利用直接驱动的高速离心式压缩机的节能VPSA系统技术方案

本发明专利技术涉及一种方法和系统，其用于通过优化进料压缩机、真空压缩机和离心式产品压缩机以实现较低能耗和较低单位气体产品生产成本，从而在生产需求和资金效率减少的时期改善PSA/VPSA设备的能量效率。更具体地讲，本发明专利技术涉及一种新型节能PSA/VPSA下调工艺和系统，其采用高速直接驱动的离心式产品压缩机以实现期望的生产。可通过在较低生产范围内采用较低的流量和较低的吸附顶部压力来实现显著较低的能耗。的能耗。的能耗。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用直接驱动的高速离心式压缩机的节能VPSA系统


[0001]本专利技术整体涉及节能气体分离方法和系统，其利用直接驱动的可变高速离心式压缩机对吸附容器加压和/或抽空，并且进一步对吸附型气体分离系统内的产品气体进行加压。

技术介绍

[0002]从与其他气体的混合物中分离气体是重要的工业过程。在此类方法中，目的可以是获得在气体中增强的产品气体，或者从该产品气体中去除不期望的组分。例如，存在将空气分离成其组分气体以获得氮气、氧气和氩气的商业规模方法，以及在用于其他方法诸如将空气低温分离成其组分气体之前预处理空气的空气预纯化方法。
[0003]可使用吸附方法，具体地讲变压吸附(PSA)和真空变压吸附(VPSA)型方法来实现空气分离。在PSA和VPSA方法中，将压缩空气泵送通过对主要组分中的一者表现出吸附偏好的吸附剂固定床，由此获得在未吸附(或较少吸附)组分中增强的流出产物流。与更传统的低温空气分离方法相比，用于空气分离的吸附方法需要相对简单的装备并且相对易于维护。然而，吸附方法通常具有比许多低温方法更低的产品回收率。出于这个原因，对吸附过程效率的改善仍然是一个重要的目标。一种主要的改善方法是发现和开发更好的吸附剂。一些此类吸附剂在给定的吸附过程中导致循环时间减少。因此，需要能够满足减少循环时间的需求的新装备。
[0004]还持续需要具有较低功耗的PSA和VPSA设备。基本方法采用选择性吸附剂来去除气体混合物的至少一种组分，其采用四个基本工艺步骤：(1)吸附，(2)减压，(3)吹扫，以及(4)再加压。使含有更易于吸附的组分和不太易于吸附的组分的气体混合物穿过至少一个吸附床，该吸附床能够在预定的(上限)吸附压力下选择性地吸附更易于吸附的组分。在这种上限压力下离开床的气流现在在不太易于吸附的组分中浓缩，并且例如作为产品去除。当床变得被易于吸附的组分饱和时，该床随后被减压至较低的解吸压力以解吸易于吸附的组分，然后该气体从系统中排出。一些方法可包括附加步骤，诸如均衡和产品加压。
[0005]常规PSA和VPSA方法采用旋转型容积式鼓风机以用于吸附床中的气体加压或抽空。这些常规的旋转叶式鼓风机通常具有比离心式压缩机更低的效率和更高的维护成本，但是它们确实非常好地适应于变压循环的振荡性质。适于吸附工艺的旋转叶式鼓风机的具有吸引力的特征在于功耗与系统压力要求成比例。鼓风机的理论功耗与系统压差成正比(即，在功耗和压力之间具有线性关系)。这种对系统压力要求的线性功率响应已使得旋转叶式鼓风机成为PSA和VPSA工业所选择的压缩装备。然而，旋转叶式鼓风机在系统中产生强压力脉动。在没有适当缓解的情况下，已知来自旋转叶式鼓风机的压力脉冲在下游工艺装备中引起严重的结构损坏。虽然脉动阻尼容器通常与旋转叶式鼓风机一起使用，但它们不能完全消除失配，并且系统中始终存在相当大的压力脉动水平。
[0006]在过去，在具有和不具有入口导向叶片(IGV)和具有变频驱动器(VFD)的情况下，定速离心式压缩机已被考虑用于PSA和VPSA方法，因为当与常规旋转叶式鼓风机相比时，它
们具有更高的效率。离心式压缩机通常需要能够以高速运行并遵循高动态变压循环，同时保持最佳效率以利用高绝热机器效率。必须采用变速控制和/或IGV或两者的组合来满足可变压力条件。当PSA或VPSA循环压力偏离定速离心式压缩机的设计压力条件时，级效率显著下降，尤其是当在接近1的压力比下操作时(阻塞)。这导致平均功耗增加，并且导致整个PSA或VPSA循环中总体平均压缩机效率的下降。
[0007]然而，该技术在过去不能成功地被采用。使用具有和不具有IGV的常规定速离心式压缩机并不理想，因为它们不能遵循循环变压吸附过程所需的较快速度上升和下降。与使用IGV相比，常规变速离心式压缩机可具有改善的操作范围和改善的节能与流量减少，但是不能快速适应PSA或VPSA循环的瞬态流动条件(由于齿轮的大惯性和较大的缓慢运行的常规感应马达)。
[0008]近年来PSA和VPSA方法已取得若干进展。这些进展中的一些包括：(a)顶部吸附压力与底部解吸压力的比的显著降低，以及(b)循环时间的减少(通常少于一分钟)，从而导致吸附剂库存减少。PSA或VPSA工艺的总能量需求的重要因素是吸附压力与解吸压力的这种比率。通过进料空气压缩设备进行床吸附期间的递送压力以及通过抽空设备进行解吸期间的抽吸压力随循环进行而不断变化。为了实现诸如这样的循环的最低可能总功耗，希望进料压缩设备和抽空设备在宽泛的压力比范围内以峰值效率操作。
[0009]VPSA设备通常被设计成且其尺寸被设计成在最高环境温度条件下满足最大生产要求。然而，由于消费者需求和环境条件的变化，VPSA设备通常在低于设计容量下运行。典型的VPSA下调操作通过延长循环步骤时间来实现，但不改变进料流量以及吸附压力和解吸压力范围。此外，还使用产品再循环流以确保机器操作。因此，VPSA操作在下调模式下不像在设计点处那样节能。本专利技术的目的是通过优化直接驱动的变速离心式进料压缩机、真空压缩机和产品压缩机来改善VPSA设备能量效率和资金效率，以使初始设备资金投入最小化并且在设备的寿命期间实现低单位生产成本。
[0010]美国专利号4,197,096提出了一种在所需压力下将可变产品通过再循环管线和调节阀经由恒量压缩机递送给消费者的方法。
[0011]美国专利号4,197,096公开了可通过经由容积式机器或变速马达驱动的离心机调节真空泵的速率来改善VPSA系统在生产需求减少时的能耗。在VPSA循环之后操作变速离心式压缩机的惯性损失是显著的，并且抵消了容积式机器的效率增益。美国专利号4197096未改变VPSA吸附顶部压力来达到较低的生产需求。所提出的新的较低顶部吸附压力下调方法在美国专利号4,197,096所公开的专利技术方案中根本不适用，因为所采用的容积式压缩机将不能从VPSA获得较低的顶部吸附压力并在没有再循环管线的情况下递送所需的最终压力。较低的产量通过产品压缩机的再循环管线来实现，因此，对于减少的流量，产品压缩机将始终消耗与全流量相同量的功率。对于生产减少而言，VPSA吸附顶部压力保持与全生产相同，预期进料压缩机不节能。因此，预期美国4,197,096的下调能耗显著高于当前专利技术的新下调方法。
[0012]美国专利号5,258,056提出了一种变压吸附工艺和系统，以通过针对给定杂质水平调节进料流量来产生可变的生产需求。生产的下调仅通过基于对测得产品纯度的反馈经由控制阀改变进料流量来实现。吸附压力和/或吸附压力与解吸压力比没有变化。这不同于所提出的下调方法，其中调节进料流量、吸附压力、吸附压力与解吸压力比以在生产减少时
实现最低的能量分离功率，同时满足产品纯度要求。
[0013]美国专利号6,030,435提出了一种用于变压吸附工艺以实现PSA最佳性能的调节方法。主要专利技术是调节进料流温度，使得吸附系统保持峰值性能的最佳温度。调节进料温度的一种方法是在保持相同生产需求的同时改变吸附压力。US6030435中的调节方法示出调节吸附压力可具有P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于在产品需求减少的时期改善吸附气体分离系统的能量效率的方法，其中系统包括：a.至少一个容器，所述至少一个容器容纳至少一个吸附床，所述吸附床包含至少一种吸附材料，和b.至少一个压缩机，其中所述至少一个吸附床被构造用于在操作期间进行循环加压和减压，以通过将所述第一组分选择性吸附到包含至少一种吸附剂的所述吸附床中而将所述进料气体的组分分离成至少第一组分和第二组分，所述方法包括循环地进行的以下步骤：I.在所述循环的吸附步骤期间将进入所述床的进料气体的压力提高至吸附压力，以使得所述第一组分能够被所述吸附剂吸附，所述吸附剂在1.5巴和300k下表现出的传质系数为＞＝12/s，并且N2的固有扩散率为3.5
×
10
‑
6m2/s，II.在所述循环的所述解吸步骤期间，将所述床减压至解吸压力，以便从所述吸附剂解吸所述第一组分，所述吸附压力与所述解吸压力的压力比在约1.5至6.0的范围内；其中在产品需求减少的时期，所述方法包括将所述顶部吸附压力降低至所述至少一个吸附容器的设计最大操作压力的约75％至90％的范围，以降低生产能力，同时实现更高的能量效率。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述系统是PSA或VPSA系统，所述PSA或VPSA系统被构造成回收至少一种选自以下的气体：O2、N2、CO2、H2、Ar或氦气。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一组分的所述吸附剂的所述固有扩散率等于或大于4.0
×
10
‑6m2/sec，并且对于VPSA系统而言，所述吸附压力与所述解吸压力的所述比在约1.5至约3.5的范围内，并且在PSA系统中所述比在约3.0至约6.0的范围内。4.根据权利要求2所述的方法，其中所述进料气体为空气，所述第一组分为氮气并且所述第二组分为氧气。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述吸附剂为SiO2/Al2O3比率小于或等于2.5并且与Li交换(＞70％)的X型沸石，和/或混合的阳离子沸石。6.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括串联或并联的一个或多个床，其中至少一个床处于进料模式，而其他床处于再生模式。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个压缩机为容积型压缩机、旋转动力型压缩机或离心式压缩机。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述至少一个压缩机为容积型压缩机，其中降低所述至少一个吸附容器的所述顶部吸附容器压力，同时通过增加产品控制阀、产品制造阀和/或均衡阀的打开来减少对所述系统中的压力限制，从而保持对所述产品流量的控制。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述至少一个压缩机由相关联的马达驱动，其中所述至少一个压缩机为旋转叶式鼓风机，并且所述相关联的马达是感应马达。10.根据权利要求7所述的方法，其中所述至少一个压缩机为任选地包括入口导向叶片的离心式进料压缩机，其中通过降低进入所述吸附容器的进料流量来降低所述至少一个吸附容器的顶部压力，其中所述较低的进料流量通过降低所述离心式压缩机的压缩机速度，或调节所述压缩机的入口导向叶片的角度，或两者的组合来实现。11.一种操作吸附系统以用于气体分离的方法，所述系统包括：
a.至少一个容器，所述至少一个容器容纳至少一个吸附床，所述吸附床包含至少一种吸附材料，其中所述至少一个床被构造用于在操作期间循环加压和减压；b.至少一个压缩机，所述至少一个压缩机被构造成由相关联的马达驱动，所述相关联的马达包括被设计用于变速操作的直接驱动的高速永磁马达或高速感应马达；和c.装置，所述装置用于接收所...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：