CN1171286A - 压力周期性交替变化吸附过程的调节控制 - Google Patents

Abstract

多单元PSA设备产出的不被吸附的产品气体流的流速可通过将设备中的全部单元隔离开和将无功步骤插入紧接着循环中的床平衡步骤的吸附循环中来随着产品需求量的减少而被减少。在优选实施例中,无功步骤的持续时间是与产品需求量减少率成反比的。为了将产品气体的纯度保持在理想的水平,在相对于产品需求量变化所进行的无功步骤的调节后还要进行无功步骤持续时间的微调。

Description

压力周期性交替变化吸附过程的调节控制

本发明涉及压力周期性交替变化的吸附设备的操作，更确切地说涉及在压力周期性交替变化的吸附设备中调节非吸附产品气体的生产率而产品气体的纯度没有显著改变的一种方法。

吸附广泛应用在气体混合物组分的分离过程中。一般来说，当吸附剂优先吸附与混合物中其他组分相应的组分时，此吸附技术可用于通过选择吸附剂从气体混合物中将所需组分分离出来。通过使用优先吸附氮或者优先吸附氧的吸附剂，使此过程在使氮和氧分离方面是成功的。

典型的压力周期性交替变化吸附(PSA)系统是以循环过程运行的，其中含有吸附剂的吸附容器由于原料气体被加压至工作压力，当原料气体通过吸附容器时通过吸附原料气体中的各种组分被分离出来，并且使吸附剂再生以去除其从吸附容器中所吸附的组分。所需的组分可以集中在非吸附部分，也可集中在吸附部分。当使用多个床时，可使用一个或更多的压力平衡步骤来平衡充满着吸附部分的床与进行再生的床之间的压力，其中再生床中所吸附的组分浓度显著减小。

一般PSA设备的尺寸是满足气体使用者对产品气体数量和质量的需求的。使用者所需的产品气体需求量经常不是恒定的，并且在商业运行的过程中经常随时间变化波动。为了适应使用者的需求，设备被设计成以使用者规定的纯度生产使用者所需的预定最大量的产品气体。

产品气体的需求量可以随时间的变化增加或减少，这可能发生在PSA系统的商业操作中。例如，系统一般在正常工作时间比在低于正常水平的工作时间需要以更高的速度产生产品气体。人们已经尝试了许多在保持产品纯度的同时满足这种变化的需求量的方法。有时所应用的减少和降低产品量的措施包括排放过量的产品气体、延长循环时间、储存过量产品气体或暂时关闭系统。

Wagner发明的美国专利第3,703,068号公开了一种多床PSA系统，其中通过使产品流动和压力产生波动来控制连续床的升压速度。

Pfetruszewski发明的美国专利第4,140,495号公开了通过不断地促进循环并使循环系统并行运行而不是使它们逆流运行来调节分离的产品气体的量的情况。

Sebastian等发明的美国专利第4,197,096号公开了使用可变速率的压缩机泵来使产品需用量与供应的产品相应的情况。

Leitgeb发明的美国专利第4,323,370号公开了根据产品气体变化的需求量来改变吸附期的时间长度以及来自吸附器的产品气体的流量的情况。所确定的流速和吸附循环时间是作为所期望的产品气体的纯度的函数，而不是作为系统产出的实际产品的函数。

Armond等发明的美国专利第4,576,614号公开了在多床系统中通过改变床的平衡时间来减少产品量的情况。

Shiley等发明的美国专利第5,258,056号公开了通过感知产品需求量的变化来改变PSA系统中不被吸附的气体的产品气体流量，并由此改变送入系统的原料气体的流量的情况。

对于确定了流速的气体产品来说，原料流速的变化会引起所不希望的产品气体纯度的变化，这种情况是已知的。这种纯度漂移的产生是由于供气流速的变化影响了原料气体与吸附材料接触的方式，如减小了原料气与吸附床接触的时间。结果原料流速的变化将以牺牲产品的纯度为代价改变气体生产的速度。

可以通过在一个固定的循环时间改变产品流速来完成对PSA系统中产品气体纯度的控制，这也是已知的。产品的流速设置在高于消费者所需的水平上，同时原料气体的流速也通过节流或自动控制被固定。

使用调压容器的总量控制形式的纯度控制公开在欧洲专利公布第0135921中。

Miller等发明的美国专利第4,693,730号公开了一种产品纯度控制压力周期性交替变化的吸附过程，其中检测顺流降压流出物的特性并由此进行修正。任何能有效地改变产品气体中杂质浓度的措施都可采用，这些措施包括调整吸附时间来控制每个吸附床的杂质量，调整顺流降压终端的压力来控制每个吸附床产品出口处杂质的渗入和/或调整从每个吸附床接收的纯气体的量来控制再生的程度。

欧洲专利公布第0207686号公开了通过控制循环时间的变化来控制氧浓度的情况，其中在用过的或大体上用过的床被净化前，另一个吸附床代替了它们。

Gunderson发明的美国专利第4,725,293号公开了通过原料流速的微小变化来控制纯度并同时允许产品流量按顾客的选择变化的情况。

Umeki发明的并颁发给Umeki的美国专利第4,494,966号公开了一种两容器PSA过程，它包括吸附、床平衡和床再生步骤，其中在平衡步骤过程是关闭的并对床进行抽吸。

Schriter等发明的美国专利第5,108,467号公开了在氮PSA过程循环的床再生产步骤后加入一无功步骤来增加该过程中产生的氮气量的情况。

通过现有的已知技术来修正产品需求量的变化一般导致所不希望的产品气体纯度水平的变化。人们一直在寻求可补偿产品需求量的变化但产品气体的纯度没有很大变化的PSA过程的改进方法。本发明示出了一种PSA过程的改进，与补偿不被吸附的产品气体的需求量的减少的其它方法相比，它具有在调节PSA产品气体的产生体积时使产品气体的纯度变化极小的优点，并节约能源。

本发明的过程提供了一种改变压力周期性交替变化吸附设备生产非吸附气体的生产率的方法，以此方法在改变速度的同时，与利用其它生产率的改进技术时运行设备的成本相比，减少了运行此设备的成本。本发明的方法包括在原料压缩机和真空泵(如果使用一个)不工作时，将一无功步骤加入过程循环中，即在旁路模式下运行。在床平衡步骤的一端将无功步骤插入循环过程，或者，如果循环包括一个第一独立平衡步骤(一个气体简单地从一个容器向另一个容器的传送步骤)和一个第二联合平衡一排放排放步骤或平衡一净化步骤时，从此独立平衡步骤的端点插入无功步骤。

根据一个主要实施例，本发明用于通过将气体混合物置于系统的PSA过程中，在由产品气体下游的需求量设定的生产率下，从含有第一组分和第二组分的混合物中生产第一富集组分产品气的方法，其中所述的系统包括若干吸附容器，每个吸附容器含有吸附第二组分比其吸附第一组分的能力大得多的吸附剂，PSA过程具有重复进行的循环，此循环包括下述步骤：

(a)在选定的压力下使气体混合物顺流通过系统的第一吸附容器，由此吸附第二富集组分部分并将第一富集组分产品气体从第一吸附容器中排出；

(b)通过使第一容器中无用空间的气体送入第二容器来部分地给系统中第二吸附容器加压；以及

(c)通过使气体混合物顺流流入第二吸附容器来将第二吸附容器加压至选定的压力。

本发明通过周期地隔离系统中的每个容器以及在系统的上述(b)和(c)步骤之间加入预定了持续时间的无功步骤来改变随第一富集组分气体需求量的变化而变化的系统中第一富集组分气体流的生产率。

在本发明优选实施例中，当前无功步骤的持续时间是不调节纯度和前一产品需求量与当前产品需求量的比所确定的产品的前一循环时间(1)和没有无功步骤的当前循环时间(2)之间的差(在此计算中的各项将在下面限定)。

本发明的另一实施例通过测量第一富集组分气体的浓度和以使给定纯度与测定纯度之间的差值最小的方式调节目前的无功步骤的持续时间来对纯度进行调节。

本发明的优选实施例使用不调节纯度和前一产品需求量与目前的产品需求量的比所确定的产品的前一循环时间(1)和没有无功步骤的当前循环时间(2)之间的差值作为目前无功步骤的持续时间的近似值，然后测量第一富集组分气体的纯度，并且以使给定纯度与测定纯度之间的差值最小的方式进一步调整目前的无功步骤的时间。

在上述本发明的主要实施例的改进中，此过程循环包括在无功步骤和步骤(c)之间的通过将第一富集组分气体逆向送入第二容器中来进一步给第二吸附容器加压的附加步骤。

在本发明的优选实施例中，吸附系统包括至少一对以相差180°的相位运行的第一和第二吸附容器，并且相对于系统中的每对吸附容器来说，PSA过程包括下述步骤：

(a)在选定的压力下使气体混合物顺流通过第一吸附容器，由此来吸附第二富集组分部分并将第一富集组分部分从第一吸附容器中排出，与此同时通过逆流地使第二吸附容器降压来从第二吸附容器中放出第二富集组分部分；

(b)通过使来自第一吸附容器的气体流入第二吸附容器使第二吸附容器部分升压；

(c)使第一和第二吸附容器隔离并使过程空运行；

(d)在选定的压力下使气体混合物顺流通过第二吸附容器，由此来吸附第二富集组分部分并从第二吸附容器中排出第一富集组分部分，同时通过逆流地使第一吸附容器降压来从第一吸附容器中放出第二富集组分部分；

(e)通过使来自第二吸附容器的气体流入第一吸附容器来使第一吸附容器部分升压；以及

(f)使第一和第二吸附容器隔离并使过程空运行。

本发明此实施例的一较佳方面在于步骤(c)和(f)的持续时间是不调节纯度与前一产品需求量和当前的产品需求量之比所确定的产品的前一循环时间(1)与没有无功步骤的当前循环时间(2)的差值。

本发明此实施例的另一较佳的方面在于测量第一富集组分气体的纯度，并以使给定纯度与测定纯度之差最小的方式来调整步骤(c)和(f)的持续时间。

本发明此实施例的最佳方面在于使用不调节纯度和前一产品需求量与当前产品需求量的比所确定的产品的前一循环时间(1)与没有无功步骤的当前循环时间(2)的差值作为步骤(c)和(f)的持续时间的近似值，然后测量第一富集组分气体的纯度，并且以使给定纯度与测定纯度之差最小的方式进一步调整步骤(c)和(f)的持续时间。

本发明上述最佳实施例的第一方面的改进在于此过程循环还包括在步骤(c)和(d)之间通过使第一富集组分气体逆流流入第二吸附容器来给第二吸附容器进一步增压的附加步骤；以及在步骤(f)和(a)之间的通过使第一富集组分气体逆流流入第一吸附容器来给第一吸附容器进一步增压的附加步骤。

该优选实施例的另一方面的改进在于此过程包括在步骤(a)和(b)之间使气体混合物以选定的压力顺流通过第一吸附容器，并将第一富集组分部分从第一吸附容器中排出且同时使第一富集组分气体逆流通过第二吸附容器的附加步骤；以及在步骤(d)和(e)之间的使气体混合物以选定的压力顺流通过第二吸附容器，并使第一富集组分部分从第二吸附容器中排出且同时使第一富集组分气体逆流通过第一吸附容器的附加步骤。

该优选实施例的又一方面的改进在于此循环还包括在步骤(c)和(d)在从第一吸附容器中逆流去除气体的同时使第一吸附容器的无用空间的气体流入第二吸附容器的附加步骤；以及在步骤(f)和(a)之间的在从第二吸附容器中逆流去除气体的同时使第二吸附容器的无用空间的气体流入第一吸附容器的附加步骤。

在该优选实施例的上述第一方面改进的一种变化型式中，此循环还包括在步骤(a)和(b)之间的使气体混合物以选定压力顺流通过处在选定压力下的第一吸附容器并从第一吸附容器中排出第一富集组分部分，同时使第一富集组分气逆流通过第二吸附容器的附加步骤；在步骤(c)与所述步骤(c)和(d)之间的附加步骤之间的在从第一吸附容器中逆流去除气体的同时使第一吸附容器的无用空间的气体流入第二吸附容器的另一步骤，在步骤(d)和(e)之间的使气体混合物以选定的压力顺流通过处在选定压力下的第二吸附容器并从第二吸附容器中排出第一富集组分部分，同时使第一富集组分气体逆流通过第一吸附容器的附加步骤；在步骤(f)与所述步骤(f)和(a)中的附加步骤之间的在从第二吸附容器中逆流去除气体的同时使第二吸附容器的无用空间的气体流入第一吸附容器的另一步骤。

本发明的过程的另一改进是吸附系统包括三个以相差为120°的相位运行的吸附容器。

本发明上述实施例的一最佳情况为：第一组分是氧，而所述第二组分是氮。

上述实施例的另一最佳情况为气体混合物是空气，第一组分是氧，第二组分是氮。在这种情况下，吸附剂从人造的和天然的沸石中选择，最佳的情况是该吸附剂是从X型沸石和A型沸石中选择的人造沸石。此外，在这种情况下，吸附压力最好在约大气压至约3巴的范围内。

上述实施例的再一最佳情况中的气体混合物是空气，第一组分是氮，第二组分是氧。

附图图示了本发明，其中：

图1是实现本发明过程所需的双床吸附设备的示意图；

图2是本发明改进的简单双床吸附循环的示意图；

图3是本发明改进的最佳的双床吸附循环的示意图；

图4是表示当产品需求量减至初始流速的81.5％的流速、纯度水平和无功步骤持续时间之间的关系的图表；

图5是表示当产品需求量减至初始流速的62.5％时流速、纯度水平和无功步骤持续时间之间的关系的图表。

在各个图中相同或类似的部分使用相同的标号和字母。

本发明所改进的方法对改变利用PSA提纯气体的生产率是有用的。该方法可用于分离空气来产生非吸附气体产品，如氮气或氧气，或者该方法可用于分离除空气外的气体混合物组分。借助本发明可改变非吸附气体产品的生产率且该气体的纯度变化不大。通过在紧接隔离床平衡之后将一无功步骤插入吸附循环中，或者在已存在一无功步骤的吸附循环中增加或减少此无功步骤的持续时间可达到上述结果。在这点将无功步骤插入吸附循环只引起非常小的非吸附气体产品的纯度变化，或者不会引起其纯度的变化。

无功步骤期间，系统中所有吸附容器都是隔离开的，并且与系统相连的原料压缩机和真空泵不工作，由此节省了有效功。

图1示出了按本发明方法工作的一种有两个吸附器的设备。图1的系统包括第一和第二吸附器，A和B，以及非吸附气体的储罐C。容器A和B是常规容器，它们能在周期性交替变化吸附过程中经受得住高于大气压和低于大气压的压力的结构。带原料气体压缩机4的原料气体管线2用于将原料气体送入该系统。与压缩机4下游的管线2相连的是卸载气体排放管线6，该管线6上有阀8。在压缩机4下游，管线2还通过管线10和12分别与容器A和B的端相连，在管线10和12上分别有阀14和16。床减压支管18通过阀20与管线10相连，并通过阀22与管线12相连。床的排气管线24在阀20和22之间的点上与支管18相连，并且管线24还与真空泵的入口端相连。装有阀30的真空泵卸载原料管线28与管线24相连。真空泵26的排放端装有废气排放管线32。

容器A和B分别有非吸附气体出口管线34和36，管线34和36上分别有阀38和40。在管线34和36的端头接有非吸附气体排出管线42，然后管线42又与非吸附气体储存容器C相连。容器C也有非吸附气体产品管线44和床产品回送管线46。管线46通过阀48和50分别与管线34和管线36相连。装有阀54的平衡气体管线52与管线34和管线36相连。

图1系统的运行将参照图2和图3的循环图表来描述。图2示出了在一对吸附容器中进行的八个步骤过程，此对容器是以相差180°的相位工作的，因此，当一个容器中的吸附剂处在吸附状态时，另一个容器中的吸附剂处在再生状态。步骤A至D所显示的半个循环与步骤E至H所示的另半个循环步骤分别是吸附/抽气、床平衡、无功和抽气/产品回流步骤。

步骤A(吸附/抽气)期间，阀14、38和22是打开的，而其他阀都是关闭的，压缩机4和真空泵26也处在工作状态。通过压缩机4，原料气体以高于大气压的压力被送入容器A，经过管线2和10，不易被吸附的富集组分部分流出容器A，经管线34和42进入容器C，而气体混合物中非常易于被吸附的组分被容器A中的吸附剂吸附。同时容器B继续进行在前一循环的步骤H中开始的抽气步骤，另外的非常易于被吸附的富集组分部分被真空泵26经管线12和24从容器B中的吸附剂中抽出。抽出的气体经管线32从此系统中排出。

当步骤A完成时，通过关闭阀14、22和38并打开阀8、30和54来启动步骤B。在该步骤期间系统中的其它阀仍保持关闭状态。前述留在容器A中部分无用空间中的气体现在经阀54通过管线34和36，并进入容器B。尽管该步骤叫作“床平衡”，但在容器A和B中的压力平衡之前气体的传输经常是不连续的。在此步骤中，压缩机4和真空泵26不工作，因此靠压缩机4经管线2抽取的原料气体经管线6从系统中排放掉，并且经管线28抽入管线24中的气体也经管线32从系统中排出出去。

当步骤B完成时，步骤C(无功步骤)开始。在此步骤期间，关闭阀54，而其它阀全部仍然处在步骤B期间所处的状态，并且系统空转。步骤C的持续时间是使在当前循环期间产生的非吸附气体量近似地等于非吸附产品气体的需求量。可用任何适当的方法来确定步骤C的持续时间，但最好利用下述公式来确定持续时间，该公式是以经管线44从容器C中排出非吸附产品气体的速率为基础的。对无功步骤的持续时间也可稍做一些调节以补偿工作周期内所产生的非吸附的产品气体纯度的变化。在步骤C期间，压缩机4和泵26仍然保持在卸载状态。

在步骤D(床抽气/产品回送)期间，阀8、20和50打开，阀28关闭。易于被吸附的富集组分部分现在通过真空泵26经管线10、24和32从容器A中抽出并排出系统。在此步骤期间，通过经管线46和36逆流向容器B输入非吸附产品气体，容器B的压力升高至接近吸附压力。压缩机4仍然保持在卸载状态。

当上述半个循环完成后，第二个半循环开始，其中容器A和B的功能被颠倒过来。

在步骤E期间，阀16、20和40是打开的，其它全部阀关闭，靠压缩机4，原料气体以高于大气压的压力排入容器B。该原料气体通过管线2和12，并且不易被吸附的富集组分部分流出容器B，通过管线36和42后进入容器C，此时同时，气体混合物中非常易于被吸附的组分被容器B中的吸附剂吸附。在此期间，容器A中继续进行在步骤D中开始的抽气步骤，并且另外的易被吸附的富集组分部分被从容器A的吸附剂中抽出，通过管线10、24以及真空泵26，经管线32从系统中排出。

当步骤E完成时，通过关闭阀16、20和40并且打开阀8、30和54来启动步骤F。其他全部阀仍然是关闭的。前述包括在容器B空间中的无用气体经过阀54进入管线36和34，并进入容器A。在此步骤中，压缩机4和泵26是不工作的，通过压缩机4抽入管线2的原料气体经管线6从系统中排出，经管线28和阀30抽入管线24的气体通过泵26经管线32从系统中排出。

当步骤F完成时，步骤G开始。在此步骤期间，阀54被关闭，其他全部阀仍处在步骤F期间所处的状态上，并且系统处在无功状态。在这个步骤中压缩机4和26仍然保持卸载状态。

当此无功步骤完成时，靠打开阀8、22和48并关闭阀28来启动H步骤。现在从容器B中抽出易于被吸附的富集组分部分，并且靠真空泵26经管线12、24和32从系统中排出。在这个步骤中，通过经管线46和34将非吸附产品气体送入容器A使容器A的压力升至接近吸附压力。压缩机4仍然保持卸载状态。

在完成H步骤时，该过程的第二半个循环结束了，接着重复该循环，开始步骤A。

图3示出了一种比图2所示过程更有效的例子。在图3的过程中，步骤A、B、C、D、E、F、G和H基本上与图2所示由同一字母表示的过程中的步骤相同。除了这八个步骤之外，图3的过程还包括了4个新步骤，即步骤A1、C1、E1和G1。图3的循环是以美国专利第5,122,164中的图4A至4J所示的过程为基础的。这里结合该专利的内容作为参考。

图3过程中步骤A1是该过程步骤A的继续。在步骤A1期间，阀14、22和38仍然是打开的，并且将阀40打开。继续在容器A中产生非吸附产品气体。容器B仍继续抽气，但是部分由容器A中产生的非吸附产品气体通常以降低了的压力通过容器B来清洗容器B。步骤A1后接着步骤B和C，而步骤B和C是与图2过程中的步骤B和C相同的。

该过程的步骤C后接着步骤C1。步骤C1是平衡步骤(步骤B)的部分继续；然而，在步骤C1中，容器A中的吸附剂开始承受抽吸。在步骤C1期间，阀8、20和54是打开的，阀30是关闭的，并且通过从容器A经其非吸附输送气体使容器B进一步增压。与此同时，利用泵26将气体从容器A中经其入口端抽出，抽出的气体经管线10、24和32从系统中流出。

在步骤C1后通过关闭阀54并打开阀50来启动步骤D。在步骤D期间阀2 0是打开的，因此，在容器B承受不被吸附的产品气体部分再增压的同时对容器A中床继续进行抽气。在步骤E是与2图过程中的步骤E相同的。在步骤E期间，阀16、20和40是打开的而其他全部阀都是关闭的。与步骤A1相对的步骤E1是步骤E中所进行的操作的部分继续。在步骤E1期间，阀16、20-和40优然是打开的且阀38也被打开。这样使在容器B中产生的部分非吸附的产品气体逆流通过容器A，由此来净化容器A中的吸附剂。在步骤E1完成时，阀16、20、38和40关闭，打开阀54，以此来开始步骤F。步骤F是与步骤B相对应的。在图3示出的过程中，步骤G是与步骤C相同的，并且在这个步骤中除了阀8和30以外所有阀都是关闭的，系统处于无功状态，在此期间空气压缩机4和泵26仍然处在卸载状态。

接着步骤G以后步骤G1启动，该步骤G1是与步骤C1相对应的。步骤G1是步骤F的平衡操作的部分继续。因此，阀30关闭而阀8和54打开。此外阀22也是打开的，并且开始从容器B的床中抽气。

在步骤G1完成时，通过关闭阀54和打开阀48来启动步骤H。步骤H用于在床B抽气的同时使容器A中的床压力升至接近吸附压力来为新的循环开始准备床。

图2和图3所示的过程是在其中可应用本发明无功步骤的典型吸附过程。适于应用本发明的过程的原则条件是该过程包括有床平衡步骤。在所有情况下，无功步骤在包括两个平衡步骤的过程中接着床的平衡，如图3所示的过程，无功步骤在第一个床平衡步骤之后进行。

本发明过程中的吸附步骤可在任何有益的压力下进行，但它一般是在大约1至20个大气压范围内的吸附压力下进行的，最好在大约1至10个大气压范围内的吸附压力下进行。床再生步骤可能在大约100乇至5个大气压范围内的吸附压力下进行，并且最好在大约200乇至1个大气压范围内的吸附压力下进行。运行过程所处的压力对过程的成功不是决定性的，然而，压力范围的选择对运行过程所需的能源成本有巨大的影响。

过程中各步骤的持续时间是选择的实质，并且可改变这个时间来使过程具有理想的产品纯度和非吸附气体的产量。典型的整个循环时间在大约1至5分钟内变化。

如上所述，无功步骤的持续时间决取于任何给定时间内所需的非吸附气体的产量。当所需产品量等于吸附系统的最大能力时，无功时间为零，即过程中不包括无功步骤。当无功步骤包括在过程循环中时，无功步骤的持续时间可利用任何适宜的方法来确定。新的适当无功步骤持续时间的近似逼近值可用下述公式计算，此逼近值叫作ISD_FF(无功步骤持续时间，顺流进料部分)：

 ISD_FF＝(PD/CD)×PCT-CCTO其中“PCT”是前一循环的持续时间，如果前一循环中产生了无功步骤，但这是在没有进行纯度调节的情况下确定的，则该持续时间包括无功步骤所需的时间；CCT_O是没有无功步骤的目前循环的时间；“PD”是使用者在前一循环时间从系统中抽出的第一富集组分气体，即非吸附气体产品的体积需求量，“CD”是使用者在目前循环的时间内所需的第一富集组分气体的体积需求量。PD和CD以相同的单位表示，CCT_O和IBD最好以另一种方式表示。在这个公式中，“前一循环”是指在产品需求量的最后变化时间或此最后变化之前所发生的循环，即由于无功步骤持续时间的调整被确定而产生的变化；“当前循环”是指只在产品需求量的最后变化之后的循环。

将产品气体的纯度维持在一理想的水平是很重要的。如果纯度太低，产品气体大概将不适于预定的目的，但如果纯度太高，维持此高纯度水平会浪费能源。因此，在进入无功步骤的吸收循环或改变了无功步骤的持续时间后最好确定纯度水平，并且做出将产品气体的纯度调整到理想水平所必须的无功步骤持续时间上的改变。在进行纯度水平修正过程中，在任意给定的时间测量产品的纯度，如果产品的纯度高于理想的纯度，无功步骤的持续时间将稍有增加，而如果产品纯度低于理想的纯度，则稍稍减少无功步骤的持续时间。作为纯度修正结果的无功步骤持续时间的变化在这里被叫做“ISD_FB”，它代表“无功步骤持续时间、回流组分”。可以估计根据在测量时间气体的纯度，ISD_FB可以是正的或负的。

调整无功步骤的持续时间来补偿产品体积需求量的改变的最佳过程是使用上述两个修正值，即将无功步骤持续时间的顺流组分和回流组分代数相加。换句话说：

     ISD＝ISD_FF+ISD_FB当产品需用量变化的信号发出后，ISD_FF的调整通常只进行一次，而ISD_FB可以重复修正产品气体纯度水平的变化。

人们将体会到在系统中利用传统的设备监测和自动调节气体的流动以便能够以一种有效的方式全部自动地连续运行。

通过下述实施例可进一步揭示本发明，其中，除非另外指出，部分、百分比和比值都是以体积单位为基础的。

                   实施例1

此实施例的操作是在图1所示的双床吸附系统中进行的，使用的是图3所示的吸附循环。此操作过程中的每个床的体积为0.25m3并填装有沸石5A。原料气体为空气并且吸附是在环境温度下进行的。吸附步骤是在19.7磅/英寸2绝对压力下进行的，而抽真空步骤进行至其绝对压力达到250乇。此循环各步骤所标的标记是与图3中所使用的标记相同的。三种操作过程以三种不同的氧产品气体流速运行。在操作过程1中，步骤C和G(无功步骤)的持续时间为0秒；在操作过程2中，步骤C和G的持续时间是13.5秒，在操作过程3中，步骤C和G的持续时间是35秒。下述这些步骤的持续时间在指定的时间内保持恒定；步骤A和E-43秒；步骤A1和E1-10秒；步骤B和F-6秒；步骤C1和G1-3秒；步骤D和H-3秒。每个操作过程中的流动速度、氧产品气体纯度和步骤C和G持续时间的顺流和回流组分的影响列在表中。

                        表

      产品流操作过程      Nm³/Hr    O₂纯度，％    ISD秒    ISD_FF秒   ISD_FB秒1           6.4          90            0         0          02           5.22         90            13.5      14.7      -1.23           4.0          90            35        39        -4

对表中所列的结果的检验表示在操作过程2中一个14.7秒的无功步骤插入了吸附循环中，则氧产品气体流速从6.4Nm³/Hr减小到5.22Nm³/Hr(减小到初始流速的81.5％)。通过将无功步骤的持续时间调整到13.5秒(将无功步骤的持续时间从初始的14.7秒减少1.2秒)可把氧气产品气体流的纯度保持在理想的90％。图4的图表表示从操作过程1的速度至操作过程2的速度的变化，它表示当流速减小时(大约在运行1.75小时后)，产品气体纯度稍有增加，但当把无步骤插入循环中后，纯度下降。在纯度变化修正后，产品气体的纯度最终回到大约90％。在操作过程3中，39秒的无功步骤被插入吸附循环中，氧产品的气体流速减少到4Nm³/Hr(减少到最初流速的62.5％)。通过将无功步骤的持续时间调整到35秒(从无功步骤持续时间最初的39秒中减去4秒)可把氧产品气体流的纯度保持在理想的90％。图5图表示出了从操作过程2的速度到操作过程3的速度的变化，它表示当无功步骤的持续时间进一步增加以调节系统使流速从5.22Nm³/Hr减少到4Nm³/hr时，纯度稍有变化，但在无功步骤的持续时间补偿了纯度的变化后，纯度会稳定在大约90％的氧上。

上述操作过程表示将无功步骤插入吸附循环能够减小来自PSA设备的非吸附气体的流速，并且通过对无功步骤的持续时间进行微小调整可在流速减小的情况下保持理想的纯度水平。

尽管已参照特定的设备配置、过程步骤和特定的实验对本发明进行了详细描述，但这些特性只是本发明的示范，它还可进行各种变化。例如，尽管本发明着重详细描述了减少PSA设备的生产速度，但本发明也能够用于使低于该设备最大速度的前一生产速度增加。本发明的范围只由权利要求的内容所限定。

Claims (18)

1、在通过将含有所述第一组分和所述第二组分的气体混合物置于包括若干吸附容器且每个吸附容器中包含有吸附第二组分比其吸附第一组分的能力大得多的吸附剂的系统内的压力周期性交替变化的吸附过程中来以指定的纯度和依据所述气流下游需求量确定的生产率生产富集第一组分气流的方法中，所述的压力周期交替变化吸附过程具有重复的循环，该过程包括下述步骤：

(a)使所述气体混合物以选定的压力顺流通过所述系统的第一吸附容器，由此来吸附第二富集组分部分并将第一富集组分流从所述第一吸附容器中排出；

(b)通过使来自所述第一容器的气体流入所述第二容器来给所述系统的第二吸附容器部分加压；

(c)通过使所述气体混合物顺流流入所述第二吸附容器中来使该第二吸附容器加压至所述选定的压力；

其改进包括通过周期地将所述系统中的每个容器隔离和在所述系统的步骤(b)和(c)之间加入无功步骤来改变随下游的第一富集组分气体需求量变化的所述系统的所述第一富集组分气体的生产率。

2、权利要求1的改进方法，它还包括使用不调节纯度和第一产品需求量与当前产品需求量的比所确定的前一产出循环时间(1)与没有无功步骤的目前循环时间(2)的差作为目前无功步骤的持续时间。

3、权利要求1或2的改进方法，它还包括测量第一富集组分气体的纯度并以使给定纯度与测定纯度之差最小的方式来调整无功步骤的持续时间。

4、权利要求1的过程还包括通过使第一富集组分气体逆流流入所述第二吸附容器来给所述第二吸附容器进一步加压的位于无功步骤和步骤(c)之间的步骤。

5、一种通过将含有所述第一组分和所述第二组分的气体混合物置于至少包括一对以相差180°的相位运行的第一和第二吸附容器且每个吸附容器包含有吸附所述第二组分比其吸附所述第一组分的能力大得多的吸附剂的系统内的压力周期性交替变化吸附过程中来以给定的纯度生产富集第一组分气体流的方法，所述的压力周期性交替变化的吸附过程具有重复的循环，相对所述系统中的每对吸附容器该过程包括下述步骤：

(a)以选定的压力使所述气体混合物顺流通过所述第一吸附容器，由此吸附第二富集组分部分并将第一富集组分部分从所述第一吸附容器中排出，同时通过逆流地给所述第二吸附容器加压来从所述第二吸附容器中放出第二富集组分部分；

(b)通过使来自所述第吸附容器的气体流入所述第二吸附容器来使所述第二吸附容器部分地加压；

(c)隔离所述第一和所述第二吸附容器并使所述过程空运行；

(d)使所述气体混合物以所述选定的压力通过所述第二吸附容器，由此吸附第二富集组分部分并将第一富集组分部分从所述第二吸附容器中排出，同时通过逆流地给所述第一吸附容器加压来从所述第一吸附容器中放出第二富集组分部分；

(e)通过使来自所述第二吸附容器的气体流入所述第一吸附容器来使所述第一吸附容器部分加压；以及

(f)隔离所述第一和所述第二吸附容器并使所述过程空运行。

6、权利要求5的改进方法，它还包括使用不调节纯度和前一产品需求量与目前产品需求量之比所确定的前一产出循环时间(1)与没有无功步骤的当前循环时间(2)的差作为步骤(c)和(f)的持续时间。

7、权利要求5或6的改进方法，它还包括测量第一富集组分气体的纯度并以使给定纯度与测定纯度之差最小的方式调整步骤(c)和(f)的持续时间。

8、权利要求5的过程还包括在步骤(c)和(d)之间的通过逆流地使第一富集组分气体流入所述第二吸附容器来给该第二吸附容器进一步加压的附加步骤，以及在步骤(f)和(a)之间的通过使第一富集组分气体逆流流入所述第一吸附容器来给该第一吸附容器进一步加压的附加步骤。

9、权利要求5的过程还包括在步骤(a)和(b)之间的使所述气体混合物以所述选定的压力顺流通过所述第一吸附容器并将第一富集组分部分从所述第一吸附容器中排出，同时使第一富集组分气体逆流通过所述第二吸附容器的附加步骤，以及在步骤(d)和(e)之间的使所述气体混合物以选定的压力顺流通过所述第二吸附容器并将第一富集组分部分从所述第二吸附容器中排出，同时使第一富集组分气体逆流通过所述第一吸附容器的附加步骤。

10、权利要求5的过程还包括在步骤(c)和(d)之间的在从所述第一吸附容器中逆流去除气体的同时使所述第一吸附容器的无用空间的气体流入所述第二吸附容器的附加步骤；以及在步骤(f)和(a)之间的在从所述第二吸附容器中逆流去除气体的同时使所述第二吸附容器的无用空间的气体流入所述第一吸附容器的附加步骤。

11、权利要求8的过程还包括在步骤(a)和(b)之间的使所述气体混合物以所述选定的压力顺流通过处在所述选定压力下的所述第一吸附容器并将所述第一富集组分部分从所述第一吸附容器中排出，同时使第一富集组分气体逆流流过所述第二吸附容器的附加步骤；在步骤(c)与所述步骤(c)和(d)间的附加步骤之间的在从所述第一容器中逆流去除气体的同时使所述第一吸附容器的无用空间的气体流入所述第二吸附容器的另一步骤；在步骤(d)与(e)之间的使所述气体混合物以所述选定的压力顺流通过处在所述选定压力下的所述第二吸附容器并将第一富集组分部分从所述第二吸附容器中排出，同时使第一富集组分气体逆流通过所述第一吸附容器的附加步骤；在步骤(f)与所述步骤(f)和(a)间的附加步骤之间的在从所述第二吸附容器中逆流去除气体的同时使所述第二吸附容器的无用空间的气体流入所述第一容器的另一步骤。

12、权利要求1的改进过程，其中所述系统包括三个以相差120°的相位运行的吸附容器。

13、权利要求1或5的定位，其中所述第一组分是氧，所述第二组分是氮。

14、权利要求13的过程，其中所述气体混合物是空气。

15、权利要求14的过程，其中所述选定的吸附压力大约在大气压至约3巴的范围内。

16、权利要求1或5的过程，其中所述第一组分是氮，所述第二组分是氧。

17、权利要求13的过程，其中所述吸附剂在人造的和天然的沸石中选择。

18、权利要求17的过程，其中所述吸附剂是从X型沸石和A型沸石中选择的人造沸石。

Images