CN217287820U - 变压吸附气体分离设备和调节计量控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及气体制备技术领域，公开了一种变压吸附气体分离设备和调节计量控制系统。其中，变压吸附气体分离设备包括阀门组件、控制系统以及顺序连通的原料气缓冲单元、气体分离单元、气体缓冲单元；原料气缓冲单元包括原料气缓冲罐；气体分离单元包括至少两个相互连通且具有独立进气端、出气端、排气端的吸附塔；气体缓冲单元包括工艺缓冲罐；阀门组件能够控制原料气缓冲单元、气体分离单元以及气体缓冲单元各节点的气体出入。本实用新型的技术方案能够有效解决用户端用气量不平稳或原料气欠缺导致用气量与设备额定产气量不匹配，导致设备运行能耗高、供气质量不稳定、引起设备荡机、生产成本增加、需人为干预等问题。

Description

变压吸附气体分离设备和调节计量控制系统

技术领域

本实用新型涉及气体制备技术领域，具体地涉及变压吸附气体分离设备和调节计量控制系统。

背景技术

变压吸附气体分离技术作为当前成熟、应用广泛的气体制备技术之一，变压吸附气体分离设备具有运输方便、安装简单、操作简易、维护方便、购置成本低等特点，备受广大用户青睐。

变压吸附气体分离设备运行及供气特点表现在以下几方面。

第一方面，设备在设定的固定周期及用气量不大于设备额定产气量情况下运行，用气量越接近设备额定产气量，原料气消耗量与产气量的比值越低，则设备运行能耗越低；反之，用户用气量越小于设备额定产气量，原料气消耗量与产气量的比值越高，则设备运行能耗越高。

第二方面，设备在设定的固定周期及用气量大于设备额定产气量情况下运行，产品气质量不合格，导致设备荡机，即设备自动中断供气进入自我修复调整状态或停机，进而影响生产，生产成本增加。

第三方面，设备在设定的固定周期及原料气不足情况下运行，设备吸附压力不足，致使设备额定产气量大幅度下降，若当前设备实际供气量大于当前额定产气量，导致产品气质量不合格，引发设备荡机，进而影响生产，生产成本增加。

对大多用户而言，生产过程中原料气不足，用气量不平稳比较普遍，如原料气设备故障或原料气作其他用途导致原料气不足，用气设备数量的增减、用气工艺的调整、突发紧急或事故用气等均会引起用气量的变化，从而引起用户用气量与设备额定产气量不匹配，导致设备运行能耗高、供气质量不稳而引起荡机、需人为干预等困扰，具体表现在以下几方面。

第一，生产用气量小于设备的额定产气量，导致原料气消耗量与产气量的比值高，设备运行能耗高。

第二，生产用气量大于设备的额定产气量，设备产气超量，导致产品气质量不合格，导致设备荡机，影响生产，生产成本增加，需人为干预恢复设备供气。

第三，原料气不足引起设备吸附压力降低，设备额定产气量大幅度下降，若当前设备额定产气量满足不了用户用气量需求，即设备实际供气量大于当前额定产气量，进一步导致产品气质量不合格，引发设备荡机，进而影响生产，生产成本增加。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中用户端用气量不平稳或原料气欠缺导致用气量与设备额定产气量不匹配，导致设备运行能耗高、供气质量不稳定、引起设备荡机、生产成本增加、需人为干预等问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供第一方面提供一种变压吸附气体分离设备，其特征在于，所述变压吸附气体分离设备包括阀门组件、控制系统以及顺序连通的原料气缓冲单元、气体分离单元、气体缓冲单元；

所述阀门组件与所述控制系统电性连接；

所述原料气缓冲单元包括原料气缓冲罐；

所述气体分离单元包括至少两个相互连通且具有独立进气端、出气端、排气端的吸附塔；

所述气体缓冲单元包括工艺缓冲罐；

所述阀门组件能够控制所述原料气缓冲单元、所述气体分离单元以及所述气体缓冲单元各节点的气体出入。

本实用新型另一方面提供一种调节计量控制系统，其特征在于，包括：

变压吸附气体分离设备；

产品气缓冲罐，其进气端与所述变压吸附气体分离设备通过供气管路连接，其出气端连接有用气管路；

第一阀门组件，设置在所述供气管路上；

供气流量计，用于检测所述第一阀门组件上游的供气管路的气体流量；

用气流量，用于检测所述用气管路的气体流量；

控制系统，其能够根据所述供气流量计和所述用气流量计反馈的气体流量信息以及所述变压吸附气体分离设备反馈的额定产气量和实际用气量平均值，控制所述第一阀门组件的开度。

进一步地，所述第一阀门组件包括沿气体流动方向顺序设置在所述供气管路上的调节控制阀、止回阀、切断阀；其中，所述调节控制阀与所述控制系统电连接；所述止回阀沿气体的流动方向导通且反向止回。

进一步地，所述调节计量控制系统还包括：

分析仪，设置在所述供气流量计的上游的所述供气管路上；

排气管路，其一端连通于所述调节控制阀与所述供气流量计之间的供气管路上；

第二阀门组件，设置在所述排气管路上。

进一步地，所述第二阀门组件包括：

与所述控制系统电连接的气动/电动开关阀；

或，

与所述控制系统电连接的气动/电动开关阀和设置在所述气动/电动开关阀的上游排气管路上的手动节流阀。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本实用新型调节计量控制系统一种实施方式的示意图。

具体实施方式

以下对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指在装配使用状态下的方位。“内、外”指相对于各部件本身轮廓的内、外。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本实用新型第一方面提供一种变压吸附气体分离设备。该变压吸附气体分离设备包括阀门组件、控制系统以及顺序连通的原料气缓冲单元、气体分离单元、气体缓冲单元；所述阀门组件与所述控制系统电性连接；所述原料气缓冲单元包括原料气缓冲罐；所述气体分离单元包括至少两个相互连通且具有独立进气端、出气端、排气端的吸附塔；所述气体缓冲单元包括工艺缓冲罐；所述第一阀门组件能够控制所述原料气缓冲单元、所述气体分离单元以及所述气体缓冲单元各节点的气体出入。优选地，所述阀门组件包括设置在各个节点上的程控阀。

本实用新型第二方面提供一种执行所述变压吸附气体分离设备的控制方法，所述控制方法包括：至少两个所述吸附塔按顺序以固定周期交替执行吸附工步、均压工步、解吸工步。在所述吸附塔执行吸附工步/均压工步/解吸工步中执行停步工步。

以制备氮气，吸附塔设置为两个，分别是第一吸附塔和第二吸附塔为例：

吸附工步具体是指：自动开启所述第一吸附塔或第二吸附塔进气、出气程控阀，关闭第一吸附塔或第二吸附塔的其他程控阀，原料气经过进气程控阀进入第一吸附塔或第二吸附塔床层，原料气中的氧气被吸附剂吸附，而氮气不被吸附，氮气经第一吸附塔或第二吸附塔床层、出气程控阀流入工艺缓冲罐。

均压工步具体是指：在吸附工步结束后，自动开启均压程控阀，关闭其他程控阀，第一吸附塔或第二吸附塔床层内氮气纯度较好的气体通过均压程控阀回收至第二吸附塔或第一吸附塔以作备用，减少吸附剂负载和原料气消耗量。

解吸工步具体是指：在均压工步结束后，自动开启第一吸附塔或第二吸附塔排气程控阀，吹扫程控阀，关闭第一吸附塔或第二吸附塔其他程控阀，第一吸附塔或第二吸附塔床层内剩余气体通过排气程控阀泄压，吸附剂内吸附的氧气被释放出来，吸附剂得到再生，再次具备吸附氧气能力。同时，通过吹扫程控阀的开启，利用少部分产品气对第一吸附塔或第二吸附塔床层内残余的氧气进行吹扫干净。

停步工步具体是指：变压吸附气体分离设备主机气体分离单元的进气、出气、吹扫程控阀暂时关闭，主机处于不消耗原料气、不消耗吹扫气、不制取产品气短时休眠状态，利用后续工艺缓冲罐缓存的气体向产品气缓冲罐持续稳定输送不大于额定产气量产品气。

本实用新型第三方面提供一种调节计量控制系统，如图1所示，该调节计量控制系统包括：

所述的变压吸附气体分离设备；

产品气缓冲罐，其进气端与所述变压吸附气体分离设备通过供气管路连接，其出气端连接有用气管路；

第一阀门组件，设置在所述供气管路上；

供气流量计FIT101，用于检测所述第一阀门组件上游的供气管路的气体流量；

用气流量计FIT001，用于检测所述用气管路的气体流量；

控制系统UZ101，其能够根据所述供气流量计FIT101和所述用气流量计FIT001反馈的气体流量信息以及所述变压吸附气体分离设备反馈的额定产气量和实际用气量平均值，控制所述第一阀门组件的开度。

所述第一阀门组件包括沿气体流动方向顺序设置在所述供气管路上的调节控制阀V101、止回阀V102、切断阀V103；其中，所述调节控制阀V101与所述控制系统UZ101电连接；所述止回阀V102沿气体的流动方向导通且反向止回，防止气体逆流。

为了防止不合格气输送至用气端，降低产品气的质量，还设置了分析仪AE101、排气管路以及第二阀门组件。其中，所述分析仪AE101设置在所述供气流量计FIT101的上游的所述供气管路上。所述排气管路的一端连通于所述调节控制阀V101与所述供气流量计FIT101之间的供气管路上。所述第二阀门组件设置在所述排气管路上。

在一种可选的具体实施方式中，所述第二阀门组件包括与所述控制系统UZ101电连接的气动/电动开关阀V105。在一种优选的具体实施方式中，所述与第二阀门组件包括所述控制系统UZ101电连接的气动/电动开关阀V105和设置在所述气动/电动开关阀V105的上游排气管路上的手动节流阀V104。

吸附塔流入工艺缓冲罐的产品氮气在工艺缓冲罐内混合均匀。经分析仪AE101分析，品质合格的产品气经供气流量计FIT101计量，通过合格气程控阀自动开启(即第一阀门组件开启)、不合格气程控阀关闭(即第二阀门组件关闭)，输送至产品气缓冲罐。反之经分析仪AE101分析不合格，再经供气流量计FIT101计量，通过不合格气程控阀自动开启(即第二阀门组件开启)、合格气程控阀关闭(即第一阀门组件关闭)，排放不合格产品气，设备进入自我修复调整状态，乃至自动停机，等待人为干预。

设定变压吸附气体分离设备额定产氮量为Qm³/h，实际产气量为Q₁Nm³/h，用户实际用氮平均量为Q₂Nm³/h，额定产氮纯度为C，实际产氮纯度为C₁，额定原料气消耗量与额定产氮量的比值K(简称空氮比K)，实际空氮比K₁。

当Q＝Q₁＝Q₂时，C＝C1，K＝K₁时候，设备额定产氮量、实际产气量及用户实际用氮平均量一致，供氮质量合格，空氮比最小，设备运行能耗最低。

当Q＞Q₁≥Q₂时，C＜C₁，K＜K₁，用户实际用氮平均量低于设备额定产氮量，供氮质量合格，设备运行稳定，空氮比大，设备运行能耗高。

当Q＜Q₁≤Q₂时，C＞C₁，用户实际用氮平均量高于设备额定产氮量，供氮质量不合格，引发设备荡机，乃至自动停机，进而影响生产，生产成本增加，需人为干预恢复供氮。

由此可知，只有设备额定产氮量、实际产气量、用户实际用氮平均量一致时，设备运行稳定，供氮质量合格，空氮比最小，设备运行能耗最优。

为此，本实用新型第四方面提供一种调节计量控制系统控制方法，如图1所示，在不改变吸附工步、均压工步、解吸工步的情况下，插入停步工步，通过对用户当前用气量计量、判断、分析计算，自动调节停步工步的时长，自动调整设备的产气量，达到用户用气量与设备产气量平衡，设备供气质量稳定，原料气消耗量与产气量比值始终以恒定最小值运行，达到设备运行稳定、节能运行的目的。

具体地，通过调节所述第一阀门组件的开度，使得设备以恒定最小值K运行。

当设备额定产气量Q大于实际用气量平均值Q₂时，执行T₃时长的停步工步，通过缓存在所述工艺缓冲罐内的气体向用户端供气，使得设备的实际产气量Q₁、设备额定产气量Q、实际用气量平均值Q₂满足：Q₁＝Q₂＜Q。T₃满足：T₃＝[Q(T₁+T₂)/Q₂]-T₁-T₂。其中，T₁为吸附工步时长；T₂为均压工步时长。

当设备额定产气量Q小于或等于实际用气量平均值Q₂时，执行T₃＝0时长的停步工步，通过所述控制系统UZ101调节所述第一阀门组件的开度，使得设备的实际产气量Q₁、设备额定产气量Q、实际用气量平均值Q₂满足：Q₁＝Q≤Q₂。

为了进一步提高产品气质量，在产品气从所述变压吸附气体分离设备输出之前，对产品气进行滤除粉尘处理。

进一步地，通过所述分析仪AE101对所述变压吸附气体分离设备输出的产品气进行质量分析。若产品气质量符合用气端要求，通过所述控制系统UZ101控制所述第一阀门组件逐渐开启，设备以恒定最小值K运行，将合格产品气输送至所述产品气缓冲罐；若产品气质量不符合用气端要求，通过所述控制系统V101控制所述第一阀门组件逐渐关闭，停止向所述产品气缓冲罐供气，同时自动开启所述第二阀门组件，不合格的产品气以恒定流量通过所述排气管道排出。

需要说明的是，上述的“质量分析”包括含水量分析、压力分析、温度分析、纯度分析、残余组分分析等中的任意一种或几种。针对不同项目的分析，选择相应的分析仪进行分析。因此，在一种可选的具体实施方式中，在所述供气管路上同时设置多个分析仪，例如含水量分析仪、压力分析仪、温度分析仪、纯度分析仪等。在实际使用时，根据不同项目的分析，打开对应的分析仪，关闭其他分析仪。

需要解释的是，“K”是指原料气消耗量与额定产气量的比值，“最小值K”则是制备合格的产品气所需原料气消耗量与额定产气量的最小比值。

合格产品气的制备需满足原料气与额定产气量达到一定的比值，设定该比值为K。当当前的原料气与额定产气量小于K时，通过控制系统调节第一阀门组件的开度，减小额定产气量，使得原料气与额定产气量回归K值。更具体地说，设定设备额定产气量为100，原料气供气量为200，则K值为2。当原料气供气量不足时，例如原料气供气量为150，此时，通过控制系统调节第一阀门组件的开度，将额定产气量调整为75，使得K值等于2。

本实用新型的技术方案能够有效解决用户端用气量不平稳或原料气欠缺导致用气量与设备额定产气量不匹配，导致设备运行能耗高、供气质量不稳定、引起设备荡机、生产成本增加、需人为干预等问题。

本实用新型第六方面提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的调节计量控制系统控制方法。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (6)

1.一种变压吸附气体分离设备，其特征在于，所述变压吸附气体分离设备包括阀门组件、控制系统以及顺序连通的原料气缓冲单元、气体分离单元、气体缓冲单元；

所述阀门组件与所述控制系统电性连接；

所述原料气缓冲单元包括原料气缓冲罐；

所述气体分离单元包括至少两个相互连通且具有独立进气端、出气端、排气端的吸附塔；

所述气体缓冲单元包括工艺缓冲罐；

所述阀门组件能够控制所述原料气缓冲单元、所述气体分离单元以及所述气体缓冲单元各节点的气体出入。

2.根据权利要求1所述的变压吸附气体分离设备，其特征在于，所述阀门组件包括设置在各个节点上的程控阀。

3.一种调节计量控制系统，其特征在于，包括：

权利要求1或2所述的变压吸附气体分离设备；

产品气缓冲罐，其进气端与所述变压吸附气体分离设备通过供气管路连接，其出气端连接有用气管路；

第一阀门组件，设置在所述供气管路上；

供气流量计(FIT101)，用于检测所述第一阀门组件上游的供气管路的气体流量；

用气流量计(FIT001)，用于检测所述用气管路的气体流量；

控制系统(UZ101)，其能够根据所述供气流量计(FIT101)和所述用气流量计(FIT001)反馈的气体流量信息以及所述变压吸附气体分离设备反馈的额定产气量和实际用气量平均值，控制所述第一阀门组件的开度。

4.根据权利要求3所述的调节计量控制系统，其特征在于，所述第一阀门组件包括沿气体流动方向顺序设置在所述供气管路上的调节控制阀(V101)、止回阀(V102)、切断阀(V103)；其中，所述调节控制阀(V101)与所述控制系统(UZ101)电连接；所述止回阀(V102)沿气体的流动方向导通且反向止回。

5.根据权利要求4所述的调节计量控制系统，其中，所述调节计量控制系统还包括：

分析仪(AE101)，设置在所述供气流量计(FIT101)的上游的所述供气管路上；

排气管路，其一端连通于所述调节控制阀(V101)与所述供气流量计(FIT101)之间的供气管路上；

第二阀门组件，设置在所述排气管路上。

6.根据权利要求5所述的调节计量控制系统，其中，所述第二阀门组件包括：

与所述控制系统(UZ101)电连接的气动/电动开关阀(V105)；

或，

与所述控制系统(UZ101)电连接的气动/电动开关阀(V105)和设置在所述气动/电动开关阀(V105)的上游排气管路上的手动节流阀(V104)。

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