ES2627520T3 - Válvula giratoria - Google Patents

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Abstract

Un sistema de adsorción por oscilación de presión que comprende: una pluralidad de lechos de adsorción; y una válvula giratoria (300; 500) que tiene uno o más rotores (320; 330; 510) configurada para rotar sobre un eje (A; B) de rotación, conectada la válvula giratoria (300; 500) a la pluralidad de lechos de adsorción y configurada para dirigir flujos a la pluralidad de lechos de adsorción durante el proceso de adsorción por oscilación de presión; caracterizado por que la válvula giratoria (300; 500) comprende: al menos dos muelles de compresión (350; 530) que tienen una fuerza de compresión (F1) con un centro de fuerza configurado para aplicar la fuerza de compresión (F1) al uno o más rotores (320, 330; 510), donde el centro de fuerza de la fuerza de compresión (F1) está situado a una distancia predeterminada mayor que cero desde el eje (A; B) de rotación, de modo que la cantidad de par requerida para girar el uno o más rotores (320, 330; 510) se minimiza.

Description

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DESCRIPCION
Valvula giratoria Antecedentes de la invencion
La presente invencion se refiere en general a un sistema de adsorcion por oscilacion de presion de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1. El sistema de adsorcion por oscilacion de presion comprende una pluralidad de lechos de adsorcion y una valvula giratoria que tiene uno o mas rotores configurados para girar sobre un eje de giro, donde la valvula giratoria esta conectada a la pluralidad de lechos de adsorcion y configurada para dirigir los flujos hacia la pluralidad de lechos de adsorcion durante el proceso de adsorcion por oscilacion de presion.
Las valvulas giratorias se utilizan ampliamente en las industrias de procesos para dirigir fluidos desde una o mas fuentes de proceso a uno o mas destinos de proceso en etapas de proceso dclicas repetibles. Estas valvulas, denominadas tambien valvulas de secuencia giratorias, se utilizan en procesos dclicos o repetibles, tales como la separacion de gas por adsorcion por oscilacion de presion o temperatura, separacion de lfquidos por adsorcion por oscilacion de concentracion, cromatograffa de gases o lfquidos, procesos cataltticos regenerativos, sistemas de control secuenciales neumaticos o hidraulicos, y otros procesos dclicos.
Un tipo de valvula giratoria ampliamente utilizado tiene una configuracion circular plana en la que un rotor portado plano gira coaxialmente sobre un estator portado plano de tal manera que los orificios en el estator y en el rotor estan bien alineados o bloqueados en una secuencia dclica predeterminada. Tfpicamente se proporciona una junta haciendo coincidir en contacto directo la cara del rotor plana sobre la cara del estator plana. Se requiere un alto grado de precision en la fabricacion de estas superficies planas para evitar la fuga excesiva en las superficies de acoplamiento. Materiales ngidos tales como metales, ceramicas, y/o de carbono se utilizan tipicamente para estos rotores y estatores, pero el desgaste de las partes o distorsiones causadas por diferenciales de temperatura pueden causar cambios en la forma de las superficies, permitiendo de esta manera la fuga a traves de la junta formada entre las superficies.
Las valvulas giratorias con una configuracion de junta circular giratoria plana son particularmente utiles en sistemas de adsorcion por oscilacion de presion (PSA) que utilizan multiples lechos de adsorcion paralelos que operan en etapas dclicas superpuestas que incluyen las etapas de alimentacion, compensacion de la presion, despresurizacion, purga y de represurizacion. En una aplicacion tfpica, se utiliza un estator que tiene multiples orificios para conectar las lmeas de gas de alimentacion y de gas de desecho con los extremos de alimentacion de una pluralidad de lechos de adsorcion y tambien para conectar los extremos de producto de la pluralidad de las lechos para proporcionar la compensacion de presion, purga, y otras etapas de transferencia de la lecho a lecho. Un rotor que tiene multiples orificios gira de forma estanca en el estator de tal manera que las aberturas en la cara del estator coinciden secuencialmente con las aberturas en la cara del rotor, a medida que el rotor gira para dirigir el flujo de gas a las etapas del ciclo del proceso PSA deseadas.
En un ciclo tfpico de PSA, los pasos internos de la valvula giratoria estan a presiones diferentes a medida que avanza el ciclo de PSA. Cuando el ciclo de PSA incluye las etapas de proceso a presion positiva y bajo condiciones de vacfo, las fugas impulsadas por los diferenciales de presion entre los orificios de valvula conectados a los extremos de alimentacion y de producto de los lechos pueden conducir a diversos problemas operativos, si se producen fugas entre estos orificios.
Las valvulas secuencial giratorias, en las que un rotor portado plano gira coaxialmente sobre un estator portado plano de tal manera que los orificios en el estator y el rotor son alineados o bloqueados en una secuencia cfclica predeterminada, se utilizan para dirigir fluidos en procesos dclicos que tienen una numero de etapas repetibles. En el documento US 2007/0028971 A1 presentado el 8 de mayo de 2005, se desvela un sistema de valvula giratoria de rotor/estator dual que utiliza un solo muelle axialmente alineado para ayudar en el acoplamiento de una superficie del rotor contra una superficie del estator para ayudar en la junta estanca de las superficies del rotor y del estator una contra la otra y evitar fugas entre los orificios del estator y del rotor. Los orificios del rotor se situan en diferentes posiciones circunferenciales en las caras del rotor y operan a diferentes presiones.
Durante la operacion de la valvula giratoria de la tecnica anterior divulgada en el documento US 2007/0028971 A1, la diferencia en las presiones de los orificios da como resultado una fuerza no axial a traves de la cara de acoplamiento del rotor y del estator. Cuando se requieren altas presiones de operacion, se pueden requerir grandes fuerzas de compresion para cerrar hermeticamente los rotores contra los estatores y evitar fugas. La cantidad de fuerza necesaria para girar los rotores estara directamente relacionada con la cantidad de la fuerza de compresion para comprimir los rotores contra los estatores. Si se requieren altas fuerzas de compresion para evitar fugas entre el rotor y el estator, se requeriran grandes fuerzas para girar los rotores. Estas grandes fuerzas aumentan el desgaste del rotor, requieren motores de rotor de mayor tamano, y aumentan el desgaste del cojinete del rotor.
La disposicion general de una vista en despiece de la tecnica anterior de valvula giratoria 1, tal como se encuentra en el documento US 2007/0028971 A1, se muestra en la Figura 1. En la operacion real, los componentes de la
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valvula 1 estan en contacto entre st Como se puede observar en la Figura 1, la valvula giratoria 1 de la tecnica anterior incluye un estator de alimentacion 10, un rotor de alimentacion 20, un rotor de producto 30, un estator de producto 40, y un muelle de compresion 50. En este ejemplo de realizacion de la tecnica anterior, el rotor de alimentacion 20 y el rotor de producto 30 estan contenidos dentro de una carcasa formada por el estator de alimentacion 10 y el estator de producto 40 como se muestra en la Figura 1.
En un proceso de adsorcion por oscilacion de presion (PSA), los lechos de adsorcion (no mostrados) se conectan a los orificios 11a, 11b, 11c, 11d del estator de alimentacion 10 y a los orificios 41a, 41b, 41c, 41d del estator producto 40. El extremo de alimentacion de los lechos (no mostrado ) se conecta tfpicamente a los orificios 11a, 11b, 11c, 11d del estator de alimentacion 10, y los extremos de producto de los lechos (no mostrados ) se conecta tfpicamente a los orificios correspondientes 41a, 41b, 41c, 41d del estator de producto 40.
Como se puede observar en la Figura 1, el rotor de alimentacion 20 y el rotor de producto 30 se configuran para acoplarse e inter-bloquearse. El muelle de compresion 50 se dispone entre el rotor de alimentacion 20 y el rotor de producto 30. El muelle de compresion 50 presiona el rotor de alimentacion 20 contra el estator de alimentacion 10 para cerrar hermeticamente el rotor de alimentacion 20 contra el estator de alimentacion 10. El muelle de compresion 50 presiona de manera similar el rotor de producto 30 contra el estator de producto 40 para cerrar hermeticamente el rotor de producto 30 contra el estator de producto 40.
La valvula 1 conocida incluye ademas un eje de accionamiento 60 capaz de hacer girar el rotor de alimentacion 20 y el rotor de producto 30. El eje de accionamiento 60 incluye un extremo de accionamiento positivo 62 que se configura para acoplarse a un elemento de acoplamiento (no mostrado) en el rotor de alimentacion 20 de tal manera que cuando el eje de accionamiento 60 se hace girar, el rotor de alimentacion 20 y el rotor de producto 30 se hacen girar del mismo modo alrededor de un eje perpendicular a la cara del rotor, y las ranuras en el rotor de alimentacion 20 y en el rotor de producto 30 e alinean con los orificios en el estator de alimentacion 10 y en el estator de producto 40, respectivamente, para seleccionar una conexion predeterminada de las lmeas de proceso.
La valvula giratoria conocida 1 incluye diversos orificios y pasos de fluido, cuya funcion se describe mas completamente en el documento US 2007/0028971 A1. La operacion de un proceso cfclico espedfico, tal como el PSA, no necesita explicarse completamente en el presente documento para comprender la operacion de la valvula, y es entendida por un experto en la materia. En general, las operaciones de proceso incluyen alterar la posicion girada del rotor de alimentacion 20 y del rotor de producto 30 de la valvula 1 conocida para permitir que los vapores de fluido seleccionados se reciclen. A continuacion se proporciona una descripcion general de la operacion de la valvula giratoria 1 de la tecnica anterior.
A medida que el rotor de alimentacion 20 y el rotor de producto 30 se hacen girar a posiciones predeterminadas, los orificios en las caras del rotor se alinean con los orificios en sus respectivos estatores, lo que permite el flujo hacia y desde la valvula 1 a traves de una trayectoria conectiva predeterminada. De tal manera, el fluido puede fluir entre los lechos conectados al estator de alimentacion 10 y al estator de producto 40 segun sea necesario para la compensacion, purga, u otras etapas dclicas de proceso.
En un procedimiento de PSA, la presion en los lechos alterna entre altas presiones y bajas presiones cuando la adsorcion y desorcion tienen lugar, respectivamente. Durante las operaciones de proceso, las presiones dentro de cada ranura ejercen una fuerza sobre el rotor de alimentacion 20 y sobre el rotor de producto 30, empujandolos lejos del estator de alimentacion 10 y del estator de producto 40, respectivamente. Por esta razon, es necesario un muelle de compresion 50 para mantener el rotor de alimentacion 20 contra el estator de alimentacion 10 y el rotor de producto 30 contra el estator de producto 40 para evitar fugas. Debido que la fuerza de compresion y las fuerzas de presion dentro de las ranuras no son simetricas con respecto al centro o giro de los rotores, la fuerza resultante sobre los rotores no se encuentra en el centro del rotor de alimentacion 20 ni del rotor de producto 30. Esta carga de fuerza asimetrica da como resultado la necesidad de aumentar la fuerza de compresion necesaria para mantener el contacto del rotor/estator, asf como un mayor par requerido para accionar la valvula y hacer girar el eje 60.
Las Figuras 2A, 2B y 2C muestran vistas simplificadas de las fuerzas que actuan sobre un rotor 200 de una valvula giratoria durante un proceso dclico de PSA tfpico. El eje de giro central del rotor 200 esta indicado por la lmea vertical discontinua A'. La fuerza de compresion F1 es la fuerza ejercida por un muelle (no mostrado) en el rotor 200, a medida que empuja el rotor 200 contra un estator (no mostrado). La fuerza de presion F2 es la fuerza resultante de las presiones en los distintos orificios. La fuerza de reaccion F3 es la diferencia entre la fuerza de compresion F1 y la fuerza de presion F2. F3 es tambien la fuerza de contacto entre el rotor 200 y el estator (no mostrado). La fuerza de reaccion F3 no se encuentra en un solo punto. La fuerza de reaccion F3 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 deformacion del rotor 200 causada por las cargas aplicadas. Sin embargo, por simplicidad, esta fuerza distribuida se puede resolver en la unica fuerza de reaccion resultante F3. Siempre debe haber una fuerza de reaccion F3 distinta de cero si el rotor y el estator 200 (no mostrado) tienen que permanecer en contacto. Si la fuerza de reaccion F3 es cero o menos, entonces la fuerza de presion comenzara a separar el rotor 200 de un estator, y se produciran fugas entre los diversos orificios del rotor y del estator (no mostrado). Es la fuerza de reaccion F3 la responsable del par de friccion entre el rotor y el estator, tanto a traves de su magnitud como de su
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posicion, y determina la cantidad de par necesario para hacer girar el rotor 200.
La Figura 2A muestra las fuerzas que actuan sobre el rotor 200 si la fuerza de presion F2 se encuentra en el centro del rotor 200. En este ejemplo, todas las fuerzas son colineales, y la fuerza de reaccion F3 es la diferencia entre la fuerza de compresion F1 y la fuerza de presion F2. Este resultado ocurre solamente si la fuerza de presion F2 es una resultante de las fuerzas de presion simetricamente en equilibrio alrededor del rotor 200. Esta distribucion simetrica no existe dado que las presiones de las diversas ranuras del rotor 200 no daran como resultado una fuerza de presion neta que actue en el centro del rotor 200 durante las operaciones de proceso de PSAtipicas.
La Figura 2B muestra la distribucion de fuerzas que actuan sobre el rotor 200 cuando la fuerza de presion no se encuentra en el centro del rotor 200, como ocurrina durante las operaciones de proceso de PSA tipicas. Al igual que en la descripcion de la Figura 2A anterior, la fuerza de reaccion F3 es la diferencia entre la fuerza de compresion F1 y la fuerza de presion F2, pero ahora, con el fin de mantener el equilibrio sobre el rotor 200 para mantener a los momentos en equilibrio, la fuerza de reaccion F3 debe tambien desplazarse desde el centro del rotor 200 hasta una posicion radial lejos del centro del rotor. La posicion y la magnitud de la fuerza de reaccion F3 dependen de las ubicaciones y de las magnitudes de la fuerza de compresion F1 y de la fuerza de presion F2. Ademas, dado que la fuerza de compresion F1 debe ser igual a la suma de la fuerza de presion F2 y de la fuerza de reaccion F3, la fuerza de compresion F1 debe ser siempre mayor que la fuerza de presion F2 cada vez que la fuerza de compresion F1 y que la fuerza de presion F2 no estan alineadas.
Cuando la fuerza de compresion F1 y la fuerza de presion F2 no son colineales, producen un momento de flexion 210 en el rotor 200 como se indica por la lmea discontinua de la Figura 2B. El momento de flexion 210 puede deformar el rotor 200 si las fuerzas tienen una magnitud suficiente para un material y espesor particular del rotor. En algunas aplicaciones, esta deformacion se puede mantener suficientemente pequena para evitar la fuga, haciendo el rotor mas rigido, ya sea a traves del uso de materiales mas rigidos, o aumentando el espesor del rotor. Para rotores mas grandes, esto puede llegar a ser poco practico. Ademas, la excentricidad de F3 aumentara el par necesario para hacer girar el rotor 200 durante las operaciones de proceso.
Por lo tanto, seria deseable volver a ubicar la fuerza de compresion F1 como se muestra en la Figura 2C a una distancia radial predeterminada desde el eje central de giro A', opuesta a la fuerza de presion F2, para eliminar el momento de flexion en el rotor 200.
La fuerza de reaccion F3 estaria actuando despues en la misma posicion que la fuerza de presion F2. Este reordenamiento da como resultado la fuerza de compresion F1 y la fuerza de reaccion F3 mas bajas requeridas y un par menor necesario para hacer girar el rotor 200.
Incluso en aplicaciones en las que el momento de flexion y deflexion no son de preocupacion significativa, el par requerido para hacer girar el motor y hacer girar los rotores puede ser una preocupacion significativa, especialmente cuando hay altas presiones presentes en los orificios del rotor. Por lo general, es deseable mantener este par a un mmimo, dado que la reduccion del par reduce el tamano y/o aumenta la vida de la unidad de motor y engranaje necesaria para hacer girar el rotor.
Por lo tanto, en un sistema de adsorcion por oscilacion de presion de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende una valvula giratoria que sea capaz de operar sin fugas y que tenga un par reducido requerido para hacer girar el rotor de la valvula.
La presente invencion proporciona un sistema de adsorcion por oscilacion de presion de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende una valvula giratoria capaz de operar bajo tales condiciones sin fugas sustanciales y con un par mmimo requerido para hacer girar el rotor. Otras caracteristicas y ventajas de la presente invencion seran evidentes a partir de la siguiente descripcion mas detallada de las realizaciones preferidas, tomada en conjunto con los dibujos adjuntos que ilustran, a modo de ejemplo, los principios de la invencion.
Breve resumen de la invencion
Se divulga una valvula giratoria que tiene un rotor y un estator en un movimiento giratorio deslizante estanco. La valvula giratoria incluye muelles de compresion configurados para reducir la cantidad de par requerido para hacer girar los rotores, en tanto evitan las fugas. La valvula se puede utilizar en procesos dclicos, concretamente un proceso de PSA para dirigir fluidos desde una o mas fuentes de proceso a uno o mas destinos de proceso en etapas de proceso dclicas repetibles.
Se divulga una realizacion de una valvula giratoria para realizar operaciones de proceso dclicas que incluye un estator de alimentacion que tiene una superficie de acoplamiento del estator de alimentacion, una superficie trasera del estator de alimentacion, y una pluralidad de orificios de conexion entre la superficie de acoplamiento del estator de alimentacion y la superficie trasera del estator de alimentacion; un rotor de alimentacion adyacente al estator de alimentacion que tiene una superficie de acoplamiento del rotor de alimentacion, una superficie trasera del rotor de alimentacion, y una pluralidad de orificios dispuestos sobre la superficie de acoplamiento del rotor de alimentacion para dirigir al flujo de fluido entre la pluralidad de orificios del estator del estator de alimentacion, el rotor de
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alimentacion puede girar alrededor de un eje perpendicular a la superficie del rotor de alimentacion; un rotor de producto acoplado con el rotor de alimentacion y que tiene una superficie de acoplamiento del rotor de producto, una superficie trasera del rotor de producto, una salida de producto, y una pluralidad de orificios dispuesta sobre la superficie de acoplamiento para dirigir el flujo de fluido entre la pluralidad de orificios del estator de producto, el rotor de producto puede girar alrededor de un eje perpendicular a la cara del rotor de producto; un estator de producto adyacente al rotor de producto que comprende una cara de acoplamiento del estator de producto, una cara trasera del estator de producto, y una pluralidad de orificios de conexion entre la cara de acoplamiento del estator de producto y la cara trasera del estator de producto, y al menos dos muelles de compresion dispuestos entre el rotor de alimentacion y el rotor de producto configurado para aplicar una fuerza de compresion con un centro de fuerza en la cara trasera del rotor de alimentacion y en la cara trasera del rotor de producto. La fuerza de compresion se configura para minimizar el par para hacer girar el rotor de alimentacion y el rotor de producto cuando la valvula esta operando.
El rotor de alimentacion y el rotor de producto de la valvula giratoria se configuran para hacer girar alrededor de un eje central de giro, y el centro de fuerza de la fuerza de compresion se encuentra a una distancia predeterminada mayor que cero desde el eje de giro.
La valvula giratoria puede incluir ademas al menos un elemento de posicionamiento de muelle situado en la cara trasera del rotor de alimentacion opuesta a al menos un elemento de posicionamiento de muelle situado en la cara trasera del rotor de producto configurada para asegurar los al menos dos muelles de compresion entre el rotor de alimentacion y el rotor de producto en una posicion fija. Mas generalmente, cualquier numero de caractensticas de posicionamiento de muelle se pueden situar en la cara trasera del rotor de alimentacion opuesta a una configuracion similar en la cara trasera del rotor de producto.
Se divulga otra realizacion de una valvula giratoria para realizar operaciones de proceso dclicas que incluye una carcasa del estator que tiene orificios, un rotor que comprende orificios y una superficie trasera, el rotor en contacto giratorio alrededor de un eje central de giro con la carcasa del estator en una interfaz, al menos dos muelles de compresion que tienen un centro de fuerza de compresion de la fuerza dispuesta entre la superficie trasera del rotor y una corredera de empuje, y un cojinete de empuje dispuesto entre la corredera de empuje y la carcasa del estator. La valvula giratoria incluye, ademas, tener el al menos dos muelles de compresion que aplican una fuerza de compresion configurada para reducir al mmimo el par requerido para hacer girar el rotor para la fuerza de compresion dada cuando la valvula esta en operacion.
La valvula giratoria incluye ademas tener el centro de fuerza de compresion de la fuerza situado a una distancia predeterminada mayor que cero desde el eje de giro, y tener al menos un elemento de posicionamiento de muelle en la superficie trasera del rotor para situar los al menos dos muelles de compresion. La valvula giratoria puede incluir, ademas, tener dos o mas elementos de posicionamiento de muelles en la superficie trasera del rotor opuestos a dos o mas elementos de posicionamiento de muelles situados de manera similar en la corredera de empuje para asegurar y situar dos o mas muelles de compresion entre el rotor de alimentacion y la corredera de empuje a una posicion fija.
Se divulga una realizacion de la invencion que proporciona un sistema de adsorcion por oscilacion de presion que incluye una pluralidad de lechos de absorcion y una valvula giratoria que tiene uno o mas rotores, la valvula giratoria conectada a la pluralidad de lechos de absorcion y configurada para dirigir flujos a la pluralidad de lechos de absorcion durante el proceso de absorcion por oscilacion de presion.
La valvula giratoria incluye uno o mas rotores configurados para girar alrededor de un eje de giro, y al menos dos muelles de compresion que tienen una fuerza de compresion con un centro de fuerza configurado para aplicar la fuerza de compresion al uno o mas rotores, lo que minimiza el par requerido para hacer girar el uno o mas rotores para la fuerza de compresion aplicada.
El sistema de adsorcion por oscilacion de presion puede incluir un estator de alimentacion que tiene una superficie de acoplamiento del estator de alimentacion; una superficie trasera del estator de alimentacion, y una pluralidad de orificios del estator de alimentacion de conexion entre la superficie de acoplamiento del estator de alimentacion y la superficie trasera del estator de alimentacion, y el uno o mas rotores incluyen un rotor de alimentacion acoplado con un rotor de producto. El rotor de alimentacion incluye una superficie de acoplamiento del rotor de alimentacion, una superficie trasera del rotor de alimentacion, y una pluralidad de orificios del rotor de alimentacion dispuestos sobre la superficie de acoplamiento del rotor de alimentacion para dirigir el flujo de fluido entre la pluralidad de orificios del estator de alimentacion, el rotor de alimentacion configurado para girar alrededor de un eje de giro perpendicular a la superficie del rotor de alimentacion. El rotor de producto incluye una superficie de acoplamiento del rotor de producto, una superficie trasera del rotor de producto, una salida de producto, y una pluralidad de orificios del rotor de producto dispuestos sobre la superficie de acoplamiento para dirigir el flujo de fluido entre la pluralidad de orificios del estator de producto. El rotor de producto se configura para girar alrededor de un eje de giro perpendicular a la cara del rotor de producto. El estator de producto incluye una cara de acoplamiento del estator de producto, una cara trasera del estator de producto, y una pluralidad de orificios de conexion entre la cara de acoplamiento del estator de producto y la cara trasera del estator de producto en contacto giratorio con el rotor de producto.
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Los al menos dos muelles de compresion dispuestos entre el rotor de alimentacion y el rotor de producto aplican una fuerza de compresion que tiene un centro de fuerza en la cara trasera del rotor de alimentacion y en la cara trasera del rotor de producto que da como resultado un par mmimo para activar los rotores para la fuerza de compresion cuando la valvula esta en operacion. El centro de fuerza de la fuerza de compresion se encuentra a una distancia predeterminada mayor que cero desde el eje central de giro. El al menos un elemento de posicionamiento de muelle situado en la cara trasera del rotor de alimentacion se alinea opuesto a al menos un elemento de posicionamiento de muelle situado en la cara trasera del rotor de producto. El elemento o elementos de posicionamiento de muelles se configuran para asegurar el muelle o muelles de compresion entre el rotor de alimentacion y el rotor de producto en una posicion fija. El sistema de absorcion por oscilacion de presion puede incluir ademas dos o mas elementos de posicionamiento de muelles situados en la cara trasera del rotor de alimentacion opuestos a dos elementos de posicionamiento de muelles situados de manera similar en la cara trasera del rotor de producto para asegurar y situar dos o mas muelles de presion entre el rotor de alimentacion y el rotor de producto en una posicion fija.
Como alternativa, el sistema de adsorcion por oscilacion de presion puede incluir una carcasa del estator que tiene orificios; un rotor que comprende orificios y una superficie trasera, el rotor en contacto giratorio con la carcasa del estator en una interfaz alrededor de un eje central de giro; un cojinete de empuje en contacto con la carcasa del estator; un corredera de empuje en contacto con el cojinete de empuje, y por lo menos dos muelles de compresion dispuestos entre la superficie trasera del rotor y la corredera de empuje. Los al menos dos muelles de compresion se configuran para aplicar una fuerza de compresion que tiene un centro de fuerza sobre el rotor que da como resultado un par mmimo para hacer girar el rotor para la fuerza de compresion dada cuando la valvula esta en operacion. El centro de fuerza de la fuerza de compresion se encuentra a una distancia predeterminada mayor que cero desde el eje central de giro.
Al menos un elemento de posicionamiento de muelle se situa en la cara trasera del rotor opuesto y alineado con al menos un elemento de posicionamiento de muelle situado en la corredera de empuje. Los elementos de posicionamiento de muelles se configuran para asegurar y situar los muelles de compresion entre el rotor y la corredera de empuje.
Otros aspectos del metodo y del aparato se divulgan en el presente documento. Otros elementos y ventajas de la presente invencion seran evidentes a partir de la siguiente descripcion mas detallada de la realizacion preferida, tomada junto con los dibujos adjuntos que ilustran, a modo de ejemplo, los principios de la invencion.
Breve descripcion de las diversas vistas de los dibujos
La Figura 1 muestra una vista en despiece ordenado de una valvula giratoria de la tecnica anterior ejemplar.
La Figura 2A ilustra una vision general simplificada de las fuerzas que actuan sobre un rotor ejemplar, cuando las fuerzas de presion y las fuerzas de compresion se ubican ambas en el centro del rotor.
La Figura 2B ilustra una vision general simplificada de las fuerzas que actuan sobre un rotor ejemplar cuando no se aplica la fuerza de presion en el centro del rotor.
La Figura 2C ilustra una vision general simplificada de las fuerzas que actuan sobre un rotor ejemplar, cuando la fuerza de compresion se ubica en el rotor en la misma posicion que la fuerza de presion.
La Figura 3 es una vista superior ampliada de la realizacion ejemplar de una valvula giratoria de acuerdo con la invencion.
La Figura 4 es una vista inferior ampliada de una realizacion ejemplar de una valvula giratoria de acuerdo con la invencion.
La Figura 5 es una vista esquematica en seccion transversal de una unica realizacion del rotor de una valvula giratoria de acuerdo con la presente invencion.
La Figura 6 es una vista de la cara del rotor de alimentacion de un rotor de alimentacion ejemplar de acuerdo con la invencion.
La Figura 7 es una vista de la cara del rotor de producto de un rotor de producto ejemplar de acuerdo con la invencion.
La Figura 8 es un grafico que ilustra la relacion entre la posicion radial del centro de fuerza de la fuerza de compresion y el par necesario para hacer girar el rotor para las diversas fuerzas de compresion de acuerdo con la presente invencion.
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Descripcion detallada de la invencion
La presente invencion se describira a continuacion con mas detalle mas adelante con referencia al dibujo adjunto, en el que se muestra una realizacion preferida de la invencion. La presente invencion puede, sin embargo, realizarse de muchas formas diferentes y no debe interpretarse como limitada a las realizaciones expuestas en el presente documento; mas bien, estas realizaciones se proporcionan para que esta descripcion sea minuciosa y completa y transmita completamente el alcance de la invencion a los expertos en la materia.
Las realizaciones ejemplares abarcan la operacion de una valvula giratoria que se puede utilizar en un sistema de absorcion por oscilacion de presion (PSA) de la presente invencion que opera en ciclos girando un rotor dentro de la valvula giratoria. Los sistemas de PSA incluyen los sistemas de PSA que tienen presiones que son super- atmosfericas o sub-atmosfericas o una combinacion de super y sub-atmosfericas. Las realizaciones ejemplares de la invencion proporcionan un diseno de valvula giratoria mejorado y metodo de configuracion de una valvula giratoria que reduce la cantidad del par necesario para hacer girar la valvula giratoria.
Una realizacion ejemplar de la valvula giratoria se ilustra por una valvula giratoria 300 de dos rotores, dos estatores como se muestra en las Figuras 3 y 4. La valvula giratoria 300 se puede utilizar, por ejemplo, en un sistema de PSA para la recuperacion de oxfgeno del aire utilizando cuatro lechos absorbentes y un ciclo de PSA en el que cada lecho procede a traves de las etapas de (1) crear producto, (2) alimentar/crear producto y proporcionar gas de represurizacion del producto, (3) compensacion de presion hacia abajo, (4) proporcionar purga, (5) evacuacion, (6) recibir purga, (7) igualar presion hacia arriba, y (8) recibir gas de represurizacion del producto. Los diversos orificios de la valvula giratoria 300 se conectaran de manera similar al sistema de PSA que se divulga en el documento US 2007/0028971 A1. Ademas, las operaciones del sistema de PSA, incluyendo las operaciones de la valvula 300, seran similares a las operaciones divulgadas en el documento US 2007/0028971 A1.
Una disposicion general de una vista en despiece de una realizacion ejemplar de una valvula giratoria 300 de acuerdo con la presente invencion se muestra en las Figuras 3 y 4. La Figura 3 es una vista en perspectiva desde arriba de la valvula giratoria 300, y la Figura 4 es una vista en perspectiva desde abajo de la valvula 300. La valvula giratoria 300 incluye un estator de alimentacion 310, un rotor de alimentacion 320, un rotor de producto 330, un estator de producto 340, y dos muelles de compresion 350. La valvula giratoria 300 tiene un centro de eje A.
El estator de alimentacion 310 incluye una superficie de acoplamiento 312 y una superficie trasera 314. El estator de alimentacion 310 incluye ademas una pluralidad de orificios 316 conectados a traves de diversas lmeas (no mostradas) a los extremos de alimentacion de los lechos de proceso (no mostrados). El estator de alimentacion 310 incluye tambien un orificio de alimentacion de material 319. El orificio de alimentacion de material 319 estara conectado a una lmea de alimentacion (no mostrada) para proporcionar un gas de alimentacion al estator de alimentacion 310. El orificio de alimentacion de material 319 permite tambien que un eje de accionamiento (no mostrado) pase a traves del estator de alimentacion 310 hasta el rotor de alimentacion 320. El estator de alimentacion 310 incluye tambien un orificio de residuos 317 que se conectara a una lmea de vado (no mostrada). El orificio de residuos 317 se conecta a la ranura anular 318.
El rotor de alimentacion 320 incluye una superficie de acoplamiento 321 y una superficie trasera 322. La superficie de acoplamiento 321 del rotor de alimentacion 320 esta en contacto giratorio con la superficie de acoplamiento 312 del estator de alimentacion 310. El rotor de alimentacion incluye ademas un orificio de evacuacion/purga 323, un orificio de alimentacion 324 y una abertura 325 en la superficie de acoplamiento 321. El orificio de alimentacion de material 319 del estator de alimentacion 310 proporciona gas de alimentacion a la abertura 325, que se conecta a traves del paso interno (no mostrado) al orificio de alimentacion 324. La abertura 325 permite tambien que un eje de accionamiento (no mostrado) que pasa a traves del orificio de alimentacion de material 319 del estator de alimentacion 310 pase al rotor de alimentacion 320 para acoplarse por un saliente 328. Cabe senalar que el orificio de alimentacion de material 319 y la abertura 325 se dimensionan para permitir que el gas de alimentacion fluya a traves del orificio 319 y la abertura 325 cuando el eje de accionamiento (no mostrado) esta presente.
El orificio de evacuacion/purga 323 se configura para estar siempre en comunicacion fluida con la ranura anular 318 del estator de alimentacion 310. Cuando el orificio de evacuacion/purga 323 se situa sobre uno de la pluralidad de orificios 316 en el estator de alimentacion 310, el gas de un lecho (no mostrado) fluira a traves del orificio 316, en el orificio de evacuacion/purga 323, despues en la cavidad anular 318, y, finalmente, al orificio de residuos 317, desde el que se agota el gas por el sistema de vado (no mostrado). La superficie trasera del rotor de alimentacion 322 incluye anillas de transmision 326. Las anillas de transmision 326 transfieren el par al rotor de producto 330. El rotor de alimentacion 320 se configura para girar alrededor del eje A con la transferencia de par al rotor de alimentacion 320 desde un eje de accionamiento (no mostrado) acoplado dentro de un saliente 328.
Como se muestra en las Figuras 3 y 4, el rotor de alimentacion 320 de esta realizacion ejemplar tiene seis localizadores de muelles 327 situados opuestos a seis localizadores de muelles 361 en el rotor de producto 330. Los seis localizadores de muelles 327 situados en el rotor de alimentacion 320 se componen de dos grupos de tres elementos de posicionamiento situados simetricamente con respecto a un plano que pasa a traves del eje de giro. Los localizadores de muelles 361 situados en el rotor de producto 330 se situan opuestos a los localizadores de
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muelles 327 en el rotor de alimentacion 320 y se situan de manera similar. En general, cualquier numero de elementos de posicionamiento de muelles en cualquier disposicion se puede utilizar para lograr una fuerza de compresion deseada y la posicion de la fuerza de compresion resultante en la posicion deseada.
Los localizadores de muelles 327 aseguran al menos un muelle de compresion entre el rotor de alimentacion 320 y el rotor de producto 330 en una posicion fija. Como se muestra en esta realizacion, dos muelles 350 se situan por dos localizadores de muelles 327 en el rotor de alimentacion 320 opuestos a dos localizadores de muelles 361 en el rotor de producto 330. Los dos localizadores de muelles en el rotor de alimentacion 320 se situan simetricamente con respecto a un plano que pasa a traves del eje de giro. Los dos localizadores de muelles opuestos correspondientes en el rotor de producto 330 se situan de manera similar. En general, se debe entender que cualquier numero de elementos de posicionamiento 327, 361 se pueden situan en los rotores 320, 330 para permitir un numero y colocacion diferente de los muelles 350 alrededor del eje central A. Ademas, cualquier numero de muelles 350 con una fuerza de compresion conocida se puede seleccionar y situar en los elementos de posicionamiento 327, 361, siempre y cuando alcancen una fuerza de compresion total deseada y el centro resultante de la fuerza para reducir al mmimo la cantidad de par requerido para hacer girar los rotores 320, 330 en tanto proporcionen una fuerza para cerrar hermeticamente los rotores 320, 330 contra los estatores 310, 340, respectivamente, para evitar la fuga sustancial de la valvula. Adicionalmente, aunque los elementos de posicionamiento 327, 361 se muestran como material elevado, los elementos de posicionamiento pueden ser, alternativamente, depresiones u otras formas que posicionan y situan los muelles 350 sobre la superficie trasera del rotor.
El estator de alimentacion 310 y el rotor de alimentacion 320 se configuran para acoplarse como se muestra en las Figuras 3 y 4. Cuando se acoplan, la superficie de acoplamiento del estator de alimentacion 312 esta en contacto giratorio y se cierra hermeticamente con la superficie de acoplamiento del rotor de alimentacion 321 por la fuerza de los muelles 350. El cierre hermetico entre la superficie de acoplamiento del estator de alimentacion 312 y la superficie de acoplamiento del rotor de alimentacion 321 permite que la valvula 300 opere sustancialmente sin fugas entre el estator de alimentacion 310 y el rotor de alimentacion 320. La expresion sustancialmente sin fugas, que se utiliza en la presente y en toda esta descripcion, pretende incluir una cantidad pequena y operacionalmente aceptable de fugas. Por ejemplo, la fuga de menos de 1% del flujo puede ser aceptable para ciertas operaciones, mientras que la fuga de menos de 5% del flujo puede ser aceptable bajo diferentes condiciones operativas.
Como se puede observar en las Figuras 3 y 4, al girar el rotor de alimentacion 320 alrededor del eje A, se puede proporcionar un gas de alimentacion al orificio de alimentacion 319 del estator de alimentacion 310 y se distribuye a un orificio u orificios seleccionados 316 en el estator de alimentacion 310 a traves del orificio de alimentacion central 325 y el orificio de alimentacion 324 del rotor de alimentacion 320. La operacion de la valvula completa en un ciclo de PSA ejemplar no tiene que explicarse adicionalmente en el presente documento, dado que la operacion se proporciona en el documento US 2007/0028971 A1.
El rotor de producto 330 incluye una superficie de acoplamiento 331 y una superficie trasera 332. El rotor de producto 330 incluye ademas un orificio de proporcion de purga 333, un orificio de recepcion de purga 334, un orificio de compensacion hacia arriba 335, un orificio de represurizacion de producto 336, un orificio de producto 337, y un orificio de compensacion hacia abajo 338. El orificio de producto 337 se conecta por 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) se disponen sobre la superficie de acoplamiento 331 y se conectan por pasos internos (no mostrados) entre sf y/o a la salida de producto 339 como se divulga en el documento US 2007/0028971 A1.
La superficie trasera 332 del rotor de producto 330 incluye anillas de transmision 360 y localizadores de muelles 361. Las anillas de transmision 360 del rotor de producto 330 se configuran para acoplarse con las anillas de transmision del rotor de alimentacion 326, como se muestra en las Figuras 3 y 4. El par se transfiere desde las anillas de transmision 326 del rotor de alimentacion 320 a las anillas de transmision 360 del rotor de producto 330 para hacer girar el rotor de producto 330 alrededor del eje A. Otras geometnas de anillas de transmision se pueden utilizar para acoplar el rotor de alimentacion 320 al rotor de producto 330. La superficie trasera 332 incluye tambien un elemento anular 362 para recibir el saliente 328 del rotor de alimentacion 320 cuando el rotor de alimentacion 320 y el rotor de producto 330 se acoplan.
El estator de producto 340 incluye una superficie de acoplamiento 342 y una superficie trasera 344. El estator producto incluye ademas orificios de conexion 346 entre la superficie de acoplamiento 342 y la superficie trasera 344. Los orificios 346 se conectan a las lmeas de productos (no mostradas), que se conectan a los extremos de producto de los lechos de adsorcion (no mostrados) como se conoce en la tecnica. El estator de producto 340 incluye ademas una abertura central 348 configurada para recibir la salida de producto 339 del rotor de producto 330.
El estator de producto 340 y el rotor de producto 330 se configuran para acoplarse como se muestra en las Figuras 3 y 4. Cuando se acoplan, la superficie de acoplamiento del estator de producto 342 esta en contacto giratorio y se cierra hermeticamente contra la superficie de acoplamiento del rotor de producto 331 por la fuerza de los muelles
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350. El cierre hermetico entre la superficie de acoplamiento del estator de producto 342 y la superficie de acoplamiento del rotor de producto 331 permite que la valvula 300 opere sustancialmente sin fugas entre el estator producto 340 y el rotor de producto 330. Como se puede observar en las Figuras 3 y 4, a medida que el rotor de producto 330 gira, los diversos orificios del rotor de producto (333, 334, 335, 336, 337, 338) se alinean con los orificios del estator de producto 346 para recoger producto, purga, o presurizar los lechos de adsorcion (no mostrados) como se describe en el documento US 2007/0028971 A1.
La valvula 300 se puede instalar en una carcasa adecuada (no mostrada) configurada para soportar, conectar y cerrar hermeticamente la valvula 300 como sena apreciado por un experto en la materia. El rotor de alimentacion 320 y el rotor de producto 330 se podnan adaptar para girar coaxialmente dentro de la carcasa (no mostrada) alrededor del eje A. Como alternativa, se puede formar una carcasa modificando el estator de alimentacion 310 y/o el estator de producto 340 para formar la camara de valvula, como sena apreciado de manera similar por una persona experta en la materia. Un eje de accionamiento (no mostrado) penetrana en la carcasa cerrada hermeticamente y atravesana axialmente a traves del estator de alimentacion 310 y transmitina el par al rotor de alimentacion 320, similar a la disposicion divulgada en la Figura 1. El eje de accionamiento (no mostrado) se accionana mediante un motor (no mostrado) para hacer girar el rotor de alimentacion 320.
Las anillas de transmision 326 del rotor de alimentacion acoplan las anillas de transmision 360 del rotor de producto para transmitir el movimiento giratorio del rotor de alimentacion 310 al rotor de producto 320. Las anillas de transmision 326 y las anillas de transmision 360 mantienen tambien la alineacion angular entre los rotores de manera que los orificios del estator de alimentacion 316 estan tambien cubiertos y descubiertos por el rotor de alimentacion 320, los orificios del estator de producto 346 apropiados estan tambien cubiertos o descubiertos por el rotor del estator 330, simultaneamente. La disposicion particular de las anillas de transmision 326 y de las anillas de transmision 360 no es cntica, y otros metodos de alineacion y de accionamiento coaxiales son posibles, tales como, por ejemplo, por pasadores y/o casquillos apropiados. El sistema de alineacion y accionamiento se configura para transmitir el movimiento de giro de un rotor al otro, mantener la alineacion 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 respectivos estatores.
Una realizacion ejemplar de una valvula giratoria alternativa 500 que tiene un rotor 510 y una carcasa del estator 520 se muestra en la Figura 5. En esta realizacion, la valvula giratoria 500 se puede utilizar ya sea como una valvula giratoria de alimentacion o producto. Los orificios (no mostrados) del rotor 510 y los orificios (no mostrados) de la carcasa del estator 520 se pueden configurar iguales o similar a los del rotor de alimentacion y producto correspondientes y a los orificios del estator de la valvula giratoria 300 como se muestra en las Figuras 3 y 4 y como se ha descrito anteriormente cuando se utiliza en un proceso del sistema de PSA. Del mismo modo, los orificios se pueden configurar en las superficies de acoplamiento (no mostradas) del rotor 510 y en la carcasa del estator 520 igual o similares a las configuraciones en las superficies de acoplamiento de los rotores y estatores de la valvula giratoria 300, como se muestra en las Figuras 3 y 4.
La valvula giratoria incluye muelles de compresion 530 que se mantienen en su posicion contra el rotor 510 por una corredera de empuje 540. La corredera de empuje 540 se une a un eje 550 por pasadores 560. Como alternativamente, los pasadores 560 se pueden utilizar para adjuntar la corredera de empuje 540 al rotor 510. Un cojinete de empuje 570 se utiliza entre la corredera de empuje y la carcasa del estator 520 para permitir que la corredera de empuje 540 gire alrededor del eje B cuando se hace girar el eje 550. El cojinete de empuje 570 lleva la fuerza de compresion de los muelles 530, en tanto permite que la corredera de empuje 540 gire con una cantidad minima de friccion.
Los muelles 530 proporcionan una fuerza de compresion que mantiene el contacto entre el rotor 510 y la carcasa del estator 520 en la interfaz 515. El rotor 510 esta en contacto giratorio con y se cierra hermeticamente contra la carcasa del estator 520 en una interfaz 515. Se debe seleccionar una fuerza de compresion que sea suficiente para evitar la fuga sustancial desde los orificios del rotor y del estator (no mostrados) en la interfaz 515 cuando se acciona la valvula 500. Los muelles 530 se posicionan en los elementos de posicionamiento (no mostrados) similares a los de la valvula giratoria 300, descrita anteriormente. En esta realizacion, dos muelles 530 que tienen una fuerza de compresion desigual se muestran dispuestos entre el rotor 510 y la corredera de empuje 540.
Un metodo ilustrativo de determinar la magnitud y la posicion de la fuerza de compresion resultante para reducir al mmimo el par necesario para hacer girar el rotor se proporciona a continuacion. El par necesario para girar un rotor cuando la fuerza de compresion se encuentra en el eje central del rotor viene dado por la Ecuacion 1:
j
Par = -pFRt donde
y —_________________________m
|j = coeficiente de friccion
F = fuerza de contacto entre el rotor y el estator (F3 de la Figura 2)
R = radio del rotor
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Por otra parte, se puede demostrar que si la fuerza de contacto entre el rotor y el estator se encuentra en el borde del rotor, el par necesario para hacer girar el rotor sera pFR.
Para simplificar la determinacion, se puede suponer que el par requerido para hacer girar el rotor es una funcion lineal del radio de la posicion de la fuerza de contacto entre el rotor y el estator. Con esta suposicion, el par necesario para hacer girar el rotor viene dado por la ecuacion 2:
imagen1
r = radio de la fuerza de reaccion de contacto
A partir de estos calculos, es evidente que para minimizar el par requerido para hacer girar el rotor, la fuerza de reaccion debe estar situada en el centro del rotor. Sin embargo, debido a que la fuerza de presion resultante sobre el rotor no se encuentra en el centro del rotor debido a la posicion de los distintos orificios de alta y baja presion en el rotor, la fuerza de reaccion de contacto tampoco se encontrara en el centro.
Por lo tanto, para determinar la magnitud y la posicion de una fuerza de compresion que minimice el par, en tanto evita fugas en un proceso dclico seleccionado que tiene una fuerza de presion resultante conocida, se utiliza la siguiente metodologfa:
(a) proporcionar una valvula giratoria que comprende uno o mas rotores que tienen uno o mas elementos de posicionamiento de muelles;
(b) determinar la fuerza de presion resultante que tiene una magnitud y posicion que actuan sobre el uno o mas rotores para el proceso de absorcion por oscilacion de presion seleccionado;
(c) seleccionar una fuerza de compresion que tiene una magnitud suficiente para cerrar hermeticamente el uno o mas rotores contra fugas durante el proceso de absorcion por oscilacion de presion;
(d) seleccionar una posicion para el centro de la fuerza de compresion sobre uno o mas rotores;
(e) calcular la fuerza de contacto resultante y la posicion de la fuerza de compresion seleccionada y la fuerza de presion resultante;
(f) calcular el par requerido para hacer girar cada rotor del uno o mas rotores utilizando la ecuacion 2;
(g) sumar el par requerido para girar cada rotor del uno o mas rotores juntos para determinar un par total;
(h) repetir las etapas (d) a (g) para encontrar la posicion para el centro de la fuerza de compresion que da como resultado el par total mas bajo requerido para hacer girar el rotor o rotores;
(i) situar uno o mas muelles en los elementos de posicionamiento de muelles de tal manera que la fuerza de compresion total sea igual a la fuerza de compresion seleccionada en (c) y la posicion del centro de la fuerza de compresion se encuentre como se ha seleccionado en (h);
(j) si la fuerza de compresion es insuficiente para cerrar hermeticamente el uno o mas rotores contra fugas durante el proceso de absorcion por oscilacion de presion, volver a (c) y aumentar gradualmente la fuerza de compresion seleccionada hasta que la valvula opere sin fugas sustanciales.
Un ejemplo para calcular la posicion del muelle que da como resultado el par mmimo en una valvula giratoria ejemplar de rotor/estator dual que opera bajo condiciones de proceso de PSA nominales se proporcionara a continuacion. Las presiones de las distintas ranuras fueron seleccionadas a una presion operativa tipica durante el proceso de PSA.
La Figura 6 muestra un rotor de alimentacion ejemplar 600 que tiene una ranura de alimentacion 610 y una ranura de evacuacion/purga 620 en una superficie 630. El rotor 600 tiene un radio R. Por ejemplo, el radio R puede ser de aproximadamente 25,4 mm (1 pulgada). El rotor de alimentacion 600 tiene un eje central C alrededor del que girana el rotor de alimentacion 600 cuando se hace girar durante las operaciones de proceso. El eje central C se alinea con el eje central de la valvula A (Figuras 3, 4). En el proceso de pSa, la ranura de alimentacion 610 funciona a una alta presion media de 48 kPa (7 psig), y la ranura de evacuacion/purga 620 funciona a una baja presion media de -48 kPa (-7 psig). La presion en la ranura de alimentacion 610, la presion en la ranura de evacuacion/purga 620, y la presion sobre las otras superficies del rotor dan como resultado una fuerza de presion de aproximadamente 30,3 N (6,8 libras) que actua para separar el rotor de alimentacion 600 del estator (no mostrado). Esta fuerza actua en la
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posicion Fpi, como se indica en la Figura 6, desplazada del eje central A por una distancia d de aproximadamente 12,7 mm (0,5 pulgadas).
La Figura 7 muestra un rotor de producto 700 ejemplar que tiene un orificio de proporcion de purga 733, un orificio de recepcion de purga 734, un orificio de compensacion hacia arriba 735, un orificio de represurizacion del producto 736, un orificio de producto 737, y un orificio de compensacion hacia abajo 738, y un agujero central 739 para acomodar el cojinete del rotor y la salida de producto. Las presiones en las ranuras (733, 734, 735, 736, 737, 738, 739 y en otras superficies del rotor dan como resultado una fuerza de presion de aproximadamente 41, 4 N (9,3 libras) que actuan para separar el rotor de producto 700 del estator producto (no mostrado). Esta fuerza actua sobre el rotor de producto 700 en la FP2 desplazada del eje central C por una distancia de aproximadamente 7,6 mm (0,3 pulgadas) como se indica en la Figura 7. La ranura de producto 737y el agujero central 739 tienen la presion operativa media mas alta, aproximadamente 48 kPa (7 psig) seguida por presiones cada vez menores en el orificio de represurizacion del producto 736, orificio de compensacion hacia abajo 738, orificio de compensacion hacia arriba 735, orificio de proporcion de purga 733, y en el orificio de recepcion de purga 734. El rotor de producto 700 tiene un eje central C alrededor del que gira el rotor de producto cuando se hace girar durante las operaciones de proceso. El eje central C se alinea con el eje central de la valvula A (Figuras 3, 4).
Los resultados de determinar el par requerido para hacer girar el rotor de alimentacion 600 (Figura 6) y el rotor de producto 700 (Figura 7) para diferentes fuerzas de compresion y una amplia gama de radios del centro de la fuerza de compresion (COF) se muestran en la Figura 8. El eje horizontal es el radio o excentricidad en la que se aplica la fuerza de compresion. El eje vertical es el par requerido para hacer girar ambos rotores. Cada curva representa una fuerza de compresion diferente como se indica.
La determinacion de la fuerza de compresion requerida se realiza determinando primero la fuerza de presion que actua sobre los rotores. La determinacion de la fuerza de presion es diffcil por diversas razones. En primer lugar, las presiones de proceso en los orificios del rotor estan cambiando continuamente como resultado de las presiones cambiantes en los lechos de adsorcion y los cambios en las posiciones del rotor. En segundo lugar, otras fluctuaciones pueden ocurrir en las presiones de orificio del rotor cuando se utilizan bombas de movimiento alternativo para proporcionar gas de alimentacion y vacm en el sistema, lo que puede causar pulsaciones de presion en algunos de los orificios. En tercer lugar, la distribucion de la presion en la cara de los rotores en posiciones sin orificios es una estimacion que depende del patron de contacto entre las caras del rotor y del estator, ninguna de las que son perfectamente plana. Esta falta de planitud puede permitir que escape un poco de presion en la cara del rotor y cambiar el area sobre la que la presion ejerce su fuerza. Debido a estas razones, es diffcil determinar que fuerza de compresion sera en realidad necesaria durante la operacion. Idealmente, la fuerza de compresion tendffa solamente que ser infinitesimalmente mayor que la suma de las fuerzas de presion y de contacto para mantener los rotores y estatores en contacto. En la actualidad, se selecciona una fuerza de compresion que es ligeramente mayor por unos pocos newtons que la suma de la fuerza de presion y la fuerza de contacto y se observa si ocurren fugas en la valvula. Si se presentan fugas en la valvula mas alla de una cantidad aceptable para la aplicacion, la fuerza de compresion se incrementa gradualmente hasta que se elimina una fuga sustancial. Por lo tanto, mediante el uso de la Figura 8, a medida que aumenta la fuerza de compresion, se ajusta la posicion de la fuerza de compresion resultante para mantener el par mmimo requerido para hacer girar el rotor.
Los puntos de extremo de cada curva en la Figura 8 representan el punto en el que se produce la fuerza de reaccion en el borde de uno de los rotores. Mas alla de estos puntos de extremo, no es posible mantener el equilibrio estatico de los rotores debido a que la fuerza de presion comenzara a separar uno de los pares de rotor/estator. La Figura 8 muestra que para una fuerza de compresion dada, existe una posicion radial optima en la que aplicar la fuerza de compresion para reducir al mmimo el par necesario para hacer girar los rotores. La posicion radial para el par mmimo no es una constante, sino que vaffa con la fuerza de compresion aplicada. Como se muestra en la Figura 8, el radio optimo en el que posicionar la fuerza de compresion disminuye con el aumento de la fuerza de compresion. Para el metodo de seleccion de compresion descrito anteriormente, se intenta aumentar las fuerzas de compresion hasta que se haya eliminado la fuga de la valvula, y la posicion optima del centro de la fuerza de compresion para una fuerza de compresion particular se encuentra en la Figura 8.
Los muelles de fuerza diferente se pueden seleccionar para lograr una fuerza de compresion y posicion totales predeterminadas. Por ejemplo, los rotores pueden tener localizadores de posicion de muelles situados en diversas posiciones que permitan la colocacion de un centro de la fuerza de compresion en base a una solicitud posterior determinado.
Una realizacion general de la invencion incluye una valvula giratoria que tiene conexiones de aire de alimentacion presurizado, de residuos de vacm o de escape, y una salida de producto, asf como orificios para conectarse a los extremos de alimentacion y de producto de multiples lechos de adsorcion. La valvula se puede utilizar en cualquier proceso para dirigir fluidos desde una o mas fuentes de proceso hasta uno o mas destinos de proceso en etapas de proceso cmlicas repetibles.
Aunque la invencion se ha descrito con referencia a una realizacion preferida, se entendera por los expertos en la materia que se pueden realizar diversos cambios y los equivalentes pueden ser sustituidos por elementos de la
misma sin apartarse del alcance de la invencion. Ademas, se pueden hacer muchas modificaciones para adaptar una situacion particular a las ensenanzas de la invencion sin apartarse del alcance esencial de la misma. Por lo tanto, se pretende que la invencion no este limitada a la realizacion particular divulgada como el mejor modo contemplado para realizar la presente invencion, sino que la invencion incluira todas las realizaciones que caen 5 dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (5)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
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    REIVINDICACIONES
    1. Un sistema de adsorcion por oscilacion de presion que comprende:
    una pluralidad de lechos de adsorcion; y
    una valvula giratoria (300; 500) que tiene uno o mas rotores (320; 330; 510) configurada para rotar sobre un eje (A; B) de rotacion, conectada la valvula giratoria (300; 500) a la pluralidad de lechos de adsorcion y configurada para dirigir flujos a la pluralidad de lechos de adsorcion durante el proceso de adsorcion por oscilacion de presion;
    caracterizado por que la valvula giratoria (300; 500) comprende:
    al menos dos muelles de compresion (350; 530) que tienen una fuerza de compresion (Fi) con un centro de fuerza configurado para aplicar la fuerza de compresion (Fi) al uno o mas rotores (320, 330; 510), donde el centro de fuerza de la fuerza de compresion (Fi) esta situado a una distancia predeterminada mayor que cero desde el eje (A; B) de rotacion, de modo que la cantidad de par requerida para girar el uno o mas rotores (320, 330; 5l0) se minimiza.
  2. 2. El sistema de adsorcion por oscilacion de presion de la reivindicacion 1, comprendiendo ademas la valvula giratoria:
    un estator de alimentacion (310) que comprende:
    una superficie de acoplamiento del estator de alimentacion (312); una superficie trasera del estator de alimentacion (314); y
    una pluralidad de orificios (316) del estator de alimentacion que conectan la superficie de acoplamiento del estator de alimentacion (312) y la superficie trasera del estator de alimentacion (314);
    comprendiendo el uno o mas rotores (320, 330):
    un rotor de alimentacion (320) acoplado a un rotor de producto (330);
    donde el rotor de alimentacion (321) comprende una superficie de acoplamiento del rotor de alimentacion (312), una superficie trasera del rotor de alimentacion (322), y una pluralidad de orificios (323, 324) del rotor de alimentacion dispuestos en la superficie de acoplamiento del rotor de alimentacion (312) para dirigir el flujo de fluido entre la pluralidad de orificios (316) del estator, configurado el rotor de alimentacion (320) para girar alrededor de un eje (A) de rotacion perpendicular a la superficie del rotor de alimentacion (312; 322); y donde el rotor de producto (330) comprende una superficie de acoplamiento del rotor de producto (331), una superficie trasera del rotor de producto (332), una salida de producto (339), y una pluralidad de orificios del rotor de producto (333, 334, 335, 336, 337, 338) dispuesta en la superficie de acoplamiento (331) para dirigir el flujo de fluido entre la pluralidad de orificios del estator de producto (346), configurado el rotor de producto (330) para rotar sobre un eje (A) de rotacion perpendicular a la cara del rotor de producto (331, 332);
    un estator de producto (340) que comprende:
    una cara de acoplamiento del estator producto (342), una cara trasera del estator producto (344), y una pluralidad de orificios (346) de conexion entre la cara de acoplamiento del estator de producto (342) y la cara trasera del estator producto (344) en contacto giratorio con el rotor de producto (330); y
    donde el al menos un muelle de compresion (350) esta dispuesto entre el rotor de alimentacion (320) y el rotor de producto (330).
  3. 3. El sistema de adsorcion por oscilacion de presion de la reivindicacion 1, donde la valvula giratoria (500) comprende una carcasa del estator (520) que tiene orificios;
    un rotor (510) que comprende orificios y una superficie trasera, el rotor (510) en contacto giratorio con la carcasa del estator (520) en una interfaz (515) sobre un eje (B) central de rotacion; un cojinete de empuje (570) en contacto con la carcasa del estator (520); una corredera de empuje (540) en contacto con el cojinete de empuje (570); y
    al menos un muelle de compresion (530) dispuesto entre la superficie trasera del rotor y la corredera de empuje (540).
  4. 4. El sistema de adsorcion por oscilacion de presion de la reivindicacion 2, que comprende ademas al menos un elemento de posicionamiento de muelles (327) situado en la cara trasera del rotor de alimentacion (322) opuesto a al menos un elemento de posicionamiento de muelles (361) situado sobre la cara trasera del rotor de producto (332), configurados los elementos de posicionamiento de muelles para asegurar los muelles de compresion (350) entre el rotor de alimentacion (320) y el rotor de producto (330) en una posicion fija.
  5. 5. El sistema de adsorcion por oscilacion de presion de la reivindicacion 3, que comprende ademas una pluralidad
    de elementos de posicionamiento de muelles situada sobre la cara trasera del rotor alineada con una pluralidad de elementos de posicionamiento de muelles situada sobre la corredera de empuje (540) configurada para asegurar los muelles de compresion (530) entre el rotor (510) y la corredera de empuje (540).
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