变压吸附工艺系统中的旋转鼓风机的制作方法

专利名称：变压吸附工艺系统中的旋转鼓风机的制作方法
技术领域：
本发明指向变压吸附(PSA)的气体分离领域，在本文的描述中还包括真空变压吸附(VPSA)和变真空吸附(VSA)。更具体地说，本发明的目的是，通过使用特殊的旋转鼓风机，来在PSA系统中减少投资和运用费用。
背景技术：
双床PSA氧工艺中包括有真空步骤，该步骤被用来从分子筛中解吸氮。在此真空步骤中要用到Roots型旋转鼓风机。当气体从鼓风机的较低压力区流向较高压力区时，气体被压缩，从而被加热。
表1列出标准的旋转鼓风机在稳态运转时的典型压缩热的值(以ΔTrise表示，它等于鼓风机排气温度减去鼓风机进气温度)。在这里“标准的旋转鼓风机”是指不能借助外部装置来加以冷却的鼓风机。这种鼓风机的一个例子是可从印第安纳州Connorsville的Dresser Industries公司购得的RAS-J Whispair型鼓风机。
下表1中的数据是在环境压力为14.5psia(磅/平方英寸绝对压力)和环境温度为70°F下测定的。该表代表的是稳态条件。
表1不带外部冷却的旋转增压鼓风机的性能数据ΔP=入口P-出口P ΔTrise(psia)070.5 131191.5 262332.5 423513.5 614724.5 845985.5 11361316.5 15171757.5 20282348.5 27293189.5 37510 447可以看出，随着鼓风机入口处压力与出口处压力之差(ΔP)的增大，鼓风机出口处的压缩热温度也增高。这一温升(ΔTrise)会导致压缩机部件被加热，如加热过度，就会造成压缩机故障。因此，如果Roots型鼓风机的标定温度容许变化量(ΔTmax)例如为230°F，则在稳态ΔP约为8时，该稳态ΔT值就会被超过。
可惜的是，具有一个或一个以上吸附床的典型PSA系统可能在ΔP值大于8的条件下运转。这样的系统在美国专利5,658,371(单床)、美国专利5,518,526(多床)和共同未决的专利申请SN08/611,942(多床)中都作了描述，所有上述专利和专利申请都作为参考资料引入本说明书。上述文献所公开的周期中典型ΔP值约在6～12psia的范围内，优选为7～11psia，最优选为8～10psia。在上述范围之内，双床系统的ΔP值系大于单床系统。
ΔT过大的问题已被解决，它是通过使用空气冷却式或水冷却式旋转鼓风机(例如包括有附加装置的鼓风机，以利用外部流体来冷却压缩机)以降低气体排出温度来解决的。空气冷却式鼓风机常用于单床系统，而对多床系统来说，水冷却式鼓风机已成为必不可少的了。空气冷却式鼓风机的例子可在美国专利5,090,879和4,859,158中找到。市场上能买到的这种类型鼓风机为Roots DVJ Dry Vacuum Whispair Blower,可从印第安纳州Connorsville的Dresser Industries Inc.公司购得。冷却旋转鼓风机的其它方法包括使用散热片、冷源等。
在表2中列出了典型的空气冷却式旋转鼓风机的稳态ΔTrise值。下表2中的数据是在环境压力15psia和环境温度70°F下测定的。该表代表的是稳态条件。
表2冷却式旋转增压鼓风机的性能数据ΔP=入口P-出口P ΔTrise(psia)0.5 5.20.9810.61.4617.81.9523.22.4330.42.9139.43.4 48.43.8857.44.3666.44.8577.25.3389.85.82100.66.3 113.26.78125.87.75152.88.23167.28.72181.69.2 1969.68210.410.17 226.6从这些数据可以清楚看出，冷却式鼓风机可比非冷却式鼓风机在较大的ΔP下运转；而且直到ΔP大于10时，ΔTmax230°F仍未超过。因而从所取得的数据可很清楚地看出，若想使工艺过程在ΔP约为8～10之间运转，就得设想要求用冷却式鼓风机。
可惜的是，这样的鼓风机的运用和投资费用较高。加之，水冷却式鼓风机要求有水可资利用，以注入鼓风机外壳，而在很多情况下，水并非现成可得。此外，冷却水还会引起在鼓风机端板上和转子上形成水垢，可能引起鼓风机发生机械故障。
发明目的故此本发明的目的是确立一种VSPA操作工艺，在其中可用标准的旋转鼓风机来取代冷却式旋转鼓风机。这一目的可使效率提高、投资降低。发明概述本发明包括一种PSA工艺，该工艺能从含有吸附能力较弱和较强的两种组分中把吸附能力较弱的组分分离出来，该工艺包括有以下周期特性a)往容器的进气端输入混合气，该容器中包括能有选择地吸附该吸附能力较强组分的吸附材料，输入混合气后容器内的压力就增高；b)吸附阶段，它包括吸附至少一部分吸附能力较强的组分，并回收至少一部分吸附能力较弱的组分；c)解吸阶段，它包括借助于从该容器抽空气体而从吸附材料中解吸出该吸附能力较强的组分，其中抽真空系在选定的压力下和选定的时间内进行，以使抽气用的降压装置无需外加的冷却。
在一种优选实施方案中，该降压装置包括旋转增压鼓风机。
在另一种优选实施方案中，抽空的步骤时间为小于60秒。
在另一种优选实施方案中，降压装置具有特定的温度容许变化量，而且其中的解吸阶段是在这样的压力和时间条件下运转，它能防止超过该温度容许变化量。
在另一种优选实施方案中，总的周期时间在10和180秒之间，压力比在2∶1和6∶1之间。
在另一种优选实施方案中，该解吸阶段需用的时间在5和90秒之间。
本发明还包括PSA分离设备，它能从含有非优先吸附的第一气体和一种或多种选择吸附的第二气体的混合气中分离出至少一种所说的第一气体，该分离设备包括以下部件至少一个吸附床单元，其中包括能从该提高压力的混合气中把所说的第二气体有选择地吸附的组合物；一个接收单元，它可通过控制阀与该吸附床单元的下游端相通，以接收从吸附床单元输来的加压第一气体；一个压力平衡单元，用以通过控制阀向吸附床单元的下游端排出废气，以降低吸附床单元内的压力，并借此使第二气体解吸并减压；一套压缩机装置，用以通过控制阀向吸附床单元的上游端输送相对加压的混合气；流通装置，用以在吸附床单元的压力超过接收单元的压力时，使第一气体从前者每个单元流入后者，以收集所产生的第一气体；减压泄放装置，用以在加压混合气停止输入吸附床单元时，把吸附床单元中残存的废气通过控制阀减压并泄放入压力平衡单元；以及降压装置，它与吸附床单元的上游端相通，用以把吸附床单元的压力减为低压；其中所说的降压设备包括旋转增压鼓风机，它具有预定的稳态温度容许变化量，其中，如果该鼓风机在稳态下运转，该容许变化量可以被超过。
附图简述从下面对优选实施方案和附图的描述中，本领域的技术人员就会联想起其它的目的、特性和优点，附图有

图1为典型的单床VPSA系统所用的非冷却式旋转增压鼓风机的性能曲线图。
图2为非冷却式鼓风机性能曲线简图，它示出在单床VPSA系统中使用非冷却式旋转增压鼓风机进行抽空时所推算出来的温度和压力值。
图3为典型双床VPSA系统所用的非冷却式旋转增压鼓风机性能曲线图。
图4为非冷却式鼓风机性能曲线简图，它示出在双床VPSA系统中使用非冷却式旋转增压鼓风机进行抽空时所推算出来的温度和压力值。
发明详述本发明可以这样来实现，即在一定的周期时间和压力参数下运转单床或双床PSA装置，以使工艺过程中所用的旋转鼓风机不需要外来的冷却。本发明基于这样的判断，即是否需要选用特殊的鼓风机，系取决于产生热量的解吸或抽空阶段的时间和压力范围对工艺周期中其它不产生热量(例如吸附)或冷却阶段的时间和压力范围的比例关系。
因此，借助于在某一预定的吸附和解吸参数的范围之内来运转，就可不需要用空气冷却或水冷却式旋转鼓风机。而可代之以在PSA工艺过程中使用标准的非冷却式旋转增压(例如Roots型)鼓风机，这样就可节省可观的投资和运用费用。
本发明适用于单床和多床(优选双床)系统。尽管本发明是根据吸附和解吸阶段作了一般性的描述，但本领域的技术人员会承认，本发明并不限于只具有这两个阶段的工艺。其它阶段如平衡阶段也可包括在内，在上述专利和申请中也对此有过一般描述，这些专利和申请已被本说明书作为参考资料引入。
如上所述，为了能使用标准的旋转鼓风机，总的ΔTrise(吸入温度到排出温度)必须保持在机器的温度容许变化量(ΔTmax)之下。我们已发现，借助于控制鼓风机的进气和抽空阶段的时间和鼓风机在各自阶段的压力范围，就可取得这一结果。
对单床工艺(例如美国专利5,658,371中所描述的那种)来说，鼓风机的平均吸入压力可在9～14.7psia之间，优选为约14～14.5psia，最优选为约14.5psia；而其进气/吸附阶段的最大排气压力为约20～25psia，优选为22～23psia，最优选约为22.7psia。在抽空/解吸阶段，最低吸入压力可为约5～9psia，优选为6～7psia，最优选为约6.05psia；而平均排气压力优选为9～15psia，更优选为14～15psia，最优选为约14.7psia。
对双床系统(例如共同提交的申请D-20,335-单级真空泵所公开的那种，其内容已作为参考资料引入本说明书)来说，进气鼓风机的平均吸入压力可为约14.7psia，而最大排气压力可在20～25psia之间。真空鼓风机的最大吸入压力可为约6～12psia之间，而平均排气压力可为约14.7psia。
通常，对上述单床和多床PSA系统来说，总的吸附/解吸周期时间可在10～180秒的范围内。对每一进气阶段和抽空阶段来说，其周期时间只是整个周期的一部分，可为整个周期时间的约一半，因此这些阶段的时间范围为约小于90秒；典型地为5～90秒，优选为10～30秒，更优选总共为17～22秒。这样的系统运转时吸附压力对解吸压力之比在2∶1至6∶1。
前已指出，在本发明以前，这类工艺过程选择鼓风机是基于对给定工艺最大ΔP的估算。我们发现，这样的估算是不准确的。而我们发现应估算给定工艺的平均ΔP，并把它与具体的抽空或解吸时间对整个周期的比例联系起来。在讨论过这一新方法是如何推导出来的以后，我们将提出实践本发明的准则。
图1示出按′371专利的典型单床VPSA周期在实践中的温度和压力的变化。在所示的工艺中，鼓风机在进气阶段的平均吸入压力为14.5psia，最大排气压力为约22.7psia，而在抽空阶段的最低吸气压力为约6psia，平均排气压力为约14.7psia。该工艺过程整个周期的平均ΔP为约5，最大ΔP为约9。因此，对上述表中所列的旋转鼓风机类型来说，在给定的最大ΔP值下，人们可能会认为需要使用冷却式鼓风机。
但是，如图所示，所得出的跨越机器的最大温升(例如ΔTrise)为214°F-85°F=129°F，该值大大低于在以前的讨论中所建议的ΔTmax=230℃。其中的原因有两方面。
首先，如图所示，排气温度(从而ΔTrise)只在周期中的抽空部分才以最快的速率(即具有最陡的上坡)增高。的确，对所示的周期来说，标准的旋转鼓风机在抽空阶段排气温度的平均上升率可计算得出为3.0°F/秒。另一方面，从图中的时间=0至约30秒可看出，在周期中的其它(非抽空)阶段，排气温度实际上是在下降。
因此，在估算实际的周期参数中显示出，应当把抽空时间对整个周期时间的比例与抽空阶段排气温度上升的速率结合起来考虑，而不是用工艺过程中的最大ΔP与伴生的ΔTrise(例如用表1的数据)之间的直接相关关系来考虑。
在图2中，利用上述的鼓风机排气温度上升速率(例如3°F/秒)推算出了一条曲线，以便确定鼓风机在抽空阶段会超出机器的温度容许变化量(例如ΔTmax=230°F)所需的时间。(请注意，与图1相比，图2中的时间=0秒相当于图1中的时间=20秒)。图2示出，上述工艺过程在超过230°F温度上限之前，所容许的总抽空时间约为60秒。
因此，一个单床PSA系统(例如美国专利5,658,371中的那种)，若其运转的总周期时间少于30～70秒，优选约50秒，其中的抽空阶段为5～30秒，优选15～25秒，最优选约20秒，则可以期望使用标准的旋转鼓风机而达到要求的真空压力水平。的确，这样的周期甚至可期望其抽空阶段最长达60秒，也不会违反标准鼓风机的温度容许变化量(ΔTmax)。
双床PSA系统也可取得类似的结果。图3示出伴随典型的双床系统(例如D-20,335所公开的那种)而产生的ΔTrise和ΔP曲线。在该系统中，平均ΔP约为7，最大ΔP值为约9。也象在单床系统上一样，在抽空阶段测得标准旋转鼓风机排气温度的平均升高率值亦为3.0°F/秒。
在图4中，利用这一温度升高率推算出了一条曲线，以便确定鼓风机在抽空阶段会超出鼓风机的温度容许变化量ΔTmax=230°F所需的时间。(与图3相比，图4中时间=0秒相当于图3中的时间=20秒)。
图4显示出，对上述工艺过程来说，在超出230°F容许变化量以前所允许的总抽空时间可能约为30秒。这样的工艺过程通常的运转周期在15～40秒的范围内，优选为约25秒，其中单是抽空阶段为5～20秒，优选为7～18秒，最优选为约13秒。
因此，可以用非冷却的旋转鼓风机(与冷却式鼓风机相对立)来在违反鼓风机温度容许变化量以前达到适宜的真空压力水平。由于真空鼓风机在抽空的20秒内是在最大压差14.7psia至6～12psia的变压中循环，因此这一吸气压力的周期性变化也将类似地减少违反机器温度容许变化量的机会。
因此，从对具体数据的估算中，就可推导出下述关系式。该公式是基于跨越鼓风机的平均周期ΔP；周期中包括有峰值ΔP，该值在稳态运转温度下本来是可能会超出鼓风机的能力的。公式1(TAS+Tmax)-[ΔTrise+TAS+(theat×ΔTrise/t)]/(ΔTrise/t)+ttotal=tallowed式中TAS-环境吸气湿度(典型的是70°F)；Tmax-鼓风机的最高标定温度；t-时间，秒；ΔTrise-在给定的ΔP(周期平均ΔP)下鼓风机的温升；theat-在解吸阶段(对典型周期来说，该阶段为整个周期时间的约40％)鼓风机升温的实际时间；ttotal-原设计周期中解吸阶段的总时间(例如20秒)；tallowed-吸附或解吸实际允许的总时间(例如ttotal+在周期运转中允许的附加时间)。
Tmax、ΔTrise和ΔTrise/t中的每项都将根据所选的特定旋转鼓风机而变。另外，theat和ttotal系取决于所选定的具体周期。确定每项的数值是熟练技工的能力所完全能做到的。因此，上述公式可被用于其它的单床或多床PSA系统，以确定适用于那个系统的工艺极限或鼓风机极限。
下表3系用上述公式和本申请所用的数据推导出来的。该表为使用标准旋转鼓风机、具有上述特性的PSA工艺过程提供了总的准则，并示出tallowed将怎样依据周期中的平均ΔP而变。假设Tmax=230°F；TAs=70°F；ΔTrise利用适当的平均周期ΔP取自表1；ΔT/t=3.0°F/秒；ttotal=20秒；以及theat=8秒。
表3平均周期ΔP tallowed(秒) ΔTrise(°F)(取自表1)3 72513.568614 65724.561845 56985.5511136 451316.5381517 30202这些都意味着，上述确定最佳鼓风机和运转条件的方法，可适用于不同的、具有一个或多个床、周期时间在10～180秒范围内、解吸阶段时间约占整个周期时间一半的系统。
在VPSA中使用与冷却式鼓风机相对立的标准的旋转鼓风机可获取无数的好处。例如，在单床系统中，标准鼓风机可提供出约高3％的氧产品流量率(在设定纯度为90％O2的条件下)。此外，使用标准的旋转鼓风机与使用冷却式鼓风机相比，机组功率约可节省9％。另外，由于使用标准的旋转鼓风机，在马力节省约7％的情况下，还可多加工4.5％的气体。最后，由于使用与注射口式冷却式鼓风机相对立的标准的旋转鼓风机，可节省鼓风机的投资费用约大于40％。
关于在多床系统中使用与注水式单级旋转鼓风机相对立的“干”的(例如非水冷式的)标准旋转鼓风机可获取的好处，人们主要关心的是能否弄到水来注入鼓风机的外壳。典型的情况是，买主或是对开动鼓风机所必需提供的水流量犹豫不决，或是VPSA被安装在了不能方便地取得水的地方。这对“干”机器来说，就明显地不成问题。再者，冷却水会引起鼓风机端板和转子结垢，这对鼓风机会造成机械故障，而对干机器来说，这类问题就根本不存在了。
本发明可适用于使用轴流床、径流床或侧流床的PSA系统，工厂规模可在1-200吨/日的范围内。该系统的PSA工艺和装置可使用任何类型的平衡选择吸附材料，这些材料包括但不限于A-沸石、X-沸石、Y-沸石、菱沸石、丝光沸石以及它们的多种离子交换方式，还包括硅矾土(Silica-alumina)、矾土、硅土、硅酸钛、磷酸盐以及它们的混合物。优选的吸附剂包括高交换的钠沸石X，它的结构中SiO2/Al2O3的比例在2.0和2.5之间，它具有与锂阳离子缔合的AlO2四面体单元，其含量至少为88％优选至少为95％。上述材料中，优选的是所含有的硅土/矾土比例尽量接近2.0、锂交换尽量高的材料。
为方便起见，本发明的特有性能只是在一个或几个图中加以展示，但这些性能仍可与本发明的其它性能结合起来。本领域的技术人员将会承认有许多变通的实施方案，这些实施方案理应包括在权利要求的范围之内。
权利要求
1．一种双床变压吸附方法，该方法能从含有吸附能力较弱和较强的两种组分中把吸附能力较弱的组分分离出来，该方法包括有以下周期特性a)往容器的进气端输入混合气，该容器内包括有能选择性吸附该吸附能力较强组分的吸附材料床，输入混合气后容器内的压力增高；b)吸附阶段，它包括吸附住至少一部分该吸附能力较强的组分，并回收至少一部分该吸附能力较弱的组分；c)解吸阶段，它包括借助于从该容器抽空气体而从吸附材料中解吸出该吸附能力较强的组分，其中抽真空是在选定的压力下和选定的时间内进行，以使抽气用的降压装置无需外加的冷却。
2．权利要求1的方法，其中所说的降压装置包括旋转增压鼓风机。
3．权利要求1的方法，其中抽空的阶段时间为小于60秒。
4．权利要求1的方法，其中降压装置具有特定的温度容许变化量，而且其中的解吸阶段是在这样的压力和时间条件下运转，它能防止超过该温度容许变化量。
5．权利要求1的方法，其中总的周期时间在10和180秒之间，压力比在2∶1和6∶1之间，同时抽气用的降压装置不需要经由使用外来流体的装置来冷却。
6．权利要求5的方法，其中解吸阶段需用的时间在5和90秒之间。
7．一种变压吸附分离设备，它能从含有非优先吸附的第一气体和一种或多种选择吸附的第二气体的混合气中分离出至少一种该第一气体，该分离设备包括以下部件至少两个吸附床单元，其中包括有能从该提高压力的混合气中把所说的第二气体有选择地吸附的组合物；一个接收单元，它可通过控制阀与每个吸附床单元的下游端相通，以接收从每个吸附床单元输来的加压第一气体；压力平衡单元，用以通过控制阀向每个吸附床单元的下游端排出废气，以降低吸附床单元内的压力，并借此使第二气体解吸并减压；一套压缩机装置，用以通过控制阀向每个吸附床单元的上游端输送相对加压的混合气；流通装置，用以在吸附床单元的压力超过接收单元的压力时，使第一气体从前者每个单元流入后者，以收集所产生的第一气体；减压泄放装置，用以在加压混合气停止输入每个吸附床单元时，把每个吸附床单元中残存的废气通过控制阀减压并泄放入压力平衡单元；以及降压装置，它与每个吸附床单元的上游端相通，用以把吸附床单元的压力减为低压；其中所说的降压装置包括旋转增压鼓风机，该鼓风机不需要外加的冷却。
8．一种变压吸附分离设备，它能从含有非优先吸附的第一气体和一种或多种选择吸附的第二气体的混合气中分离出至少一种该第一气体，该分离设备包括以下部件至少两个吸附床单元，其中包括有能从该提高压力的混合气中把所说的第二气体有选择地吸附的组合物；一个接收单元，它可通过控制阀与每个吸附床单元的下游端相通，以接收从每个吸附床单元输来的加压第一气体；压力平衡单元，用以通过控制阀向每个吸附床单元的下游端排出废气，以降低吸附床单元的压力，并借此使第二气体解吸并减压；一套压缩机装置，用以通过控制阀向每个吸附床单元的上游端输送相对加压的混合气；流通装置，用以在吸附床单元的压力超过接收单元的压力时，使第一气体从前者每个单元流入后者，以收集所产生的第一气体；减压泄放装置，用以在加压混合气停止输入每个吸附床单元时，把每个吸附床单元中残存的废气通过控制阀减压并泄放入压力平衡单元；以及降压装置，它与每个吸附床单元的上游端相通，用以把吸附床单元的压力减为低压；其中所说的降压装置包括有旋转增压鼓风机，它具有预定的稳态温度容许升高量，其中，如果该鼓风机在稳态下运转，该容许升高量有可能被超过。
全文摘要
本发明包括一种变压吸附方法,该方法能从含有吸附能力较弱和较强的两种组分中把吸附能力较弱的组分分离出来,该方法包括有周期性的吸附/解吸过程,其中解吸阶段系在选定的压力下和选定的时间内进行,以使抽气用的降压装置无需外加的冷却。
文档编号B01D53/047GK1223165SQ9812373
公开日1999年7月21日 申请日期1998年11月3日 优先权日1998年11月3日
发明者H·R·肖布, J·H·法斯鲍, M·K·罗甘, J·斯莫拉雷克 申请人:普拉塞尔技术有限公司