ES2533689T3

ES2533689T3 - Válvula rotatoria

Info

Publication number: ES2533689T3
Application number: ES12197515.5T
Authority: ES
Inventors: Glenn Paul Wagner
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2015-04-14
Anticipated expiration: 2028-10-23
Also published as: KR101097507B1; ES2627520T3; US20090107332A1; JP4944080B2; TWI350356B; JP2009150533A; US7819948B2; EP2573434A1; CN101446361A; EP2573435A1; EP2573435B1; EP2056005B1; EP2056005A3; ES2423280T3; EP2056005A2; CN101446361B; EP2573434B1; TW200925474A; KR20090043467A

Abstract

Una válvula rotatoria (500) para realizar operaciones de procesos cíclicos, que comprende: una carcasa de estátor (520) que tiene unos orificios; un rotor (510) que comprende unos orificios y una superficie posterior, estando el rotor (510) en contacto rotatorio alrededor de un eje (B) central de rotación con la carcasa de estátor (520) en una superficie de contacto (515); al menos un resorte de compresión (530) que tiene una fuerza elástica (F1) con un centro de fuerza dispuesto entre la superficie posterior del rotor (510) y una corredera de empuje (540); un cojinete de empuje (570) dispuesto entre la corredera de empuje (540) y la carcasa de estátor (520); caracterizada por que el centro de fuerza de la fuerza elástica (F1) está localizado a una distancia predeterminada mayor que cero desde el eje (B) de rotación, lo que da como resultado el par mínimo o minimizado requerido para hacer girar el rotor (510) para la fuerza elástica (F1) dada cuando la válvula (500) está en funcionamiento.

Description

DESCRIPCIÓN

Válvula rotatoria

Antecedentes de la invención 5

La presente invención se refiere, en general, a una válvula rotatoria, y más especialmente, a una válvula rotatoria para sistemas de adsorción por oscilación de presión.

Las válvulas rotatorias se usan ampliamente en las industrias de procesos para dirigir fluidos desde una o más 10 fuentes de proceso a uno o más destinos de proceso en etapas de procesos cíclicos repetibles. Estas válvulas, también denominadas válvulas secuenciales rotatorias, se usan en procesos cíclicos o repetibles, tales como la separación de gases mediante la adsorción por oscilación de presión o temperatura, la separación de líquidos mediante la adsorción por oscilación de concentración, la cromatografía de gases o líquidos, los procesos catalíticos regenerativos, los sistemas de control secuenciales neumáticos o hidráulicos, y otros procesos cíclicos. 15

Un tipo ampliamente usado de válvula rotatoria tiene una configuración circular plana en la que un rotor perforado plano rota coaxialmente en un estátor perforado plano, de tal manera que los orificios en el estátor y el rotor o se alinean o se bloquean en una secuencia cíclica predeterminada. Habitualmente, el sellado se proporciona mediante un acoplamiento de contacto directo de la cara de rotor plana sobre la cara de estátor plana. Se requiere un alto 20 grado de precisión en la fabricación de estas superficies planas para evitar fugas excesivas en las superficies de acoplamiento. Habitualmente, se usan materiales rígidos tales como metales, cerámicas, y/o carbono para estos rotores y estátores, pero el desgaste de las piezas o las distorsiones provocadas por las diferencias de temperatura pueden provocar cambios en la forma de las superficies, permitiendo de este modo fugas a través de la junta formada entre las superficies. 25

Las válvulas rotatorias con una configuración de junta circular rotatoria plana son especialmente útiles en los sistemas de adsorción por oscilación de presión (PSA) que utilizan múltiples lechos de adsorción paralelos que funcionan en etapas cíclicas superpuestas que incluyen las etapas de alimentación, ecualización de presión, despresurización, purga y represurización. En una aplicación típica, se usa un estátor que tiene múltiples orificios 30 para conectar las líneas de gas de alimentación y de gas de desecho con los extremos de alimentación de una pluralidad de lechos de adsorción y también para conectar los extremos de producto de la pluralidad de los lechos para proporcionar ecualización de presión, purga, y otras etapas de transferencia de lecho a lecho. Un rotor que tiene múltiples orificios rota de forma estanca sobre el estátor, de tal manera que las aberturas en la cara del estátor se ajustan secuencialmente con las aberturas en la cara del rotor a medida que el rotor rota para dirigir el flujo de 35 gas para las etapas cíclicas del proceso PSA deseadas.

En un ciclo PSA típico, los pasos internos de la válvula rotatoria están a presiones diferentes a medida que avanza el ciclo PSA. Cuando el ciclo PSA incluye etapas de proceso a presión positiva y en condiciones de vacío, las fugas provocadas por las diferencias de presión entre los orificios de válvula conectados a los extremos de alimentación y 40 de producto de los lechos pueden dar lugar a diversos problemas de funcionamiento si se producen fugas entre estos orificios.

Las válvulas secuenciales rotatorias, en las que un rotor perforado plano rota coaxialmente sobre un estátor perforado plano, de tal manera que los orificios en el estátor y el rotor se alinean o se bloquean en una secuencia 45 cíclica predeterminada, se usan para dirigir fluidos en procesos cíclicos que tienen un número de etapas repetibles. En el documento US 2007/0028971A1 presentado el 8 de mayo de 2005, se desvela un sistema de válvula rotatoria de rotor/estátor doble que usa un solo resorte alineado axialmente para ayudar en el acoplamiento de una superficie de rotor contra una superficie de estátor para ayudar en el sellado de las superficies del rotor y del estátor una contra la otra y evitar fugas entre los orificios del estátor y del rotor. Los orificios de rotor están localizados en diferentes 50 posiciones circunferenciales en las caras del rotor y funcionan a diferentes presiones.

Durante el funcionamiento de la válvula rotatoria de la técnica anterior desvelada en el documento US 2007/0028971A1, la diferencia en las presiones de los orificios da como resultado una fuerza no axial a través de la cara de acoplamiento del rotor y del estátor. Cuando se requieren altas presiones de funcionamiento, pueden 55 requerirse grandes fuerzas elásticas para sellar los rotores contra los estátores y evitar fugas. La cantidad de fuerza necesaria para hacer girar los rotores estará directamente relacionada con la cantidad de fuerza con la que el resorte comprime los rotores contra los estátores. Si se requieren grandes fuerzas elásticas para evitar fugas entre el rotor y el estátor, se requerirán grandes fuerzas para hacer girar los rotores. Estas grandes fuerzas aumentan el desgaste del rotor, requieren motores de rotor más grandes, y aumentan el desgaste del cojinete de rotor. 60

La disposición general de una vista despiezada de la válvula 1 rotatoria de la técnica anterior, tal como se encuentra en el documento US 2007/0028971A1, se muestra en la figura 1. Durante el funcionamiento real, los componentes de la válvula 1 están en contacto entre sí. Como puede observarse en la figura 1, la válvula 1 rotatoria de la técnica anterior incluye un estátor 10 de alimentación, un rotor 20 de alimentación, un rotor 30 de producto, un estátor 40 de 65 producto, y un resorte 50 de compresión. En esta realización ejemplar de la técnica anterior, el rotor 20 de

alimentación y el rotor 30 de producto están contenidos dentro de una carcasa formada por el estátor 10 de alimentación y el estátor 40 de producto como se muestra en la figura 1.

En un proceso de adsorción por oscilación de presión (PSA), los lechos de adsorción (no mostrados) se conectan a los orificios 11a, 11b, 11c, 11d del estátor 10 de alimentación y a los orificios 41a, 41b, 41c, 41d del estátor 40 de 5 producto. Los extremos de alimentación de los lechos (no mostrados) se conectan, habitualmente, a los orificios 11a, 11b, 11c, 11d del estátor 10 de alimentación, y los extremos de producto de los lechos (no mostrados) se conectan, habitualmente, a los orificios 41a, 41b, 41c, 41d correspondientes del estátor 40 de producto.

Como puede observarse en la figura 1, el rotor 20 de alimentación y el rotor 30 de producto están configurados para 10 acoplarse e interbloquearse. El resorte 50 de compresión está dispuesto entre el rotor 20 de alimentación y el rotor 30 de producto. El resorte 50 de compresión presiona el rotor 20 de alimentación contra el estátor 10 de alimentación para sellar el rotor 20 de alimentación contra el estátor 10 de alimentación. El resorte 50 de compresión presiona de manera similar el rotor 30 de producto contra el estátor 40 de producto para sellar el rotor 30 de producto contra el estátor 40 de producto. 15

La válvula 1 conocida incluye, además, un árbol 60 de accionamiento capaz de hacer rotar el rotor 20 de alimentación y el rotor 30 de producto. El árbol 60 de accionamiento incluye un extremo 62 de accionamiento positivo que está configurado para acoplarse a un elemento de acoplamiento (no mostrado) en el rotor 20 de alimentación de una manera tal que cuando se hace rotar el árbol 60 de accionamiento, se hace rotar de manera 20 similar el rotor 20 de alimentación y el rotor 30 de producto alrededor de un eje perpendicular a la cara de rotor, y las ranuras dentro del rotor 20 de alimentación y el rotor 30 de producto se alinean con los orificios en el estátor 10 de alimentación y el estátor 40 de producto, respectivamente, para seleccionar una conexión predeterminada de líneas de proceso.

25

La válvula 1 rotatoria conocida incluye diversos orificios y pasos de fluido, cuya función se desvela con más detalle en el documento US 2007/0028971A1. El funcionamiento de un proceso cíclico específico, tal como el PSA, no necesita explicarse por completo en el presente documento para entender el funcionamiento de la válvula, y debería entenderse por los expertos en la materia. En general, las operaciones de proceso incluyen la modificación de la posición rotada del rotor 20 de alimentación y el rotor 30 de producto de la válvula 1 conocida para permitir 30 seleccionar los vapores de fluido que deben completar el ciclo. A continuación, se proporcionará una descripción general del funcionamiento de la válvula 1 rotatoria de la técnica anterior.

A medida que el rotor 20 de alimentación y el rotor 30 de producto se hacen rotar a posiciones predeterminadas, los orificios en las caras de rotor se alinean con los orificios en sus estátores respectivos, permitiendo el flujo hacia y 35 desde la válvula 1 a través de una trayectoria de conexión predeterminada. De tal manera, el fluido puede fluir entre los lechos conectados al estátor 10 de alimentación y el estátor 40 de producto según sea necesario para la ecualización, la purga, u otras etapas de proceso cíclicas.

En un proceso PSA, la presión en los lechos alterna entre altas presiones y bajas presiones cuando tienen lugar la 40 adsorción y la desadsorción, respectivamente. Durante las operaciones de proceso, las presiones dentro de cada ranura ejercen una fuerza sobre el rotor 20 de alimentación y el rotor 30 de producto, impulsándolos lejos del estátor 10 de alimentación y el estátor 40 de producto, respectivamente. Por esta razón, el resorte 50 de compresión es necesario para mantener el rotor 20 de alimentación contra el estátor 10 de alimentación y el rotor 30 de producto contra el estátor 40 de producto para evitar fugas. Debido a que la fuerza elástica y las fuerzas de presión dentro de 45 las ranuras no son simétricas alrededor del centro de rotación de los rotores, la fuerza resultante sobre los rotores no está localizada en el centro ni del rotor 20 de alimentación ni del rotor 30 de producto. Esta carga de fuerza asimétrica da como resultado la necesidad de aumentar la fuerza elástica necesaria para mantener el contacto del rotor/estátor, así como de aumentar el par requerido para accionar la válvula y hacer girar el árbol 60.

50

Las figuras 2A, 2B y 2C muestran vistas simplificadas de las fuerzas que actúan sobre un rotor 200 de una válvula rotatoria durante un proceso cíclico PSA típico. El eje central de rotación del rotor 200 se indica mediante la línea A’ de trazos vertical. La fuerza F1 elástica es la fuerza ejercida por un resorte (no mostrado) sobre el rotor 200 a medida que empuja el rotor 200 contra un estátor (no mostrado). La fuerza F2 de presión es la fuerza resultante de las presiones en los diversos orificios. La fuerza F3 de reacción es la diferencia entre la fuerza F1 elástica y la fuerza F2 55 de presión. F3 también es la fuerza de contacto entre el rotor 200 y el estátor (no mostrado). La fuerza F3 de reacción no está localizada en un solo punto. La fuerza F3 de reacción se distribuye a lo largo del rotor 200 de alguna manera, lo que puede ser muy complicado, dependiendo de la planitud de las caras de acoplamiento, la magnitud de la fuerza, y la ligera deformación del rotor 200 provocada por las cargas aplicadas. Sin embargo, por razones de simplicidad, esta fuerza distribuida puede resolverse en la única fuerza F3 de reacción resultante. Siempre debe 60 haber una fuerza F3 de reacción distinta de cero si el rotor 200 y el estátor (no mostrado) han de permanecer en contacto. Si la fuerza F3 de reacción es cero o menos, entonces, la fuerza de presión comenzará a separar el rotor 200 de un estátor, y se producirán fugas entre los diversos orificios del rotor y del estátor (no mostrado). La fuerza F3 de reacción es responsable del par de fricción entre el rotor y el estátor, a través tanto de su magnitud como de su localización, y determina la cantidad de par necesario para hacer girar el rotor 200. 65

La figura 2A muestra las fuerzas que actúan sobre el rotor 200 si la fuerza F2 de presión está localizada en el centro del rotor 200. En este ejemplo, todas las fuerzas son colineales, y la fuerza F3 de reacción es la diferencia entre la fuerza F1 elástica y la fuerza F2 de presión. Este resultado solo se produce si la fuerza F2 de presión es una resultante de unas fuerzas de presión equilibradas simétricamente alrededor del rotor 200. Esta distribución simétrica no existe, ya que las presiones de las diversas ranuras del rotor 200 no darán como resultado una fuerza 5 de presión neta que actúe en el centro del rotor 200 durante las operaciones de proceso PSA típicas.

La figura 2B muestra la distribución de las fuerzas que actúan sobre el rotor 200 cuando la fuerza de presión no está localizada en el centro del rotor 200, como se produciría durante las operaciones de proceso PSA típicas. Al igual que en la exposición de la figura 2A anterior, la fuerza F3 de reacción es la diferencia entre la fuerza F1 elástica y la 10 fuerza F2 de presión, pero ahora, con el fin de mantener el equilibrio en el rotor 200 para mantener los momentos en equilibrio, la fuerza F3 de reacción también debe desplazarse desde el centro del rotor 200 a una posición radial alejada del centro del rotor. La localización y la magnitud de la fuerza F3 de reacción dependen de las localizaciones y las magnitudes de la fuerza F1 elástica y la fuerza F2 de presión. Además, puesto que la fuerza F1 elástica debe ser igual a la suma de la fuerza F2 de presión y la fuerza F3 de reacción, la fuerza F1 elástica siempre debe ser 15 mayor que la fuerza F2 de presión cuando la fuerza F1 elástica y la fuerza F2 de presión no sean colineales.

Cuando la fuerza F1 elástica y la fuerza F2 de presión no son colineales, producen un momento 210 de flexión en el rotor 200, como se indica mediante la línea de trazos en la figura 2B. El momento 210 de flexión puede deformar el rotor 200 si las fuerzas son de la magnitud suficiente para un material y un espesor de rotor específicos. En algunas 20 aplicaciones, esta deformación puede mantenerse lo suficientemente pequeña para evitar fugas haciendo el rotor más rígido, o a través del uso de materiales más rígidos, o aumentando el espesor del rotor. Para rotores más grandes, esto puede ser poco práctico. Además, la excentricidad de F3 aumentará el par requerido para hacer girar el rotor 200 durante las operaciones de proceso.

25

Por lo tanto, sería deseable volver a localizar la fuerza F1 elástica como se muestra en la figura 2C a una distancia radial predeterminada del eje A’ central de rotación, opuesta a la fuerza F2 de presión, para eliminar el momento de flexión en el rotor 200. La fuerza F3 de reacción actuaría entonces en la misma posición que la fuerza F2 de presión. Este reordenamiento da como resultado la fuerza F1 elástica y la fuerza F3 de reacción más bajas requeridas y un par menor necesario para hacer girar el rotor 200. 30

Incluso en aplicaciones en las que el momento de flexión y la deflexión no son de un interés significativo, el par requerido para hacer girar el motor y hacer rotar los rotores puede ser de un interés significativo, especialmente cuando se presentan altas presiones en los orificios de rotor. Habitualmente, es deseable mantener este par en un mínimo, ya que la reducción del par reduce el tamaño y/o aumenta la vida útil del motor y la transmisión por 35 engranajes necesaria para hacer girar el rotor.

Por lo tanto, hay una necesidad de una válvula rotatoria que sea capaz de funcionar sin fugas y que tenga un par reducido requerido para hacer rotar el rotor de válvula.

40

La presente invención proporciona una válvula rotatoria capaz de funcionar en tales condiciones sin fugas sustanciales y con un par mínimo requerido para hacer girar el rotor. Otras características y ventajas de la presente invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción más detallada de las realizaciones preferidas, tomada junto con los dibujos adjuntos que ilustran, a modo de ejemplo, los principios de la invención.

45

Breve sumario de la invención

Se desvela una válvula rotatoria que tiene un rotor y un estátor en un movimiento rotatorio deslizante estanco. La válvula rotatoria incluye unos resortes de compresión configurados para reducir la cantidad de par requerido para hacer rotar los rotores a la vez que evitar fugas. La válvula puede usarse en unos procesos cíclicos que incluyen un 50 proceso PSA para dirigir fluidos desde una o más fuentes de proceso a uno o más destinos de proceso en etapas de procesos cíclicos repetibles.

Se desvela una realización de la invención que proporciona una válvula rotatoria para realizar operaciones de procesos cíclicos que incluye un estátor de alimentación que tiene una superficie de acoplamiento de estátor de 55 alimentación, una superficie posterior de estátor de alimentación, y una pluralidad de orificios que se conectan entre la superficie de acoplamiento de estátor de alimentación y la superficie posterior de estátor de alimentación; un rotor de alimentación adyacente al estátor de alimentación que tiene una superficie de acoplamiento de rotor de alimentación, una superficie posterior de rotor de alimentación, y una pluralidad de orificios dispuestos sobre la superficie de acoplamiento de rotor de alimentación para dirigir el flujo de fluido entre la pluralidad de orificios de 60 estátor del estátor de alimentación, pudiendo el rotor de alimentación rotar alrededor de un eje perpendicular a la superficie de rotor de alimentación; un rotor de producto acoplado con el rotor de alimentación y que tiene una superficie de acoplamiento de rotor de producto, una superficie posterior de rotor de producto, una salida de producto, y una pluralidad de orificios dispuestos sobre la superficie de acoplamiento para dirigir el flujo de fluido entre la pluralidad de orificios del estátor de producto, pudiendo el rotor de producto rotar alrededor de un eje 65 perpendicular a la cara de rotor de producto; un estátor de producto adyacente al rotor de producto que comprende

una cara de acoplamiento de estátor de producto, una cara posterior de estátor de producto, y una pluralidad de orificios que se conectan entre la cara de acoplamiento de estátor de producto y la cara posterior de estátor de producto; y al menos un resorte de compresión dispuesto entre el rotor de alimentación y el rotor de producto configurado para aplicar una fuerza elástica con un centro de fuerza en la cara posterior del rotor de alimentación y la cara posterior del rotor de producto. La fuerza elástica está configurada para minimizar el par para hacer girar el 5 rotor de alimentación y el rotor de producto cuando la válvula está en funcionamiento.

El rotor de alimentación y el rotor de producto de la válvula rotatoria están configurados para rotar alrededor de un eje central de rotación, y el centro de fuerza de la fuerza elástica está localizado a una distancia predeterminada mayor que cero desde el eje de rotación. 10

La válvula rotatoria puede incluir, además, al menos un elemento de localización de resorte colocado en la cara posterior del rotor de alimentación, opuesto a al menos un elemento de localización de resorte localizado en la cara posterior del rotor de producto, configurado para sujetar el al menos un resorte de compresión entre el rotor de alimentación y el rotor de producto en una posición fija. Más en general, cualquier número de elementos de 15 localización de resorte pueden localizarse en la cara posterior del rotor de alimentación, opuestos a una configuración similar en la cara posterior del rotor de producto.

Se desvela otra realización de la invención que proporciona una válvula rotatoria para realizar operaciones de procesos cíclicos que incluye una carcasa de estátor que tiene orificios, un rotor que comprende orificios y una 20 superficie posterior, estando el rotor en contacto rotatorio alrededor de un eje central de rotación con la carcasa de estátor en una superficie de contacto, al menos un resorte de compresión que tiene un centro de fuerza de la fuerza elástica dispuesto entre la superficie posterior del rotor y una corredera de empuje; y un cojinete de empuje dispuesto entre la corredera de empuje y la carcasa de estátor. La válvula rotatoria incluye, además, tener el al menos un resorte de compresión que aplica una fuerza elástica configurado para minimizar el par requerido para 25 hacer girar el rotor para la fuerza elástica dada, cuando la válvula está en funcionamiento.

La válvula rotatoria incluye, además, tener el centro de fuerza de la fuerza elástica localizado a una distancia predeterminada mayor que cero desde el eje de rotación, y tener al menos un elemento de localización de resorte en la superficie posterior del rotor para colocar el al menos un resorte de compresión. La válvula rotatoria puede incluir, 30 además, tener dos o más elementos de localización de resorte en la superficie posterior del rotor opuestos a dos o más elementos de localización de resorte localizados de manera similar en la corredera de empuje para sujetar y colocar dos o más resortes de compresión entre el rotor de alimentación y la corredera de empuje en una posición fija.

35

Se desvela otra realización de la invención que proporciona un sistema de adsorción por oscilación de presión que incluye una pluralidad de lechos de adsorción y una válvula rotatoria que tiene uno o más rotores, estando la válvula rotatoria conectada a la pluralidad de lechos de adsorción y configurada para dirigir flujos hacia la pluralidad de lechos de adsorción durante el proceso de adsorción por oscilación de presión.

40

La válvula rotatoria incluye uno o más rotores configurados para rotar alrededor de un eje de rotación; y al menos un resorte de compresión que tiene una fuerza elástica con un centro de fuerza configurado para aplicar la fuerza elástica al uno o más rotores que minimiza el par requerido para hacer girar el uno o más rotores para la fuerza elástica aplicada.

45

El sistema de adsorción por oscilación de presión puede incluir un estátor de alimentación que tiene una superficie de acoplamiento de estátor de alimentación; una superficie posterior de estátor de alimentación; y una pluralidad de orificios de estátor de alimentación que se conectan entre la superficie de acoplamiento de estátor de alimentación y la superficie posterior de estátor de alimentación; y los uno o más rotores incluyen un rotor de alimentación acoplado con un rotor de producto. El rotor de alimentación incluye una superficie de acoplamiento de rotor de alimentación, 50 una superficie posterior de rotor de alimentación, y una pluralidad de orificios de rotor de alimentación dispuestos sobre la superficie de acoplamiento de rotor de alimentación para dirigir el flujo de fluido entre la pluralidad de orificios de estátor de alimentación, estando el rotor de alimentación configurado para rotar alrededor de un eje de rotación perpendicular a la superficie de rotor de alimentación. El rotor de producto incluye una superficie de acoplamiento de rotor de producto, una superficie posterior de rotor de producto, una salida de producto, y una 55 pluralidad de orificios de rotor de producto dispuestos sobre la superficie de acoplamiento para dirigir el flujo de fluido entre la pluralidad de orificios de estátor de producto. El rotor de producto está configurado para rotar alrededor de un eje de rotación perpendicular a la cara de rotor de producto. El estátor de producto incluye una cara de acoplamiento de estátor de producto, una cara posterior de estátor de producto, y una pluralidad de orificios que se conectan entre la cara de acoplamiento de estátor de producto y la cara posterior de estátor de producto en 60 contacto rotatorio con el rotor de producto.

El al menos un resorte de compresión dispuesto entre el rotor de alimentación y el rotor de producto aplica una fuerza elástica que tiene un centro de fuerza en la cara posterior del rotor de alimentación y la cara posterior del rotor de producto, lo que da como resultado un par mínimo para hacer girar los rotores para la fuerza elástica 65 cuando la válvula está en funcionamiento. El centro de fuerza de la fuerza elástica está localizado a una distancia

predeterminada mayor que cero desde el eje central de rotación. El al menos un elemento de localización de resorte colocado en la cara posterior del rotor de alimentación se alinea opuesto a el al menos un elemento de localización de resorte colocado en la cara posterior del rotor de producto. El elemento(s) de localización de resorte está configurado para sujetar el resorte(s) de compresión entre el rotor de alimentación y el rotor de producto en una posición fija. El sistema de adsorción por oscilación de presión puede incluir, además, dos o más elementos de 5 localización de resorte localizados en la cara posterior del rotor de alimentación, opuestos a dos o más elementos de localización de resorte localizados de manera similar en la cara posterior del rotor de producto para sujetar y colocar dos o más resortes de compresión entre el rotor de alimentación y el rotor de producto en una posición fija.

Como alternativa, el sistema de adsorción por oscilación de presión puede incluir una carcasa de estátor que tiene 10 orificios; un rotor que comprende orificios y una superficie posterior, estando el rotor en contacto rotatorio con la carcasa de estátor en una superficie de contacto alrededor de un eje central de rotación; un cojinete de empuje en contacto con la carcasa de estátor; un corredera de empuje en contacto con el cojinete de empuje; y al menos un resorte de compresión dispuesto entre la superficie posterior del rotor y la corredera de empuje. El al menos un resorte de compresión está configurado para aplicar una fuerza elástica que tiene un centro de fuerza en el rotor, lo 15 que da como resultado un par mínimo para hacer girar el rotor para la fuerza elástica dada cuando la válvula está en funcionamiento. El centro de fuerza de la fuerza elástica está localizado a una distancia predeterminada mayor que cero desde el eje central de rotación.

Al menos un elemento de localización de resorte está colocado en la cara posterior del rotor opuesto a y alineado 20 con al menos un elemento de localización de resorte colocado en la corredera de empuje. Los elementos de localización de resorte están configurados para sujetar y colocar los resortes de compresión entre el rotor y la corredera de empuje.

En el presente documento se desvelan otros aspectos del método y del aparato. Otras características y ventajas de 25 la presente invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción más detallada de la realización preferida, tomada en relación con los dibujos adjuntos que ilustran, a modo de ejemplo, los principios de la invención.

Breve descripción de varias vistas de los dibujos

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La figura 1 muestra una vista despiezada de una válvula rotatoria ejemplar de la técnica anterior.

La figura 2A ilustra una vista general simplificada de las fuerzas que actúan sobre un rotor ejemplar cuando tanto las fuerzas de presión como las fuerzas elásticas están localizadas en el centro del rotor.

35

La figura 2B ilustra una vista general simplificada de las fuerzas que actúan sobre un rotor ejemplar cuando la fuerza de presión no se aplica en el centro del rotor.

La figura 2C ilustra una vista general simplificada de las fuerzas que actúan sobre un rotor ejemplar cuando la fuerza elástica está colocada en la misma localización en el rotor que la fuerza de presión. 40

La figura 3 es una vista desde arriba ampliada de la realización ejemplar de una válvula rotatoria de acuerdo con la invención.

La figura 4 es una vista desde abajo ampliada de una realización ejemplar de una válvula rotatoria de acuerdo con la 45 invención.

La figura 5 es una vista esquemática en sección transversal de una realización de rotor único de una válvula rotatoria de acuerdo con la presente invención.

50

La figura 6 es una vista de la cara de rotor de alimentación de un rotor de alimentación ejemplar de acuerdo con la invención.

La figura 7 es una vista de la cara de rotor de producto de un rotor de producto ejemplar de acuerdo con la invención. 55

La figura 8 es una gráfica que ilustra la relación entre la localización radial del centro de fuerza de la fuerza elástica y el par requerido para hacer girar el rotor para diversas fuerzas elásticas de acuerdo con la presente invención.

Descripción detallada de la invención 60

A continuación, se describirá con más detalle en el presente documento la presente invención con referencia a los dibujos adjuntos, en los que se muestra una realización preferida de la invención. Sin embargo, la presente invención podría realizarse de muchas formas diferentes y no debe interpretarse como limitada a las realizaciones expuestas en el presente documento; más bien, estas realizaciones se proporcionan de manera que la presente 65 divulgación sea minuciosa y completa y transmita completamente el alcance de la invención a los expertos en la

materia.

Las realizaciones ejemplares de la presente invención abordan el funcionamiento de una válvula rotatoria que puede utilizarse en un sistema de adsorción por oscilación de presión (PSA) que funciona en ciclos haciendo rotar un rotor dentro de la válvula rotatoria. Los sistemas PSA incluyen sistemas PSA que tienen presiones que son 5 superatmosféricas o subatmosféricas o una combinación de superatmosféricas y subatmosféricas. Las realizaciones ejemplares de la invención proporcionan un diseño de válvula rotatoria mejorada y el método para configurar una válvula rotatoria que reduce la cantidad de par necesario para hacer girar la válvula rotatoria.

Una realización ejemplar de la invención se ilustra mediante una válvula rotatoria 300 de dos rotores y dos estátores, 10 como se muestra en las figuras 3 y 4. La válvula rotatoria 300 puede usarse, por ejemplo, en un sistema PSA para recuperar oxígeno del aire utilizando cuatro lechos adsorbentes y un ciclo PSA en el que cada lecho avanza a través de las etapas de (1) fabricar el producto, (2) alimentar/fabricar el producto y proporcionar el gas de represurización del producto, (3) ecualizar la presión hacia abajo, (4) proporcionar la purga, (5) evacuar, (6) recibir la purga, (7) ecualizar la presión hacia arriba, y (8) recibir el gas de represurización del producto. Los diversos orificios de la 15 válvula rotatoria 300 se conectarían de manera similar al sistema PSA que se desvela en el documento US 2007/0028971A1. Además, las operaciones del sistema PSA, incluyendo las operaciones de la válvula 300, serían similares a las operaciones desveladas en el documento US 2007/0028971A1.

En las figuras 3 y 4 se muestra una disposición general de una vista despiezada de una realización ejemplar de una 20 válvula rotatoria 300 de acuerdo con la presente invención. La figura 3 es una vista en perspectiva desde arriba de la válvula rotatoria 300, y la figura 4 es una vista en perspectiva desde abajo de la válvula 300. La válvula rotatoria 300 incluye un estátor de alimentación 310, un rotor de alimentación 320, un rotor de producto 330, un estátor de producto 340, y dos resortes de compresión 350. La válvula rotatoria 300 tiene un eje A central.

25

El estátor de alimentación 310 incluye una superficie de acoplamiento 312 y una superficie posterior 314. El estátor de alimentación 310 incluye, además, una pluralidad de orificios 316 conectados a través de diversas líneas (no mostradas) a los extremos de alimentación de los lechos de proceso (no mostrados). El estátor de alimentación 310 también incluye un orificio de alimentación de material 319. El orificio de alimentación de material 319 se conectaría a una línea de alimentación (no mostrada) para proporcionar un gas de alimentación al estátor de alimentación 310. 30 El orificio de alimentación de material 319 también permite que un árbol de accionamiento (no mostrado) pase a través del estátor de alimentación 310 al rotor de alimentación 320. El estátor de alimentación 310 también incluye un orificio de residuos 317 que se conectaría a una línea de vacío (no mostrada). El orificio de residuos 317 se conecta a una ranura anular 318.

35

El rotor de alimentación 320 incluye una superficie de acoplamiento 321 y una superficie posterior 322. La superficie de acoplamiento 321 del rotor de alimentación 320 está en contacto rotatorio con la superficie de acoplamiento 312 del estátor de alimentación 310. El rotor de alimentación incluye, además, un orificio de evacuación/purga 323, un orificio de alimentación 324 y una abertura 325 en la superficie de acoplamiento 321. El orificio de alimentación de material 319 del estátor de alimentación 310 proporciona gas de alimentación a la abertura 325, que se conecta a 40 través de un paso interno (no mostrado) al orificio de alimentación 324. La abertura 325 también permite que un árbol de accionamiento (no mostrado) que pasa a través del orificio de alimentación de material 319 del estátor de alimentación 310 pase al rotor de alimentación 320 para acoplarse mediante un saliente 328. Cabe señalar que el orificio de alimentación de material 319 y la abertura 325 están dimensionados para permitir que el gas de alimentación fluya a través del orificio 319 y la abertura 325 cuando el árbol de accionamiento (no mostrado) está 45 presente.

El orificio de evacuación/purga 323 está configurado para estar siempre en comunicación fluida con la ranura anular 318 del estátor de alimentación 310. Cuando el orificio de evacuación/purga 323 se coloca sobre uno de la pluralidad de orificios 316 en el estátor de alimentación 310, el gas procedente de un lecho (no mostrado) fluirá a través del 50 orificio 316, en el orificio de evacuación/purga 323, a continuación en la cavidad anular 318, y finalmente en el orificio de residuos 317, desde el que se expulsa el gas por el sistema de vacío (no mostrado). La superficie posterior de rotor de alimentación 322 incluye unas orejetas de accionamiento 326. Las orejetas de accionamiento 326 transfieren el par al rotor de producto 330. El rotor de alimentación 320 está configurado para rotar alrededor del eje A con la transferencia del par al rotor de alimentación 320 desde un árbol de accionamiento (no mostrado) 55 acoplado dentro de un saliente 328.

Como se muestra en las figuras 3 y 4, el rotor de alimentación 320 de esta realización ejemplar tiene seis localizadores de resorte 327 colocados opuestos a seis localizadores de resorte 361 en el rotor de producto 330. Los seis localizadores de resorte 327 colocados en el rotor de alimentación 320 consisten en dos grupos de tres 60 elementos de localización localizados simétricamente con respecto a un plano que pasa a través del eje de rotación. Los localizadores de resorte 361 colocados en el rotor de producto 330 se localizan opuestos a los localizadores de resorte 327 en el rotor de alimentación 320 y se localizan de manera similar. En general, puede usarse cualquier número de elementos de localización de resorte en cualquier disposición para lograr una fuerza elástica deseada y colocar la fuerza elástica resultante en la localización requerida. 65

Los localizadores de resorte 327 sujetan al menos un resorte de compresión entre el rotor de alimentación 320 y el rotor de producto 330 en una posición fija. Como se muestra en esta realización, dos resortes 350 se colocan mediante dos localizadores de resorte 327 en el rotor de alimentación 320 opuestos a dos localizadores de resorte 361 en el rotor de producto 330. Los dos localizadores de resorte en el rotor de alimentación 320 se localizan simétricamente con respecto a un plano que pasa a través del eje de rotación. Los dos localizadores de resorte 5 opuestos correspondientes en el rotor de producto 330 se localizan de manera similar. En general, debe entenderse que cualquier número de elementos de localización 327, 361 pueden localizarse en los rotores 320, 330 para permitir un número y una colocación diferentes de los resortes 350 alrededor del eje A central. Además, cualquier número de resortes 350 que tengan una fuerza elástica conocida pueden seleccionarse y colocarse en los elementos de localización 327, 361, siempre que alcancen una fuerza elástica total deseada y un centro de fuerza 10 resultante para minimizar la cantidad de par requerido para hacer girar los rotores 320, 330 a la vez que proporcionan una fuerza para sellar los rotores 320, 330 contra los estátores 310, 340, respectivamente, para evitar una fuga de válvula sustancial. Además, aunque los elementos de localización 327, 361 se muestran como un material elevado, los elementos de localización pueden ser, como alternativa, depresiones u otras formas que localizan y colocan los resortes 350 sobre la superficie posterior del rotor. 15

El estátor de alimentación 310 y el rotor de alimentación 320 están configurados para acoplarse como se muestra en las figuras 3 y 4. Cuando se han acoplado, la superficie de acoplamiento de estátor de alimentación 312 está en contacto rotatorio y sellada con la superficie de acoplamiento de rotor de alimentación 321 por la fuerza de los resortes 350. La junta entre la superficie de acoplamiento de estátor de alimentación 312 y la superficie de 20 acoplamiento de rotor de alimentación 321 permite el funcionamiento de la válvula 300 sustancialmente sin fugas entre el estátor de alimentación 310 y el rotor de alimentación 320. La expresión sustancialmente sin fugas, usada en el presente documento y de uno u otro modo a lo largo de toda la presente divulgación, se pretende que incluya una pequeña y operativamente aceptable cantidad de fuga. Por ejemplo, una fuga de menos del 1% del flujo puede ser aceptable para determinadas operaciones, mientras que una fuga de menos del 5% del flujo puede ser aceptable 25 en condiciones de funcionamiento diferentes.

Como puede observarse en las figuras 3 y 4, haciendo rotar el rotor de alimentación 320 alrededor del eje A, puede proporcionarse un gas de alimentación al orificio de alimentación 319 del estátor de alimentación 310 y distribuirlo a un orificio(s) 316 seleccionado en el estátor de alimentación 310 a través del orificio de alimentación central 325 y el 30 orificio de alimentación 324 del rotor de alimentación 320. El funcionamiento completo de la válvula en un ciclo PSA ejemplar no se explica más en el presente documento, ya que el funcionamiento se proporciona en en el documento US 2007/0028971A1.

El rotor de producto 330 incluye una superficie de acoplamiento 331 y una superficie posterior 332. El rotor de 35 producto 330 incluye, además, un orificio de suministro de purga 333, un orificio de recepción de purga 334, un orificio de ecualización hacia arriba 335, un orificio de represurización de producto 336, un orificio de producto 337, y un orificio de ecualización hacia abajo 338. El orificio de producto 337 se conecta mediante un paso interno (no mostrado) a una cavidad central (no mostrada) que se conecta a la salida de producto 339. Los diversos orificios (333, 334, 335, 336, 337, 338) están dispuestos sobre la superficie de acoplamiento 331 y se conectan mediante 40 pasos internos (no mostrados) entre sí y/o a la salida de producto 339 como se desvela en el documento US 2007/0028971A1.

La superficie posterior 332 del rotor de producto 330 incluye unas orejetas de accionamiento 360 y unos localizadores de resorte 361. Las orejetas de accionamiento 360 del rotor de producto 330 están configuradas para 45 acoplarse con las orejetas de accionamiento del rotor de alimentación 326, como se muestra en las figuras 3 y 4. El par se transfiere desde las orejetas de accionamiento 326 del rotor de alimentación 320 a las orejetas de accionamiento 360 del rotor de producto 330 para hacer rotar el rotor de producto 330 alrededor del eje A. Pueden usarse otras geometrías de orejeta de accionamiento para acoplar el rotor de alimentación 320 al rotor de producto 330. La superficie posterior 332 también incluye un elemento de anillo 362 para recibir el saliente 328 del rotor de 50 alimentación 320 cuando se acoplan el rotor de alimentación 320 y el rotor de producto 330.

El estátor de producto 340 incluye una superficie de acoplamiento 342 y una superficie posterior 344. El estátor de producto incluye, además, unos orificios 346 que se conectan entre la superficie de acoplamiento 342 y la superficie posterior 344. Los orificios 346 se conectan a unas líneas de producto (no mostradas), que se conectan a los 55 extremos de producto de los lechos de adsorción (no mostrados) como se sabe en la técnica. El estátor de producto 340 incluye, además, una abertura central 348 configurada para recibir la salida de producto 339 del rotor de producto 330.

El estátor de producto 340 y el rotor de producto 330 están configurados para acoplarse como se muestra en las 60 figuras 3 y 4. Cuando se han acoplado, la superficie de acoplamiento de estátor de producto 342 está en contacto rotatorio y sellada contra la superficie de acoplamiento 331 de rotor de producto por la fuerza de los resortes 350. La junta entre la superficie de acoplamiento de estátor de producto 342 y la superficie de acoplamiento 331 de rotor de producto permite el funcionamiento de la válvula 300 sustancialmente sin fugas entre el estátor de producto 340 y el rotor de producto 330. Como puede observarse en las figuras 3 y 4, a medida que rota el rotor de producto 330, los 65 diversos orificios (333, 334, 335, 336, 337, 338) de rotor de producto se alinean con los orificios de estátor de

producto 346 para recoger el producto, la purga, o represurizar los lechos de adsorción (no mostrados) como se describe en el documento US 2007/0028971A1.

La válvula 300 puede instalarse en una carcasa adecuada (no mostrada) configurada para soportar, conectar y sellar la válvula 300 como debería apreciarse por los expertos en la materia. El rotor de alimentación 320 y el rotor de 5 producto 330 se adaptarían para rotar coaxialmente dentro de la carcasa (no mostrada) alrededor del eje A. Como alternativa, puede formarse una carcasa modificando el estátor de alimentación 310 y/o el estátor de producto 340 para formar la cámara de válvula, como debería apreciarse de manera similar por los expertos en la materia. Un árbol de accionamiento (no mostrado) penetraría en la carcasa sellada y atravesaría axialmente a través del estátor de alimentación 310 y transmitiría el par al rotor de alimentación 320, de manera similar a la disposición desvelada 10 en la figura 1. El árbol de accionamiento (no mostrado) se accionaría mediante un motor (no mostrado) para hacer rotar el rotor de alimentación 320.

Las orejetas de accionamiento 326 de rotor de alimentación se acoplan con las orejetas de acoplamiento de rotor de producto 360 para transmitir el movimiento rotatorio del rotor de alimentación 310 al rotor de producto 320. Las 15 orejetas de accionamiento 326 y las orejetas de acoplamiento 360 también mantienen una alineación angular entre los rotores, de manera que, a medida que los orificios de estátor de alimentación 316 se cubren y se descubren por el rotor de alimentación 320, los orificios de estátor de producto 346 adecuados también se cubren y se descubren, simultáneamente, por el rotor de producto 330. La disposición específica de las orejetas de accionamiento 326 y las orejetas de acoplamiento 360 no es fundamental, y son posibles otros métodos de alineación y de accionamiento 20 coaxial, tales como, por ejemplo, mediante pasadores y/o conectores adecuados. El sistema de alineación y de accionamiento está configurado para transmitir un movimiento de rotación desde un rotor al otro, mantener una alineación angular entre las partes del rotor, y permitir que los rotores se muevan axialmente uno con respecto al otro de manera que permanezcan asentados contra sus estátores respectivos.

25

En la figura 5, se muestra una realización ejemplar de una válvula rotatoria alternativa 500 que tiene un rotor 510 y una carcasa de estátor 520. En esta realización, la válvula rotatoria 500 puede usarse o como una válvula rotatoria de alimentación o como una de producto. Los orificios (no mostrados) del rotor 510 y los orificios (no mostrados) de la carcasa de estátor 520 pueden configurarse de manera idéntica o similar a los orificios de rotor y de estátor de alimentación y de producto correspondientes de la válvula rotatoria 300, como se muestra en las figuras 3 y 4 y 30 como se ha expuesto anteriormente cuando se usan en un proceso de sistema PSA. De manera similar, los orificios pueden configurarse en las superficies de acoplamiento (no mostradas) del rotor 510 y la carcasa de estátor 520 de manera idéntica o similar a las configuraciones en las superficies de acoplamiento de los rotores y los estátores de la válvula rotatoria 300, como se muestra en las figuras 3 y 4.

35

La válvula rotatoria incluye unos resortes de compresión 530 que se mantienen en su lugar contra el rotor 510 mediante una corredera de empuje 540. La corredera de empuje 540 se une a un árbol 550 por los pernos 560. Como alternativa, los pasadores 560 pueden usarse para unir la corredera de empuje 540 al rotor 510. Un cojinete de empuje 570 se usa entre la corredera de empuje y la carcasa de estátor 520 para permitir que la corredera de empuje 540 rote alrededor del eje B cuando se hace rotar el árbol 550. El cojinete de empuje 570 soporta la fuerza 40 elástica de los resortes 530, a la vez que permite que la corredera de empuje 540 rote con una cantidad mínima de fricción.

Los resortes 530 proporcionan una fuerza elástica que mantiene el contacto entre el rotor 510 y la carcasa de estátor 520 en la superficie de contacto 515. El rotor 510 está en contacto rotatorio con y se sella contra la carcasa de 45 estátor 520 en una superficie de contacto 515. Debe seleccionarse la fuerza elástica que sea suficiente para evitar fugas sustanciales desde los orificios de rotor y de estátor (no mostrados) en la superficie de contacto 515 cuando la válvula 500 está en funcionamiento. Los resortes 530 se localizan en elementos de localización (no mostrados) similares a los de la válvula rotatoria 300, expuesta anteriormente. En esta realización, dos resortes 530 que tienen una fuerza elástica desigual se muestran dispuestos entre el rotor 510 y la corredera de empuje 540. 50

A continuación, se proporciona un método ejemplar para determinar la magnitud y la posición de la fuerza elástica resultante para minimizar el par necesario para hacer girar el rotor. El par requerido para hacer girar un rotor cuando la fuerza elástica está localizada en el eje central del rotor se proporciona por la ecuación 1:

55

µ= coeficiente de fricción

F = fuerza de contacto entre el rotor y el estátor (F3 en la figura 2)

R = radio del rotor 60

Además, puede demostrarse que si la fuerza de contacto entre el rotor y el estátor está localizada en el borde del rotor, el par requerido para hacer girar el rotor será µ FR.

65

Para simplificar la determinación, puede suponerse que el par requerido para hacer girar el rotor es una función lineal del radio de la localización de la fuerza de contacto entre el rotor y el estátor. Con este supuesto, el par requerido para hacer girar el rotor se determina por la ecuación 2:

5

r = radio de la fuerza de reacción de contacto

A partir de estos cálculos, es evidente que para minimizar el par requerido para hacer girar el rotor, la fuerza de reacción debe localizarse en el centro del rotor. Sin embargo, debido a que la fuerza de presión resultante sobre el 10 rotor no se localizará en el centro del rotor, debido a la localización de los diversos orificios de alta y baja presión en el rotor, la fuerza de reacción de contacto tampoco se localizará en el centro.

Por lo tanto, para determinar la magnitud y la localización de una fuerza elástica que minimiza el par a la vez que evita fugas para un proceso cíclico seleccionado que tiene una fuerza de presión resultante conocida, se usa la 15 siguiente metodología:

(a) proporcionar una válvula rotatoria que comprenda uno o más rotores que tengan uno o más elementos de localización de resorte;

(b) determinar la fuerza de presión resultante que tenga una magnitud y una posición que actúe sobre los uno o 20 más rotores para el proceso de adsorción por oscilación de presión seleccionado;

(c) seleccionar una fuerza elástica que tenga una magnitud suficiente para sellar los uno o más rotores contra fugas durante el proceso de adsorción por oscilación de presión;

(d) seleccionar una posición para el centro de fuerza elástica sobre los uno o más rotores;

(e) calcular la fuerza de contacto resultante y la localización para la fuerza elástica seleccionada y la fuerza de 25 presión resultante;

(f) calcular el par requerido para hacer girar cada rotor de los uno o más rotores usando la ecuación 2;

(g) añadir el par requerido para hacer girar cada rotor de los uno o más rotores juntos para determinar un par total;

(h) repetir las etapas (d) a (g) para encontrar la posición para el centro de fuerza elástica que dé como resultado 30 el par total más bajo requerido para hacer girar el rotor(es);

(i) colocar uno o más resortes en los elementos de localización de resorte, de tal manera que la fuerza elástica total sea igual a la fuerza elástica seleccionada en (c) y la localización del centro de fuerza elástica se localice como se ha seleccionado en (h);

(j) si la fuerza elástica es insuficiente para sellar los uno o más rotores contra fugas durante el proceso de 35 adsorción por oscilación de presión, volver a (c) y aumentar gradualmente la fuerza elástica seleccionada hasta que la válvula funcione sin fugas sustanciales.

A continuación, se proporcionará un ejemplo para calcular la posición del resorte que da como resultado un par mínimo para una válvula rotatoria de doble rotor/estátor ejemplar que funciona en condiciones de proceso PSA 40 nominales. Las presiones de las diversas ranuras se seleccionaron a una presión de funcionamiento típica durante el proceso PSA.

La figura 6 muestra un rotor de alimentación ejemplar 600 que tiene una ranura de alimentación 610 y una ranura de evacuación/purga 620 en una superficie 630. El rotor 600 tiene un radio R. Por ejemplo, el radio R puede ser de 45 aproximadamente 25,4 mm (1 pulgada). El rotor de alimentación 600 tiene un eje C central alrededor del que rotará el rotor de alimentación 600 cuando se haga girar durante las operaciones de proceso. El eje C central se alinea con el eje A central de la válvula (figuras 3, 4). En el proceso PSA, la ranura de alimentación 610 funciona a una alta presión media de 48 kPa (7 psi), y la ranura de evacuación/purga 620 funciona a una baja presión media de -48 kPa (-7 psi). La presión en la ranura de alimentación 610, la presión en la ranura de evacuación/purga 620, y la presión 50 sobre las otras superficies del rotor dan como resultado una fuerza de presión de aproximadamente 30,3 N (6,8 libras) que actúa para separar el rotor de alimentación 600 del estátor (no mostrado). Esta fuerza actúa en la localización Fp1, como se indica en la figura 6, desplazada del eje A central por una distancia d de aproximadamente 12,7 mm (0,5 pulgadas).

55

La figura 7 muestra un rotor de producto ejemplar 700 que tiene un orificio de suministro de purga 733, un orificio de recepción de purga 734, un orificio de ecualización hacia arriba 735, un orificio de represurización de producto 736, un orificio de producto 737, y un orificio de ecualización hacia abajo 738, y un agujero central 739 para alojar el cojinete de rotor y la salida de producto. Las presiones en las ranuras (733, 734, 735, 736, 737, 738, 739) y otras superficies del rotor dan como resultado una fuerza de presión de aproximadamente 41,4 N (9,3 libras) que actúa 60 para separar el rotor de producto 700 del estátor de producto (no mostrado). Esta fuerza actúa sobre el rotor de producto 700 en la localización Fp2 desplazada del eje C central por una distancia de aproximadamente 7,6 mm (0,3 pulgadas), como se indica en la figura 7. La ranura de producto 737 y el agujero central 739 tienen la presión de funcionamiento media más alta, aproximadamente de 48 kPa (7 psi), seguida, sucesivamente, por unas presiones más bajas en el orificio de represurización de producto 736, el orificio de ecualización hacia abajo 738, el orificio de 65

ecualización hacia arriba 735, el orificio de suministro de purga 733, y el orificio de recepción de purga 734. El rotor de producto 700 tiene un eje C central alrededor del que rota el rotor de producto cuando se hace girar durante las operaciones de proceso. El eje C central se alinea con el eje A central de la válvula (figuras 3, 4).

En la figura 8 se muestran los resultados de la determinación del par requerido para hacer rotar el rotor de 5 alimentación 600 (figura 6) y el rotor de producto 700 (figura 7) para diferentes fuerzas elásticas y un intervalo de radios del centro de la fuerza elástica (COF). El eje horizontal es el radio o excentricidad en el que se aplica la fuerza elástica. El eje vertical es el par requerido para hacer girar ambos rotores. Cada curva representa una fuerza elástica diferente como se indica.

10

La determinación de la fuerza elástica requerida se realiza determinando, en primer lugar, la fuerza de presión que actúa sobre los rotores. La determinación de la fuerza de presión es difícil por varias razones. En primer lugar, las presiones de proceso en los orificios de rotor están cambiando continuamente como resultado de los cambios de presión en los lechos de adsorción y los cambios en las posiciones de rotor. En segundo lugar, pueden producirse otras fluctuaciones en las presiones de orificio de rotor cuando se usan bombas de pistones para proporcionar gas 15 de alimentación y vacío al sistema, lo que puede provocar pulsaciones de presión en algunos de los orificios. En tercer lugar, la distribución de la presión en la cara de los rotores en localizaciones sin orificio es una estimación que depende del patrón de contacto entre las caras del rotor y del estátor, ninguna de las cuales es perfectamente plana. Esta falta de planitud puede permitir que se escape un poco de presión en la cara del rotor y cambie el área sobre la que la presión ejerce su fuerza. Debido a estas razones, es difícil determinar qué fuerza elástica se requerirá 20 realmente durante el funcionamiento. Lo ideal sería que la fuerza elástica solo tuviera que ser infinitesimalmente mayor que la suma de las fuerzas de presión y de contacto para mantener los rotores y los estátores en contacto. En realidad, se selecciona una fuerza elástica que es ligeramente mayor en unos pocos newtons que la suma de la fuerza de presión y la fuerza de contacto y se observa la válvula por si hubiera fugas. Si las fugas en la válvula van más allá de una cantidad aceptable para la aplicación, se aumenta gradualmente la fuerza elástica hasta que se 25 elimina la fuga sustancial. Por lo tanto, mediante el uso de la figura 8, a medida que aumenta la fuerza elástica, se ajusta la posición de la fuerza elástica resultante para mantener el par mínimo requerido para hacer girar el rotor.

Los puntos finales de cada curva en la figura 8 representan el punto en el que se produce la fuerza de reacción en el borde de uno de los rotores. Más allá de estos puntos finales, no es posible mantener el equilibrio estático de los 30 rotores debido a que la fuerza de presión comenzará a separar uno de los pares de rotor/estátor. La figura 8 muestra que, para una fuerza elástica dada, hay una localización radial óptima en la que aplicar la fuerza elástica para minimizar el par requerido para hacer girar los rotores. La localización radial para el par mínimo no es una constante, sino que varía con la fuerza elástica aplicada. Como se muestra en la figura 8, el radio óptimo en el que localizar la fuerza elástica disminuye con el aumento de la fuerza elástica. Para el método de selección de resorte descrito 35 anteriormente, se intenta el aumento de las fuerzas elásticas hasta que se ha eliminado la fuga de la válvula, y la localización óptima del centro de la fuerza elástica para una fuerza elástica específica se encuentra en la figura 8.

Pueden seleccionarse resortes de fuerza diferente para lograr una fuerza elástica total y una localización predeterminadas. Por ejemplo, los rotores pueden tener localizadores de posición de resorte colocados en varias 40 localizaciones que permiten una colocación del centro de la fuerza elástica en base a una aplicación determinada posterior.

Una realización general de la invención incluye una válvula rotatoria que tiene unas conexiones de aire de alimentación presurizado, vacío o residuos de escape, y una salida de producto, así como unos orificios para 45 conectarse a los extremos de alimentación y de producto de múltiples lechos de adsorción. La válvula puede usarse en cualquier proceso para dirigir fluidos desde una o más fuentes de proceso a uno o más destinos de proceso en etapas de procesos cíclicos repetibles.

Aunque la invención se ha descrito con referencia a una realización preferida, se entenderá por los expertos en la 50 materia que pueden realizarse diversos cambios y que los equivalentes pueden sustituirse por elementos de los mismos sin alejarse del alcance de la invención. Además, pueden realizarse muchas modificaciones para adaptar una determinada situación a las enseñanzas de la invención sin alejarse del alcance esencial de la misma. Por lo tanto, se pretende que la invención no esté limitada a la realización específica desvelada como el mejor modo contemplado para realizar la presente invención, sino que la invención incluya todas las realizaciones que queden 55 dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una válvula rotatoria (500) para realizar operaciones de procesos cíclicos, que comprende:

una carcasa de estátor (520) que tiene unos orificios;

un rotor (510) que comprende unos orificios y una superficie posterior, estando el rotor (510) en contacto rotatorio 5 alrededor de un eje (B) central de rotación con la carcasa de estátor (520) en una superficie de contacto (515);

al menos un resorte de compresión (530) que tiene una fuerza elástica (F1) con un centro de fuerza dispuesto entre la superficie posterior del rotor (510) y una corredera de empuje (540);

un cojinete de empuje (570) dispuesto entre la corredera de empuje (540) y la carcasa de estátor (520);

caracterizada por que 10

el centro de fuerza de la fuerza elástica (F1) está localizado a una distancia predeterminada mayor que cero desde el eje (B) de rotación, lo que da como resultado el par mínimo o minimizado requerido para hacer girar el rotor (510) para la fuerza elástica (F1) dada cuando la válvula (500) está en funcionamiento.
2. La válvula rotatoria (500) de la reivindicación 1, que comprende además al menos un elemento de localización de 15 resorte en la superficie posterior del rotor (510).
3. La válvula rotatoria (500) de la reivindicación 1 o 2, en la que al menos un par especular de elementos de localización de resorte están localizados en la superficie posterior del rotor (510) simétricamente con un plano que pasa a través del eje (B) de rotación. 20
4. La válvula rotatoria (500) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que la corredera de empuje (540) está unida a un árbol (550) o al rotor (510) mediante unos pasadores (560).
5. La válvula rotatoria (500) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que la fuerza elástica (F1) del al menos 25 un resorte de compresión (530) mantiene el contacto entre el rotor (510) y la carcasa de estátor (520) en la superficie de contacto (515).
6. La válvula rotatoria (500) de la reivindicación 5, en la que el rotor (510) está sellado contra la carcasa de estátor (520) en la superficie de contacto (515). 30
7. La válvula rotatoria (500) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en la que los orificios están configurados en las superficies de acoplamiento del rotor (510) y la carcasa de estátor (520).
8. La válvula rotatoria (500) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que el al menos un resorte de 35 compresión (530) comprende dos resortes de compresión (530).
9. La válvula rotatoria (500) de la reivindicación 8, en la que los dos resortes de compresión (530) tienen fuerzas elásticas desiguales.

40
10. La válvula rotatoria (500) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en la que la válvula rotatoria (500) se usa como una válvula rotatoria de alimentación o una válvula rotatoria de producto en un sistema de adsorción por oscilación de presión.
11. Un sistema de adsorción por oscilación de presión que comprende la válvula rotatoria (500) de cualquiera de las 45 reivindicaciones 1 a 10.