专利名称：用于变压吸附系统的阀门操作诊断方法
背景技术：
变压吸附是众所周知的方法，其用于分离大量气体(bulk gas)混合物和纯化含有不合需要的杂质的气流。该方法已被研发并适于很多进料气体、操作条件、产品回收、和产品纯度。大多数大规模变压吸附(PSA)系统利用多个在交错顺序循环中操作的平行吸附床，该循环采用典型的工艺步骤进料/吸附、压力平衡(pressure equalization)、降压、提供吹扫、吹扫(purge)、和再压(repressurization)。这些PSA系统广泛用于回收和纯化有价值的气体产品如氢、碳氧化物、合成气、轻质烃、和大气的化学工艺工业。
因为需要大量的转换阀用于多个吸附床的循环操作，故这些PSA系统的设计会产生复杂的操作难题。例如，相对简单的四床PSA系统具有至少24个阀门，而大规模的十床PSA系统会具有高达67个阀门。为符合产品回收和纯度的设计规格，PSA系统的操作要求这些阀门可靠地长时间运行。然而，所有的阀门最终将经历某种故障，从而必须替换。阀门测试和替换可在定期的检修停工期间进行，但是在定期停工之间可能出现一些阀门故障。
阀门故障可包括例如阀门不能完全打开或关闭、阀门对控制信号的缓慢响应，阀门对控制信号无响应，和由于有缺陷的阀杆密封导致的向大气泄漏。这些类型的故障可由熟练设备操作员相对容易地检测到。另一类型的阀门故障是由于密封退化导致的气体穿过关闭阀门的泄漏。这种类型的故障比其它类型的故障更加难以检测，因为其通常缓慢地发生并且因此对于设备操作员而言并非直接明显的。当该操作员最终意识到阀门正在泄漏时，这可能已发生了数周甚至数月，根据可得的工艺信息的分析确定哪个阀门正在泄漏是一项困难且耗时的任务。由于吸附器的不平衡操作或由于产品气的直接损失，这种类型的泄漏会导致PSA设备的性能下降。此外，这种泄漏最终会进展到该PSA设备停机离线之时，例如由于产品气中的杂质浓度超出规定界限。这导致了计划外的停工期和设备拥有者的经济损失。
为鉴别在闭合位中具有密封缺陷的阀门，密封测试通常在周期性的检修停工期间进行。然而，这种检查耗时、费力、且延长了停工期，从而导致生产损失。此外，检修停工之间的时间可能是数月至两或多年。
在PSA气体分离技术领域需要改进的操作方法来检测和鉴定泄漏阀门，同时该设备处于定期检修停工之间的操作中。这种需要由以下所述的本发明实施方案解决并且由随后的权利要求限定。
发明内容
本发明的实施方案涉及操作变压吸附系统的方法，包括(a)提供变压吸附系统，其具有多个平行吸附容器和多个阀门与气体歧管(manifold)，其适于在包括至少进料步骤、降压步骤、再生步骤、和再压步骤的顺序工艺步骤循环系列中引入气体到各吸附容器并且从各吸附容器中放出气体；(b)操作在包括至少进料步骤、降压步骤、再生步骤、和再压步骤的顺序工艺步骤循环系列中的各吸附容器，其中该多个阀门中的每一个都以预定的阀门操作顺序在顺序工艺步骤循环系列期间打开和关闭至少一次；(c)确定操作参数值，该参数是在选定的工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供到接收吸附容器或从吸附容器中放出的气体质量的函数；(d)确定操作参数值与预定参照值的偏离；和(e)使用(d)偏离的量值和方向来确定任何阀门是否正在泄漏，其中(1)当(d)偏离的绝对值低于预定最小值时，没有阀门被鉴定为泄漏和(2)当(d)偏离的绝对值高于预定最小值时，至少一个阀门被鉴定为泄漏。
该操作参数可以是气体转移参数Gp，由以下方程定义Gp＝f(mt)其中，mt是于时间t内，在选定的工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供到接收吸附容器的气体质量。
Gp可等于(1)于时期t内，在选定的工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供到接收吸附容器的气体实际质量；(2)于时期t内，在该工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供到接收吸附容器的气体体积，其中，该气体体积在任意标准温度和压力下定义；或(3)时期t内，在该工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供气体到接收吸附容器的吸附容器中压力的降低。
备选地，该操作参数可由以下方程定义为压力归一化的气体转移参数GpnGpn＝Gp/ΔPR其中ΔPR是在于时期t内，该工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间接收气体的吸附容器中压力的升高，并且Gp定义为Gp＝f(mt)其中，mt是于时期t内，在工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供到接收吸附容器的气体质量。
在该备选方案中，Gp可等于(1)于时期t内，在选定的工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供到接收吸附容器的气体实际质量；(2)于时期t内，在该工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供到接收吸附容器的气体体积，其中，该气体体积在任意标准温度和压力下定义；或(3)时期t内，在该工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供气体到接收吸附容器的吸附容器中压力的降低。
在另一备选方案中，该操作参数可由以下方程定义为流量归一化的气体转移参数GpfGpf＝Gp/Gr其中Gp定义为Gp＝f(mt)其中，mt是于时期t内，在工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间由吸附容器提供用于转移到接收容器的气体质量，且其中Gr定义为Gr＝f(mtr)其中mtr是于时期t内，在工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间流入接收容器的气体质量。
该选定的工艺步骤可以是再压步骤。在此情况下，该操作参数可以是由以下方程定义的压力归一化气体转移参数GpnGpn＝Gp/ΔPR其中ΔPR是在该再压步骤或再压步骤的一部分期间、于时期t内，接收再压气体的吸附容器中压力的升高，并且Gp等于于时期t内、在该再压步骤或再压步骤的一部分期间提供到该吸附容器的气体体积，且其中该气体体积在选定温度和压力下定义。
该顺序工艺步骤的循环系列可包括平衡步骤，其中吸附容器降压是通过从其中放出降压气体并将降压气体抽取到压力正在升高的接收吸附容器中。在这种情况下，该操作参数可由以下方程定义为压力归一化气体转移参数GpnGpn＝Gp/ΔP其中Gp是时期t内、在该平衡步骤或平衡步骤的一部分期间提供气体的吸附容器中压力的降低，并且ΔP是时期t内，在该平衡步骤或平衡步骤的一部分期间接收气体的接收吸附容器内的压力升高。
该选定的工艺步骤可以是放空或吹扫步骤。在这些情况下，该操作参数可以是由以下方程定义的气体转移参数GpGp＝f(mt)其中mt是放空步骤或吹扫步骤期间吸附容器中排出的气体质量。
本发明的另一实施方案涉及操作变压吸附系统的方法，包括(a)提供变压吸附系统，其具有多个平行吸附容器和多个阀门与气体歧管，其适于在包括至少进料步骤、降压步骤、再生步骤、和再压步骤的顺序工艺步骤循环系列中引入气体到各吸附容器并且从各吸附容器中放出气体；(b)提供包括氢和一种或多种杂质组分的进料气体；(c)操作在包括至少进料步骤、降压步骤、再生步骤、和再压步骤的顺序工艺步骤循环系列中的各吸附容器，其中该多个阀门中的每一个都在顺序工艺步骤循环系列期间以预定的阀门操作顺序打开和关闭至少一次，其中该进料气体在进料步骤期间通过吸附容器以吸收该一种或多种杂质组分的至少一部分，且其中在进料步骤期间从吸附容器中放出纯化的氢产品气体；(d)确定操作参数值，该参数是在选定的工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供到吸附容器的气体质量的函数；(e)确定操作参数值与预定参照值的偏离；和(f)使用(e)偏离的量值和方向来确定任何阀门是否正在泄漏，其中(1)当(e)偏离的绝对值低于预定最小值时，没有阀门被鉴定为泄漏和(2)当(d)偏离的绝对值高于预定最小值时，至少一个阀门被鉴定为泄漏。
该选定的工艺步骤可以是再压步骤并且该再压气体可以是经纯化的氢产品气的一部分。在这种情况下，操作参数可以是由以下方程定义的压力归一化气体转移参数GpnGpn＝Gp/ΔP其中ΔP是时期t内，在该再压步骤或再压步骤的一部分期间接收经纯化的氢产品气体的吸附容器内的压力升高，且Gp等于时期t内、在该再压步骤或再压步骤的一部分期间提供给吸附容器的纯化氢产品气体体积，且气体体积在选定温度和压力下定义。
在该实施方案中，顺序工艺步骤的循环系列可包括平衡步骤，其中吸附容器降压是通过从其中放出降压气体，并引入该降压气体到其中压力比正在被降压的吸附容器压力低的另一吸附容器中。在更具体情况下，顺序工艺步骤的循环系列可包括平衡步骤，其中吸附容器在其进料步骤之后立即被降压，通过从其中放出降压气体并且将该降压气体引入处于紧接着其再压步骤之前的另一吸附容器。
附图简述附
图1是示例性四床变压吸附系统的工艺流图示。
附图2是具有一个进料床和两个均压步骤的四床变压吸附工艺的循环表和床压力曲线图。
附图3是显示这些床之一的附图1的放大部分。
附图4A是用于鉴定采用附图2的PSA循环的再压步骤期间泄漏阀门的诊断表。
附图4B是用于鉴定采用附图2的PSA循环的平衡2步骤期间泄漏阀门的诊断表。
附图5是用于鉴定采用附图2的PSA循环的平衡2和再压步骤期间泄漏阀门的通用诊断表。
附图6A是对于没有泄漏阀门的四床变压吸附系统中再压步骤的参照基线检查的Gpn对时钟时间的标绘图。
附图6B是对于没有泄漏阀门的四床变压吸附系统中平衡2(降压-再压)步骤的参照基线检查的Gpn对时钟时间的标绘图。
附图7A是对于当附图1的阀门25(床B上的尾气阀门)遭到故意泄漏时，四床变压吸附系统中再压步骤的Gpn对时钟时间的标绘图。
附图7B是对于当附图1的阀门25(床B上的尾气阀门)遭到故意泄漏时，四床变压吸附系统中平衡2(降压-再压)步骤的Gpn对时钟时间的标绘图。
附图8A是对于当附图1的阀门23(床B上的EQ1阀门)遭到故意泄漏时，四床变压吸附系统中再压步骤的Gpn对时钟时间的标绘图。
附图8B是对于当附图1的阀门23(床B上的EQ1阀门)遭到故意泄漏时，四床变压吸附系统中均压2(降压-再压)步骤的Gpn对时钟时间的标绘图。
附图9A是对于当附图1的阀门24(床B上EQ2-提供吹扫阀门)遭到故意泄漏时，四床变压吸附系统中再压步骤的Gpn对时钟时间的标绘图。
附图9B是对于当附图1的床B上阀门24(EQ2-提供吹扫阀门)遭到故意泄漏时，四床变压吸附系统中平衡2(降压-再压)步骤的Gpn对时钟时间的标绘图。
附图10A是对于当附图1的阀门21(床B上进料阀门)遭到故意泄漏时，四床变压吸附系统中再压步骤的Gpn对时钟时间的标绘图。
附图10B是对于当附图1的阀门21(床B上进料阀门)遭到故意泄漏时，四床变压吸附系统中均压2(降压-再压)步骤的Gpn对时钟时间的标绘图。
具体实施例方式
本发明的实施方案提供检测和鉴定在操作PSA系统中泄漏阀门的诊断方法，通过确定一个或多个限定的操作参数，该参数为具体工艺步骤期间在吸附器之间转移的、引入吸附器的、或从吸附器转移到接收容器的气体量的函数，并将这些限定的操作参数与参照值比较。该确定和比较可以连续(即对于每一个循环)或周期性进行。例如在一个实施方案中，该确定和比较可在每日的测试期期间进行。连续确定的参数与参照值的偏离显示了阀门泄漏，在很多操作循环中这些参数的阐述鉴定了疑为泄漏的具体阀门或一小组具体阀门。
该实施方案也包括了对PSA系统操作进行特征化的方法以鉴定具体的一个或多个泄漏阀门。在本公开内容中，阀门泄漏定义为不合需要的液流穿过在PSA循环中特定时期期间旨在关闭的阀门。该泄漏可能由阀门中任何机械或操作异常引起。例如，由于磨损或不当装配，阀门密封可能没有恰当地执行，从而引起穿过阀门的泄漏。在另一实施方案中，机械、电、或控制系统会发生故障，使得本应关闭的阀门实际上并未完全关闭，从而引起穿过阀门的泄漏。
PSA系统利用多个在交错顺序循环中操作的平行吸附床，该循环采用下列工艺步骤进料/吸附、均压、降压、提供吹扫、吹扫、和再压。循环期间最大压力通常高于大气压，且该循环期间最小压力可高于、等于或低于大气压。吸附床之间的气体转移出现于均压、吹扫/提供吹扫、和再压步骤期间。以下将会更加详细地描述，均压步骤将气体从压力正在降低的床转移到压力正在升高的另一床，提供吹扫步骤将气体从压力正在降低的床提供到在相对恒定较低压力下被吹扫的另一床。在再压步骤期间，来自一个或多个床(取决于在任何给定时间处于进料/吸附步骤的床数目)的产品气的一部分被转移到处于较低压力的被再压的床。参数，其为处于这些工艺步骤的某些步骤期间，特别是平衡和再压期间的吸附器之间转移的气体量的函数，可如下所述用于确定和鉴定系统中泄漏阀门。放空和吹扫步骤也可用于该确定。
气体转移参数Gp，可定义为这样的参数PSA气体转移步骤、气体转移步骤的一部分、或一系列气体转移步骤(其中气体从一个或多个其它吸附床转移到压力正在升高的吸附床)期间转移气体质量的和由其推导的函数，该气体转移参数定义如下Gp＝f(mt)其中，mt是于时期t内，在气体转移步骤、气体转移步骤的一部分、或一系列气体转移步骤期间提供转移的气体质量。气体转移步骤定义为PSA循环中的一个工艺步骤，在此期间气体从吸附容器转移到另一吸附容器或转移到气体接收容器。
表达Gp＝f(mt)具有通常的数学含义，其中因参数或变量Gp与自变量mt具有任意数学关系(即函数)。例如该关系可以是线性或非线性的。术语“提供用于转移的气体质量”是指来自一个或多个吸附床的经测量、计算、或推断的气体质量，用于转移到另一吸附床或气体接收容器如缓冲罐。如果在气流从提供床到接收床的路径上没有泄漏阀门，则提供用于转移的气体质量将等于接收床(或容器)接收到的气体质量。如果有泄漏阀门，则提供用于转移的气体质量将不同于接收床接收的气体质量。
Gp值可以是时期t内对质量流量计输出积分或叠加质量流量计的输出而定义的气体实际质量，且可具有的单位例如克、克-摩尔、磅、或磅-摩尔。
备选地，Gp值可以是时期t内对体积流量计输出积分或叠加体积流量计的输出而定义的用于转移的气体体积，且可具有的单位例如在一组标准条件下定义的标准立方英尺或标准立方米。标准条件可以通常的方式在选定的压力和温度组合如一个绝对大气压和60下定义。
在另一备选方案中，Gp值可以定义为时期t内对没有转换为实际质量或体积单位的流量计的积分信号输出，且可具有单位例如毫伏-秒。在不同备选方案中，Gp值可以定义为时期t内通过孔板流量计的积分压降，没有转换为实际质量或体积单位，且可具有单位如psi-秒或kPa-秒。在另一备选方案中，Gp值可以定义为时期t内压力正在降低的提供转移气体的容器中的压差，且可具有单位如psi或kPa。在另一可行的备选方案中，Gp值可以通过采用经测量的流速和选定PSA工艺流体组成的质量平衡(即间接地通过推论或计算)来确定。例如提供用于转移到正在进行产品再压的床的气体量可以由进料气体和产品气体的组成和流速来计算，且因此具有与质量平衡中所用相同的单位。
因此，Gp可以任何测量或计算单位定义，其中该测量或计算是时期t内提供转移到吸附床的气体流动质量的函数，和由其推导。Gp值可取决于PSA工艺设备中进行测量的具体位置，和/或取决于哪个工艺流体用于该计算。
可用于本发明方法来检测和鉴定操作中的PSA系统中的泄漏阀门的相关参数是压力归一化气体转移参数，定义如下Gpn＝Gp/ΔPR＝[f(mt)]/ΔPR其中ΔPR是在于时期t内，接收转移气体的吸附床中压力的升高(参见下文)。压力归一化的气体转移参数的使用减少了采用鉴定泄漏阀门的诊断方法的PSA工艺中外界引起的压力变化的干扰可能性。这种外界引起的压力变化可包括例如进料压力、尾气排放压力、PSA循环时间、缓冲筒压力中的变化，由于在前步骤期间的泄漏而导致的给定步骤的起始压力变化，循环时间变化，或设备生产速率变化。
用于本发明实施方案的应用的有利PSA工艺步骤是产品再压步骤和吹扫步骤之后的一个或多个平衡步骤。对于将包含低浓度杂质的气体转移到包含极低负荷的吸附杂质的再生吸附剂床的步骤，吸附动力学对床中出现的压力变化的影响通常很小。相对于其中吸附动力学影响显著的步骤而言，采用本文所述的用于诊断方法的这些步骤可较不复杂且更加可靠地分析和阐述结果。通常，用于这些诊断方法的最有利的PSA工艺步骤是具有最长持续时间的步骤和引起穿过关闭阀门的最大压差的步骤。
在某些操作情况下，理想的是采用放空步骤或吹扫步骤用于本文所述的诊断方法。大多数PSA系统利用缓冲罐来接收放空和废弃吹扫气并将受控的废气流从缓冲罐递送到下游用户用作例如燃料气体。在该实施方案中，缓冲罐上的材料平衡可用于计算诊断方法中采用的参数Gp值，其中从处于其放空或吹扫步骤期间的床转移到该罐的气体量确定为放空或吹扫步骤期间的罐中气体存量变化和从放空或吹扫步骤期间的罐中放出的废气的积分流速的总和。
参数Gp和Gpn之一或两者具有在无泄漏阀门的PSA操作的多个循环上确定并记录，且这些参数的参照值在合适的一个或多个工艺步骤期间获得以表征无泄漏操作。备选地，这些参数的参照值可由使用合适的工艺变量值通过工艺模拟而确定。在各相继步骤期间或大量PSA循环选定步骤期间，该步骤的参数值被监测并且与参照值比较。没有从参照值的偏离表示了可能没有泄漏阀门。然而，已发现观察到的高于预定最小值的偏离显示了在系统某处阀门泄漏的高可能性。用于确定与参照值的偏离的监测到的Gp和Gpn值，应当是精确并可重现的。
如下详细所述，泄漏阀门或含有泄漏阀门的一组阀门的初始鉴定取决于所采用的循环步骤和用于确定参数Gp和/或Gpn值的气流测量或计算的具体位置。
本发明的实施方案可采用使用任何数目的吸附床和任何工艺步骤的任何循环PSA系统，包括具有或不具有闲置步骤的PSA循环。本发明的实施方案可用于分离任何气体混合物的PSA系统，且可用于例如在(1)从含H2和来自CO、CH4和CO2的一种或多种杂质的气体混合物生产高纯度的氢，(2)含来自CH4、N2、O2、和Ar的一种或多种杂质的氦的纯化，和(3)空气的分离。
当本文所用的不定冠词“一个(种)”用于说明书和权利要求中所述的本发明实施方案中的任何特征时，其指一或多个(种)。“一个(种)”的使用并未将该含义限制到单一的特征，除非特别指出这一限制。在单数或复数名词或名词短语之前的定冠词“该”表示具体特定的一个或多个特征，并且可根据其使用的上下文具有单数或复数的涵义。形容词“任何”指不用区分任意数量的一个、一些、或所有。
阐述这些实施方案的示例性PSA循环和系统是众所周知的四床系统，使用在任何给定时间具有一个吸附床处于进料/吸附步骤，和具有两个均压步骤的循环。此系统的工艺流程示意图在图1中给出。四个吸附容器A、B、C和D各包含了选择性吸附进料气体混合物中一种或多种组分的一种或多种吸附剂材料的床。这些床通过用于引入进料气体、在吸附器之间转移气体、和从系统放出废气的6个单独的歧管平行连接。进料气通过进料歧管1引入，产品气通过产品气歧管2放出。一部分产品气被导入再压歧管6用于如下所述的各吸附器的最终充压。气体转移歧管3和4用于提供吹扫和均压步骤期间在吸附器之间转移气体。例如，歧管3可用于第一均压步骤中在吸附器之间转移气体，歧管4可用于第二均压步骤和提供吹扫步骤中在吸附器之间转移气体。
各歧管通过阀门连接到吸附器以控制各种循环步骤期间的气体流量。进料歧管1通过阀门11、21、31和41，分别经由管线19、29、39和49连接到吸附器A、B、C和D。尾气歧管5通过阀门15、25、35和45，分别经由管线19、29、39和49连接到吸附器A、B、C和D。产品气歧管2通过阀门12、22、32和42，分别经由管线17、27、37和47连接到吸附器A、B、C和D。再压气体歧管6通过阀门16、26、36和46，分别经由管线17、27、37和47连接到吸附器A、B、C和D。到再压气体歧管6的气流可由计量阀51控制。第一均压气体歧管4通过阀门14、24、34和44，分别经由管线17、27、37和47连接到吸附器A、B、C和D。第二均压气体和提供吹扫气体歧管3通过阀门13、23、33和43，分别经由管线17、27、37和47连接到吸附器A、B、C和D。
若需要简化系统管道或采用不同PSA循环，可改变歧管数目。例如，通过使阀门16、26、36和46成为计量阀并将其直接连接进入产品气体歧管2，再压歧管6和计量阀51可被取消。备选地，歧管3可被取消并且歧管6可用于再压和EQ1步骤。在另一实施例中，平衡气体歧管的数目可以增加或减少，若平衡步骤的数目被增加或减少的话。
任选的流量计53可用于测量再压气体的流速并发出与流速成比例的信号经由信号线57至中央数据记录和控制系统(未示出)。各吸附器中的压力可被压力测量装置18、28、38和48测得，并且与该压力成比例的信号可经由信号管线18a、28a、38a和48a送至中央数据记录和控制系统(未示出)。
本文所述的诊断方法可用于鉴定在PSA循环中所有步骤期间并不共用的任何阀门中的泄漏。例如，附图1的阀门51是共用的，因为总是有床处于再压步骤。因此在阀门51中的故障不能被这些诊断方法鉴定，因为该阀门通常打开；该方法仅可被用于检测当阀门为关闭时的泄漏阀门。若对于该循环中一些步骤共用阀门被关闭，则在其关闭期间可以检测该阀门的泄漏。
适合采用附图1的系统的、并且适合采用本发明实施方案的示例性PSA工艺和循环阐述于附图2中。附图2的上部分是用于示例性工艺的循环表，显示作为时间函数的各吸附床的步骤并且阐述四个床之间的时间联系。以下以在吸附床A中出现的顺序描述该十个循环步骤1.进料进料气体混合物通过歧管1、阀门11、和管线19进入并通过床A，且来自进料气体混合物的一种或多种组分在此被吸附剂材料吸附。在床中未被吸附的经纯化的产品气体经由管线17、阀门12、和产品气体歧管2放出。在这一步骤中阀门13、14、15和16保持关闭。由于在床A和相关管道中的压降，产品歧管2中的气体压力低于进料气体歧管1中的压力。
2.平衡1(降压)阀门11和12关闭并且阀门13打开，吸附器A通过经由管线17、阀门13和歧管3放出第一降压气体而被降压。该第一降压气体经由歧管3、阀门33和管线37引入床C从而在其第一均压(再压)步骤期间升高该处压力。这一步骤期间阀门31、32、34、35和36保持关闭。床C定义为接收吸附容器且床A定义为在时期t期间提供气体至接收吸附容器的床。该步骤任选地可与再压步骤(参见以下步骤10)重叠，其中床C也接收升高该床压力的产品气体。
3.闲置吸附器A通过关闭阀门13而被隔离，并且在所示时期闲置。这是任选的步骤，并且由于床D中放空步骤(下述)的持续时间相对于床A和C中的EQ1步骤的持续时间更长，因此在该具体循环中是需要的。
4.提供吹扫阀门14打开，且床A经由管线17、阀门14和歧管4放出气体而进一步降压。该气体经由阀门44和管线47被引入以提供吹扫气体到正被吹扫的床D，经由阀门45进入尾气歧管5。
5.平衡2(降压)阀门14保持开放并且吸附器A经由管线17、阀门14和歧管4放出第二降压气体而进一步降压。第二降压气体通过歧管4、阀门44和管线47引入床D，从而在其第二平衡(再压)步骤期间再压床D。这一步骤期间床D的阀门45关闭。床D定义为接收吸附容器且床A定义为在时期t期间提供气体至接收吸附容器的床。
6.放空关闭阀门14，打开阀门15，且床A经由管线19、阀门15和尾气歧管5放出废气到缓冲罐(未示出)而进一步降压。在该步骤期间，部分被吸附的杂质得以在废气中解吸并放出。床A定义为在时期t期间提供气体至该缓冲罐的床，缓冲罐定义为接收容器。
7.吹扫通过打开阀门14和15吹扫床A以接收吹扫气体，吹扫气体由床B经由管线27、阀门24、歧管4、阀门14和管线17而提供。在该步骤期间，床A中残留的吸附杂质得以解吸并作为吹扫尾气经由管线19、阀门15、和尾气歧管5而除去。该放空和吹扫步骤可结合定义为再生步骤、8.平衡2(再压)阀门15关闭，阀门14打开以接收来自正在进行其均压2(降压)步骤的床B的均压再充气体。床A通过经由管线27、阀门24、歧管4、阀门14、和管线17接收该气体而初始地再压。床A定义为接收吸附容器，床B定义为在时期t期间提供气体至该接收吸附容器的床。
9.平衡1(再压)阀门14关闭，阀门13打开以接收来自正在进行其平衡1(降压)步骤的床C的平衡再充气体。床A通过经由管线37、阀门33、歧管3、阀门13、和管线17接收该气体而进一步再压。任选地，在与下述的再压步骤重叠的时期期间，床A也可同时接收来自歧管6经由阀门16的再压产品气体。床A定义为接收吸附容器，床B定义为在时期t期间提供气体至该接收吸附容器的床。
10.再压关闭阀门13，打开阀门16(或如果在步骤9中任选地打开，则保持开放)，床A接收经由阀门16来自再压歧管6的最终充压产品气。在该步骤中，床B提供产品气至歧管2，其部分通过歧管6放出作为再压气体。床A定义为接收吸附容器，床D定义为在时期t期间提供气体至该接收吸附容器的床。
在此步骤2、5、8和9描述为均压步骤，尽管在交换气体的两个床中的压力实际上在步骤末期可能并不相等。步骤1-10的整个循环的持续时间可以为10-15分钟。在附图2的示例性循环表中，为阐述目的，步骤的持续时间显示为大约比例。进料步骤持续时间是总循环持续时间的四分之一，均压和闲置步骤的持续时间约为进料步骤持续时间的五分之一，吹扫、提供吹扫、和放空步骤的持续时间约为进料步骤持续时间的五分之二，再压步骤的持续时间约为进料步骤持续时间的五分之四。相对于总循环时间的步骤(除了进料步骤以外)持续时间可以视需要调节。进料步骤的压力可以是20-30巴表压(bar gauge，barg)。最小压力，即放空压力，可以为0-1barg。平衡1步骤的压力低于进料压力，可以为15-25barg。平衡2步骤的压力低于进料压力，可以为5-10barg。
床B、C和D经过上述床A相同的步骤，但是每个床的循环错开1/4循环(即进料或吸附步骤的持续时间)，如附图2所示。附图2的循环表清楚地阐述了床A中步骤如何与床B、C和D相关。以下参考床A的进料步骤(即步骤1)期间出现的1/4循环来描述这些关系，其中该1/4循环被分为具有持续时间a、b、c和d的时期。
时期a床A时期a期间，阀门11打开且床A处于第一并流进料/吸附步骤，其中进料气体混合物经由进料歧管1、阀门11、和管线19被引入处于进料压力的床A的入口。该进料气体并流地流过床(即从床入口到床出口)。阀门12打开并且纯化产品气被放出到产品歧管2。
床B和D在时期a期间，床D进行其第一平衡1(降压)步骤，其中床D通过将气体转移到处于其平衡1(再压)步骤的床B出口从而并流降压。床B通过来自床D转移的气体而逆流地再压。任选地，再压产品气体经由流量控制阀51和歧管6也被引入床B。在时期a期间，阀门23和43打开，任选地，阀门26打开。在该时期，床D的压力下降到中间值，该值可定义为平衡压力。相似地，若允许充足的时间来进行完全均压，则床B的压力上升到该中间值。备选地，可使用部分平衡，其中该步骤在各床中的压力变得相等之前被终止。
床C在时期a期间，床C进行其逆流放空步骤的第一部分，其中该床通过从打开的阀门35排放废气进入尾气歧管5而得以降压。
时期b床A在时期b期间，床A继续其在时期a之后的进料步骤。
床B在时期b期间，床B接收(或继续接收)通过阀门26和管线27的、来自再压歧管6和流量控制阀51的逆流产品再压气体。
床D时期a的均压1(降压)步骤之后，床D通过关闭并保持关闭阀门41-46而被隔离。这是任选的步骤，并且由于床C中放空步骤的持续时间相对于床A和C中的均压1步骤的持续时间更长，因此在该具体循环中是需要的。在该闲置步骤中，床D中的压力任选地视需要而测量和记录。若阀门41-46是以关闭状态密封，则床D中的压力将稳定并保持恒定。
床C在时期b期间，床C继续其放空步骤，同时将废气通过打开的阀门35排放进入尾气歧管5，该床在该步骤末期达到循环中的最低压力。
时期c床A在时期c期间，床A继续其时期a和b之后的进料步骤。
床B在时期c期间，床B继续其在时期b期间开始的其再压步骤。
床C在时期c期间，以最低循环压力、用床D提供的气体以逆流方向吹扫床C杂质，床D在其提供吹扫步骤期间的压力降低。阀门34、35和44被打开以引入吹扫气体进入床C并且排放来自床C的吹扫尾气进入尾气歧管5。
床D在时期c期间，床D处于其提供吹扫步骤并且通过阀门44并流降压以通过歧管4提供吹扫气体至床C。
时期d床A在时期d期间，床A继续其时期a、b和c之后的进料步骤。
床B在时期d期间，床B继续其在时期b期间开始的再压步骤。
床C和D在时期d期间，床C由从正在降压的床D提供的气体再压。再压期间，床C中的杂质以逆流方向被推向床的入口端。阀门33和44打开且气体流动经过歧管4。
附图2的下部显示了整个上述循环中床A内的压力典型分布图。该压力分布图可用于表征附图1的6个歧管中各自气体压力或压力范围，如下所述这在诊断阀门泄漏时是有用的信息。如所示，最高压力是在进料气体歧管1中。产品气体歧管2中的压力低于进料气体歧管的压力，差别大概为在各吸附剂床和相关管道中的压降。再压歧管6中的压力接近于产品歧管2或处于再压步骤的床的压力，但是由于通过阀门51(若使用的话)的压降而可能略低。取决于通过阀门和管道的压降，气体转移歧管3中的压力范围(在附图2中鉴别为EQ1)可能低于再压歧管6中的压力范围，气体转移歧管4中的压力范围(在附图2中鉴别为EQ2-提供吹扫)可能低于气体转移歧管3中的压力范围，且尾气歧管5中的压力范围可能低于气体转移歧管4中的压力范围。尾气歧管5中的压力由下游缓冲罐(未示出)中的压力和通过尾气阀门与歧管管道的压降决定。在气体转移歧管3和4中的压力将在循环步骤期间随着平衡步骤进行而变化，同时歧管1(进料)、2(产品)、5(尾气)和6(再压)中的压力将具有最小的变异性。
参数Gp和Gpn值的确定可参照附图1的示例性流程图和附图2的示例性循环表来阐述。在一个实施方案中，气体转移参数Gp可在对应于床A中再压步骤10的持续时间的时期t期间确定。在该实施方案中，从再压歧管6转移进入床A的气体质量或体积由流量计53测得并且可以以单位时间的重量或体积单位计(若该流量计有条件将实际的仪器测量值如压降转换为这些通过信号线57传输至中央数据记录和控制系统(未示出)的单位)。这些所示的流速对再压步骤时间阶段的积分将得到气体转移参数Gp的实际值。积分可通过中央数据记录和控制系统或通过流量计53(如果配备了流量叠加能力)执行。备选地，若来自流量计53经由信号线57传输的信号是与流过流量计的质量成比例的电信号(例如毫伏)，则该信号可在再压步骤时期积分以得到气体转移参数Gp的备选值。
再压步骤期间床A的压力上升通过压力测量装置18测得，该压力测量装置可以是例如压力传感器。若压力测量装置18将实际测量值(如毫伏计的电信号)转换为压力单位，该压差ΔPR可以实际压力单位表征，或备选地可以实际测得的单位(如毫伏)表征。备选地，设备18的信号输出可通过中央数据记录和控制系统转换为压力单位。对于再压步骤，使用测定的Gp值和测定的ΔP值来计算压力归一化气体转移参数Gpn。Gp和Gpn值可以有各种之前所述的单位，并且这些单位将取决于流体和压力测量的单位。
若再压步骤与平衡1(再压)步骤开始时如之前所述重叠，则仅确定该重叠时期之后的再压步骤的那部分的Gp和Gpn值。
备选地，可测定步骤9-平衡1(再压)步骤期间床A的参数Gp和Gpn。在该步骤中，充压气体从床C经由歧管3转移到床A。在该步骤中，床C提供的气体量可由该床在该步骤期间的压力变化而表征，由可例如为压力传感器的压力测量装置38确定。若压力测量装置38将实际测量值(如毫伏计的电信号)转换为压力单位，该压差ΔPD可以实际压力单位表征，或可以实际测得的单位(如毫伏)表征。设备38的信号输出可通过中央数据记录和控制系统转换为压力单位。备选地，ΔPD的确定值则即为Gp值且表征了该步骤期间床C提供的气体量。若产品再压气体也从歧管6经由阀门16引入床A，该气体量的表征可通过对被流量计53在该步骤期间测得的流量进行积分进行。Gp值则为从床C和从产品气体再压歧管6提供的采用相同的特征单位的气体总和。
床A在其平衡1(再压)步骤期间的压力上升的测量如上所述，通过可例如为压力传感器的压力测量装置18测量。若压力测量装置18将实际测量值(如毫伏计的电信号)转换为压力单位，该压差ΔPR可以实际压力单位表征，或可以实际测得的单位(如毫伏)表征。备选地，设备18的信号输出可通过中央数据记录和控制系统转换为压力单位。使用确定的Gp即ΔPD值和确定的ΔPR值来计算床A的均压1(再压)步骤的压力归一化气体转移参数GpnGpn＝ΔPD/ΔPR备选地，可确定步骤8-均压2(再压)步骤期间床A的参数Gp和Gpn。在该步骤中，充压气体从床C经由歧管3转移到床b。该参数的确定可通过类似于上述对于EQ1步骤的方法进行。
一旦选定确定Gp和Gpn的方法并且采用的单位限定，则可开始附图1中PSA系统的基线操作。首先，确认系统中所有阀门的无泄漏状态，例如通过检修停工期间的泄漏测试阀门。随后该系统启动并且根据附图2操作一定数目的重复循环，以确定各床在选定循环步骤的Gp和/或Gpn无泄漏参照值。如前所述，压力归一化气体转移参数Gpn的使用是有利的，因为其减少了在采用诊断方法鉴定泄漏阀门的PSA工艺中外界引起的压力变化的干扰可能性。这种外界引起的压力变化可包括例如进料压力变化、尾气排放压力变化、引起均压不完全或不一致度的迟缓或不恰当的阀门操作或控制，和在之前步骤期间进入床的泄漏。
一旦确定了各床在选定循环步骤的Gp和/或Gpn参照值，则该值储存于中央数据记录和控制系统中。在各后继循环中，确定Gp和/或Gpn值并与参照值比较。若对参照值没有偏离，或若该偏离的绝对值在预定范围之内，则鉴定没有泄漏阀门并且得出结论没有可检测到泄漏速率的泄漏阀门。然而若观察到对参照值的偏离绝对值大于预定量，则得出结论该系统中某处有泄漏阀门并且鉴定到泄漏阀门。采用观察到的偏离量值和方向得到可能正在泄漏的阀门诊断确定。如以下进一步解释，该诊断确定取决于(1)进行流量测量来确定Gp和/或Gpn值的一个或多个具体位置，和(2)对参照值的偏离方向，即正或负。
气体歧管中相对压力将影响该诊断分析。最高压力在进料歧管1中，如附图2所示。取决于通过阀门和管道的压降，产品气体歧管2中的压力可能低于进料气体歧管的压力，差值为在各吸附剂床和相关阀门和管道中的压降。再压歧管6中的压力应接近于产品歧管2的压力，但是由于通过阀门51(若使用的话)的压降而可能略低。气体转移歧管3中的压力范围(在附图2中鉴别为EQ1)可能低于再压歧管6中的压力范围，气体转移歧管4中的压力范围(在附图2中鉴别为EQ2-提供吹扫)可能低于气体转移歧管3中的压力范围，且尾气歧管中的压力范围可能低于气体转移歧管4中的压力范围且通常在循环中的压力最低。在气体转移歧管3和4中的压力将在循环步骤期间随着平衡步骤进行而变化，同时歧管1(进料)、2(产品)、5(尾气)和6(再压)中的压力将具有最小的变异性。歧管4中的压力(EQ2-提供吹扫)绝不会超过歧管3(EQ1)或歧管6(再压)中的压力。这些相对的压力可通过在实际操作系统中的压力测量装置来确定或确认。
当床A处于再压步骤时，测量在流量计53(附图1)位置的气体流速将允许诊断连接于再压歧管6的关闭阀门26、36和46上的可能泄漏，和与床A相关的关闭阀门11、12、13、14和15上的可能泄漏。通过类似方法，当床B处于再压步骤时，测量在流量计53(附图1)位置的气体流速将允许诊断连接于再压歧管6的关闭阀门16、36和46上的可能泄漏，和与床B相关的关闭阀门21、22、23、24和25上的可能泄漏。也通过类似方法，当床C处于再压步骤时，测量在流量计53(附图1)位置的气体流速将允许诊断连接于再压歧管6的关闭阀门16、26和46上的可能泄漏，和与床C相关的关闭阀门31、32、33、34和35上的可能泄漏。最后，还通过类似方法，当床D处于再压步骤时，测量在流量计53(附图1)位置的气体流速将允许诊断连接于再压歧管6的关闭阀门16、26和36上的可能泄漏，和与床D相关的关闭阀门41、42、43、44和45上的可能泄漏。
附图1放大部分的附图3显示了床A更加详细的阐述。当床A处于其再压步骤时，例如，通过阀门11的泄漏将以所示方向，即进入床A，从而升高床A中的压力。通过阀门15的泄漏将以所示方向，即离开床A，从而降低床A中的压力。通过阀门13的泄漏将以所示方向，即离开床A，从而降低床A中的压力。通过阀门12的泄漏将以所示方向，即进入床A，从而升高床A中的压力。通过阀门14的泄漏将以所示方向，即离开床A。可测量这些歧管中的压力来确认阀门泄漏的方向。这也许是改良下述诊断表的一种方法。歧管压力可直接测量或可基于正在平衡的两个床压力的压降分析而估计。这显示于附图2下部，其将平衡歧管4中的压力分布图重叠到再压步骤期间的床A中的压力分布图上。
当各床处于再压步骤和平衡1(再压)步骤时，可对各床B、C、和D进行类似观察。对于床A、B、C和D的这些观察随后可与监测到的气体转移参数Gp和Gpn值结合以形成阀门诊断表，用于鉴定泄漏的关闭阀门或其中一个阀门正在泄漏的一组关闭阀门(疑为泄漏)，如下所述。
在该分析方法中，为形成诊断表而假定仅有一个阀门正在泄漏。可形成若两个阀门在同一时间泄漏的诊断表；然而，其可能更加复杂并且难以阐述。本方法目标在于当单个阀门泄漏首次出现时对其校正，从而避免多个阀门泄漏的情况。
作为通过流量计53(附图1)测量再压流体的备选或其补充，可在各床安装流量计，例如如附图3所示在床A上的流量计59。在该备选方案中，当床A处于其再压步骤时，再压歧管6的阀门26、36、和46在阀门诊断运行中勿需考虑，并且该分析可集中于阀门11、12、13、14、和15。类似地，在床再压入口测量流体的备选方案对于床B、C和D上的阀门的阀门诊断是有益的，因为在再压歧管6上的相应阀门勿需考虑。在所有位置测量流体，即通过在床A的流量计53，通过流量计59，和通过在其它三个床的类似流量计，将产生重要的额外信息，进一步用于形成连接于再压歧管6的阀门和连接于床的其它阀门的准确诊断。
在再压步骤上的床的上述分析可扩展到平衡1(再压)步骤。当床A处于其平衡1(再压)步骤时，通过阀门11的泄漏将以附图3所示方向，即进入床A，从而升高床A中的压力。通过阀门15的泄漏将以所示方向，即离开床A，从而降低床A中的压力。通过阀门12的泄漏将以所示方向，即进入床A，从而升高床A中的压力。通过阀门14的泄漏将以所示方向，即离开床A，从而降低床A中的压力。通过阀门16的泄漏将以所示方向，即进入床A，从而升高床A中的压力。
作为通过测量床C中压差计算从床C至床A的平衡流的备选或其补充，可在各床安装流量计，例如如附图3所示在床A上的流量计61。在该备选方案中，当床A处于其平衡1(再压)步骤时，平衡歧管4的阀门24、34、和44在阀门诊断运行中勿需考虑，并且该分析可集中于阀门11、12、13、15、和16。类似地，在床平衡气体入口测量流体的备选方案对于床B、C和D上的阀门的阀门诊断是有益的，因为在平衡歧管4上的相应阀门勿需考虑。在所有位置测量或确定流体，即通过通过在床A的流量计61、通过在其它三个床的类似流量计、和通过在提供均压1气体的床中的压差，将产生重要的信息，用于连接于均压歧管4的阀门和连接于床的其它阀门的准确诊断。
用于床A的再压步骤的诊断方法中的气体转移参数Gp和Gpn的确定可参考附图1和3来阐述。再压步骤的Gp可通过累计该步骤期间由流量计53(附图1)测量的气流而确定。再压步骤期间床A中的压力上升即ΔPR通过压力测量装置18而确定。随后通过用Gp除以ΔPR计算出Gpn。备选地，再压步骤的Gp可通过累计该步骤期间由流量计59(附图3)测量的气流而确定，随后可通过该值计算出Gpn。
用于床A的平衡1(再压)步骤的诊断方法中的气体转移参数Gp和Gpn的确定也可参考附图1和3来阐述。均压1(再压)步骤的Gp可通过压力测量装置38测量床C中的压力降低，同时床C正给床A提供平衡气体，即ΔPD。这显示了在该步骤期间从床C提供的气体量。再压步骤期间床A的压力上升即ΔPR通过压力测量装置18而确定。随后通过用ΔPD除以ΔPR计算出Gpn。备选地，平衡1(再压)步骤的Gp可通过累计该步骤期间由流量计61(附图3)测量的气流而确定，随后通过用Gp除以ΔPR得到Gpn。
可以采用确定泄漏诊断方法的参数的备选方法，其中在各吸附床出口末端通过附图3中的流量计63所示测量气流。在该备选方案中，均压步骤的Gp通过对在该步骤期间在提供气体并且压力降低的床的出口测量到的气体流速进行积分而确定。进入压力升高的接收床的气体流速可在该步骤期间测得并积分，得出定义为Gr＝f(mtr)的参数，其中mtr是放空步骤中进入在该工艺步骤期间压力正在上升的接收吸附容器或缓冲罐的气体质量。流量归一化参数Gpf可定义为Gpf＝Gp/Gr。可在诊断方法中使用参数Gp和Gpf之一或其二者来鉴定泄漏阀门。对于再压步骤可采用相似方法，其中Gp代表提供用于再压的气体量并且通过以下差值计算得出(1)从处于进料步骤的床提供的积分气体流速，和(2)离开产品气体歧管2(附图1)的最终产品气体的积分流速。进入接收床(或缓冲罐)的气体流速可被测量并在该步骤期间积分以得到上述参数Gr。流量归一化参数Gpf则可通过用Gp除以Gr计算而得。
可确定具体步骤的限定部分而非上述步骤的整个持续时间的气体转移参数。在其它情况下，气体转移参数可在一系列步骤如EQ1(再压)和再压步骤(参见附图2的步骤9和10)的持续时间上确定。然而无论选择了哪个步骤、步骤的一部分、或一系列步骤，重要的是同样的步骤、步骤的一部分、或一系列步骤应当用于气体转移参数的反复确定。该步骤、步骤的一部分、或一系列步骤的选择可取决于设备的实际操作特征。理想的是确定并监测两个或多个步骤的气体转移参数从而形成比假如仅采用一个步骤来诊断的基础更广泛的诊断方法。
当确定的气体转移参数与预定参数值对比时，采用观察到的偏离或差值来诊断泄漏阀门，如上所述。该区别的量值和偏离的方向(即从参照值的正或负偏离)用于确定在所选工艺步骤中关闭或应当关闭的哪个阀门可能泄漏。为消除小的工艺变异性(通常描述为“噪音”)，该诊断可基于所观察到的偏离绝对值和其相对于预定最小值的量值。当观察到的偏离绝对值大于预定最小值时，得出结论有阀门或一组可能泄漏的阀门中的一个实际上正在泄漏，并鉴定出泄漏阀门。该预定最小值基于在具体设备的操作实践，并且取决于该设备的操作特性(例如进料其体的压力和组成变异性、所需产品纯度的变化、床的周期和数目、等等)。该预定最小值可设为参照值的百分数，且可例如为参照值的5％。在一些设备中，其可达到参照值的至多10％。
以下实施例阐述了本发明实施方案，但是并非限制本发明于其中所述的任何具体细节。
实施例1操作附图1的PSA系统用于从天然气蒸汽重整产生的氢、一氧化碳、二氧化碳、和甲烷混合物中生产高纯度氢。在该实施例中，取消了歧管6和相关阀门16、26、36和46，采用歧管3用于再压和EQ1-再压步骤。分别由流量计53和流量控制阀门51测量并控制进入该歧管的产品气流量。根据对附图2的循环进行修改而操作该体系，其中EQ1和再压步骤重叠，使得该再压气体是来自降压床和产品气体经由阀门51的转移气体的结合。仅在EQ1步骤结束之后的再压步骤期间按如下所述确定Gpn。
采用在该循环步骤期间的阀门位置(打开或关闭)和六个歧管与吸附剂床之间的压力关系来形成各吸附床A、B、C和D的再压步骤的诊断表。该诊断表示于附图4A。
该表显示了使用再压步骤期间进行的检查可观察到预计的偏离模式。对于该具体的PSA循环和附图2中所示的压力曲线图而言，当该床处于再压步骤期间假如特定阀门正在泄漏的话，可预计到所示偏离。若在该步骤期间床上的进料阀门(即阀门11、21、31、或41)正在泄漏，则预计压力归一化气体转移参数Gpn值(即经由歧管3提供的再压氢的量与被再压的床中的压力上升之比)偏离到参照值以下，因为一定体积的进料气体将泄漏进入床并且从而减少需要完成该步骤的再压氢气体积。若产品阀门(即阀门12、22、32、或42)在该步骤期间正在泄漏，则预计Gpn偏离到参照值以下，因为一定体积的进料气体将经由泄漏产品阀门泄漏进入床并且从而减少需要完成该步骤的再压氢气体积。
若在该步骤期间床上的平衡2-提供吹扫阀门(即阀门14、24、34、或44)正在泄漏，则预计Gpn值偏离到参照值以上，因为一定体积的气体将泄漏离开床并进入歧管3从而增加需要完成该步骤的再压氢气体积。在任意床的再压步骤的一部分期间，另一床处于闲置步骤并且所有的EQ2-PP阀(即阀门14、24、34、或44)被关闭，歧管4隔离于其它床。然而，再压步骤的剩余部分期间，歧管4不再被隔离。可限定仅在再压步骤中歧管4并未隔离的那部分期间进行再压检查。
假如床上的尾气阀门(即阀门15、25、35、或45)在该步骤期间正在泄漏，则预计Gpn值偏离到参照值以上，因为一定体积的气体将泄漏离开床从而增加需要完成该步骤的再压氢气体积。假如床上的EQ1-再压阀门(即阀门13、23、33、或43)在再压步骤期间正在泄漏，则当循环中的床(i+1)(即在具有泄漏EQ1-再压阀门的床的再压之后立即进行再压步骤的床)处于再压时，且当床(i+2)和(i+3)处于再压时，则预计Gpn值偏离到参照值以上。当任意床(i)处于再压时，EQ1-再压阀门(即阀门13、23、33、或43)将打开且从而并不表现出泄漏。当EQ1-再压阀门正在泄漏时，该泄漏将进入床(i+1)，因为床(i+1)中的压力将高于该步骤期间床(i)中的压力。该泄漏将离开床(i+2)和(i+3)，因为床(i+2)和(i+3)中的压力分别将高于床(i+2)和(i+3)的再压步骤期间的床(i)中的压力。
由此附图4A显示了在各床处于其再压步骤时进行的再压检查时得出的偏离的预期模式。从该模式，可确定哪个床含有泄漏阀门并且可将可能泄漏的阀门名单缩小到同一床上的最多两个不同阀门。本实施例阐述了利用该方法来检测泄漏并迅速确定哪个(些)阀门最有可能泄漏。
实施例2根据实施例1的系统和循环来操作附图1的PSA系统，用于从天然气蒸汽重整产生的氢、一氧化碳、二氧化碳、和甲烷混合物中生产高纯度氢。采用在该循环步骤期间的阀门位置(打开或关闭)和六个歧管与吸附剂床之间的压力关系来形成各吸附床A、B、C和D的平衡2-降压步骤的诊断表。该诊断表示于附图4B，其显示了使用该步骤期间进行的诊断检查揭示的预计偏离模式。对于该具体的PSA循环和压力曲线图(附图2)而言，当床(i)处于EQ2-降压步骤期间假如特定阀门正在泄漏的话，可预计到以下偏离。对于该实施例而言，当床(i)处于EQ2-降压步骤时，其正在给处于其EQ2-降压步骤的床(i-1)提供气体。Gpn对参照值的低偏离意味着给定阀门(如果正在泄漏的话)预计将气体泄漏进入在EQ2步骤期间正在交换气体的两个床的系统。Gpn对参照值的高偏离意味着预计给定阀门(如果正在泄漏的话)将气体泄漏出在EQ2步骤期间正在交换气体的两个床的系统。
实施例3合并附图4A和4B的诊断表以产生用于实施例1和2的循环和PSA系统的附图5的通用诊断表。附图5可用于确定任何吸附床N上的泄漏阀门可能性并加以鉴定。例如，若床A上的尾气阀门(阀门15，附图1)正在泄漏，则可预计以下偏离在床A的再压期间确定的Gpn将会高，在床A的EQ2步骤期间确定的Gpn将会高，和在床B的EQ2步骤期间确定的Gpn将会高。在另一实施例中，若床A(阀门14，附图1)上的EQ2-提供吹扫阀门正在泄漏，则可预计以下偏离在床A的再压期间确定的Gpn将会高，在床C的EQ2步骤期间确定的Gpn将会低，和在床D的EQ2步骤期间确定的Gpn将会低。
如果给定阀门符合表5的所有准则，则必然确定该阀门正在泄漏。但是，如果不是符合所有准则，则泄漏的可能性降低。例如，如果尾气阀门符合三个实验准则中的两个，则阀门可能泄漏的可能性是67％。在一个具体的实施例中，若Gpn的偏离对于床A的EQ2步骤而言是高，对于床B的EQ2步骤而言是高，但是低于床A的再压步骤的最小偏离，则床A上的尾气阀门的泄漏可能性是67％。
实施例4为阐述上述方法实施的试验是在从含有70-80vol％氢、约15％CH4、约7％C2H6和约4％C3H8的额定精炼厂排气进料共混物产生额定7百万标准立方英尺/天的99.999％纯度氢的操作氢PSA设备上执行的。该设备采用四床系统和具有约20分钟总循环时间的实施例1-3的循环。
PSA系统中所有阀门的无泄漏状态最初在设备停工期间确认。随后设备在参照基线条件下运行，以建立平衡2(再压-降压)步骤(附图2，步骤8)和再压步骤(附图2，步骤10)的Gpn对操作时钟时间的参照曲线。EQ2步骤的Gpn值确定为该步骤期间提供气体的床的测定压力变化与接收气体的床的测定压力变化之比。在该步骤中，Gpn值是无因次的。再压步骤的Gpn值确定为该步骤期间歧管6中测定的再压气体流量与接收再压气体的床的测定压力变化之比。在该步骤中，Gpn值具有的单位为百万标准立方英尺/psi。
在该初始时期，进行某些操作参数的变化来确定参照曲线图上的这些变化的影响。这些包括对吸附压力、PSA循环时间、缓冲筒压力、产氢速率、和从产氢流量控制到压力控制的转换的变化。例如，在约9:00a.m.，PSA循环时间从351秒减少到340秒；在9:45-10:40a.m.之间，缓冲筒压力从4升高到4.5再升高到psig且随后回到4psig。在约11:15a.m.，产氢速率从260000下降到220000标准立方英尺/小时。
所得参照曲线图在附图6A和6B中给出。可见该工艺变化对再压步骤的曲线图具有轻微而无关紧要的作用，而该工艺变化对EQ2步骤的曲线图具有更为显著的作用。也观察到在成对平衡床之间曲线图的变异性高于在进行再压的床之间的变异性。对于在再压检查期间测得的比率，既然没有出现泄漏，记录的Gpn值预计如所示保持恒定。有数个原因导致变化性增加。一个原因是进入接收气体的床的流量并未由提供气体的床的压力变化准确测量。由床中给定压力降低定义的该床提供的气体量取决于以下因素如系统的初始温度和压力以及床上的杂质负荷。这些参数在该试验期间变化。通过在歧管4中安装流量计直接测量该流量可获得更好的准确性。
实施例5使用实施例3相同的PSA系统和循环确定再压步骤和均压2(再压-降压)步骤的Gpn对操作时钟时间的曲线图。通过调节阀门极限引起床B上的尾气阀门(25，附图1)泄漏，使得蝶形阀相对于其底座在时钟时间14:52-15:57之间不再紧闭，从而观察对Gpn对操作时钟时间曲线图的作用。所得曲线图示于附图7A和7B。
如预期那样，对于床B的再压检查以正向偏离。偏离的量值可用于量化泄漏速率。EQ2 C→B和EQ2 B→A步骤的偏离预计为正向。EQ2 B→A显示偏离，但是其并不足以高于选定的最小值0.05以待观察。预计当床B处于EQ2-降压步骤(EQ2 B→A)时，比当床B处于EQ2-再压步骤(EQ2C→B)时通过泄漏阀门的压差大小(size pressure difference)更大。然而，当床B处于EQ2-再压步骤(EQ2C→B)时，观察到的偏离更为明显。因此，这一论据可能并不能解释该响应的缺乏。当床B处于其EQ2-降压步骤时，该床包含了相对较高负荷的吸附杂质。该容器底部通过尾气阀门泄漏的气体预计将吹扫从床底部解吸的杂质，此处该吸附剂负载了更多的杂质。若泄漏通过该尾气阀门的气体比从该床顶部供应到处于EQ2-再压步骤的床的气体包含更高浓度的杂质，则这可能对床压力和处于其EQ2-降压步骤的床提供到处于其EQ2-再压步骤的床的气体量(由测得的床压力变化表征)具有极低影响。
实施例6使用实施例3相同的PSA系统和循环确定再压步骤和平衡2(再压-降压)步骤的Gpn对操作时钟时间的曲线图。通过在约17:50-18:30之间调节阀门极限开关引起床B上的EQ1阀门(23，附图1)泄漏，从而观察对Gpn对操作时钟时间曲线图的作用。所得曲线图示于附图8A和8B。对于床C和D的再压检查如预计那样偏离。相信床A在阀门泄漏时并未进行再压步骤。没有足够的时间来观察泄漏对A床再压步骤的影响，预计其高度偏离。
预计EQ2C→B和EQ2 B→A步骤显示负向偏离。EQ2 B→A步骤的确显示了预计的显著的负向偏离，但是EQ2C→B并非如此。估计EQ2 B→A步骤的作用通过泄漏EQ1阀门的压差大小(约111psi)显著高于EQ2C→B步骤的压差大小(约40psi)。结果，预计EQ2C→B步骤期间的泄漏速率大于EQ2 B→A步骤期间的泄漏速率。这可解释在EQ2C→B步骤期间缺乏响应的原因。
实施例7使用实施例3相同的PSA系统和循环确定再压步骤和平衡2(再压-降压)步骤的Gpn对操作时钟时间的曲线图。通过在约10:15-11:30之间调节阀门定位器引起床B上的EQ2-提供吹扫阀门(24，附图1)泄漏，从而观察对Gpn对操作时钟时间曲线图的作用。所得曲线图示于附图9A和9B。
阀门24上的阀门定位器被控制为从“关闭”回到5％、7％、9％和11％开放，从而逐步增加开放面积以泄漏。床B的再压检查如预计那样正向偏离。预计EQ2 D→C和EQ2 A→D步骤以负向偏离，并且观察到以预计方向的偏离。再压和EQ2-再压检查的偏离量值直接对应于对阀门开放所作的变化。当该阀门被控制为保持进一步开放时，该再压和EQ2-再压检查值有对应的响应。估计在进行相应检查期间，作用通过泄漏阀门24的压差量值较大(＞300psi)。这意味着当泄漏检查鉴定出现泄漏时，具有显著的驱动力。
实施例8使用实施例3相同的PSA系统和循环确定再压步骤和平衡2(再压-降压)步骤的Gpn对操作时钟时间的曲线图。通过在约12:20的时钟时间调节阀门极限开关引起床B上的进料阀门(21，附图1)泄漏。在约12:50，进行调节以减少泄漏速率，且在约12:45停止泄漏。所得曲线图示于附图10A和10B。
床B的再压检查如预计那样以负向偏离。预计EQ2 B→A和EQ2 C→B步骤以负向偏离。EQ2 B→A步骤开始以负向偏离，但是随后以正向发展。当床B处于EQ2-降压步骤时，在该床上有相对显著量的吸附杂质。吸附杂质的量将由于随着进料阀继续随时间泄漏而引入的添加杂质而可能变化。结果，床B上的杂质负荷可发生足够的变化，引起从床B转移的、对应于床B压力中给定变化的气体量发生变化。若Gp获自从床B至床A转移的流量直接测量，则这将产生Gpn的预计低偏离。作为Gp测量的床B中压力降低的准确性因此受到置疑。对EQ2 C→B步骤的观察符合预计。
以上实施例3-7的综合结果确认了对于该特定循环而言，再压步骤是最有用的步骤，其获得用于鉴定阀门泄漏的Gpn对操作时钟时间的特征曲线图。观察到的偏离的方向和持续时间通常都如预计的那样。然而，平衡2(再压-降压)步骤看上去不太适用于该目的，因为观察到的偏离经常与预计不同。可能是在吸附容器内初始床压力和动力学吸附效果的变化相反地影响了这些曲线图。
权利要求
1.一种操作变压吸附系统的方法，包括(a)提供变压吸附系统，其具有多个平行吸附容器和多个阀门与气体歧管，其适于在至少包括进料步骤、降压步骤、再生步骤和再压步骤的顺序工艺步骤循环系列中引入气体到各吸附容器并且从各吸附容器中放出气体；(b)操作在至少包括进料步骤、降压步骤、再生步骤、和再压步骤的顺序工艺步骤循环系列中的各吸附容器，其中该多个阀门中的每一个都在顺序工艺步骤循环系列期间以预定的阀门操作顺序打开和关闭至少一次；(c)确定操作参数值，该参数是在选定的工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供到接收吸附容器或从吸附容器中放出的气体质量的函数；(d)确定操作参数值对预定参照值的偏离；和(e)使用(d)偏离的量值和方向来确定任何阀门是否正在泄漏，其中(1)当(d)偏离的绝对值低于预定最小值时，没有阀门被鉴定为泄漏和(2)当(d)偏离的绝对值高于预定最小值时，至少一个阀门被鉴定为泄漏。
2.权利要求1的方法，其中该操作参数是气体转移参数Gp，由以下方程定义Gp＝f(mt)其中，mt是于时期t内，在选定的工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供到接收吸附容器的气体质量。
3.权利要求2的方法，其中Gp等于时期t内，在选定的工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供到接收吸附容器的气体实际质量。
4.权利要求2的方法，其中Gp等于时期t内，在该工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供到接收吸附容器的气体体积，其中，该气体体积在任意标准温度和压力下定义。
5.权利要求2的方法，其中Gp等于时期t内，在该工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供气体到接收吸附容器的吸附容器中压力的降低。
6.权利要求1的方法，其中该操作参数可由以下方程定义为压力归一化的气体转移参数GpnGpn＝Gp/ΔPR其中ΔPR是在于时期t内，该工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间接收气体的吸附容器中压力的升高，并且Gp定义为Gp＝f(mt)其中，mt是于时间t内，在工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供到接收吸附容器的气体质量。
7.权利要求6的方法，其中Gp等于时期t内，在工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供到接收吸附容器的气体实际质量。
8.权利要求6的方法，其中Gp等于时期t内，在该工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供到接收吸附容器的气体体积，其中，该气体体积在任意选定的温度和压力下定义。
9.权利要求6的方法，其中Gp等于时期t内，在该工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供气体到接收吸附容器的吸附容器中压力的降低。
10.权利要求1的方法，其中该操作参数可由以下方程定义为流量归一化的气体转移参数GpfGpf＝Gp/Gr其中Gp定义为Gp＝f(mt)其中，mt是于时间t内，在工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间由吸附容器提供用于转移到接收容器的气体质量，且其中Gr定义为Gr＝f(mtr)其中mtr是于时间t内，在工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间流入接收容器的气体质量。
11.权利要求1的方法，其中该选定的工艺步骤是再压步骤。
12.权利要求11的方法，其中该操作参数可以是由以下方程定义的压力归一化气体转移参数GpnGpn＝Gp/ΔPR其中ΔPR是在该再压步骤或再压步骤的一部分期间、于时期t内，接收再压气体的吸附容器中压力的升高，并且Gp等于于时期t内、在该再压步骤或再压步骤的一部分期间提供到该吸附容器的气体体积，且其中该气体体积在选定温度和压力下定义。
13.权利要求1的方法，其中该顺序工艺步骤的循环系列包括平衡步骤，其中吸附容器降压是通过从其中放出降压气体并将该降压气体引入到压力正在升高的接收吸附容器中。
14.权利要求13的方法，其中该操作参数可由以下方程定义为压力归一化气体转移参数GpnGpn＝Gp/ΔP其中Gp是时期t内、在该平衡步骤或平衡步骤的一部分期间提供气体的吸附容器中压力的降低，并且ΔP是时期t内，在该平衡步骤或平衡步骤的一部分期间接收气体的接收吸附容器内的压力升高。
15.权利要求1的方法，其中该选定的工艺步骤是放空或吹扫步骤。
16.权利要求15的方法，其中该操作参数可以是由以下方程定义的气体转移参数GpGp＝f(mt)其中mt是放空步骤或吹扫步骤期间吸附容器中排出的气体质量。
17.一种操作变压吸附系统的方法，包括(a)提供变压吸附系统，其具有多个平行吸附容器和多个阀门与气体歧管，其适于在至少包括进料步骤、降压步骤、再生步骤、和再压步骤的顺序工艺步骤循环系列中引入气体到各吸附容器并且从各吸附容器中放出气体；(b)提供包括氢和一种或多种杂质组分的进料气体；(c)操作在包括至少进料步骤、降压步骤、再生步骤、和再压步骤的顺序工艺步骤循环系列中的各吸附容器，其中该多个阀门中的每一个都在顺序工艺步骤循环系列期间以预定的阀门操作顺序打开和关闭至少一次，其中该进料气体在进料步骤期间通过吸附容器以吸收该一种或多种杂质组分的至少一部分，且其中在进料步骤期间从吸附容器中放出纯化的氢产品气体；(d)确定操作参数值，该参数是在选定的工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供到吸附容器的气体质量的函数；(e)确定操作参数值对预定参照值的偏离；和(f)使用(e)偏离的量值和方向来确定任何阀门是否正在泄漏，其中(1)当(e)偏离的绝对值低于预定最小值时，没有阀门被鉴定为泄漏，和(2)当(d)偏离的绝对值高于预定最小值时，至少一个阀门被鉴定为泄漏。
18.权利要求17的方法，其中该选定的工艺步骤是再压步骤并且该再压气体是经纯化的氢产品气的一部分。
19.权利要求18的方法，其中操作参数是由以下方程定义的压力归一化气体转移参数GpnGpn＝Gp/ΔP其中ΔP是时期t内，在该再压步骤或再压步骤的一部分期间接收经纯化的氢产品气体的吸附容器内的压力升高，且Gp等于时期t内、在该再压步骤或再压步骤的一部分期间提供给吸附容器的纯化氢产品气体体积，且其中气体体积在选定温度和压力下定义。
20.权利要求17的方法，其中顺序工艺步骤的循环系列包括均压步骤，其中吸附容器的降压是通过从其中放出降压气体，并将该降压气体引入到其中压力比正在被降压的吸附容器压力低的另一吸附容器中。
21.权利要求17的方法，其中顺序工艺步骤的循环系列包括平衡步骤，其中吸附容器在其进料步骤之后立即被降压，通过从其中放出降压气体并且将该降压气体引入处于紧接着其再压步骤之前的另一吸附容器。
全文摘要
一种操作变压吸附系统的方法，该系统具有多个平行吸附容器和多个阀门与气体歧管，其适于在顺序工艺步骤循环系列中引入气体到各吸附容器并且从各吸附容器中放出气体。泄漏阀门的鉴定可通过(1)确定操作参数值，该参数是在选定的工艺步骤、工艺步骤的一部分、或一系列工艺步骤期间提供到接收吸附容器或从吸附容器中放出的气体质量的函数；(2)确定操作参数值对预定参照值的偏离；和(3)使用偏离的量值和方向来确定任何阀门是否正在泄漏。
文档编号B01D53/047GK1895737SQ20061009329
公开日2007年1月17日 申请日期2006年6月23日 优先权日2005年6月23日
发明者B·E·赫尔布, C·F·瓦特森, E·L·小维斯特, T·M·萨布拉姆, K·-K·徐, W·S·霍格伦 申请人:气体产品与化学公司