空气分离设备、吸附器及方法技术

一种经由空气分离单元(ASU)系统的预净化单元(PPU)净化空气的方法，空气分离单元系统具有位于PPU上游的预PPU冷却器，以在将压缩空气送至PPU之前冷却该压缩空气，该方法可包括以下步骤，使空气通过PPU的吸附器，以使空气通过吸附器的容器内吸附材料床层。响应于预PPU冷却器被确定存在导致预PPU冷却器跳闸或要求预PPU冷却器脱机的问题，仍应继续以满负荷运行ASU系统，即使PPU的空气输出中一氧化二氮(N2O)超过第一预选阈值且低于与二氧化碳(CO2)突破相关联的第二预选阈值。可以设计ASU及PPU来实现方法的实施例。及PPU来实现方法的实施例。

【技术实现步骤摘要】
空气分离设备、吸附器及方法


[0001]本专利技术涉及空气分离系统、可在此类系统中使用的预净化单元布置、空气分离系统中用于净化空气的吸附器，以及其制造及使用的方法。

技术介绍

[0002]变温吸附(TSA,Thermal Swing Adsorption)经常与变压吸附(PSA,Pressure Swing Adsorption)等技术一起用作空气低温蒸馏过程的预净化。TSA的功能为去除具有高凝固点的成分，诸如环境湿气(例如，水蒸汽、H2O)及二氧化碳(CO2)等，否则这些成分会在下游处理中冻结，从而导致堵塞等操作性问题。一氧化二氮(N2O)、碳氢化合物(如甲烷、CH4等)及其他杂质也可以经由前端净化去除，以避免这些杂质在下游过程中积聚。
[0003]净化单元通常使用吸附器。吸附器通常有四种不同常见配置：垂直、垂直横流、水平及径向。这些类型的吸附器、TSA系统及PSA系统的实例可从美国专利第4,472,178号、第4,541,851号、第4,784,672号、第5,137,548号、第5,232,474号、第5,425,240号、第5,759,242号、第5,846,295号、第5,917,136号、第6,086,659号、第6,106,593号、第6,152,991号、第6,506,236号、第6,599,347号、第6,866,075号、第7,022,159号、第7,285,154号、第7,413,595号、第8,206,669号、第8,262,783号、第8,268,044号、第8,404,024号、第8,518,356号、第8,734,571号、第8,814,985号、第9,108,145号、第9,199,190号、第9,631,864号及第9,731,241号，美国专利公开第2011/0206581号、第2011/0219950号及第2019/0291078号，以及加拿大专利公开第2,357,276A号中显而易见。
[0004]如美国专利第6,106,593号所公开，已知应从进料空气中去除氮氧化物以进行空气分离。一种次要空气成分是一氧化二氮N2O，其以约0.3ppm浓度存在于环境空气中。正如美国专利第6,106,593号中教示，N2O被认为具有与二氧化碳相似的物理性质，并且因此认识到会带来潜在操作问题，这是因为在将空气分离成一或多种产品(例如氧气、氮气等)的低温蒸馏系统的空气分离塔及热交换器中会形成固体。
[0005]美国专利第6,106,593号还公开，已知N2O可增强有机材料的燃烧，并具有冲击敏感性。美国专利第6,106,593号公开，N2O也被认为对低温蒸馏系统的运行存在安全隐患。

技术实现思路

[0006]我们确定，空气分离单元(ASU,air separation unit)系统通常必须考虑与使用冷却器在将空气流送至预净化单元(PPU,pre
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purification unit)之前冷却压缩空气相关联的已知运行问题。在常规ASU系统中，空气的冷却非常重要，有助于确保PPU的空气流输出中一氧化二氮及二氧化碳不会超过极低的预选阈值。例如，机械式冷却器每年经常会出现多次设备故障。例如，机械式冷却器的压缩机每年运行中可能会发生约1
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2次故障(如断裂、停止工作等)(并且有时更频繁)。其他类型的预期故障可能包括热交换器泄漏或堵塞、吸收式冷却器的泵故障、水平传感器故障、致动器故障、控制系统错误或故障、阀门故障或其他类型的机械故障。由于该已知冷却器运行问题，藉由提供冗余冷却器作为备用冷却器，通常
会增加投资费用，以解决此类问题。或者，ASU系统可以被设计为具有显著更大PPU，该PPU的构建成本可能更高，并且由于不使用冷却器及将被送入PPU的空气流的较高输入运行温度，可能会产生更高运行成本。或者，ASU系统可经设计以在冷却器故障期间关闭(以低于设计功率运行)，并用储罐中备用液体产品运行，这对投资费用有重大影响。本领域中已经常规开发了这些布置，以帮助确保ASU系统1在PPU的CO2及N2O突破其非常低预定过程范围时不运行，以避免可能影响系统安全的下游处理问题。
[0007]我们已经确定，可以实现该安全预防行动的目标，同时也允许在ASU系统中改进冷却器的使用，以提高运行效率，同时也保持ASU系统持续运行的安全性。我们已经确定，可以安全允许N2O在相对较短预选持续时间(例如，不超过14天、不超过7天或不超过2天等)内以较高水平通过ASU系统的预净化单元(PPU)，来考虑可在预选持续时间内解决及消除的冷却器故障，同时还提供了可降低成本及提高盈利能力的显著优势，同时保持安全运行。例如，我们确定，允许N2O在相对较短持续时间内以高于第一阈值水平的较高水平通过，同时可允许仍处于与CO2突破相关联的第二阈值水平来通过PPU，并且不会造成直接安全问题或其他直接运行问题。相比之下，CO2突破将带来此类问题。
[0008]藉由允许ASU系统在预PPU冷却器维护或预PPU冷却器的其他跳闸期间以满负荷运行，与ASU关闭或以较低负荷运行相比，ASU可以继续以更高整体利润及效率运行，以考虑预PPU冷却器的运行状态。我们确定，允许N2O在超过第一预选运行阈值同时仍低于与CO2突破相关联的第二预选阈值的水平下突破PPU，可以防止ASU系统中N2O过度积聚，这在相对较短持续时间内不会产生需要解决冷却器跳闸情况(例如，压缩机故障、泵故障等，例如这可能需要1
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14天才能解决，至多7天解决，或至多2天解决)的问题。在此类条件约束下，允许N2O突破超过PPU可以避免与CO2突破相关联的严重问题，并且可以藉由调整ASU系统的除霜间隔使该间隔稍微缩短(例如缩短1
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4个月、缩短0.5
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5个月、缩短0.5
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2个月等)来缓解，以考虑在增加的N2O水平下的持续时间。
[0009]由于N2O水平升高不会立即造成问题，我们确定，在严格控制CO2的同时，运营权衡允许N2O突破PPU。此外，可以在ASU系统的其他运行时间进一步缓解升高的N2O情况，这可对ASU系统的运营商更有利，而不会显著抵消允许系统的有限N2O突破运行所带来的运营效率及成本节约。
[0010]PPU、ASU系统及方法的实施例可以提供与投资费用的降低有关的额外益处。例如，实施例可以在允许PPU容器尺寸保持在较小尺寸的同时，允许冷却器是否可操作的灵活性，这会影响投资费用。传统上，随着PPU进料温度升高(诸如，当冷却器跳闸时)，通常期望必须增加PPU尺寸，以考虑此类运行情况，因为需要更多分子筛来确保CO2及N2O的去除。我们的ASU系统及方法的实施例的一个意想不到的益处为，还可以以更低投资费用及使用更少量分子筛吸附材料来提供运行灵活性及连续性。
[0011]例如，当ASU系统没有在高N2O水平下运行(例如，在关闭和/或冬季环境运行条件下)时，系统可以采取纠正行动，以帮助缓解可对系统的运行单元造成不利影响的N2O积聚。例如，考虑到N2O升高对系统运本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于空气分离单元(ASU)系统的预净化单元(PPU)的吸附器，包含：容器，可连接在压缩机系统与热交换器之间；吸附材料床层，置于所述容器中；所述吸附材料床层用以从送至所述PPU的压缩空气流中去除水及二氧化碳(CO2)，并且还用以去除一氧化二氮(N2O)，以便所述PPU的空气输出中N2O低于第一预选阈值；所述吸附材料床层被配置为，响应于预PPU冷却器被确定存在导致所述预PPU冷却器跳闸或要求所述预PPU冷却器脱机的问题，所述PPU可以满负荷运行，以使所述PPU的所述空气输出中所述N2O超过所述第一预选阈值，并低于与CO2突破相关联的第二预选阈值。2.根据权利要求1所述的吸附器，其中所述第一层吸附材料包含氧化铝，并且所述第二层吸附材料包含NaX、NaLSX或NaMSX。3.根据权利要求2所述的吸附器，其中所述吸附材料床层包含单层材料或多层材料。4.根据权利要求3所述的吸附器，其中所述第一预选阈值在0
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0.2ppm N2O的范围内，并且所述第二预选阈值在0.2
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0.32ppm N2O的范围内。5.根据权利要求1所述的吸附器，其中选择所述第一预选阈值使得从所述空气中去除送至所述PPU的所述空气中20％
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100％的所述N2O，并且选择所述第二预选阈值使得从所述空气中去除送至所述PPU的所述空气中低于50％的所述N2O。6.一种经由空气分离单元(ASU)系统的预净化单元(PPU)净化空气的方法，所述空气分离单元(ASU)系统具有位于所述PPU上游的预PPU冷却器，以在压缩空气被送至所述PPU之前冷却所述压缩空气，所述方法包含以下步骤：使空气通过所述PPU的吸附器，以使所述空气通过所述吸附器的容器内吸附材料床层；响应于所述预PPU冷却器被确定存在导致所述预PPU冷却器跳闸或要求所述预PPU冷却器脱机的问题，仍应继续以满负荷运行所述ASU系统，即使所述PPU的空气输出中一氧化二氮(N2O)超过第一预选阈值，并低于与二氧化碳(CO2)突破相关联的第二预选阈值。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述吸附材料床层包含氧化铝、硅胶、13X、NaX、NaLSX、NaMSX或其组合，其粒径范围在1.0毫米(mm)至5mm之间。8.根据权利要求6所述的方法，包含以下步骤：监测所述PPU的所述空气输出中二氧化碳(CO2)含量。9.根据权利要求6所述的方法，包含以下步骤：在所述ASU系统的所述预PPU冷却器重新联机且所述PPU的所述空气输出不再有超过所述第一预选阈值的N2O后，采取补救行动以解决所述PPU的所述空气输出中过量N2O。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述补救行动包括缩短所述ASU系统的除霜间隔，以考虑所述ASU系统在所述PPU的所述空气输出中N2O超过所述第一预选阈值的情况下运行的持续时间。11.根据权利要求10所述的方法，其中缩短所述除霜间隔的步骤包括减少所述ASU系统计划进行除霜之前的时间量。12.根据权利要求6所述的方法，其中：所述第一预选阈值在0
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0.2ppm N2O的范围内，并且所述第二预选阈值在0.2
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0.32ppm N2O的范围内，或者选择所述第一预选阈值，以便从所述空气中去除送至所述PPU的所述空气中20％
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100％的所述N2O，并且选择所述第二预选阈值，以便从所述空气中去...

【专利技术属性】
技术研发人员：N，
申请(专利权)人：气体产品与化学公司，
类型：发明
国别省市：