CN1196512C - 低压力比vpsa调整和平衡系统 - Google Patents

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Abstract

本发明在变压吸附方法中保持近于恒定的循环压力比以及吸附容器排出气流的平衡。本发明监控循环压力比，并随后改变循环步骤时间和流量以维持其数值，从而使设备性能最大化并避免不必要的停机。保持近于恒定的压力比保证了设备生产的最佳化并使能量消耗最小化。使用相应的废气纯度进行的吸附容器排出气流的平衡用来进一步改进设备产量。

Description

低压力比VPSA调整和平衡系统
技术领域
本发明涉及一种变压气体分离过程的控制，更确切地说，本发明涉及一种根据所观测到的压力和纯度来调整吸附/解吸的步骤时间和容器回流的步骤时间和流量，以保持容器压力略低于或处于预定值，从而优化并实现最大产量的方法。
背景技术
具有成本竞争性的PSA(变压吸附)系统的设计依赖于包括进料和真空式鼓风机，容器床和吸附剂，阀门和其它设备的良好匹配的系统部件的高效利用。其中安全的、稳定的、有效的使用和控制这些设备是关键。为了持续控制这种高度的瞬态过程，设备中装备有程序逻辑控制器(PLCs)和具有运行控制和监测软件的计算机。具有床长度较短的径流吸附器的最新发展、具有高吸附速率的改进的吸附剂、以及其它的系统提高已起到缩短周期的作用，从而进一步增强了PSA操作的瞬时性的过程灵敏性。
此外，低压比的VPSA循环的发展简化了单阶段旋转叶片真空泵的转换。为了起作用，这些泵必须仔细确定尺寸，以便与诸如床体积和进料鼓风机的气体系统部件相匹配。从机械角度来看，这些真空鼓风机在接近其最大值的压差下进行操作，而在空气动力学上其操作点为随真空能级增加而效率急剧下降的点。
理论上，一旦系统建立了适当的操作压力后将不需要再进行调整。问题在于诸如环境温度和压力、控制阀位置、设备调整参数、操作温度、冷却回路、鼓风机和压缩机的机械磨损和阀泄漏等的改变会影响这些压力值，而且有时由于迫使系统部件偏离其设计点进行操作而造成非峰值操作。在极端情况下，甚至可能发生设备停车。因此，为了安全地和有效地进行操作，在设备操作过程中必须仔细监测系统的总压力，而且必要时，对其进行调整以接近期望值。
在系统中应用多于一个吸附容器的情况下，将产生另一个问题。该问题源于在产生由最小单位功率、最小产物纯度变化以及最大产量等来计量的最佳系统性能的意义上，对这些容器的单独操作进行匹配时产生的困难。正如对系统总压进行控制一样，床与床之间的平衡也是必须的，因为有干扰进入系统并时常导致系统稳定性的改变。所述干扰可通过改变环境温度、环境压力、工艺设备、过程阀定位、过程阀响应时间、设备计算机控制功能以及其它因素而被引入。可通过监控关键工艺参数并通过过程控制系统对其进行调整，使系统恢复到接近设计操作，从而使这些干扰产生的影响最小化。除了上述的总压控制外，这种床与床之间的平衡也是必要的。
在US4747853中，Haslett等人描述了一种在使用压敏装置、限流孔和常开阀并在阀失效的情况下，对过压进行控制的方法。如果压敏装置检测到不可接收的压力，则将信号传送到常开阀并使其关闭。因而以与市售的安全阀或防爆膜相似的方式来保护下游系统免受更高的压力。
在Schaub等人的US5407465中叙述了床平衡/调整。该专利确认需要保持床与床之间的平衡，其结论在于具有相似轴向温度分布的各个床通过一个平衡系统进行操作。如果有干扰进入系统，所述各个床的轴向温度分布将发生改变，提供一个不平衡的指示。采用设备控制计算机来监控床温度并调整所述温度使其保持平衡，以及监控以某种方式设计的进入及排出各个容器的吹扫流，从而使各床恢复相似的温度分布。
Ziming Tan在US5529607中指出，可对从在循环PSA过程中进行异相操作的单个床的吹扫气流中检测到的最大O2浓度进行监控。然后可确定所述浓度的绝对差，并对各床的吹扫过程的步骤时间进行调整，以减少所述浓度差的绝对值。
Ross等人的US5486226使用一种氧分析仪来测量用于制备N2的碳PSA过程中的杂质。如果所述O2杂质增加到高于可接受的限度，则引发产物质量气体由缓冲罐向吸附容器的流动，以恢复产物纯度。这提供了一种在停机或其它干扰后进行快速起动的途径。
Shirley等人的US5258056叙述了一种通过测量产物需求的改变、然后调整原料气流来补偿所述改变的方式，来控制设备的输出产量的方法。原料气流被调整以保持恒定的产物纯度。系统控制原料空气是为了关闭容量控制和纯度控制。
Gunderson的US4725293叙述了一种通过监控产物流的纯度值、然后调整原料气流以保持所需的产物纯度，从而控制产物流中杂质量的系统。
Miller等人的US4693730提出了一种控制PSA产物流中气体组分的纯度的方法。在并流降压或平衡气体中监测杂质的浓度来确定是否存在干扰条件。如检测到问题，则对过程进行调整。校正纯度问题可采取的主要途径是：
a)改变吸附步骤时间以控制传质前沿的前沿位置。
b)改变最终并流降压步骤的端点，以致不发生传质前沿的穿透。
c)增加各个容器的吹扫气体的数量。
Miller等人的系统实质上监控的是在每次循环中变化最快而且最易检测到干扰时的纯度。因而它有可能在其完全传播并在产物纯度中显示之前检测出干扰事件。
发明内容
本发明监控系统压力，并将监控数据传送到基于控制逻辑的PLC，所述PLC调整所述过程的步骤时间，以保持所述过程在所需最佳压力下安全地进行操作。本发明独立地控制底部压力和顶部压力，从而提供一种优化有点互相独立的进料鼓风机和真空鼓风机的途径。由于真空鼓风机是单阶段机器，因而维持一个最佳的循环压力比更加困难。这是因为在升高的抽吸压力下要处理较大量的空气(当与先前采用两阶段真空鼓风机时相比)。现有技术试图将吸附和解吸压力控制到固定的、离散的数值，但调整到这些离散数值下进行操作导致该过程效率低，因为由于过程流动在其两者之间的耦合作用的事实，使得对一件设备所进行的调整会影响到另一个设备，本发明的关键特征在于可同时调整一个循环内的单个步骤时间和内部回流流量。这些调整使得所述循环在接近所需压力比的压力比下进行操作，同时顶部吸附压力和底部解吸压力处于恒定的改变值，所述改变值对给定过程和设备操作条件进行优化。
在具有多于一个吸附容器的PSA系统中，因为需要保持接近平衡的容器与容器性能，需要对最佳总压力值进行额外的控制。当各吸附容器的出口物流在相同的氧纯度值下操作时，可达到平衡的PSA容器性能。理想的是，当所述系统中的各个连续的容器在经历从吸附到解吸的主要的工艺步骤时，关键的过程指标诸如容器内温度、容器压力值、排出气体组成、步骤时间长度、和其它指标在幅度和频率上是相同的。换言之，在所述容器的操作中没有变化。来自所述系统的产物气流在纯度上是一致的，无论生产它的运转容器是哪一个。
平衡的容器操作使整个系统的产量最大化，进一步降低了总体生产成本。为达到这种最佳化，现有技术已采用了以纯度、压力或温度的测量值作为检测不平衡状态的途径，并由此调整过程使得恢复平衡。本发明通过监控在每个完整排气半循环期间的单个容器排出物流(废物流)并记录(logging)在这期间内观察到的最小氧浓度，来使所述容器的进出流量达到平衡。然后，相应地调整平衡的流量(从目前处于循环的吸附状态的床转移到目前处于解吸状态的床的容器排出物流)使得所述容器的废物流中达到相似的O2浓度。
本发明的一个关键特征在于它系统地调整单个循环的步骤时间(进料时间、吹扫时间、平衡时间)，来使整个系统保持在其最佳压力值。无论因何目的改变步骤时间、而不具体选定时间来保持系统压力和总回流要求将会导致非最佳的性能。本发明无需记录O2浓度的精确时间。它只简单地监控每个循环中的最小纯度，然后将其对比。
现有技术也已试图记录各容器的压力，然后在固定时间间隔，或者最典型为步骤时间内对其进行对比。这已证实是无效的，因为床与床之间的温度改变和固有的吸附物质的差别可导致各床中的压力相匹配，但床自身明显不一致，而且产量达不到最佳化。在各容器的平衡步骤期间进行的床差压(顶部床与底部床之间的压力差)的测量也已被用于过程调整。这一步骤的现场测验表明，它不能产生与最小废物物流纯度相匹配相同的有效结果。
保持接近设计点的最佳循环压力比，同时又保持吸附容器排出物流的平衡提供了显著的经济利益。通过监控循环压力并随后改变循环步骤时间来保持最佳值，来使设备性能达到最大化并避免了不必要的停机。另外，保持系统最佳压力比可保证设备产量最佳化以及能量消耗最小化。使用相应的废物纯度，则吸附容器排出物流的平衡可导致设备产量显著改进。
附图说明
图1A是一个VPSA循环步骤简图。
图1B是一个VPSA工艺条件和内部通道压力的列表。
图1C是一个用于实施本发明的VPSA设备简图。
图2是单一和两阶段真空鼓风机设备的真空鼓风机效率与真空鼓风机抽吸压力的关系图。
图3图示了在现场(in the field)收集的废物(排出物流)中的O2痕量。
具体实施方式
如下所述，为了减小能量消耗以及使系统保持连续和有益操作，本发明控制一个VPSA系统。这种控制是通过使设备产量最大化的同时来保持循环压力比(Pmax/Pmin)接近于设计值来实现的。该控制是通过调控循环步骤时间和调整平衡和吹扫流动来实现的。这些操作有助于保持循环压力比接近于设计值，同时通过均衡进入和离开各个吸附容器的物流的组成来使产量最大化。
总的循环时间通过改变单个步骤时间(吹扫步骤、平衡步骤和总进料时间)来调控，从而产生所需控制的循环压力比。各个吸附容器的产量通过监控容器排出物流的组成来保持平衡。通过平衡所述吸附排出物流，使得所述设备的效率和产量增加。所述容器排出物流的平衡个通过调整平衡和吹扫气体流来实现。
用于一个两床VPSA系统的低压力比PPPOE(用吹扫和重叠平衡进行产物加压(Product Pressurzation with Purge and Overlap Equlization))循环由12步骤组成，并采用连续方式的真空鼓风机。典型地，这种循环从空气中产生纯度为90-94％氧气，并以短的循环时间和低的床尺寸系数来进行操作。以下对床“A”的循环步骤进行说明。床A和B经历完全相同的步骤，但相差为180度。图1A(VPSA循环步骤图)、1B(VPSA工艺条件和内部通道压力)和1C(VPSA设备图)有助于理解所述工艺步骤。
步骤1：伴随重叠平衡的升压进料：在这一步骤过程中给进料鼓风机加载。床A(举例来说)由原料空气从底部和由来自降压容器(即床B)的平衡气体从顶部同时进行加压。
步骤2：伴随重叠产物加压的升压进料：现将高纯产物从氧缓冲罐加入到床A的顶部，同时通过进料鼓风机提供原料空气。这一步骤用来使吸附前沿尖锐，同时增加床的压力。
步骤3：升压进料：原料经进料鼓风机连续进入床A。在所述过程产生产物之前，床A向设定压力的方向积累压力。在这一步骤结束时的压力尽可能接近所给定的产物罐体积和压力控制系统的最大吸附压力。
步骤4：伴随产物产生的恒压进料：在这一步骤过程中通过使进入容器的原料空气与从容器顶部排出的产物相匹配来使床A中的压力保持相对恒定。所述产物气体输送到氧缓冲罐。
步骤5：伴随产物产生和吹扫的恒压进料：原料空气持续进入床A容器的底部，同时氧产物被输送到产物缓冲罐和降压容器(床B)作为氧吹扫气体。流量被匹配以保持容器压力近于恒定。在这一步骤中氧气产物的纯度保持相对恒定，且在纯度前沿突破床A的顶部之前终止该步骤。
步骤6：降压平衡：在这一步骤中，通过关闭进料阀使流向床A容器的原料气体中断。通过打开位于所述系统排料侧的排气孔使原料空气鼓风机卸载。将残余在加压床A顶部的较低纯度的气体输送到降压容器(床B)，从而使两个容器中的压力近于平衡。这一步骤是一增益过程，因为它可回收压力能量和所述容器顶部的较高O2浓度的气体。
步骤7：伴随重叠平衡的降压排气：在这一步骤中起动真空鼓风机进行废物氮气的去除，而同时床A容器通过向升压吸附容器(床B)的平衡降压流动使其从顶部降压。
步骤8、9和10：降压排气：这三个步骤是连续的排气阶段。从床A容器的底部排出废物氮气，同时所述容器的顶部没有排出或进入气流。
步骤11：伴随氧吹扫的恒压排气：真空鼓风机持续从床A容器的底部排出氮气，同时氧吹扫气体加入到所述容器的顶部。由于控制所述氧吹扫气流量与排气的流量相等，因此在这一步骤中压力保持相对恒定，。
步骤12：升压平衡：真空鼓风机持续排出氮气，同时将来自加压床(床B)的平衡氧加入到降压容器(床A)的顶部。在这一步骤中床A中的压力上升，因为进入所述容器的平衡气流量大于流出所述容器的排出气流量。在这一步骤中卸载床B进料的进料鼓风机。
通过将进料鼓风机的最大排气压力(发生在床A的步骤5的终点；床B的步骤11中)除以真空鼓风机的最小吸引压力(发生在床A的步骤11的终点；床B的步骤5中)来计算所述循环的压力比。
标准压力比VPSA循环采用一个两阶段真空鼓风机并在所述真空鼓风机组件中产生了大的差压(真空鼓风机抽吸相对于排气，差压约10.5psid)。低压比VPSA循环仅由单阶段的真空鼓风机构成，并且经过该真空鼓风机达到相当小的差压(约8psid)。所得到的压力比与两阶段真空鼓风机组件相比小得多(约3vs.约5)。
在VPSA设备上使用的单阶段真空鼓风机可实现最大约为8.5psid的差压。为了使标准压力比过程达到所需的差压，必须使用两个真空鼓风机。但通过采用低压力比循环，因为仅需要一个真空鼓风机而使费用降低。另外，为了能够使用单个真空鼓风机，所述过程压力比(其与真空抽吸差压内在关联)需精确控制。
为保持压力比进行的调整
对于低压比VPSA循环来说，压力控制是关键的。本发明采用一个进料鼓风机和一个单阶段的真空鼓风机。所述真空鼓风机在接近其设计的最大差压和随真空值增加其效率显著降低的压力值下进行操作。图2图示了真空鼓风机效率相对于单阶段和两阶段真空鼓风机组件两者的真空鼓风机吸引压力图。当吸引压力由8psia(真空鼓风机差压约6.5psid)下降至6psia(约8.5psid)时，压力比增加，而机器的效率降低。机器的设计吸引压力极限约为6psia，当吸引压力降至接近这一极限时，效率则快速下降。因而重要的是将吸引压力保持在这样一个数值，即在真空效率值容许时，在该压力比下所述设备的产量达到最佳化。环境条件、设备选择、调整参数、操作温度、冷却系统和阀泄漏等因素的改变均会影响操作压力值和总体的系统操作。
对于固定条件(无任何干扰)，PSA过程压力会随时间而保持恒定。在各循环中它们可达到的实际值取决于系统的气体贮存容量、系统所采用的设备以及单个步骤时间。
通常原料空气机向系统中添加气体，使其压力增加到某一较高值，而真空鼓风机从系统中排出气体使其压力降至某一较低值。只要能保持这种平衡，所述过程压力将会以某一平均压力重复。这种平均压力可通过顶部压力和底部压力相加后再除以2得到。如果从系统中流出的气体多于流入的气体；则顶部压力、底部压力和平均压力将会下降，反之亦然。类似的，延长循环会增加顶部压力而降低底部压力。缩短循环则会降低顶部压力并增加底部压力。这是因为有更多的总流量仅以成比例的方式进入或排出固定系统。
对于各种情况平均值会稍微发生改变，但它的变动相对于顶部和底部压力的变动来说要小得多。因而通过延长或缩短步骤时间来改变循环操作的压力范围是可能的。事实上，可通过监控压力并改变循环时间来保持对顶部或底部压力中的至少一项进行控制，从而使压力维持在容许的或低于最大/最小值的数值范围内。
在实际操作中，还会遇到另外的因素。这些因素包括系统内部的气流诸如平衡、吹扫以及产物气流。进入和排出所述系统中的各个容器的每种气流的流量均会影响容器压力。这些气流可通过步骤时间和/或控制阀位置来进行控制。它们的步骤时间可在固定的总循环时间内进行调整。也可控制它们的阀位置来改变固定步骤时间的流量。此外，可对每一单个容器设置一个平衡控制阀，使得各容器在给定步骤时间内具有不同的流量成为可能。这些附加的控制变量使得将所述过程调整到所期望的，在上述顶部和底部压力之间的压力值成为可能，因为它们影响容器与容器的操作，而且也可用来使容器之间保持适当的平衡。
如下所述，在步骤6和12中，当进料鼓风机卸载的同时而真空泵持续操作影响到压力值时，步骤6和12的循环步骤时间则非常重要。此外，还有从容器到容器的内部平衡气流。因此在所述步骤中，进入和排出所述系统的气流以及系统中的内部气流均可被调节以对系统压力产生最大影响。
可选择标准的真空和进料鼓风机来为所需的中间平衡、吹扫、重叠平衡和产物加压步骤提供一个标称的6-7.5psia的底部压力和21-23psia的顶部压力。中试和实地试验均证实，采用由各种量的平衡、重叠平衡和吹扫构成的一些回流组合可获得特定的所需操作性能。然后通过将平衡的量改变至更高和更低的数值，并分别采用一个随后的较低或较高的吹扫和重叠平衡速率，则可实现顶部和底部的压力范围而无需改变鼓风机的排量。
因此在保持近于恒定的顶部压力的同时，底部压力可被升高或降低。另外，通过采用这一概念同时延长或缩短吸附时间，在保持近于恒定的底部压力的同时，所述顶部压力也可被升高或降低。
为保持吸附容器排出物流间的平衡而进行的调整：
先前的多床PSA系统采用床温度和压力值来保持床平衡。使用具有高级的高速吸附剂、小球珠、小的床尺寸系数和短的床长度的径向床(radialbed)使得这种调整变得复杂化。未来的VPSA系统将具有带有更短床的愈加尖锐的吸附前沿，而且差的平衡也会对设备性能产生更大的损害。
对于两床O2  VPSA来说，床平衡的关键因素(key measure)可通过监控每一容器在其再生步骤中的排出气流中的O2浓度来确定。这可采用各床出口处的分析仪或优选采用废气转换阀正下游的共用管道中的单一分析仪来实现。通过将传感器直接设置在离开容器的流动通道中，这将可能去掉从排气通道中抽取气流而需的采样泵。当系统检测到干扰时，可调整平衡气流量以使其恢复平衡。所述流量可通过将计算机计算的设定值输送给用于控制平衡气流量的自动阀来改变。阀的设定值越高，则允许流过的气体越多。各个床具有独立的控制阀来保持平衡，因而各个床可能具有不同的流量。
仅需要相对浓度差来提供平衡。试验表明，通过监控每个床的整个吸附步骤过程中的排出气流浓度，并确定最小O2浓度或转换极限，可使所述床达到最佳的平衡。可对各床的阀进行对比，并按照这些阀的差别来进行平衡调整。
试验还表明，平衡的废气穿透值将导致平衡的顶部产物穿透值，并使总的循环条件实现最佳产量。逻辑关系将增加具有较低废氧纯度的床的平衡速率，同时降低具有较高废气纯度的床的平衡。
图3图示了现场收集的废O2痕量。注意，床“A”以4.1％O2的最小废气纯度来运行，床“B”以5.0％O2的最小废气纯度来运行。对于这种情况，适当的调整是增加排出床B和进入床A的平衡流速。床与床间的流速调整应谨慎进行，每次仅以几个百分点来改变自动控制阀的设置。如果所述流速被急剧改变，设备将会变得不稳定而且床不再能达到平衡态。
当所述两个床中的每一个均具有相同的最小值时或当它们的差的绝对值接近零时，则出现已调整好的设备。图3图示了在床平衡过程中所使用的逻辑关系：
情况 床平衡结果
床A废气纯度＞床B废气纯度 增加从床A至床B的平衡气流量
床A废气纯度＜床B废气纯度 增加从床B至床A的平衡气流量
床A废气纯度＝床B废气纯度 床达到平衡
对于单阶段的真空泵系统来说，其调整比两阶段真空泵系统更关键。在VPSA氧系统中使用的吸附剂的性能随着总的压力比(由降低真空吸引压力而引起)的增加而持续改进。由于在VPSA过程中使用的吸附剂的性能对所述过程的总的压力比极为敏感，所以使单阶段真空泵系统的设备性能最大化是重要的。因为与两阶段系统相比，低压比过程中的不平衡对系统能力的损害相当大。
实验数据
表1列出了由现场和中试设备中收集的工艺数据。所述数据证实各种回流步骤和它们对VPSA操作参数的影响：
表1
现场 数据 实验室数据
数据集描述符 数据集1 数据集2 数据集3 数据集4
吹扫步骤时间-秒 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
平衡步骤时间-秒 2.5 2.0 1.75 1.5 1.5
床的顶部压力-PSIA 22.2 22.2 22.2 22.1 23.7
床的底部压力-PSIA 5.8 6.3 6.4 6.6 7.1
设备回收率-百分比 58.6 56.5 55.8 54.6 53.9
产物流速-STPD 167.7 166.7 167.2 166.0 -
设备单元功率-kw/STPD 8.65 8.65 8.70 8.65 -
压力比 3.85 3.55 3.45 335 335
这一数据显示了回流步骤(吹扫和平衡步骤)的改变，随着底部压力由5.8 PSIA改变为7.1 PSIA，对应的压力比从3.85改变为3.35。该数据证实了本发明在保持相同顶部压力的同时来影响底部压力的能力。该数据还表明，在所有的现场条件下，总的设备能力和单元能量消耗相对恒定。需注意的是这些试验是以2阶段真空泵来进行的。如果使用单阶段真空泵，对于5.8 PSIA的较低底部压力值，则会产生较高的单元功率。
真空鼓风机效率
在图2中图示了真空鼓风机组件(单和两阶段)效率与真空吸引压力之间的关系曲线。图2中图示了真空鼓风机组件效率是如何随组件的差压(由于吸引压力的降低)的增加而变化的。所述图线表明2阶段真空组件效率在大段图线上保持相对恒定，直到吸引压力达到约5psia才开始明显降低。
而对于单阶段真空鼓风机来说，虽然随吸引压力升高，其效率也随之升高，但在约10psia时其效率开始降低。单阶段鼓风机的效率在约8psia时变得比两阶段机器效率更差，而且随吸引压力降低，效率继续快速下降。而两阶段机器则在失去吸引压力时，具有更大的耐受力。所述图线表明，当低压比PPPOE循环的运行达最佳时，随总压力比一起来精确控制真空鼓风机的吸引压力是重要的。
典型的调整应用实施例
将给定系统调整到如下条件进行操作：底部压力6.5 PSIA、顶部压力21.5 PSIA、吹扫步骤4秒、平衡步骤2秒、重叠平衡步骤2秒、循环时间30秒、并环境温度80F。
干扰以环境温度变化、用户需求波动或其它形式进入系统。对于本实施例，温度被降低至30°F。在这些条件下，具有固定排量的原料空气鼓风机将输送以质量计大约10％以上的原料空气，而且除非循环时间改变，流量的增加将起作用来改变设备的顶部压力，使其符合新的温度条件。
如果减少吸附步骤时间，可将顶部压力保持在本实施例所设定的值。环境温度变化不会明显地影响真空泵，因此底部压力会偏离预期值6.5psia而达到一个更高的压力。
这种情况的一个可能结果是，环境温度对进料鼓风机的影响、新的较冷的床温度以及调整后吸附时间之间以某种方式互相作用，从而导致底部压力上升至预期值6.5 PSIA之上。如果这种情况发生，可通过缩短吹扫步骤至约3秒、延长平衡步骤至约2.5秒以及伴以约1.5秒的重叠步骤和略长的吸附步骤，来使所述底部压力恢复至最佳范围而不影响顶部压力。系统的操作可再次接近预期条件，即顶部和底部压力分别为21.5psia和6.5psia。
类似的，如果底部压力过低，可延长吹扫步骤至约5秒并伴以较短的约1.5秒的平衡步骤和约2秒的重叠步骤和略短的吸附步骤。
两床O2  VPSA循环压力自动调整控制系统
自动调整将相对于图1b所示的12步骤的O2 VPSA PPPOE循环进行讨论。其目的在于在遍及设备的操作条件范围内，在接近但不超过较高和较低压力极限的条件下操作VPSA/PSA系统。
设定顶部压力的给定值恰好低于原料卸载压力值(由制造商所建议的最大鼓风机差压来设定)。这可通过在不打开进料鼓风机排气孔的情况下，并在近可能接近预期的顶部压力下操作所述系统而实现，从而使原料空气机卸载。原料鼓风机卸载将引起原料空气排出，从而导致过程效率低以及系统的控制失调。
设定底部压力的给定值恰好高于真空警报压力值(由制造商建议的最大鼓风机差压在VPSA系统上设定)。这样做是为了防止真空泵在过高的差压下操作而最终跳闸停机，从而造成所述设备停机。从效率的角度来看，它还可防止设备在偏离设计点处运行真空鼓风机。
自动调整工艺循环时间来操作所述系统，使得两床顶部压力中的较高者(床A和床B中的一个)处于顶部压力给定值或两床底部压力中的较低者处于底部压力给定值。
为保持压力比进行的调整
通过延长或缩短期间一床被进料(吸附时间)而另一床被排空的时间周期，来增加或降低所述床的压力波动的总幅度。当总的循环时间被延长时，将发生压力波动的增加。这是因为当更多气体被添加到“固定”体积中时，可提高顶部压力，以及当更多气体从同一“固定”体积中排出时，则降低底部压力。
为平衡吸附容器排出气流而进行的调整
当加载真空鼓风机的同时改变进料鼓风机卸载的时间，可将压力分布图移动至较高或较低的压力。这可通过增加或减少平衡步骤时间来实现。这不仅改变了进料和排空的相对量，还改变了从一床流向另一床的平衡气体量。从相反方向改变吹扫步骤时间可抵销这种变化。换言之，平衡时间(和流量)的减少伴随着吹扫时间(和流量)的增加。最终结果是，增加平衡时间和减少吹扫时间将降低顶部和底部循环压力，以及减少平衡时间和增加吹扫时间则将提高顶部和底部压力。
在应用中，为保持压力比进行的调整是将循环调整到所述两床中的一个达到顶部或底部压力给定值，而另一床压力保持在这两个给定值之间。为平衡容器排出气流进行的调整则是将循环调整到顶部和底部压力位于给定值之间。以回路的方式作用，两种调整方式均可保持总的压力比并延长循环，使得一床均达到进料和排空给定值，而两床都不超越所述给定值。
详细说明
检测各床的顶部和底部压力(从平衡步骤6和12处起始)。将这些数值与给定值进行对比，并计算补偿量。
步骤6：
床A顶部补偿量＝顶部压力给定值-顶部压力A
床B底部补偿量＝底部压力B-底部压力给定值
步骤12：
床B顶部补偿量＝顶部压力给定值-顶部压力B
床A底部补偿量＝底部压力A-底部压力给定值
进料时间自动调整
将全部四个补偿量幅度最大者(绝对值)用作进料时间补偿。这可转化为离给定值最近(或最远)的压力。在逻辑过程中可存在补偿的盲区。
在步骤12的各个循环中，进料时间的调整量计算如下：
进料时间增量×补偿量＝进料时间调整量
实施例：
床A顶部补偿量＝0.5    床B顶部补偿量＝0.3
床A底部补偿量＝0.25   床B底部补偿量＝0.3
进料时间增量×补偿量＝进料时间调整量
1000×(0.5psia×校正因子)＝+0.3秒
***注：校正因子是逻辑程序内部的，其用来将压力值转变为一个相对于控制逻辑来说更易操作的值。
这种调整量取决于补偿量可为正值或负值。计算的调整量不允许超过1/2秒(+或-)。
如果任一床的压力达到了进料卸载压力给定值或真空警报给定值，则忽略上述计算，并将进料时间减少到最大调整量(1/2秒)。这种时间的减少可在任任何半循环中发生。最大和最小进料时间极限阻止自动调整量达到不实际的数值。
回流自动调整
回流补偿量通过从吹扫和平衡步骤(回流步骤)的两个顶部补偿量中的最大(幅度)者中减去两个底部补偿量中的最大(幅度)者来计算。
在步骤12中的每个第六循环，计算吹扫和平衡时间调整量：
吹扫增量×补偿量＝吹扫时间调整量
-1×平衡增量×补偿量＝平衡时间调整量
实施例：
床A顶部补偿量＝0.35    床B顶部补偿量＝0.2
床A底部补偿量＝0.2；   床B底部补偿量＝0.15
0.35-0.2＝0.15(回流补偿量)
吹扫增量×补偿量＝吹扫时间调整量
1000×(0.15psia×校正因子)＝+0.1秒
-1×平衡增量×补偿量＝平衡时间调整量
-1×1000×(0.15psia×校正因子)＝-0.1秒
这些调整量也可是正值或负值，并且极限为+1/2或-1/2秒。对吹扫和平衡时间提供有最大和最小极限。
应理解，前面的说明仅是对本发明的例举说明。本领域普通技术人员在不偏离本发明的前提下可设计出各种替代和改进方案。因此，本发明应包含属于所附权利要求书范围内的全部这些替代、改进和变化方案。
附图标记的说明
2.床A
4.床B
6.原料卸载排气孔
8.原料进口
10.进料鼓风机
12.产物缓冲罐
14.废气排气孔
16.真空分离器消音器
18.阶段#1真空鼓风机

Claims (10)

1.用于从气体混合物中除去优选气体的变压吸附(PSA)方法，所述方法通过按多循环操作的至少一个第一吸附床和一个第二吸附床来进行，各循环包括多个步骤，其中各床经过吸附和解吸作用，所述方法包括以下步骤：
a)在循环中，监控吸附过程中进入各所述床的所述气体混合物的最大进料压力；
b)在循环中，监控解吸过程中自各所述床排出的所述气体混合物的最小排出压力；和
c)按照在步骤a)和b)中监控的压力，改变循环中的单个步骤时间，以控制进入所述第一吸附床和第二吸附床及在所述两床之间的流量，使得达到最佳化并获得最大产量。
2.如权利要求1所述的方法，其中步骤c)对期间在所述第一吸附床和第二吸附床之间发生流动的平衡步骤时间、吹扫时间和重叠平衡步骤时间的至少一种进行控制。
3.如权利要求1所述的方法，其中步骤c)通过选择性地调整影响各所述压力的步骤时间，基本上独立地使所述最大进料压力和最小排出压力保持在预定的设定值范围内。
4.如权利要求1所述的方法，其中各所述床通过压力泵装置来进料并通过真空泵装置来排空，且其中所述压力泵装置在超出大气压的压力下进行操作，所述真空泵装置在低于大气压的压力下进行操作。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述优选气体是氧气。
6.用于从气体混合物中除去优选气体的变压吸附(PSA)方法，所述方法通过按多循环操作的至少一个第一吸附床和一个第二吸附床来进行，各循环包括多个步骤，其中各床经过吸附和解吸作用，所述方法包括以下步骤：
a)在循环过程中的任何时间，监控所述两床的排出气流中所述优选气体的最小浓度；
b)在所述排出气流之间的所述最小浓度中检测出不平衡的情况下，调整所述两床之间的平衡气流量以达到监控的最小浓度的平衡。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述优选气体是氧气。
8.用于从气体混合物中除去优选气体的变压吸附(PSA)方法，所述方法通过按多循环操作的一个吸附床来进行，各循环包括多个步骤，其中所述床经过吸附和解吸作用，所述床通过压力泵装置来进料并通过真空泵装置来排气，所述方法包括以下步骤：
a)在循环中，监控吸附过程中进入所述床的所述气体混合物的最大进料压力；
b)在循环中，监控解吸过程中自所述床排出的所述气体混合物的最小排出压力；和
c)按照在步骤a)和b)中监控的压力，改变循环中的单个步骤时间，以控制进入所述床和自所述床排出的流量，使得达到最佳化并获得最大产量。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述优选气体是氧气。
10.用于从气体混合物中除去优选气体的变压吸附(PSA)方法，所述方法通过按多循环操作的至少一个第一吸附床和一个第二吸附床来进行，各循环包括多个步骤，其中各床经过吸附和解吸作用，所述方法包括以下步骤：
a)在循环中，监控吸附过程中进入各所述床的所述气体混合物的最大进料压力；
b)在循环中，监控解吸过程中自各所述床排出的所述气体混合物的最小排出压力；和
c)按照在步骤a)和b)中监控的压力，改变循环中的单个步骤时间，以控制进入所述第一吸附床和第二吸附床及在所述两床之间的流量；
d)在循环过程中的任何时间，监控所述两床的排出气流中所述优选气体的最小浓度；和
e)在所述排出气流之间的所述最小浓度中检测出不平衡的情况下，调整所述两床之间的平衡气流量以达到监控的最小浓度的平衡。
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