CN115671947A - 空气分离设备、吸附器及方法 - Google Patents

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G·克里希那穆提
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Abstract

一种经由空气分离单元(ASU)系统的预净化单元(PPU)净化空气的方法，空气分离单元系统具有位于PPU上游的预PPU冷却器，以在将压缩空气送至PPU之前冷却该压缩空气，该方法可包括以下步骤，使空气通过PPU的吸附器，以使空气通过吸附器的容器内吸附材料床层。响应于预PPU冷却器被确定存在导致预PPU冷却器跳闸或要求预PPU冷却器脱机的问题，仍应继续以满负荷运行ASU系统，即使PPU的空气输出中一氧化二氮(N2O)超过第一预选阈值且低于与二氧化碳(CO2)突破相关联的第二预选阈值。可以设计ASU及PPU来实现方法的实施例。

Description

空气分离设备、吸附器及方法
技术领域
本发明涉及空气分离系统、可在此类系统中使用的预净化单元布置、空气分离系统中用于净化空气的吸附器，以及其制造及使用的方法。
背景技术
变温吸附(TSA,Thermal Swing Adsorption)经常与变压吸附(PSA,PressureSwing Adsorption)等技术一起用作空气低温蒸馏过程的预净化。TSA的功能为去除具有高凝固点的成分，诸如环境湿气(例如，水蒸汽、H2O)及二氧化碳(CO2)等，否则这些成分会在下游处理中冻结，从而导致堵塞等操作性问题。一氧化二氮(N2O)、碳氢化合物(如甲烷、CH4等)及其他杂质也可以经由前端净化去除，以避免这些杂质在下游过程中积聚。
净化单元通常使用吸附器。吸附器通常有四种不同常见配置：垂直、垂直横流、水平及径向。这些类型的吸附器、TSA系统及PSA系统的实例可从美国专利第4,472,178号、第4,541,851号、第4,784,672号、第5,137,548号、第5,232,474号、第5,425,240号、第5,759,242号、第5,846,295号、第5,917,136号、第6,086,659号、第6,106,593号、第6,152,991号、第6,506,236号、第6,599,347号、第6,866,075号、第7,022,159号、第7,285,154号、第7,413,595号、第8,206,669号、第8,262,783号、第8,268,044号、第8,404,024号、第8,518,356号、第8,734,571号、第8,814,985号、第9,108,145号、第9,199,190号、第9,631,864号及第9,731,241号，美国专利公开第2011/0206581号、第2011/0219950号及第2019/0291078号，以及加拿大专利公开第2,357,276A号中显而易见。
如美国专利第6,106,593号所公开，已知应从进料空气中去除氮氧化物以进行空气分离。一种次要空气成分是一氧化二氮N2O，其以约0.3ppm浓度存在于环境空气中。正如美国专利第6,106,593号中教示，N2O被认为具有与二氧化碳相似的物理性质，并且因此认识到会带来潜在操作问题，这是因为在将空气分离成一或多种产品(例如氧气、氮气等)的低温蒸馏系统的空气分离塔及热交换器中会形成固体。
美国专利第6,106,593号还公开，已知N2O可增强有机材料的燃烧，并具有冲击敏感性。美国专利第6,106,593号公开，N2O也被认为对低温蒸馏系统的运行存在安全隐患。
发明内容
我们确定，空气分离单元(ASU,air separation unit)系统通常必须考虑与使用冷却器在将空气流送至预净化单元(PPU,pre-purification unit)之前冷却压缩空气相关联的已知运行问题。在常规ASU系统中，空气的冷却非常重要，有助于确保PPU的空气流输出中一氧化二氮及二氧化碳不会超过极低的预选阈值。例如，机械式冷却器每年经常会出现多次设备故障。例如，机械式冷却器的压缩机每年运行中可能会发生约1-2次故障(如断裂、停止工作等)(并且有时更频繁)。其他类型的预期故障可能包括热交换器泄漏或堵塞、吸收式冷却器的泵故障、水平传感器故障、致动器故障、控制系统错误或故障、阀门故障或其他类型的机械故障。由于该已知冷却器运行问题，藉由提供冗余冷却器作为备用冷却器，通常会增加投资费用，以解决此类问题。或者，ASU系统可以被设计为具有显著更大PPU，该PPU的构建成本可能更高，并且由于不使用冷却器及将被送入PPU的空气流的较高输入运行温度，可能会产生更高运行成本。或者，ASU系统可经设计以在冷却器故障期间关闭(以低于设计功率运行)，并用储罐中备用液体产品运行，这对投资费用有重大影响。本领域中已经常规开发了这些布置，以帮助确保ASU系统1在PPU的CO2及N2O突破其非常低预定过程范围时不运行，以避免可能影响系统安全的下游处理问题。
我们已经确定，可以实现该安全预防行动的目标，同时也允许在ASU系统中改进冷却器的使用，以提高运行效率，同时也保持ASU系统持续运行的安全性。我们已经确定，可以安全允许N2O在相对较短预选持续时间(例如，不超过14天、不超过7天或不超过2天等)内以较高水平通过ASU系统的预净化单元(PPU)，来考虑可在预选持续时间内解决及消除的冷却器故障，同时还提供了可降低成本及提高盈利能力的显著优势，同时保持安全运行。例如，我们确定，允许N2O在相对较短持续时间内以高于第一阈值水平的较高水平通过，同时可允许仍处于与CO2突破相关联的第二阈值水平来通过PPU，并且不会造成直接安全问题或其他直接运行问题。相比之下，CO2突破将带来此类问题。
藉由允许ASU系统在预PPU冷却器维护或预PPU冷却器的其他跳闸期间以满负荷运行，与ASU关闭或以较低负荷运行相比，ASU可以继续以更高整体利润及效率运行，以考虑预PPU冷却器的运行状态。我们确定，允许N2O在超过第一预选运行阈值同时仍低于与CO2突破相关联的第二预选阈值的水平下突破PPU，可以防止ASU系统中N2O过度积聚，这在相对较短持续时间内不会产生需要解决冷却器跳闸情况(例如，压缩机故障、泵故障等，例如这可能需要1-14天才能解决，至多7天解决，或至多2天解决)的问题。在此类条件约束下，允许N2O突破超过PPU可以避免与CO2突破相关联的严重问题，并且可以藉由调整ASU系统的除霜间隔使该间隔稍微缩短(例如缩短1-4个月、缩短0.5-5个月、缩短0.5-2个月等)来缓解，以考虑在增加的N2O水平下的持续时间。
由于N2O水平升高不会立即造成问题，我们确定，在严格控制CO2的同时，运营权衡允许N2O突破PPU。此外，可以在ASU系统的其他运行时间进一步缓解升高的N2O情况，这可对ASU系统的运营商更有利，而不会显著抵消允许系统的有限N2O突破运行所带来的运营效率及成本节约。
PPU、ASU系统及方法的实施例可以提供与投资费用的降低有关的额外益处。例如，实施例可以在允许PPU容器尺寸保持在较小尺寸的同时，允许冷却器是否可操作的灵活性，这会影响投资费用。传统上，随着PPU进料温度升高(诸如，当冷却器跳闸时)，通常期望必须增加PPU尺寸，以考虑此类运行情况，因为需要更多分子筛来确保CO2及N2O的去除。我们的ASU系统及方法的实施例的一个意想不到的益处为，还可以以更低投资费用及使用更少量分子筛吸附材料来提供运行灵活性及连续性。
例如，当ASU系统没有在高N2O水平下运行(例如，在关闭和/或冬季环境运行条件下)时，系统可以采取纠正行动，以帮助缓解可对系统的运行单元造成不利影响的N2O积聚。例如，考虑到N2O升高对系统运行影响的持续时间，可以调节ASU系统的除霜间隔。这种除霜时间间隔通常每隔几年发生一次(例如，3-10年、3-8年、5-8年、4-10年等)。该时间间隔的轻微调整(例如，1-2个月、0.5-1个月、0.5-4个月等)可能会对ASU系统在高N2O水平下的运行所带来的成本及效率提高产生微不足道的影响，这考虑了位于PPU上游的冷却器的周期性运行问题，该冷却器用于冷却要送至PPU的压缩进料空气以去除空气中不希望的杂质。
举一个具体、非限制性实例，其帮助说明我们已经确定对于我们的方法、我们的PPU及ASU系统的实施例为可行的新颖权衡，ASU系统可以经设计以每天处理3000吨氧气。在此类系统中，可以允许导致在过高N2O水平下运行长达8天的冷却器跳闸，其中允许送至PPU的压缩空气中50％的环境N2O突破PPU并逸出至ASU中，并导致除霜间隔的调整，以考虑8天的运行时间内该N2O升高。对于该特定非限制性实例，此类调整可以将除霜间隔缩短约24天(例如，要求除霜程序加快24天进行)。在其他实例中，被设计为3年除霜间隔或5年除霜间隔的ASU系统，在过高N2O水平下运行长达8天，其中允许送至PPU的压缩空气中50％的环境N2O突破PPU并逸出到ASU中，可导致除霜间隔的调整分别减少16天或30天。
应了解，该除霜间隔为ASU在除霜操作之间可以连续运行的时间段(例如，在ASU上执行的第一除霜操作与在ASU上执行的接下来第二除霜操作之间的时间段。例如，若除霜间隔例如为3年，则3年将分隔第一及第二除霜间隔，并且在第一与第二除霜操作之间的该3年内不会执行其他除霜操作。举另一实例，若除霜间隔为5年，则5年将分隔第一及第二除霜间隔，并且在该5年除霜间隔时期内没有中间除霜操作。
我们确定，实施例可以提供显著运行改进及改进的操作灵活性，因为除霜间隔可以由操作员定时，以考虑操作员的操作便利性，并避免与冗余冷却器、更大PPU设计相关联的不必要成本，或者意外地使ASU系统脱机，以考虑计划外的冷却器跳闸。对除霜间隔的调整可允许ASU系统在高N2O水平下安全运行一或多个时间段，每个时间段都在预定的时间段内。ASU系统可用以监测过量N2O及CO2积聚，以进一步提高ASU系统运行的安全性，并有助于安全地调整除霜间隔，因为ASU以高N2O水平运行可能需要缩短该间隔。
我们已经确定，我们的ASU系统、PPU及吸附器的实施例可以提供显著优势。例如，吸附器的实施例可以实现ASU系统的可靠及不间断运行，而不管冷却器跳闸。冷却器跳闸可能是预PPU冷却器发生可能需要将冷却器脱机(例如，旁路，使其不再运行)或必须以降低的负荷运行的故障的情况。
冷却器跳闸的实例可包括泵故障、压缩机故障、热交换器泄漏(例如蒸发器泄漏、发生器泄漏等)、冷却器导管堵塞、阀门故障、泵故障、水平传感器故障、致动器故障、控制系统错误或故障，或其他类型的机械故障。此类故障可能与冷却器性能降低有关，这会阻止冷却器将压缩机系统的压缩空气输出冷却到所需的预选PPU进料温度范围内，其可能导致PPU在能够吸附诸如N2O和/或CO2等杂质时的有效性受到不利影响。
举另一实例，吸附器的实施例可以利用更小吸附材料分子筛层来去除N2O，这可以显著减小PPU所需的吸附器尺寸。这可以提高运行效率，并降低使用此类吸附器的PPU的总体投资费用、维护成本及运行成本。我们的PPU的实施例(使用我们的吸附器的实施例)还可以消除ASU系统的预PPU冷却器对冷却器冗余的需要，冷却器位于PPU的上游，用于冷却送至PPU的空气。在线冷却器出现问题或需要维护时，避免备用冷却器在线运行，可以极大地降低系统的投资费用，并减少此类系统所需的占地面积。在一些类型的设施中，这可以提供显著投资费用节约，因为可以避免额外冷却器及安装冗余冷却器。在一些大型ASU系统中，此类成本节约可能高达$500,000或数百万元。在一些中小型ASU系统中，成本节约可能在$100,000-$400,000之间。
PPU及吸附器的实施例还可以允许ASU系统在没有特殊N2O去除层的情况下运行，与使用具有较低吸附材料再生温度的其他吸附材料相比，这通常需要更高温度的再生气体。例如，我们的吸附器的实施例可以避免使用一层CaX吸附材料，这可能需要使用温度为300℃或更高的再生气体，并且可能比一些类型的吸附材料(例如NaMSX吸附材料)贵30％。因此，此类实施例可提供需要较低温度再生气体流的较低运行成本。
在一些实施例中，PPU的每个吸附器可以有单层材料用于其吸附材料床层，吸附材料包括分子筛材料(例如13、NaX、NaMSX、氧化铝、硅胶、其组合，诸如物理混合物以及含有氧化铝及分子筛的复合吸附剂等)，其用以在冷却器正常运行时去除送至PPU的空气中95％-100％的水或99％-100％的水、95％-100％的CO2或99％-100％的CO2及50％-100％的N2O或95-100％的N2O，并用以在冷却器跳闸、脱机或以降低负荷运行时去除送至PPU的空气中95％-100％的水或99％-100％的水、95-100％的CO2或99％-100％的CO2，及20％-50％的N2O。
在一些实施例中，可以对吸附器进行配置，以便当冷却器处于跳闸状态时，去除的N2O量可以为送至PPU的空气中N2O的20％-50％或10％-50％，或者小于送至PPU的空气中N2O的50％。例如，在送至PPU的空气中N2O含量为0.4ppm的情况下，当冷却器在跳闸条件下运行时，PPU的净化空气输出中N2O含量可能在0.25ppm至0.2ppm N2O的范围内，在0.25ppm至0.32ppm N2O的范围内，在0.3ppm至0.25ppm N2O的范围内，或在0.2ppm至0.32ppm N2O的范围内。在此类实施例中，当冷却器正常运行时，PPU的空气输出中N2O含量可在0ppm至0.015ppm、0ppm至0.2ppm、小于0.015ppm或0.03ppm至0.015ppm的范围内。
举另一实例，在送至PPU的空气中N2O含量为0.3ppm的情况下，当冷却器在跳闸条件下运行时，PPU的净化空气输出中N2O含量可能在0.15ppm至0.0675ppm N2O的范围内，在0.15ppm至0.3ppm N2O、0.15ppm至0.24ppm N2O的范围内，或在0.27-0.15ppm N2O的范围内。在此类实施例中，当冷却器正常运行时，PPU的空气输出中N2O含量可在0ppm至0.015ppm、0ppm至0.15ppm、小于0.015ppm或0.03ppm至0.015ppm的范围内。
PPU及吸附器的实施例可允许ASU系统在上游预PPU冷却器故障或预PPU冷却器跳闸期间满负荷运行。这可有助于避免需要使用冗余冷却器来在线冷却要送至PPU的压缩空气。此类操作灵活性允许降低投资费用、运行成本及维护成本，并为ASU系统1提供更好输出。因此，ASU系统运营商的整体盈利能力可以藉由利用ASU系统的实施例来大大提高，该ASU系统的实施例利用具有采用我们的吸附器实施例的吸收器的PPU。
空气分离单元(ASU)系统的预净化单元(PPU)的吸附器的实施例可包括可连接在压缩机系统与热交换器之间的容器，以及放置在该容器中的吸附材料床层。吸附材料床层可用以从送至PPU的压缩空气流中去除水(H2O)及二氧化碳(CO2)，并且还可用以去除一氧化二氮(N2O)，以便PPU的空气输出中N2O低于第一预选阈值。吸附材料床层可被配置成使得，响应于预PPU冷却器被确定存在导致预PPU冷却器跳闸或要求预PPU冷却器脱机的问题，PPU可以满负荷运行，以便PPU的空气输出中N2O超过第一预选阈值并低于与CO2突破相关联的第二预选阈值。
第一层吸附材料可包括特定类型的材料或材料组合。在一些实施例中，例如，第一层可包括氧化铝。第二层吸附材料也可以包括特定类型的材料或材料组合。在一些实施例中，例如，第二层吸附材料可包括NaX、NaLSX或NaMSX。在一些实施例中，吸附材料床层可以被构造为单层材料或多层材料。
第一预选阈值范围及第二预选阈值范围可以不同，并可为可满足特定设计标准集的各种可接受范围。例如，第一预选阈值可在0-0.2ppm N2O的范围内，并且第二预选阈值可在0.2-0.32ppm N2O的范围内或在小于0.4ppm N2O且大于0.2ppm N2O的范围内。在一些实施例中，可以选择第一预选阈值，以便从空气中去除送至PPU的空气中20％-100％的N2O，并且可以选择第二预选阈值，以便从空气中去除送至PPU的空气中低于50％的N2O。
本文还提供了经由ASU系统的PPU来净化空气的方法，ASU系统具有位于PPU上游的预PPU冷却器，用于在将压缩空气送至PPU之前冷却该压缩空气。此类方法的实施例可包括使空气通过PPU的吸附器，以使空气通过吸附器容器内吸附材料床层，响应于预PPU冷却器被确定存在导致预PPU冷却器跳闸或要求预PPU冷却器脱机的问题，即使PPU的空气输出中一氧化二氮(N2O)超过第一预选阈值并低于与二氧化碳(CO2)突破相关联的第二预选阈值，仍应继续以满负荷运行ASU系统。
吸附材料床层可包括一或多种材料。例如，床层可包括氧化铝、硅胶、13X、NaX、NaLSX、NaMSX或其组合，其粒径范围为1.0毫米(mm)至5mm。其他实施例可利用其他类型的床层材料或其他类型的粒径范围。
方法的实施例可包括其他步骤。例如，实施例可包括监测PPU的空气输出中CO2含量。举另一实例，实施例可包括在ASU系统的预PPU冷却器重新联机且PPU的空气输出中N2O不再超过第一预选阈值后，采取补救行动解决从PPU输出的空气中过量N2O。该补救行动可在预PPU冷却器重新联机后立即采取，或在预PPU冷却器重新联机数月或数年后采取其他类型的行动。例如，补救行动可包括缩短ASU系统的除霜间隔，以考虑ASU系统在PPU的空气输出中N2O超过第一预选阈值的情况下运行的持续时间。缩短除霜间隔的步骤可包括减少ASU系统计划进行除霜之前的时间量。
如上所述，可以选择第一及第二预选阈值范围，以满足特定设计标准集。例如，第一预选阈值可以在0-0.2ppm N2O的范围内，并且第二预选阈值可以在0.2-0.32ppm N2O的范围内或另一适当范围。举另一实例，可以选择第一预选阈值，以便从空气中去除送至PPU的空气中20％-100％的N2O，并且可以选择第二预选阈值，以便从空气中去除送至PPU的空气中低于50％的N2O。
可以实施方法的实施例，以便即使PPU的空气输出中N2O超过第一预选阈值并低于与CO2突破相关联的第二预选阈值，也允许ASU系统继续以满负荷运行预选持续时间段。例如，预选持续时间可为不超过14天、不超过7天或不超过2天的时间段。
应了解，即使PPU输出的空气中N2O超过第一预选阈值，也可以继续以满负荷运行ASU系统，而无需操作冗余预PPU冷却器以在将压缩空气送至PPU之前冷却压缩空气，以替换预PPU冷却器(其确定存在导致预PPU冷却器跳闸或要求预PPU冷却器脱机的问题)。因此，实施例可以在不使用必须包括在工厂或ASU系统中的冗余预PPU冷却器的情况下实施。
ASU系统的实施例可包括可连接至压缩机系统的PPU，以接收来自压缩机系统的压缩空气。PPU可连接至热交换器，以将经由PPU净化的空气送至热交换器。预PPU冷却器可置于压缩机系统与PPU之间，用于冷却来自压缩机系统的压缩空气输出，并将冷却后的压缩空气送至PPU。PPU可包括吸附器(例如，上述吸附器)的至少一个实施例。例如，PPU可包括可连接在压缩机系统与热交换器之间的容器。容器中可以放置吸附材料床层。吸附材料床层可具有至少一层吸附材料，以从空气中去除水、从空气中去除CO2及从空气中去除N2O，以便PPU的空气输出的N2O低于第一预选阈值。ASU系统可被配置成，响应于预PPU冷却器被确定存在导致预PPU冷却器跳闸或需要预PPU冷却器脱机的问题，即使PPU的空气输出中N2O超过第一预选阈值，ASU系统仍可以满负荷运行。
ASU系统的实施例可以包括其他部件。例如，ASU系统还可以包括空气分离塔组件，其经定位以从热交换器接收空气。
ASU系统的实施例可被配置为，响应预PPU冷却器被确定存在导致预PPU冷却器跳闸的问题，即使PPU的空气输出中N2O超过第一预选阈值，ASU系统仍可以满负荷运行，直到PPU的空气输出超过大于第一预选阈值的第二预选阈值。第二预选阈值可能与CO2突破条件相关联。在一些实施例中，第一预选阈值可在0-0.2ppm N2O的范围内，并且第二预选阈值可在0.2-0.32ppm N2O的范围内或在小于0.4ppm N2O且大于0.2ppm N2O的范围内。在其他实施例中，可以选择第一预选阈值，以便从空气中去除送至PPU的空气中20％-100％的N2O，并且可以选择第二预选阈值，以便从空气中去除送至PPU的空气中低于50％的N2O。在又一些实施例中，可将第一及第二预选阈值设置为其他值，以适应特定设计标准集。
ASU系统的实施例可被配置成即使PPU的空气输出中N2O超过第一预选阈值，并在预选持续时间段内低于与CO2突破相关联的第二预选阈值，仍以满负荷运行。该时间段可为例如不超过14天、不超过7天或不超过2天。
ASU系统的实施例可被配置成，即使PPU的空气输出中N2O超过第一预选阈值，仍以满负荷运行ASU系统，而无需操作冗余预PPU冷却器在将压缩空气送至PPU之前冷却压缩机系统的压缩空气，以替换预PPU冷却器(其被确定存在导致预PPU冷却器跳闸或要求预PPU冷却器脱机的问题)。例如，可以使用ASU系统，而不使用冗余备用预PPU冷却器。
我们的空气分离系统、吸附器、径向吸附器、使用一或多个吸附器的预净化系统以及其制造及使用方法的其他细节、目的及优点将随着以下对其某些示例性实施例的描述而变得显而易见。
附图说明
空气分离系统、吸附器、径向吸附器、使用一或多个吸附器的预净化系统以及其制造及使用方法的示例性实施例在本文所附图式中示出。应当理解，在图式中使用的类似组件符号可以识别类似部件。
图1为空气分离单元(ASU)系统1的第一示例性实施例的方块图，该系统利用预净化系统3的示例性实施例，预净化系统净化空气流以送至空气分离塔组件5，用于将空气分离成氧气和/或氮气流以及其他流(例如，至少一种废物流和/或氩气和/或氪气和/或氙气等)。在一些实施例中，ASU系统1可为工厂，或可以在工厂中使用。
图2为ASU系统1的第一示例性实施例的预净化系统3的预净化单元107的第一示例性实施例的示意图。
图3为吸附器200的第一示例性实施例的示意图，该吸附器可包括在ASU系统1的第一示例性实施例的预净化系统3的预净化单元107中。
图4为吸附器200的第二示例性实施例的示意图，该吸附器可包括在ASU系统1的第一示例性实施例的预净化系统3的预净化单元107中。
图5为吸附器200的第三示例性实施例的示意图，该吸附器可包括在ASU系统1的第一示例性实施例的预净化系统3的预净化单元(PPU)107中。
图6为可在ASU系统1的第一示例性实施例中使用的示例性控制器的方块图。
图7为经由空气分离单元系统的PPU来净化空气的示例性方法的流程图，空气分离单元系统具有位于PPU上游的预PPU冷却器，以在将压缩空气送至PPU之前冷却该压缩空气。
图8为示例性预PPU冷却器104的方块图，其可在ASU系统1的第一示例性实施例中使用且也可在图9所示的预PPU冷却器104中用作示例性冷却介质冷却系统(CMCS,coolingmedium chilling system)。
图9为可在ASU系统1的第一示例性实施例中使用的示例性预PPU冷却器104的方块图。
具体实施方式
参考图1至图9，工厂可包括空气分离单元(ASU)系统1。ASU系统1可经配置为低温空气蒸馏系统，用于产生一或多个输出流，以提供一或多种所需产品(例如氧气和/或液氧和/或氮气和/或液氮和/或氩气和/或氩液和/或其他流体流等)。在一些实施例中，ASU系统1可为工厂。在其他实施例中，工厂可以包括ASU系统1，作为更大设施的部件。例如，包括ASU系统1的工厂可为工业发电厂、大型制造设施或其他类型的工厂。工厂或ASU系统1的实施例可以利用控制器来帮助监测和/或控制工厂和/或ASU系统1的运行。
ASU系统1可被配置为包括预净化系统3，该预净化系统用以净化空气进流，以去除空气中杂质，以供送至空气分离塔组件5将空气分离为一或多种流体产品流及一或多种废液流。一或多种产品流可以包括至少一种氮气流和/或至少一种氧气流，且还可以包括一或多种氩、氙、氪或其他空气成分流。空气分离塔组件5还可以输出一或多种废液流。废物流可排放到大气中和/或用于一或多个其他工厂过程。
空气分离塔组件5可以包括多塔组件111，其包括位于高压塔111b上方的低压塔111a。在多柱塔布置中，再沸器冷凝器111c可位于高压塔111b与低压塔111a之间。高压塔111b可被视为多塔组件的第一塔，其在多柱塔组件的柱的最高压力下运行。例如，高压塔111b可在高于低压塔111a的运行压力的压力下运行，该低压塔可被视为多塔组件的第二塔。
在一些实施例中，低压塔111a可以在1.1atm与5atm之间、1.1atm与3atm之间或在大于1bar且小于5bar的压力下运行，并且高压塔111b可以在4.5atm与15atm之间的压力下运行，或者在大于4bar且小于15bar的压力下运行。
如图1最佳显示，空气进流100可通过压缩机系统103以将空气压缩至更高预选压力。加压空气可从压缩机系统103输出，并经由压缩空气进料导管送至预净化系统3的预净化单元(PPU)107。PPU 107可用以净化压缩机系统103的压缩空气输出流，以去除空气中杂质。例如，PPU 107可被配置作为吸附系统，其设计用于从空气中去除不需要的杂质，诸如例如二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、水(H2O)、碳氢化合物(例如丁烷、乙烯等)及一氧化二氮(N2O)。
预PPU冷却器104可位于压缩机系统103与PPU 107之间，以在将压缩空气送至PPU107之前，将压缩空气冷却至预选PPU温度或PPU温度范围内的温度。预PPU冷却器104可为(或包括)冷却器、机械式冷却器、吸收式冷却器或其他类型的冷却器。应理解，冷却器也可以被称为冷却机。
压缩机系统103的压缩空气输出的温度可以在10℃-25℃、15℃-30℃或5℃-50℃的范围内。预PPU冷却器104可用以将该压缩空气流冷却到预选PPU进料温度，该预选温度落在5℃-15℃、5℃-20℃或10℃-20℃的PPU进料温度范围内。送至PPU的冷却压缩空气可处于该冷却温度或温度范围。当预PPU冷却器104跳闸且预PPU冷却器脱机或以降低负荷运行时，送至PPU 107的压缩空气可在高于范围的温度下被送至PPU。例如，当预PPU冷却器104跳闸时(例如，由于本文所述机械故障、压缩机故障、泵故障、泄漏、堵塞等原因)，可在10℃-25℃、15℃-30℃或5℃-50℃的温度范围内将压缩空气送至PPU 107。
图8至图9说明可在ASU系统1中使用的示例性预PPU冷却器104。预PPU冷却器可以从压缩机系统103接收压缩空气104a的输出流，并输出冷却的压缩空气流104b，以将冷却的压缩空气流送至PPU 107。应当理解，也可以使用其他类型的吸收式冷却器或机械式冷却器(例如，多级吸收式冷却器、其他类型的单级吸收式冷却器、单级或多级机械式冷却器等)。参考图8至图9，预PPU冷却器104可包括冷凝器、发生器、泵(例如至少一台泵)、减压装置(例如压力排放阀)、吸收器及蒸发器。实施例还可以使用第一泵，并且第二泵可以与第一泵并联运行或被提供为可以在第一泵由于故障、错误或维护而脱机时上线的二次泵。
如从图8的示例性实施例显而易见的，可以配置冷却器104，以便将至少一个ASU系统过程流或工厂的其他流(过程流)送至预PPU冷却器104的发生器。例如，ASU系统过程流可为低压蒸汽(例如，压力为8-10bar的蒸汽，或压力为或低于10bar的蒸汽，压力为800kPa至1000kPa或压力为或低于1000kPa的蒸汽等)，也可为热液态水(例如，加热但处于液态的水)，或者可为ASU系统1的一部分的另一流体流，或可为废液流(例如，来自气化炉的加热气体等)。在又一些实施例中，送至冷却器104的发生器的过程流可为作为废物流输出的中压蒸汽或高压蒸汽。
可放置预PPU冷却器104，以便发生器向冷凝器输出高压冷冻剂蒸汽(HPREFRIGERANT VAPOR)，以冷凝送至冷凝器的冷凝器介质入口流体(CM-IN,condensermedium inlet fluid)，从而冷凝冷冻剂。冷冻剂可为水、乙二醇或其他合适冷冻剂。冷凝器介质可为水、环境空气或用于冷凝冷冻剂蒸汽的其他类型的流体。冷凝的冷凝器介质可从冷凝器输出(CM OUT)，用于送至ASU系统1的另一工厂单元(例如，若冷却介质为水，则为洗涤塔或蓄水池等)。当高压冷冻剂蒸汽通过冷凝器时，可以冷凝成液体，并作为高压冷冻剂液体(HP REFRIGERANT LIQUID)输出，随后可以将高压冷冻剂液体送至减压装置，以降低冷冻剂的压力，因此可以将低压冷冻剂液体(LP REFRIGERANT LIQUID)送至冷却器104的蒸发器。低压冷冻剂可在蒸发器中蒸发，当冷冻剂从将由冷却器冷却的压缩空气104a流或用于冷却压缩空气的冷却机的冷却介质流中吸收热量时，该冷冻剂也以与通过蒸发器的冷冻剂并流或逆流的方式流过蒸发器。在蒸发器中被冷却的压缩空气104a流可以作为来自蒸发器的输出作为冷却的压缩空气流104b被输出以送至PPU 107。蒸发器的冷却的冷却介质流可以是冷却的冷却介质流(CMC)。
蒸发器的低压冷冻剂蒸汽输出(LP REFRIGERANT VAPOR)可被送至吸收器。吸收器可以接收低压浓缩溶液(LP CONC.SOLUTION)，以便低压冷冻剂蒸汽吸收该溶液，使得吸收器可以输出冷冻剂的低压稀释溶液(LP DILUTE SOLUTION)，用于送至第一泵或第二泵(例如，图8所示的泵)以形成高压稀释溶液(HP DILUTE SOLUTION)送至发生器。
发生器可用以使用至少一种过程流(PROCESS STREAM)的热量，从其经由泵接收的高压稀释溶液中形成高压冷冻剂蒸汽。发生器还可以输出高压浓缩溶液(HPCONC.SOLUTION)，用于送至减压装置，从而可以将低压浓缩溶液(LP CONC.SOLUTION)送至吸收器，作为冷却器冷冻剂回路的一部分。
应了解，预PPU冷却器104的蒸发器可布置及配置为单级冷却器或多级冷却器。例如，预PPU冷却器104可为多级冷却器，其具有用以冷却ASU系统1中其他过程流的其他级。举另一实例，预PPU冷却器可为单级或多级冷却器，其在将冷却后的压缩空气流104b输出到PPU 107之前，在多级中冷却压缩空气104a的输出流。
如本文所述，预PPU冷却器104可用以包括直接接触式冷却机(DCAC,directcontact cooler)，其接收来自冷却介质冷却系统(CMCS,cooling medium chillingsystem)的冷却的水或其他冷却介质，用于与压缩空气104a的输出流接触，以冷却空气，以将冷却后的压缩空气流104b输出到PPU 107。图8显示了CMCS的实例。机械式冷却器也可用作CMCS。
在预PPU冷却器104可用以包括直接接触式冷却机(DCAC)的实施例中，该冷却机从冷却介质冷却系统(CMCS)接收冷却的水或其他冷却介质，预PPU冷却器104的蒸发器可以冷却预PPU冷却器104的直接接触式冷却机(DCAC)的温水或其他冷却介质(CMW)，以便在其被再循环以在预PPU冷却器104的直接接触式冷却机中重复使用之前冷却该冷却介质。冷却的冷却介质(CMC)可以从预PPU冷却器104的冷却介质冷却系统(CMCS)输出。
预PPU冷却器104的设计可以使冷却器的温差能够满足特定处理设计标准参数集。这些参数可根据过程条件(诸如压缩系统103处接收的进料空气的环境温度、进料的CO2浓度等)根据需要设置。预PPU冷却器104可被配置为能够接收压缩空气104a的输出流，其可处于第一预冷器温度(例如，在5℃C-50℃或10℃-25℃范围内的温度等)，并以第一预选PPU温度(例如，在5℃-20℃、5℃-15℃或10℃-20℃范围内的温度等)输出要送至PPU 107的冷却后的压缩空气流104b。
净化后的压缩空气可从PPU 107输出，并经由热交换器进料导管送至主热交换器109。在被送至主热交换器108之前，净化后的压缩空气可以从PPU 107送至增压压缩机108，以进一步将PPU 107的净化压缩空气输出的至少一部分压缩到更高压力。在此类实施例中，从PPU 107的全部压缩净化空气输出可以被进一步压缩，或者流可以被分离，以便PPU 107的压缩净化空气输出的第一部分被直接送至主热交换器109，而PPU 107的空气输出的第二部分被送至增压压缩机，以便在第二部分被送至主热交换器109之前进一步压缩到更高压力。增压压缩机进料导管及增压压缩机输出导管可以布置成便于从PPU 107向增压压缩机108输送流体，以及将另外压缩空气从增压压缩机108输出到主热交换器109。
在其他实施例中，可以不使用增压压缩机108，并且PPU 107的全部空气输出可以经由主热交换器进料导管送至主热交换器109。
主热交换器109可用以冷却压缩净化空气。可以经由空气分离塔组件5的一或多股流体输出流进行冷却。例如，可以从空气分离塔组件5输出一或多股氮气流体和/或氧气流体流，以便一或多股流体流通过主热交换器109，作为冷却压缩净化空气的冷却介质。来自空气分离塔组件5的流体流可包括至少一股氮气流及至少一股氧气流(例如液氧流LOX)。这些空气分离塔组件5的流体输出流在流经主热交换器109时，可藉由压缩净化空气进行加热。例如，在将LOX流作为冷却介质送至主热交换器109的实施例中，可以加热该LOX流，使其作为气态氧气流GOX从主热交换器109输出。
冷却后的空气可从主热交换器109输出，经由至少一个空气分离塔组件进料导管送至空气分离塔组件5。压缩净化空气的第一部分可送至空气分离塔组件5的高压(HP)塔111b。第一部分的一部分可从中分离，以形成进料空气的第三部分。该第三部分可从主热交换器109输出，并送至膨胀机110，以降低第三部分的压力，并降低该部分空气的温度。随后，第三部分空气可从膨胀机110送至空气分离塔组件5的低压(LP)塔111a。
压缩净化空气的第二部分(可经由增压压缩机108进一步压缩的部分)可从主热交换器输出，且还送至LP塔111a。当然，在不使用增压压缩机108的实施例中，第二部分空气可能不存在。在此类实施例中，若利用经由送至主热交换器109的压缩净化空气的第一部分的分离而送至膨胀机110的空气的第三部分，则第三部分可以被视为空气的第二部分，而非第三部分。
HP塔111b可以经定位及配置以处理送至HP塔111b的净化及加压空气的冷却的第一部分，以形成送至第一再沸器冷凝器111c的第一HP富氮蒸汽流。在一些实施例中，HP富氮蒸汽流可包括100-99体积百分比(体积％)的氮气或至少95体积％的氮气。
HP塔111b也可以形成第一HP富氧流。HP富氧流可为液体、蒸汽或液体及蒸汽的组合。在一些实施例中，HP富氧流可包括30-40体积％的氧气及1-3体积％的氩气及剩余氮气(例如69-57体积％的氮气)。
第一HP富氮蒸汽流可被送至再沸器冷凝器111c以形成HP冷凝液流，HP冷凝液流可经由包括至少一个阀门或其他分流机构的导管布置而分为多个部分。例如，HP冷凝液流的第一部分可从第一再沸器冷凝器121输出，随后经由HP回流流导管作为HP回流流再循环回HP塔111b。
HP冷凝液流的第二部分可从再沸器冷凝器111c输出，随后经由过冷器进料导管送至过冷器115。过冷器115可为热交换器，其可以冷却HP冷凝液流的第二部分，从而使第二部分处于较低温度，该温度适合作为富氮LP进料送至LP塔111a，富氮LP进料经由从过冷器115延伸至LP塔111a的富氮LP进料导管送至LP塔111a。HP冷凝液流的第二部分可以减压，以便送至LP塔(例如，经由从过冷器115延伸的富氮LP进料导管的阀门，和/或经由该导管中包括的减压机构)。富氮LP进料可为基本上富氮的液体进料(例如，完全液体，至少90体积％液体，至少80体积％液体，等等)。
第一HP富氧流可被送至过冷器115(未示出)进行冷却。或者，第一HP富氧流可以经由过冷器115放弃这种冷却。在一些实施例中，第一HP富氧流可通过从HP塔111b延伸的HP富氧流导管，该导管被配置成使得HP塔111b的HP富氧流输出可经由减压机构(例如膨胀机、阀门等)减压，并随后送至LP塔111a作为送至LP塔111a的基本液态富氧进料。
LP塔111a的回流可经由富氮LP进料提供，富氮LP进料经由从过冷器115延伸至LP塔111a的富氮LP进料导管送至LP塔111a。如上所述，该富氮LP进料可经由再沸器冷凝器111c的HP冷凝液流输出的第二部分形成。可能经由送至LP塔111a的富氧进料中一或多种提供额外液体。
上升的蒸汽，或LP塔111a的塔沸腾也可经由再沸器冷凝器111c形成，并可送至LP塔111a，使得LP塔111a内蒸汽(或气体)逆流流向送至LP塔111a的液体(例如，当上升的蒸汽在LP塔111a中向上流动时，富氮LP进料向下流动，等等)。
LP塔111a可运行以输出多股分离的流体流。其中一些流体流可被视为可以主要由氮气和/或氮液体组成的废物流(例如，至少一种富氮废物流)。例如，LP塔111a可运行以输出上部蒸汽废物流及第一LP富氧液流。在至少一些实施例中，LP塔111a还可以输出顶部富氮蒸汽输出流(未示出)、第一富氩蒸汽流(未示出)以及一或多种其他输出流。
上部蒸汽废物流可从LP塔111a输出，并送至过冷器115，以作为冷却介质，用于冷却再沸器冷凝器111c的HP冷凝液流输出的第二部分，并经由过冷器进料导管送至过冷器115。随后，废蒸汽流可从过冷器115输出，并送至主热交换器109，以作为其中的冷却介质，随后作为废物流从主热交换器109输出，废物流可排放到大气中，或以其他方式用于ASU系统1可能连接到的工厂(例如，与烟气混合或通过另一热交换器以在工厂中后续使用等)。
LP塔111a的第一LP富氧液流输出可送至泵117，以增加该流的压力，随后再送至主热交换器109作为冷却介质。在一些实施例中，加热的富氧流可以作为GOX流从主热交换器输出。
如图2最佳示出，预净化系统3的PPU 107可包括多个吸附器200。PPU 107的每个吸附器200可包括吸附材料层，吸附材料层可经由吸收作用从送至PPU 107的压缩空气中去除多种目标元素(例如催化材料)。PPU 107的吸附器可包括第一吸附器107a及第二吸附器107b。第一及第二吸附器107a及107b可分别配置为径向吸附器、垂直吸附器、垂直横流吸附器或水平吸附器。在一些布置中，径向吸附器可以被配置成使得，进料流从底部或吸附器容器进入，输出流从顶部或容器输出，或者进料流从底部或容器进入，输出流从容器底部流出。PPU 107可以利用吸附器200的布置，因此它们用以利用变温吸附过程和/或变压吸附过程。
第一及第二径向吸附器107a及107b可布置在PPU 107内，以便它们平行运行。当第一吸附器107a藉由从送至PPU 107的空气中吸附目标材料来在线执行净化过程时，第二吸附器107b可以脱机进行净化，以便其可以进行热再生，以再生吸附器200的吸附材料的床层221。
当第二吸附器107b藉由从送至PPU 107的空气中吸附目标材料来在线执行净化过程时，第一吸附器107a可以脱机进行净化，以便其可以进行热再生，以再生吸附器200的吸附材料的床层221。可将再生气体流送至PPU 107的脱机状态吸附器，以藉由加热材料再生吸附器的吸附材料，从而释放吸附在其中的杂质，并经由再生气体从吸附器输出。
PPU 107可被配置成使得进入第一或第二吸附器的流体输入被改变(例如经由阀门位置改变等)，以在并联吸附器的在线状态与脱机状态之间切换(例如，当第一吸附器处于在线状态时，第二吸附器可以处于脱机状态，反之亦然)。再生气体流可为经由LP塔111a的废物流输出获得的气体，也可为来自工厂或ASU系统1的另一来源的气体。
在一些实施例中，可以有多个可以串联工作的第一吸附器，也可以有多个串联工作或者以另一种方式对压缩空气进行净化的第二吸附器。这可以从图2的第一及第二吸附器107a及107b的示意图中提供的示意图中理解。对于此类实施例，可布置多个第一吸附器，以使流体逐个通过各个第一吸附器，或使将经由PPU 107净化的流体的分离部分在多个第一吸附器处于在线状态时通过各自的第一吸附器。类似地，可布置多个第二吸附器，以使流体逐个通过各个第二吸附器，或者使得将经由PPU 107净化的流体的分离部分在多个第二吸附器处于在线状态时通过各自的第二吸附器。第一及第二吸附器107a及107b的此类布置可以用于允许第一吸附器107a处于在线状态，而第二吸附器107b处于脱机状态，反之亦然。
PPU 107的每个吸附器200(例如，第一吸附器107a、第二吸附器107b等)可以包括吸附材料床层221，该吸附材料床层被保留在包括一或多层吸附材料的容器内。吸附材料第一床层221的第一吸附层可经由成分、层厚度、粒径、孔体积、密度和/或化学结构(例如阳离子如何连接到沸石骨架)等来配置，以选择性地去除环境水分，并且还可以去除CO2和/或其他杂质，并且第一床层221的第二吸附层可以经由成分、层厚度、粒径、孔体积、密度和/或化学结构(例如阳离子如何连接到沸石骨架)等来配置，以当吸附器200处于在线状态时，从送至PPU 107的压缩空气中选择性地去除二氧化碳(CO2)、氮氧化物(N2O)、重烃和/或其他流体成分。在其他实施例中，吸附器容器可具有单层231，其可包括吸附材料或吸附材料的组合，以在吸附器200处于在线状态时从送至PPU 107的压缩空气中去除水分、CO2、N2O、重烃和/或其他流体成分。
应了解，当吸附器200处于脱机状态时，它可以经历再生过程，以再生吸附器内一或多层吸附材料。当返回到在线状态时，由于一或多层材料(例如吸附材料)的再生，吸附器可以以更高效率运行，因为材料的再生可以将材料返回到接近或处于其原始状态的状态，以便从流体流中吸附目标材料。
对于至少一些实施例，当吸附器处于在线状态时，再生气体流可以沿着与通过吸附器容器的流体的流动路径210相反的流动路径通过吸附器200的容器203。对于此类实施例，在在线状态下，容器的入口201可以用作再生气体的出口，并且在在线状态下，容器的出口202可以用作再生气体的进口。
PPU 107的布置可以使压缩机系统103的一或多个压缩机的压缩空气输出随后可以经由至少一个从压缩机系统103或预PPU冷却器104(当使用时)延伸的导管送至PPU 107的吸附器200，以经由PPU 107的一或多个在线吸附器200来净化空气。
压缩空气通过PPU 107的每个在线吸附器的吸附床层，可以完全或部分去除流体流中不需要的成分，诸如环境水分、CO2、N2O、氢气、一氧化碳、重烃成分等。例如，如上所述，净化空气可从PPU 107输出，送至主热交换器109。
对于PPU 107的运行，CO2可以用作压缩空气的控制成分，用于监测压缩空气的净化。分析仪或其他类型的传感器可经定位以检测PPU 107的净化空气输出中的CO2含量，以确定在线状态吸附器的吸附材料何时饱和，以触发在线状态吸附器切换到脱机状态，同时也将脱机状态吸附器切换到在线状态。在一些实施例中，分析仪可以置于与吸附器200的出口202连通的位置，或者可以置于净化空气从PPU 107输出并送至热交换器109时通过的导管中。
响应于检测到PPU 107的净化空气输出中CO2含量达到或高于预选阈值，可以触发在线状态吸附器及脱机状态吸附器的切换。在其他实施例中，PPU 107的净化空气输出中不同杂质的浓度或多个不同杂质的浓度可用于触发PPU 107的在线状态及脱机状态吸附器的切换。
如图3、图4及图5最佳示出，每个吸附器200的容器203的结构可以使待净化的空气沿着经由图3、图4及图5中箭头所示的限定流动路径210通过容器，用于通过容器203的腔室的不同吸附材料区域，以通过吸附材料层。
从图3至图4可以看出，径向吸附器200的容器可以包括入口201及出口202，入口接收经由吸附净化的压缩空气。入口201可以位于容器的一侧，或者位于容器203头部的容器203的入口端。出口202可以位于容器的一端或容器的一侧。PPU 107的吸附器200可以具有不同配置，以限定容器203内入口201与出口202之间空气流动的不同流动路径210。
例如，如图3所示，入口201可与容器的外环形导管结构208流体连通，并且出口202可与内导管结构206流体连通。对于图3所示的实施例，当在在线状态下运行时，可在吸附器200的容器203内限定的流动路径210可包括：
(i)空气从入口201沿流动路径210的第一流段进入容器203，
(ii)随后，空气沿着流动路径210的第二流段通过第一外环形导管208，第一外环线导管限定空气的初始流体进料路径，
(iii)随后空气沿着流动路径210的第三流段通过第一层材料205，
(iv)随后，空气沿着流动路径210的第四流段通过位于第一层205下游的第二层材料207(例如，对于垂直定向的容器，位于第一层之上，或者对于水平定向的容器，位于第一层下游的第一层的下游侧)，
(v)随后，空气沿流动路径210的第五流段从第二材料层207流向第一内导管206，以及
(vi)随后，空气从第一内导管206沿流动路径210的第六流段流向出口202，用于在空气已通过并接触第一及第二层材料205及207后从容器203输出净化空气。
第一外环形导管208可具有至少一个入口开口，用于从入口202接收空气，以及至少一个出口开口，出口开口邻近第一层材料205的外侧，用于将流体从第一外环形导管208送至第一层材料205。
第一内导管206可为具有内部信道的导管，信道与邻近第二层材料207内侧的一或多个开口流体连通，用于接收来自该层的空气，用于将空气从第二层材料207输出到出口202。
应理解，第一内导管206及第一外环形导管208均可以在容器203的空腔或腔室中构造为导管型结构，每个导管型结构都可以限定流体(例如空气)的通道，以沿着容器203的空腔或腔室内流动路径210的流段引导流体。例如，第一外环形导管208可以限定为环形形状，在入口201与吸附材料床层221的第一层材料205的外侧之间延伸，以将流体从入口201引导至第一层材料205。内导管206可为定位为将空气从吸附材料床层221的第二层材料207的内侧引导至出口202的内导管。
第一层材料205可放置在容器203的第一容器内，并包括与保留在容器203的第二容器内第二层材料207的第二材料不同的第一材料。当吸收器在在线状态下运行时，第一层材料205可被视为上游层UL，第二层材料207可被视为下游层DL。
每层材料可保留在具有一或多个孔的容器中，以允许流体进出容器。在一些实施例中，一或多个孔可以由容器的一或多个筛选元件限定。保持材料层的每个容器可包括一或多个筛、筛孔、至少一个具有多个孔的板，或至少一个具有特定预选几何形状的材料多孔膜，用于限定容器的至少一部分。每个容器还可以是另一种类型的容器结构，其可以将一层材料保持在容器203内所需位置，同时也允许空气进出层，以将第一外导管208与第一内导管206流体连接，以使空气沿着流动路径210通过。
第一层205及第二层207的材料可为不同类型的颗粒材料(例如沸石材料、催化材料、吸附材料等)。第一层材料205可包括氧化铝和/或二氧化硅或用于吸附至少水及CO2的其他材料。第一层材料可以包括主要设计用于吸附水及CO2的材料，以优先去除空气中这些杂质，或者，在ASU系统1正常运行期间，当预PPU冷却器104在非跳闸状态下(例如，在其正常运行状态下)运行时，吸附材料床层22的第一层材料205内空气中所有或几乎所有CO2及水都被去除。
第二层材料207的材料可以为分子筛吸附材料。第二层材料的材料可以包括13X、NaX、NaMSX、NaLSX和/或其他分子筛材料。第二层材料或吸附材料床层221的材料可用以吸附重烃(例如丁烷、乙炔、乙烯、丙烯等)、N2O、CO以及空气通过第一层材料205或吸附材料床层221的其他上游部分后空气中任何剩余水和/或CO2。第二层材料207的材料可用以优先从空气中去除CO2及剩余水，以帮助确保从空气中去除此类杂质，从而吸附器的空气输出中没有水及CO2，或者具有低于预选CO2阈值水平及预选水阈值水平的极低水及CO2水平。此类水平可以对应于将空气中N2O保持在或低于第一预选阈值。在一些实施例中，从送至PPU 107的空气中去除的N2O可减少进料空气中N2O的50％-100％、55％-100％、55％-99％或50％-95％(例如，当预PPU冷却器104在其正常条件下(例如，在非跳闸条件下)运行时，PPU的空气输出中N2O比送至PPU的空气中N2O至少少50％)。例如，当预PPU冷却器104在其正常条件下运行时，送至PPU的空气中N2O含量可能低于PPU的空气输出中N2O含量的50％，当预PPU冷却器104在其正常条件下运行时，送至PPU的空气中N2O少于PPU的空气输出中N2O的5％，或当预PPU冷却器104在其正常条件下运行时，送至PPU的空气中N2O少于PPU的空气输出中N2O的1％。
吸附材料床层221的尺寸及配置可以使PPU 107中N2O去除量小于送至PPU的空气中N2O的50％，或者在预PPU冷却器104处于跳闸状态并且在跳闸状态下运行时，可以在送至PPU的空气中N2O的10％-50％或20％-50％之间。只要N2O含量保持在与CO2突破进入ASU系统1相关联的第二预选阈值以下，当PPU的空气输出中N2O水平高于其第一预选阈值，同时预PPU冷却器104跳闸时，ASU系统1可以运行(例如，第二预选阈值可为设定的值，使得送至PPU的空气中有50％的N2O残留在PPU的空气输出中，或者送至PPU的空气中有50％以上N2O残留在PPU的空气输出中，该设定的值超过该第二阈值，这可能对应于不希望的CO2突破情况)。
例如，在送至PPU的空气中N2O含量为0.4ppm的情况下，当冷却器在跳闸条件下运行时，PPU的净化空气输出中N2O含量可以在0.25ppm至0.2ppm N2O的范围内，在0.25ppm至0.32ppm N2O的范围内，在0.3ppm至0.25ppm N2O的范围内，或在0.2ppm至0.32ppm N2O的范围内。在此类实施例中，当冷却器正常运行时，PPU的空气输出中N2O含量可在0ppm至0.015ppm、0ppm至0.2ppm、小于0.015ppm或0.03ppm至0.015ppm的范围内。
举另一实例，在送至PPU的空气中的N2O含量为0.3ppm的情况下，当冷却器在跳闸条件下运行时，PPU的净化空气输出中N2O含量可能在0.15ppm至0.2ppm N2O的范围内，在0.15ppm至0.24ppm N2O的范围内、0.15ppm至0.3ppm N2O的范围内，或在0.27-0.15ppm N2O的范围内。在此类实施例中，当冷却器正常运行时，PPU的空气输出中N2O含量可在0ppm至0.015ppm、0ppm至0.15ppm、小于0.015ppm或0.03ppm至0.015ppm的范围内。
在一些实施例中，第一层材料205可包括氧化铝或仅可包括氧化铝，而第二层材料207可包括13X、NaX(例如NaMSX和/或NaLSX)、NaMSX或仅包括NaLSX。在其他实施例中，第一层材料可以包括氧化铝以及其他材料，第二层材料207可以包括NaMSX以及其他材料。在又一些实施例中，第一层材料可包括二氧化硅，第二层材料可包括NaMSX或其他材料(例如NaX、NaLSX、13X等)。在又一些材料中，可能只有吸附材料单层231。这种材料单层231可单独包括NaMSX，或与一或多种其他材料(例如氧化铝、硅胶、NaLSX、NaX、CaX、13X等)结合使用。
吸附材料床层221的尺寸可在容器203的腔室内。在一些利用多层的实施例中，尺寸可包括第一层吸附材料205的第一尺寸S1及第二层吸附材料的第二尺寸S2。床层221的尺寸可以配置为，第一层吸附材料的第一尺寸S1在床层221总尺寸的20％到90％之间，或在床层221总尺寸的30％到75％之间，或在床层221总尺寸的30％-65％之间，而第二层吸附材料207的第二尺寸S2可为床层尺寸的剩余部分(例如，在床层221总尺寸的80％与10％之间，或在70％与25％之间，或在70％与35％之间)。在一些实施例中，第一层材料的第一尺寸S1可为吸附材料床层221总尺寸的30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、66％、67％、70％或75％，而第二层吸附材料207的第二尺寸S2可为床层221总尺寸的70％、65％、60％、55％、50％、45％、40％、34％、33％、30％或25％。材料层可包括粒径在1.0mm至5mm范围内的材料。床层及床层221的层可以具有相同宽度、长度或直径。床层的厚度、长度或高度可能不同，并且可能有助于床层221的总体尺寸及床层221材料层的不同尺寸。在此类实施例中，第一与第二尺寸S1及S2之间的尺寸差异可能是由容器203的床层221内不同层厚度、层深度、层长度或层高度造成的。
当吸附器200处于脱机状态且可能进行再生时，容器203内流动路径可以反转。再生气体流可经由出口202进入容器203，该出口用作再生气体流入口。随后，再生气体可以沿着反向流动路径通过容器，随后经由入口201离开容器203，该入口用作再生气体流出口。
参考图4，吸附器200的容器可以包括不同内部配置，以在容器203内限定不同流动路径210。例如，容器203可包括第一内导管206及第一外环形导管208，其限定容器203内流体流动路径210。应理解，第一内导管206及第一外环形导管208均可以在容器空腔中构造为导管型结构，每个导管型结构都可以限定空气的通道，以沿着容器203的空腔或腔室内流动路径210的流段引导空气。
例如，第一内导管206可为具有内部信道的导管，信道与邻近第一层材料205内侧的开口流体连通，用于将从入口201接收的空气送至吸附材料床层221的第一层材料205。第一内导管206的下游端可以关闭，以帮助将从容器第一封头附近的入口201接收的流体驱动到第一层材料205中，其可定位在具有一或多个孔的容器内，以便第一层材料205与第一内导管206流体连通，并可接收来自第一内导管206的空气。
第一层材料205的容器可定位为封闭第一内导管206的至少一部分。第一内导管206中可以有一或多个开口，与第一层材料205的内侧连通，以便空气可以从第一内导管206流出并进入第一层材料205。容器的在其外侧保持第一层材料205的一或多个孔及其内侧的一或多个孔可以是穿孔、在容器的筛中限定的曲折通道，或者可以为其他类型的孔。
第一外环形导管208可具有至少一个靠近第二层材料207外侧的入口开口，以经由容器203容器中一或多个孔接收来自该层的空气，容器203容器中一或多个孔保留第二层材料207。容器的在其外侧保持第二层材料207的一或多个孔及其内侧的一或多个孔可以是穿孔、在容器的筛中限定的曲折通道，或者可以为其他类型的孔。
第一外环形导管208还可以限定通道，用于将保留在容器203的第二容器内第二层材料207的外侧的空气输出引导或运输至出口202。第二容器可以在其外侧具有至少一个孔，在其内侧具有至少一个孔，以在内导管206与第一外环形导管208之间提供流体连通连接。第二容器外侧的一或多个孔及内侧的一或多个孔可以是穿孔、在筛的筛孔中限定的曲折通道或其他类型的孔。
保持材料205及207的第一层及第二层的第一及第二容器可以由以下各者限定或包括以下各者：一或多个筛、筛孔、至少一个具有多个孔的板、至少一个材料穿孔膜或其他类型的容器结构，其可将材料层保持在容器301内所需位置，同时也允许流体进出层。在一些实施例中(例如，一些垂直及水平吸附器实施例)，可能没有用于分离层的筛或其他类型的限定容器。
应了解，当容器203处于其在线状态时，第一层材料205可被视为材料UL的上游层，第二层材料207可被视为材料DL的下游层。
容器203可以有流动路径210，其配置用于在容器203腔室的内部及外部区域之间通过流体，以通过吸附材料床层221的材料层。应当理解，处于在线状态的容器203的流动路径210可以包括：
(i)流体沿着流动路径210的第一流段从入口201流入容器203，
(ii)随后，沿着流动路径210的第二流段通过第一内导管206，第一内导管限定空气的初始进料路径，
(iii)随后沿着流动路径210的第三流段通过第一层材料205，
(iv)随后沿着流动路径210的第四流段通过第二层材料207；
(v)随后进入第一外环形导管208，以便沿着流动路径210的第五流段输送至出口202；
(vi)随后沿流动路径210的第六流段通过出口202，以从容器203输出。
应了解，吸附材料床层221内每一层材料可保留在容器中，该容器具有一或多个孔，以允许流体进出容器。在一些实施例中，一或多个孔可以由容器的一或多个筛选元件限定。保持材料层的每个容器可包括一或多个筛、筛孔、至少一个具有多个孔的板，或至少一个具有特定预选几何形状的材料多孔膜，用于限定容器的至少一部分。每个容器还可以是另一种类型的容器结构，其可以将一层材料保持在容器203内所需位置，同时也允许空气进出层，以将第一外环形导管208与第一内导管206流体连接，以使空气沿着流动路径210通过。在又一些实施例中，材料层可配置为单层材料231。
第一层及第二层205及207的材料可为不同类型的颗粒材料(例如沸石材料、催化材料、吸附材料等)。对于一些实施例，材料的粒径范围可以在1.0-5mm大小范围内。在一些实施例中，第一层材料205可包括氧化铝或仅可包括氧化铝，而第二层材料207可包括NaMSX或仅包括NaMSX。例如，第一层材料205可包括氧化铝和/或二氧化硅或用于吸附至少水及CO2的其他材料。第一层材料可包括设计用于主要吸附水及CO2的材料，以优先从空气中去除这些杂质，从而从吸附材料床层221的第一层材料205内空气中去除所有或几乎所有CO2及水。
第二层材料207的材料可以为分子筛吸附材料。第二层材料的该种材料可以包括13X、NaX、NaMSX、NaLSX和/或其他分子筛材料。第二层材料的材料可用以吸附重烃(例如丁烷、乙烯、乙炔、丙烯等)、N2O、CO以及空气通过第一层材料205后空气中任何剩余水和/或CO2。第二层材料207的材料可用以优先从空气中去除CO2及任何剩余水，以帮助确保从空气中去除此类杂质，从而吸附器的空气输出中没有水及CO2，或者具有低于预选CO2阈值水平及预选水阈值水平的极低水及CO2水平。
在一些实施例中，第一层材料205可包括氧化铝或仅可包括氧化铝，而第二层材料207可包括NaLSX或仅包括NaLSX。在其他实施例中，第一层材料可以包括氧化铝以及其他材料，第二层材料207可以包括NaLSX以及其他材料。在又一些实施例中，第一层材料可包括二氧化硅，第二层材料可包括NaMSX或其他材料(例如NaLSX、NaX、13X、CaX等)。
吸附材料床层221的尺寸可在容器203的腔室内。尺寸可包括第一层吸附材料205的第一尺寸S1及第二层吸附材料的第二尺寸S2(例如，床层221的总尺寸可以为第一尺寸S1与第二尺寸S2的总和，或者除了一或多个第三层的尺寸外，还可以包括第一尺寸S1与第二尺寸S2的总和)。
床层221的尺寸可以配置为，第一层吸附材料的第一尺寸S1在床层221总尺寸的20％到90％之间，或在床层221总尺寸的30％到75％之间，而第二层吸附材料207的第二尺寸S2可为床层尺寸的剩余部分(例如，在床层221总尺寸的80％与10％之间，或在床层221总尺寸的70％与25％之间)。在一些实施例中，第一层材料的第一尺寸S1可为床层221总尺寸的30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、66％、67％、70％或75％，而第二层吸附材料207的第二尺寸S2可为床层221总尺寸的70％、65％、60％、55％、50％、45％、40％、34％、33％、30％或25％。床层及床层221的层可以具有相同宽度或直径。床层的厚度、长度或高度可能不同，并且可能有助于床层221的总体尺寸及床层221材料层的不同尺寸。在此类实施例中，第一与第二尺寸S1及S2之间的尺寸差异可能是由容器203的床层221内不同层厚度、层长度、层深度或层高度造成的。
当吸附器200处于脱机状态且可能进行再生时，容器203内流动路径可以反转。再生气体流可经由出口202进入容器203，该出口用作再生气体流入口。随后，再生气体可以沿着反向流动路径通过容器，随后经由入口201离开容器203，该入口用作再生气体流出口。
吸附器200的第二层材料207或吸附材料床层221的材料可用以吸附重烃(例如丁烷、乙烯、乙炔、丙烯等)、N2O、CO以及空气通过第一层材料205或吸附材料床层221的其他上游部分后空气中任何剩余水和/或CO2。第二层材料207的材料可用以优先从空气中去除CO2及剩余水，以帮助确保从空气中去除此类杂质，从而吸附器的空气输出中没有水及CO2，或者具有低于预选CO2阈值水平及预选水阈值水平的极低水及CO2水平。此类水平可以对应于将空气中N2O保持在或低于第一预选阈值。在一些实施例中，当预PPU冷却器104在其正常条件下(例如，在非跳闸条件下)运行时，PPU 107从空气中去除的N2O可以在送至PPU的空气中N2O的20％-100％、25％-100％、25％-99％或20％-95％之间。例如，当预PPU冷却器104在其正常状态下运行时，送至PPU的空气中N2O含量可能低于PPU的空气输出中N2O含量的25％，当预PPU冷却器104在其正常条件下运行时，送至PPU的空气中N2O少于PPU的空气输出中N2O的5％，或当预PPU冷却器104在其正常条件下运行时，送至PPU的空气中N2O少于PPU的空气输出中N2O的1％。
相比之下，吸附材料床层221的尺寸及配置可以使在预PPU冷却器104处于跳闸状态并且在跳闸状态下运行时，从PPU 107的空气输出中去除的N2O可以小于送至PPU的空气中N2O的50％，或者可以在送至PPU的空气中N2O的10％-50％或20％-50％之间。只要N2O含量保持在与CO2突破进入ASU系统1相关联的第二预选阈值以下，当PPU空气输出中N2O水平高于其第一预选阈值同时预PPU冷却器104跳闸时，ASU系统1可以运行(例如，第二预选阈值对应于残留在PPU的空气输出中送至PPU的空气中50％N2O，或者残留在PPU的空气输出中送至PPU的空气中50％以上的N2O超过第二阈值，这可能对应于不希望的CO2突破情况)。
例如，在送至PPU的空气中N2O含量为0.4ppm的情况下，当冷却器在跳闸条件下运行时，PPU的净化空气输出中N2O含量可以在0.25ppm至0.2ppm N2O的范围内，在0.25ppm至0.32ppm N2O的范围内，在0.3ppm至0.25ppm N2O的范围内，或在0.2ppm至0.32ppm N2O的范围内。在此类实施例中，当冷却器正常运行时，PPU的空气输出中N2O含量可在0ppm至0.015ppm、0ppm至0.2ppm、小于0.015ppm或0.03ppm至0.015ppm的范围内。
举另一实例，在送至PPU的空气中N2O含量为0.3ppm的情况下，当冷却器在跳闸条件下运行时，PPU的净化空气输出中N2O含量可能在0.15ppm至0.0675ppm N2O的范围内，在0.15ppm至0.24ppm N2O的范围内、0.15ppm至0.3ppm N2O的范围内，或在0.27-0.15ppm N2O的范围内。在此类实施例中，当冷却器正常运行时，PPU的空气输出中N2O含量可在0ppm至0.015ppm、0ppm至0.15ppm、小于0.015ppm或0.03ppm至0.015ppm的范围内。
参考图5，吸附器200的容器可以包括不同内部配置，以在容器203内限定不同流动路径210。例如，容器203可包括吸附材料床层221，其包括第一层材料205及第二层材料207。可将保持第一层材料205的第一容器及保持第二层材料207的第二容器放置在容器203的腔室内。每个容器可在其下游及上游侧包括一或多个孔，以便容器彼此流体连通，且容器的入口201与出口202流体连通。保留相应材料层的每个容器的每侧的一或多个孔，可为一或多个穿孔、在筛的筛孔中限定的曲折通道或一或多个其他类型的孔。材料层可以被布置成使空气沿着流动路径210流动，使得空气经由入口201进入容器203，随后通过第一层材料205，随后通过第二层材料207，随后在吸附器200处于在线状态时，空气经由出口202流出容器203。
第一层及第二层205及207的材料可为不同类型的颗粒材料(例如沸石材料、催化材料、吸附材料等)。在一些实施例中，颗粒材料的尺寸范围可以在1.0mm-5.0mm之间。第一层材料205可包括氧化铝和/或二氧化硅或用于吸附至少水及CO2的其他材料。第一层材料可包括设计用于主要吸附水及CO2的材料，以优先从空气中去除这些杂质，从而从吸附材料床层221的第一层材料205内空气中去除所有或几乎所有CO2及水。
第二层材料207的材料可以为分子筛吸附材料。第二层材料的这种材料可以包括13X、NaX、NaMSX、NaLSX和/或其他分子筛材料。第二层材料207的材料可用以吸附重烃(例如乙烯、丁烷、乙炔、丙烯等)、N2O、CO以及空气通过第一层材料205后空气中任何剩余水和/或CO2。第二层材料207的材料可用以优先从空气中去除CO2及水，以帮助确保从空气中去除此类杂质，从而吸附器的空气输出中没有水及CO2，或者具有低于预选CO2阈值水平及预选水阈值水平的极低水及CO2水平。
在一些实施例中，第一层材料205可包括氧化铝或仅可包括氧化铝，而第二层材料207可包括NaLSX或仅包括NaLSX。在其他实施例中，第一层材料可以包括氧化铝以及其他材料，第二层材料207可以包括NaLSX以及其他材料。在又一些实施例中，第一层材料可包括二氧化硅，第二层材料可包括NaX、NaMSX、13X或其他材料。
吸附材料床层221的尺寸可在容器203的腔室内。尺寸可包括第一层吸附材料205的第一尺寸S1及第二层吸附材料的第二尺寸S2(例如，床层221的总尺寸可以为第一尺寸S1与第二尺寸S2的总和，或者除了一或多个第三层的尺寸外，还可以包括第一尺寸S1与第二尺寸S2的总和)。
床层221的尺寸可以配置为，第一层吸附材料的第一尺寸S1在床层221总尺寸的20％到90％之间，或者在床层221总尺寸的50％到75％之间，或者在床层221总尺寸的30％到65％之间，而第二层吸附材料207的第二尺寸S2可以为床层尺寸的剩余部分(例如，在床层221总尺寸的10％到80％之间，在床层221总尺寸的50％到25％之间，或者在床层221总尺寸的35％到70％之间)。在一些实施例中，第一层材料的第一尺寸S1可为吸附材料床层221总尺寸的30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、66％、67％、70％或75％，而第二层吸附材料207的第二尺寸S2可为床层221总尺寸的70％、65％、60％、55％、50％、45％、40％、34％、33％、30％或25％。床层及床层221的层可以具有相同宽度或直径。床层的厚度或高度可能不同，并且可能有助于床层221的总体尺寸及床层221材料层的不同尺寸。在此类实施例中，第一与第二尺寸S1及S2之间的尺寸差异可能是由容器203的床层221内不同层厚度、层深度或层高度造成的。
当吸附器200处于脱机状态且可能进行再生时，容器203内流动路径可以反转。再生气体流可经由出口202进入容器203，该出口用作再生气体流入口。随后，再生气体可以藉由通过第二层材料207，随后通过第一层材料205，而沿着反向流动路径穿过容器，随后再生气体流经由入口201离开容器203，该入口用作再生气体流出口。
应了解，第二层材料207的材料或吸附器200的吸附材料床层221可用以吸附重烃(例如乙烯、丁烷、乙炔、丙烯等)、N2O、CO以及空气通过第一层材料205或吸附材料床层221的其他上游部分后空气中任何剩余水和/或CO2。第二层材料207的材料可用以优先从空气中去除CO2及剩余水，以帮助确保从空气中去除此类杂质，从而吸附器的空气输出中没有水及CO2，或者具有低于预选CO2阈值水平及预选水阈值水平的极低水及CO2水平。此类水平可以对应于将空气中N2O保持在或低于第一预选阈值。在一些实施例中，当预PPU冷却器104在其正常条件下(例如在非跳闸条件下)运行时，与送至PPU的空气中N2O相比，来自PPU 107的空气输出中N2O可以在20％-100％、25％-100％、25％-99％或20％-95％的范围内减少。例如，当预PPU冷却器104在其正常状态下运行时，送至PPU的空气中N2O含量可能低于PPU空气输出中N2O含量的25％，当预PPU冷却器104在其正常条件下运行时，送至PPU的空气中N2O少于PPU空气输出中N2O的5％，或当预PPU冷却器104在其正常条件下运行时，送至PPU的空气中N2O少于PPU空气输出中N2O的1％。
相比之下，吸附材料床层221的尺寸及配置可以使当预PPU冷却器104处于跳闸状态且在跳闸状态下运行时，从PPU 107的空气输出中去除的N2O可以小于送至PPU的空气中N2O的50％，可以为送至PPU的空气中N2O的20％-50％，或者可以为送至PPU的空气中N2O的10％-50％。只要N2O含量保持在与CO2突破进入ASU系统1相关联的第二预选阈值以下，当PPU空气输出中N2O水平高于其第一预选阈值时，当预PPU冷却器104跳闸时，ASU系统1可以运行(例如，送至PPU的空气中有50％的N2O残留在PPU的空气输出中，或者送至PPU的空气中有50％以上的N2O残留在PPU的空气输出中，这可能对应于不希望的CO2突破情况)。
例如，在送至PPU的空气中N2O含量为0.4ppm的情况下，当冷却器在跳闸条件下运行时，PPU的净化空气输出中N2O含量可以在0.25ppm至0.2ppm N2O的范围内，在0.25ppm至0.32ppm N2O的范围内，在0.3ppm至0.25ppm N2O的范围内，或在0.2ppm至0.32ppm N2O的范围内。在此类实施例中，当冷却器正常运行时，PPU的空气输出中N2O含量可在0ppm至0.015ppm、0ppm至0.2ppm、小于0.015ppm或0.03ppm至0.015ppm的范围内。
举另一实例，在送至PPU的空气中N2O含量为0.3ppm的情况下，当冷却器在跳闸条件下运行时，PPU的净化空气输出中N2O含量可能在0.15ppm至0.0675ppm N2O的范围内，在0.15ppm至0.24ppm N2O的范围内、0.15ppm至0.3ppm N2O的范围内，或在0.27-0.15ppm N2O的范围内。在此类实施例中，当冷却器正常运行时，PPU的空气输出中N2O含量可在0ppm至0.015ppm、0ppm至0.15ppm、小于0.015ppm或0.03ppm至0.015ppm的范围内。
在吸附器200的实施例中，包括本文论述且图式所示的实施例，第一层材料205的第一材料可为硅胶和/或氧化铝颗粒材料，其用以从流体中去除水分(例如，经由颗粒材料的成分及孔隙结构，以便于经由吸附从流体中去除水)，以及第二层材料207的第二材料可为分子筛材料。例如，第二层材料207的材料可为高容量吸附材料，诸如NaLSX沸石材料，因此第二层材料207的尺寸可以与第一层材料205的尺寸相同，或者小于第一层材料205。
我们已经确定，将第一层材料205作为更大一层，可以允许经由第一层材料205去除100％的水，并且第二层材料207的尺寸足以去除100％的CO2，同时允许在预PPU冷却器104无法有效地将空气冷却至所需温度范围(例如，由于故障或处理问题)的情况下，一些N2O突破超出通常允许的阈值水平达预选N2O突破时间段。在预PPU冷却器104进行维护或以其他方式处于跳闸状态时，允许N2O在运行期间突破，可以允许ASU系统1运行，以便在PPU107中使用成本较低的较小尺寸吸附器200，这可以降低运行及投资费用。
例如，PPU 107吸附器200的吸附材料床层221可用以在空气通过第一层材料205或吸附材料床层221的上游部分后，从空气中吸附N2O以及任何剩余水和/或CO2。吸附材料床层221的尺寸及配置可以包括优先从空气中去除CO2及水的材料，以帮助确保从空气中去除此类杂质，从而使PPU 107的空气输出没有水及CO2，或者水及CO2的含量非常低，低于预选CO2阈值水平以及预选水阈值水平。此类水平可以对应于将空气中N2O保持在或低于第一预选阈值。在一些实施例中，从PPU 107的空气输出中去除的N2O可以在预PPU冷却器104在其正常条件下(例如在非跳闸条件下)运行时送至PPU的空气中N2O的20％-100％、25％-100％、25％-99％或者在20％-95％之间。例如，当预PPU冷却器104在其正常状态下运行时，送至PPU的空气中N2O含量可能低于PPU空气输出中N2O含量的25％，当预PPU冷却器104在其正常条件下运行时，送至PPU的空气中N2O少于PPU空气输出中N2O的5％，或当预PPU冷却器104在其正常条件下运行时，送至PPU的空气中N2O少于PPU空气输出中N2O的1％。
相比之下，吸附材料床层221的尺寸及配置可以使当预PPU冷却器104处于跳闸状态且在跳闸状态下运行时，从PPU 107的空气输出中去除的N2O小于送至PPU的空气中N2O的50％，可以为送至PPU的空气中N2O的20％-50％，或者可以为送至PPU的空气中N2O的10％-50％。只要N2O含量保持在与CO2突破进入ASU系统1相关联的第二预选阈值以下，当PPU空气输出中N2O水平高于其第一预选阈值同时预PPU冷却器104跳闸时，ASU系统1可以运行(例如，送至PPU的空气中有50％或50％以上的N2O残留在PPU的空气输出中，这可能对应于不希望的CO2突破情况)。
我们已经确定，允许N2O在预选时间段内以较高水平通过PPU 107是安全的。例如，我们确定，允许超过PPU 107的高水平的N2O不会造成直接安全问题或其他直接运行问题。相比之下，CO2突破将带来此类问题。藉由允许ASU系统在预PPU冷却器104维护或预PPU冷却器104的其他跳闸期间满负荷运行，与ASU关闭或以较低负荷运行相比，ASU可以继续以更高整体利润及效率运行，以考虑预PPU冷却器的运行状态。
由于N2O水平升高不会立即造成问题，我们确定，在严格控制CO2的同时，运营权衡允许N2O突破PPU 107。此外，可以在ASU系统1的其他运行时间进一步缓解N2O升高的情况，该对电厂运营商更有利，而不会显著抵消允许系统有限N2O突破运行所带来的运行效率及成本节约。例如，当系统未在高N2O水平的情况下运行时，ASU系统1可以采取纠正行动，以帮助缓解对电厂的运行单元造成不利影响的N2O积聚。例如，可以调节ASU系统1的除霜间隔，以考虑高N2O对系统1运行影响的持续时间。这种除霜时间间隔通常每隔5-8年、3-10年、4-10年或3-8年发生。间隔的轻微调整(例如，0.5-4个月、0.5-1个月、将持续时间缩短最多几个月等)可能会对ASU系统1在高N2O水平下运行所提供的成本及效率提高产生微不足道影响，而高N2O水平是导致预PPU冷却器104周期性运行问题的原因。
吸附器200实施例中第一层材料205还可以包括平均粒径与第二层材料207的平均粒径不同的颗粒。在其他实施例中，预期第一及第二层材料可以具有相同平均粒径或类似平均粒径。
ASU系统1的实施例可以利用控制器来监视及控制系统的运行。例如，图1至图5所示的ASU系统的实施例以及本文明确论述的其他实施例可以包括控制器，诸如图6所示的示例性控制器。可以包括温度传感器、压力传感器、流量传感器及浓度传感器，其用以检测一或多种化合物(例如O2、Ar、CO2、N2、Xe、Kr、CO、水等)的浓度，用于感测和/或检测流经设备不同元件或单元和/或那些单元之间导管的流体的流速、浓度、温度或压力。例如，可以设置传感器，用于检测(i)送至压缩机系统103的空气的空气流速、压力、温度及进料浓度，(ii)送至PPU 107的压缩机系统103的空气输出的流速、压力、温度和/或进料浓度(iii)送至热交换器109的PPU 107的空气输出的流速、压力、温度和/或进料浓度，和/或(iv)进出多塔组件111的流体的流速、压力、温度及成分浓度。也可以将其他传感器置于ASU系统1中，以监测并控制系统的这些元件的运行。可以提供控制器来接收来自这些传感器的数据，并根据接收到的传感器数据调整不同元件的运行。此类控制器的实例如图6所示，可以包括连接到非暂时性计算机可读介质的处理器及用于与传感器通信的至少一个接口。处理器可以运行存储在计算机可读介质(例如非暂时性内存、闪存等)中至少一个自动控过程序，该程序限定了用于控制ASU系统1和/或系统的一或多个元件的运行的方法。
应理解，控制器的实施例也可用以利用其他传感器数据来致动不同工厂操作，并使用不同导管来实现进出不同元件之间不同流体流动路径。在一些实施例中，控制器可以连接到显示器，以及至少一个输入装置和/或输入/输出装置，以便于向用户或操作员输出数据及从操作员接收输入。例如，控制器可以连接到操作员工作站或工厂操作员的计算机。控制器还可以连接到其他工厂控制元件，以便并入工厂更大自动化过程控制系统。
从图7可以看出，经由ASU系统1的PPU 107净化空气的示例性方法，系统1具有PPU107上游的预PPU冷却器104，以在压缩机系统103的压缩空气输出被送入PPU 107之前冷却压缩空气。例如，方法可包括使空气通过PPU 107的至少一个吸附器200，以使空气通过吸附器200的容器203内吸附材料床层221。响应于预PPU冷却器104被确定存在导致预PPU冷却器104跳闸或要求预PPU冷却器104脱机的问题，ASU系统可以继续满负荷运行，即使PPU 107的空气输出中N2O超过第一预选阈值，而PPU 107的空气输出中N2O低于与CO2突破情况相关联的第二预选阈值。ASU系统1可被配置成，即使PPU 107的空气输出中N2O超过第一预选阈值，仍可以满负荷运行ASU系统1，而无需操作冗余预PPU冷却器在将压缩空气送至PPU 107之前冷却压缩机系统103的压缩空气，以替换预PPU冷却器104(其被确定存在导致预PPU冷却器跳104闸或要求预PPU冷却器104脱机的问题)。
方法还可包括在ASU系统1的预PPU冷却器104重新联机且PPU 107的空气输出不再有超过第一预选阈值的N2O后，采取补救行动以解决PPU 107输出的空气中过量N2O。在预PPU冷却器104恢复在线并在正常条件(例如非跳闸条件)下运行后，无需立即采取补救行动。例如，可以在对ASU系统的操作员更方便的时间将预PPU冷却器104恢复在线之后安排所采取的补救行动。随后采取的补救行动可考虑到预PPU冷却器104未能充分运行以将压缩空气冷却至更理想温度的时间，这可能降低了吸附剂床层221的吸附材料去除通过吸附器200的空气中N2O的能力，而ASU在预PPU冷却器104处于跳闸状态时运行。可以采取的补救行动将缩短变温吸附(TSA)的循环时间。可采取的另一补救行动包括调整ASU系统的除霜间隔，以考虑ASU系统1在PPU 107的空气输出中N2O超过第一预选阈值的情况下运行的持续时间。除霜间隔的调整可包括减少时间量，直到计划发生或将计划发生ASU系统1的除霜。例如，可以藉由ASU系统的运行数据提供除霜间隔的调整，数据显示出比设计基准更高累积率，只要不超过相应大小ASU系统的行业最大限值。在一些实施例中，可以经由在线计算(考虑到系统参数等)来促进此类调整，并在屏幕上显示，以提醒操作员他们还有多少时间来执行除霜操作。
举另一实例，除霜时间间隔的调整可以藉由检测ASU系统中积聚的N2O和/或CO2来指示，以便ASU系统1的除霜时间安排可以在较短时间间隔内触发，由于ASU系统在冷却器跳闸情况下在相对较短时间内以高N2O水平运行。在预PPU冷却器跳闸运行条件下，ASU系统1在高N2O水平下运行时自然会产生此类调整。
如本文论述，方法的实施例可利用具有一或多个吸附器200的PPU。例如，吸附材料床层221可包括第一层吸附材料205及第二层吸附材料207。第一层吸附材料可包括从空气中去除水和/或CO2的材料(例如氧化铝材料等)。第二层吸附材料207可位于第一层吸附材料205的下游，以在空气通过第一层吸附材料205后与空气接触。第二层吸附材料的第二材料可以包括例如NaLSX或NaMSX材料。第一层吸附材料205可以具有第一尺寸S1，第二层吸附材料207可以具有第二尺寸S2。如上所述，第一尺寸S1可以等于或大于第二尺寸S2。
方法的实施例还可以包括其他步骤。例如，方法还可以包括监测PPU 107的空气输出中CO2含量。可以进行监测，以帮助确保CO2不会突破PPU 107，超过预选CO2阈值水平。分析仪可用于执行该监测。例如，分析仪可为连接到ASU系统控制器的传感器，以便于进行此类监控。
方法的实施例还可以包括其他步骤。例如，方法还可以包括维护备件库存，以便在现场为预PPU冷却器提供服务，以最少化冷却器维护时间。此类储存的备件可能包括最常见机械故障零件，以便能够更快地解决最常见冷却器运行问题。这有助于将冷却器处于跳闸状态时ASU系统可能运行的时间降至最低。
我们已经确定，我们的ASU系统1、PPU 107及吸附器200以及使用它们的方法的实施例可以提供显著优势，诸如降低投资费用、易于操作及维护、藉由使用冷却器整体降低电力成本、提高操作灵活性，等等。例如，吸附器200的实施例可以利用更小吸附材料分子筛层来去除N2O，这可以显著减小PPU 107所需的吸附器200尺寸。这可以提高运行效率，并降低使用此类吸附器200的PPU的总体投资费用、维护成本及运行成本。使用我们的吸附器200的实施例的我们的PPU 107的实施例还可以消除ASU系统1的预PPU冷却器104对冷却器冗余的需要。在在线预PPU冷却器104遇到问题或需要维护的情况下，避免备用预PPU冷却器104在线工作可以极大地降低系统1的投资费用，并减少此类系统所需的占地面积。在一些类型的设施中，这可以节省约$250,000的投资费用，因为可以避免额外冷却器及安装冷却器。
PPU 107及吸附器200的实施例还可以允许ASU系统1在没有特殊N2O去除层的情况下运行，与使用具有较低吸附材料再生温度的其他吸附材料相比，这通常需要更高温度的再生气体。例如，吸附器200的实施例可以避免使用一层CaX吸附材料，这可能需要使用温度为300℃或更高再生气体。因此，实施例可提供需要较低温度再生气体流的较低运行成本。
PPU 107及吸附器200的实施例可允许ASU系统1在预PPU冷却器104故障或预PPU冷却器104跳闸期间满负荷运行，这也避免了需要使用冗余预PPU冷却器104来冷却要送至PPU107的压缩空气。此类操作灵活性允许降低投资费用、运行成本及维护成本，并为ASUsystem 1提供更好输出。ASU系统也可用以监测过量N2O及CO2积聚，以进一步提高ASU系统运行的安全性，并有助于安全地调整除霜间隔，因为ASU以高N2O水平运行可还可以需要缩短除霜时间间隔。例如，可以放置N2O分析仪和/或CO2分析仪，以监测多塔组件111内N2O及CO2的积聚，以帮助确保适当调整ASU系统1的除霜间隔，以考虑在预PPU冷却器104处于跳闸状态且ASU系统1处于高N2O浓度水平时ASU系统1可能运行的时间。因此，ASU系统的操作者的总体盈利能力可以藉由利用ASU系统1的实施例而大大提高，该系统利用具有我们的吸附器200的实施例的PPU 107，同时还允许ASU系统1以安全方式运行。
应当理解，可以对本文明确展示及论述的实施例进行修改，以满足特定设计目标集或特定设计标准集。例如，用于将工厂的不同单元互连以实现不同单元之间流体流动的流体连通的阀门、管道以及其他导管元件(例如，导管连接机构、管道、密封件等)的布置，可布置为满足特定工厂布局设计，设计考虑了工厂的可用面积、工厂的已确定尺寸的设备，以及其他设计考虑。举另一实例，通过径向吸附器以及通过其他工厂元件的流体的流速、压力及温度可能会有所不同，以考虑不同工厂设计配置及其他设计标准。举又一实例，PPU 107中径向吸附器的数量以及它们的布置方式可以进行调整，以满足特定设计标准集。举又一实例，吸附器200、PPU 107及ASU系统1的不同结构部件的材料组成可为满足特定设计标准集可能所需的任何类型的合适材料。实施例可与任何类型的吸附器容器(径向、垂直、水平、垂直横流等)结合使用用于PPU 107。预PPU冷却器104可为任何类型的冷却器-机械式、吸收式等。实施例可以配置为使用任意数量的ASU列、冷却器(并联或串联)、TSA容器等。尽管优选实施例为TSA实施方式，但其他吸附循环同样适用，在这些循环中，冷却器可以使过程受益，诸如变压、变真空等。若预PPU冷却器104及PPU 107之间存在其他单元操作，同样适用。
应了解，ASU系统1的实施例可被配置为空气分离厂，或并入另一类型的工厂，其中至少可使用一个吸附器200。工厂。吸附系统、PPU 107及吸附器200可以分别被配置为包括过程控制元件，过程控制元件被定位及配置为监视及控制运行(例如，温度及压力传感器、流量传感器、具有至少一个工作站的自动化过程控制系统，工作站包括处理器、非暂时性内存及至少一个用于与传感器元件、阀门及控制器通信的收发器，该收发器用于为可能在工厂的工作站和/或另一计算机装置上运行的自动化过程控制系统提供用户接口)。
举另一实例，可以设想，单独描述或作为实施例一部分描述的特定特征可以与其他单独描述的特征或其他实施例的部分相结合。因此，本文描述的各种实施例的元件及动作可以组合以提供进一步的实施例。因此，尽管上文展示及描述了吸附器、吸附系统、PPU、具有利用一或多个吸附器的吸附系统的工厂、ASU系统以及制造及使用它们的方法的某些示例性实施例，应当清楚地理解，本发明不限于此，而是可以在以下发明申请专利范围内以其他方式体现及实施。

Claims (19)

1.一种用于空气分离单元(ASU)系统的预净化单元(PPU)的吸附器，包含：
容器，可连接在压缩机系统与热交换器之间；
吸附材料床层，置于所述容器中；
所述吸附材料床层用以从送至所述PPU的压缩空气流中去除水及二氧化碳(CO2)，并且还用以去除一氧化二氮(N2O)，以便所述PPU的空气输出中N2O低于第一预选阈值；
所述吸附材料床层被配置为，响应于预PPU冷却器被确定存在导致所述预PPU冷却器跳闸或要求所述预PPU冷却器脱机的问题，所述PPU可以满负荷运行，以使所述PPU的所述空气输出中所述N2O超过所述第一预选阈值，并低于与CO2突破相关联的第二预选阈值。
2.根据权利要求1所述的吸附器，其中所述第一层吸附材料包含氧化铝，并且所述第二层吸附材料包含NaX、NaLSX或NaMSX。
3.根据权利要求2所述的吸附器，其中所述吸附材料床层包含单层材料或多层材料。
4.根据权利要求3所述的吸附器，其中所述第一预选阈值在0-0.2ppm N2O的范围内，并且所述第二预选阈值在0.2-0.32ppm N2O的范围内。
5.根据权利要求1所述的吸附器，其中选择所述第一预选阈值使得从所述空气中去除送至所述PPU的所述空气中20％-100％的所述N2O，并且选择所述第二预选阈值使得从所述空气中去除送至所述PPU的所述空气中低于50％的所述N2O。
6.一种经由空气分离单元(ASU)系统的预净化单元(PPU)净化空气的方法，所述空气分离单元(ASU)系统具有位于所述PPU上游的预PPU冷却器，以在压缩空气被送至所述PPU之前冷却所述压缩空气，所述方法包含以下步骤：
使空气通过所述PPU的吸附器，以使所述空气通过所述吸附器的容器内吸附材料床层；
响应于所述预PPU冷却器被确定存在导致所述预PPU冷却器跳闸或要求所述预PPU冷却器脱机的问题，仍应继续以满负荷运行所述ASU系统，即使所述PPU的空气输出中一氧化二氮(N2O)超过第一预选阈值，并低于与二氧化碳(CO2)突破相关联的第二预选阈值。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述吸附材料床层包含氧化铝、硅胶、13X、NaX、NaLSX、NaMSX或其组合，其粒径范围在1.0毫米(mm)至5mm之间。
8.根据权利要求6所述的方法，包含以下步骤：
监测所述PPU的所述空气输出中二氧化碳(CO2)含量。
9.根据权利要求6所述的方法，包含以下步骤：
在所述ASU系统的所述预PPU冷却器重新联机且所述PPU的所述空气输出不再有超过所述第一预选阈值的N2O后，采取补救行动以解决所述PPU的所述空气输出中过量N2O。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述补救行动包括缩短所述ASU系统的除霜间隔，以考虑所述ASU系统在所述PPU的所述空气输出中N2O超过所述第一预选阈值的情况下运行的持续时间。
11.根据权利要求10所述的方法，其中缩短所述除霜间隔的步骤包括减少所述ASU系统计划进行除霜之前的时间量。
12.根据权利要求6所述的方法，其中：
所述第一预选阈值在0-0.2ppm N2O的范围内，并且所述第二预选阈值在0.2-0.32ppmN2O的范围内，或者
选择所述第一预选阈值，以便从所述空气中去除送至所述PPU的所述空气中20％-100％的所述N2O，并且选择所述第二预选阈值，以便从所述空气中去除送至所述PPU的所述空气中低于50％的所述N2O。
13.根据权利要求6所述的方法，其中即使所述PPU的所述空气输出中N2O超过所述第一预选阈值且低于与CO2突破相关联的所述第二预选阈值，仍允许在不超过14天、不超过7天或不超过2天的预选持续时间内继续以满负荷运行所述ASU系统。
14.根据权利要求6所述的方法，其中在无冗余预PPU冷却器运行的情况下仍继续以满负荷运行所述ASU系统，即使所述PPU的所述空气输出中N2O超过所述第一预选阈值，以在将所述压缩空气送至所述PPU以替换所述预PPU冷却器之前，冷却所述压缩空气，其中所述预PPU冷却器被确定存在导致所述预PPU冷却器跳闸或要求所述预PPU冷却器脱机的所述问题。
15.一种空气分离单元(ASU)系统，包含：
预净化单元(PPU)，可连接至压缩机系统以接收来自所述压缩机系统的压缩空气，所述PPU可连接至热交换器，以将经由所述PPU净化的空气送至所述热交换器；
预PPU冷却器，位于所述压缩机系统与所述PPU之间，以冷却来自所述压缩机系统的压缩空气输出，并将冷却后的压缩空气送至所述PPU；
所述PPU，包括：
容器，可连接在所述压缩机系统与所述热交换器之间，吸附材料床层位于所述容器中，所述吸附材料床层具有至少一层吸附材料以去除所述空气中水、空气中二氧化碳(CO2)及所述空气的一氧化二氮(N2O)，以便所述PPU的所述空气输出的N2O低于第一预选阈值；以及
其中所述ASU系统被配置成，响应于所述预PPU冷却器被确定存在导致所述预PPU冷却器跳闸或需要所述预PPU冷却器脱机的问题，所述ASU系统仍可以满负荷运行，即使所述PPU的所述空气输出中N2O超过第一预选阈值。
16.根据权利要求15所述的ASU系统，包含：空气分离塔组件，经放置以从所述热交换器接收所述空气。
17.根据权利要求15所述的ASU系统，其中所述ASU系统被配置成，响应于所述预PPU冷却器被确定存在导致所述预PPU冷却器跳闸的问题，即使所述PPU的所述空气输出中N2O超过所述第一预选阈值，所述ASU系统仍可以满负荷运行，直到所述PPU的所述空气输出超过大于所述第一预选阈值的第二预选阈值，所述第二预选阈值与CO2突破条件相关联；以及
其中：
所述第一预选阈值在0-0.2ppm N2O的范围内，并且所述第二预选阈值在0.2-0.32ppmN2O的范围内，或者
选择所述第一预选阈值，以便从所述空气中去除送至所述PPU的所述空气中20％-100％的所述N2O，并且选择所述第二预选阈值，以便从所述空气中去除送至所述PPU的所述空气中低于50％的所述N2O。
18.根据权利要求15所述的ASU系统，其中即使所述PPU的所述空气输出中N2O超过所述第一预选阈值且低于与CO2突破相关联的第二预选阈值，所述ASU系统仍经配置在不超过14天、不超过7天或不超过2天的预选持续时间内以满负荷运行。
19.根据权利要求18所述的ASU系统，其中所述ASU系统被配置成，在无冗余预PPU冷却器运行的情况下，仍可以满负荷运行所述ASU系统，即使所述PPU的所述空气输出中N2O超过所述第一预选阈值，以在将所述压缩空气送至所述PPU以替换所述预PPU冷却器之前冷却所述压缩机系统的压缩空气，其中所述预PPU冷却器被确定存在导致所述预PPU冷却器跳闸或要求所述预PPU冷却器脱机的所述问题。
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