[发明专利]低压力比VPSA调整和平衡系统

说明书

本发明涉及变压气体分离过程的控制，更具体来说，涉及基于观测到的压力和纯度来调整吸附/解吸的步骤时间(step time)和容器回流步骤时间和流量的方法，以保持容器压力略低于或处于预定的数值，从而使生产最优化并达到最大产量。

价格有竞争性的PSA(变压吸附)系统依赖于良好匹配的系统部件的高效利用来设计，所述系统部件包括进料和排空鼓风机、容器床和吸附剂、阀门和其它设备。关键的是这些设备的安全、稳定、有效使用和控制。为保持对这种高度不稳定过程的控制，设备中安装有程序逻辑控制器(PLC)和运行控制和监测软件的计算机。具有短的床长度的径流吸附器的最新进展、具有高吸附速率的先进吸附剂、和系统的其它增益已起到了缩短循环时间的作用，对PSA操作的瞬时性进一步增加了过程的灵敏性。

另外，低压力比VPSA循环的发展促进了向单阶段旋转叶片真空泵的转换。为发挥效用，这些泵必须细心地确定尺寸以与系统的其它部件如床体积和进料空气鼓风机相匹配。这些真空鼓风机在从机械角度来看接近其最大值的压差下进行操作，且其空气动力学上的操作点位于随真空值增加而使效率急剧下降的点。

理论上，一旦对系统建立了适当的操作压力后，它们不需再进行调整。问题是，如环境温度和压力、控制阀位置、设备调整参数、操作温度、冷却回路、鼓风机和压缩机机械磨损和阀泄露的变化会影响这些压力值，时常通过使系统部件以偏离其设计点进行操作从而造成非峰值操作。在极端的情况下，甚至可发生设备停车。因而，为安全和有效地进行操作，在设备操作过程中必须对系统的整体压力值进行细心地监控，且当需要时，进行调整以接近于达到所需的值。

在系统中采用多于一个吸附容器的情况下，会产生另一个问题。这一问题源于对所述容器的单独操作进行匹配以产生最佳系统性能的困难，所述最佳系统性能以最小设备功率、最小产物纯度变化、最大产量等来度量。如同系统总体压力值控制一样，床与床的平衡也是需要的，因为有干扰进入系统并时常导致改变系统稳定性。这类干扰可通过环境温度、环境压力、工艺设备、工艺阀位置、工艺阀响应时间、设备计算机控制功能及其它因素的变化来引入。可通过监控关键工艺参数、然后经工艺控制系统进行调整以使系统恢复到接近设计操作来使这些干扰的影响最小化。除上述的总体压力值控制以外，这种床与床的平衡是需要的。

Haslett等人的US专利4747853叙述了在阀失效情况下过压控制方法，其中采用了压敏装置、限流孔和常开阀。如果压敏装置检测到不可接受的压力，则将信号传送到常开阀，使其关闭。从而以与市售的安全阀或防爆膜相似的方式保护下游系统不受高压作用。

在Schaub等人的US专利5407465中叙述了床平衡/调整。这一专利确认需要保持床与床平衡，并且做出的结论是对具有相似轴向温度分布的各床有一个平衡系统进行操作。如有干扰进入所述系统，各床的轴向温度分布发生改变，提供存在不平衡的指示。采用设备控制计算机来监控床温度并对平衡和进入及排出各容器的吹扫气流进行调整，以使各床恢复相似的温度分布。

Ziming Tan的US专利5,529607指出，对在以循环PSA方法异相操作的各床的吹扫气排出气流中测量的最大O₂浓度可进行监控。然后可确定所述浓度的绝对差并对各床的吹扫过程的步骤时间进行调整，以减少所述浓度差的绝对值。

Ross等人的US专利5486226使用了氧分析仪来测量在设计制备N₂的碳PSA中的杂质。如果O₂杂质增加到高于可接受的极限，则引发由缓冲罐向吸附容器的产物高纯气体流动，以恢复产物纯度。这提供了在预留容量或其它干扰后进行快速起动的一种途径。

Shirley等人的US专利5258056叙述了通过测量产物需求的变化、然后调整原料气流来补偿产物需求的改变，对设备的生产产量进行控制的方法。原料气流的调整方式为使得保持恒定的产物纯度。系统控制原料空气是用于调节容量控制和纯度控制。

Gunderson的US专利4725293叙述了通过监控产物物流的纯度值、然后调整原料气流以保持所需的产物纯度，来控制产物物流中杂质数量的系统。

Miller等人的US专利4693730提出了一种控制在PSA产物物流中气体组分的纯度的方法。在并流降压或平衡气体中监测杂质的浓度以确定是否存在干扰条件。如检测到问题，则对过程进行调整。校正纯度问题可采取的主要途径是：

a)改变吸附步骤时间以控制传质前沿的前沿位置。