吸附的化合物的解吸。例如，在PSA-H2单元的情况下，气体基本上是氢气，或者在VSA-O2或VPSA-O2单元的情况下，气体基本上是氧气。在我们的情况下，吸附器A将通过将所讨论的气体减压至3巴绝对值的最终压力Pf来提供该气体，而吸附器B处于接近大气压力的压力下。

流量控制装置是阀1，检测装置是吸附器A的压力传感器3和吸附器B的压力传感器4。监测和控制单元由附图标记2表示。各种虚线示出了设备与控制单元之间的连接。然后吸附器A和吸附器B的作用将被颠倒，但在目前的调节原则下，最终的目标值当然是Pf等于3巴绝对值。在实践中，这个值对这两个吸附器都是通用的，并且更一般地说，对遵循同一压力循环的N个吸附器也是通用的。

相比之下，根据本发明，将限定两个并且更一般地N个目标值Pf(i)，为了符合本发明，这些目标值中的至少一个将不同于其他目标值。例如，在这种情况下，对于Pf(A)＝3巴绝对值和Pf(B)＝2.9巴绝对值，将获得最佳性能。我们将在稍后回到这个最佳值不同于理论值的原因。

这种方法是创新的，因为它与通常的程序相反。一旦PSA单元以设计目标值启动，随后就可以进行额外的调节(通常称为微调)，这种调节最初可以包括对一些控制设定点进行微小的更改(对于N个吸附器始终相同)，以便提高性能。还将进行检查，以确保吸附器之间没有不平衡，尽管调节的目的是建立相同的操作，并且在不是这样的情况下，不平衡将通过改变例如控制回路的动作(比例、积分等)、阀打开和关闭速度、数据采集速度等来校正。这里的目的是均衡N个吸附器的操作，这在理论上导致单元的最佳性能。相比之下，本发明的特有原理是在所有目标值对于N个吸附器都相同的操作周围产生微小的不平衡，由于N个吸附器之间缺乏完全的相似性，这种不平衡使得单元的整体性能得到改进。

根据优选的变体，根据本发明的方法涉及

-吸附步骤。取决于实施的循环，可以期望将吸附步骤的结束与以增加的压力进行吸附的情况下的高压相关联，例如，与持续时间相关联，可选地与分析相关联，与在显著的热前缘的情况下的温度相关联，等等。

-吸附器之间或吸附器与容器之间的均衡步骤。正如我们已经说明过的，均衡可以是完全的，即在步骤结束时，经减压的吸附器的压力几乎等于经再加压的吸附器的压力。术语“几乎”在这里是指吸附器之间仍有轻微的压力差，比如25毫巴。这仅仅是因为必须延长步骤的持续时间或增加阀和管道的大小以便获得压力的进一步均衡。这是一个与吸附过程本身无关的经济差异。另一方面，出于性能原因，部分或不完全的均衡可以是有利的。然后规定两个吸附器之间的残余压力差为1巴。

-洗脱气体提供步骤(吹扫气体提供)。这是对应于图2的情况。

-减压步骤。该步骤通常遵循以上步骤，并且最终的压力可能是现场的残余管网压力。如果所述管网的压力波动，通常保持高于管网压力的压力，以避免PSA不稳定。如有必要，则可以针对每个吸附器对压力设定点进行个性化。

-再加压步骤。在任何均衡之后，最终的再加压可以利用不同来源的流体(例如，进料气体，然后是生产气体)在多个连续的子步骤中进行。在这种情况下，也可以限定压力或压力差，这些压力或压力差可以个性化。

-包括提供洗脱气体以及均衡或再加压两者的步骤。与前面的情况一样，可以为每个吸附器限定步骤结束目标值。这两种用途之间的气体分配需要额外的调节或调整，这不在本发明的原理范围内。

以上列出的步骤是PSA过程中最常用的步骤，对于这些步骤，使目标值个性化可能是有利的，这些目标值将决定实际上实施的过程。应当注意，如果例如一个吸附器在单个步骤中向2个吸附器提供气体或者将通常连续地进行的转移组合到单个步骤中，也可以引入其他步骤。本发明的原理适用于所有PSA类型，而与吸附器和储存容器的数量、实施的步骤和它们连接在一起的方式无关，因为假设吸附器在理论上遵循相同的循环，这是迄今已知的所有这种类型的过程的先验情况。

实施本发明的原理可以导致目标值以通常作为用于调节的设定点被引入的方式的改变。以PSA的连续减压为例，可以简单地说，与步骤结束相对应的目标值目前提供在可以由控制装置访问的表中。例如，在图1所示的循环的情况下，相应的数据可以被输入到如下所示类型的表中：

[表1]

DP1	毫巴	15	50	100
					DP2	毫巴	20	50	100
DP3	毫巴	25	50	100
					DP4	毫巴	1000	100	200
P5	毫巴绝对值	3000	[50]	[200]

第一列限定了所讨论的参数，例如第一均衡结束时吸附器之间的压力差(DP1)，第二列限定了单元，第三列限定了目标值(第一均衡步骤结束时目标为15毫巴)，第四列和第五列分别示出了报警阈值和触发(或其他动作)阈值，因为超过这些阈值表明单元的运行有问题。注意，这些阈值在表中示出为相对于目标值的差值。因此，洗脱气体提供步骤结束时压力P5的目标值为3巴，如果该值超出范围2950/3050，则发出警报，并且如果该值例如超出范围2800/3200，将触发响应。

这些值对N个吸附器是通用的，并且只要这些吸附器在所讨论的步骤中，就适用于吸附器中的每一个。

根据本发明，必须为吸附器中的每一个提供这样的表；这是可能的，但会使过程更加繁琐。

考虑到在优化之后，从一个吸附器到下一个吸附器的校正将是轻微的，本发明提出保持理论基础值以及它们的阈值并且为每个吸附器增加校正，其中，这使得改进了单元的整体性能。

然后优选地使用以下类型的数据表：

[表2]

N					1	2	3	4	5	6	7	8	9
														DP1	毫巴	15	50	100
DP2	毫巴	20	50	100
														DP3	毫巴	25	50	100
[DP4	毫巴	1000	100	100			25			-30
														P5	毫巴	3000	[50]	[200]		-20				+25

这意味着对于除了吸附器2(其压力P5的目标值变为2980巴)、吸附器3(其均衡4结束时的设定值被调节至1025毫巴)以及吸附器6(其这两个设定点都被调节)之外吸附器保留了所有理论目标值。

应当注意，这些校正不会影响所有步骤或所有吸附器。此外，这些校正相对较小，并且在许多情况下低于对控制系统开始失去控制进行警告的阈值。我们将在下面给出的示例中回到这些点。

因此，根据优选的实施方式，根据本发明的调节方法的特征在于目标值的一般形式为X+ΔXi，其中，X是N个吸附器的公共设定点，并且ΔXi是设备i与该公共设定点的偏差。

然而，应当注意，在本发明的范围内，仍然有可能直接引入X+ΔXi的值作为吸附器i的设定点，也就是说，根据表2且针对压力P5，吸附器2的值为2980，吸附器6的值为3035。后一种程序特别适用于现有单元，只需最少的修改。

正如我们已经看到的，本发明的基本原理是通过引入校正项(ΔXi)来区分每个吸附器的压力循环，其中这提高了单元的整体性能。在可能的情况下，确定这些校正项的最简单方法是在单元启动后安排优化活动，或者最好周期性地进行，例如每年一次。

以下示例说明了这些观察结果，该示例涉及从大气中生产纯度为90摩尔％的氧气的VSA单元。图3所示的VSA包括：3个相同的吸附器1、2、3，它们理论上遵循具有30s的阶段时间的时滞的同一压力循环；吸入大气4的鼓风机5；以及泵出残余物6的正排量式真空泵7。O28的生产是连续的。附图标记9、10和11对应于用于控制压力循环的阀。通过真空泵7的转速来调节低压Pm。生产和再加压阀11被用于维持高压(PM)。这里要注意，每个吸附器的高压(PM)和/或低压(Pm)的个性化可以通过各种方式(打开阀门、死时间、机器速度等)来完成，不建议将这种个性化用于该循环。已发现，区分这些值并不会在该循环中带来显著的改善，在这方面，查看其他步骤更有优势。

相应的压力循环如图4所示。时间值绘制在x轴上，并且压力值绘制在y轴上。T表示循环时间(90s)，T/3和2T/3分别表示第一阶段和第二阶段的结束。吸附器1处于生产阶段，该生产阶段具有专门用于生产的步骤(a1)以及吸附器3的最终再加压同时发生的步骤(b1)。吸附器2以减压阶段(b1)开始，在此期间提取的气体用于吸附器3的洗脱并参与其再压缩。第二步骤专用于真空泵吸(b2)。正如我们已经看到的，吸附器3在增加的压力下通过洗脱步骤，随后是利用氧气进行再加压的步骤。我们可以看到，持续时间(a1)、(b1)和(c1)必须相同，并且这同样适用于(b1)、(b2)和(b3)。这些参数不能针对每个吸附器而个性化。

在这种类型的VSA循环中，在单元8的净产量方面，吸附器之间交换的氧气量是重要的。在图4中，我们可以看到，吸附器3接收来自吸附器1和吸附器2的气体，并且由于操作是循环的，因此每个吸附器向另外两个吸附器供应气体并从其接收气体。

这里假设高压和低压不是单独地调节的。这与压力循环和使用的机器有关。对于其他循环，比如VPSA循环，这些高压和低压是可以更容易调节的参数，并且然后，这些压力将按照与中间压力相同的方式针对每个吸附器进行个性化。

由于高压和低压是固定的，因此通过3个压力来描述循环：P1，减压结束时的压力，P2，在增加的压力下进行的洗脱结束时的压力，以及P3，利用氧气进行的再加压结束时的压力。理论上，P3＝PM，但是在实践中，如同均衡一样，设定了偏差，例如30毫巴，以避免必须过度增加阀或管道的大小。至于P1和P2，它们并不是独立的，因为P1直接影响转移的气体的量和真空泵的转速。例如，如果P1从0.7巴绝对值变为0.6巴绝对值，在1050巴绝对值的高压下，真空泵排放的气体较少，并且应稍微地减速以保持Pm。在实践中，对低压Pm的影响是轻微的，并且真空泵的转速通常是固定的。正如我们已经提到的，可以修改每个阶段时间的速度，并根据需要使低压值Pm(i)个性化。

本发明的原理不限于通过调节3个吸附器共有的P1值和P3值(或P3与PM之间的差值)来优化循环；相反，为每个吸附器P1(1)、P1(2)、P1(3)以及P3(1)、P3(2)和P3(3)提供了使这些值个性化的可能性。

这种优化可以将纯度提高1％及以上，进而导致在流速提高几个百分点的情况下获得相同的纯度。

吸附器设定点之间引入的差异相对较小，为从10毫巴到30毫巴。因此，对于分别为0.685、0.70和0.695的P1(1)、P1(2)和P1(3)的值，该单元的操作将是最佳的，P3的值保持基本相同。

如果PSA有2个或3个吸附器，参数的最佳值可以通过试验确定。假设在稍微修改后需要50个循环来稳定PSA，即在当前情况下仅一个多小时，则可以在48小时内进行大约四十次测试，特别是因为这些测试可以自动地进行。例如，应考虑气候条件(例如夜间与白天)的变化，在这种情况下，应进行24小时的空运行(不改变循环参数)。在当前情况下，将系统地测试0.685巴绝对值、0.700巴绝对值和0.715巴绝对值，总计27次初步测试。我们将看到，例如最初使用的一组值0.685、0.700、0.700以及十次左右的额外测试将使得能够对最佳值进行微调。应当注意，第一，这种方法的规模有些小；并且第二，它仅能被使用，因为我们正在寻找已知非常接近的点附近的最佳值，在这种情况下，压力P1为0.7巴绝对值。先验地，这最后一点对于所有操作的PSA单元都是正确的，因为从经验、试验工厂测试、模拟等可知接近最佳循环的循环。相比之下，如果需要同时优化2个或3个参数，或者存在大量(>3个)的吸附器，则应使用特定的最佳搜索算法，这将限制要进行的测试的数量。

因此，根据额外的实施例，根据本申请的用于调节PSA气体分离单元的方法在多个变量的情况下使用特定的最佳搜索方法和/或软件，以便确定与该单元的最佳操作相对应的Xi值，并且更具体地，ΔPi和/或ΔDPij值。

这里不需要详细描述这些方法，这些方法可能是复杂的并且专业出版物已经涵盖了这些方法。

我们现在需要了解的是，为什么示例中的0.68、0.70、0.695解决方案，更一般地说，为什么根据吸附器个性化的设定点可以提高PSA单元的整体性能。

我们可以从一开始就排除未校准传感器给出不正确信息的可能性，这可以通过调节设定值来校正。这种类型的单元中使用的传感器是可靠的、坚固的、经定期校准的或具有自校准系统。如果仅仅是补偿测量误差的情况，这将超出本发明的范围。然而，这里提出的方法可以考虑系统误差，只要它们是恒定的并且不会随时间漂移。

在实践中，虽然从单元的操作的角度来看，假设吸附器是相同的，但是存在许多可能的微小差异，这些差异会影响性能。例如，吸附器的几何形状和内容物可能会有变化。

几何形状的变化与各种吸附器及其管道的配置以及吸附器及其内部组分的实际构造相对应。

即使已经提出了完全对称的星形配置，吸附器通常被配置成一条线，或者如果单元包括大量(10个或更多个)吸附器，吸附器有时甚至被配置2条线。然后死空间可以从一个吸附器到另一个吸附器而不同。已知该参数对结果有影响。这些配置还会影响循环中的流量，尤其是当几个吸附器在某些步骤中并行操作时(例如，在生产或洗脱中同时有2个吸附器)。取决于吸附器在公共收集器上的位置，将系统地看到一些吸附器比其他吸附器具有更高的流入流量和/或流出流量。更一般地，连接的路线将对压力损失(锁止压力、抽吸、由于摩擦引起的压力损失等的影响)有影响。

由于这种构造，特别是由于制造公差，可能还会有再次对压力损失以及活性物质的体积产生影响的微小变化。考虑到通常采取的预防措施(优化配置、过程中检查等)，这些影响通常相对较小)，但是它们仍然引入了吸附器之间的差异。

尽管控制的级别不同，但在内容方面的差异可能会更大。我们将考虑例如与以上示例类似的用于分离VSA-O2单元或VPSA-O2单元中的大气O2和N2的LiLSX沸石层。

在这种单元中通常使用几十吨这种吸附剂。该产品在尺寸、密度、氮气吸附容量、氧气和氮气之间的选择性等方面具有非常精确的规格。然而，所有这些性质都受到最小/最大值范围的限制，并且认为所有吸附剂具有完全相同的性质是一种错觉。例如，建议不要使用按时间顺序制造的吸附剂包一个接一个地填充吸附器，而是将这些吸附剂包混合起来(生产活动的开始/中间/结束)。有时可以对它们进行分类，以便形成批次，其中被认为是最重要的特征的平均值从一个吸附器到下一个吸附器是非常相似的。然而，在这方面必然仍会有一些变化。

所用吸附剂的质量也必然存在差异。这些差异源于体积和密度的变化。在径向吸附器中，可以控制体积的变化，在这些径向吸附器中，床的厚度通过将床构造在两个格栅之间来固定。在竖直轴或水平轴圆柱形吸附器的情况下，吸附剂层的顶表面通常是必须被平整的暴露表面。考虑到LiLSX层相对较小的厚度(平均0.5m)和吸附器较大的直径(目前超过3米)，通常在实际填充的体积中具有百分之几的差异。另一个参数是填充密度，它也可以变化百分之几。这是因为，尽管目标通常是实现致密填充(为此目的使用了适当的工具和程序)，但是从一个吸附器到下一个吸附器很难实现完全相同的填充。虽然这些值远低于不采取特定预防措施时会出现的10％的变化，但考虑到所涉及的一定数量的参数(颗粒的密度和形状的可变性、填充系统的旋转速度、颗粒的流速、下落高度等)，1％至2％的变化是不可避免的。

尽管通常采取了预防措施(有限周期的储存、密封包装，一方面存在干燥剂，另一方面，如果相对湿度过高则停止填充过程并且使用基本密封的填充系统)，但是储存条件和储存时间以及填充过程中大气条件的可能变化会导致吸附剂中的湿度稍微地升高。这种水的存在，即使是非常少量的水，也会对氮气吸附容量产生大约百分之一或百分之二的影响。

为了简化，并且返回我们的具有3个吸附器的VSA的示例，可以认为吸附器1包含比预期的稍多的吸附器，并且吸附器3包含比预期的稍少的吸附剂，导致吸附器1在氮气捕获方面性能过高，而吸附器3在氮气捕获方面性能不足。在实践中，正如我们刚刚看到的，这种差异也可能是由于N2产能与产量不同，或者由于在储存或填充期间的轻微污染等引起的。我们通过监测每个吸附器出口处的氧气纯度并比较吸附器的热分布来进行这种诊断。我们将在稍后返回到可以执行的诊断以及为此目的可以获得元素的方式。由于可以认为由每个吸附器处理的空气量相同，因此吸附器1具有余量，而相反地，吸附器3可能过早破裂。因此，有必要稍微增加吸附器3的洗脱，以便稍微地改进再生，并且由于改进了再生而恢复额外的吸附容量。吸附器1提供洗脱气体。为了增加这种气体的量，该步骤结束时的压力应该稍微地降低，从0.7巴绝对值降到0.68巴绝对值。这倾向于将稍微更多的氮气推到吸附器1的顶部，这由于余量而是可能的。吸附器3向吸附器2供应洗脱气体。当吸附剂的体积稍微地减小时，这种气体的量本身也会有所减少。可以通过将步骤结束压力从0.7巴绝对值稍微地降低到0.695巴绝对值来增加气体的量。吸附器2的压力循环保持不变。

应当注意，这种类型的论证非常困难，而且经常会产生误导，因为吸附器之间存在多次交换，并且所有东西都是相互关联的。

例如，吸附器与其他吸附器相比可能显得“差”，仅仅是因为它接收到来自其相邻吸附器的污染流。因此，“有问题的”吸附器并不是看起来的那个吸附器。

为此，已经开发了两种互补的方法。这两种方法可以独立地使用或同时使用。

第一种方法涉及使用小型试验单元，在该试验单元中刻意地制造不平衡，对其结果进行系统地分析，以便随后能够对工业装置进行如上所述的诊断，并且然后尽可能地校正基本操作，以便在这种条件下对生产进行优化。例如，在VPSA中，吸附剂的计划的初始体积的95％将处于第一吸附器中，吸附剂的计划的初始体积的105％处于第二吸附器中。然后，必须对压力循环进行微调，以便与均衡的初始状态相比，将性能损失降至最低。已经提到的具有多个变量的最佳搜索算法可以用于找到这个最佳值。

因此，根据本发明的方法可以涉及对单元的操作进行诊断，并基于在试验单元上进行的系统研究来初始化Xi的值，更特别地初始化ΔPi和/或ΔDPij的值，所述试验单元在吸附器之间具有刻意的已知差异。这里假设在试验单元和工业单元上观察到的相同效果具有相同的原因，并且假设可以应用相同的改进程序。这可能仅是一种方法，可能的话需要在现场进行额外的测试。

第二种方法涉及在吸附器之间进行类似的区分过程并且分析行为差异，但这一次是通过由吸附过程模拟软件执行的计算而进行的。

通常，为了简化计算，假设在这种类型的软件中所有吸附器都是相同的，并且在实践中，仅描述了一个吸附器，这遵循共同的循环。随着计算机变得更快和更强大，采用比十年前使用的方法更复杂的收敛方法，可以模拟包括N个吸附器的实际单元，并从这里引入一些吸附器的特定特征(吸附剂质量、死空间或吸附特征(动力学、选择性等))。如前所述，第一步骤是利用相同的压力循环进行计算，建立所有可观察到的变化(在一个吸附器出口处的纯度下降、热分布的变化、真空泵吸的持续时间等)以便获得诊断要素，然后仍然在多变量过程中使用最优搜索软件开始优化计算。

因此，根据优选的变体，本发明提供：

一种用于根据前述特征之一调节PSA气体分离单元的方法，使得Xi值，并且更具体地ΔPi和/或ΔDPij值通过过程模拟器来确定，该过程模拟器考虑了每个吸附器的特定特征，这些特定特征与所使用的吸附材料(体积、密度、吸附容量、选择性等)以及与构造或配置特征(距离、死空间等)有关，但不限于此。

该调节方法的特征在于使用与过程模拟器相结合的特定最佳搜索程序来确定与单元的最佳操作相对应的步骤结束设定点Xi(特别是ΔPi和/或ΔDPij)。使用这样的计算过程，可以模拟比利用试验单元更多的情况，并创建更精确的诊断程序和优化程序。然后，试验单元可以用作模拟的验证工具。

本发明的另一个主题优选地是气流分离单元，其包括至少两个吸附器A和B，吸附器A和B遵循PSA、VSA或VPSA压力循环，并且具有根据本发明的用于调节该单元的器件。

气流优选地选自大气、含氢气的气体、含CO2的气体或含CO的气体，其中，所述单元被设计成分别产生富含氧气、氢气或氦气、CO2、CO或甲烷的流。

Claims (9)

1.一种用于调节包括N个吸附器的气流分离单元的方法，其中，N≥2，每个吸附器遵循具有阶段时间的时滞的PSA、VSA或VPSA吸附循环，所述调节方法包括以下步骤：

a)对于该吸附循环的至少一个步骤，连续地测量与进入和/或离开该吸附器的气流相关的物理参数；

b)确定在步骤a)中选择的该步骤的至少一个特征值，该特征值选自在步骤a)中测量的该物理参数的值或这些值的函数；

c)将该特征值与目标值进行比较；以及

d)在这个(这些)差值与这些目标值之间出现变化的情况下，改变该气流的流量以便获得该目标值，

其中，对每个吸附器执行步骤a)至步骤d)，并且

其中，至少一个吸附器具有不同于其他吸附器的目标值的目标值，

该目标值是与吸附循环步骤的调节相对应的目标值，对于吸附器(i)，其形式为：X+ΔXi，其中，X是所有吸附器的公共值，并且ΔXi是对所述吸附器(i)的公共值的校正值，

这些目标值是压力或压力差，并且所述目标值优选地是该步骤结束时的期望值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个吸附器遵循与其他吸附器不同的吸附循环。

3.根据权利要求1或2之一所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，该吸附循环的选择的步骤选自吸附步骤、吸附器之间或吸附器与储存容器之间的均衡步骤、洗脱气体提供步骤、利用可选的真空泵吸的减压步骤、可选地在真空下的洗脱步骤、再加压步骤或者冲洗或置换步骤。

4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，考虑到每个吸附器的具体特征，使用吸附过程模拟软件来确定该(多个)目标值。

5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，执行确定每个吸附器的目标值的步骤，特别是在步骤a)之前执行。

6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，周期性地重新评估这些目标值。

7.根据权利要求4、5或6之一所述的方法，其特征在于，在多变量过程中使用最佳搜索软件通过计算或用实验来确定这些目标值。

8.一种气流分离单元，包括至少两个吸附器A和B，该至少两个吸附器遵循PSA、VSA或VPSA压力循环并且具有用于实施根据权利要求1至7之一所述的调节该单元的方法的器件。

9.根据权利要求8所述的气流分离单元，其特征在于，该气流选自大气、含氢气的气体、含CO2的气体或含CO的气体，其中，所述单元被设计成分别产生富含氧气、氢气或氦气、CO2、CO或甲烷的流。

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