СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ O VSA, В КОТОРОМ СВЕДЕНЫ К МИНИМУМУ ОТКРЫТИЯ И ЗАКРЫТИЯ КЛАПАНОВ Российский патент 2022 года по МПК B01D53/47 B01D53/53 C01B13/02 

Настоящее изобретение относится к способу получения кислорода из потока воздуха с использованием вакуумной короткоцикловой адсорбции (VSA).

Блоки O₂ VSA (вакуумной короткоцикловой адсорбции) представляют собой блоки для отделения газов от воздуха с использованием способа адсорбции при переменном давлении, в котором адсорбция по существу выполняется при атмосферном давлении, называемом «высоким давлением», то есть от 1 бар абс. до 1,5 бар, а десорбция выполняется при давлении ниже атмосферного давления, обычно от 0,3 до 0,5 бар. При получении газообразного кислорода достигается чистота приблизительно от 90 % до 93 %, а диапазон производительности устройств такого типа составляет от 30 т/день до 150 т/день. Эти способы применяются в таких областях как очистка воды, производство стекла, обработка бумажной массы и т.п.

Для достижения давлений цикла часто используют компрессор (или нагнетатель) и вакуумный насос.

Циклы VSA включают по меньшей мере следующие этапы: получение, декомпрессия, продувка, повторное сжатие. В блоках VSA используются селективные цеолиты, что делает возможным получение продукта с чистотой обычно приблизительно 90 % или более.

Блоки работают обычно с общим временем цикла более 30 секунд, и в них используют от одного до трех адсорберов.

Для достижения высокой производительности и низкой удельной энергии, указанная длительность времени цикла подразделяется на некоторое количество подэтапов, обычно более 8. В результате клапаны указанных блоков, обычно относящиеся к типу двустворчатых клапанов, необходимо открывать и закрывать множество раз (несколько миллионов раз в год), при этом чем больше количество циклов, тем короче будут интервалы между техническими обслуживаниями, и тем больше будут эксплуатационные расходы. Кроме того, такое количество циклов может приводить к изменениям в установках указанных клапанов, что наносит ущерб эксплуатационным характеристикам блока или, более критично, может приводить к отказу указанных клапанов, что требует испарения жидкости для обеспечения непрерывности снабжения потребителей, с существенными дополнительными издержками.

На фиг. 2 изображен цикл, содержащий два адсорбера, один буферный объем продукта, нагнетатель, вакуумный насос и включающий 14 подэтапов.

Каждый адсорбер содержит две стороны: первая представляет собой сторону подачи, или нагнетания, и вторая представляет собой сторону получения кислорода.

В то время как в адсорбере 1 выполняются этапы 1-7, в адсорбере 2 выполняются этапы 8-14.

Этап 1 (Получение 1): Нагнетатель снабжает первый адсорбер воздухом, азот селективно адсорбируется, и обогащенный кислородом поток направляется в объем продукта.

Этап 2 (Получение 2): Нагнетатель снабжает первый адсорбер воздухом, азот селективно адсорбируется, и обогащенный кислородом поток направляется в объем продукта. Часть полученного потока кислорода отбирается непосредственно из выпуска первого адсорбера и используется на более позднем этапе (этап 9).

Этап 3 (Выравнивание 1): нагнетатель больше не снабжает первый адсорбер. Поэтому адсорбер закрывается на стороне подачи, и его выпуск соединяется со вторым адсорбером так, что некоторая часть обогащенного кислородом и неадсорбированного газа, содержащегося в адсорбере, повторно используется для повторного заполнения и промывки второго адсорбера (этап 10).

Этап 4 (Сокращенная работа): первый и второй адсорберы закрываются, и машины работают при минимальном перепаде давления. Когда блок работает с номинальной производительностью (фиг. 1), этот этап имеет нулевую длительность.

Этап 5 (Выравнивание 2 + продувка): первый адсорбер присоединяется к вакуумному насосу на стороне подачи, что делает возможной десорбцию некоторой части азота, содержащегося в адсорбенте, и его выпуск соединяется со вторым адсорбером так, что некоторая часть газа, содержащегося в адсорбере в неадсорбированной фазе, повторно используется для повторного заполнения цилиндра 2 (этап 12).

Этап 6 (Продувка 1): первый адсорбер закрывается на стороне получения кислорода, и сторона подачи соединяется с вакуумным насосом, который затем извлекает азот, содержащийся в адсорбенте.

Этап 7 (Продувка 2): первый адсорбер закрывается на стороне получения кислорода, и сторона подачи соединяется с вакуумным насосом, который затем извлекает азот, содержащийся в адсорбенте.

Этап 8 (Продукта 3): второй адсорбер закрывается на стороне получения кислорода, и сторона подачи соединяется с вакуумным насосом, который затем извлекает азот, содержащийся в адсорбенте.

Этап 9 (Промывка): второй адсорбер снабжается на стороне кислорода газом, отобранным из выпуска первого адсорбера во время этапа 2, что делает возможным оттеснение фронта адсорбированного азота. На стороне подачи вакуумный насос извлекает азот, содержащийся в адсорбенте.

Этап 10 (Верхняя балансировка 2 + продувка): второй адсорбер снабжается на стороне кислорода газом, отобранным из выпуска первого адсорбера во время этапа 3, что делает возможной как регенерацию кислорода, который иначе был бы потерян, так и оттеснение фронта азота при соединении стороны подачи с вакуумным насосом, вакуум которого извлекает азот, содержащийся в адсорбенте.

Этап 11 (Сокращенная работа): оба адсорбера закрываются, и машины работают при минимальном перепаде давления. Когда блок работает с номинальной производительностью, этот этап имеет нулевую длительность.

Этап 12 (Верхняя балансировка 1): второй адсорбер закрывается на стороне подачи. Он повторно заполняется через сторону кислорода газом, содержащимся в первом адсорбере и поступающим из этапа 5, что делает возможной как регенерацию кислорода, который иначе был бы потерян, так и оттеснение фронта азота.

Этап 13 (O₂ + воздух повторного сжатия): нагнетатель используется для повторного заполнения второго адсорбера через сторону подачи, и одновременно кислород отбирается из буферного резервуара продукта для повторного заполнения адсорбера сверху, что позволяет оттеснить фронт азота.

Этап 14 (Заключительное повторное сжатие): нагнетатель используется для повторного заполнения второго адсорбера через сторону подачи. Адсорбер закрывается на стороне кислорода.

Следует отметить, что для трех последовательных подэтапов балансировочный клапан KV105 остается открытым до степеней открытия, которые могут являться переменными.

При падении потребительского спроса на O₂ получение необходимо отрегулировать.

Первый уровень регулировки заключается в уменьшении степени открытия выпускного клапана, что имеет результатом увеличение чистоты кислорода. Рентабельность блока таким образом снижается. Кроме того, выше определенного уровня чистота может резко ухудшаться вследствие явления обогащения аргоном. По этим двум причинам данное решение ограничено умеренными сокращениями производительности.

В качестве альтернативы, если можно уменьшить количество подаваемого и продувочного газа, производительность можно регулировать путем изменения времени цикла. В O₂ VSA работа этого типа делается возможной, например, за счет установки на подающие и насосные машины приводов с переменной скоростью.

Тем не менее, в большинстве случаев, по причинам, связанным с издержками, установки O₂ VSA не оборудованы системами для регулировки максимальной производительности машин. В результате производительность за один цикл является фиксированной, и для уменьшения производительности необходимо уменьшать количество циклов в единицу времени. Это достигается путем изоляции адсорберов в четко определенный момент цикла (обычно в момент переключения вакуумного насоса с одного адсорбера на другой) и путем запуска компрессора и вакуумного насоса с минимальным перепадом давления (например, путем вдувания газа, доставляемого машинами, в их сторону впуска) с целью сведения к минимуму их энергопотребления. Данный этап приостановки цикла известен как «время задержки» и связан с приведением в действие режима «Сокращенная работа» (RR).

Данный режим запускается не сразу после снижения спроса на кислород, но тогда, когда процентное падение превышает определенный уровень, и, таким образом, становится возможным получение некоторой длительности ожидания, совместимой с временами открытия/закрытия клапанов.

Традиционно режим RR приводится в действие в конце подэтапа 3, что в наибольшей возможной мере сводит к минимуму работу воздушных и вакуумных клапанов. В противоположность этому, балансировочный клапан необходимо закрывать в конце указанного подэтапа 3, а затем повторно открывать его в конце ожидания (этапа RR).

На фиг. 2 изображен традиционный цикл O₂ VSA, в котором режим RR (время задержки) приводится в действие в конце подэтапа 3. В конце подэтапа 3 балансировочный клапан KV105 необходимо закрыть, а затем повторно открыть его в конце ожидания.

Исходя из этого, одной из возникающих проблем является создание усовершенствованного способа получения кислорода с использованием O₂ VSA, в котором сводятся к минимуму открытия и закрытия клапанов.

Одно решение согласно настоящему изобретению представляет собой способ получения кислорода из воздуха с использованием вакуумной короткоцикловой адсорбции (VSA) при помощи блока, содержащего по меньшей мере два адсорбера, каждый из которых с некоторым смещением следует циклу изменения давления, включающему этапы получения, декомпрессии, продувки и повторного сжатия, при этом этап декомпрессии включает по меньшей мере прямоточный первый подэтап декомпрессии для частичной балансировки давления с другим адсорбером, выполняющим противоточное повторное сжатие, при помощи балансировочного клапана, и, по меньшей мере для одно цикла из трех, подэтап ожидания, следующий за первым подэтапом декомпрессии, при этом:

- для циклов, не содержащих подэтап ожидания, давление в конце первого подэтапа декомпрессии составляет Х бар,

- для циклов, содержащих подэтап ожидания, давление в конце первого подэтапа ожидания составляет Х бар, и открытие балансировочного клапана одинаково во время первого подэтапа декомпрессии и подэтапа ожидания.

Под «временем задержки» подразумевается длительность времени, в течение которого оба адсорбера закрыты. Для сведения к минимуму энергопотребления других машин установки в течение указанной длительности времени, эти машины обычно запускаются в режиме рециркуляции (в котором впуск и подача машин размещены в сообщении друг с другом) или сброса впускаемого воздуха в атмосферу.

На фиг. 3 изображен цикл O₂ VSA согласно настоящему изобретению.

Открытие балансировочного клапана уменьшается при приведении в действие режима RR (подэтапа ожидания) так, что конечное давление в конце ожидания является таким же, как в конце подэтапа 3 в нормальном режиме работы, а именно в случае цикла, в котором балансировочный клапан закрыт во время подэтапа ожидания (см. фиг. 2). В результате балансировочный клапан повторно не закрывается между подэтапами балансировки, что делает блок более надежным и ограничивает перепады в производительности или трудности с установками цикла, связанные с временами открытия клапанов, имеющими длительности, сравнимые с таковой для указанных этапов. Разумеется, реализация данного решения влечет за собой соответствующую стратегию управления для управления открытием балансировочного клапана, а именно подчинения открытия балансировочного клапана для его приведения в зависимость от производительности блока.

Зеркально отображая то, что происходит во время этапов 3 и 4, давление в конце этапа 11 ожидания при приведении в действие режима RR будет таким же, как давление в конце этапа 10 для циклов, не содержащих этап ожидания.

Приведение в действие режима RR включает добавление ожидания в каждый цикл и, по причинам, связанным с минимальной длительностью ожидания, приведение в действие режима RR происходит только при достаточном сокращении получения O₂ (до этого изменение производительности просто ведет к увеличению чистоты О₂). С целью запуска режима RR для меньших сокращений производительности добавление ожидания выполняется не для каждого цикла, а для 1 цикла из каждых N циклов (N=1-5). Введение этого решения, связанного с ранее предложенной идеей, значительно уменьшает недостатки, связанные с режимом RR.

В зависимости от случая, способ в соответствии с настоящим изобретением может иметь один или несколько из приведенных ниже признаков:

- во время циклов, не содержащих подэтап ожидания, скорость декомпрессии находится в пределах 300-100 мбар/с,

- во время циклов, содержащих подэтап ожидания, скорость декомпрессии находится в пределах 150-5 мбар/с,

- этап декомпрессии включает подэтап ожидания для по меньшей мере одного из двух циклов,

- два адсорбера следуют циклу изменения давления со смешением на половину времени цикла,

- балансировочный клапан, используемый во время первого подэтапа декомпрессии и подэтапа ожидания, представляет собой клапан, относящийся к типу двустворчатых клапанов или проходных клапанов,

- открытие балансировочного клапана регулируется в соответствии с требуемой производительностью по кислороду и, таким образом, в соответствии с обеспечением длительности ожидания.

На фиг. 4 схематически изображена установка V(P)SA, к которой применимо настоящее изобретение.

В изображенном примере указанная установка по существу содержит два адсорбера 1А и 1В, компрессор, или нагнетатель 2, вакуумный насос 3 и набор труб и клапанов, а также подходящие для реализации описываемого ниже цикла средства управления и регулирования, которые не изображены. Компрессор и насос представляют собой объемные гидравлические машины, относящиеся к типу машин Рутса, и они постоянно вращаются с постоянной скоростью.

На фиг. 4 схематически показаны:

- труба 4 подачи атмосферного воздуха, которая начинается на стороне доставки компрессора 2 и разделяется на две ветви 4А, 4В, оборудованные соответствующими питательными клапанами 5А, 5В и соединенные, соответственно, с нижними впусками 6А, 6В адсорберов;

- труба 7 продувки/промывки, которая разделяется на две ветви 7А, 7В, оборудованные продувочными/промывочными клапанами 8А, 8В и начинающиеся, соответственно, на впусках 6А, 6В адсорберов;

- труба 9 продукта, которая разделяется на две ветви 9А, 9В, оборудованные выпускными клапанами 10А, 10В и начинающиеся, соответственно, на верхних выпусках 11А, 11В адсорберов. В трубе 9 установлен буферный объем 12; и

- балансировочная/промывочная труба 13, которая непосредственно соединяет друг с другом выпуски 11А и 11В и является оборудованной балансировочным/промывочным клапаном 14.

Впускная сторона компрессора 2 и сторона подачи вакуумного насоса 3 находятся в постоянном сообщении с окружающей атмосферой. Адсорберы 1А, 1В содержат по меньшей мере по одному слою адсорбента, рассчитанного на селективную адсорбцию азота из воздуха и в данном примере представляющего собой молекулярные сита, относящиеся к типу CaA, или литийзамещенный цеолит. В дополнение, от труб 4 и 7 непосредственно ниже по потоку относительно компрессора 2 и непосредственно выше по потоку относительно насоса 3 отведены, соответственно, перепускные трубопроводы 15 и 16, оборудованные соответствующими клапанами 17, 18. Указанные перепускные трубопроводы, используемые, в особенности, во время этапа ожидания, соответствующего режиму сокращенной работы, открыты в окружающую атмосферу.

Настоящее изобретение состоит в ограничении открытий/закрытий балансировочного клапана при приведении в действие режима сокращенной работы (ожидания) O₂ VSA. За пределами определенного процентного сокращения производительности количество циклов в единицу времени уменьшается с использованием этапа, называемого этапом ожидания, на котором машины находятся в режиме рециркуляции и поэтому отсоединены от адсорберов. В некоторых циклах приведение в действие указанного ожидания предполагает открытие/закрытие балансировочного клапана в промежутке времени, который может быть очень кратким, что приводит к усталости этого клапана и трудностям в управлении выполнением способа. Таким образом, решение согласно настоящему изобретению делает возможным повышение надежности блоков или снижение издержек, или частоты их технического обслуживания за счет предотвращения полного закрытия, а затем открытия указанного клапана.

Изобретение может быть использовано при получении кислорода из потока воздуха. Предложен способ получения кислорода с использованием вакуумной короткоцикловой адсорбции (VSA) при помощи блока, содержащего по меньшей мере два адсорбера, каждый из которых следует с некоторым смещением относительно другого циклу изменения давления, включающему этапы получения, декомпрессии, продувки и повторного сжатия. Этап декомпрессии включает по меньшей мере прямоточный первый подэтап декомпрессии для частичного выравнивания давления с другим адсорбером, выполняющим противоточное повторное сжатие, с использованием балансировочного клапана и, по меньшей мере для одного цикла из трех, подэтап ожидания, следующий за первым подэтапом декомпрессии. Для циклов, не содержащих подэтап ожидания, давление в конце первого подэтапа декомпрессии составляет Х бар. Для циклов, содержащих подэтап ожидания, давление в конце подэтапа ожидания составляет Х бар. Открытие балансировочного клапана одинаково во время первого подэтапа декомпрессии и подэтапа ожидания. Изобретение позволяет уменьшить количество открываний и закрываний клапанов и повысить надежность производственной установки. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ получения кислорода из воздуха с использованием вакуумной короткоцикловой адсорбции (VSA) при помощи блока, содержащего по меньшей мере два адсорбера, каждый из которых с некоторым смещением следует циклу изменения давления, включающему этапы получения, декомпрессии, продувки и повторного сжатия, при этом этап декомпрессии включает по меньшей мере прямоточный первый подэтап декомпрессии для частичной балансировки давления с другим адсорбером, выполняющим противоточное повторное сжатие, при помощи балансировочного клапана и, по меньшей мере для одного цикла из трех, подэтап ожидания, следующий за первым подэтапом декомпрессии, при этом

- для циклов, не содержащих подэтап ожидания, давление в конце первого подэтапа декомпрессии составляет Х бар,

- для циклов, содержащих подэтап ожидания, давление в конце подэтапа ожидания составляет Х бар и открытие балансировочного клапана одинаково во время первого подэтапа декомпрессии и подэтапа ожидания.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время циклов, не содержащих подэтап ожидания, скорость декомпрессии находится в пределах 300-100 мбар/с.

3. Способ по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что во время циклов, содержащих подэтап ожидания, скорость декомпрессии находится в пределах 150-5 мбар/с.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что этап декомпрессии включает подэтап ожидания для по меньшей мере одного цикла из двух.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что два адсорбера следуют циклу изменения давления со смещением на половину времени цикла.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что балансировочный клапан, используемый во время первого подэтапа декомпрессии и подэтапа ожидания, представляет собой клапан, относящийся к типу двустворчатых клапанов или проходных клапанов.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что открытие балансировочного клапана регулируют в соответствии с требуемой производительностью по кислороду.