СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА ПОСРЕДСТВОМ VPSA, ПРЕДУСМАТРИВАЮЩИЙ ПРИМЕНЕНИЕ ЧЕТЫРЕХ АДСОРБЕРОВ Российский патент 2019 года по МПК B01D53/47 

Настоящее изобретение относится к способу получения кислорода путем адсорбции из потока атмосферного воздуха, предусматривающему использование установки VPSA-типа, содержащей 4 адсорбера.

Получение кислорода из атмосферного воздуха с помощью установок PSA-типа получило значительное распространение в последние десятилетия. Улучшения относились к адсорбентам, технологии и самому способу.

В отношении адсорбентов в наиболее эффективных установках в пределах одного и того же адсорбера в настоящее время применяют первый слой, предназначенный для задерживания влаги воздуха и по меньшей мере частично диоксида углерода. Как правило, это касается активированного оксида алюминия или легированного активированного оксида алюминия, который способствует адсорбции CO₂. В случае особенно загрязненного воздуха по меньшей мере часть активированного оксида алюминия может быть заменена более устойчивым силикагелем.

Связывание азота предпочтительно осуществляется на цеолите LiLSX-типа, необязательно имеющем предслой цеолита X-типа, предназначенный для связывания остаточного CO₂ и начала адсорбции азота. В последовательных слоях можно применять некоторые типы LiLSX, в большей или меньшей степени замещенные литием, например, и оптимизированные в зависимости от парциального давления азота в подстилающем слое. Предпочтительно адсорбент с высокой поглощающей способностью будет предпочтителен в зоне, насыщенной азотом в конце фазы получения, при этом адсорбент с высокой константой Генри будет предпочтителен в зоне массопереноса, учитывая при этом тепловые эффекты, соответствующие данному выбору.

Диаметры (или эквивалентные диаметры в случае адсорбента в форме стержня), как правило, составляют от 0,5 до 2 мм. Выбранный размер зависит от длительности задействованного цикла и представляет собой компромисс между кинетикой и значениями потери давления.

Предлагаемый в данном документе способ изначально основан на применении упомянутых выше адсорбентов, но не ограничен их применением.

Было сделано много технологических достижений. Они касались клапанов, которые в настоящее время являются более быстродействующими, более надежными, более герметичными в отношении атмосферы и т.п., устройств, воздушных компрессоров и вакуумных насосов, специально адаптированных производителями под эксплуатационные параметры установок для получения кислорода, управления посредством двигателя с регулируемой скоростью, более точной, более эффективной и быстрой контрольно-измерительной системы. Различные типы адсорберов применяют в зависимости от рассматриваемых значений расхода или конкретных экономических условий: цилиндрический адсорбер, имеющий вертикальную ось, иногда применяемый одновременно до образования узла, который может включать, например, до 8 аналогичных установок, предназначенных для получения больших значений производительности (тогда приводится ссылка на группу или кластер), цилиндрический адсорбер, имеющий горизонтальную ось, кольцевой адсорбер. Использовалось несколько систем для фиксирования адсорбента в определенном положении и предотвращения изнашивания из-за трения или псевдоожижения (избыточный вес в виде керамических или стальных шариков, мембрана, баллон, пружина и т.п.). Также к данной сфере можно отнести управление тепловыми эффектами с помощью контроля теплоемкости подстилающих слоев адсорбента посредством добавления инертных материалов, таких как материалы с фазовым переходом (PCM). Данные типы разработок, перечисленные неисчерпывающим образом, можно применять в контексте настоящего изобретения без возможности считать их улучшением того, что приводится в данном документе.

Последним основным направлением, где возможны улучшения, является сам способ. Термин «способ» понимается в данном документе, как означающий как совокупность стадий, которым будет подвергаться адсорбер в ходе его эксплуатации, так и характеристики каждой из данных стадий: длительность, количество перемещенного газа, давление, температура и т.п.

Как правило, термин PSA означает любой способ очистки или разделения газа, в котором применяют циклическое изменение давления, которому подвергается адсорбент, от высокого давления, называемого давлением адсорбции, до низкого давления, называемого давлением регенерации. Таким образом, данное родовое обозначение PSA используется в одинаковой мере для обозначения следующих циклических способов, для которых также обычно приводятся более специфические названия, в зависимости от применяемых уровней давления или времени, необходимого адсорберу для возвращения в свое начальное состояние (продолжительности цикла):

- VSA-способы, в которых адсорбция осуществляется, по сути, при атмосферном давлении, предпочтительно от 0,95 до 1,25 бар абс, а давление десорбции меньше атмосферного давления, как правило, составляет от 50 до 400 мбар абс;

- способы MPSA или VPSA, в которых адсорбция осуществляется при высоком давлении, более высоком по сравнению с атмосферным давлением, составляющим обычно от 1,5 до 6 бар абс, а десорбция осуществляется при низком давлении, более низком по сравнению с атмосферным давлением, составляющим, как правило, от 200 до 600 мбар абс;

- способы PSA, собственно говоря, в которых высокое давление существенно больше атмосферного давления, составляет обычно от 3 до 50 бар абс, а низкое давление, по сути, равно или больше атмосферного давления, составляет, как правило, от 1 до 9 бар абс;

- способы RPSA (быстрый PSA), в которых длительность цикла изменения давления обычно составляет менее минуты;

- способы URPSA (сверхбыстрый PSA), в которых длительность цикла изменения давления составляет величину порядка не более нескольких секунд.

Следует отметить, что данные различные обозначения не стандартизированы, и что в соответствии с авторами предельные значения могут подвергаться изменениям.

В соответствии с предыдущими определениями настоящее изобретение относится как к VSA-способам, так и к VPSA-способам. В настоящее время из-за применяемых значений продолжительности цикла оно также относится к RPSA-способу и, возможно, в будущем - к URPSA-способу. Для упрощения текста, мы далее ограничимся термином VPSA, чтобы охватить область применения настоящего изобретения, как только что было определено.

Вне зависимости от типа PSA адсорбер будет начинать период адсорбции, до тех пор, пока он не загружен компонентом или компонентами, подлежащими связыванию при высоком давлении, и затем будет регенерирован посредством снижения давления и извлечения адсорбированных соединений перед восстановлением, на практике – повторно подвергнут воздействию давления, чтобы снова начать новый период адсорбции. Адсорбер, таким образом, выполнил «цикл изменения давления» и сам принцип PSA-способа заключается в том, чтобы соединить вместе данные циклы один за другим; таким образом, имеет место циклический способ. Время, которое требуется адсорбенту для возвращения в свое исходное состояние, известно как продолжительность цикла. В принципе, каждый адсорбер подвергается одному и тому же циклу с временным сдвигом, который известен как время фазы или, проще говоря, фаза. Таким образом, существует следующее отношение:

время фазы = продолжительность цикла/количество адсорбентов, и видно, что количество фаз равно количеству адсорбентов.

Существуют установки, содержащие только один адсорбер, при этом установки, такие как, например, установки PSA H₂, зачастую содержат от 10 до 16 адсорберов.

Цикл обычно включает следующие периоды.

- Получение или адсорбция, в течение которых подаваемый газ вводят через один из концов адсорбера, при этом преимущественно адсорбируются наиболее адсорбируемые соединения, и газ, обогащенный наименее адсорбируемыми соединениями (полученный газ), извлекают через второй конец. Адсорбцию можно осуществлять при повышающемся давлении, при, по сути, постоянном давлении и даже при слегка понижающемся давлении.

- Снижение давления, в ходе которого адсорбер, в который больше не подают газ, освобождают по меньшей мере через один из его концов от части соединений, содержащихся в адсорбенте и в свободном пространстве. Принимая за основу направление циркуляции текучей среды в период адсорбции, можно определить значение снижения давления в прямоточном режиме, в противоточном режиме или значение снижения давления одновременно в прямоточном и противоточном режимах.

- Элюирование или продувка, в ходе которых газ, обогащенный наименее адсорбируемыми компонентами (продувочный газ), циркулирует через подстилающий слой адсорбента для способствования десорбции наиболее адсорбируемых соединений. Продувку, как правило, осуществляют в противоточном режиме.

- Повторное повышение давления, в ходе которого адсорбер по меньшей мере частично подвергают повторному повышению давления перед тем, как снова начинать период адсорбции. Повторное повышение давления можно осуществлять в противоточном режиме и/или в прямоточном режиме с помощью различных потоков (потоков сырья, продукта, внутренних потоков в установке).

- Простой, в ходе которого адсорбер остается в том же состоянии. Данные отрезки простоя могут формировать неотъемлемую часть цикла, делая возможной синхронизацию стадий между адсорберами, или формировать часть стадии, которая завершилась до установленного времени. Клапаны могут быть закрыты или оставаться в данном состоянии в соответствии с характеристиками цикла.

Снижение давления и повторное повышение давления можно осуществлять различными способами, в частности, если PSA-установка содержит множество адсорберов (или контейнеров). Таким образом, это обеспечивает определение отдельных стадий для более точного описания перемещений газа, которые происходят между адсорберами (или контейнерами) и внешней окружающей средой (отработавшим газом низкого давления, полученным газом, контурами подачи).

Количество адсорберов относительно не зависит от выбранной совокупности стадий, иначе говоря, цикла. Применение нескольких адсорберов делает возможным непосредственное применение потока, выпускаемого из первого адсорбера, во втором адсорбере, если такие стадии выполняются одновременно. Таким образом, это позволяет избежать применения промежуточных контейнеров, чтобы в большей мере воспользоваться преимуществом градиентов давления. Это может также сделать возможной оптимизацию эксплуатации устройств для обеспечения непрерывного получения и т.п.

Как будет видно, по меньшей мере в настоящее время существуют VPSA-установки, содержащие 1, 2, 3 или 4 адсорбера. Также можно одновременно применять 2 или более установок данного типа, необязательно обеспечивая совместное применение некоторых элементов оборудования (соединенных воздушного фильтра, глушителей, контейнеров для продукта и т.п.).

В противоположность многим способам в случае получения кислорода исходный материал, иначе говоря, атмосферный воздух, является бесплатным, а энергопотребление установки является одной из доминирующих статей расходов при получении кислорода. По этой причине малейшая экономия в отношении удельного потребления энергии при неизменных капитальных затратах является выгодной, поскольку она непосредственно и в значительной степени влияет на производственные затраты.

На практике это означает существование большого количества циклов, которые зачастую отличаются лишь по слегка различающемуся управлению входящих или выходящих потоков или по слегка различающейся адаптации количества используемых адсорберов.

Применение все более эффективных программ моделирования в настоящее время делает возможным исследование и сравнение очень большого количества вариантов и постепенное повышение значений расхода, сокращая относительную величину капитальных затрат, делает возможным, при разумных расходах, большее усложнение в управлении потоками.

Таким же образом улучшение кинетики переноса материала или тепла, относящееся либо к прогрессу в отношении адсорбентов (увеличение внутренней кинетики), либо к возможности применения частиц меньшего размера, относящейся к разработкам, относящимся к адсорберам (кольцевой адсорбер, например, монолитный адсорбер и т.п.), делает возможным сокращение длительности циклов и, следовательно, размера адсорберов.

Из-за всех этих причин (бесплатный исходный материал, сниженное влияние капитальных затрат) энергопотребление занимает все более доминирующую позицию.

Исходя из этого, поставленная задача заключается в обеспечении улучшенного способа, характеризующегося энергетически высокоэффективным циклом.

Решение в соответствии с настоящим изобретением представляет собой способ получения кислорода путем адсорбции из потока атмосферного воздуха, предусматривающий использование установки VPSA-типа, содержащей 4 адсорбера, 1 воздушный компрессор и 2 вакуумных насоса, при этом каждый адсорбер подвергается одному и тому же циклу изменения давления со сдвигом времени фазы, включающий следующие стадии:

a) получение первого потока газа, характеризующегося содержанием кислорода C1, при загрузке потока атмосферного воздуха выше по потоку относительно адсорбера,

b) получение второго потока газа, характеризующегося содержанием кислорода C2 < C1,

c) получение третьего потока газа, характеризующегося содержанием кислорода C3 < C2 < C1, при одновременном извлечении потока отходов, обогащенного азотом,

d) элюирование адсорбера, из которого выпустили три потока газа, полученных на стадиях a), b) и c), посредством исключительно второго потока газа, полученного на стадии b), или третьего потока газа, полученного на стадии c),

e) повторное повышение давления в адсорбере, который подвергался элюированию на стадии d), последовательно по меньшей мере с помощью двух потоков, первого и второго потоков, обеспечивающих повторное повышение давления, характеризующихся возрастающим содержанием кислорода, при этом первый поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является третьим потоком газа, полученным на стадии c), и второй поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является вторым потоком газа, полученным на стадии b).

В зависимости от обстоятельств способ в соответствии с настоящим изобретением может демонстрировать одну или несколько из следующих характеристик:

- получение второго потока газа на стадии b) осуществляют посредством снижения давления в прямоточном режиме,

- получение второго потока газа на стадии b) осуществляют в два этапа: первый этап, в ходе которого получение осуществляют посредством снижения давления в прямоточном режиме, и второй этап, в ходе которого получение осуществляют посредством снижения давления в прямоточном режиме совместно со снижением давления в противоточном режиме,

- снижение давления в противоточном режиме осуществляют с помощью клапана,

- стадию e) повторного повышения давления осуществляют последовательно с помощью 3 потоков – первого, второго и третьего потоков, обеспечивающих повторное повышение давления, характеризующихся возрастающим содержанием кислорода, при этом первый поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является третьим потоком газа, полученным на стадии c), второй поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является вторым потоком газа, полученным на стадии b), и третий поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является первым потоком газа, полученным на стадии a),

- на стадии e) повторного повышения давления осуществляют повторное повышение давления с помощью первого потока, обеспечивающего повторное повышение давления, одновременно с введением воздуха в прямоточном режиме со стороны подачи адсорбера по меньшей мере в течение части данной стадии,

- на стадии e) повторного повышения давления осуществляют повторное повышение давления с помощью второго потока, обеспечивающего повторное повышение давления, одновременно с введением воздуха в прямоточном режиме со стороны подачи адсорбера по меньшей мере в течение части данной стадии,

- на стадии e) повторного повышения давления осуществляют повторное повышение давления с помощью третьего потока, обеспечивающего повторное повышение давления, одновременно с введением воздуха в прямоточном режиме со стороны подачи адсорбера по меньшей мере в течение части данной стадии,

- давление в конце стадии a) составляет от 1,75 до 1,25 бар абс., предпочтительно от 1,55 до 1,45 бар абс., давление в конце стадии b) составляет от 1,5 до 1,0 бар абс., предпочтительно от 1,30 до 1,20, давление в конце стадии c) составляет от 1,0 до 0,7 бар абс., предпочтительно от 0,90 до 0,80, и низкое давление в цикле изменения давления составляет от 0,25 до 0,45 бар абс., предпочтительно от 0,40 до 0,30,

- продолжительность цикла указанной установки составляет менее 60 секунд, предпочтительно от 15 до 45 секунд,

- по меньшей мере один вакуумный насос, предпочтительно центробежный вакуумный насос, содержит одну или несколько ступеней, эксплуатируемых одновременно и/или последовательно, выбранных из группы, состоящей из устройств объемного вытеснения кулачкового, лопастного или жидкостно-кольцевого типа, в частности водокольцевого типа,

- с помощью воздушного компрессора С-возд. обеспечивают непрерывную подачу в один из 4 адсорберов,

- первый поток газа, полученный на стадии a), по меньшей мере частично направляют в первый бак для хранения,

- второй поток газа, полученный на стадии b), по меньшей мере частично направляют во второй бак для хранения.

Предлагаемый в данном документе новый цикл соответствует применению 4 адсорберов, каждый из которых будет, таким образом, подвергаться данному циклу с временным сдвигом между ними в размере времени фазы (равному продолжительности цикла, разделенному на 4).

Решение, предлагаемое в данном документе, является более простым, чем решения из предшествующего уровня техники, поскольку оно приводит к получению лишь трех потоков с уменьшающейся чистотой и отличается в отношении применения данных потоков в цикле. Элюирование осуществляют полностью лишь одним потоком, при этом повторное повышение давления осуществляют посредством последовательного применения полученных потоков с возрастающей чистотой.

Предлагаемый цикл в контексте настоящего изобретения, таким образом, характеризуется последовательностями i, i + 1 и i + 2, в ходе которых установка производит 3 последовательных потока с высоким содержанием кислорода и с уменьшающейся чистотой. Стадия i соответствует стадии a) и, таким образом, фактическому получению со средним значением чистоты C1, которое, как правило, соответствует требованиям, запрашиваемым клиентом; допустим, в качестве примера, 93 об. % O₂. В ходе данной стадии в адсорбер подают воздух посредством воздушной компрессорной установки (С-возд.).

Упомянутая стадия i + 1 соответствует стадии b) и, таким образом, получению второго потока с высоким содержанием кислорода, но со средним значением чистоты C2, более низким, чем предыдущее; допустим, в качестве примера, 91 об. % O₂. Данную фракцию можно получить с введением или без введения воздуха и/или без извлечения отходов на другом конце адсорбера. Более конкретно, адсорбер может быть изолирован со стороны подачи воздуха, а фракцию кислорода получают посредством сброса давления в прямоточном режиме, или воздух можно вводить лишь в ходе отрезка данной стадии или на протяжении всей стадии при номинальном или сниженном расходе. Также можно одновременно отводить поток с высоким содержанием азота в ходе всей стадии или только части стадии посредством снижения давления в противоточном режиме. Данные различные возможности представлены двумя пустыми ячейками, как описано ниже, которые характеризуют данную стадию i + 1 (стадия b)) как получение кислорода со средним значением чистоты C2, более низким, чем таковое при получении кислорода на стадии a), C1.

Упомянутая стадия i + 2 соответствует стадии c) и, таким образом, получению третьего потока с высоким содержанием кислорода со средним значением чистоты C3, более низким, чем предыдущее; допустим, 89 об. % O₂. Данный поток получают посредством сброса давления в прямоточном режиме одновременно со сбросом давления в противоточном режиме, что предназначено для одновременного извлечения из адсорбера потока с высоким содержанием азота. В соответствии с уровнем давления данный сброс давления в противоточном режиме можно осуществлять при помощи клапана и/или посредством вакуумного насоса. На практике это, как правило, будет выполняться по меньшей мере в конце стадии вакуумной откачки, и для простоты было принято обозначение [VP], обозначающее данные различные возможности, причем VP обозначает «вакуумную откачку», а наличие квадратных скобок означает, что стадия вакуумной откачки не является обязательной.

Управление в цикле данными различными полученными фракциями кислорода характеризуется совокупностью следующих последовательностей.

Стадия j соответствует стадии простой вакуумной откачки для извлечения азота. Сторона получения на адсорбере изолирована.

Стадия j + 1 соответствует стадии элюирования с откачкой. Газ с высоким содержанием кислорода вводят со стороны получения одновременно с откачкой. Присутствие кислорода способствует десорбции азота.

Стадии j + 2, j + 3 и j + 4 являются стадиями, на которых адсорбер подвергают повторному повышению давления.

Элюирование на стадии j + 1 осуществляют исключительно газом, полученным на стадии b), соответствующей стадии i + 1, которая была определена выше, или исключительно газом, полученным на стадии c), соответствующей стадии i + 2.

Со своей стороны, повторное повышение давления осуществляют посредством последовательных стадий с помощью потоков кислорода с возрастающей чистотой: с помощью первого потока, обеспечивающего повторное повышение давления, который является третьим потоком газа, полученным на стадии c), с помощью второго потока, обеспечивающего повторное повышение давления, который является вторым потоком газа, полученным на стадии b), и необязательно с помощью третьего потока, обеспечивающего повторное повышение давления, который является первым потоком газа, полученным на стадии a). В соответствии с рабочими условиями вклад третьего повторного повышения давления может быть незначительным и без него можно обойтись для простоты. Именно это обозначают в данном документе наличием квадратных скобок: [C1].

Существует несколько путей обобщающего характера для представления циклов установки PSA-типа.

В данном документе будет применяться табличный способ, в котором каждая отдельная стадия указана в одной ячейке. Цикл может быть определен посредством описания всех стадий, которые выполняет адсорбер в ходе цикла. Предпочтительно описания различных фаз, которым одновременно подвергаются различные адсорберы, представлены одно под другим. Если требуется исчерпывающий подход, эксплуатация каждого адсорбера описывается одна под другой. Каждая ячейка определяет стадию посредством сокращенного названия (Получ., Равн., Продув. и т.п.). Такой способ представления является очень компактным и очень практичным. Однако, поскольку входящий или выходящий поток имеет несколько применений, данный способ становится менее наглядным, поскольку становится сложно просто определить соответствующую стадию. Тем не менее, данный способ остается в настоящее время наиболее широко применяемым.

В данном документе применяется промежуточный способ в форме таблицы, где для каждой стадии определены входящий в адсорбер и выходящий из адсорбера потоки. Данный способ уже применялся в немного отличающейся форме. Таким образом, например:

Получ. 1 С-возд.

означает, что адсорбер находится на стадии 1 и что в него в качестве сырья подают поток, выпускаемый из компрессора (С-возд.), при этом данный поток в контексте настоящего изобретения является атмосферным воздухом. Поток, соответствующий получению (Получ.) выпускают с противоположного конца адсорбера.

X X j VP

означает, что стадия j является стадией простого создания вакуума посредством вакуумного насоса, присоединенного к концу для подачи, при этом сторона получения закрыта (X).

Две верхних или нижних ячейки оставляют пустыми, если то, что происходит соответственно на стороне получения или стороне подачи формально не определено или не подлежит определению в данный момент для удовлетворительного понимания цикла, т. е., например, тот факт, что происходит извлечение, введение газа или что конец изолирован, не является характеристикой стадии, о которой идет речь, и что все случаи, в действительности даже их комбинация, например, введение, за которым следует извлечение, возможны.

Ряд циклов, относящихся к настоящему изобретению, может, таким образом, быть охарактеризован посредством следующей таблицы, причем оставленные пустыми столбцы означают, что кроме 8 описанных стадий могут иметь место дополнительные стадии, такие как стадии, соответствующие замене вакуумного насоса, заключительному повторному повышению давления просто с помощью воздуха и т.п.

C1 (Получ.) C2 C3 X C2 или C3 C3 C2 [C1]
[Получ.] X i i + 1 i + 2 j j + 1 j + 2 j + 3 j + 4 С-возд. [VP] VP VP

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления элюирование осуществляют исключительно с помощью второго потока газа, полученного на стадии b) (i + 1).

Характеристические стадии в таком случае являются следующими.

C1 (Получ.) C2 C3 X C2 C3 C2 [C1]
[Получ.] X i i + 1 i + 2 j j + 1 j + 2 j + 3 j + 4 С-возд. [VP] VP VP

Следует отметить, что на данном уровне не делается различия между 2 используемыми вакуумными насосами, поскольку цикл изменения давления не завершен.

В соответствии с одним вариантом осуществления получение второго потока газа с высоким содержанием кислорода в соответствии со стадией b) осуществляют посредством простого снижения давления в прямоточном режиме, соответствующего следующим характеристическим стадиям.

C1 (Получ.) C2 C3 X C2 или C3 C3 C2 [C1] [Получ.] X i i + 1 i + 2 j j + 1 j + 2 j + 3 j + 4 X С-возд. X VP VP VP

В соответствии с другим вариантом осуществления получение второго потока газа с высоким содержанием кислорода в соответствии со стадией b) осуществляют в две подстадии: вначале посредством простого снижения давления в прямоточном режиме, а затем посредством снижения давления также в прямоточном режиме, но одновременно со снижением давления в противоточном режиме, предпочтительно до атмосферного давления через клапан. Последняя технологическая операция соответствует следующим характеристическим подстадиям k-a и k-b, относящимся к получению потока с чистотой Pur2, причем данные подстадии заменяют стадию i + 1 в приведенной выше таблице.

C2 k-a k-b X X ATM

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления начальное повторное повышение давления в адсорбере с помощью третьего потока газа, полученного на стадии c), осуществляют одновременно с введением воздуха в прямоточном режиме со стороны подачи в ходе всей стадии или части данной стадии. Поскольку адсорбер находится под вакуумом, данное введение воздуха можно осуществлять непосредственно из атмосферы посредством клапана. Он может представлять собой клапан, открывающий отверстие лишь полностью, или клапан, степень открытия которого изменяется на протяжении всей стадии. Открывание можно осуществлять лишь в ходе выполнения стадии, принимая во внимание временную задержку или порог давления. Такое открывание представляет собой один из параметров, подлежащих оптимизации. Наиболее эффективное программное обеспечение для моделирования позволяет определить тенденции, подлежащие наблюдению. Регулировка на месте может позволить улучшить характеристики открывания. Поскольку прохождение через вакуумный насос не является обязательным, и поскольку можно снизить данное введение воздуха, в действительности даже свести к нулю, было введено обозначение [ATM] для представления данных эксплуатационных возможностей, следовательно, иллюстративные стадии представляют собой следующие.

C1 (Получ.) C2 C3 X C2 или C3 C3 C2 [C1] [Получ.] X i i + 1 i + 2 j j + 1 j + 2 j + 3 j + 4 X С-возд. X [VP] VP VP [ATM]

В данном варианте сохраняется возможность осуществления элюирования с помощью второго или третьего потока газа с соответствующими значениями чистоты C2 или C3, но предпочтительно элюирование осуществляют посредством второго потока газа, полученного на стадии b).

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления повторное повышение давления в адсорбере с помощью второго потока газа, полученного на стадии b), осуществляют одновременно с введением воздуха в прямоточном режиме со стороны подачи в ходе всей стадии или части данной стадии и предпочтительно на протяжении всей стадии. Поскольку адсорбер находится под вакуумом, основная часть воздуха для повторного повышения давления может захватываться непосредственно из атмосферы посредством клапана. Он может представлять собой клапан, открывающий отверстие лишь полностью, или клапан, степень открытия которого изменяется на протяжении всей стадии. Открывание можно осуществлять лишь в ходе выполнения стадии, принимая во внимание временную задержку или порог давления. Такое открывание представляет собой один из параметров, подлежащих оптимизации. Как указано выше, воздух предпочтительно вводят на протяжении данной стадии, и тогда соответствующее отображение выглядит следующим образом.

C1 (Получ.) C2 C3 X C2 или C3 C3 C2 [C1]
[Получ.] X i i + 1 i + 2 j j + 1 j + 2 j + 3 j + 4 X С-возд. X [VP] VP VP [ATM] ATM

В данном варианте сохраняется возможность осуществления элюирования с помощью второго или третьего потока газа с соответствующими значениями чистоты C2 или C3, но предпочтительно элюирование осуществляют посредством второго потока газа, полученного на стадии b).

В соответствии с вариантом необязательное повторное повышение давления в адсорбере с помощью газа, образовавшегося в процессе получения кислорода, осуществляют одновременно с введением воздуха в прямоточном режиме со стороны подачи. С учетом цикла изменения давления данное необязательное повторное повышение давления происходит при значениях давления близких к атмосферному давлению или в целом выше атмосферного давления. Затем необходимо применять средства сжатия (С-возд.), чтобы ввести атмосферный воздух в адсорбер.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления цикл дополнительно включает заключительное повторное повышение давления в адсорбере исключительно посредством введения воздуха со стороны подачи. Данная стадия затем предшествует стадии a) получения кислорода со значением чистоты C1. Длительность данной стадии определяется временной задержкой или порогом давления. Воздух, как правило, вводят из воздушного компрессора С-возд., поскольку адсорбер находится под давлением выше атмосферного по меньшей мере в конце стадии. Данная стадия проходит после повторного повышения давления на стадии e).

Поскольку каждый адсорбер находится под вакуумом в ходе незначительной части цикла, воздух, который применяют для повторного повышения давления в адсорбере, при данных условиях (до значения давления, которое ниже атмосферного давления) можно полностью или частично вводить без прохождения через средство для сжатия атмосферного воздуха С-возд.. Тем не менее, если в ходе части данного отрезка времени данный компрессор доступен, т. е., если отсутствует другой адсорбер, который использует сжатый воздух, часть воздуха или весь воздух может проходить через него, при этом устройство, таким образом, не потребляет энергии (по сути, даже производит ее).

Основываясь на предыдущих характеристиках, настоящее изобретение, таким образом, относится к способу получения кислорода из атмосферного воздуха с помощью установки VPSA-типа, содержащей 1 воздушный компрессор С-возд., 2 вакуумных насоса VP1 и VP2 и 4 адсорбера, каждый из которых подвергается идентичному циклу с временным сдвигом времени фазы, причем указанный цикл можно проводить в одной из различных указанных ниже форм от Cyc 1 до Cyc 6, все из которых соответствуют принципу настоящего изобретения, которые при этом отличаются лишь наличием или отсутствием повторного повышения давления с помощью кислорода, образующегося в самом процессе получения, после чего следует или не следует рекомпрессия воздухом перед стадией получения, и точкой цикла, где осуществляют замену одного вакуумного насоса (VP1) другим (VP2).

Для всех следующих циклов 3 стадии на фазу были произвольно выбраны ради простоты, но следует отметить, например, что для первого цикла Cyc 1 стадии 5 и 6, с одной стороны, или 8 и 9, с другой стороны, могут быть объединены вместе без каких-либо изменений в эксплуатации VPSA. Первая и четвертая фазы в свою очередь включают 3 отдельных стадии, которые привели к данному выбору. Следует отметить, что начальной точкой описания цикла было получение, но можно было бы выбрать другую стадию для начала, такую как стадия, которая приводится в данном документе как стадия 10, которой соответствует начало повторного повышения давления в адсорбере.

В циклах от Cyc 1 до Cyc 3 вакуумный насос VP2 завершает процесс создания вакуума, начатый насосом VP1 (стадия 7) перед осуществлением элюирования (стадии 8 и 9).

В виду того факта, что вакуумный насос VP1 доступен на протяжении всей фазы, предполагалось, что в следующих циклах снижение давления в противоточном режиме на стадии 4 будут осуществлять посредством вакуумного насоса, даже если давление в адсорбере в такой момент являлось выше атмосферного давления, это осуществляли с целью минимизации потребления энергии. Тем не менее, можно понять, что фракция газа, предназначенного для снижения давления, находящаяся при давлении выше атмосферного давления, или часть данного газа может быть отведена непосредственно без прохождения через вакуумный насос из-за механических причин или для увеличения расхода выпуска.

- Cyc 1

X C1 (Получ.) C2 C3 X X X C2 или C3 C3 C2 C1 (Получ.) X X X X 1 2 (i) 3 (i + 1) 4 (i + 2) 5 (j) 6 (j) 7 (j) 8 (j + 1) 9 (j + 1) 10 (j + 2) 11 (j + 3) 12 (j + 4) X С-возд. С-возд. X VP1 VP1 VP1 VP2 VP2 VP2 [ATM] ATM С-возд.

Цикл включает повторное повышение давления с помощью фракции продукта одновременно с повторным повышением давления с помощью воздуха (стадия 12), после чего следует заключительное повторное повышение давления с помощью воздуха (стадия 1).

- Cyc 2

C1 (Получ.) C1 (Получ.) C2 C3 X X X C2 или C3 C3 C2 X X X X X 1 (i) 2 (i) 3 (i + 1) 4 (i + 2) 5 (j) 6 (j) 7 (j) 8 (j + 1) 9 (j + 1) 10 (j + 2) 11 (j + 3) 12 X С-возд. С-возд. X VP1 VP1 VP1 VP2 VP2 VP2 [ATM] ATM С-возд.

Цикл без повторного повышения давления с помощью кислорода из процесса получения, но с заключительным повторным повышением давления с помощью воздуха (стадия 12) после стадии повторного повышения давления с помощью потока Pur2 (стадия 11). Следующая стадия (стадия 1) представляет собой стадию получения.

- Cyc 3

C1 (Получ.) C1 (Получ.) C2 C3 X X X C2 или C3 C3 C2 C1
(Получ.) X X X 1 (i) 2 (i) 3 (i + 1) 4 (i + 2) 5 (j) 6 (j) 7 (j) 8 (j + 1) 9 (j + 1) 10 (j + 2) 11 (j + 3) 12 (j + 4) X С-возд. С-возд. X VP1 VP1 VP1 VP2 VP2 VP2 [ATM] ATM С-возд.

Цикл с повторным повышением давления с помощью полученного кислорода одновременно с повторным повышением давления с помощью воздуха (стадия 12), после чего следует начало получения (стадия 1).

В циклах от Cyc 4 до Cyc 6 адсорбер помещают под вакуум с применением одного насоса VP1 и элюирование осуществляют исключительно с помощью вакуумного насоса VP2. Между предыдущими циклами и данными циклами соотношение размеров вакуумных насосов преимущественно изменено, причем VP1 в данном случае имеет больший размер, а VP2 имеет меньший размер. Соотношение значений объемного расхода (м³/ч) вакуумных насосов VP1 и VP2, как правило, составляет от 1:1 до 1:2.

- Cyc 4

X C1 (Получ.) C2 C3 X X C2 или C3 C3 C2 C1
(Получ.) X X X 1 2 (i) 3 (i + 1) 4 (i + 2) 5 (j) 6 (j) 7 (j + 1) 8 (j + 1) 9 (j + 1) 10 (j + 2) 11 (j + 3) 12 (j + 4) X С-возд. С-возд. X VP1 VP1 VP1 VP2 VP2 VP2 [ATM] ATM С-возд.

Цикл включает повторное повышение давления с помощью фракции продукта одновременно с повторным повышением давления с помощью воздуха (стадия 12), после чего следует заключительное повторное повышение давления с помощью воздуха (стадия 1).

- Cyc 5

C1 (Получ.) C1 (Получ.) C2 C3 X X C2 или C3 C3 C2 X X X X 1 (i) 2 (i) 3 (i + 1) 4 (i + 2) 5 (j) 6 (j) 7 (j + 1) 8 (j + 1) 9 (j + 1) 10 (j + 2) 11 (j + 3) 12 X С-возд. С-возд. X VP1 VP1 VP1 VP2 VP2 VP2 [ATM] ATM С-возд.

Цикл без повторного повышения давления с помощью кислорода из процесса получения, но с заключительным повторным повышением давления с помощью воздуха (стадия 12) после стадии повторного повышения давления с помощью потока с чистотой C2 (стадия 11). Следующая стадия (стадия 1) представляет собой стадию получения.

- Cyc 6

C1 (Получ.) C1 (Получ.) C2 C3 X X C2 или C3 C3 C2 [C1]
[Получ.] X X 1 (i) 2 (i) 3 (i + 1) 4 (i + 2) 5 (j) 6 (j) 7 (j + 1) 8 (j + 1) 9 (j + 1) 10 (j + 2) 11 (j + 3) 12 (j + 4) X С-возд. С-возд. X VP1 VP1 VP1 VP2 VP2 VP2 [ATM] ATM С-возд.

Цикл с повторным повышением давления с помощью полученного кислорода одновременно с повторным повышением давления с помощью воздуха (стадия 12), после чего следует начало получения (стадия 1).

Следует отметить, что стадии 3 циклов Cyc 1 - Cyc 6 могут быть заменены 2 подстадиями 3-a и 3-b, как объяснялось выше, без изменения фундаментальных характеристик циклов, а именно, получения потоков с чистотой C1, C2 и C3 и их применения в цикле.

C2 3-a 3-b X X ATM

Предпочтительно настоящее изобретение относится к способу получения кислорода из атмосферного воздуха с помощью установки VPSA-типа, содержащей 1 воздушный компрессор (С-возд.), 2 вакуумных насоса (VP1 и VP2) и 4 адсорбера, каждый из которых подвергается идентичному циклу с временным сдвигом времени фазы, причем указанный цикл можно проводить в одной из различных указанных ниже форм от Cyc 7 до Cyc 12, все из которых также соответствуют принципу настоящего изобретения, который включает выбор в отношении предыдущих циклов с применением исключительно потока кислорода с промежуточной чистотой C2 в качестве газа для элюирования. Как и для предыдущих серий действий, в более общем смысле, они отличаются друг от друга лишь, с одной стороны, наличием или отсутствием повторного повышения давления с помощью кислорода, образующегося в результате самого получения, после чего следует или не следует рекомпрессия воздухом перед стадией получения, и, с другой стороны, точкой цикла, где осуществляют замену одного вакуумного насоса (VP1) другим (VP2).

В циклах от Cyc 7 до Cyc 9 вакуумный насос VP2 завершает процесс создания вакуума, начатый насосом VP1 (стадия 7) перед осуществлением элюирования (стадии 8 и 9).

- Cyc 7

X C1 (Получ.) C2 C3 X X X C2 C2 C3 C2 C1
(Получ.) X X X X 1 2 (i) 3 (i + 1) 4 (i + 2) 5 (j) 6 (j) 7 (j) 8 (j + 1) 9 (j + 1) 10 (j + 2) 11 (j + 3) 12 (j + 4) X С-возд. С-возд. X VP1 VP1 VP1 VP2 VP2 VP2 [ATM] ATM С-возд.

Цикл включает повторное повышение давления с помощью фракции продукта одновременно с повторным повышением давления с помощью воздуха (стадия 12), после чего следует заключительное повторное повышение давления с помощью воздуха (стадия 1).

- Cyc 8

C1 (Получ.) C1 (Получ.) C2 C3 X X X C2 C2 C3 C2 X X X X X 1 (i) 2 (i) 3 (i + 1) 4 (i + 2) 5 (j) 6 (j) 7 (j) 8 (j + 1) 9 (j + 1) 10 (j + 2) 11 (j + 3) 12 X С-возд. С-возд. X VP1 VP1 VP1 VP2 VP2 VP2 [ATM] ATM С-возд.

Цикл без повторного повышения давления с помощью кислорода из процесса получения, но с заключительным повторным повышением давления с помощью воздуха (стадия 12) после стадии повторного повышения давления с помощью потока Pur2 (стадия 11). Следующая стадия (стадия 1) представляет собой стадию получения.

- Cyc 9

C1 (Получ.) C1 (Получ.) C2 C3 X X X C2 C2 C3 C2 C1
[Получ.] X X X 1 (i) 2 (i) 3 (i + 1) 4 (i + 2) 5 (j) 6 (j) 7 (j) 8 (j + 1) 9 (j + 1) 10 (j + 2) 11 (j + 3) 12 (j + 4) X С-возд. С-возд. X VP1 VP1 VP1 VP2 VP2 VP2 [ATM] ATM С-возд.

Цикл с повторным повышением давления с помощью полученного кислорода одновременно с повторным повышением давления с помощью воздуха (стадия 12), после чего следует начало получения (стадия 1).

В циклах от Cyc 10 до Cyc 12 адсорбер помещают под вакуум с применением одного насоса VP1 и элюирование осуществляют исключительно с помощью вакуумного насоса VP2. Между предыдущими циклами и данными циклами соотношение размеров вакуумных насосов преимущественно изменено, причем VP1 в данном случае имеет больший размер, а VP2 имеет меньший размер.

- Cyc 10

C1 (Получ.) C1 (Получ.) C2 C3 X X C2 C2 C2 C3 C2 [C1]
[Получ.] X X 1 (i) 2 (i) 3 (i + 1) 4 (i + 2) 5 (j) 6 (j) 7 (j + 1) 8 (j + 1) 9 (j + 1) 10 (j + 2) 11 (j + 3) 12 (j + 4) X С-возд. С-возд. X VP1 VP1 VP1 VP2 VP2 VP2 [ATM] ATM С-возд.

Цикл включает повторное повышение давления с помощью фракции продукта одновременно с повторным повышением давления с помощью воздуха (стадия 12), после чего следует заключительное повторное повышение давления с помощью воздуха (стадия 1).

- Cyc 11

C1 (Получ.) C1 (Получ.) C2 C3 X X C2 C2 C2 C3 C2 X X X X 1 (i) 2 (i) 3 (i + 1) 4 (i + 2) 5 (j) 6 (j) 7 (j + 1) 8 (j + 1) 9 (j + 1) 10 (j + 2) 11 (j + 3) 12 X С-возд. С-возд. X VP1 VP1 VP1 VP2 VP2 VP2 [ATM] ATM С-возд.

Цикл без повторного повышения давления с помощью кислорода из процесса получения, но с заключительным повторным повышением давления с помощью воздуха (стадия 12) после стадии повторного повышения давления с помощью потока с чистотой C2 (стадия 11). Следующая стадия (стадия 1) представляет собой стадию получения.

- Cyc 12

C1 (Получ.) C1 (Получ.) C2 C3 X X C2 C2 C2 C3 C2 [C1] [Получ.] X X 1 (i) 2 (i) 3 (i + 1) 4 (i + 2) 5 (j) 6 (j) 7 (j + 1) 8 (j + 1) 9 (j + 1) 10 (j + 2) 11 (j + 3) 12 (j + 4) X С-возд. С-возд. X VP1 VP1 VP1 VP2 VP2 VP2 [ATM] ATM С-возд.

Цикл с повторным повышением давления с помощью полученного кислорода одновременно с повторным повышением давления с помощью воздуха (стадия 12), после чего следует начало получения (стадия 1).

Следует отметить, что стадии 3 циклов Cyc 7 - Cyc 12 могут быть заменены 2 подстадиями 3-a и 3-b, как объяснялось выше, без изменения фундаментальных характеристик циклов, а именно, получения потоков с чистотой C1, C2 и C3 и их применения в цикле.

C2 3-a 3-b X X ATM

Читателю также напоминают, что рекомпрессия воздухом в ходе стадии 10 всех циклов (Cyc 1 - Cyc 12), обозначенная [ATM], может быть ограничена, может происходить только в ходе выполнения стадии, на протяжении периода времени или при пороге давления, в действительности может быть даже исключена. Выбор может зависеть от внешних условий, в частности от климатических условий, в большей степени, чем от точной оптимизации цикла, для получения лучших уровней эффективности из возможных.

Наличие высокого уровня относительной влажности, связанного с высокой внешней температурой, которую, например, можно встретить в тропическом регионе, например, может привести к тому, что введение воздуха будет замедлено в ходе стадии 10 с целью предотвращения чрезмерно высокого загрязнения адсорбента. Напротив, при низкой относительной влажности или в холодную погоду может быть выгоднее немедленно ввести атмосферный воздух в сочетании с потоком кислорода с третьим значением чистоты. Данные эффекты можно оценивать в зависимости от выбранного размера подстилающего(подстилающих) слоя(слоев), предназначенного(предназначенных) для связывания вторичных примесей. В данном случае это тоже является направлением оптимизации. Таким образом, в стране, в которой обычно довольно холодно и сухо, и при расположении в относительно незагрязненном месте (содержание CO₂ меньше или равно 400 ppm, например) предпочтение будет отдаваться применению цикла Cyc 13, который представляет собой лишь выбор цикла Cyc 8, в котором атмосферный воздух вводят с самого начала стадии 10.

Данный случай соответствует таблице ниже:

C1 (Получ.) C1 (Получ.) C2 C3 X X X C2 C2 C3 C2 X X X X X 1 (i) 2 (i) 3 (i + 1) 4 (i + 2) 5 (j) 6 (j) 7 (j) 8 (j + 1) 9 (j + 1) 10 (j + 2) 11 (j + 3) 12 X С-возд. С-возд. X VP1 VP1 VP1 VP2 VP2 VP2 ATM ATM С-возд.

или ее варианту, на который ссылается Cyc 14, представленному в данном случае подстадиями 3-a и 3-b, но который может быть равнозначно хорошо представлен сохранением лишь 3 стадий для первой фазы: 1 соответствует получению (C1), а 2, 3 относятся к получению C2. Еще раз следует отметить в отношении этого вопроса, что это не является подробным представлением цикла, который может подвергаться модификациям, таким как описано выше, который характеризует настоящее изобретение, а именно представлением получения 3 потоков кислорода с уменьшающимся содержанием O₂ их применения в качестве газа для повторного повышения давления и газа для элюирования.

- Cyc 14

C1 (Получ.) C1 (Получ.) C2 C2 C3 X X X C2 C2 C3 C2 X X X X X 1 (i) 2 (i) 3-a (i + 1) 3-b (i + 1) 4 (i + 2) 5 (j) 6 (j) 7 (j) 8 (j + 1) 9 (j + 1) 10 (j + 2) 11 (j + 3) 12 X С-возд. С-возд. X ATM VP1 VP1 VP1 VP2 VP2 VP2 ATM ATM С-возд.

Следует отметить, что данные циклы можно легко изменять, включительно в процессе эксплуатации, с целью учета климатических вариаций зима/лето путем изменения количества воздуха, вводимого во время начала повторного повышения давления (стадия 10), например, путем сдвига на более ранний срок или отсрочки такого введения.

В более широком смысле можно обеспечить возможность перехода между описанными выше циклами от одного цикла к другому в зависимости от изменения рабочих условий (чистоты продукта, объема продукта, внешней температуры и/или температуры при поступлении в адсорберы). Стоимость энергии в случае сезонных вариаций, например, при необходимости периодического применения цикла с большей мощностью регенерации с целью выполнения эквивалента исключительной регенерации адсорбента, применяемого для задержания вторичных примесей и т.п., может также привести к модификациям в цикле изменения давления, при этом всегда оставаясь в рамках контекста настоящего изобретения. Добавление повторного повышения давления фракции продукта (C1) может быть примером таких кратковременных модификаций.

Также следует отметить, что, оставаясь в рамках одного и того же цикла, к фактическим рабочим условиям можно адаптировать определенное количество параметров, таких как значения количества перемещенного газа, например, количество газа для элюирования, длительность определенных стадий, при этом, очевидно, сохраняя в данном случае идентичные значения времени фаз и ограничения, связанные с одновременностью или длительностью, на которые ранее была сделана ссылка, температура воздуха, поступающего в адсорберы (полагая, что существует средство для нагревания или охлаждения). Различные значения промежуточного давления могут представлять собой, в частности, хорошие параметры регулировки.

Взяв в качестве примера цикл Cyc 13, можно будет добавить, например, дополнительные 2 секунды к стадиям 2, 5, 8 и 11 или, напротив, отнять секунду от этих же самых стадий, если будет выяснено, что одна или другая модификация является выгодной.

2 вакуумных насоса VP1 и VP2 не эксплуатируются по умолчанию в одном и том же диапазоне значений давления. VP1 начинают эксплуатировать со значения атмосферного давления, в действительности, изначально осуществляют подачу даже при немного более высоком давлении порядка 1,1-1,2 бар абс и в адсорбере обеспечивают давление ниже атмосферного до значений давления, как правило, составляющих от 0,45 до 0,65 бар абс, при этом VP2 характеризуется более низким значением давления всасывания, начиная со значений от 0,65 до 0,45 до диапазона от 0,45 до 0,35 бар абс. Таким образом можно будет согласовать выбор устройств с их различными рабочими условиями. В зависимости от этого, разумеется, будут варьироваться их размеры (производительность насоса, выраженная в м³/ч.), а также тип устройства.

Таким образом в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления первый вакуумный насос (VP1), который начинает процесс создания вакуума в адсорбере, содержит одну или несколько ступеней, эксплуатируемых одновременно и/или последовательно, выбранных из группы, состоящей из устройств объемного вытеснения кулачкового (Roots), лопастного или жидкостно-кольцевого типа, в частности водокольцевого типа. Насосы кулачкового (Roots) типа могут быть сухими или с введением воды, в зависимости от того, предпочтительна ли простота или удельное потребление энергии.

Второй вакуумный насос (VP2) содержит одну или несколько ступеней, эксплуатируемых одновременно и/или последовательно, выбранных из группы, состоящей из устройств объемного вытеснения кулачкового (Roots), лопастного, жидкостно-кольцевого типа, в частности водокольцевого, винтового или центробежного типа. Коэффициент сжатия данного устройства варьируется меньше, чем таковой первого устройства, и в таком случае можно с выгодой применять другие типы устройств, которые могут быть более эффективными при данных условиях.

Первый и второй вакуумные насосы могут, таким образом, быть различного типа, как указано выше.

В частности, цикл изменения давления, как правило, является таким, что давление в конце стадии 9 равно давлению в начале стадии 7 плюс или минус 100 миллибар, предпочтительно плюс или минус 50 миллибар.

Более конкретно, цикл изменения давления может быть таким, что давление в адсорбере в ходе стадий 7, 8 и 9, которое соответствует эксплуатационному диапазону VP2, остается в пределах диапазона значений давления, равного P плюс или минус 100 миллибар, предпочтительно равного P плюс или минус 50 миллибар, при этом P представляет собой давление от 0,45 до 0,3 бар абс. Поскольку выходное давление представляет собой атмосферное давление, коэффициент сжатия будет оставаться практически постоянным, составляя примерно от 2 до 3.

Предпочтительно давление в адсорбере в ходе стадий 7, 8 и 9 остается равным 450 мбар абс плюс или минус 100 миллибар, предпочтительно плюс или минус 50 мбар.

В ходе эксплуатации вакуумного насоса VP2, если необходимо, можно регулировать расход газа для элюирования между началом и окончанием стадии либо с целью оптимизации уровней эффективности цикла, либо с целью способствования эксплуатации вакуумного насоса, в частности в случае центробежного устройства.

Если приводится ссылка на какой-либо из циклов Cyc 1 - Cyc 12, можно отметить, что целесообразно вводить определенное число ограничений относительно длительности стадий с целью обеспечения оптимального цикла, т. е. избежать использования необязательных баков для хранения или хотя бы минимизировать их размер и обеспечить непрерывную эксплуатацию устройств. В частности, тот факт, что длительность стадии 4 равна длительности стадии 10, делает возможным начало повторного повышения давления непосредственно с помощью потока с третьим значением чистоты, полученного в ходе стадии 4.

Подобным образом предпочтительно длительность стадии 12 равна длительности стадии 3, что обеспечивает непрерывную эксплуатацию воздушного компрессора С-возд., при этом сумма длительностей стадий 12, 1 и 2 равна одной фазе цикла. Это также объясняет сделанный в данном случае выбор, относящийся ко всей серии предпочтительных циклов (Cyc 1-12), а именно, что поток промежуточной чистоты C2 получают на стадии 3 (или 3-a и 3-b) посредством простого сброса давления в прямоточном режиме и/или посредством простого сброса давления в прямоточном режиме одновременно со снижением давления до атмосферного, таким образом, избегая применения какого-либо устройства в ходе данной стадии.

Для некоторых типов переноса предпочтительным является применение баков для хранения с целью того, чтобы не удлинять цикл введением, например, периодов простоя. Как правило, такие баки могут принимать весь отводимый поток газа и одновременно обеспечивать подачу части последнего, если необходимо, или же могут принимать только избыток, причем часть, использованная одновременно, непосредственно поступает в соответствующий адсорбер. Первое решение делает возможным лучшую гомогенизацию потока, но может привести к некоторому увеличению сети труб. Таким образом, кислород, полученный со вторым значением чистоты (C2), в ходе стадии 3 по меньшей мере частично направляют в первый бак для хранения.

Если получение кислорода при давлении получения не обеспечивает сеть достаточного размера, кислород, составляющий продукт (C1), полученный с первым значением чистоты в ходе стадий 1 и 2, по меньшей мере частично направляют во второй бак для хранения.

Продуктивность (общее получение при необходимой чистоте или расход кислорода, считающегося чистым, на м³ адсорбера, общего адсорбента, адсорбента, предназначенного для разделения O₂/N₂, в соответствии с выбранными определениями) выше, когда время цикла короткое и сохраняются уровни собственной эффективности адсорбента и цикла. Это одинаково касается кинетики массопереноса, значений потери давления (и, таким образом, следовательно, геометрии адсорбера), времени для работы клапанов и т.п. При текущей технологии значения продолжительности цикла, как правило, составляют менее минуты и предпочтительно находятся в диапазоне 15/45 секунд.

Тепловые эффекты, внутренние для установок VPSA, подвергающихся циклам, рекомендованным в соответствии с настоящим изобретением, будут предпочтительно улучшаться посредством применения материалов с легким фазовым переходом и/или адсорбентов, характеризующихся теплоемкостью, улучшенной добавлением инертного материала. В частности, известно, что применение адсорбента с инертной сердцевиной увеличивает теплоемкость частицы, делая цикл более изотермическим, но также увеличивает кинетику массопереноса. Последнюю характеристику можно применять для сокращения длительности стадий или для уменьшения значений потери давления путем применения частиц большего размера изокинетически. В документе FR 2794993 описаны частицы адсорбента данного типа.

Циклы в соответствии с настоящим изобретением также можно применять в сочетании с применением контактных фильтров, в частности контактных фильтров с параллельными каналами, и предпочтительно монолитных контактных фильтров вместо адсорбентов в виде частиц. Представление таких контактных фильтров можно найти, например, в документе FR 2952553.

Клапаны можно, таким образом, заменить распределителями, в частности ротационными системами. При таких условиях значения продолжительности цикла, упомянутые выше, можно, таким образом, разделить на коэффициент от 2 до 10 в качестве порядка величины, и они могут составлять лишь несколько секунд.

Все последние моменты и другие, которые будут приведены в данном документе, такие как применение множественных слоев адсорбента, адсорбент, демонстрирующий сродство к аргону, двигатели с приводом с регулируемой скоростью для устройств, такие как сочетание нескольких идентичных установок и т.п., составляют лишь известные улучшения VPSA-циклов, необязательно применимые в контексте настоящего изобретения и не будут далее обсуждаться в контексте данного документа.

Пример относится к получению минимального расхода 120 тонн в день кислорода, считающегося чистым при чистоте 90 мол. %. Получение должно быть доступно непрерывно и постоянно при давлении 1,35 бар абс. Место расположено близко к уровню моря, и местные условия соответствуют региону с умеренным климатом и нормальной влажностью.

Выбранный цикл представляет собой цикл 7, описанный выше, с высоким давлением, составляющим 1,50 бар абс, и низким давлением, составляющим 0,35 бар абс.

Применяли 4 адсорбера, каждый содержал 10 м³ адсорбента с примерным содержанием LiLSX 85 об. %. Продолжительность цикла составляет 36 секунд, т. е. время фазы составляет 9 секунд. Каждая из отдельных стадий составляет примерно 3 секунды. В ходе стадии 10 атмосферный воздух вводили через некоторое время после кислорода с чистотой C3, при этом давление в адсорбере составляло величину порядка 0,45 бар абс. Поток C1, который составляет продукт, представляет собой, таким образом 90 мол. % O₂, поток C2 состоит из от 88 до 89% O₂, и поток C3 представляет собой около 85% O₂. Подача воздуха характеризуется расходом 20000 м³/ч., первый вакуумный насос VP1 характеризуется расходом также примерно 20000 м³/ч., при этом второй вакуумный насос VP2 характеризуется расходом приблизительно 30000 м³/ч.

Таким образом, обеспечивается получение кислорода, которое немного превышает требуемые 120 тонн в день, что соответствует продуктивности примерно 90 нормальных м³/ч./м³.

Удельное потребление энергии зависит в основном от выбора устройств и, более конкретно, от оптимизации между уровнями эффективности, капитальными затратами и простотой. Оно может упасть немного ниже 0,3 кВт-ч./нормальный м³, если предпочесть уровень эффективности, или достичь примерно 0,34 кВт-ч./нормальный м³ на менее технологичных устройствах.

Применение материала с легким фазовым переходом делает возможным исключение большинства тепловых эффектов и делает возможным прирост продуктивности и экономию удельного энергопотребления, которые могут превысить 10%.

Посредством моделирования было подтверждено, что другие циклы, описанные в данном документе, обеспечивали результаты, близкие к результатам цикла 7, при том, что рабочие условия могут немного отличаться от условий примера для благоприятствования одному или другому циклу.

Это подкрепляет идею о том, что фундаментальный выбор относится, с одной стороны, к получению кислорода при 3 уровнях чистоты, а именно:

- для требуемой чистоты Pur1 93% O₂ второй поток содержит примерно от 91 до 92% O₂, и третий поток содержит от 88 до 91%,

- для требуемой чистоты Pur1 90% O₂, второй поток содержит от примерно 88 до 89% O₂, и третий поток содержит от 85 до 87%,

а, с другой стороны, к применению данных потоков для элюирования и для повторного повышения давления в оптимальном порядке.

Следует отметить, что поток C2 получают исключительно в ходе стадии 3, при этом его применяют в ходе стадий 8, 9 и 11. Из-за длительности стадий, каждая из которых длится порядка 3 секунд, видно, что целесообразно применять бак для хранения для накопления необходимого для стадии 8 и для стадии 11 количества газа, при этом газ, используемый в ходе стадии 9, можно отводить непосредственно. В данном случае действительно имеет место получить одно и то же среднее значение чистоты для потоков, соответствующих стадиям 8, 9 и 11. Может необязательно быть возможным построение подобного цикла с немного отличающейся длительностью стадий, например, более короткой стадией 9, что может привести к небольшому отличию в соотношении между накопленным количеством и количеством, примененным непосредственно. Такое отличие незначительно и введение четвертого потока не оправдано на техническом уровне. Это же также касается и принципа настоящего изобретения, которое охватывает такие незначительные варианты.

Настоящее изобретение относится к способу получения кислорода путем адсорбции из потока атмосферного воздуха, предусматривающему использование установки VSPA-типа, содержащей четыре адсорбера, один воздушный компрессор и два вакуумных насоса, при этом каждый адсорбер подвергается одному циклу изменения давления со сдвигом времени фазы, включающему следующие стадии: a) получение первого потока газа, характеризующегося содержанием кислорода C1, при загрузке потока атмосферного воздуха выше по потоку относительно адсорбера; b) получение второго потока газа, характеризующегося содержанием кислорода C2 < C1; c) получение третьего потока газа, характеризующегося содержанием кислорода C3 < C2 < C1, при одновременном извлечении потока отходов, обогащенного азотом; d) элюирование адсорбера, из которого выпускают три потока газа, полученных на стадиях a), b) и c), посредством исключительно второго потока газа, полученного на стадии b), или третьего потока газа, полученного на стадии c); e) повторное повышение давления в адсорбере, который подвергался элюированию на стадии d), последовательно по меньшей мере с помощью двух потоков, первого и второго потоков, обеспечивающих повторное повышение давления, характеризующихся возрастающим содержанием кислорода, при этом первый поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является третьим потоком газа, полученным на стадии c), и второй поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является вторым потоком газа, полученным на стадии b). 14 з.п. ф-лы.

1. Способ получения кислорода путем адсорбции из потока атмосферного воздуха, предусматривающий использование установки VPSA-типа, содержащей 4 адсорбера, 1 воздушный компрессор и 2 вакуумных насоса, при этом каждый адсорбер подвергается одному и тому же циклу изменения давления со сдвигом времени фазы, включающий следующие стадии:

a) получение первого потока газа, характеризующегося содержанием кислорода C1, при загрузке потока атмосферного воздуха выше по потоку относительно адсорбера,

b) получение второго потока газа, характеризующегося содержанием кислорода C2 < C1,

c) получение третьего потока газа, характеризующегося содержанием кислорода C3 < C2 < C1, при одновременном извлечении потока отходов, обогащенного азотом,

d) элюирование адсорбера, из которого выпустили три потока газа, полученных на стадиях a), b) и c), посредством исключительно второго потока газа, полученного на стадии b), или третьего потока газа, полученного на стадии c),

e) повторное повышение давления в адсорбере, который подвергался элюированию на стадии d), последовательно по меньшей мере с помощью двух потоков, первого и второго потоков, обеспечивающих повторное повышение давления, характеризующихся возрастающим содержанием кислорода, при этом первый поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является третьим потоком газа, полученным на стадии c), и второй поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является вторым потоком газа, полученным на стадии b).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что получение второго потока газа на стадии b) осуществляют посредством снижения давления в прямоточном режиме.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что получение второго потока газа на стадии b) осуществляют в два этапа: первый этап, в ходе которого получение осуществляют посредством снижения давления в прямоточном режиме, и второй этап, в ходе которого получение осуществляют посредством снижения давления в прямоточном режиме совместно со снижением давления в противоточном режиме.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что снижение давления в противоточном режиме осуществляют посредством клапана.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что стадию e) повторного повышения давления осуществляют последовательно с помощью 3 потоков – первого, второго и третьего потоков, обеспечивающих повторное повышение давления, характеризующихся возрастающим содержанием кислорода, при этом первый поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является третьим потоком газа, полученным на стадии c), второй поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является вторым потоком газа, полученным на стадии b), и третий поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является первым потоком газа, полученным на стадии a).

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что на стадии e) повторного повышения давления осуществляют повторное повышение давления с помощью первого потока, обеспечивающего повторное повышение давления, одновременно с введением воздуха в прямоточном режиме со стороны подачи адсорбера по меньшей мере в течение части данной стадии.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что на стадии e) повторного повышения давления осуществляют повторное повышение давления с помощью второго потока, обеспечивающего повторное повышение давления, одновременно с введением воздуха в прямоточном режиме со стороны подачи адсорбера по меньшей мере в течение части данной стадии.

8. Способ по п. 5, отличающийся тем, что на стадии e) повторного повышения давления осуществляют повторное повышение давления с помощью третьего потока, обеспечивающего повторное повышение давления, одновременно с введением воздуха в прямоточном режиме со стороны подачи адсорбера по меньшей мере в течение части данной стадии.

9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что адсорбер подвергают стадии вакуумной откачки после 3 стадий a), b) и c) получения и перед стадией d) элюирования.

10. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что:

- давление в конце стадии a) составляет от 1,75 до 1,25 бар абс., предпочтительно от 1,55 до 1,45 бар абс.,

- давление в конце стадии b) составляет от 1,5 до 1,0 бар абс., предпочтительно от 1,30 до 1,20,

- давление в конце стадии c) составляет от 1,0 до 0,7 бар абс., предпочтительно от 0,90 до 0,80, и

- низкое давление в цикле изменения давления составляет от 0,25 до 0,45 бар абс., предпочтительно от 0,40 до 0,30.

11. Способ по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что продолжительность цикла указанной установки составляет менее 60 секунд, предпочтительно от 15 до 45 секунд.

12. Способ по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что по меньшей мере один вакуумный насос, предпочтительно центробежный вакуумный насос, содержит одну или несколько ступеней, эксплуатируемых одновременно и/или последовательно, выбранных из группы, состоящей из устройств объемного вытеснения кулачкового, лопастного или жидкостно-кольцевого типа, в частности водокольцевого типа.

13. Способ по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что с помощью воздушного компрессора С-возд. обеспечивают непрерывную подачу в один из 4 адсорберов.

14. Способ по любому из пп. 1-13, отличающийся тем, что первый поток газа, полученный на стадии a), по меньшей мере частично направляют в первый бак для хранения.

15. Способ по любому из пп. 1-14, отличающийся тем, что второй поток газа, полученный на стадии b), по меньшей мере частично направляют во второй бак для хранения.