一种空分纯化均压系统及控制方法与流程

本发明属于空气分离技术领域，具体涉及一种空分纯化均压系统及控制方法。

背景技术：

空气分离设备通过两个平行设置的吸附器净化来自主空气压缩机的原料空气(含有杂质的湿空气)。两个吸附器以交替切换方式运行，即当第一吸附器吸附原料空气中的杂质直到其吸附剂饱和时，第二吸附器处于再生阶段，一旦第一吸附器的吸附剂饱和，就切换为第二吸附器吸附原料空气中的杂质，而此时第一吸附器开始其再生阶段，如此交替反复以产生空分精馏所需的干燥空气。

吸附阶段指的当来自主空气压缩机的原料空气通过吸附剂时，湿空气中的水、二氧化碳、乙炔和其它碳氢化合物等被吸附而产生干燥空气的过程。如果在进入空分冷箱之前没有去除杂质，被冷却冻结的水和二氧化碳沉积在低温换热器、透平膨胀机或精馏塔里，就会堵塞换热通道、管道和阀门，乙炔积聚在液氧中更有爆炸的风险，从而导致空气分离设备的故障或损坏，因此空分纯化系统的作用就是清除空气中所含的水、乙炔、二氧化碳等杂质，从而保证空气分离设备长期安全、可靠地运行。

空分纯化系统常用的吸附剂有分子筛和氧化铝，当吸附剂饱和时将不能继续吸附杂质时，即达到了吸附剂的最大吸附能力，此时需要对吸附剂进行再生，释放吸附剂材料的表面的水和二氧化碳等。

再生阶段通常包括：(1)将吸附器降压至接近大气压；(2)通过引入加热气体在大气压力下再生吸附剂，热气体通常是来自空分冷箱的污氮气；(3)冷却吸附剂，将来自空分冷箱但未加热的污氮气引入吸附器中；(4)使用来自处于吸附阶段的吸附器产生的干燥空气进行均压，直至两个吸附器压力相等；(5)原料空气同时流经两个吸附器，关闭均压阀，再生阶段结束。

吸附器的运行周期包括吸附阶段和再生阶段，其中再生阶段由上述的步骤(1)至(5)组成。吸附阶段的运行时间与再生阶段的运行时间相同，即吸附阶段的运行时间与步骤(1)至(5)的总时间相同，两个吸附器在整个运行周期的时间达到一半时切换。

在均压步骤(4)中，通常用原料空气的3％-5％用于对大气压力下的吸附器进行充压，现有技术中，为了保持流向空分冷箱的干燥空气流量恒定，需要增加主空气压缩机的进气导叶的开度而加大流向吸附器的原料空气的流量；均压步骤结束，由于没有了用于充压的干燥空气的流量损耗，主空气压缩机的进气导叶又要调节至原开度，直至下一次均压时再增加进气导叶的开度。如此，吸附器的均压步骤会导致频繁调节主空气压缩机的进气导叶，而导致主空气压缩机不能以基本恒定的能力运行，从而导致空分工况的扰动；而且，必须购买比所需能力更大的主空气压缩机，导致了更高的设备投入，不具有经济性。

为了解决这一问题，现有技术us2017276428中公开了一种可以使得主空气压缩机以基本恒定的能力运行(即在吸附器均压步骤中不需要增加主空气压缩机的进气导叶的开度)，同时还保持流向空分冷箱的干燥空气流量基本恒定的方法。在us2017276428的一个实施例中，使用干燥氮气来对吸附器充压，而无需损耗来自主空气压缩机的原料空气流量，可以达到主空气压缩机以基本恒定的能力运行的目的。干燥氮气可以来自外部气源，也可以是来自空分冷箱的加压氮气产品。

然而，us2017276428提出的吸附器均压步骤使用干燥氮气的技术方案依然存在影响空分精馏工艺的问题，这是由于均压步骤结束之后的吸附器即将进入吸附阶段，转换过程中该吸附器流向空分冷箱的气体成分从干燥氮气逐渐转换为干燥空气，以致于进入下游空分冷箱(尤其精馏塔)内参与精馏的气体条件发生波动，而干扰了空分冷箱的工艺条件。

为了避免上述转换过程中流向空分冷箱的气体成分从干燥氮气到干燥空气的变化，使这种干扰最小化，如何设计一种新的空分纯化均压系统及控制方法，以消除现有技术中的上述缺陷和不足，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。

技术实现要素：

为了实现上述发明目的，本发明公开了一种空分纯化均压系统,该系统包括：平行设置的第一吸附器和第二吸附器；第一空气总管，其位于吸附器的进气端的上游，用于接收来自主空气压缩机的湿空气；第一空气进气支管，其用于连接该第一空气总管和该第一吸附器的进气端；第二空气进气支管，其用于连接该第一空气总管和该第二吸附器的进气端；第二空气总管，其位于吸附器的出气端的下游，用于输送经吸附器净化后的干燥空气流向空分冷箱；第一空气出气支管，其用于连接该第二空气总管和该第一吸附器的出气端；第二空气出气支管，其用于连接该第二空气总管和该第二吸附器的出气端；均压阀，其通过管道分别与该第一空气出气支管和该第二空气出气支管相连；流量调节器，其位于该第二空气总管上，用于测量该第二空气总管上的干燥空气的流量，其中：该系统还包括充压气体管道，其与该第一空气总管连接，用于接收充压气体并输送至该第一空气总管；控制阀，其位于该充压气体管道上，并由该流量调节器调控其开度，从而调控该充压气体管道的进气量。

更进一步地，该系统还包括第一空气进气阀和第二空气进气阀，其分别位于该第一空气进气支管和该第二空气进气支管上；第一空气出气阀和第二空气出气阀，其分别位于该第一空气出气支管和该第二空气出气支管上；第一压力变送器和第二压力变送器，其分别与该第一吸附器和该第二吸附器相连，分别用于测量该第一吸附器和该第二吸附器的压力。

更进一步地，该系统还包括开关阀和单向阀，其均位于该充压气体管道上。

更进一步地，该系统由分布式控制系统dcs控制。

更进一步地，所述充压气体由干燥氮气、干燥空气和/或湿空气的一种或几种组成。

更进一步地，所述充压气体不来自于主空气压缩机。

更进一步地，该系统还包括第一空气进气阀和第二空气进气阀，其分别位于该第一空气进气支管和该第二空气进气支管上；第一空气出气阀和第二空气出气阀，其分别位于该第一空气出气支管和该第二空气出气支管上；第一压力变送器和第二压力变送器，其分别与该第一吸附器和该第二吸附器相连，分别用于测量该第一吸附器和该第二吸附器的压力；开关阀和单向阀，其均位于该充压气体管道上；分布式控制系统dcs，用于控制所述空分纯化均压系统。

本发明还提供了一种空分纯化均压系统的控制方法，该控制方法至少包括以下步骤：当第一吸附器处于吸附阶段，而第二吸附器处于再生阶段时，第一空气进气阀和第一空气出气阀处于打开状态，其它阀门处于关闭状态；当需要对第二吸附器进行均压时，dcs缓慢打开均压阀，将来自第一吸附器的部分干燥空气经均压阀输送至第二吸附器来增加第二吸附器的压力；dcs同时打开该充压气体管道上的开关阀；该第二空气总管上的流量调节器测量到流向空分冷箱的干燥空气的流量损耗，并根据该流量损耗调控该充压气体管道的控制阀的开度，使得充压气体通过该充压气体管道输送至该第一空气总管，以补偿该第二空气总管上的干燥空气的流量损耗。

更进一步地，还包括以下步骤，直至第一压力变送器和第二压力变送器的数值几乎相等，该第二空气总管上的流量调节器测量到干燥空气的流量损耗为零，关闭该充压气体管道上的控制阀，同时dcs关闭开关阀，第二吸附器的均压步骤结束。

更进一步地，还包括以下步骤，当第一吸附器处于再生阶段，而第二吸附器处于吸附阶段时，第二空气进气阀和第二空气出气阀处于打开状态，其它阀门处于关闭状态；当需要对第一吸附器进行均压时，dcs缓慢打开均压阀，将来自第二吸附器的部分干燥空气经均压阀输送至第一吸附器来增加第一吸附器的压力；dcs同时打开该充压气体管道上的开关阀；该第二空气总管上的流量调节器测量到流向空分冷箱的干燥空气的流量损耗，并根据该流量损耗调控该充压气体管道的控制阀的开度，使得充压气体通过该充压气体管道输送至该第一空气总管，以补偿该第二空气总管上的干燥空气的流量损耗。

更进一步地，还包括以下步骤，直至第一压力变送器和第二压力变送器的数值几乎相等，该第二空气总管上的流量调节器测量到干燥空气的流量损耗为零，关闭该充压气体管道上的控制阀，同时dcs关闭开关阀，第一吸附器的均压步骤结束。

与现有技术相比较，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

(1)本发明解决了使用干燥氮气给吸附器均压所存在的影响空分精馏工艺的问题，在再生阶段进入吸附阶段的转换过程中，之前均压步骤使用的充压的干燥氮气与来自主空气压缩机的湿空气混合后进入吸附器，使得流向空分冷箱的气体成分基本保持不变，以减少现有技术中气体成分从干燥氮气逐渐转换为干燥空气而造成对进入精馏塔内参与精馏的气体条件的扰动，稳定了空分冷箱的工艺条件。

(2)本发明无需频繁调节主空气压缩机的进气导叶，从而保证主空气压缩机以基本恒定的能力运行。

(3)本发明无需购买比所需能力更大的主空气压缩机，降低了设备投入，具有经济性。

(4)本发明将原本调控主空气压缩机的进气导叶的流量调节器用于调控本发明中的控制阀的开度，从而控制该充压气体管道的进气量，该控制方法更加简单便捷。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图得到进一步的了解。

图1是本发明所提供的优选实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术方案可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

如无特别说明，本文中出现的类似于“第一”、“第二”的限定语并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中即可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本文中“充压气体”的来源应不来自于主空气压缩机，以此区分开充压气体与用于吸附器净化的湿空气的来源，从而避免了由于在均压步骤中部分净化后的干燥空气用作充压气体，而造成的流向空分冷箱的第二空气总管(出气总管)上的干燥空气的流量损耗。优选地，充压气体由干燥氮气、干燥空气和/或湿空气的一种或几种组成，其中可以使用储存的干燥氮气、干燥空气和/或湿空气，也可以使用来自空分冷箱的加压氮气(例如污氮气或低压氮气产品)；充压气体也可以是加压氧气和/或加压氩气，但并不具有经济性。

下面结合附图1详细说明本发明的具体实施例。

空分纯化系统的基本组成包括：平行设置的第一吸附器r01和第二吸附器r02，吸附器内通过设置三层格栅分别装填分子筛层和氧化铝层(内格栅和中间层格栅之间装分子筛，中间层格栅和外格栅间装氧化铝)，当吸附器处于吸附阶段时，湿空气由吸附器底部的进气端进入，先通过氧化铝层除去湿空气中的水分，再经过分子筛层除去二氧化碳和乙炔及其它碳氢化合物，最后通过过滤器由吸附器顶部的出气端排出的是净化后的干燥空气；用于接收来自主空气压缩机的湿空气的第一空气总管lin(进气总管)，其位于吸附器的进气端的上游，分别通过第一空气进气支管l01和第二空气进气支管l02与第一吸附器r01的进气端和第二吸附器r02的进气端连通；第一空气进气阀01和第二空气进气阀02分别设置于第一空气进气支管l01和第二空气进气支管l02上；用于输送经吸附器净化后的干燥空气流向空分冷箱的第二空气总管lout(出气总管)，其位于吸附器的出气端的下游，分别通过第一空气出气支管l03和第二空气出气支管l04与第一吸附器r01的出气端和第二吸附器r02的出气端连通；第一空气出气阀03和第二空气出气阀04分别设置于第一空气出气支管l03和第二空气出气支管l04上；均压阀05，其通过管道分别与第一空气出气支管l03和第二空气出气支管l04相连，也就是分别与第一吸附器r01的出气端和第二吸附器r02的出气端相连；位于第二空气总管lout(出气总管)上的流量调节器06(现有技术中该流量调节器用于调控主空气压缩机的进气导叶的开度)；第一压力变送器pi1和第二压力变送器pi2，其分别与第一吸附器r01和第二吸附器r02相连，用于测量第一吸附器r01和第二吸附器r02的压力。当第一吸附器r01处于吸附阶段，打开第一空气进气阀01和第一空气出气阀03，关闭第二空气进气阀02和第二空气出气阀04，使得第一空气总管lin(进气总管)、第一空气进气支管l01、第一吸附器r01、第一空气出气支管l03和第二空气总管lout(出气总管)处于连通状态；而当第二吸附器r02处于吸附阶段，打开第二空气进气阀02和第二空气出气阀04，关闭第一空气进气阀01和第一空气出气阀03，使得第一空气总管lin(进气总管)、第二空气进气支管l02、第二吸附器r02、第二空气出气支管l04和第二空气总管lout(出气总管)处于连通状态。上述阀门的打开与关闭均由dcs控制，即在一定条件下(阀门开/关反馈信号、达到的工艺条件等)由dcs启动每一步骤；如果没有启动相反的动作，每一步中的所有动作(阀门打开或者关闭命令)都会在下一步中保持。

本发明在空分纯化系统的基本组成的基础上，增加了与第一空气总管lin(进气总管)相连的充压气体管道lc，用于接收充压气体并输送至该第一空气总管lin(进气总管)；在该充压气体管道lc上设置了开关阀08、单向阀09和控制阀07；开关阀08的打开与关闭由dcs控制，其只具有打开与关闭两个动作状态；单向阀09的作用在于防止充压气体甚至由第一空气总管lin(进气总管)来的湿空气的逆流，造成对管道的损坏；控制阀07由位于第二空气总管lout(出气总管)上的流量调节器06调控其开度，当主空气压缩机以基本恒定的能力运行，即来自主空气压缩机的湿空气量恒定(假设为q，单位nm³/h)，理论上经吸附器净化后产生流量为q的干燥空气流向空分冷箱，倘若均压步骤中有3％的干燥空气经均压阀05从处于吸附阶段的吸附器输送至处于再生阶段的吸附器，此时位于第二空气总管lout(出气总管)上的流量调节器06测量到流向空分冷箱的干燥空气的流量损耗，并根据该流量损耗调控该充压气体管道lc的控制阀07的开度，使得约3％q流量的充压气体通过该充压气体管道lc输送至该第一空气总管lin(进气总管)，与来自主空气压缩机的湿空气混合后一起进入处于吸附阶段的吸附器，以补偿该第二空气总管lout(出气总管)上的干燥空气的流量损耗，而达到流向空分冷箱的干燥空气流量基本恒定的目的(理论上等于q)；直至第一压力变送器pi1和第二压力变送器pi2的数值几乎相等，即其差值的绝对值≤设定值15kpa时视为均压结束，由于没有了用于充压的干燥空气的流量损耗，此时位于第二空气总管lout(出气总管)上的流量调节器06测量到干燥空气的流量损耗为零，关闭该充压气体管道lc上的控制阀07，同时dcs关闭开关阀08，吸附器的均压步骤结束。均压步骤中用于充压的干燥氮气与来自主空气压缩机的湿空气混合后进入吸附器，使得即将从再生阶段切换为吸附阶段的吸附器中的气体成分可以基本保持不变，这个切换过程中流向空分冷箱的气体成分也基本保持不变，稳定了空分冷箱的工艺条件。

实施例1

下面以第一吸附器处于吸附阶段，而第二吸附器均压(再生阶段)的情况，详细描述本发明的工作流程。

当第一吸附器r01处于吸附阶段，而第二吸附器r02处于再生阶段时，第一空气进气阀01和第一空气出气阀03处于打开状态，其它阀门处于关闭状态。当由dcs控制的程序切换运行时间到第二吸附器r02均压步骤时，dcs缓慢打开(斜率控制)均压阀05，将来自第一吸附器r01的部分干燥空气经均压阀05输送至第二吸附器r02来增加第二吸附器r02的压力；dcs同时打开充压气体管道lc上的开关阀08；该第二空气总管lout(出气总管)上的流量调节器06测量到流向空分冷箱的干燥空气的流量损耗，并根据该流量损耗调控该充压气体管道lc的控制阀07的开度，使得充压气体通过该充压气体管道lc输送至该第一空气总管lin(进气总管)，与来自主空气压缩机的湿空气混合后一起进入处于第一吸附器r01，以补偿该第二空气总管lout(出气总管)上的干燥空气的流量损耗。直至第一压力变送器pi和第二压力变送器pi2的差值的绝对值≤设定值15kpa时，该第二空气总管lout(出气总管)上的流量调节器06测量到干燥空气的流量损耗为零，关闭该充压气体管道lc上的控制阀07，同时dcs关闭开关阀08，第二吸附器r02的均压步骤结束，进入并联准备工作。

实施例2

下面以第一吸附器均压(再生阶段)，而第二吸附器处于吸附阶段的情况，详细描述本发明的工作流程。

当第一吸附器r01处于再生阶段，而第二吸附器r02处于吸附阶段时，第二空气进气阀02和第二空气出气阀04处于打开状态，其它阀门处于关闭状态。当由dcs控制的程序切换运行时间到第一吸附器r01均压步骤时，dcs缓慢打开(斜率控制)均压阀05，将来自第二吸附器r02的部分干燥空气经均压阀05输送至第一吸附器r01来增加第一吸附器r01的压力；dcs同时打开充压气体管道lc上的开关阀08；该第二空气总管lout(出气总管)上的流量调节器06测量到流向空分冷箱的干燥空气的流量损耗，并根据该流量损耗调控该充压气体管道lc的控制阀07的开度，使得充压气体通过该充压气体管道lc输送至该第一空气总管lin(进气总管)，与来自主空气压缩机的湿空气混合后一起进入处于第二吸附器r02，以补偿该第二空气总管lout(出气总管)上的干燥空气的流量损耗。直至第一压力变送器pi和第二压力变送器pi2的差值的绝对值≤设定值15kpa时，该第二空气总管lout(出气总管)上的流量调节器06测量到干燥空气的流量损耗为零，关闭该充压气体管道lc上的控制阀07，同时dcs关闭开关阀08，第一吸附器r01的均压步骤结束，进入并联准备工作。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。