具有旋轉分配器和用于調節流量的裝置的吸附凈化單元的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種變壓吸附凈化單元（PSA單元），包括：N個吸附器，具有N個進口和N個出口，其中N≥2；至少一個第一旋轉分配器，其藉由N個第一連接件連接至所述N個吸附器的N個進口；至少一個第二旋轉分配器，其藉由N個第二連接件連接至所述N個吸附器的N個出口；所述N個第一連接件和/或N個第二連接件中的每一者均包括用于調節流量的裝置；所述第一旋轉分配器和所述第二旋轉分配器安裝在同一軸上。
【專利說明】具有旋轉分配器和用于調節流量的裝置的吸附凈化單元
[0001]本發明涉及一種變壓吸附凈化單元(PSA單元)，尤其涉及在具有短持續時間的循環中使用的PSA單元。
[0002]循環時間(Tc)指的是吸附器經歷完全吸附和再生循環并回到其初始狀態所花費的時間。應注意的是，對于包括以不一致的方式工作的N個吸附器的PSA單元而言，階段時間Tph大致上由Tc/N來限定。一階段時間可以包括一個或多個步驟(例如，2個連續的壓力平衡)，或者反過來一個步驟可以對應若干階段時間(例如，吸附步驟可以延續3個階段時間)。
[0003]第一趨勢是減少PSA的循環時間，以“使吸附劑更快工作”和因而減小吸附器的尺寸，并且以此來減少投資。這種類型的單元習慣上被稱為RPSA (快速PSA)。為了限制負載損失、改善動力學和防止顆粒的進入運動，應優選地使用接觸器，即，含有結構化吸附劑(例如，作為薄層沉積在隨后被輾軋的支承體上的吸附劑)的吸附器。
[0004]另一趨勢是使用更復雜的PSA循環，例如采用若干壓力平衡，使得若干吸附器同時處于生產和/或洗脫中。這種情況的目的通常是提高分離單元的性能，例如，提高產物的提取效率或降低能量消耗。
[0005]在這兩種情況中，使用常規的閥一其能夠以正確的量將多種流朝向正確的吸附器引導——變得困難，甚至成為問題。
[0006]對于最復雜的循環，可能需要大約數百個閥，這導致與可靠性和維護性相關的明顯問題。
[0007]對于最快的循環，所需的操縱時間(不到一秒)使得僅很少的特定閥仍可以部分地響應于這些限制。
[0008]已知由于這些原因，良好的解決方法可在于使用多通道旋轉分配器。旋轉分配器意味著能夠借助靜子上的固定孔和轉子上的非固定孔來連續地使線路/回路接通的系統。所述固定孔通常連接至吸附器的一端。在這種情況下，轉子與供應氣體和殘余氣體線路有關。優選使用第二分配器，該第二分配器的靜子將連接至所述吸附器的第二端，該第二分配器的轉子將連接至產物線路。
[0009]圖1示意性示出具有6個吸附器和包含2個旋轉分配器的RPSA。
[0010]旋轉分配器7使得能夠連續地向6個吸附器1、2、3、4、5和6供應待被凈化的氣體70。
[0011]所述旋轉分配器還允許含有雜質的殘余氣體72的流動。
[0012]以相同的方式，旋轉分配器8使得能夠通過將吸附器置于相關聯的不同壓力下來移出產物71、執行平衡步驟和供應洗脫氣體的步驟。
[0013]流體一方面借助各連接件10到60、另一方面借助各連接件11到61在吸附器和旋轉分配器之間流動。
[0014]圖2示出用于打開和關閉線路的原理。
[0015]將所述開口相繼地設置成面向彼此限定出用于氣態流體的多條流動路徑。
[0016]轉子I的開口(此處在一平面中示出)在藉由連接件連接至相應的吸附器的靜子的孔的前方經過。
[0017]如果假設在被凈化氣體側上具有旋轉分配器，則只要靜子的孔10和轉子的孔至少部分地疊覆，吸附器10的產物就經這兩個孔被排出。
[0018]吸附器20和50藉由孔20、b、轉子的連接兩個孔e和50的線路處于壓力平衡。
[0019]吸附器30藉由30、C、Cd、d和40將洗脫氣體供應至吸附器40。
[0020]所述旋轉分配器能以不連續的方式(逐步地)或者連續地旋轉。優選地，所述旋轉是連續的。
[0021]因為所述開口(所述轉子和靜子中的開口)尺寸固定。所以分配器自身不提供常規閥類型的用于調整的裝置，通過該常規閥(針閥、蝶形閥等)，開口可以被調節。
[0022]然而，在PSA循環中，經常要求調節內部流量，例如在循環時間不是其額定值的情況下(減小的流量、產物純度變化等)。許多專利包含調節PSA的步驟，尤其是根據所述步驟的持續時間。
[0023]唯一易于干預的參數是旋轉速度，其能夠改變線路的打開時間。
[0024]單純的速度變化不能夠最佳地保持大多數PSA循環，如將在下面描述的。
[0025]為了解釋這點，本發明以一簡單循環為例，該循環具有處于吸附壓力Pads的生產步驟(a)，吸附器之間的藉由它們的“產品”端的壓力平衡階段(b)，生產洗脫氣體的階段(C)，通過逆流流動最終減壓至低循環壓力Preg的階段(d)，洗脫階段(e)，與步驟(b)相應的壓力平衡階段(f)，以及最后地使用產品的最終再壓步驟(g)。
[0026]相應的壓力循環在圖3中示出。
[0027]在這個循環中希望將平衡步驟(f)和最終再壓步驟(g)包含在同一階段內，平衡步驟(f)的持續時間例如等于一個階段的一半。因為這是同時的，所以在減壓側上的相應的平衡步驟(b)也等于階段時間除以2。因此，剩余的階段時間對應于空閑時間I (Idle)。
[0028]生產洗脫氣體的階段(C)和最終減壓的階段之間的截斷壓力Pint對于獲得最佳的PSA性能是非常重要的。
[0029]過大的壓力造成洗脫氣體的減少，使得洗脫氣體不足以使吸附劑適當地再生，相反，不足夠的壓力對應于通過產物端提取過量的氣體，使得雜質被過遠地驅向所述產物端。
[0030]利用安裝在同一軸上、以其100%速度旋轉的2個旋轉分配器執行所述循環。
[0031]計算和可能地調節靜子和轉子的孔，以獲得如圖3所示的壓力循環。
[0032]現在假設出于某種原因而需要以減小的流量、假設以50%的流量操作。
[0033]為了處理相同量的氣體(和阻止相同量的雜質)，必須以兩倍的時間輸送供應流量的 50%ο
[0034]所述分配器的旋轉速度因此將被減小為接近50%。
[0035]由此獲得了圖4的壓力循環。
[0036]在不對氣體線路進行限制的情況下，吸附器之間的平衡將以與之前的時間相同的時間發生。在其余時間中，所述吸附器處于相同壓力下，不再發生任何過程。獲得了充足的空閑時間I’，這里等于31。對于大多數PSA循環(PSA H2、PSA CO2等)，這不是問題。
[0037]然而，以雙倍持續時間，生產洗脫氣體的步驟(c’)將持續超過最佳壓力Pint，從而導致如上所述的吸附器中的雜質增加。最終減壓步驟(d’)將因此被限制并甚至在計劃持續時間的一半之前完成。由于比正常情況具有更多雜質，將需要通過過量的氣體來執行洗脫步驟。隨后的平衡步驟(f’)將以100%流量迅速地發生，這不會引起任何特殊問題。最終再壓縮步驟將在近似于與正常循環相同的時間內發生。所采用的流量應與100%的情況一致，但這里所采用的流量為流量的一半。在大多數情況中，這引起吸附壓力的下跌，結果是產物流量非常不規則，或甚至被暫時中斷，如圖(a’)所示。
[0038]另一方面，所述生產步驟中間的壓降對于PSA的性能是不利的，因為其造成雜質的部分解吸。
[0039]為克服這些缺點所采用的解決方法在于利用特殊的循環、增加容量等。這使所述單元和分配器復雜，還必須使吸附器和這些容量循環地關聯。
[0040]氣體可從分配器被“移除”，安裝用于調節的部件，使氣體被放回所述分配器。這大大增加了旋轉分配器的復雜性。圖5示意性示出可涉及的變型的類型。為了使吸附器20和50關聯，替代采用路徑20、e、b-e、e和50，運輸件e_j被用至出口 j的頂部，藉由孔70離開，經過包括用于調節流量的裝置的外側線路75，藉由靜子的孔80返回，在經過靜子的孔50返回以到達吸附器50之前經過頂部k并藉由運輸件b-k返回到轉子的孔b。增加了所述分配器的尺寸、摩擦面的尺寸、使用的密封件的數量等。
[0041]EP1340531通過使旋轉分配器復雜、即包括結合的用于調節的裝置來解決這個問題。
[0042]這種增加的復雜性使得分配器可靠性降低和更難執行。
[0043]因此，所形成的一個問題是提供改進的吸附凈化單元，使得可以進行內部流量調節，而仍保留標準的旋轉分配器。
[0044]本發明的解決方案是提供一種變壓吸附凈化單元(PSA單元)，包括:
[0045]-N個吸附器，包括N個進口和N個出口，其中N≥2 ;
[0046]-至少一個旋轉分配器，其藉由N個連接件連接至所述N個吸附器的N個進口或N個出口；以及
[0047]所述變壓吸附凈化單元的特征在于，這N個連接件中的每一個均包括用于調節流量的裝置。
[0048]應注意到PSA或RPSA表示這樣的吸附循環，即執行在高壓下可最易吸附的氣體的吸附階段和主要藉由壓力的降低而發生的再生。再生壓力可以低于、高于或近似于大氣壓力。術語“PSA”因此覆蓋了能被稱為PSA、VSA、PVSA或MPSA的單元。
[0049]根據一替代方案，根據本發明的凈化單元可以包括藉由N個第一連接件連接至所述N個吸附器的N個進口的第一旋轉分配器，以及藉由N個第二連接件連接至所述N個吸附器的N個出口的第二旋轉分配器；N個第一連接件和/或N個第二連接件中的每一者包括用于調節流量的裝置。
[0050]所述第一旋轉分配器和所述第二旋轉分配器更優選地安裝在同一軸上。實際上，由于兩個分配器以同步方式操作，所以通常將它們安裝在由單一馬達驅動的單一軸上。
[0051]根據所述情況，根據本發明的凈化單元可以包括一個或多個下述特征:
[0052]-至少一個旋轉分配器是連續旋轉或非連續旋轉的分配器；如果使用2個旋轉分配器(所述第一旋轉分配器和所述第二旋轉分配器)，則各旋轉分配器優選地是連續旋轉或非連續旋轉的分配器；
[0053]-至少一個旋轉分配器具有可變的速度；如果使用2個旋轉分配器(所述第一旋轉分配器和所述第二旋轉分配器)，則各旋轉分配器優選地具有可變的速度；
[0054]-所述單元包括2-30個吸附器，優選地包括6-20個吸附器。
[0055]-用于調節流量的裝置從氣動閥、液壓閥或電動閥中選擇。
[0056]-所述凈化單元從PSA H2、PSA 或 VSA CO2、PSA or VSA O2 和 PSAN2 中選擇。
[0057]本發明還涉及使用根據本發明的凈化單元的吸附凈化方法，其中各吸附器遵循少于60秒、優選地少于20秒且更優選地少于10秒的壓力循環。
[0058]根據這種情況，根據本發明的方法可以具有一個或多個下述特征:
[0059]-各用于調節流量的裝置每循環被操作至多2次；
[0060]-各用于調節流量的裝置根據所述旋轉分配器的旋轉速度被操作；
[0061]-所述壓力循環包括吸附步驟、吸附器之間的壓力平衡步驟、供應洗脫氣體的步驟，最終減壓步驟，洗脫步驟和重新加壓步驟；其中供應洗脫氣體的步驟、洗脫步驟和重新加壓步驟具有藉由用于調節流量的裝置所調節的流量變化(? change)；
[0062]-各用于調節流量的裝置在來自旋轉分配器或者由所述旋轉分配器接收的流的流量減小超過30%時被操作。
[0063]下面將更詳細地描述本發明。
[0064]針對大多數循環開始描述，為了重新建立最佳循環，需要在有限數目的步驟(通常僅2個步驟，即，供應洗脫氣體的步驟和重新加壓的步驟)期間限制流量，雖然所述循環、尤其是具有最佳性能的那些循環可以包括很多步驟或階段。
[0065]進一步地，這兩個步驟不是相鄰的，并且在這些步驟之前設置時間允許的平衡步驟(這些步驟在相應的階段結束前以減少的操作完成)。因此，可以在前一步驟的一部分期間操作閥，以使它們到達最佳打開點。能夠利用關閉系統然后抵靠適合的部分來迅速地實現完全打開。
[0066]圖6示出具有與圖1類似的6個吸附器和2個旋轉分配器的RPSA單元，除了在從所述吸附器的出口(生產側)到旋轉分配器71生產側的各連接件11至61上放置一系列閥81 至 86。
[0067]圖7則示出能夠通過如上所述的系統獲得的循環。
[0068]仍假設僅處理供應氣體的50%，為了完成這點，作為首要途徑，使所述旋轉分配器的速度減慢一半。
[0069]在雙倍時間期間引入標準供應流量的50%。因此，在所述生產階段期間凈化相同量的氣體。僅取決于2個吸附器的相對壓力和連接線路的平衡以與額定流量所用時間相同的時間完成。實際上應注意的是，根據通過使轉子上的孔經過靜子上的孔而獲得的實際打開的變換時間，可以存在小的差異，但不會以任何方式改變本發明的解釋。
[0070]希望控制供應洗脫氣體的步驟。這能夠以若干方式完成:通過限制提供氣體的吸附器出口處的流量、限制接收氣體的吸附器的進口處的流量或通過干預兩個閥。
[0071]此處選則示出在吸附器接收方面完成流量的控制。進行的最佳方式是根據具體情況對此進行檢查。
[0072]為克服中間壓力的問題，所述最終減壓持續與額定情況大致相同的時間。該步驟的末尾因而包括空閑時間i，可利用該空閑時間i來使用于調節洗脫的流量的裝置進入所需位置。因為洗脫步驟以最佳方式進行，所以平衡f按計劃進行。由于平衡f在轉子的運動所分配的時間之前完成，因此在平衡與重新加壓之間存在另一少量的空閑時間。利用該空閑時間來操作用于調節的裝置，使其到達對應于規則的重新加壓的新位置。
[0073]圖8示出針對6個吸附器的閥運動。它們藉由循環置換彼此推斷出來。
[0074]可以看到，每循環僅需要2次運動，以完全優化所述方法。此外，每次階段時間的一部分是可利用的，以操作閥(在閥的情況下)到其打開位置，所述閥仍能夠使用常規的或現有的材料。
[0075]由于在供應側上和在生產側上的旋轉分配器(例如，第一和第二旋轉分配器)以同步方式操作，所以通常將它們安裝在由單個馬達驅動的單一軸上。
[0076]優選地，旋轉分配器連續地旋轉，如已經示出的，所述驅動應優選地以可變速度發生，因此希望其具有用于調節的第一裝置。
[0077]該系統尤其應用到RPSAs，這意味著通常所述循環時間將少于60秒，在示例所示的情況下循環時間對應于10秒的階段時間。
[0078]對于更快的RPSA，具有例如等于12秒的循環時間，各階段將是2秒。可以看出能夠具有約一秒鐘的時間來將閥引入其所需位置，所需位置在甚至用于大直徑(數百毫米)的可執行范圍內。
[0079]吸附器的數量能夠根據待處理的流量和保持的循環變化。大多數單元將具有2到30個吸附器，但是可以考慮并行的吸附器組可以以該吸附器數目乘以2-3倍。
[0080]更優選地，將使用約6到20個吸附器以得到簡單的系統。
[0081]鑒于循環的迅速，吸附器將通常是接觸器。接觸器意味著包括結構化吸附劑(例如，作為薄層沉積在隨后被輾軋的支承體的兩側上的吸附劑)的吸附器。可使用各種類型的墊圈來保持用于氣體的常規通路。
[0082]被添加至位于供應側/吸附器進口側或吸附器出口側(生產側)/旋轉分配器生產側的旋轉分配器連接件中的至少一個的、用于調節的附加裝置可以是能夠控制在所述連接件中的流量的任何類型。通常，這將會或多或少限制通路的截面。最常見的裝置是任意類型的閥，但是可以考慮各種閉合件。可以不同方式操作這些裝置:氣動的、液壓的、電的、磁的。
[0083]可希望將閥的移動與分配器之一的位置(例如旋轉角度)或電機或旋轉軸聯接起來。位置的指示可以藉由任何方法(視覺的、機械的、電的、磁的等)完成。
[0084]由于旋轉速度影響所述循環，所以有利地是將用于調節的裝置的開啟值與旋轉速度聯系起來。這種聯系可以直接地或通過任何控制系統形成。
[0085]這些用于調節的裝置將優選地在用于分配器的減小的速度下使用，但是它們也可以作為用于使壓力循環最佳化的裝置在額定條件下使用。
[0086]當停止時，這些用于調節的裝置可以被用作隔離吸附器的裝置，尤其是在氣體可含有不希望其與吸附器接觸的雜質的供應側上。
【權利要求】
1.一種變壓吸附凈化單元(PSA單元)，包括: -N個吸附器，包括N個進口和N個出口，其中N≥2 ; -至少一個第一旋轉分配器，其藉由N個第一連接件連接至所述N個吸附器的N個進口 ； -至少一個第二旋轉分配器，其藉由N個第二連接件連接至所述N個吸附器的N個出口 ； 所述N個第一連接件和/或所述N個第二連接件中的每一者均包括用于調節流量的裝置；所述第一旋轉分配器和所述第二旋轉分配器安裝在同一軸上。
2.根據權利要求1所述的吸附凈化單元，其特征在于，至少一個旋轉分配器是連續旋轉或非連續旋轉的分配器。
3.根據權利要求1或2所述的吸附凈化單元，其特征在于，至少一個旋轉分配器具有能變化的速度。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的吸附凈化單元，其特征在于，所述單元包括2-30個吸附器、更優選地6-20個吸附器。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的吸附凈化單元，其特征在于，用于調節的裝置從氣動閥、液壓閥或電動閥中選擇。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的吸附凈化單元，其特征在于，所述凈化單元從PSAH2、PSA 或 VSA C02、PSA 或 VSA 02 和 PSA N2 中選擇。
7.一種使用根據權利要求1-6中任一項所述的凈化單元的吸附凈化方法，其中各吸附器遵循少于60秒、優選地少于20秒且更優選地少于10秒的壓力循環。
8.根據權利要求7所述的凈化方法，其特征在于，各用于調節流量的裝置每壓力循環被操作至多2次。
9.根據權利要求7或8所述的凈化方法，其特征在于，根據所述旋轉分配器的旋轉速度來操作各用于調節流量的裝置。
10.根據權利要求7-9中任一項所述的凈化方法，其特征在于，所述壓力循環包括吸附步驟、使所述吸附器之間的壓力平衡的步驟、供應洗脫氣體的步驟、最終減壓步驟、洗脫步驟和重新加壓步驟；其中所述供應洗脫氣體的步驟、洗脫步驟和重新加壓步驟具有藉由用于調節流量的裝置而被調節的流量變化。
11.根據權利要求7-10中任一項所述的凈化方法，其特征在于，在來自所述旋轉分配器或由所述旋轉分配器接收的流量具有超過30%的流量下降時，操作各用于調節流量的裝置。
【文檔編號】B01D53/047GK103534003SQ201280022531
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年4月20日 優先權日:2011年5月9日
【發明者】C·莫內羅, B·索尼耶 申請人:喬治洛德方法研究和開發液化空氣有限公司