[发明专利]吸附剂床的分级泄料

说明书

技术领域

本文所公开的实施例大体上涉及变压吸附系统。更具体而言，本文所公开的实施例涉及用于控制进入或离开吸附剂床的气流的方法及设备。

背景技术

变压吸附(PSA)为一种用于分馏气体混合物以提供至少一种净化的产物气体和残液副产物混合物的技术。PSA已经成功地用于从其它气体分离氢、从空气分离氧和氮和从天然气体分离氦等。

早期的PSA系统通常使用并行操作的四个吸附剂容器。PSA系统的实例为授予Wagner的第3,430,418号美国专利。Wagner的工艺的后来改进方案增加了附加的压力平衡步骤，同时保留四个吸附剂床(例如，授予Batta的第3,564,816号美国专利)，且随后在授予Fuderer等人的第3,986,849号美国专利中，将甚至更多的压力平衡步骤增加至七个或更多的床。实施压力平衡的数目和吸附剂容器的数目的这些增加用以提高产物回收率和吸附剂生产率。令人遗憾的是，性能的提高伴随着就所需的阀的数目而言从用于Wagner工艺的三十一个增加到用于Batta工艺的三十三个，再增加到用于Fuderer等人的工艺的最少四十四个。

一般基于若干标准测量PSA循环的性能。第一个是在给定杂质水平以及作为净化产物输送的总进料流中的产物种类的分数下的产物回收率。第二个测量为吸附剂的生产率，生产率涉及在其期间输送产物的PSA循环相比于循环的总长度的比率。为了在固定的进料成分下最大限度地增大这些参数中的一者或两者，已经在其它系统中描述了一定数目的途径。

Wagner描述了使用储存在加压床中的气体来使已经被吹扫的另一个容器再加压，然后在第一容器中的压力耗尽之前随后吹扫另一个容器。随后，Batta描述了可将第二压力平衡增加至第一压力平衡，且这将有意义地改善回收率。Batta在他的循环中保留了吹扫气体的措施。Fuderer等人将此途径延伸至第三压力平衡，且教导了从床中收回的最纯净的气体将总是最后进入任何其它床被再加压的气体。Batta的四个容器循环构造成使得比真正期望的更少的纯净气体进入被加压的容器中。此外，Fuderer等人的发明允许比用前述循环可实现的更高的吸附剂生产率，因为分配给吸附的循环中的时间分数由于阀开关逻辑的细节而较高。

尽管这些方法便于优异的产物回收率和吸附剂生产率，但它们这样做是以高度的复杂性为代价的。Wagner的原始工艺使用四个容器和三十一个阀来便于一个压力平衡和另一个容器的吹扫。Batta为他的具有两个平衡的循环将该总数增大至三十三个阀和四个容器。两个这种四个床的循环以百分之二十五的时间从给定容器产生气体。Batta还提供了具有四十三个阀的五个容器的系统来重新排列平衡，以在气体的纯度连续增大的情况下提供所期望的再加压。该循环仅百分之二十的时间从给定容器生产。Fuderer等人的提供三个平衡和吹扫步骤的最简单的循环需要九个容器和五十五个阀。该循环以百分之三十三的时间生产，明显比Batta和Wagner的循环有所增加。尽管这些循环在回收率和生产率的临界区域中有进步，但它们这样做是以较大增加机械复杂性为代价的。复杂性的这样增加伴随着系统体积、质量、组装时间和投资成本的增加。此外，阀的数目的较大增加在一定时间内显著地降低了PSA系统的可靠性；因此，PSA系统为单损坏点系统，即使一个阀损坏，也必须关闭PSA系统。

近年来，已经进行努力来降低复杂性以便解决其伴随的问题。授予St?cker的第4,761,165号美国专利实施了使用四个容器和十八个阀的Wagner的工艺，十八个阀中的四个阀可为按比例控制的阀。授予Duhayer等人的第6,146,450号美国专利描述了一种通过最佳地布置管道配件来降低复杂性的措施，但此途径并未在阀数或容器数方面实质上改变PSA循环。授予Lomax等人的第6,755,895号美国专利中描述了一种包括附加的机械简化的工艺。

也授予Lomax等人的第6,858,065号美国专利公开了一种包括具有其中压力减小至少两级的第一平衡步骤和具有其中压力增大至少两个级的第二平衡步骤。

也授予Lomax等人的第7,674,319号美国专利公开了一种具有用以监测PSA系统的性能和操作的控制系统的PSA系统，其包括位于系统中的各种点处的很多压力变换器。St?cker等人也公开了在吸附容器、进料线和生产线上使用很多压力变换器，压力变换器提供成以便逐渐地控制按比例开启的阀的开启以防止吸附剂流化。

授予Lomax等人的第6,755,895号美国专利公开了一种固定流动限制孔口的系统，其用以在不使用任何反馈控制或比例阀的情况下限制离开吸附剂容器的气体的速度。