用分裂气流离心涡轮机进行气体分离制造技术

一种气体分离系统，用于分离馈送的含有第一气体成分和第二气体成分的气体混合物，所述分离系统含有一个定子和一个可旋转地耦连到定子上的转子。定子包括一个第一定子阀面、一个第二定子阀面，和多个向定子阀面开放的功能隔间。转子包括一个与第一定子面连通的第一转子阀面、一个与第二定子面连通的第二转子阀面。转子还包括多个用于容纳吸附剂材料的转子气流路径，其中响应上升了的压力更易于吸附第一气体成分而不是第二气体成分。每个所述的转子气流路径包括一对相反的端向转子阀面内开放，用于与所述功能隔间连通。离心涡轮机耦连到所述功能隔间的一部分，并且包括一个有多个推进器气流路径，用于在转子旋转时以从第二气体成分中分离第一气体成分时把每个所述转子气流路径暴露于多个离散的压力。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于气体分离系统的离心涡轮机。具体上说，本专利技术涉及分裂气流离心压缩机、真空泵和膨胀器，其中进出离心涡轮机的气流含有不同的总压的多个气流。通过压力摆动吸附(PSA)进行气体分离是通过在吸附剂床上的协调的压力循环和气流换向达到的，所述的吸附剂床相对于混合物中较不容易吸附的成分更优先吸附较易吸附的成分。在气流沿第一方向经吸附床从所述床的第一端向第二端流动的期间总压上升，而沿相反方向流动的期间下降。随着此循环重复，不易吸附的成分集中在第一方向，而较易吸附的成分集中在相反的方向。许多在先技术的PSA的能量效率低。因为为吸收器加压及高压产生步骤所用馈送气体是用一个其发送压力是由循环的最高压力的压缩机提供的。压缩用于加压的馈气所消耗的能量损失是由在跨越在吸收器和高压气源之间即时压力差的阀门的节流作用造成的。类似地，在真空摆动吸附中，PSA循环的低压是由一个真空泵在此压力下抽取气体建立的，能量在压力下降了的吸收器的对流放气过程中损失在跨越阀门的节流中。其它的能量损失发生在用于洗提、均衡、顺同放气和产品加压或再充气等步骤的轻回流气体的气体膨胀中。在所述气体膨胀发生在跨越吸收器和供气源或排气口之间的较大压差上时，在不可逆的气体膨胀中损失的能量变得更加重要。通过使用跟随加压的吸收器的即时压力发送压力的馈气压缩机(或鼓风机)，并且通过使用跟随进行对流放气的吸收器的即时压力进行抽吸的真空泵，在更加现代的VSA气体分离系统中能量效率已经了。结果馈气压缩机控制每个吸收器轮流为之加压，同时降低了气体膨胀损耗，并且类似地真空泵控制每个吸收器轮流达到对流放气，同时降低气体膨胀损耗。在这种系统中，任何时刻每个馈气压缩机只能向单个的吸收器供气，每个真空泵在任何时刻只能为单个吸收器抽取气体。在每个这样的馈气压缩机或者真空泵中的工作压力会有很大的变化，机器受力并引起总功耗很大波动。而且由于工作条件不稳定影响压缩效率。因为离心或轴流涡轮机不能在这样不稳定的条件下工作，在VSA系统中典型地使用旋转正排量机。然而，这种机器比在稳定条件下工作的现代离心涡轮机效率低，特别是对于较大的设备容量(例如每天50吨氧的VSA系统)。而且，把单列设备容量增加到约每天80吨氧以上由于受到单个旋转机器的最高容量的限制而达不到。其它的现代VSA空气分离系统已经使用了多个个别的推进器以增加各个气流的焓。然而，后者增加了系统复杂性并且增加了投资成本。而且，因为每个机器的流速较小，降低了机器效率。因此，需要可以用于PSA和VSA气体分离工艺的离心涡轮机用于保持气流和气压的稳定条件，同时降低损失在不可逆的气体膨胀中的能量。根据本专利技术，提供一种解决在先技术气体分离系统的不足之处的气体分离系统。在本文中，术语“离心涡轮机”包括离心压缩机、真空泵和膨胀器。根据本专利技术，气体分离系统把馈送的气体混合物分离成第一气体成分和第二气体成分，含有一个定子，和一个可以旋转地耦连所述定子的转子。所述定子包括一个第一定子阀面、一个第二定子阀面、和多个向定子阀面内开放的功能隔间。转子包括一个与第一定子阀面连通的第一转子阀面，和一个与第二定子阀面连通的第二转子阀面。转子还包括多个转子气流路径，用于容纳气体吸附剂材料，其中，响应转子气流路径中增加的压力，比第二气体成分优先地吸附第一气体成分。每个转子气流路径包括一对向转子阀面内开放的相反的端，用于与所述功能隔间相连通。所述气体分离系统还含有耦连到功能隔间一个部分的离心涡轮机。所述离心涡轮机包括一个推进器，所述推进器有多个推进器气流路径用于随着转子的旋转把每个转子气流路径暴露于多个离散的压力，用以从第二气体成分中分离第一气体成分。在本专利技术的第一实施例中，所述离心涡轮机含有一个分裂气流离心压缩机用于以多个不同馈气压力值向第一定子阀面发送馈气混合物。所述离心压缩机含有一个用于接收馈气混合物的气体入口、多个从所述推进器的旋转轴径向向外延伸的叶片，和一个放置在推进器内与气体入口连通并且延伸在相邻的叶片对之间的槽路。所述叶片包括多个距旋转轴不同径向距离的台阶，并且界定用于以多个不同的角动量从所述槽路推出气体混合物的推进器气流路径。离心压缩机还包括多个与槽路连通的扩散器，用于在多种不同压力下提供气流。在离心压缩机的一个变形中，取代具有台阶的叶片，叶片具有界定推进器气流路径的各种叶片角。在本专利技术的第二实施例中，所述离心涡轮机含有一个分裂气流离心真空泵用于从加浓了第一气体成分、并且在多个不同的高于大气压力的排出气体压力下从第一定子阀面接收的气流中产生第一产品气体。在本专利技术的第三实施例中，所述离心涡轮机含有一个分裂气流离心膨胀机用于在大气压力下从加浓了第一气体成分、并且在多个不同的亚大气压力下从第一定子阀面接收的气流中产生一个第一产品气体。离心真空泵和离心膨胀器在结构上与离心压缩机相似，只是经过推进器气流路径的气流方向相反。在两个变形中，离心真空泵和离心膨胀器耦连到离心压缩机用于辅助离心压缩机把馈气混合物送进第一定子阀面。本专利技术的另一个实施例中，所述离心涡轮机含有一个双侧推进器、多个从所述推进器径向向外伸的叶片、与所述推进器的第一侧连通的第一气体入口和第一气体出口以及与所述推进器的第二侧连通的第二气体入口和第二气体出口。一个第一槽路放置在推进器的第一侧内用于在第一气体入口和第一气体出口之间传送气体，并且一个第二槽路放置在推进器的第二侧内用于在第二气体入口和第二气体出口之间传送气体，同时第一和第二槽路各自延伸在相邻的叶片对之间。后一个实施例可以构成为分裂气流离心压缩机、分裂气流离心真空泵和分裂气流膨胀器，不同的推进器气流路径要么用台阶式推进器要么用不同叶片角界定。在运转中，经第一转子-定子阀面对把馈气发送进转子气流路径，并且转子以一定频率旋转，从而把气体混合物暴露于每个转子气流路径，来循环地改变气流的压力和方向。这些循环改变使得馈气中的易吸附成分作为重的气体产品从第一转子-定子阀面对排出，而不易吸附成分作为轻的气体产品从第二转子-定子阀面对发出。为了加强气体分离，从第二转子-定子阀面对取出轻回流气体，并且在降压后返回第二转子定子阀面对。为了在各个压力大小下进或出所述离心涡轮机的流动气流基本上在压力和速度上均匀，以多个增量的气体压力值向转子气流路径发送馈气，并且作为以多个减量的排气压力值对流放气从转子气流路径排出重的产品气体。优选地，以多个减量的轻回流出口气体压力值从转子气流路径取出轻回流出口气体，并且在低于相应的轻回流出气压力值的轻回流压力下返回转子气流路径。为了回收热提升的能量，可以设置热交换器以排出压缩热，用于加热对流放气和就要膨胀的轻回流气体。优选地，所述转子还具有大量的吸收器，从而在任何时刻都有几个吸收器暴露于每个压力值。在压缩和放气的步骤中，靠气体膨胀压力均匀，通过这些步骤的每一个的吸收器的压力从所述吸收器经受的上个压力值收敛到每个步骤的标称压力值。通过离心涡轮机以所述步骤的标称压力在加压过程中向吸收器提供气流或者在放气中取出气流。因此在每个中间的压力值上由离心涡轮机看到的气流和压力脉动由通过该步骤的几个吸收器的平均作用而最小化，尽管每个吸收器都遭受到大的压力和气流的循环变化。现在参照附图，仅以举例的方式说明本专利技术的优选实施例，附图中附本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体分离系统，用于分离馈送的含有第一气体成分和第二气体成分的气体混合和物，所述分离系统含有：一个定子，包括一个第一定子阀面、一个第二定子阀面，和多个向定子阀面开放的功能隔间；一个转子，可旋转地耦连在所述定子上，并且包括一个与第一 定子阀面连通的第一转子阀面、一个与第二定子阀面连通的第二转子阀面和多个用于容纳吸附剂材料的转子气流路径，其中为了优选地响应在转子气流路径上升了的压力比第二气体成分更容易吸附第一气体成分，每个所述的转子气流路径包括一对向转子阀面内开放的相反的端，用于与所述功能隔间连通；和离心涡轮机，耦连到所述功能隔间的一部分，并且包括一个推进器，所述推进器有多个推进器气流路径，用于在转子旋转以从第二气体成分中分离第一气体成分时把每个所述转子气流路径暴露于多个在较高压力和较低压力之间的不同压 力。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：博维戈登基弗，凯文阿诺德考珀特，
申请(专利权)人：探索空气技术公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]