一种循环操作中压力变化联动控制的变压吸附方法技术

本发明专利技术公开了一种循环操作中压力变化联动控制的变压吸附方法，涉及变压吸附气体分离技术的技术领域，该变压吸附方法通过对变压吸附系统的吸附与解吸循环操作过程进行模拟，由模拟中吸附塔进出口的边界条件确定出机械指定模式、自主判定模式以及机械自主组合模式，该变压吸附系统由至少两个吸附塔组成的一组或多组吸附塔段组成；将确定的控制模式与程序控制阀‑调节阀组合的联动控制，根据两个或以上的目标吸附塔内的即时压力作为参考依据，通过调整阀门组合开与关及开度，即时联动控制气体流速及目标吸附塔内及进出口的压力变化趋势，以增加变压吸附装置对原料气的组成及压力以及变压吸附的吸附与解吸循环操作过程中每个步骤的压力变化的容错性。

Pressure swing adsorption method for pressure change linkage control in cycle operation

The invention discloses a pressure cycling operation change linkage control of pressure swing adsorption method, and relates to the technical field of PSA gas separation technology, the PSA process is simulated by means of pressure swing adsorption system of adsorption and desorption cycle operation process, by the simulation of adsorption column boundary conditions to determine the import and export of machinery, the specified mode autonomous decision mode and mechanical self combination mode, the pressure swing adsorption system is composed of at least two adsorption tower consisting of one or more groups of adsorption tower segments; linkage control the control mode and procedure for determining the control valve control valve combination, according to the instantaneous pressure of two or more target adsorption tower as a reference. By adjusting the combination valve opening and closing and opening, instant linkage control pressure changes of gas flow rate and target absorption tower and the import and export, to Increase the pressure swing adsorption device on the composition and pressure of raw materials gas and pressure adsorption adsorption and desorption cycle operation of each step of the pressure changes in the fault tolerance.

【技术实现步骤摘要】
一种循环操作中压力变化联动控制的变压吸附方法
本专利技术涉及变压吸附气体分离技术的
，具体涉及一种循环操作中压力变化联动控制的变压吸附方法。
技术介绍
变压吸附(PressureSwingAdsorption，简称PSA)是指，在一定的温度下，通过加压吸附与减压(抽真空)或常压解吸或冲洗置换再生的循环过程，将混合物气体实现分离提纯与净化。可见，PSA是通过改变压力或压力变化来达到吸附和解吸的目的。吸附常常是在压力环境下进行的，变压吸附提出了加压和减压相结合的方法，在一定温度下，它通常是由加压吸附、减压再生所组成的吸附-解吸(再生)循环操作系统。吸附剂对吸附质的吸附量随着压力的升高而增加，并随着压力的降低而减少，同时在减压(降至常压或抽真空)过程中，放出被吸附的气体，使吸附剂再生，从而实现多组分混合气体分离或净化，外界不需要供给热量便可进行吸附剂的再生。由此，在PSA吸附-解吸的循环操作中，吸附步骤的压力保持稳定，而由均压降、顺放、逆放、抽真空/冲洗、均压升、终充等步骤构成的解吸过程，吸附塔的操作压力是不断的变化，并且这种压力的变化，直接影响到解吸与吸附的分离效率和实际操作结果，其中，解吸过程中的均压(均压降与均压升)、顺放是PSA循环操作中压力变化较大的步骤。在PSA工艺设计中，采用过程模拟方法，对PSA装置规模不断扩大起到至关重要的作用，并且能够突破实验装置的限制，同时可以节约实验的成本。采用过程模拟优化PSA流程，可以对流程的各种工艺参数进行最优化设计，如吸附和解吸压力及其变化、各步骤运行时间、冲洗和置换量、进出口流量、阀门开度、吸附塔高径比等；过程模拟及其优化可以提升PSA装置及技术的性能表现，如提高产物的纯度和收率、提升吸附剂的单位产量、降低过程的单位消耗。PSA的吸附-解吸循环操作流程的过程模拟，包括吸附塔、阀门、缓冲罐、真空泵、压缩机，其中，吸附塔模型是整个流程模型的核心，其包括，质量衡算、动量衡算、能量衡算、吸附平衡(特性)方程、质量传递模型、进出口边界条件、气体状态方程，这些偏微分方程和代数方程组共同构成了吸附塔的数学模型。而吸附塔的进出口边界条件，是构成封闭PSA流程数学模型的必要条件，尤其是PSA循环操作中的每一步边界条件，包括吸附、置换、均压降、顺放、逆放、冲洗/抽真空、均压升、终充等，并且对吸附塔“三传-质量、动量、能量传递”平衡、吸附塔的运行是否处于最优的分离状态及满足设计要求等起到关键作用。一般而言，吸附塔过程模拟的进出口边界条件确定模式有两种，一种是机械指定，一种是根据进出口速度方向自主判定(也称为“自洽”)。在大多数PSA循环操作中，一般事先通过规定吸附塔流体流速、进出口的流速、压力、温度等参数的设定后进行设计塔高与塔径、吸附剂装填量、吸附时间、解吸步骤及相应时间等，来实现吸附-解吸的循环操作，进而达到分离的目的，即，传统PSA循环操作中的吸附塔进出口边界条件是在设计时已规定好的，在实际运行中无需再另外确定。此外，传统的PSA循环操作中的压力变化控制方法，大多是通过吸附塔之间的管道上安装程序控制阀门来控制，其中，程序控制阀是通过预设的时序及组态，通过事先确定吸附塔内及连接吸附塔的管道中的流速、压差及均压时间，并通过程序控制阀的开与关控制，是对吸附塔的进出口边界条件事先确定的值的具体实施的一种控制，即，程序控制阀门仅仅按已设定的程序进行自动控制阀门的开关而实现吸附塔之间的吸附-解吸循环操作过程中的每个步骤进行，与吸附塔过程模拟所使用的。如此，吸附塔进出口边界条件固化而事先确定在PSA设计中进出口边界条件确定模式没有关联，并且仅通过程序控制阀门的开与关来实现PSA吸附-解吸过程的循环操作，存在着如下诸多的问题：第一，原料气压力及相应影响到压力变化的其他因素出现较大波动时，诸如组分、处理量、温度等，已事先确定的吸附塔进出口边界条件并固化在已完成的PSA吸附与解吸循环工艺的设计，无法在实际操作中进行合理的调整。比如，当原料气压力从1.0MPa下降至0.6MPa时，吸附塔的进出口流速随之发生较大变化。在吸附塔的高度及塔内吸附剂装填量一定的情况下，只能通过吸附时间的调整，比如延长吸附时间进行适应，同时，连接各个吸附塔进出口的管道上的程序控制阀门，也只能按照所调整的时间进行开与关的控制。但吸附时间延长并不能准确地补偿吸附压力下降所带来的吸附效率下降，相反，吸附时间的延长有可能使得吸附前沿穿透而导致非吸附组分(作为产品气)的纯度下降，或相应地导致处理量变相地变小而无法满足产量要求，或进一步加深吸附过度所导致解吸困难，或导致解吸时间在各个步骤中分配不当而吸附剂使用寿命变短、产品气收率下降等问题；第二，在PSA吸附-解吸循环过程中，当原料气进料条件一定时，循环过程中的压力变化可以通过两个或多个吸附塔之间的均压(一个或多个吸附塔(压力输出塔)向另一个或多个吸附塔(压力接受塔)顺向放压，使得两塔或多塔的压力相等)得到部分补偿，降低了压力降损失。吸附步骤结束后，吸附塔的上部空间(预留空间)内存在较多的较高纯度的产品气体，同时，该上部空间即吸附前沿的吸附剂远未达饱和状态，未充分利用。为了充分利用预留空间较纯产品气体，以及通过降低吸附塔的压力传递给另一正处于吸附准备阶段而需要升压的吸附塔，从而实现回收部分其能量与产品气体组分，提高了产品气体收率的同时，避免再生压力下降过大而造成的对吸附剂冲刷严重、气流速度太快等使得再生不完全或吸附剂使用寿命下降等问题的出现，通常采用各吸附塔之间多次均压的操作方式，尤其是高压吸附工况。从理论上讲，均压次数增加，产品气体的收率就增加，解吸过程中的压力随时间而变的压力曲线相对平缓，对传质相对也有利。均压次数增加到相对无穷大时，压力曲线就变成一条光滑的曲线，产品气体收率达到某一极值，对吸附剂冲刷影响相对最低。但是，均压次数增加会带来许多负面的问题：1)设备增加，投资增加、操作稳定性反而下降、占地面积增加。为了满足吸附与解吸循环操作的需要，过多的均压次数，需要更多的吸附塔、程序控制阀及相应的设置空间，尤其是程序控制阀，故障较多，极大影响装置操作的稳定性；2)产品气体收率增加的边际效益是下降。比如，对于含氢气体回收氢气，均压次数在达到3～4次以上时，每增加一次均压，其对氢气收率的增加速度呈递减效应；3)均压时间过短，均压时气体流速过快，导致再生不完全、吸附剂容易粉化。由于吸附与解吸的时间需要相互匹配，才可以循环操作。在吸附塔的数目与吸附-解吸时间一定的情况下，均压次数越多，其单位均压的变化所需的时间就越短，或其单位时间内的压力波动的频率就也频繁，就会影响解吸中的传质效率，同时，单位时间内相对压降较大，且每次均压时间不等，使得吸附剂受到的冲刷次数及冲刷力变动相当频繁，容易造成吸附剂粉化，使得吸附解吸循环操作存在较大的安全隐患；4)对复合床层的浓度分布造成一定的负面影响，不同吸附剂之间存在交叉污染。在吸附与解吸循环中，单位时间内所对应的传质规律各不相同，低压段内的单位时间内压力曲线与高压段内的单位时间内压力曲线不尽相同，不同吸附剂上的单位时间内的压力曲线也不尽相同。因此，均压次数越多，每次均压的传质规律、频率、流速等等均不尽相同，导致传质的复杂性，极大地影响吸附本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种循环操作中压力变化联动控制的变压吸附方法，其特征在于，该变压吸附方法通过对变压吸附系统的吸附与解吸循环操作过程进行模拟，由模拟中吸附塔进出口的边界条件确定出机械指定模式、自主判定模式以及机械自主组合模式，该变压吸附系统由至少两个吸附塔组成的一组或多组吸附塔段组成；将确定的控制模式与程序控制阀‑调节阀组合的联动控制，根据两个或以上的目标吸附塔内的即时压力作为参考依据，通过调整阀门组合的开与关及开度，即时联动控制气体流速及目标吸附塔内及进出口的压力变化趋势。

【技术特征摘要】
1.一种循环操作中压力变化联动控制的变压吸附方法，其特征在于，该变压吸附方法通过对变压吸附系统的吸附与解吸循环操作过程进行模拟，由模拟中吸附塔进出口的边界条件确定出机械指定模式、自主判定模式以及机械自主组合模式，该变压吸附系统由至少两个吸附塔组成的一组或多组吸附塔段组成；将确定的控制模式与程序控制阀-调节阀组合的联动控制，根据两个或以上的目标吸附塔内的即时压力作为参考依据，通过调整阀门组合的开与关及开度，即时联动控制气体流速及目标吸附塔内及进出口的压力变化趋势。2.如权利要求1所述的一种循环操作中压力变化联动控制的变压吸附方法，其特征在于，该变压吸附方法包括如下工序：(1)吸附：带有一定压力的原料气经进气管、进气支管送入变压吸附系统的任意1个或多个吸附塔底部，吸附塔内装填吸附剂，在原料气压力的吸附操作压力下将原料气中的吸附质组分吸附，非吸附组分则从相应的吸附塔顶部的出气管输出，其压力等同于吸附操作压力；其中，处于吸附步骤的吸附塔的进出口边界条件的确定，采用机械指定模式，设定吸附塔进出口压力相等或克服床层阻力降的进出口压力，此时，处于吸附步骤的吸附塔与解吸过程的吸附塔之间相连的程序控制阀-调节阀组合处于关闭状态，部分非吸附组分气体用于另一个吸附塔的终充；(2)均压降：原料气体在吸附塔内经过吸附完成后，上述步骤参与吸附的吸附塔的进出口边界条件确定模式采用上述吸附步骤机械指定的吸附塔进出口边界条件，此时，处于压力输出状态的吸附塔或处于均压降状态的吸附塔的出气管是经均压管与其他任意1个或多个已完成冲洗步骤而处于最低压力的接受均压的压力接受吸附塔的顶端或底端通过程序控制阀-调节阀组合相连进行减压排出气体，直至其两个或多个相应的压力接受塔的压力相等，即形成中间压力，其中，程序控制阀-调节阀组合进行减压而排出气体过程与压力输出塔的出口和压力接受塔的进口边界条件的机械指定模式相联动，以便自动调整与确定压力输出塔的均压降时间及均压降步骤均匀地进行，防止均压降幅度在瞬间过大引起流速变化幅度过大所导致的冲刷，并最终与压力接受塔的压力相等；(3)顺放：完成均压而处于较高中间压力的压力输出塔继续按照机械指定的边界条件确定方式，进一步沿着气体流动方向顺向放压，并均匀地放压到较低中间压力，防止放压过程过大而造成流速变化过大所导致的冲刷程序控制阀-调节阀组合，此时，继续压力输出塔的出气管是经程序控制阀-调节阀组合与其他对应的1个或多个处于冲洗步骤的吸附塔的顶端相连，减压排出气体，直至压力达到顺放塔出口边界条件的机械指定值，其中，程序控制阀-调节阀组合进行减压而排出气体过程与顺放塔的出口及冲洗塔的进口边界条件的机械指定模式相联动，以便自动调整与确定压力输出塔的顺放时间及最终的出口压力指定值；(4)逆放：完成顺放步骤后的吸附塔内部带有压力，接着经一段逆放管、由程序控制阀-调节阀组合沿原料气流动相反的方向进行逆向减压而排出解吸气，进一步降低吸附塔压力，此时，逆放塔的进口边界条件确定模式由顺放步骤的出口机械指定模式切换成逆放塔进口边界条件确定的自主判定模式，并与程序控制阀-调节阀组合逆放阀进行联动控制，其中，自主判定模式依据逆放管内流体流速及逆放塔内流体流速分布进行自主调整，进而维持逆放塔内逆放过程的稳态操作，直至逆放塔出口边界条件所指定的包含压力、流速值；逆放塔的出口边界条件确定模式仍然采用该塔进行顺放步骤时所采用的进口边界条件机械指定模式；(5)冲洗：完成逆放步骤后的吸附塔的出气管是经冲洗阀顺向或逆向引入来自正在进行顺放步骤的吸附塔顺放气，或来自产品气，对循环操作中压力处于最低的该吸附塔进行冲洗，使得吸附塔中所装填的吸附剂再生完全。此时，冲洗塔的进出口边界条件确定模式采用机械指定模式，并与程序控制阀-调节阀组合进行联动控制，直至冲洗塔...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟雨明，陈运，刘开莉，唐金财，陈勇，蔡跃明，
申请(专利权)人：四川天采科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川,51