專利名稱：采用具有長而不均勻工作時間的閥門的psa設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及了PSA型尤其是VSA型的設備和過程，它采用具有長而不均勻工作時間的閥門來分離氣體流，特別是分離主要含有氧和氮的氣體流，如空氣。
空氣中的氣體，特別是氧和氮，具有重大的工業價值，特別是在造紙和制造玻璃領域中。
用于生產這些氣體的非深冷技術之一是稱為“PSA”(代表壓力變動吸收)的技術，該技術不僅包括嚴格意義上的PSA過程，而且也包括相似的過程，如VSA(真空變動吸收)和MPSA(混合壓力變動吸收)過程。
按照該PSA技術，如果要分離的混合氣體是空氣和要回收的成分是氧，則依靠在至少優先吸收氮的材料上至少優先吸收氮來把氧從上述混合氣體中分離出來，并在分離區中經受給定的壓力循環。
未被吸收或僅略被吸收的氧作為上述分離區的輸出而被回收；一般說，它具有大于90％，甚至大于93％的純度。
更一般地說，一種混合氣體包括在吸收材料上被優先吸收的第一成分，以及在上述吸收材料上不如上述第一成分那樣被優先吸收的第二成分，為了生產上述第二成分，非深冷分離該混合氣體的PSA過程在一個循環中包括-在稱為“高壓”的吸收壓力下，在上述吸收材料上至少優先吸收上述第一成分的步驟，而至少回收由此生產的某些第二成分；-在稱為“低壓”的低于吸收壓力的解吸壓力下，解吸由此被吸收材料捕獲的第一成分的步驟；-對包含吸收材料的分離區再壓縮的步驟，從上述低壓回到上述高壓。
但是，已知混合氣體，如空氣的分離效率與許多參數有關，特別是高壓、低壓、所用吸收材料的類型和吸收材料對被分離成分的親和力、被分離混合氣體的組成，被分離混合氣體的吸收溫度、吸收材料顆粒的尺寸、這些顆粒的組成以及在吸收層內建立的溫度梯度。
目前，沸石是在PSA過程中用得最多的吸收材料。沸石顆粒通常包含一價、二價和/或三價金屬陽離子，例如堿金屬、堿土金屬、過渡金屬和/或鑭系元素的陽離子，這些陽離子在沸石顆粒合成時被結合，和/或接著采用離子交換技術被插入，也就是說，一般把未交換或原始的沸石顆粒與一種或幾種金屬鹽的溶液相接觸，溶液包含將結合到沸石結構中的陽離子，接著回收已交換的沸石顆粒，也就是說，回收包含給定金屬陽離子量的沸石顆粒。例如，可以提及X或LSX(低硅X)類型的沸石，它含有大于80％，甚至大于90％的金屬陽離子，特別是如鋰、鈣和/或鋅的陽離子。
在文件EP-A-486,384、EP-A-606,848、EP-A-589,391、EP-A-589,406、EP-A-548,755、US-A-268,023、EP-A-109,063和EP-A-760,248中對這種沸石作了專門的描述。
從理論上說，PSA，特別是VSA過程的循環僅由順序明確的各步驟所組成，各步驟完全確定了循環中每個瞬時上的氣體流。
但是，在實際上這些氣體流由一系列的閥門開閉工作造成，開閉工作當然不是瞬時的。
因此，存在暫時的過渡狀態，在此期間，進行這些過程的設備的某些部分將不適當地相互連通。
例如，在氧再壓縮階段開始時，會有非故意產生的空氣進入，它必然會影響到過程的整個性能。
可以理解到，熟悉該技術的人員依靠盡可能地在工業規模上把PSA或VSA裝置中閥門的開閉時間限制到一般低于0.5秒左右，一直在設法限制這些過渡狀態的范圍。
壓力循環中各步驟的時間間隔愈短，這個要求尤其顯得重要。
此外，一旦過程要求采用具有一個以上吸收器的PSA或VSA裝置，也就是說，例如兩個或三個吸收器，則在PSA或VSA裝置的一組閥門中，開閉時間的太寬分配會非常容易產生過程的很大不平衡，并且使性能非常明顯地下降。
所以，如果要盡量減小或減輕這些問題，通常要對PSA裝置的所有閥門，設法得到盡可能均勻的啟動時間。
與工作的快速要求一樣，在短循環情形中，也就是說，在例如小于60秒的循環中，這個要求尤其重要。
至今，依靠尋求具有盡可能接近瞬時或幾乎瞬時工作的閥門系統，來設法滿足這兩個條件。
因此，文件US-A-4,360,362建議一種PSA系統，它使用非常快速的閥門和采取單個氣壓控制，來消除在工作時間中的任何不均勻性。
更一般地說，在極短的平均時間附近，PSA或VSA裝置通常具有非常窄的閥門工作時間的分配，如附
圖1中簡化表示，它表示了在VSA裝置中開閉時間的常規分配。
在圖1中可以看出，通常閥門的平均開閉時間等于0.3秒±0.1秒左右。
為了避免在PSA循環步驟改變期間的這種不希望的氣體轉移或流動，已經建議了閥門控制系統，特別是在文件US-A-4,322,228中，它在開閉指令中強加了一個延遲，使得在要打開的閥門之前啟動要關閉的閥門，這里設想的目的是為了完全消除任何瞬時的氣體轉移。
但是，這種方法大大影響了在VSA裝置中所采用閥門技術的選擇。
因此，某些文件，如US-A-4,877,429、JP-A-05,192,526或GB-A-2,190,014，建議采用新穎的閥門，尤其是應用了轉動技術的閥門，使得與更成熟技術的閥門如蝶形閥相比，有可能加速工作時間。
所以，本發明的目的是要減輕上述問題，并提出一種PSA設備，它改進了采用快速閥門的設備，也就是說，改進了采用先前技術推薦的開閉時間盡可能均勻的閥門的設備。
因此本發明涉及了一種分離氣體流的PSA設備，它在一種生產循環中工作，并至少包括一個吸收器和幾個閥門，其特征在于上述閥門的平均工作時間(μ)為0.5s＜μ＜2s以及每個閥門的工作時間(Δt)為；μ-x＜Δt＜μ+x，其中0.1s＜x＜0.5s但是應該注意到，在本發明的范圍內，不必擔心所有或某些閥門打開和/或關閉時間的可能上升。
與先前技術的說法不同，本發明論證了采用PSA，尤其是VSA的工業設備或裝置可以容易地與比先前技術推薦的閥門慢而不均勻的閥門相配合。
另外，按照本發明，PSA過程的總經濟比較表明采用這種閥門非常有利，它們不太花錢、更加可靠和壽命更長。
視情況而定，本發明的設備可包括如下特征的一個或幾個-閥門的平均工作時間(μ)為0.5s＜μ＜1.5s平均工作時間(μ)最好為0.5s＜μ＜1s；-0.1s＜x＜0.5s最好為0.1s＜x＜0.3s；-至少包括3個閥門，最好至少包括5個閥門；-至少包括兩個吸收器，最好包括兩個或三個吸收器；-為VSA型；-還包括氣體管道；-還包括控制閥門工作時間的系統；-還包括一個系統，可根據由控制系統測出的工作時間而修改閥門工作指令的順序；-為具有氣體徑向環流的類型，并且/或者采用一種或幾種吸收材料，例如多層過程；-被分離的氣體流包括氮和至少一種不太極化的氣體成分，特別是氧和/或氫，氣體流最好是空氣，第一氣體成分是氮和第二氣體成分是氧，在本發明范圍內，空氣是包含在建筑物內或者加熱或不加熱封閉物內的空氣，或者是外部空氣，也就是說，是在大氣條件下取得的空氣，它已作了或可能作了預處理；-第一氣體成分是氮和第二氣體成分是氧，生產出富氧氣體流，也就是說，生產出一般至少包括90％氧；-吸收的高壓在105巴到107巴之間，最好是105巴到106巴的量級，并且/或者吸收的低壓在104巴到106巴之間，最好是104巴到105巴的量級；-送氣溫度在10℃到80℃之間，最好是在25℃到60℃之間。
本發明還涉及了采用本發明設備來生產一種氣體流，它包括了大于50％，最好大于80％的從氧、氮、氫組合中選取的至少一種氣體。
更具體地說，本發明的設備可用于生產包括大于80％氧，最好大于90％氧的氣體流，把上述氧送入從燃燒爐、紙漿制造裝置和水處理裝置中選取的耗氧設備中。
現在借助例子(作為舉例說明，但不受此限制)和參照附圖來更詳細地描述本發明。
一般說，以下提出的研究由動力仿真來完成，依靠了基于質量守恒、熱焓守恒和動量守恒原理的仿真程序，并采用了線性驅動力模型(參見D.M.Ruthven的“吸收原理和吸收過程”，p.242-243，John Wiley &Sons，1984)來估計在吸收材料質量內固體-氣體轉移的運動學。在Ruthven，Farooq和Knaebel的“壓力變動吸收”，p.172-209，VCHPublishers，1994；以及在S.Ergun的“通過填充塔的流體流動”，化學工程進展，48(2)，89(1952)中專門描述了這種仿真模型。例如，可根據MicrosoftTM出售的IMSL(國際數學和統計圖書館)的DIVPAG程序，或者根據AspentechTM出售的ADSIM程序來求解方程。熟悉該技術的人員完全能從市面上現有的許多程序中選取適當的仿真程序，并能把上述數據輸入。如果需要，也可參照D.G.Hartzog和S.Sircar的文章“PSA過程性能對輸入變量的靈敏度”，吸收，1，133-151(1955)，它描述了一個相似的程序。
為了簡化，在進行以下研究時假設了被分離的氣體流是空氣，但優先在吸收材料上吸收的第一成分是氮，在吸收材料上不優先吸收并要被回收的第二成分是氧。
此外，在兩種VSA型系統或裝置上進行研究，一種具有兩個吸收器，另一種具有三個吸收器。
第一個目的是識別VSA裝置對閥門開閉時間分配的靈敏度或性能，從而在第二步中得到在工業觀點上可以最經濟接受的分配。
例1具有2個吸收器和10個閥門的VSA裝置在該例子中，模型化的VSA系統采用了兩個吸收器A1，A2和十個閥門，如圖2中簡化表示。
更具體地說，該VSA系統在圖2中被說明并包括-2個吸收器A1和A2；-1個真空泵PAV；-1個空氣或羅茨壓縮機R；-2個送氣閥門VA1和VA2，分別控制著流入吸收器A1和A2的空氣；-2個生產閥門VP1和VP2，在生產階段分別控制著從吸收器A1和A2流出的氣體(氧)；-2個放氣閥門VPU1和VPU2，在放氣階段分別控制著從吸收器A1和A2流出的氣體(氮)；-1個平衡和淘析閥門VE；-1個網絡閥門VR，與所生產氣體的分配網絡連通；-1個旁通閥門VBP，使真空泵PAV旁通；-1個旁通閥門VBR，使壓縮機R旁通；以及-1個生產容器CP。
圖2的VSA系統中10個閥門的每一個的特征在于構成本研究參數的開閉(O/C)時間。
VSA系統經受了圖3中簡化表示的壓力循環，圖中說明了在整個時間上循環高壓(P高)和循環低壓(P低)之間的壓力(P)變化，以及進入和離開每個吸收器A1和A2的氣體流。
顯然，在從一個步驟轉移到另一個步驟期間，閥門的非零工作時間影響著氣體流。
首先對常壓循環進行了一系列的仿真，可以確定在優化一個循環和建立工業裝置的設計數據時可能有的活動余地。
由此，對于74s的生產循環，直到2s的開閉(O/C)時間，VSA裝置的性能不變，而對于40s的循環，極限為1秒。
作為例子，圖4說明了在40s的循環情形下，當閥門工作時間，也就是說，當開閉(O/C)時間變化時，作為給定循環指標的比能量(SE)的改變。
圖4可以使操作人員可根據情況來優化循環到0s，0.5s或1.0s，從而提供在不管什么情況下任何工業裝置的設計數據。
但是，在該階段，沒有考慮到啟動時間的“不平衡”分配；這可如下進行。
現在假設，操作人員已對開閉(O/C)時間均為0.5s量級的閥門完成了VSA裝置的設計研究，但由此設計的工業裝置最終將有一組具有較長和/或不均勻啟動時間的閥門。
具有給定“機械和吸收器”的這種VSA系統類型將根據以下假設進行研究-設計點為40秒的生產循環，閥門在0.5秒中啟動；以及-工業裝置采用開閉時間為1秒±0.5秒的閥門。
考慮所有的組合，憑直覺事先考慮了最不合適的情形，也就是說，對每個吸收器專用的或對大于1秒平均啟動時間專用的閥門中可能產生最明顯不平衡的情形，看來，如果不修改各步驟的順序，性能將大大降低，以下表I給出的結果清楚地表明了這點。
從表I可明顯看出，放氣閥門(VPU1和VPU2)的不平衡尤其不利。
如果此時產生不希望的氣體轉移，特別是在平衡步驟期間產生氣體的轉移，最壞的情形似乎是在放氣閥門(VPU1和VPU2)和送氣閥門(VA1和VA2)中不平衡的組合，以及在同一吸收器(A1或A2)的放氣閥門(VPU1和VPU2)和送氣閥門(VA1和VA2)之間。表I未修改閥門的順序時O/C時間的分配對VSA裝置性能的影響
圖5說明了在每個吸收器A1和A2中的這種現象，此時得到比能量SE指標為121(參見表I)，簡化表示了對于循環的每個階段和對于兩個吸收器A1和A2，閥門開閉(0/C)時間分配對瞬時流率的影響。
圖5中的曲線清楚地表明了(畫圓區內)不希望的氣體轉移產生了對兩吸收器的PSA裝置不利的不平衡。
但是，對于閥門的每種組合，稍稍修改閥門的開閉順序就有可能阻止這些材料轉移的擾動。
因此，仍在上述考慮的情形中，由圖6簡化表示的閥門順序的修改，足以消除不希望的轉移，并且足以恢復壓力圖的平衡和裝置的預計性能。
更具體地說，從由控制器對閥門給出的開閉指令順序中，圖6分離出了一個細節部分，它相應于生產/淘析步驟的終了和平衡步驟的開始。
在圖6中采用的約定如下空心框/實心框轉移＝閥門打開指令；實心框/空心框轉移＝閥門閉合指令。
因此，所建議的修改是提前進行打開閥門的指令，該閥門通常在生產/淘析步驟終了時必須閉合。
但是，應該注意到，在此情形下，如果顯著地延遲閉合吸收器A1的送氣閥門和吸收器A2的放氣閥門，則在真空泵PVA的進氣口和在空氣或羅茨壓縮機R的出氣口上不出現壓力峰值，它保證了工作的安全性和比能量(SE)的恒定。
以下表II重復了表I中幾個較不利的情形，并給出了依靠簡單修改閥門順序，也就是說，依靠提前打開或關閉主要閥門所得到的性能。表II修改閥門的順序時O/C時間的分配對VSA裝置性能的影響
從表II可明顯看出，考慮O/C時間不均勻分配所需的一切僅是簡單調整在裝置啟動時的控制器。
因此可以表明，只要閥門的O/C時間保持在范圍[μ-0.5s；μ+0.5s]內，則性能可以保持，這里μ表示所討論的時間平均值，并且μ在0.5s和1.5s之間。
例2具有3個吸收器和14個閥門的VSA裝置上述研究也在具有3個吸收器的系統上進行，其中，由于每個吸收器的單獨啟動時間造成循環中擾動的風險甚至更大。
在圖7中模型化和說明的VSA系統包括-3個吸收器A1、A2和A3；-1個真空泵PAV；-1個空氣或“吹氣”壓縮機R；-3個送氣閥門VA1、VA2和VA3，分別控制著流入吸收器A1、A2和A3的空氣；-3個生產閥門VP1、VP2和VP3，在生產階段分別控制著從吸收器A1、A2和A3流出的氣體(氧)；-3個放氣閥門VPU1、VPU2和VPU3，在放氣階段分別控制著從吸收器A1、A2和A3流出的氣體(氮)；-3個再壓縮閥門VRC1、VRC2和VRC3，在再壓縮階段分別控制著吸收器A1、A2和A3的再壓縮；-1個中間再壓縮閥門VIR；-1個網絡閥門VR，與所生產氣體的分配網絡連通。
圖7中VSA系統的14個閥門的每一個的特征在于構成研究參數的開閉(O/C)時間。
VSA系統經受了圖8簡化表示的壓力循環，圖中說明了整個時間上循環高壓(P高)和循環低壓(P低)之間的壓力(P)變化，以及進入和離開每個吸收器A1、A2和A3的氣體流。
圖7中在生產一側簡化表示的比較復雜的閥門系統的功能僅是依靠順序的打開，容許由生產氣體來逐步地再壓縮，而不采用調節器控制的閥門。
這是由于控制閥門啟動器的調節器往往是VSA裝置中的一個不可靠性因素。
如同在與兩吸收器的VSA裝置有關的例1情形，對常壓循環進行的仿真結論清楚地表明采用比較慢的閥門，性能沒有明顯的改變。
例如，對于45秒的循環，只要閥門的打開或關閉時間不超過1秒，性能就可保持非常相近。
在此階段，已對常壓循環作了仿真，未對系統的閥門開閉順序作任何修改。
如前面所述那樣，現在適于設法識別采用取自一組閥門中的閥門的后果，這組閥門具有不均勻的開閉時間和比VSA裝置設計點大的平均值。
這里同樣可表明對閥門順序稍作修改，可以幾乎全部地補償由于閥門“不良”分配造成的性能損失。
在這里，對順序的這種修改同樣依靠在所討論的步驟期間，提前打開或關閉“不平衡”的閥門，從而消除了在吸收器之間任何不合適的材料轉移。
以下表III和IV表示了在放氣閥門中的主要分配情形，性能對此非常敏感(與兩吸收器系統的情形相同)，根據圖6的原理來修改閥門的順序(表IV)，可以完全補償這個分配。表III未修改閥門的順序時O/C時間的分配對VSA裝置性能的影響
表IV修改閥門的順序時O/C時間的分配對VSA裝置性能的影響
顯然，其結論與兩吸收器的裝置相同，即只要閥門的O/C時間保持在范圍[μ-0.5s；μ+0.5s]內，性能就可被保持，這里μ表示所討論的時間平均值，并且在0.5s和1.5s之間。
上述例子表明可以有一定程度的活動余地來進行閥門的選擇，并且意想不到的是，可以采用僅保證很慢(到1.5s)和非常不均勻(±0.5s)開閉時間的閥門，而同時保持了從工業觀點看可以接受的性能。
換句話說，簡單地調節控制器，可以使閥門的不均勻性對VSA裝置的性能無關緊要。
另外，采用較慢的閥門可以改進閥門的壽命，壽命是VSA裝置不可靠性的主要來源。
因而，“較溫和地”啟動用于開閉閥門的機械部分，當然可降低這些機械失效的風險。
此外，對閥門供應部門規定了開閉時間分配的較大活動余地，可降低閥門的成本，因為可以簡化生產的控制。
因此，增加啟動時間和這些時間分配的活動余地，一方面可以提高裝置的可靠性和降低投資，另一方面，可以僅在一定值以上，即分別大于1.5s和±0.5s時性能才會明顯的下降。
這個方法可以在從一組閥門中選取閥門情形中，得到最好的經濟折衷方式，這組閥門具有平均開閉時間μ在0.5s和2s之間，以及開閉時間的分配在[μ-0.2s；μ+0.2s]和[μ-0.5s；μ+0.5s]之間。
本發明不限于從空氣生產氧的領域，因此可以用于其它氣體流的分離，特別是例如包含氫、二氧化碳和/或一氧化碳的氣體流，尤其是合成氣體的生產。
權利要求
1.分離氣體流的PSA設備，它在一個生產循環中工作，并至少包括一個吸收器和幾個閥門，其特征在于上述閥門的平均工作時間(μ)為0.5s＜μ＜2s以及每個閥門的工作時間(Δt)為μ-x＜Δt＜μ+x，其中0.1s＜x＜0.5s
2.按照權利要求1的設備，其特征在于閥門的平均工作時間(μ)為0.5s＜μ＜1.5s，平均工作時間(μ)最好為0.5s＜μ＜1s。
3.按照權利要求1和2之一的設備，其特征在于0.1s＜x＜0.4s，最好為0.1s＜x＜0.3s。
4.按照權利要求1到3之一的設備，其特征在于它至少包括3個閥門，最好是至少包括5個閥門。
5.按照權利要求1到4之一的設備，其特征在于它至少包括兩個吸收器，最好是包括兩個或三個吸收器。
6.按照權利要求1到5之一的設備，其特征在于它是VSA型。
7.按照權利要求1到6之一的設備，其特征在于它還包括一個控制閥門工作時間的系統。
8.按照權利要求1到7之一的設備，其特征在于它還包括一個系統，該系統用于根據上述控制系統測出的工作時間而修改閥門工作指令的順序。
9.采用按照權利要求1到8之一的設備來生產氣體流，氣體流包括大于50％，最好大于80％的從氧、氮、氫組合中選取的至少一種氣體。
10.采用按照權利要求1到8之一的設備來生產氣體流，氣體流包括大于80％的氧，最好是大于90％的氧，把上述氧送入從燃燒爐、紙漿制造裝置和水處理裝置中選取的耗氧設備中。
全文摘要
本發明涉及了一種分離氣體流的PSA設備,特別是VSA設備,它在一個生產循環中工作,并至少包括一個吸收器,最好是兩個或三個吸收器,以及幾個具有長而不均勻工作時間的閥門。更具體地說,閥門的平均工作時間(μ)為0.5s< μ< 2s,每個閥門的工作時間(Δt)為μ－x< Δt< μ+x,其中0.1s< x< 0.5s。本發明還涉及了采用這種PSA設備來生產富氧、富氮或富氫的氣體流,尤其是包含大于80%氧的氣體流,然后把它送入從燃燒爐、紙漿制造裝置和水處理裝置中選取的耗氧設備中。
文檔編號B01D53/04GK1253030SQ9912343
公開日2000年5月17日 申請日期1999年11月5日 優先權日1998年11月6日
發明者多米尼克·魯熱, 斯特凡娜·尚塔格雷爾, 孫廉明, 塞利娜·格拉西安奈特, 伊夫·托爾 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司