[发明专利]使用带有高速永磁电动机的离心式压缩机的PSA气体分离系统和方法

说明书

本申请是申请日为2009年3月24日、申请号为200980111038.3、发明名称为“使用带有高速永磁电动机的离心式压缩机的PSA气体分离系统和方法”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明总体上涉及使用高速永磁电动机和离心式压缩机的气体分离方法和系统，所述电动机具有变频电动机转速控制器，离心式压缩机用于对这种系统内的吸附剂容器进行加压和/或抽空。

背景技术

把一种气体从与其它气体的混合物中分离出来是重要的工业过程。在这样的过程中，目的可能是获得富含特定气体的产品气体，或者是获得从特定气体中除去了不希望有的组分的产品。例如，存在工业规模的过程来分离空气以获得氮气、氧气和氩气以及用于空气预纯化。

更具体地说，可以利用吸附过程特别是变压吸附(PSA)型和真空变压吸附(VPSA)型的吸附过程来实现空气分离。在PSA和VPSA过程中，压缩空气被泵送经过吸附剂的固定床，该吸附剂对主要组分中的一种组分表现出吸附偏好，由此获得富含未被吸附(或较少被吸附)组分的流出产品流。与低温过程相比，用于空气分离的吸附过程需要相对简单的设备并且相对容易维护。然而，吸附过程的产品回收率通常比许多低温过程低。由于这个原因，对吸附过程的改进依然是重要目标。一种主要的改进方法是发现及开发出更好的吸附剂。一些这类吸附剂已经在给定的吸附过程中使循环时间变短。

持续存在对功率消耗较低的PSA和VPSA设备的需求。基本过程利用选择性吸附剂来除去气体混合物的至少一种成分，采用四个基本工序：(1)吸附、(2)减压、(3)吹扫、和(4)再加压。含有较易吸附成分和较不易吸附成分的气体混合物在预定(高)的吸附压力下经过能够选择性吸附较易吸附成分的至少一个吸附剂床。在此高压下离开吸附剂床的气流现在富含较不易吸附的成分，并且例如作为产品而被取走。当吸附剂床饱和吸附了容易吸附的成分时，此后将该吸附剂床减压到较低的解吸压力从而对容易吸附的成分进行解吸，然后使该气体从系统中排出。一些工艺可以包括另外的步骤，例如均衡化和产品加压。

常规的PSA和VPSA过程使用旋转型正排量式鼓风机进行吸附剂床中的气体加压或抽空。这些常规的旋转叶片鼓风机通常具有比离心式压缩机更低的效率和更高的维护费用，但是它们确实很好地适应了变压循环的振荡性质。图1示出VPSA循环的供给鼓风机压力需求的示例性压力变化曲线，图2示出VPSA循环的真空鼓风机压力需求的示例性压力变化曲线。旋转叶片鼓风机的涉及吸附过程的一个有吸引力的特征是功率消耗与系统压力需求成比例。鼓风机的理论功率消耗与系统压差成正比(即，在功率消耗与压力之间有线性关系)。这种对系统压力需求的线性功率响应，已使得旋转叶片鼓风机成为PSA和VPSA工业的备选压缩设备。然而，旋转叶片鼓风机会在系统中形成强烈的压力脉动。已知如果没有适当的缓减，来自旋转叶片鼓风机的压力脉动会引起对下游工艺设备的严重结构损坏。虽然脉动缓冲容器通常与旋转叶片鼓风机一起使用，但是它们并没有完全消除失谐（mismatch），并且在系统中一直存在着相当高的压力脉动水平。

在过去，已经为PSA和VPSA过程考虑了带有和不带有进口导叶(IGV)且带有变频驱动器(VFD)的定速离心式压缩机，这是因为与常规旋转叶片鼓风机相比它们有更高的效率。图3示出典型的常规离心式压缩机系统布置。通常需要带有润滑油系统11的变速箱10来把感应电动机(IM)12的低速转换成离心式压缩机1的高速，为了获得高效率，离心式压缩机需要以高速运转。为了在高度动态的变压循环中最有效地使用离心式压缩机，必须采用IGV、变速控制器或者这两者的组合。当PSA或VPSA循环压力偏离了定速离心式压缩机的设计压力条件时，级效率显著降低，尤其是在接近1的压力比下(壅塞)运行时。这导致在PSA或VPSA循环期间平均功率消耗增大以及压缩机总平均效率降低。然而，通过连续改变压缩机转速来匹配加压和抽空吸附剂床这两者的压头需求，理论上讲压缩机可以在从100%的设计转速到显著较低的转速下以它们的最高效率运行。现在功率消耗变得很小，因此相对于旋转叶片鼓风机而言，平均功率经济性和总循环效率得到显著改善。

但是，在过去不能成功应用这个技术。常规的带有和不带有IGV的定速离心式压缩机的使用并不理想，这是因为它们的有限工作范围。常规的变速离心式压缩机在使用IGV的情况下可具有改善的工作范围和改善的节能并且流量减小，但是不能迅速适应PSA或VPSA循环的瞬变流动状况(这归因于齿轮的大惯量和大的低速运转的IM转子)。