通过变压吸附生产的中范围纯度氧的制作方法
一种用于从vpsa/vsa/psa系统生产较低纯度o2的新型工艺循环和设备设计。典型设备以>90％o2纯度为目标。根据本发明，通过小心使用吹扫气体使之实现较低压力比率和较低平均压力，而使吸附剂利用率最大化。这些效益与其他改进相结合，在<85％但大于50％的o2纯度下实现了显著的生产效益。
背景技术：
通常，大规模vpsa设备的纯度>90％。文献中未描述中范围纯度氧生产。大多数专利并未明确将生产限制于这些范围，但纯度低于90％时，生产和纯度难以保持稳定并且会失去循环设计的效益。
授予ackley等人的美国专利号6,500,234描述了利用相对于常规吸附剂而言本征扩散率较高的先进吸附剂的工艺。通过增加吸附/解吸的速率以在固定压力比率下产生较高氮传质系数，而证实增加了氧产品回收率。然后应用该概念以实现极短循环(例如，大于10s)和极低床尺寸因子(bsf)，同时仅影响产品回收率的最小降低。相反，本文的权利要求是增加床的尺寸以延长循环时间并且增加均衡速率以减少放空时间，从而有效地提供大部分生产效益而不增加成本和复杂性。
授予hirooka等人的美国专利号5,122,164描述了通过分离空气来生产氧的6步、8步和10步真空变压吸附(vpsa)工艺。该专利的主要重点是各种循环步骤的循环配置和详细操作以提高收率和生产率，但以>90％纯度循环为目标。诸如产品加压和分流均衡的附加步骤有助于增加>90％高纯度应用的产量。本文的教导内容将证实这些附加步骤对于中范围纯度实际上起到负面作用。
授予baksh等人的美国专利号7,396,387描述了使鼓风机生产的利用率最大化的多床吸附系统。其提议是一种多床系统，该多床系统增加回收率并且允许鼓风机始终保持接通。这会增加与较大鼓风机的增量成本相关的系统成本。
授予schaub等人的美国专利号5,702,504是当前在工业上用于o2vpsa设备的最先进循环之一。重叠均衡和抽空的进展显著削弱了工业真空鼓风机的限制，并且还通过向床提供较低总体底部压力而增加了吸附剂的工作容量。该专利中提出的循环是本文呈现的进展的依据。
一些应用不需要90％或更大的纯度，并且可因较低纯度下的较低成本o2受益。因此，本发明的目的是提供工艺循环，该工艺循环允许使用传统系统设计从空气中稳定生产中范围纯度氧。典型循环在生成纯度低于90％的o2时具有有限的生产效益，但是在较高纯度下则会遭受生产损失。在空气中混入90％o2是一种选项；但是这会显著增加资本成本和复杂性。
技术实现要素：
本发明涉及工艺循环，该工艺循环允许使用传统系统设计从空气中稳定生产中范围纯度氧。典型循环在生成纯度低于90％的o2时具有有限的生产效益，但是在较高纯度下则会遭受生产损失。本发明的工艺循环能够生产含量明显更多的较低纯度o2。与传统替代方案相比，除了增强的生产能力之外，本发明的工艺还实现了单位产品质量消耗的更低功率以及更稳定的产品纯度和流量。
具体实施方式
通过吸附来生产中范围纯度氧的新工艺循环的本发明适用于供真空变压吸附系统使用的各种吸附容器和压缩配置。
在一些应用中，能耐受较低纯度氧；但是对于传统循环而言，生产效益不足以与较高纯度生产之后在空气中混合相竞争。根据本发明，通过小心使用吹扫气体使之实现较低压力比率和较低平均压力，而使吸附剂利用率最大化。这些效益与其他改进相结合，在<85％但大于50％的o2纯度下实现了显著的生产效益。
本发明是用于从psa/vsa/vpsa工艺生产氧的工艺循环，该工艺循环使用吸附剂，该吸附剂的吸附偏向于氮而非氧，从而允许产生较高纯度氧产品流。进料流的主要组分是空气。本发明的工艺循环允许使用对传统循环和传统系统设计的改进从空气中稳定生产中范围纯度氧。
除了增强的生产能力、单位产品质量消耗的更低功率以及更稳定的产品纯度和流量之外，氧纯度也是本发明的主要区分因素。中范围氧纯度可在约50％至约90％的范围内，在另一个实施方案中在约60％至约85％的范围内；并且在又一个实施方案中在约70％-80％的范围内。产生该中间范围氧的挑战是平衡无传质区(如在30％-60％纯度情况下)与具有尖锐传质区(其降低吸附剂的生产能力)之间的线。两种极端条件均有效，主要是因为在约40％-50％的中点之后，系统在传统循环的情况下将趋向于低纯度或高纯度。在平衡生产纯度方面存在相当大的困难，在60％-75％范围内达到最大程度。为了理解这些问题，进行了广泛的建模以说明可在修改吹扫步骤和增加均衡速率的情况下进行适当的平衡。这些手段提供控制以增加吹扫纯度，从而直接引起该系统以与>90％纯度情况类似的方式发挥作用。
本发明的工艺循环允许产生50％-90％o2的目标纯度且具有较低的纯度和流量波动，与此同时降低鼓风机上的应变，从而延长其预期寿命并且减少维护。本发明的循环还允许稳定纯度并且在通常不可能的中范围纯度下生产。另外在减小压力比率的情况下，功耗可转向更多床进料，从而进一步增加总设备产量。较低的压力比率另外降低了鼓风机和管道上的应变，其还减轻了泄漏和滤网污染风险。自由空气选项允许在循环的最低压力进料时间时有附加设备进料空气。该自由空气也处于环境温度并且降低平均入口进料温度。随后，由于入口温度更低，真空鼓风机具有更大生产率。
另一个优点是与现行产品线类似，这允许有偏差而不招致显著的设计成本。因较低压力比率而引起的功耗降低也是一个显著优点。基本上对于相同设备功率和相同设备资本而言，可在对基本设备设计做轻微改进的情况下使产量增加至少10％且至多40％。
对于压缩系统配置而言，至少一个吸附床由至少一个进料压缩机循环地加压并且由至少一个真空压缩机抽空。进料压缩机或真空压缩机中的一者或多者可以是由被设计用于变速操作的相关高速永磁电机所驱动的离心压缩机以满足变压吸附循环操作要求。
此外，变压吸附系统具有至少一个吸附床，所述至少一个吸附床可由相关高速永磁变速电机所驱动的一个或多个进料离心压缩机循环地加压，并且由相关高速永磁变速电机所驱动的一个或多个离心压缩机抽空。
在压缩机不是离心压缩机的实施方案中，可利用感应电机所驱动的旋转叶片鼓风机。
变速控制高速永磁电机所驱动的离心进料和/或真空压缩机允许与常规感应电机/齿轮箱所驱动的正排量式旋转叶片鼓风机相比有一个数量级的能量效率提升，这是由于机器效率更高并且消除了齿轮箱和润滑油系统。这些变速离心压缩机将需要被设计和控制为遵照循环变压吸附工艺以实现平稳机器操作和设计效率，如授予manning等人的us7785405b所教导。
为了使变速离心压缩机的效率最大化，变压吸附工艺步骤和循环时间应被设计为大于从加速和减速条件的惯性变化的比率。基于来自授予belanger等人的us9089810b2的教导内容，离心压缩机非常适合用于循环时间为至少27秒或更长的真空变压工艺以使惯性损失最小化。
通过吸附来生产中范围纯度氧的优选循环时间对于新的14步工艺循环为～33.75秒，并且对于新的12步工艺循环为33.5秒。这两种情况都完全在使来自变速离心压缩机的惯性损失最小化的循环时间范围内。因此，更高的机器效率可转换成总体变压工艺。
此外，更长的工艺循环时间更有利于中纯度氧工艺循环而非高纯度工艺循环，这是由于事实上与高纯度循环相比可扩大传质区以节省压缩功率。
就这些改进的依据而言，图1中呈现了来自schaub等人的u.s.5,702,504专利的循环：
c-压缩机/加压
v-真空/抽空
ai-环境入口
ppg-提供吹扫
eqdn-向下均衡
equp-向上均衡
p-产品制备
图2的循环是：
1)压缩机进料(c)，利用鼓风机和产品加压
2)压缩机进料(c)，利用鼓风机
3)压缩机进料(c)、产品制备和提供吹扫(ppg)
4)向下均衡(eqdn)
5)向下均衡(eqdn)和抽空(v)
6)抽空(v)
7)抽空(v)
8)抽空(v)和接收吹扫(ppg)
9)抽空(v)和向上均衡(equp)
10)向上均衡(equp)和压缩机进料(c)
对于生产中范围纯度氧而言，本发明的循环提供了相比于schaub循环的显著改善。
在一个实施方案中，本发明涉及用于生产纯度为约75％至约90％、在另一个实施方案中约75％至约85％、以及在另一个实施方案中约75％至约80％的中范围氧的吸附工艺，其中所述工艺包括遵照图2所示的循环图的14步循环。附图中的缩写具有以下含义：
c-压缩机/加压
v-真空/抽空
ai-环境入口
ppg-提供吹扫
eqdn-向下均衡
equp-向上均衡
p-产品制备
图2的循环是：
1)压缩机进料(c)，利用鼓风机和环境入口(ai)-1.625s
2)压缩机进料(c)，利用鼓风机-5.5s
3)压缩机进料(c)和产品制备-5.5s
4)压缩机进料(c)、产品制备和提供吹扫(ppg)-1.5s
5)压缩机进料(c)和产品制备-1,5s
6)向下均衡(eqdn)-0.75s
7)向下均衡(eqdn)和抽空(v)-0.5s
8)抽空(v)-1.625s
9)抽空(v)-5.5s
10)抽空(v)-5.5s
11)抽空(v)和接收吹扫(ppg)-1.5s
12)抽空(v)-1.5s
13)抽空(v)和向上均衡(equp)-0.75s
14)向上均衡(equp)和压缩机进料(c)-0.5s
在另一个实施方案中，本发明涉及用于生产纯度小于或等于75％的中范围氧的吸附工艺，其中所述工艺包括遵照图3中的循环图的12步循环。在该实施方案中，本发明的循环是：
1)压缩机进料(c)，利用鼓风机和环境入口(ai)-1.625s
2)压缩机进料(c)，利用鼓风机-5.5s
3)压缩机进料(c)和产品制备-5.5s
4)压缩机进料(c)、产品制备和提供吹扫(ppg)-1.5s
5)压缩机进料(c)和产品制备–1.5s
6)向下均衡(eq)-1.0s
7)抽空(v)-1.625s
8)抽空(v)-5.5s
9)抽空(v)-5.5s
10)抽空(v)和接收吹扫-1.5s
11)抽空(v)-1.5s
12)抽空(v)和向上均衡(eq)-1.0s
本发明的循环和先前循环之间的主要差异见以下图表：
在上表中，每行表示独特的工艺步骤。不同步骤的组合和均衡步骤的定时展示了本发明的循环的新属性。
i.吹扫改进(50％-85％纯度循环的步骤3和步骤8)。与保持吹扫直至停止产品制备为止的先前教导内容相反，本发明在停止产品制备之前停止吹扫。在典型循环的步骤3“恒定压力进料和产品制备并且提供吹扫”中，我们在此通过隔离连接第1和第2床的阀而提早结束吹扫，同时继续向缓冲罐中生产产品。该附加步骤在典型循环中持续0.25至4秒。这是新颖/令人惊讶/特有的低纯度，原因在于不吹扫会带来真空产量损失的负面效应。于是本文的效益实际上是产品气体的清洁可能性、产品的损失和真空产量的增加/损失之间的折衷。产品气体的纯度迹线向我们表明了在产品生产期间的某个时间点，纯度开始迅速降低。这与较高纯度循环截然不同，在后者中，纯度在整个产品制备步骤中大致相同。从图5中可以看出，在平均90％纯度下的产品生产期间，产品纯度的变化通常小于2％(即，从88％到92％)。在图5所示的低纯度循环中，就70％的平均纯度而言，产品纯度可从50％下限变化到85％上限。如果我们将该步骤应用于在90％纯度下执行的设备，我们将看到产量降低。因此我们在本文中提出了只有当产品纯度<90％时，该步骤才有助于性能而非损害性能。除了更高的产量和床清洁之外，这还有助于设备生产的稳定性，如随后所阐释。
ii.自由空气(采用空气进料的50％-85％和50％-75％循环的步骤1)-自由空气环境进料为vsa/vpsa所特有并且特别适合与吹扫改进结合使用，因为其允许利用真空鼓风机显著提高生产率。在利用以上吹扫改进的情况下，随后设备的进料空气受到限制。该新环境空气进料步骤允许我们使用当前形式的产品线并且从该设备得到更高产量，但利用更高真空生产率从环境吸入额外进料空气。若没有该步骤，设备将需要针对不同产品纯度使用不同真空和进料鼓风机尺寸。因此，本文的主要效益是工程/成本节省效益以及允许我们的设备在客户需要较低纯度下的较高氧产量的情况下满足客户要求的灵活性效益。
iii.第二均衡消除(50％-75％纯度循环)。这是对先前教导内容的改进，该先前教导内容将重叠真空和进料鼓风机使用引入到均衡步骤。其重点是保持传质(“mt”)前沿尽可能尖锐，但会负面地增加鼓风机的能量消耗。我们在本文提出了在相反方向上与传统均衡的偏差，即，我们允许传质前沿扩大，同时降低鼓风机的能量消耗。该步骤最初是作为增加设备产量的方法提出的。然而，当应用于低纯度生产的现代材料时，可有利地消除该步骤。采用隔离的产品鼓风机和重叠抽空的单一均衡基本上足以保留大部分较高氧纯度气体。因此这是低纯度生产所特有的，即<90％。
iv.产品加压消除(所有循环)。利用与前述推理相同的推理，我们还消除了产品加压。“产品加压的消除”、“没有产品加压”和/或“无产品加压”被定义为从缓冲罐到吸附床的气流的大幅减少。这可通过与吸附床和缓冲罐之间的压力差相关的产品制备阀开启的定时来表征。拐点是缓冲罐与床之间的差值为0的时候。如果产品制备阀在拐点之前开启不到2秒，则从缓冲罐流动到吸附床的气体量对于该工艺微不足道，并且不会给低速率材料带来效益，对高速率材料也没有惩罚。因此，无产品加压被定义为产品阀在拐点之前开启不到2秒的循环。
v.更快均衡(50％-85％纯度的步骤4和5以及50％-75％纯度的步骤4)。除了由分流均衡消除变化实现的前述变化之外，我们还可以反直觉地增加均衡速率。通常这会引起mt区扩大。然而，就中范围纯度而言，mt区已经较宽并且不需要变尖锐以保持纯度。因此这里存在不显著的负面效应。还存在新型效益，原因在于均衡更快，更低压力床将发生更大均衡，继而引起产品纯度分布偏移。然后可将峰纯度控制到吹扫步骤结束的确切时间以显著增加该设备的固定纯度产量。对于均衡的定时而言，过去已为每个步骤(均衡以及重叠均衡和抽空)确定1.5-4秒。我们在此声明小于1.5秒有利于该设备的生产，目标是在存在多个步骤时所有均衡步骤总共用时约0.5至1.25s。
该系统的最佳操作模式将所指出的工艺改进组合到两个所提出的改进工艺循环中，其中一个循环适用于50％-85％o2产品纯度，另一个循环适用于50％-75％o2产品纯度。
为了定量并且论证这些效益，构建了动态偏微分数学系统以模拟该性能。使用工艺系统公司(processsystemsenterpriseinc.)出品的
从先前提及的文献中的循环开始，我们发现在纯度<85％时实施产品加压或在纯度<75％时实施分流均衡是不利的。作为一个示例，这与授予hirooka的美国专利号5,122,164和授予schaub的美国专利号5,702,504关于>90％纯度设备生产的教导内容截然对立。这在建模环境中论证并且在中试系统中进一步验证。从基本schaub循环开始，产品加压的消除使产量增加1.4％并且使设备能量消耗降低5％。
当设计设备时，与所需产量相关的吸附床的尺寸是重要的设计参数。该参数是床尺寸因子(bsf)并且为吸附剂总磅数除以设备的产量。产量的典型测量单位是每天产生的o2短吨数，其为产品的纯度乘以总产品流量。当在小床(bsf<6001bs/stpd)情况下消除第二均衡步骤时，在550的bsf下存在0.5％的产量减少和1.4％的能量消耗增加。对于大床情况(bsf>6001bs/stpd)的相同变化而言，在730的bsf下存在1.5％的产量增加和1.4％的能量消耗减少。
与先前教导内容截然对立的是，对缩短的均衡步骤时间的效益没有限制。先前对均衡步骤进行定时以平衡损失的进料空气的效应与吸附剂的缓慢解吸速率以及因此传质前沿的扩展。在适中纯度范围内，该床的传质前沿非常小，并且在该范围内几乎完全取决于吹扫纯度，而非均衡纯度或量。因此需要更快均衡以通过减少空隙空间损失来增加回收率以及通过使空载时间最小化来增加总床进料。结果表明产量增加了0.8％且能量消耗减少了0.7％，并且具有从4秒到1.5秒的总均衡定时变化。在低于1.5秒的时间，效益取决于吸附剂的吸附和解吸速率。对于慢吸附剂(mtc<20s-1)，则1.5秒为峰值。在30s-1的mtc下，1.25秒产生峰值产量，并且在60s-1的mtc下，0.75秒产生峰值产量。当使用ackley专利中所述的更高速率吸附剂时，最大产量所需的更低均衡时间在schaub等人得出的最佳均衡时间之外。
在另一个对该工艺的变化中，引入环境进料空气以在均衡结束时利用相对于环境压力的低床压力。在此在鼓风机与床之间设置通气孔，因此虽然鼓风机只能够送入恒定体积的空气，但环境进料可增大该体积直到床达到大气压。这基本上使鼓风机性能得以提升而没有显著的成本增加，并且进一步增强了空气的进料温度分布。并非随时间推移使恒定或略微减少体积的空气送入床(这与升高的温度相对应)，而是更低压力以及因此更低温度下的进料体积的增加使吸附剂的温度变缓和，从而增加了工作容量并且还在更低真空进料温度下增加了真空产量。在建模环境中，为系统添加自由空气进口允许在83％o2产品纯度下产量增加0.23％且能量消耗减少0.25％。但是该步骤需要仔细控制，因为使阀开启过长必然会在床被加压后经反向流动情形带来进料气体的损失。
在另一个对该工艺的变化中，阀在制造商给出的最大可能速度额定值下循环。此前没有记载的是，进料和真空阀的阀开启和关闭速度对高纯度生产(>93％)具有相对较小的影响。通常，使阀缓慢地循环以便延长阀寿命并且减少维护。在中范围纯度应用中，这对设备的生产可具有显著影响。纯度低于93％时，与建模环境中论证的2s阀关闭时间相比，0.75s阀关闭时间具有最多7％性能提升。在阀定时更快(另一个对该工艺的变化)情况下，还经由绕过真空压缩机的止回阀来引入环境通气。该阀允许气体在均衡已发生之后以比真空压缩机所提供的更快的速率离开容器。这不同于允许床在均衡期间在压缩之后立即通气的替代选项。该止回阀在高bsf(>400lbs/stpd)和高进料压缩机与真空压缩机比率(其中进料压缩机是真空压缩机的尺寸的80％以上)下最为有利。下面示出了说明均衡之后通气的效益的纯度标绘曲线，并且图4中示出了与2.0s阀定时相比0.75s阀定时的效应。
利用涉及均衡和吹扫步骤的基本循环，我们发现在吹扫/产品制备步骤之后引入步骤并且仅在停止吹扫时制备产品增加了该设备的产量并且减少了设备变异性。可在建模环境中看出这点的原因。在90％生产设备的产品纯度迹线中，纯度在床的生产期间仅略微变化。对于适中纯度产品而言，纯度在几秒生产内(主要在设备逐渐累积纯度时)变化20％之多。这使设备累积纯度所需的时间显著长于失去纯度所需的时间，从而削弱了稳定性。此外，纯度在其在低均衡量下平稳下来或在较高均衡量下显著降低之前在该步骤的中部期间达到峰值。通过在产品纯度的峰值处停止吹扫，我们使吹扫气体的影响最大化并且在我们对产量超调且纯度比预期下降更迅速的情况下减少设备失控的机会。这还通过在结束时实现更高纯度来使产品的纯度分布偏移，从而允许显著更大的均衡。此外，真空能够将该设备吸至比正常情况更低的压力，从而略微降低床温度和残余n2负载。所有这些加起来使得n2工作容量显著更高并且使设备性能稳定。应当注意，针对所有纯度和bsf尺寸论证了稳定性效益，但是也由模型数据论证的大bsf(>500lbs/stpd)显示出相比于传统循环的4％产量增加和6％功率减少，并且中试性能数据显示出在等效设备功率下最多8％产量增加。
图5是对于以下不同情况在建模环境中的产品集管处获得的产品纯度的编绘：>90％生产、80％产品纯度下的schaub循环、从<80％纯度开始试图升至80％纯度的schaub循环以及本文提出的80％纯度下的循环，证实了产品制备步骤结束时的上升趋势和产品制备步骤开始时的降低趋势。
现场性能数据显示出在对吹扫作改进的情况下80％纯度下的稳定操作，并且图6中给出了显示在没有该变化时纯度变动的图表。该图显示出稳定的设备产品抽吸、稳定的设备产量以及从80％升至85％再回到80％的变化产品o2浓度，所有均处于30分钟的过程中。
本发明的工艺可在psa/vsa/vpsa循环中实施，例外的是自由空气改进仅可在vsa/vpsa循环中使用。所需的低压为>0.1个大气压并且所需的高压为<100个大气压。甚至更优选的是该循环中的低压为>0.3个大气压并且该循环中的高压为<6个大气压。除了所提及的50％-85％纯度之外，该工艺的各方面(诸如自由空气入口)也可在85％至95％的更高纯度循环中实施。
根据权利要求17所述的工艺可包括单个床；单系列的两个床，其中一个床处于进料模式，而另一个床处于再生模式；或除两个床之外的多个床。
可在本发明的工艺中使用各种吸附剂。在一个实施方案中，可使用lix吸附剂。在另一个实施方案中，可采用具有li、ca、na、k的任何阳离子或混合阳离子构型的任何八面沸石类型。本发明将与以下两者共同配合：高速率吸附剂，其被定义为在1.5巴和300k下传质系数>＝12/s且本征n2扩散率为3.5×10-6m2/s；以及低速率吸附剂，当在1.5巴和300k下测量时其具有<12/s的传质系数和小于3.5×10-6m2/s的本征n2扩散率。
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