利用滑动的反转风机吸附制造技术

一种用于基于反转风机吸附的空气分离单元的驱动系统构造成不仅沿着正向和反向方向周期性地驱动反转风机，而且允许反转风机在其操作周期的一部分期间滑动。在滑动时，风机上的压差仅用于使反转风机在正向和反向的操作方向之间切换。由此，需要的功率更少。在滑动时，风机还能够构造成输出功率，例如用作发电机的驱动马达或者将由风机驱动的机械功率输入装置用于发电和/或储能。这样的系统有利地利用与风机上的压差相关联的能量以用于能量收集并且进一步加快用于基于反转风机吸附的空气分离单元的周期时间。

The adsorption of the fan by sliding reversal

An air separation unit for reverse fan adsorption of the drive system is configured to not only along the forward and reverse direction periodically driving reverse fan based on inversion and allow the fan in the operating part of the cycle during sliding. When sliding, the pressure difference on the fan is only used to switch the reversing fan between the forward and reverse directions. Thus, less power is required. In sliding, the fan can also be configured to output power, such as a drive motor used as a generator, or a mechanical power input device driven by a fan for power generation and / or energy storage. Such a system advantageously utilizes the energy associated with the pressure difference on the fan for energy collection and further speeds up the cycle time for the air separation unit based on the reversal fan adsorption.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用滑动的反转风机吸附
以下的专利技术涉及基于反转风机吸附的空气分离系统。更特别地，本专利技术涉及基于吸附的空气分离系统，其使用反转风机以将空气驱动到吸附床中并且反转以将气体从吸附床抽出，其中，将风机滑动而不是马达驱动用于周期的至少一部分和可选的发电。
技术介绍
使用真空变压吸附(VSA)生产氧气对于空气分离技术人员来说是公知的。VSA提供简单的非低温方法以生产纯度为80％至95％的气态氧。在过去的20年中，氧气VSA设备已经获得广泛使用并且提供了各种不同的床构造。多床VSA通常以60吨/天(TPD)以上的规模范围使用。单床处理被用作投入更低、更简单的处理以用于通常为1TPD直至40TPD的较低生产范围。典型地，单床系统通常由单个风机传动系(blowertrain)构成，其用于进给空气供应装置以及再生真空系统。该处理通常包含自动阀，以在周期期间引导空气和真空流。单床处理的较新的实施例使用反转风机以生成进料流并且施加真空以用于再生步骤。这种最近的实施例能够良好地适用于小规模到中规模的氧气VSA生产设备(1至10TPD)。在美国专利US8496738中描述了这种类型的单床反转风机(SBRB)VSA处理的一个示例。尽管单床反转风机(SBRB)VSA处理易于实施，但是在与多床系统相比时，其简易性也伴随有性能上的折衷。首先，缺少附加的吸附床就不允许进行至关重要的床与床之间的平衡。压力平衡步骤是降低功耗和增加氧气产品回收的关键。本领域技术人员通过为SBRB系统增加平衡罐(例如由德克萨斯州休斯敦市的AirLiquide提供的SBRB系统中的平衡罐)来克服该缺陷。单床反转风机VSA系统的另一个问题是与马达反向转动时的能量损失相关联的低效。马达需要快速地减速，然后在仅仅数秒的时间内沿着反转的方向加速。通常使用电阻性的电制动，但是这会产生大量的热，这对VSA系统并无益处而只会损耗能量。因此，对于能够更有效地和更高效地使风机反转的SBRB系统例如VSA吸附系统存在需求。
技术实现思路
根据本专利技术，一项技术是在反转风机VSA处理的周期的一些部分期间利用滑动。这样的滑动通过经由连接到旋转叶片风机的反转马达转移动能而降低硬件资金成本。从用分子筛材料填充的吸附容器获取由风机产生的气流。当达到预定真空以用于再次充填分子筛材料时，切断马达。风机上的压差促使风机快速停止并且反向转动，由此启动处理的下一个步骤而无需使用电能制动，并且使旋转叶片风机反转。在正向进给阶段结束时也可以使用类似处理，此时吸附容器中的压力作用于在“停机模式(offmode)”中再次滑动的风机上，以使风机快速减速至停止并且使其加速反转。压力传感器设置在容器上并且动态地分析压力传感器的变化率以确定何时再次施加功率。通常，在已经用掉吸附容器内部的真空和周围环境之间的压差中所储存的大部分能量之后再次施加功率，以使得能够在期望压力下将空气进给到吸附容器中，以用于通过选择性吸附来实现最优的气体分离。通过利用这样的滑动能够实现节能约20％的最优值。本专利技术的系统和方法能够与单床反转风机(SBRB)空气分离单元以及采用空气分离单元的其它反转风机一起使用。空气分离单元能够是各种真空变压吸附的类型或者各种变压吸附的类型并且仍然能够受益于本专利技术的滑动和/或再生功率收集和利用的细节。作为本专利技术的替代方案，能够捕集在风机马达加速期间例如在正向进给/加压和反转回收/真空周期期间产生的过多能量。这些过多的能量被捕集并储存为电能并且回送至其它的系统部件。例如，再生变频驱动装置用于控制反转风机VSA系统的马达/风机。当旋转方向为反向时，以高压气体的形式储存在吸附容器中的势能倾向于使风机加速超过马达的目标速度。在此时间段期间，马达成为发电机并且能够储存过多的电能以供马达今后使用或者经由公共DC总线输送到其它的变频驱动装置。任何剩余的能量都能够回送至源。附图说明图1是现有技术中的单床反转风机真空变压吸附空气分离单元的示意图，其作为本专利技术所能够适用的技术的示例。图2是单床反转风机真空变压吸附空气分离单元的示意图，在其中包括抽气回收罐，以增强空气分离单元的性能并且限定用于在本专利技术的一个实施例中使用的、改进的真空变压吸附空气分离处理。图3至图5是与图2所示相类似的示意图，但是用各种不同的箭头示出了在反转风机真空变压吸附空气分离单元的操作中的各个步骤。图4还包括用于反转风机的驱动系统的示意图，所述驱动系统还能够通过也可以用作发电机的马达或者通过利用功率输出装置而可选地用作再生功率发电机，所述功率输出装置用于在风机上安置负载以及用以在其通过风机上的压力梯度而沿着正向或反向的方向被驱动时从风机提取功率。图6是示出了在本专利技术的处理的操作中能够反转的风机的速度和方向以及从吸附容器生成的气体中的O2百分比的曲线图，并且还示出了抽气回收罐何时打开和关闭以增强空气分离系统的性能。图7是在反转风机空气分离单元的操作周期的各个不同部分期间的吸附压力与时间的曲线图，并且示出了在能够根据本专利技术使用滑动时的典型时段。图8是进一步示出根据本专利技术的空气分离单元周期的操作阶段的表格，包括用于典型系统的以秒为单位的各个阶段的持续时间、以及在空气分离单元的各个操作阶段期间的风机的操作模式。具体实施方式参照附图，其中，相同的附图标记在不同的附图中始终表示相同的部件，附图标记10(图1)指代现有技术中的氧分离装置，其构造成从空气分离/浓缩氧气。通过本专利技术的空气分离单元110(图2至图5)和本专利技术的风机驱动系统210(图4)来改进这种分离装置，正如在下文更加详细描述的那样。实际上，特别地参照图1，公开了通过本专利技术的空气分离单元110和风机驱动系统210改进的氧分离装置10的基本细节。氧分离装置10包括吸附床20，所述吸附床20在其中包括吸附材料，所述吸附材料相比于氧气优先吸附氮气、CO2和水。阀30位于吸附床20的下游。缓冲罐40设置在阀30的下游。风机50限定位于吸附床20上游的泵的优选形式。控制器60联接至阀30和风机50(或其它泵)以控制阀30的打开和关闭并且控制风机50(或其它泵)的操作方向，从而将空气提供到吸附床20中或者抽真空以从吸附床20脱附(desorb)和移除氮气。通常，在风机和吸附床之间需要设置换热器以移除在压缩空气时产生的热量。在周期的真空阶段期间可以绕过换热器。继续参照图1，描述了吸附床20的细节。吸附床20包括用于包含吸附材料的外壳22。该外壳22包括与出口26间隔开的入口24。入口24和出口26限定了用于通向外壳22中的第一端口和第二端口的优选形式。入口24和出口26通常整合到盖或“端板”中，所述盖或“端板”能够被移除以允许接近外壳22中的吸附部件。否则，外壳22优选地被密封以防止气体泄漏进入外壳22或者离开外壳22。吸附床20内的吸附材料可以是相比于氧气优先吸附氮气的任何形式的材料。一种这样的材料是分子筛例如nitroxysiliporite。该材料优选以珠的形式供应，其通常为球形或者可以是不规则的形状。由于珠由外壳22内的分子筛材料构成，气体通路延伸穿过吸附材料、在吸附材料之间延伸以及在吸附材料周围延伸。最优选地，压力通风系统构造于吸附床的入口和出口端处以跨越床的截面提供均匀的气流。在优选构造中，入口24位于出口26下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于操作基于反转风机吸附的空气分离系统的方法，所述方法包括以下步骤：操作与进气口、吸附床和O2输出部内联的反转风机以从在所述进气口处进入的空气中分离O2的操作步骤；所述操作步骤包括正向进给步骤，其中，驱动空气从所述进气口通过吸附N2的所述吸附床并且送到所述O2输出部上；所述操作步骤包括反向回收步骤，其中，通过所述反转风机的反转操作将气体从所述吸附床驱动到所述进气口，以用于从所述吸附床中的吸附介质中移除N2；所述正向进给步骤和所述反向回收步骤由流过所述反转风机的气流沿着相反的方向驱动；所述反转风机联接至驱动马达，所述驱动马达促使风机沿着正向驱动方向和反向驱动方向旋转；以及允许风机在正向驱动的至少一个时段和正向驱动的时段之后的反向驱动的至少一个时段之间进行滑动的允许步骤。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.30 US 62/098,0521.一种用于操作基于反转风机吸附的空气分离系统的方法，所述方法包括以下步骤：操作与进气口、吸附床和O2输出部内联的反转风机以从在所述进气口处进入的空气中分离O2的操作步骤；所述操作步骤包括正向进给步骤，其中，驱动空气从所述进气口通过吸附N2的所述吸附床并且送到所述O2输出部上；所述操作步骤包括反向回收步骤，其中，通过所述反转风机的反转操作将气体从所述吸附床驱动到所述进气口，以用于从所述吸附床中的吸附介质中移除N2；所述正向进给步骤和所述反向回收步骤由流过所述反转风机的气流沿着相反的方向驱动；所述反转风机联接至驱动马达，所述驱动马达促使风机沿着正向驱动方向和反向驱动方向旋转；以及允许风机在正向驱动的至少一个时段和正向驱动的时段之后的反向驱动的至少一个时段之间进行滑动的允许步骤。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述允许步骤包括允许风机在正向驱动的时段和随后的反向驱动的时段之间以及在反向驱动的时段和随后的正向驱动的时段之间进行滑动。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反向回收步骤包括在所述吸附床上抽真空，以从所述吸附床内的吸附介质中移除氮气。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反转风机位于所述吸附床和所述进气口之间。5.根据权利要求1所述的方法，其中，允许风机进行滑动的所述允许步骤包括允许风机在风机减速至停止时进行滑动以及允许风机在风机沿着与即将停止之前的风机旋转相反的方向开始旋转时继续进行滑动。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述允许步骤包括允许风机在正向驱动的时段和随后的反向驱动的时段之间以及在反向驱动的时段和随后的正向驱动的时段之间进行滑动。7.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括通过在联接至储能装置的风机上安置负载而在所述允许步骤的至少一部分期间从风机提取功率的附加步骤。8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括将所述驱动马达构造为变频驱动装置以在允许风机进行滑动的所述允许步骤的至少一部分期间用作发电机的附加步骤。9.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括在所述驱动马达用作发电机时将来自驱动马达的电力储存在电池中的附加步骤。10.根据权利要求7所述的方法，其中，飞轮能够通过机械功率输入装置可移除地接合至风机；并且在所述允许步骤的至少一部分期间接合所述机械功率输入装置以促使将来自风机的能量储存在所述飞轮中。11.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括通过在联接至储能装置的风机上安置负载而在所述允许步骤的至少一部分期间从风机提取功率的附加步骤。12.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括控制所述驱动马达以促使所述驱动马达响应...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·贝克，J·伯恩斯，W·K·戈斯海，T·纳海里，
申请(专利权)人：太平洋综合工业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US