CN116139652A - 调节用于分离气体料流的单元的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种调节用于分离气体料流的单元的方法，所述单元具有P个吸附器，其中P≥2，各个吸附器在阶段时间位移下遵循PSA型吸附周期，所述单元具有控制装置以使所述单元能够提供所需流量并选择性地根据标称周期或根据缩减周期运行，标称周期涉及，相继地，至少第一步骤和第二步骤，缩减周期遵循与标称周期相同的步骤序列，在第一步骤和第二步骤之间插入中间步骤，中间步骤不同于死时间，并且不同于第一步骤的延长或第二步骤的延长，所述方法涉及步骤：‑当所需流量等于标称流量时或任选当所需流量高于标称流量时，根据标称周期运行所述单元，‑当所需流量低于或等于预定流量时，根据缩减周期运行所述单元，所述预定流量低于标称流量。

Description

调节用于分离气体料流的单元的方法

技术领域

本发明涉及一种调节用于分离气体料流的单元的方法，所述单元为PSA(或“变压吸附”)类型，更特别为VPSA类型，即实施真空泵抽方式。其可在所需生产流量一旦低于用于其尺寸标注的标称流量时立即应用。

背景技术

在PSA工艺中，在生产阶段结束时，吸附剂通过杂质的解吸再生，这通过降低它们的分压实现。这种压力降低可通过总压力的下降和/或通过用不含或几乎不含杂质的气体吹扫获得。

变压吸附法既用于消除痕量杂质-例如在进料气中的含量低于1％，又用于分离含有百分之几十的不同气体的混合物。第一种情况通常被称为净化(例如气体干燥)，第二种情况被称为分离(例如由大气空气生产氧气或氮气)。

一般而言，气相吸附法有可能利用一种或多种吸附剂对混合物的各种组成分子的亲和力差异从含有一种或多种分子的气体混合物中分离所述分子。吸附剂对分子的亲和力部分取决于吸附剂的结构和组成，部分取决于分子的性质，特别是其尺寸、电子结构和多极矩。吸附剂可以是例如沸石、活性炭、任选掺杂的活性氧化铝、硅胶、碳分子筛、有机金属结构、碱金属或碱土金属氧化物或氢氧化物，或多孔结构(其优选含有能够与分子可逆反应的物质)，例如胺、物理溶剂、金属络合剂、金属氧化物或金属氢氧化物之类的物质。

大多数常规吸附剂材料是粒子形式(珠粒、棒材、压碎材料等)，但也以结构化形式存在，如整料、轮、平行通道接触器、织物、纤维等。

有三种主要类别的吸附工艺：牺牲装料工艺(sacrificial charge processes)，被称为TSA(变温吸附)工艺的工艺和最后，PSA(变压吸附)工艺。

在牺牲装料工艺中，当现有装料被杂质饱和时，或更一般地说，当其不再能够提供足够的保护时，引入新的装料。

在TSA工艺中，吸附剂在使用结束时原位再生，这意味着将捕获的杂质排出以使所述吸附剂恢复其较大部分的吸附能力并可重新启动净化周期，主要的再生作用归因于温度升高。

最后，在PSA工艺中，在生产阶段结束时，吸附剂通过杂质的解吸再生，这通过降低它们的分压实现。这种压力降低可通过总压力的下降和/或通过用不含或几乎不含杂质的气体吹扫获得。

发明内容

变压吸附法既用于消除痕量杂质-例如在进料气中的含量低于1％，又用于分离含有百分之几十的不同气体的混合物。第一种情况通常被称为净化(例如气体干燥)，第二种情况被称为分离(例如由大气空气生产氧气或氮气)。

在本发明中，术语PSA是指利用吸附剂在高压(被称为吸附压力)和低压(被称为再生压力)之间经历的周期性压力变化的任何气体净化或分离方法。因此，这一通用名称PSA无区分地用于表示下列周期性工艺，根据所用压力级或吸附器回到其起始点所需的时间(周期时间)给予它们更专用的名称也是常见的：

-VSA工艺，其中基本在大气压(优选0.95至1.25巴abs之间)下进行吸附并且解吸压力低于大气压，通常50至400毫巴abs；

-MPSA或VPSA工艺，其中在高于大气压的高压(通常1.5至6巴abs之间)下进行吸附，并在低于大气压的低压(通常200至600毫巴abs之间)下进行解吸；

-严格意义上的PSA工艺(PSA processes proper)，其中高压基本高于大气压，通常在3至50巴abs之间，且低压基本等于或高于大气压，通常在1至9巴abs之间；

-RPSA(快速PSA)工艺，其压力周期的持续时间通常小于1分钟；

-URPSA(超快速PSA)工艺，其压力周期的持续时间为大约最多几秒。

应该指出，这些各种名称不是标准化的并且界限会发生变化。

再次，除非另有说明，本文所用的术语PSA涵盖所有这些变体，“PSA”因此具有最普遍的含义。但是，在某些情况下，可能必须更特别地指定该工艺是VSA还是VPSA，特别是如果涉及在真空下泵送。

吸附器因此在高压下开始吸附期直至其载满要捕获的成分，然后通过减压和提取吸附的化合物而再生，然后复位以再次开始新的吸附期。吸附器随之已经完成一个压力周期并且PSA工艺的原理是将这些周期(cycles)相继连接在一起；其因此是周期性工艺。吸附器回到其初始状态花费的时间被称为周期时间。原则上，各吸附器在被称为阶段时间(phase time)或更简单地称为阶段(phase)的时间位移(time shift)下遵循相同周期。因此关系是：阶段时间＝周期时间/吸附器的数量。显而易见，阶段数等于吸附器的数量。

该周期通常包含时段：

-生产或吸附，在此期间经由吸附器的端部之一引入进料气，最易吸附的化合物被优先吸附，并经由第二端部提取富集最不易吸附的化合物的气体(产物气体)。吸附可在升高的压力下、在基本恒定的压力下或甚至在略微降低的压力下进行；

-减压，在此期间从不再被供给进料气的吸附器中经由其至少一个端部排出存在于吸附剂和自由空间中的一部分化合物。以吸附期的流体流通方向作为参考，可以界定并流、逆流或同时并流和逆流的减压。

-洗脱或吹扫，在此期间富集最不易吸附成分的气体(吹扫气体)循环经过吸附剂床，以帮助最易吸附的化合物解吸。吹扫通常逆流进行；

-再增压，在此期间吸附器在再次开始吸附期之前至少部分再增压。再增压可以逆流和/或并流进行；

-死时间，在此期间吸附器保持在相同状态。这些死时间可作为整个独立步骤构成该周期的组成部分，以便能够例如在吸附器之间同步步骤，或仅对应于在规定时间前已经完成的步骤的结束(在这种情况下，也使用词语“等待期”)。阀可以关闭或保持在相同状态，这取决于该周期的特性。

要重申，术语“并流”是指在其经过吸附器时与进料气以相同方向行进的料流，术语“逆流”是指以相反方向行进的料流。

要重申，一个阶段可能包含几个单独步骤，相反，一个步骤可能跨越多于一个阶段(可以说，该步骤由属于相继阶段的几个子步骤组成)。

还要重申，一个步骤的特征在于进入和/或离开吸附器的料流、它们的来源和它们的目的地。因此，吸附器的减压——具有与第一均衡化(气体将第一吸附器再增压)、第二均衡化(气体将第二吸附器再增压)和洗脱气体的生产对应的相继时段——涉及3个单独步骤，尽管在所有3种情况下都是并流减压的问题。

类似地，例如，低压吸附器被相继来自两个不同步骤的气体吹扫的洗脱期本身涉及两个单独步骤。

一般而言，通过使用PSA工艺的吸附分离气体的单元根据规格进行设计，规格特别涉及要确保的生产流量(标称流量或100％流量)和相关的所需纯度。

出现的问题在于设想一种在实际需要的生产流量低于标称流量时确保尽可能最佳运行的解决方案。这是例如在该单元的设计过程中留出余量时或在由于PSA单元的安装地点的固有原因(维护、下游单元的不同种类的操作、消耗减少等)而减少每个时段的需求量时的情况。

各PSA工艺可能有自己的解决方案，但通常采用的原理在于降低进料气的流量和延长阶段时间(phase time)，因此延长周期时间。因此有可能确保吸附剂在缩减操作(意味着缩减周期)中输送与在标称操作(意味着标称周期)中相同的气体量并因此保持相同的性能方面。

通过增加每个阶段的至少一个组成步骤的持续时间来实现阶段时间的延长。这是一种特别简单的方法，其在H2 PSAs中非常广泛地使用并充分记载在文献中。基于所需流量的测量，用于控制最近的H2 PSAs的装置自动管理缩减操作并且有可能在非常宽的流量范围内保持该单元的氢气提取率。

当存在与该单元相关的机器(压缩机、真空泵)时，由于实施了新的周期，先验地推测应该在更长的持续期间存在限制引入或取出的气体量的手段。

为此可以使用至少两种手段。最高档的一种在于使用变速机器。需要的只是使速度适应新步骤持续时间。这种解决方案具有两个缺点：投资较高、由于在平衡中要计入变速器的效率，正常运行中的能耗增加。

也可能引入“旁路”时间，在此期间机器“自行旋转”而没有向吸附器传送气体料流和/或没有从吸附器吸入料流，尤其是具有最小能耗。这种解决方案通常在VSA或VPSA类型的单元中使用。可以参考例如EP 988883。

已经描述了其它解决方案，其中该周期的压力是变化的(参见例如EP689 862和EP923 977)并因此不能系统地使用。

要指出，特别当该单元包含机器时，在缩减操作中的基本解决方案是增加死时间，在此期间将吸附器隔离并且在此期间机器在它们的“旁路”上旋转或(例如在大气压下)吸入和/或输送。

尽管这种解决方案在很长时间以来令人满意，但是其达到了极限，当前的趋势是加速该周期以减少实现分离所必需的吸附剂量。这是因为为了将吸附器隔离一段时间而增加的死时间意味着需要关闭和打开阀。但是，正是这些密封关闭阀然后再打开阀的操作磨损阀配件的最敏感部分，特别是密封件和通常易损组件，而与设定点的调节相关联的简单运动就它们而言没有明显效果。

从这些观察结果出发，出现的问题在于要能够调节通过PSA型吸附分离气体的单元的生产，其在缩减操作中不需要一个阶段接着一个阶段地打开和关闭阀以引入用于隔离吸附器的死时间。

本发明的目标是通过提供一种调节用于分离气体料流的单元的方法来有效克服这些缺点，所述单元具有P个吸附器，其中P≥2，各个吸附器在阶段时间位移(phase timeshift)下遵循PSA型吸附周期，所述单元具有控制装置以使所述单元能够提供所需流量并选择性地根据标称周期(nominal cycle)或根据缩减周期(reduced cycle)运行，标称周期涉及，相继地，至少第一步骤和第二步骤，缩减周期遵循与标称周期相同的步骤序列，但在第一步骤和第二步骤之间插入中间步骤，中间步骤不同于死时间，并且不同于第一步骤的延长或第二步骤的延长，所述方法涉及步骤：

-当所需流量等于标称流量时或任选当所需流量高于标称流量时，根据标称周期运行所述单元，

-当所需流量低于或等于预定流量时，根据缩减周期运行所述单元，所述预定流量低于标称流量。

这能够特别有效地根据需要(是指所需流量)调节生产。具体地，延长该缩减周期使得有可能，视情况而定，与简单减少生产流量相比改进提取产率或比生产能量(specificproduction energy)。

根据一个实施方案，预定流量通过关系式Drm＝Dn x(Tphn/(Tphn+tjm))界定，Drm是预定流量，Dn是标称流量，Tphn是在标称生产流量下的标称周期的阶段时间，tjm是中间步骤的最小持续时间。

根据一个实施方案，预定流量在标称流量的88％至98％之间，优选在标称流量的90％至95％之间。

根据一个实施方案，如果所需流量低于或等于预定流量，使用公式tj＝Tphn x(Dn/Dr-1)计算中间步骤的持续时间tj，Dr是所需流量，并且该中间步骤系统地依次添加到该单元的P个吸附器中。

根据一个实施方案，如果所需流量高于预定流量，仅在每X个周期的一个完整周期的过程中依次向该单元的P个吸附器中添加该中间步骤的最小持续时间，X是大于或等于(Dn–Drm)/(Dn–Dr)的第一个整数，Dr是所需流量。

根据一个实施方案，与标称周期对应的各个阶段时间在缩减周期中延长附加持续时间，根据吸附器所处的周期阶段，各个附加持续时间分别来自第一吸附器的中间步骤，和来自另一中间步骤或来自标称周期的步骤的延长，或来自其它吸附器的死时间。

根据一个实施方案，该方法包括步骤：

-当所需流量在预定流量和标称流量之间时，周期性地根据标称周期和根据缩减周期运行所述单元，

-或当所需流量在预定流量和标称流量之间时，根据标称周期运行所述单元，同时产生低于标称流量的流量。

根据一个实施方案，中间步骤和第一步骤各自涉及并流减压或它们各自涉及逆流减压。

这使得有可能限制打开和关闭阀的操作以限制其维护。具体地，如果需要，相同的阀仅通过调节开度百分比就可用于调节两个减压料流。

根据一个变体，中间步骤和第二步骤各自涉及并流减压或它们各自涉及逆流减压。

同上，这使得有可能限制打开和关闭阀的操作以限制其维护。

根据另一个变体，中间步骤、第一步骤和第二步骤各自涉及并流减压或它们各自涉及逆流减压。

这使得有可能限制打开和关闭阀的操作以限制其维护。

根据另一个变体，中间步骤和第一步骤是洗脱或再增压的步骤，各自涉及逆流进气。

根据另一个变体，中间步骤和第二步骤是洗脱或再增压的步骤，各自涉及逆流进气。

根据另一个变体，中间步骤、第一步骤和第二步骤是洗脱或再增压的步骤，各自涉及逆流进气。

根据一个实施方案，中间步骤的最小持续时间在0.5至3s之间。

根据一个实施方案，该单位的阶段时间在5s至40s之间，优选在10s至20s之间。

根据一个实施方案，由控制装置基于该单元的传感器(特别是测量压力、流量、组成或纯度的传感器)提供的信息和加载在控制装置中的预定数据(特别是在标称生产流量下的标称周期的阶段时间、中间步骤的最小持续时间、标称流量)实施该方法。

根据一个实施方案，该单元的所需流量是实测流量或设定点，或由其它参数的测量来确定，如管道中的压力或体积的压力变化。

根据一个实施方案，只有当生产纯度大于预定纯度值时才实施该方法。

本发明还涉及一种用于分离气体料流的单元，其具有P个吸附器，其中P≥2，各个吸附器在阶段时间位移下遵循PSA型吸附周期，所述单元具有控制装置以使所述单元能够提供所需流量并选择性地根据标称周期或根据缩减周期运行，所述控制装置被设计为实施如上所述的方法。

根据一个实施方案，该单元具有至少一个真空泵。

根据一个实施方案，该单元具有2个吸附器。

根据一个实施方案，该单元实施包含两个阶段时间的压力周期，一个阶段时间在缩减周期中增加中间步骤，另一个阶段时间为相应步骤的阶段时间，具有相同的持续时间并在于从中间步骤接收气体。

根据一个实施方案，该单元具有用于实施压力周期所必需的设备，其后接着各个吸附器，特别是至少一组管道、至少一组阀配件、至少一个仪表装置。

根据一个实施方案，该单元旨在由大气空气生产富氧料流，该生产的氧含量优选在88至94摩尔％之间，特别是在90至93摩尔％之间。

根据一个实施方案，该单元被设计为由含有CO2的进料混合物生产至少一种富CO2的气体和至少一种贫CO2的气体。

通过阅读以下描述和研究附图，将更好地理解本发明。这些附图仅作为图示说明给出而不以任何方式限制本发明。

附图说明

图1是根据本发明的PSA的标称周期的示意图；和

图2是图1中的PSA的缩减周期的示意图。

具体实施方式

一般而言，标称流量(nominal flow rate)是在该单元的尺寸标注(dimensioning)期间考虑的流量。其通常是由终端用户指定的流量。也使用措辞“100％流量”，而且并不总是有可能超出这一值。但是，可能实际这样做，例如通过稍微牺牲生产的纯度。

与标称流量对应的周期是标称周期。这使得能够100％生产。标称周期的阶段时间被称为“Tphn”。

所需流量(required flow rate)是为了满足用户需求，该单元在给定时间下需要生产的流量。所需流量低于或等于标称流量，否则这意味着用户误判了他们的需要。

为了使该周期的步骤(甚至死时间)可操作，有必要存在预定的最小持续时间(predetermined minimum duration)。这种预定的最小持续时间被称为“tjm”。其通常为大约1至2秒。这一持续时间是操作阀以建立流量所必需的。

缩减周期(reduced cycle)被理解为是涉及与标称周期(步骤的持续时间、步骤的添加)相比的修改以使该单元适应不同于标称流量的所需流量的任何周期。

当所需流量低于标称流量时，已知的解决方案是增加生产时间以使产生的流量与生产持续时间的乘积保持恒定。这意味着该体积的吸附剂总是处理相同量的气体。

已经显而易见，在一定数量的PSA周期中，有可能通过在某些点向标称周期中加入不同于前一步骤和后一步骤的附加步骤(或中间步骤)来延长阶段时间，因此不对应于预存步骤的简单延长或不对应于死时间，因为其涉及料流传输。

因此，规定了一种调节用于分离气体料流的单元的方法，所述单元具有P个吸附器，其中P≥2，各个吸附器在阶段时间位移下遵循PSA型或VPSA型吸附周期。

该单元具有控制装置以使该单元能够提供所需流量并选择性地根据标称周期或根据缩减周期运行。

标称周期相继具有至少第一步骤和第二步骤。缩减周期遵循与标称周期相同的步骤序列，在第一步骤和第二步骤之间插入中间步骤。

中间步骤不同于死时间，并且不同于第一步骤的延长或第二步骤的延长。

通过控制单元实施根据本发明的方法。该方法涉及步骤：

-当所需流量等于标称流量时或任选当所需流量高于标称流量时，根据标称周期运行所述单元，

-当所需流量低于或等于预定流量时，根据缩减周期运行所述单元，所述预定流量低于标称流量。

将这样的中间步骤并入标称周期中的优点使得有可能避免对阀的正确操作有害的阀的重复运动，并且使得容易进行在没有它的情况下难以实施的缩减操作。

在图1的实例中，显示PSA的这种标称周期，更特别是VSA周期，或具有3个吸附器和因此3个单独阶段的单元。图1中的图显示压力Pr与时间tp的关系。

第一生产阶段具有2个步骤：1a，1b。在步骤1a的过程中，吸附器在其底部供入进料气，在其顶部供应生产气体，而在步骤1b的过程中，还供应第3吸附器的再增压气体。阶段时间为20秒，步骤1a、1b各持续10秒。

该周期的第二阶段包含3个步骤：

-步骤2a，持续时间为5秒，其为并流减压，向第3吸附器供应洗脱气体，该吸附器随后处于该周期的低压下，例如大约0.3巴abs，通过真空泵抽获得；

-步骤2b，持续时间为5秒，其为同时通过真空泵抽进行的逆流减压和用于向第3吸附器供应再增压气体的并流减压；

-步骤2c，其是持续10秒的真空泵抽至该周期的低压。

第三吸附器相继遵循：

-步骤3a，其是持续时间为5秒的洗脱步骤；

-步骤3b，其是持续时间为5秒的第一次再增压；

-步骤3c，其是持续时间为10秒的最终再增压。

如在任何PSA周期中，发现各阶段的持续时间相同，在这种情况下为20秒，并且发现涉及两个吸附器之间的料流直接交换的步骤在时间上对应，意味着在它们各自阶段中的相同时刻开始，并具有相同持续时间，例如洗脱气体2a的供应持续5秒并处于该阶段开始时，正如洗脱步骤3a一样，其接收该气体并且也处于该阶段开始时并持续5秒。

由于PSA周期是在尺寸标注期间提供的周期或在启动时执行的实际周期，在这些条件下产生的具有指定纯度的流量在此被称为标称流量。如果一切都精确地如同计算值，则该流量将对应于尺寸标注的流量(dimensioning flow rate)。实际上，如果例如吸附剂的质量好于预期或如果在VSA的情况下真空泵略微更有效，这可能略微更高。

要指出，根据我们的定义，标称流量可能在运行过程中改变，例如如果吸附剂被污染，则向下改变。因此，用于确定更好的缩减操作(reduced operation)的标称流量可根据情况对应于计算的参考值100、在开始时测得的106或在运行一年后的95。这种类型的测量通常周期性地由操作人员在使其它参数与定标数据(dimensioning data)一致后进行，因为这是测定该单元的状态并监测其随时间的变化的最安全的方式。

下面假设只需要标称流量的大约90％。

第一手段(这里未显示)可以是通过依序关闭生产阀以便以这种方式限制生成的流量来继续相同的周期。这通常导致生产纯度的提高，但伴随着比生产能量(specificproduction energy)的不可忽略的增加，以对这一解决方案具有不利影响。

优选通过保持单位周期时间内的PSA的性能方面而将阶段时间增加10％。因此，目的是在标称操作中每66秒(3x 22)而非60秒(3x 20)的周期处理相同量的进料气，经由真空泵提取相同量的残余气体并产生相同量的净化气体。因此每小时产量减少10％。

图2显示图1中的PSA的缩减周期的一个实例。图2中的图显示压力Pr与时间tp的关系。

如图2中可以看出，该缩减周期的特征在于向标称周期中增加了步骤2b’。在这一实例中，这是并流减压步骤，其中气体用于开始将第三吸附器再增压。其不同于前一步骤2a’(其中气体用于洗脱)和后一步骤2c’(其中减压同时逆流和并流发生)。

这是被称为中间步骤的新步骤。

因此，术语“中间步骤(intermediate step)”用于指与标称周期相比引入缩减周期中的任何步骤，其具有本发明的特征(不同于死时间并且不同于第一步骤的延长或第二步骤的延长)。

这一中间步骤不同于其任一侧上的步骤。应该指出，为了实现这种类型的缩减操作，延长单个阶段是不够的，而是应该将PSA周期的所有阶段延长相同持续时间，在这种情况下为2秒。

有几种方式延长生产阶段。可以相当简单地将其延长并同时通过作用于压缩机的“旁路”而减少进料流量。因此，在长10％的持续时间内引入少10％的流体，这意味着吸附剂在每个进料阶段接收相同量的气体。

在图2的实例中，还做出决定在生产阶段开始时引入2秒的死时间(步骤1a’)，在此期间压缩机(在这种情况下是鼓风机)向吸附器传送非零流量(例如，输送阀关闭)。在这一实例中，该步骤1a’不应被视为中间步骤。

仍在图2的实例中，第三阶段包含2秒的中间步骤3b’。这显然是根据本发明的第二中间步骤，因为其不同于前一步骤3a’(洗脱)和后一步骤3c’(其中再增压气体来自同时进行并流和逆流减压的吸附器)。

因此，图2显示通过将两个中间步骤添加到标称周期中而获得的缩减周期。各中间步骤不同于前一步骤和后一步骤，并且不是死时间。各中间步骤在不同的阶段时间(在所涉实例中为第2和第3阶段时间)。在图2的实例中，在最后一个阶段时间(在所涉实例中为第1阶段时间)中另外增加死时间。注意，如果仅引入一个中间步骤，情况也是如此。

在一个变体中，在标称周期中使用单个阀，这使得有可能控制第2吸附器的并流减压。该阀控制送往第三吸附器的洗脱流量(2a-3a)以及这一相同第三吸附器的再压缩流量(2b-3b)。该单元的控制装置根据向其供应的设定点(该周期的先验中间压力(prioriintermediate pressures))调节阀的开度。

在缩减操作期间(即当该单元根据缩减周期运行时)，正是同一个阀调节吸附器3的第一次再增压的流量(2b’–3b’)。阀的打开/关闭不是必需的：阀仅设有调节时间，这对其操作没有任何影响。

如已经指出，与PSA有关的主要发展之一是周期的加速，这实际上意味着阶段的缩短。这使得能够在相同体积的吸附剂下生产更多，或在相同产量下减少所用吸附剂的必需体积。这种方法通常导致在产率或比能量方面牺牲该单元的少量效率以实现生产率和因此投资的非常显著的改进。以在给定吸附剂的动力学和设备的可能性下已压缩到最大限度的周期为例。其包含对应于吸附器从低压吸附再增压到高压吸附的阶段。有多个步骤用于进行这种再增压，例如：在不断增加的压力下洗脱、用来自其它吸附器(例如均衡化(equalizations)、部分均衡化(partial equalizations))的各种料流、有时暂时储存在缓冲体积中的料流、用一部分产量(production)进行的逆流再增压、同样用来自其它吸附器的各种料流或用进料气进行的并流再增压。这些再增压中的一些可同时并流和逆流进行。

由于实际原因，具有10至20秒的阶段的快速PSA周期仅用有限数量的步骤，通常最多2至4个步骤实现吸附器的再增压。

所采用的步骤是最有效的并且容易并入PSA的完整周期中的步骤。

因此，用于生产富氧料流的快速VSA周期在标称操作中涉及再增压，其包含在不断增加的压力下洗脱、通过来自另一个吸附器的料流进行的逆流均衡化并同时并流吸入大气空气，随后用空气进行最终再增压。

已知的是，一个或两个互补步骤(complementary steps)的引入有可能改进VSA周期的效率，但是至少对于所用技术，会导致阶段时间延长大约1.5至3秒。对于15秒的初始阶段时间，这将为了周期效率的小幅增加而导致10％至20％的生产率自动损失。经济平衡不利于增加新步骤。相反，要认识到，如果这一相同单元仅在其标称流量的小于90％或小于80％下运行，则有可能获益于由此得到的裕度(margin)以便引入一个或两个新步骤，这随后将改进性能。这个或这些新步骤是例如用来自在不断增加的压力下洗脱的步骤后紧接的另一吸附器的气体进行的简单逆流再增压和/或在用进料气进行的最终再增压之前用一部分产量进行的逆流再增压(这种逆流再增压能够至少部分与进料气的引入同时进行)。

本发明因此受益于缩减操作以在吸附器之间增加部分压力均衡化(partialpressure equalization)或增加新的再压缩步骤。已经为这些新步骤指出1.5至2秒的指示性持续时间。将新步骤引入该周期不仅取决于其插入该周期的方式(例如取决于要操作的阀的数量、在这些操作前可能的应力)、取决于控制装置的可能性、取决于阀的类型和尺寸。阀的最大运转速度通常由它们的供应商指示。控制装置的响应时间也是如此。

当大多数参数有利时，新步骤的引入有可能接近0.5秒。对于不太有利的参数，这更可能是3至4秒。

这意味着该方法只能从一定程度延长该周期开始并因此从某一减小的流量开始实施。

在大多数PSA周期中，在所需流量Dr低于标称流量Dn的情况下，将在标称生产流量下的标称周期的阶段时间(即标称吸附阶段的持续时间)Tphn延长持续时间t，以得到关系式：Dr x(Tphn+t)＝Dn x Tphn。

这意味着吸附器在一个周期的过程中产生相同量的生产气体(production gas)，因此同样处理，相当近似地，相同量的进料气。

这立即导致Dr＝Dn x(Tphn/(Tphn+t)，其提供作为t的函数的生产流量。还存在关系式：t＝Tphn x((Dn/Dr)-1)，其提供对应于所需流量Dr的时间t。

要指出，更一般地，存在关系式Dr＝f(t)和t＝g(Dr)，函数f和g能够基于一定数量的模拟或试验确定。函数f和g可能包括其它参数，如进料气的入口温度、该周期的压力或甚至生产纯度。

一旦已经如上文所见随PSA周期的特性值设定了中间步骤的最小持续时间tjm，用关系式Drm＝Dn x(Tphn/(Tphn+tjm)确定预定流量Drm的值(与在缩减周期中产生的流量对应的最大值)。

例如，对于30秒的阶段时间和1.5秒的中间步骤的最小持续时间，本发明可以在小于或等于标称流量的95.2％的所需流量下系统地实施，即在所有周期中相继实施。

对于相同的单元，可对小于95.2％的所需流量确定生产阶段的延长t和因此中间步骤的持续时间tj(tj＝t)。例如，对于88％的所需流量，tj＝4.1秒。

对于高于95.2％和低于100％的所需流量，采用的原理是在100％的周期中引入缩减流量周期。例如，通过相继执行标称周期和具有1.5s的中间步骤的最小缩减周期，获得等于97.6％的平均产量。在这种情况下更具体地，该单元的P个吸附器相继执行标称周期、缩减周期、标称周期等。由于周期的持续时间短，生产流量的小变化没有影响并迅速由下游设备补偿。

可以找到更复杂或更不复杂的算法确定最佳序列，但是如果所需流量Dr高于预定流量Drm，则一种解决方案在于仅在每X个周期的一个完整周期的过程中(依次在该单元的P个吸附器中)添加最小持续时间tjm的中间步骤，其中X通过以下关系式测定：X＝大于或等于(Dn-Drm)/(Dn-Dr)的第一个整数。

例如，用于：Drm＝95.2％和Dn＝100％，根据定义，获得：

-对于Dr＝97.6，比率(Dn-Drm)/(Dn-Dr)＝4.8/2.4＝2，因此X＝2，这代表每2个周期一个缩减操作；

-对于Dr＝98，该比率＝(Dn-Drm)/(Dn-Dr)＝4.8/2＝2.4，因此X＝3，这代表每3个周期一个缩减操作(或3个中的1个周期)。

在实践中，产量略高于或等于98.4％。

这样的差异先验地推测没有影响，并在流量计的测量不确定性的范围内。

例如在O2 VSA上，这可能导致氧气纯度增加大约0.1至0.2％，这是该单元的自然波动的数量级。

但是，如果这证明是必要的，则存在一个自由度参数，其在于增加中间步骤的持续时间tj以超过其最小持续时间tjm，这相当于修改Drm。因此有可能覆盖缩减操作的整个范围。

例如，当Dr＝98％时，如果为了精确地获得X＝3而希望比值等于3，则Drm必须等于94％，因此tjm必须被设定为1.9秒。

因此将存在一系列周期，产量为100％、100％、94％、100％、100％、94％等，这平均相当于98％。

要指出的是，当在PSA下游存在大的缓冲体积以将流量波动进行平均时，可能优选的是使从标称周期到缩减周期的过渡(passages)最小化，同时保持这2个周期的各自数量之间的比率。上述示例随后可例如得到以下序列：

100、100、100、100、100、100、94、94、94、100、100等。

更一般地，该单元的控制装置然后依循连续的M个标称周期和N个缩减周期运行PSA，以平均得到所需流量。

当阶段时间短时，在PSA单元上执行缩减操作的问题更加关键。一方面，传统解决方案中必需的阀的打开/关闭的每年数量与阶段的持续时间成反比，两个程序化维护操作之间的持续时间也是如此。增加阀操作只会加剧这一点。另一方面，只有当所需流量显著低于标称流量时才可能触发缩减操作。本发明因此特别适用于阶段时间为5至40秒的PSA周期。

机器，特别是真空泵的存在通常对本发明可为其提供解决方案的步骤持续时间引入额外的限制。具体地，对于不具有变速器的机器，延长使用它们的步骤是缩减操作的对立面。具体地，不希望在生产步骤的过程中引入更多气体或通过提取更多的残余气体而进一步进行吸附剂的再生。因此必须在以再循环模式或在例如通风(air venting)下运行机器的同时在吸附器侧创建死时间。

本发明特别适用于VSAs或O2 VPSAs，其中该周期既包含短阶段时间，例如15至35秒，又包含设备，如：空气压缩机或真空泵。

根据本发明的方法可以完全自动化。标称流量(可以重申，其可随时间经过变化，例如取决于吸附剂的状态)可在例如试验后手动输入到系统中，或由系统本身根据在给定时间和相应操作条件下的实际性能确定。例如包括主要参数(生产流量、纯度、温度、阶段时间等)的相关性使得有可能得出在标称条件下能够生产的流量。

在本发明的情况下，了解所需生产流量显然是重要的。该流量可以不同的方式确定，例如来自下游单元的设定点、直接测量(例如流量计)或间接测量(例如借助压力)。

生产的纯度显然是大多数单元的基本特征。产物纯度的分析可以以几种方式引入本发明的方法中。最简单的方式在于引入安全设施(safety feature)。已知的是，对于大多数PSA工艺，在不改变该周期的情况下降低生产流量导致生成的纯度高于必要，以致损害产率和/或比能量，即最终损害原料消耗(进料气或能量消耗)。为了避免由于触发缩减操作而降低到所需纯度以下的任何风险，该系统仅在纯度过高的情况下进入操作模式(用至少一个新步骤延长阶段时间)。

例如，对于需要供应含有90％氧气的气体的O2 VSA，只有在氧气纯度超过90.5％时才引发缩减操作。

生产纯度也可作为参数之一引入以致有可能确定阶段的足够持续时间或因子X(要重申，当所需流量在预定的缩减流量和标称流量之间时，1/X相当于缩减周期分数(reduced cycle fraction))。回到O2 VSA的实例，现场模拟或试验可用于找出函数生产流量(function production flow rate)＝g(生产纯度)，生产流量能够标准化。

因此，对于需要生产90％氧气的单元，可以有以下配对(标准化流量，纯度)：(100、90％)、(97、91.5％)、(92、93％)、(87、93.5％)、(82、94％)。

如果单元在所需流量下以92％的纯度运行，则在90％的纯度下，可产生大约4.7％的额外流量。由于不希望增加流量，可成比例地延长阶段时间，即对于30秒的标称持续时间，变成31.4秒。以这种方式，将在所需纯度下产生所需流量。每周期消耗的能量与之前相同，但通过每小时执行更少的周期，该单元的能量消耗降低。

Claims (10)

1.调节用于分离气体料流的单元的方法，所述单元具有P个吸附器，其中P≥2，各个吸附器在阶段时间位移下遵循PSA型吸附周期，所述单元具有控制装置以使所述单元提供所需流量并选择性地根据标称周期或根据缩减周期运行，标称周期涉及，相继地，至少第一步骤和第二步骤，缩减周期遵循与标称周期相同的步骤序列，但在第一步骤和第二步骤之间插入中间步骤，中间步骤不同于死时间，并且不同于第一步骤的延长或第二步骤的延长，所述方法涉及步骤：

-当所需流量等于标称流量时或任选当所需流量高于标称流量时，根据标称周期运行所述单元，

-当所需流量低于或等于预定流量时，根据缩减周期运行所述单元，所述预定流量低于标称流量。

2.根据前一权利要求的方法，其特征在于预定流量通过关系式Drm＝Dn x(Tphn/(Tphn+tjm))界定，Drm是预定流量，Dn是标称流量，Tphn是在标称生产流量下的标称周期的阶段时间，tjm是中间步骤的最小持续时间。

3.根据前述权利要求任一项的方法，所述方法涉及步骤：

-当所需流量在预定流量和标称流量之间时，周期性地根据标称周期和根据缩减周期运行所述单元，

-或当所需流量在预定流量和标称流量之间时，根据标称周期运行所述单元，同时产生低于标称流量的流量。

4.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于中间步骤和第一步骤各自涉及并流减压或它们各自涉及逆流减压。

5.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于中间步骤和第二步骤各自涉及并流减压或它们各自涉及逆流减压。

6.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于中间步骤、第一步骤和第二步骤各自涉及并流减压或它们各自涉及逆流减压。

7.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于中间步骤和第一步骤是洗脱或再增压的步骤，各自涉及逆流进气。

8.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于中间步骤和第二步骤是洗脱或再增压的步骤，各自涉及逆流进气。

9.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于中间步骤、第一步骤和第二步骤是洗脱或再增压的步骤，各自涉及逆流进气。

10.用于分离气体料流的单元，其具有P个吸附器，其中P≥2，各个吸附器在阶段时间位移下遵循PSA型吸附周期，所述单元具有控制装置以使所述单元提供所需流量并选择性地根据标称周期或根据缩减周期运行，所述控制装置被设计为实施根据前述权利要求之一的方法。

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