利用離心壓縮機的循環(huán)吸附工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種循環(huán)吸附工藝，該工藝包含一個或多個吸附劑容器，吸附劑容器至少經(jīng)過加壓和減壓的步驟并且由一個或多個變速離心機驅(qū)動，變速離心機在加速和減速條件下操作并且適于所采用的步驟、容器尺寸和工藝條件，其中工藝循環(huán)時間大于慣性變化——其限定在循環(huán)期間由于慣性變化導(dǎo)致的損耗的最大能量——與多個離心機中的一個在不存在慣性效應(yīng)時消耗的總功率的0.3倍之間的比率。
【專利說明】利用離心壓縮機的循環(huán)吸附工藝【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供用于利用離心機分離氣體流組分的改進的循環(huán)吸附系統(tǒng)以及工藝。更具體地，本發(fā)明涉及利用在循環(huán)的加速和減速狀態(tài)下操作的一個或多個變速驅(qū)動離心壓縮機的吸附工藝，其中選擇工藝循環(huán)時間以使壓縮機功率消耗最小化且工藝的效率最大化。
【背景技術(shù)】
[0002]循環(huán)吸附工藝眾所周知并且典型地用于從較不易吸收的組分氣體中分離較易吸收的組分氣體。示例包括:變壓吸附(PSA)或真空變壓吸附(VPSA)工藝，其利用低壓或真空和吹掃氣體來再生吸著劑；以及變溫吸附(TSA)工藝，其利用例如熱的吹掃氣體等熱驅(qū)動力來解吸雜質(zhì)。這些工藝通常用于從空氣中分離氧氣或氮氣、從供給空氣氣體中分離諸如碳氫化合物和/或水蒸氣等其他雜質(zhì)、從一氧化碳中分離氫氣、從其他氣體混合物中分離碳氧化合物，等等。這些工藝還用于在低溫空氣分離之前從空氣中去除例如水蒸氣和碳氫化合物等雜質(zhì)?？墒褂萌魏斡糜诜蛛x或提純氣體組分的循環(huán)吸附系統(tǒng)。
[0003]用于說明的目的，在此描述了用于從空氣中分離氧氣的典型的VPSA工藝，盡管本發(fā)明可與利用離心壓縮機的其他循環(huán)吸附工藝一起使用并且并不意于限于該工藝。典型的循環(huán)VPSA工藝是其中吸附劑床經(jīng)過如下階段的工藝:
1.將吸附劑床加壓至期望的壓力，其中當供給空氣通過該床時由吸附劑容易地吸附氮
氣;
2.當供給空氣中的氮氣被吸附時產(chǎn)生了富含氧氣的產(chǎn)品氣體；
3.將包含吸附劑的床抽空至低壓(典型地處于真空)，其中將吸附的氮氣從吸附劑床中的吸附劑中解吸；以及，優(yōu)選地，
4.使吹掃氣體通過該床以去除任何剩余的氮氣。
[0004]技術(shù)人員應(yīng)理解循環(huán)時間意指完成一個循環(huán)所需的時間的總量，例如，工藝按步驟依次進行并且然后返回至初始狀態(tài)。
[0005]一些吸附工藝將具有更多步驟或多個床并且經(jīng)常對于各個加壓和減壓步驟使用一個或多個鼓風(fēng)機。如果VPSA設(shè)備包含兩個或更多個吸附劑容器，那么各個容器均經(jīng)過以上步驟；然而，兩個容器不同步地操作，使得當一個容器在生產(chǎn)產(chǎn)品時另一個進行再生。而且，在兩床工藝中典型地使用兩個鼓風(fēng)機，其中一個專門用于將氣體供給至吸附劑容器，而另一個專門用于抽空吸附劑容器。
[0006]無論是使用單個容器、兩個容器或甚至更多個容器，當工藝從吸附向解吸循環(huán)時在工藝內(nèi)的壓力和流量迅速地變化。通常，容器的壓力將在快速的周期循環(huán)時間內(nèi)——例如小于一分鐘——從位于大氣壓或低于大氣壓的低壓狀態(tài)——優(yōu)選地低于大氣壓，例如約
6至8 psia (磅/平方英寸)-向高于大氣壓的高壓狀態(tài)-例如約19至24 psia-
變化。一些吸附工藝在類似的快速的循環(huán)時間內(nèi)將需要甚至更寬的壓力和/或真空跨度。
[0007]傳統(tǒng)上，VPSA設(shè)備使用例如在固定速度下操作的旋葉鼓風(fēng)機等正位移機以使氣體移動通過該工藝。這些機器是耐用的，并且當壓力和流量變化并反轉(zhuǎn)時一般不會受到任何重大的操作問題。然而，這些機器具有低的功率效率，并且傳統(tǒng)的機器僅為60%-65%的效率。因此浪費掉供應(yīng)至這些機器的能量的約35%-40%。因此顯然期望用能夠滿足快速循環(huán)狀態(tài)的嚴格要求的更有效的機器來取代傳統(tǒng)的旋葉機器。
[0008]一類這種機器是由直驅(qū)變速高速永磁馬達或變速高速感應(yīng)馬達來驅(qū)動的離心壓縮機。這種壓縮機具有已知的約85%的效率。在使用這種壓縮機時所涉及的挑戰(zhàn)在于其性能對于壓力的變化非常敏感，例如在變壓吸附工藝期間出現(xiàn)的快速的壓力改變。在如此處描述的吸附工藝的快速循環(huán)工藝中使用的離心壓縮機高度地易受到頻繁相反的操作狀態(tài)或情況的影響一已知為涌浪效應(yīng)和石墻效應(yīng)，這在下文將更全面地描述。這些狀態(tài)可導(dǎo)致低的功率效率和對壓縮機葉輪及其他壓縮機或系統(tǒng)部件的損壞或故障，并且因此已在實踐中避免。因此，如果要在循環(huán)吸附工藝中成功地利用更有效的離心機取代正位移機，那么有必要解決涌浪效應(yīng)和石墻效應(yīng)的不利情況。
[0009]已提出將離心壓縮機用于在吸附工藝中使用。例如，美國專利N0.5，555，749提出在循環(huán)的抽盡部分(減壓)期間離心壓縮機在吸附系統(tǒng)中的使用。美國專利N0.7，785，405B2公開了用于氣體分離的系統(tǒng)和工藝，利用高速永磁變速馬達來加速和減速在變壓吸附(PSA)或真空變壓吸附(VPSA)工藝中使用的離心壓縮機。這些專利沒有教示一種工藝，在該種工藝中選擇最佳循環(huán)時間來從這種壓縮機的使用中實現(xiàn)功率效益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提供針對離心機在循環(huán)吸附工藝中的使用的改進的工藝以及系統(tǒng)。該發(fā)明提供一種方法，其用于通過使石墻效應(yīng)的不利狀態(tài)最小化來實現(xiàn)利用離心機替代傳統(tǒng)的正位移機的功率效益，石墻效應(yīng)與壓頭的快速減小相關(guān)聯(lián)，壓頭與在工藝的某些步驟期間氣體突然流出或流入容器相關(guān)聯(lián)。盡管已知離心機比傳統(tǒng)的正位移機更高效，但當在這種處于加速和減速狀態(tài)下操作的循環(huán)工藝中使用時未實現(xiàn)功率優(yōu)勢，除非將工藝循環(huán)時間調(diào)節(jié)為大于預(yù)定值，該預(yù)定值基于離心葉輪和其他運動部分的慣性力矩計算。通過將吸附工藝調(diào)整為使用較長的循環(huán)時間，可使石墻效應(yīng)最小化并且更充分地實現(xiàn)離心機的效率。
[0011]換言之并且如下面更加充分地說明，在操作期間機器使用的能量就是對于完成必需的工藝步驟所需的時期段將工藝氣體從吸入壓力壓縮至排出壓力所需的能量加上使壓縮機葉輪(包括轉(zhuǎn)子和其他運動部分)的速度從低操作速度增加至高操作速度所需的能量。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)對于在加速/減速狀態(tài)下操作的給定的離心機，克服慣性力矩所需的能量始終是固定的。因此，將每循環(huán)時間的慣性能量(或慣性功率)相對于總生產(chǎn)率的比率最小化以實現(xiàn)離心機的最佳操作。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，提供一種循環(huán)吸附工藝，其包括一個或多個吸附劑容器，吸附劑容器在循環(huán)中至少經(jīng)過加壓、減壓和吹掃的步驟并且由在加速和減速狀態(tài)下操作的一個或多個變速離心機驅(qū)動，變速離心機適于所采用的步驟、容器尺寸和工藝條件，其改進包括操作該工藝使得循環(huán)時間大于如下比率，該比率為Ainertia與多個離心機中的一個在不存在慣性效應(yīng)時消耗的總功率的0.3倍之間的比率。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，提供一種用于改進利用正位移機——其包含至少經(jīng)過加壓和減壓步驟的一個或多個吸附劑容器一的循環(huán)吸附工藝的功率效率的方法，該方法包括:利用變速離心機取代正位移機；在加速和減速狀態(tài)下操作離心機，該離心機適于所采用的步驟、吸附劑容器尺寸和工藝條件；以及將工藝循環(huán)時間調(diào)節(jié)成大于如下比率，該比率為計算的A inertia與不存在慣性效應(yīng)時的離心機功率消耗的0.3倍之間的比率。
[0014]在本發(fā)明的又一實施方式中，提供一種對于在高壓狀態(tài)和低壓狀態(tài)之間循環(huán)的變壓吸附工藝，并且其中該循環(huán)至少包括加壓和減壓步驟，該工藝包括循環(huán)地操作與至少一個吸附劑容器流體連通的至少一個變速離心壓縮機，以從低操作速度加速至高操作速度來獲得高循環(huán)壓力狀態(tài)并且從高操作速度減速至低操作速度來獲得低循環(huán)壓力狀態(tài)，其中調(diào)節(jié)循環(huán)時間使得離心壓縮機處于石墻效應(yīng)狀態(tài)的時間段不大于在所采用狀態(tài)下的工藝的循環(huán)時間的40%。
[0015]在又一實施方式中，提供一種利用至少一個離心壓縮機用于在變壓吸附或真空變壓吸附工藝中使用的吸附劑容器的加壓和減壓步驟的方法，其中壓縮機適于所采用的具體步驟、吸附劑容器尺寸和工藝條件，該方法包括:
利用變頻驅(qū)動器控制馬達將離心壓縮機從不大于7000 RPM (轉(zhuǎn)數(shù)/分)的低操作速度驅(qū)動到至少大于13000 RPM的高操作速度；
根據(jù)工藝需要循環(huán)地操作壓縮機一時間段以從低操作速度加速至高操作速度并且從高操作速度減速至低操作速度，該時間段不小于如下比率，該比率為Ainertia與不存在慣性效應(yīng)時的離心壓縮機和馬達功率消耗額定值的0.3倍之間的比率；
并且其中壓縮機在石墻效應(yīng)狀態(tài)下不大于在所采用狀態(tài)下的工藝的總循環(huán)時間的
40%。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是示出離心壓縮機特性圖的曲線圖，其利用曲線指出橫跨整個機器對于不同的操作速度和壓力比由離心機所產(chǎn)生的流量。
[0017]圖2是示出壓縮機效率的特性圖的曲線圖，其作為橫跨整個機器的操作速度和壓力比的函數(shù)。
[0018]圖3是使用來自利用離心機的VPSA循環(huán)的數(shù)據(jù)的曲線圖。
【具體實施方式】
[0019]如上所述，本發(fā)明提供用于在循環(huán)吸附工藝中使用離心壓縮機的改進系統(tǒng)和工藝。該系統(tǒng)和工藝利用由變速高速馬達驅(qū)動的離心壓縮機來取代傳統(tǒng)的正位移機并且更具體地為旋葉鼓風(fēng)機/壓縮機，以使功率消耗最小化并且工藝效率最大化。此外，循環(huán)時間的選擇使石墻效應(yīng)的出現(xiàn)最小化，石墻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)是由在這些快速的循環(huán)吸附工藝中使用這種離心壓縮機而導(dǎo)致。
[0020]本發(fā)明涉及循環(huán)流體分離工藝，并且具體地涉及具有其中包含至少一個吸附床(在此為“吸附劑床”或“吸附劑容器”)的至少一個容器的循環(huán)吸附工藝。商用系統(tǒng)的示例包括但不限于PSA和VPSA工藝及系統(tǒng)，其中吸附床用于從較易吸收的組分中分離較不易吸收的組分。
[0021]傳統(tǒng)的循環(huán)吸附系統(tǒng)典型地具有至少一個吸附床，該吸附床通過至少一個正位移供給壓縮機進行循環(huán)地加壓并且間或通過至少一個這種真空壓縮機進行抽空。在本發(fā)明中，使用設(shè)計用于變速操作的一個離心機用于單個吸附劑床的加壓和減壓，并且多個床系統(tǒng)將具有單獨的離心機，一個用于將氣體供給至容器而一個用于抽空容器。當與足夠大的吸附劑容器一起使用時這些機器通過它們減小的操作功率需求來提供改進的工藝效率，足夠大的吸附劑容器致使工藝循環(huán)時間不小于Aimrtia與不存在慣性效應(yīng)時消耗的離心壓縮機功率的0.3倍之間的比率。
[0022]由變速高速馬達驅(qū)動的離心壓縮機是已知的并且已被本受讓人提議用于吸附工藝，如在美國專利N0.7，785，405B2中教示，其在此處以參引的方式全部納入本文。離心壓
縮機-有時也稱為徑向壓縮機-被認為是動態(tài)軸對稱耗功(work-absorbing)型潤輪
機械的子類。這些機器是眾所周知的，盡管它們在循環(huán)吸附工藝中的應(yīng)用僅在最近才提出。離心機典型地以高速操作并且產(chǎn)生高的增壓。術(shù)語“機器”在此用于描述包括壓縮機/鼓風(fēng)機和馬達驅(qū)動系統(tǒng)的操作機器。
[0023]離心壓縮機優(yōu)選地由具有變頻驅(qū)動器的直驅(qū)變速高速永磁馬達驅(qū)動，其允許壓縮機以如當前PSA或VPSA循環(huán)時間——例如小于一分鐘——所需的快速的速率循環(huán)地從低操作速度加速至高操作速度以及從高操作速度減速至低操作速度。這些馬達能夠以大于5000 RPM、優(yōu)選地大于10,000 RPM、并且最優(yōu)選地大于15,000 RPM的速度操作壓縮機。優(yōu)選地，對于VPSA和PSA工藝，低操作速度將不大于7000 RPM而高操作速度將大于13，000RPM。
[0024]如在此處使用，術(shù)語“離心機”意指包括由高速感應(yīng)馬達一還已知為旋轉(zhuǎn)變壓器或異步馬達——驅(qū)動的離心壓縮機。感應(yīng)馬達是交流馬達的類型，其中借助于電磁感應(yīng)將能量供應(yīng)至轉(zhuǎn)子。電動馬達由于施加在固定電磁體(定子)和旋轉(zhuǎn)電磁體(轉(zhuǎn)子)之間的磁力而轉(zhuǎn)動。
[0025]在本發(fā)明工藝中使用的壓縮機可具有單級或多級、可具有不同的葉輪或葉片構(gòu)造、可構(gòu)造成與一個或多個床相關(guān)聯(lián)操作、并且可與其他正位移機結(jié)合使用。然而，每次工作(service)典型地使用一個壓縮機,并且在此處的一個實施方式中在不存在正位移機時使用壓縮機。選擇離心機使得其效率比在相同應(yīng)用中使用的傳統(tǒng)的正位移機的效率至少大10%。
[0026]圖1是圖示了在典型的VPSA氧氣工藝期間離心壓縮機怎樣以不同的操作速度和壓力操作的曲線圖。曲線展示了將導(dǎo)致涌浪效應(yīng)、石墻效應(yīng)以及最佳效率的操作條件。另夕卜，VPSA工藝僅用于說明性的目的。如圖1中所示，線I是涌浪效應(yīng)線，線2是最佳效率線，以及線3是石墻效應(yīng)線。在速度為設(shè)計速度的100%以及橫跨壓縮機的壓力比為1.65時流動系數(shù)(流動系數(shù)是無量綱數(shù)，其可用于計算質(zhì)量流量)為0.3。如果壓縮機保持在設(shè)計速度的100%而橫跨其的壓力比突然降至1.6，那么流動系數(shù)將為0.43，表現(xiàn)出在流量上40%的增加。對于操作速度的每種選擇，在橫跨壓縮機的增壓和壓縮機可產(chǎn)生的流量之間存在固定的關(guān)系。
[0027]在圖1中的線I的左側(cè)是已知為“涌浪效應(yīng)”的狀態(tài)。涌浪效應(yīng)點在此限定為對于橫跨離心壓縮機的給定增壓的最小穩(wěn)定流率。如果流率降低超過該點，那么由壓縮機產(chǎn)生的壓頭降低，從而在壓縮機排出口處導(dǎo)致相反的壓力梯度以及由此導(dǎo)致的氣體的回流。一旦在壓縮機的排放管線中的壓力降至低于由葉輪產(chǎn)生的壓力，則流動再一次反向。已發(fā)現(xiàn)這種交替的流動模式為不穩(wěn)定的狀態(tài)，其可導(dǎo)致對壓縮機葉輪、驅(qū)動機構(gòu)和部件的嚴重的損壞。這種狀態(tài)必須避免。[0028]在線3的右側(cè)是已知為“石墻效應(yīng)”的狀態(tài)。石墻效應(yīng)在此處限定為一種壓縮機無法產(chǎn)生任何壓頭的狀態(tài)，因為通過壓縮機的體積流量對于葉輪旋轉(zhuǎn)的給定速率而言太高。因此，壓力比的進一步減少不會導(dǎo)致額外的流量。盡管該狀態(tài)不會損壞葉輪，但壓縮機的功率效率將會降低。石墻效應(yīng)的出現(xiàn)或石墻效應(yīng)狀態(tài)應(yīng)當最小化，以便確保不會使由更高效的離心壓縮機取代旋轉(zhuǎn)葉型鼓風(fēng)機所產(chǎn)生的功率效益無效。優(yōu)選地，選擇循環(huán)時間使得壓縮機在石墻效應(yīng)狀態(tài)中不大于工藝的總循環(huán)時間的40%，并且優(yōu)選地小于30%。
[0029]當在吸附劑容器內(nèi)的壓力改變時，離心壓縮機的操作速度必須改變。通過使壓縮機保持在其涌浪效應(yīng)狀態(tài)的稍右側(cè)(在圖1上)可實現(xiàn)最大效率。例如并再次參照圖1，示出了在橫跨壓縮機的壓力比為1.4處，壓縮機應(yīng)當以其設(shè)計速度的80%操作。通常，理論上可以控制壓縮機的速度以便在避免涌浪效應(yīng)和石墻效應(yīng)狀態(tài)的同時保持最佳效率。然而，在工藝內(nèi)的時間點期間，當壓力比突然下降時，實際上不可能完全地避免石墻效應(yīng)狀態(tài)。盡管通過向壓縮機馬達增加動力可以突然增加壓縮機速度，但由于葉輪作用于被壓縮的氣體或流體，因此使葉輪降低速度的最好方式是允許其自然地減速。
[0030]在圖1中如線2所示的最佳效率線是在操作速度和壓力比之間的使機器效率最大化的關(guān)系。圖2示出效率怎樣作為壓力比和操作速度的函數(shù)而變化。曲線圖示出對于各個操作速度，當流量系數(shù)約為0.3時，效率處于最大值——接近85%。最佳流量將隨著速度改變。在非常低的操作速度下，最佳流量系數(shù)為0.28，而在非常高的操作速度下，最佳流量系數(shù)為0.32。在圖2的曲線圖上的最佳點直接轉(zhuǎn)換為在圖1中如線2所示的最佳操作線。
[0031]圖3為示出了在用于從空氣中分離氧氣的實際的VPSA工藝的完整循環(huán)期間在吸附劑床內(nèi)的床壓力和由直驅(qū)變速高速永磁馬達驅(qū)動的離心壓縮機的速度的曲線圖。該循環(huán)包括加壓、減壓、均衡、抽空以及吹掃步驟。使用單個離心壓縮機，其在13，500 RPM的操作速度下產(chǎn)生7000 ACFM (實際的每分鐘的立方英尺)的流量。在圖3中的曲線圖包含曲線(由帶有三角形的線表示)，其示出了吸附劑容器壓力怎樣作為時間的函數(shù)改變。另一曲線(由不帶有三角形的線表示)圖示了離心機速度怎樣隨著時間改變，以匹配在吸附劑容器內(nèi)變化的壓力。陰影區(qū)域(由箭頭1、2和3指出)表示壓縮機的慣性能量損耗。第一陰影區(qū)域
(I)是在吸附劑床加壓的時間段期間，而第二陰影區(qū)域(2和3)是在吸附劑床減壓的時間段期間。在循環(huán)的最開始，床剛被吹掃并且其處于非常低的壓力下。壓縮機速度在這點非常高，因為其被用以保持低壓(橫跨壓縮機的高壓力比)?，F(xiàn)在切換在系統(tǒng)內(nèi)的一組閥，使得壓縮機可用以將大氣空氣供給至吸附劑容器。在壓縮機的吸入口處的從真空狀態(tài)向環(huán)境狀態(tài)的壓力的突然變化以及在壓縮機的排出口處的從環(huán)境狀態(tài)向真空狀態(tài)的壓力的變化導(dǎo)致橫跨壓縮機的壓力比的突然減小(例如從2到0.5)。該變化使壓縮機處于石墻效應(yīng)狀態(tài)。隨著空氣流動通過壓縮機，其在速度上減速并且吸附劑床在壓力上逐漸增加。隨著壓縮機在速度上減速，葉輪、馬達轉(zhuǎn)子和軸的慣性能量提供將氣體壓縮到吸附劑容器中所需的能量。石墻效應(yīng)是非常低效率的狀態(tài)，從而導(dǎo)致少量的慣性能量——例如小于在該示例期間使用的壓縮機中的二分之一——被用以壓縮氣體，而其余的能量被浪費。
[0032]一旦壓縮機葉輪充分地減小速度以致使系統(tǒng)脫離石墻效應(yīng)狀態(tài)，將能量供應(yīng)至壓縮機以增大其速度來匹配在吸附劑容器中增大的壓力。當吸附劑容器達到可產(chǎn)生氧氣產(chǎn)品氣體(或，對于其他工藝而言，為較不易吸收的氣體)的壓力時，速度達到工藝中的峰值點。一旦吸附劑容器變得充滿了氮氣(或較易吸收的氣體)，那么隨后將其放氣。在該放氣步驟(2)期間，當離心壓縮機使空氣(或其他供給氣體)從系統(tǒng)的供給側(cè)經(jīng)通風(fēng)口運動時允許離心壓縮機在速度上減速，同時吸附劑容器中的壓力通過其他閥減輕。空氣通風(fēng)至大氣，或在該情況或其他工藝中根據(jù)需要以其他方式獲取。在循環(huán)的該時間段期間，葉輪的慣性能量變化的100%在沒有作任何有用功的情況下?lián)p耗掉。應(yīng)當指出，無論工藝中使用離心壓縮機或傳統(tǒng)的旋葉鼓風(fēng)機都會損耗功，盡管對于離心壓縮機而言損耗更高，這是因為通過離心壓縮機的氣體的流量更高于通過旋葉鼓風(fēng)機的氣體的流量。
[0033]在吸附劑容器達到大氣壓力后，壓縮機用以將吸附劑容器降低至深真空狀態(tài)。當從容器中去除氣體時，壓縮機首先處于石墻效應(yīng)狀態(tài)并且繼續(xù)在速度上減速。一旦壓縮機的速度足夠低并且橫跨其的壓力比足夠高，壓縮機從其石墻效應(yīng)狀態(tài)中脫離出來。此時向壓縮機供應(yīng)動力以進一步抽空吸附劑容器。
[0034]如在圖3的陰影區(qū)域中所示，相當大量的時間花在壓縮機處于石墻效應(yīng)狀態(tài)，并且功率損耗也相當大。估計與圖3中所示的循環(huán)的淺陰影部分(I和3)相對應(yīng)的浪費的功率相當于多達總功率消耗的15%。總系統(tǒng)功率的另外的4.5%在圖3中所示工藝的更暗的陰影部分(2)期間浪費掉?？紤]到在典型的VPSA氧氣工藝中從傳統(tǒng)的正位移類型的機器轉(zhuǎn)換到離心機可節(jié)省多達總功率消耗的30% (85%的效率比65%的效率)，因此有必要將由于壓縮機石墻效應(yīng)而導(dǎo)致的慣性能量損耗最小化來使從離心機獲得的功率效益最大化。
[0035]在此描述的本發(fā)明涉及以如下方式選擇吸附工藝循環(huán)一例如如圖示的VPSA工藝循環(huán)——使得由于壓縮機石墻效應(yīng)導(dǎo)致的慣性能量損耗相對于供應(yīng)至系統(tǒng)的能量的總量很小。這通過增加整個工藝循環(huán)的持續(xù)時間完成，其通過增加與離心壓縮機的尺寸相關(guān)的吸附劑容器的尺寸來實現(xiàn)。這與容器和循環(huán)設(shè)計的當前趨勢相反，容器和循環(huán)設(shè)計最近聚焦于更小的床和更快的循環(huán)。因此已驚訝地發(fā)現(xiàn)，在沒有將這些系統(tǒng)調(diào)節(jié)成具有足夠長的工藝循環(huán)時間的情況下，利用離心壓縮機的循環(huán)吸附系統(tǒng)與利用正位移類型鼓風(fēng)機的當前系統(tǒng)相比并不具有更高的能量效率。
[0036]盡管不想束縛于理論，但這種需求可通過再次參照圖3來解釋。相信該效率上的局限性被示出，其中基于離心葉`輪和馬達轉(zhuǎn)子的構(gòu)造的材料和幾何形狀計算出葉輪和馬達轉(zhuǎn)子的慣性的力矩為0.28 kg*m2。慣性效應(yīng)是抵抗速度改變的計算結(jié)果，其由葉輪和馬達轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)重量(或質(zhì)量)導(dǎo)致。這可由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)機器的設(shè)計和操作說明書計算出。
[0037]如在圖3中可見，在供給的開始，已知葉輪將在速度上從約16，500 RPM減速至約6600 RPM。在該時間期間，壓縮機的慣性能量從420 kj變?yōu)?7 kj，能量的總減少量為353kj。同樣在放氣和抽空開始的期間，已知葉輪將在速度上從約13，500 RPM (參照上文的設(shè)計速度)減速至約5，400 RPM。在該時間段期間，壓縮機的慣性能量從277 kj變?yōu)?4 kJ，總變化為233 kj。如所示，在關(guān)于典型的VPSA循環(huán)的兩個減速時間段期間慣性能量的總變化為586 kj?，F(xiàn)在這已被發(fā)現(xiàn)成為重要的機器設(shè)計參數(shù)，其可計算用于任何選擇的馬達加上離心葉輪(運動部分)以及用于在循環(huán)操作期間的操作的最大和最小速度的知識。在此將該參數(shù)——隨慣性變化——限定為Aimrtia并且表示由于慣性變化導(dǎo)致的在循環(huán)期間損耗的最大可能的能量。一旦選擇了離心壓縮機和馬達，不管整個循環(huán)的持續(xù)時間怎樣，每個循環(huán)的慣性能量(A inertia)就固定并且不變。盡管上面示例展示了對于一個特定系統(tǒng)的△inCTtia的計算結(jié)果，但可使用一般公式來確定對于任何系統(tǒng)的~一這樣的公式在物理的領(lǐng)域中已知并且提供如下:
【權(quán)利要求】
1.一種包括一個或多個吸附劑容器的循環(huán)吸附工藝，所述吸附劑容器在循環(huán)中至少經(jīng)過加壓、減壓和吹掃的步驟并且由在加速和減速狀態(tài)下操作的一個或多個變速離心機驅(qū)動，所述變速離心機適于所采用的步驟、容器尺寸和工藝狀態(tài)，改進包括操作所述工藝使得循環(huán)時間大于如下比率，該比率為Ainertia與多個離心機中的一個在不存在慣性效應(yīng)時將消耗的總功率的0.3倍之間的比率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其中所述工藝為用于氧氣從空氣中的分離的VPSA工藝。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工藝，其中所述工藝循環(huán)時間至少為27秒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其中在所述循環(huán)中所述步驟至少包括加壓、減壓、均衡、抽空以及吹掃。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工藝，其中所述離心機的效率比當在所述工藝中使用時的正位移機的效率至少大10%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其中所述離心機具有直驅(qū)變速高速永磁馬達，所述馬達具有變頻驅(qū)動器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其中所述離心機具有直驅(qū)變速高速感應(yīng)馬達，所述馬達具有變頻驅(qū)動器。
8.一種改進循環(huán)吸附工藝的功率效率的方法，所述循環(huán)吸附工藝使用正位移機并包含至少經(jīng)過加壓和減壓的步驟的一個或多個吸附劑容器，所述方法包括:利用變速離心機取代所述正位移機；在加速和減速的狀態(tài)下操作所述離心機，所述離心機適于所采用的步驟、吸附劑容器尺寸和工藝狀態(tài)；`以及將所述工藝循環(huán)時間調(diào)節(jié)成大于如下比率，所述比率為計算的A inertia與不存在慣性效應(yīng)時的離心機功率消耗的0.3倍之間的比率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述工藝為VPSA或PSA工藝。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述步驟至少包括加壓、減壓、均衡、抽空以及吹掃，并且所述離心機具有的效率比當在所述工藝中使用時的所述正位移機的效率至少大10%。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述工藝循環(huán)時間至少為27秒。
12.一種對于在高壓狀態(tài)和低壓狀態(tài)之間循環(huán)的變壓吸附工藝，并且其中所述循環(huán)至少包括加壓和減壓步驟，所述工藝包括循環(huán)操作與至少一個吸附劑容器流體連通的至少一個變速離心壓縮機以從低操作速度加速至高操作速度來獲得高循環(huán)壓力狀態(tài)并從高操作速度減速至低操作速度來獲得低循環(huán)壓力狀態(tài)，其中調(diào)節(jié)所述循環(huán)時間使得所述離心壓縮機處于石墻效應(yīng)狀態(tài)的時間段不大于在所采用狀態(tài)下的所述工藝的所述循環(huán)時間的40%。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的工藝，其中所述高壓狀態(tài)為高于大氣壓力并且所述低壓狀態(tài)為低于大氣壓力。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的工藝，其中所述高壓狀態(tài)為19psia至24 psia并且所述低壓狀態(tài)為6 psia至8 psia。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的工藝，其中所述工藝為VPSA或PSA工藝。
16.一種快速循環(huán)吸附系統(tǒng)，其具有其中包含至少一個吸附床的至少一個容器，所述吸附床用于在高壓下接收供給氣體，其中當所述供給氣體通過所述床時所述供給氣體中較易吸附的氣體被吸附劑吸附從而在所述供給氣體中產(chǎn)生富含較不易吸附的氣體的產(chǎn)品氣體，并且將所述至少一個容器抽空至低壓其中將吸附的氣體從所述吸附劑中解吸，改進在于其中所述系統(tǒng)由一個或多個變速離心機驅(qū)動，所述變速離心機設(shè)計成根據(jù)權(quán)利要求12所述的工藝操作。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述壓縮機由具有變頻驅(qū)動器的直驅(qū)變速高速永磁馬達驅(qū)動。
18.一種利用至少一個離心壓縮機用于在變壓吸附或真空變壓吸附工藝中使用的吸附劑容器的加壓和減壓步驟的方法，其中所述壓縮機適于所采用的具體步驟、吸附劑容器尺寸和工藝狀態(tài)，所述方法包括: 利用變頻驅(qū)動器來控制所述馬達從而將所述離心壓縮機從不大于7000 RPM的低操作速度驅(qū)動至大于 13000 RPM的高操作速度； 根據(jù)所述工藝所需來循環(huán)地操作所述壓縮機以從所述低操作速度加速至高操作速度加速并從高操作速度減速至地操作速度； 并且其中所述壓縮機處于石墻效應(yīng)狀態(tài)不大于在所采用狀態(tài)下的所述工藝的總循環(huán)時間的40%。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中工藝循環(huán)時間至少為27秒。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述壓縮機在不存在正位移機時使用。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述工藝為用于氧氣從空氣中的分離的VPSA工藝。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述壓縮機處于石墻效應(yīng)狀態(tài)不大于所述總循環(huán)時間的30%。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中操作所述工藝的時間段不小于如下比率，該比率為△ 與不存在慣性效應(yīng)時的所述離心壓縮機和馬達功率消耗額定值的0.3倍之間的比率。
【文檔編號】B01D53/047GK103608085SQ201280031131
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月24日
【發(fā)明者】P.W.貝蘭格, M.S.曼寧, A.C.羅辛斯基 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司