利用离心压缩机的循环吸附工艺制造技术

本发明专利技术提供一种循环吸附工艺，该工艺包含一个或多个吸附剂容器，吸附剂容器至少经过加压和减压的步骤并且由一个或多个变速离心机驱动，变速离心机在加速和减速条件下操作并且适于所采用的步骤、容器尺寸和工艺条件，其中工艺循环时间大于惯性变化——其限定在循环期间由于惯性变化导致的损耗的最大能量——与多个离心机中的一个在不存在惯性效应时消耗的总功率的0.3倍之间的比率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用离心压缩机的循环吸附工艺
本专利技术提供用于利用离心机分离气体流组分的改进的循环吸附系统以及工艺。更具体地，本专利技术涉及利用在循环的加速和减速状态下操作的一个或多个变速驱动离心压缩机的吸附工艺，其中选择工艺循环时间以使压缩机功率消耗最小化且工艺的效率最大化。
技术介绍
循环吸附工艺众所周知并且典型地用于从较不易吸收的组分气体中分离较易吸收的组分气体。示例包括：变压吸附（PSA）或真空变压吸附（VPSA）工艺，其利用低压或真空和吹扫气体来再生吸着剂；以及变温吸附（TSA）工艺，其利用例如热的吹扫气体等热驱动力来解吸杂质。这些工艺通常用于从空气中分离氧气或氮气、从供给空气气体中分离诸如碳氢化合物和/或水蒸气等其他杂质、从一氧化碳中分离氢气、从其他气体混合物中分离碳氧化合物，等等。这些工艺还用于在低温空气分离之前从空气中去除例如水蒸气和碳氢化合物等杂质。可使用任何用于分离或提纯气体组分的循环吸附系统。用于说明的目的，在此描述了用于从空气中分离氧气的典型的VPSA工艺，尽管本专利技术可与利用离心压缩机的其他循环吸附工艺一起使用并且并不意于限于该工艺。典型的循环VPSA工艺是其中吸附剂床经过如下阶段的工艺：1.将吸附剂床加压至期望的压力，其中当供给空气通过该床时由吸附剂容易地吸附氮气；2.当供给空气中的氮气被吸附时产生了富含氧气的产品气体；3.将包含吸附剂的床抽空至低压（典型地处于真空），其中将吸附的氮气从吸附剂床中的吸附剂中解吸；以及，优选地，4.使吹扫气体通过该床以去除任何剩余的氮气。技术人员应理解循环时间意指完成一个循环所需的时间的总量，例如，工艺按步骤依次进行并且然后返回至初始状态。一些吸附工艺将具有更多步骤或多个床并且经常对于各个加压和减压步骤使用一个或多个鼓风机。如果VPSA设备包含两个或更多个吸附剂容器，那么各个容器均经过以上步骤；然而，两个容器不同步地操作，使得当一个容器在生产产品时另一个进行再生。而且，在两床工艺中典型地使用两个鼓风机，其中一个专门用于将气体供给至吸附剂容器，而另一个专门用于抽空吸附剂容器。无论是使用单个容器、两个容器或甚至更多个容器，当工艺从吸附向解吸循环时在工艺内的压力和流量迅速地变化。通常，容器的压力将在快速的周期循环时间内——例如小于一分钟——从位于大气压或低于大气压的低压状态——优选地低于大气压，例如约6至8psia（磅/平方英寸）——向高于大气压的高压状态——例如约19至24psia——变化。一些吸附工艺在类似的快速的循环时间内将需要甚至更宽的压力和/或真空跨度。传统上，VPSA设备使用例如在固定速度下操作的旋叶鼓风机等正位移机以使气体移动通过该工艺。这些机器是耐用的，并且当压力和流量变化并反转时一般不会受到任何重大的操作问题。然而，这些机器具有低的功率效率，并且传统的机器仅为60%-65%的效率。因此浪费掉供应至这些机器的能量的约35%-40%。因此显然期望用能够满足快速循环状态的严格要求的更有效的机器来取代传统的旋叶机器。一类这种机器是由直驱变速高速永磁马达或变速高速感应马达来驱动的离心压缩机。这种压缩机具有已知的约85%的效率。在使用这种压缩机时所涉及的挑战在于其性能对于压力的变化非常敏感，例如在变压吸附工艺期间出现的快速的压力改变。在如此处描述的吸附工艺的快速循环工艺中使用的离心压缩机高度地易受到频繁相反的操作状态或情况的影响——已知为涌浪效应和石墙效应，这在下文将更全面地描述。这些状态可导致低的功率效率和对压缩机叶轮及其他压缩机或系统部件的损坏或故障，并且因此已在实践中避免。因此，如果要在循环吸附工艺中成功地利用更有效的离心机取代正位移机，那么有必要解决涌浪效应和石墙效应的不利情况。已提出将离心压缩机用于在吸附工艺中使用。例如，美国专利No.5,555,749提出在循环的抽尽部分（减压）期间离心压缩机在吸附系统中的使用。美国专利No.7,785,405B2公开了用于气体分离的系统和工艺，利用高速永磁变速马达来加速和减速在变压吸附（PSA）或真空变压吸附（VPSA）工艺中使用的离心压缩机。这些专利没有教示一种工艺，在该种工艺中选择最佳循环时间来从这种压缩机的使用中实现功率效益。
技术实现思路
本专利技术提供针对离心机在循环吸附工艺中的使用的改进的工艺以及系统。该专利技术提供一种方法，其用于通过使石墙效应的不利状态最小化来实现利用离心机替代传统的正位移机的功率效益，石墙效应与压头的快速减小相关联，压头与在工艺的某些步骤期间气体突然流出或流入容器相关联。尽管已知离心机比传统的正位移机更高效，但当在这种处于加速和减速状态下操作的循环工艺中使用时未实现功率优势，除非将工艺循环时间调节为大于预定值，该预定值基于离心叶轮和其他运动部分的惯性力矩计算。通过将吸附工艺调整为使用较长的循环时间，可使石墙效应最小化并且更充分地实现离心机的效率。换言之并且如下面更加充分地说明，在操作期间机器使用的能量就是对于完成必需的工艺步骤所需的时期段将工艺气体从吸入压力压缩至排出压力所需的能量加上使压缩机叶轮（包括转子和其他运动部分）的速度从低操作速度增加至高操作速度所需的能量。现已发现对于在加速/减速状态下操作的给定的离心机，克服惯性力矩所需的能量始终是固定的。因此，将每循环时间的惯性能量（或惯性功率）相对于总生产率的比率最小化以实现离心机的最佳操作。根据本专利技术的一个实施方式，提供一种循环吸附工艺，其包括一个或多个吸附剂容器，吸附剂容器在循环中至少经过加压、减压和吹扫的步骤并且由在加速和减速状态下操作的一个或多个变速离心机驱动，变速离心机适于所采用的步骤、容器尺寸和工艺条件，其改进包括操作该工艺使得循环时间大于如下比率，该比率为Δinertia与多个离心机中的一个在不存在惯性效应时消耗的总功率的0.3倍之间的比率。根据本专利技术的另一实施方式，提供一种用于改进利用正位移机——其包含至少经过加压和减压步骤的一个或多个吸附剂容器——的循环吸附工艺的功率效率的方法，该方法包括：利用变速离心机取代正位移机；在加速和减速状态下操作离心机，该离心机适于所采用的步骤、吸附剂容器尺寸和工艺条件；以及将工艺循环时间调节成大于如下比率，该比率为计算的Δinertia与不存在惯性效应时的离心机功率消耗的0.3倍之间的比率。在本专利技术的又一实施方式中，提供一种对于在高压状态和低压状态之间循环的变压吸附工艺，并且其中该循环至少包括加压和减压步骤，该工艺包括循环地操作与至少一个吸附剂容器流体连通的至少一个变速离心压缩机，以从低操作速度加速至高操作速度来获得高循环压力状态并且从高操作速度减速至低操作速度来获得低循环压力状态，其中调节循环时间使得离心压缩机处于石墙效应状态的时间段不大于在所采用状态下的工艺的循环时间的40%。在又一实施方式中，提供一种利用至少一个离心压缩机用于在变压吸附或真空变压吸附工艺中使用的吸附剂容器的加压和减压步骤的方法，其中压缩机适于所采用的具体步骤、吸附剂容器尺寸和工艺条件，该方法包括：利用变频驱动器控制马达将离心压缩机从不大于7000RPM（转数/分）的低操作速度驱动到至少大于13000RPM的高操作速度；根据工艺需要循环地操作压缩机一时间段以从低操作速度加速至高操作速度并且从高操作速度减速至低操作速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括一个或多个吸附剂容器的循环吸附工艺，所述吸附剂容器在循环中至少经过加压、减压和吹扫的步骤并且由在加速和减速状态下操作的一个或多个变速离心机驱动，所述变速离心机适于所采用的步骤、容器尺寸和工艺状态，改进包括操作所述工艺使得循环时间大于如下比率，该比率为Δinertia与多个离心机中的一个在不存在惯性效应时将消耗的总功率的0.3倍之间的比率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.06.24 US 13/168264;2012.02.08 US 13/3684031.一种包括一个或多个吸附剂容器的循环吸附工艺，所述吸附剂容器在循环中至少经过加压、减压和吹扫的步骤并且由在加速和减速状态下操作的一个或多个变速离心机驱动，所述变速离心机适于所采用的步骤、容器尺寸和工艺状态，改进包括操作所述工艺使得循环时间大于如下比率，该比率为Δinertia与多个离心机中的一个在不存在惯性效应时将消耗的总功率的0.3倍之间的比率，其中KEmax=∙I∙ωmax2KEmin=∙I∙ωmin2Δinertia=KEmax−KEmin其中，I是绕旋转轴线的转子、轴和叶轮的惯性力矩，ωmax和ωmin是以每单位时间的弧度来表示的转子、轴和叶轮的旋转的最大和最小速度，而KEmax和KEmin是转子、轴和叶轮的旋转的动能。2.根据权利要求1所述的循环吸附工艺，其中所述工艺为用于氧气从空气中的分离的VPSA工艺。3.根据权利要求2所述的循环吸附工艺，其中所述工艺循环时间至少为27秒。4.根据权利要求1所述的循环吸附工艺，其中在所述循环中所述步骤至少包括加压、减压、均衡、抽空以及吹扫。5.根据权利要求2所述的循环吸附工艺，其中所述离心机的效率比当在所述工艺中使用时的正位移机的效率至少大10%。6.根据权利要求1所述的循环吸附工艺，其中所述离心机具有直驱变速高速永磁马达，所述马达具有变频驱动器。7.根据权利要求1所述的循环吸附工艺，其中所述离心机具有直驱变速高速感应马达，所述马达具有变频驱动器。8.一种改进循环吸附工艺的功率效率的方法，所述循环吸附工艺使用正位移机并包含至少经过加压和减压的步骤的一个或多个吸附剂容器，所述方法包括：利用变速离心机取代所述正位移机；在加速和减速的状态下操作所述离心机，所述离心机适于所采用的步骤、吸附剂容器尺寸和工艺状态；以及将所述工艺循环时间调节成大于如下比率，所述比率为计算的Δinertia与不存在惯性效应时的离心机功率消耗的0.3倍之间的比率，其中KEmax=∙I∙ωmax2KEmin=∙I∙ωmin2Δinertia=KEmax−KEmin其中，I是绕旋转轴线的转子、轴和叶轮的惯性力矩，ωmax和ωmin是以每单位时间的弧度来表示的转子、轴和叶轮的旋转的最大和最小速度，而KEmax和KEmin是转子、轴和叶轮的旋转的动能。9.根据权利要求8所述的改进循环吸附工艺的功率效率的方法，其中所述工艺为VPSA或PSA工艺。10.根据权利要求9所述的改进循环吸附工艺的功率效率的方法，其中所述步骤至少包括加压、减压、均衡、抽空以及吹扫，并且所述离心机具有的效率比当在所述工艺中使用时的所述正位移机的效率至少大10%。11.根据权利要求9所述的改进循环吸附工艺的功率效率的方法，其中所述工艺循环时间至少为27秒。12.一种对于在高压状态和低压状态之间循环的变压吸附工艺，并且其中所述循环至少包括加压和减压步骤，所述工艺包括循环操作与至少一个吸附剂容器流体连通的至少一个变速离心压缩机以从低操作速度加速至高操作速度来获得高循环压力状态并从高操作速度减速...

【专利技术属性】
技术研发人员：PW贝兰格，MS曼宁，AC罗辛斯基，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：
国别省市：