具有旋转分配器和用于调节流量的装置的吸附净化单元

摘要

本发明提供了一种变压吸附净化单元（PSA单元），包括：N个吸附器，具有N个进口和N个出口，其中N≥2；至少一个第一旋转分配器，其藉由N个第一连接件连接至所述N个吸附器的N个进口；至少一个第二旋转分配器，其藉由N个第二连接件连接至所述N个吸附器的N个出口；所述N个第一连接件和/或N个第二连接件中的每一者均包括用于调节流量的装置；所述第一旋转分配器和所述第二旋转分配器安装在同一轴上。

说明书

本发明涉及一种变压吸附净化单元（PSA单元），尤其涉及在具有短 持续时间的循环中使用的PSA单元。

循环时间（Tc）指的是吸附器经历完全吸附和再生循环并回到其初始 状态所花费的时间。应注意的是，对于包括以不一致的方式工作的N个吸 附器的PSA单元而言，阶段时间Tph大致上由Tc/N来限定。一阶段时间 可以包括一个或多个步骤（例如，2个连续的压力平衡），或者反过来一 个步骤可以对应若干阶段时间（例如，吸附步骤可以延续3个阶段时间）。

第一趋势是减少PSA的循环时间，以“使吸附剂更快工作”和因而减 小吸附器的尺寸，并且以此来减少投资。这种类型的单元习惯上被称为 RPSA（快速PSA）。为了限制负载损失、改善动力学和防止颗粒的进入 运动，应优选地使用接触器，即，含有结构化吸附剂（例如，作为薄层沉 积在随后被辗轧的支承体上的吸附剂）的吸附器。

另一趋势是使用更复杂的PSA循环，例如采用若干压力平衡，使得若 干吸附器同时处于生产和/或洗脱中。这种情况的目的通常是提高分离单元 的性能，例如，提高产物的提取效率或降低能量消耗。

在这两种情况中，使用常规的阀——其能够以正确的量将多种流朝向 正确的吸附器引导——变得困难，甚至成为问题。

对于最复杂的循环，可能需要大约数百个阀，这导致与可靠性和维护 性相关的明显问题。

对于最快的循环，所需的操纵时间（不到一秒）使得仅很少的特定阀 仍可以部分地响应于这些限制。

已知由于这些原因，良好的解决方法可在于使用多通道旋转分配器。 旋转分配器意味着能够借助静子上的固定孔和转子上的非固定孔来连续地 使线路/回路接通的系统。所述固定孔通常连接至吸附器的一端。在这种情 况下，转子与供应气体和残余气体线路有关。优选使用第二分配器，该第 二分配器的静子将连接至所述吸附器的第二端，该第二分配器的转子将连 接至产物线路。

图1示意性示出具有6个吸附器和包含2个旋转分配器的RPSA。

旋转分配器7使得能够连续地向6个吸附器1、2、3、4、5和6供应 待被净化的气体70。

所述旋转分配器还允许含有杂质的残余气体72的流动。

以相同的方式，旋转分配器8使得能够通过将吸附器置于相关联的不 同压力下来移出产物71、执行平衡步骤和供应洗脱气体的步骤。

流体一方面借助各连接件10到60、另一方面借助各连接件11到61 在吸附器和旋转分配器之间流动。

图2示出用于打开和关闭线路的原理。

将所述开口相继地设置成面向彼此限定出用于气态流体的多条流动路 径。

转子1的开口（此处在一平面中示出）在藉由连接件连接至相应的吸 附器的静子的孔的前方经过。

如果假设在被净化气体侧上具有旋转分配器，则只要静子的孔10和转 子的孔至少部分地叠覆，吸附器10的产物就经这两个孔被排出。

吸附器20和50藉由孔20、b、转子的连接两个孔e和50的线路处于 压力平衡。

吸附器30藉由30、c、cd、d和40将洗脱气体供应至吸附器40。

所述旋转分配器能以不连续的方式（逐步地）或者连续地旋转。优选 地，所述旋转是连续的。

因为所述开口（所述转子和静子中的开口）尺寸固定。所以分配器自 身不提供常规阀类型的用于调整的装置，通过该常规阀（针阀、蝶形阀等）， 开口可以被调节。

然而，在PSA循环中，经常要求调节内部流量，例如在循环时间不是 其额定值的情况下（减小的流量、产物纯度变化等）。许多专利包含调节 PSA的步骤，尤其是根据所述步骤的持续时间。

唯一易于干预的参数是旋转速度，其能够改变线路的打开时间。

单纯的速度变化不能够最佳地保持大多数PSA循环，如将在下面描述 的。

为了解释这点，本发明以一简单循环为例，该循环具有处于吸附压力 Pads的生产步骤（a），吸附器之间的藉由它们的“产品”端的压力平衡 阶段（b），生产洗脱气体的阶段（c），通过逆流流动最终减压至低循环 压力Preg的阶段（d），洗脱阶段（e），与步骤（b）相应的压力平衡阶 段（f），以及最后地使用产品的最终再压步骤（g）。

相应的压力循环在图3中示出。

在这个循环中希望将平衡步骤（f）和最终再压步骤（g）包含在同一 阶段内，平衡步骤（f）的持续时间例如等于一个阶段的一半。因为这是同 时的，所以在减压侧上的相应的平衡步骤（b）也等于阶段时间除以2。因 此，剩余的阶段时间对应于空闲时间I（Idle）。

生产洗脱气体的阶段（c）和最终减压的阶段之间的截断压力Pint对 于获得最佳的PSA性能是非常重要的。

过大的压力造成洗脱气体的减少，使得洗脱气体不足以使吸附剂适当 地再生，相反，不足够的压力对应于通过产物端提取过量的气体，使得杂 质被过远地驱向所述产物端。

利用安装在同一轴上、以其100%速度旋转的2个旋转分配器执行所 述循环。

计算和可能地调节静子和转子的孔，以获得如图3所示的压力循环。

现在假设出于某种原因而需要以减小的流量、假设以50%的流量操 作。

为了处理相同量的气体（和阻止相同量的杂质），必须以两倍的时间 输送供应流量的50%。

所述分配器的旋转速度因此将被减小为接近50%。

由此获得了图4的压力循环。

在不对气体线路进行限制的情况下，吸附器之间的平衡将以与之前的 时间相同的时间发生。在其余时间中，所述吸附器处于相同压力下，不再 发生任何过程。获得了充足的空闲时间I’，这里等于3I。对于大多数PSA 循环（PSA H₂、PSA CO₂等），这不是问题。

然而，以双倍持续时间，生产洗脱气体的步骤（c’）将持续超过最佳 压力Pint，从而导致如上所述的吸附器中的杂质增加。最终减压步骤（d’） 将因此被限制并甚至在计划持续时间的一半之前完成。由于比正常情况具 有更多杂质，将需要通过过量的气体来执行洗脱步骤。随后的平衡步骤（f’） 将以100%流量迅速地发生，这不会引起任何特殊问题。最终再压缩步骤 将在近似于与正常循环相同的时间内发生。所采用的流量应与100%的情 况一致，但这里所采用的流量为流量的一半。在大多数情况中，这引起吸 附压力的下跌，结果是产物流量非常不规则，或甚至被暂时中断，如图（a’） 所示。

另一方面，所述生产步骤中间的压降对于PSA的性能是不利的，因为 其造成杂质的部分解吸。

为克服这些缺点所采用的解决方法在于利用特殊的循环、增加容量等。 这使所述单元和分配器复杂，还必须使吸附器和这些容量循环地关联。

气体可从分配器被“移除”，安装用于调节的部件，使气体被放回所 述分配器。这大大增加了旋转分配器的复杂性。图5示意性示出可涉及的 变型的类型。为了使吸附器20和50关联，替代采用路径20、e、b-e、e 和50，运输件e-j被用至出口j的顶部，藉由孔70离开，经过包括用于调 节流量的装置的外侧线路75，藉由静子的孔80返回，在经过静子的孔50 返回以到达吸附器50之前经过顶部k并藉由运输件b-k返回到转子的孔b。 增加了所述分配器的尺寸、摩擦面的尺寸、使用的密封件的数量等。

EP1340531通过使旋转分配器复杂、即包括结合的用于调节的装置 来解决这个问题。

这种增加的复杂性使得分配器可靠性降低和更难执行。

因此，所形成的一个问题是提供改进的吸附净化单元，使得可以进行 内部流量调节，而仍保留标准的旋转分配器。

本发明的解决方案是提供一种变压吸附净化单元（PSA单元），包括：

-N个吸附器，包括N个进口和N个出口，其中N≥2；

-至少一个旋转分配器，其藉由N个连接件连接至所述N个吸附器的 N个进口或N个出口；以及

所述变压吸附净化单元的特征在于，这N个连接件中的每一个均包括 用于调节流量的装置。

应注意到PSA或RPSA表示这样的吸附循环，即执行在高压下可最易 吸附的气体的吸附阶段和主要藉由压力的降低而发生的再生。再生压力可 以低于、高于或近似于大气压力。术语“PSA”因此覆盖了能被称为PSA、 VSA、PVSA或MPSA的单元。

根据一替代方案，根据本发明的净化单元可以包括藉由N个第一连接 件连接至所述N个吸附器的N个进口的第一旋转分配器，以及藉由N个 第二连接件连接至所述N个吸附器的N个出口的第二旋转分配器；N个 第一连接件和/或N个第二连接件中的每一者包括用于调节流量的装置。

所述第一旋转分配器和所述第二旋转分配器更优选地安装在同一轴 上。实际上，由于两个分配器以同步方式操作，所以通常将它们安装在由 单一马达驱动的单一轴上。

根据所述情况，根据本发明的净化单元可以包括一个或多个下述特征：

-至少一个旋转分配器是连续旋转或非连续旋转的分配器；如果使用2 个旋转分配器（所述第一旋转分配器和所述第二旋转分配器），则各旋转 分配器优选地是连续旋转或非连续旋转的分配器；

-至少一个旋转分配器具有可变的速度；如果使用2个旋转分配器（所 述第一旋转分配器和所述第二旋转分配器），则各旋转分配器优选地具有 可变的速度；

-所述单元包括2-30个吸附器，优选地包括6-20个吸附器。

-用于调节流量的装置从气动阀、液压阀或电动阀中选择。

-所述净化单元从PSA H₂、PSA或VSA CO₂、PSA or VSA O₂和PSA N₂中选择。

本发明还涉及使用根据本发明的净化单元的吸附净化方法，其中各吸 附器遵循少于60秒、优选地少于20秒且更优选地少于10秒的压力循环。

根据这种情况，根据本发明的方法可以具有一个或多个下述特征：

-各用于调节流量的装置每循环被操作至多2次；

-各用于调节流量的装置根据所述旋转分配器的旋转速度被操作；

-所述压力循环包括吸附步骤、吸附器之间的压力平衡步骤、供应洗 脱气体的步骤，最终减压步骤，洗脱步骤和重新加压步骤；其中供应洗脱 气体的步骤、洗脱步骤和重新加压步骤具有藉由用于调节流量的装置所调 节的流量变化（é change）；

-各用于调节流量的装置在来自旋转分配器或者由所述旋转分配器接 收的流的流量减小超过30%时被操作。

下面将更详细地描述本发明。

针对大多数循环开始描述，为了重新建立最佳循环，需要在有限数目 的步骤（通常仅2个步骤，即，供应洗脱气体的步骤和重新加压的步骤） 期间限制流量，虽然所述循环、尤其是具有最佳性能的那些循环可以包括 很多步骤或阶段。

进一步地，这两个步骤不是相邻的，并且在这些步骤之前设置时间允 许的平衡步骤（这些步骤在相应的阶段结束前以减少的操作完成）。因此， 可以在前一步骤的一部分期间操作阀，以使它们到达最佳打开点。能够利 用关闭系统然后抵靠适合的部分来迅速地实现完全打开。

图6示出具有与图1类似的6个吸附器和2个旋转分配器的RPSA单 元，除了在从所述吸附器的出口（生产侧）到旋转分配器71生产侧的各连 接件11至61上放置一系列阀81至86。

图7则示出能够通过如上所述的系统获得的循环。

仍假设仅处理供应气体的50%，为了完成这点，作为首要途径，使所 述旋转分配器的速度减慢一半。

在双倍时间期间引入标准供应流量的50%。因此，在所述生产阶段期 间净化相同量的气体。仅取决于2个吸附器的相对压力和连接线路的平衡 以与额定流量所用时间相同的时间完成。实际上应注意的是，根据通过使 转子上的孔经过静子上的孔而获得的实际打开的变换时间，可以存在小的 差异，但不会以任何方式改变本发明的解释。

希望控制供应洗脱气体的步骤。这能够以若干方式完成：通过限制提 供气体的吸附器出口处的流量、限制接收气体的吸附器的进口处的流量或 通过干预两个阀。

此处选则示出在吸附器接收方面完成流量的控制。进行的最佳方式是 根据具体情况对此进行检查。

为克服中间压力的问题，所述最终减压持续与额定情况大致相同的时 间。该步骤的末尾因而包括空闲时间i，可利用该空闲时间i来使用于调节 洗脱的流量的装置进入所需位置。因为洗脱步骤以最佳方式进行，所以平 衡f按计划进行。由于平衡f在转子的运动所分配的时间之前完成，因此 在平衡与重新加压之间存在另一少量的空闲时间。利用该空闲时间来操作 用于调节的装置，使其到达对应于规则的重新加压的新位置。

图8示出针对6个吸附器的阀运动。它们藉由循环置换彼此推断出来。

可以看到，每循环仅需要2次运动，以完全优化所述方法。此外，每 次阶段时间的一部分是可利用的，以操作阀（在阀的情况下）到其打开位 置，所述阀仍能够使用常规的或现有的材料。

由于在供应侧上和在生产侧上的旋转分配器（例如，第一和第二旋转 分配器）以同步方式操作，所以通常将它们安装在由单个马达驱动的单一 轴上。

优选地，旋转分配器连续地旋转，如已经示出的，所述驱动应优选地 以可变速度发生，因此希望其具有用于调节的第一装置。

该系统尤其应用到RPSAs，这意味着通常所述循环时间将少于60秒， 在示例所示的情况下循环时间对应于10秒的阶段时间。

对于更快的RPSA，具有例如等于12秒的循环时间，各阶段将是2秒。 可以看出能够具有约一秒钟的时间来将阀引入其所需位置，所需位置在甚 至用于大直径（数百毫米）的可执行范围内。

吸附器的数量能够根据待处理的流量和保持的循环变化。大多数单元 将具有2到30个吸附器，但是可以考虑并行的吸附器组可以以该吸附器数 目乘以2-3倍。

更优选地，将使用约6到20个吸附器以得到简单的系统。

鉴于循环的迅速，吸附器将通常是接触器。接触器意味着包括结构化 吸附剂（例如，作为薄层沉积在随后被辗轧的支承体的两侧上的吸附剂） 的吸附器。可使用各种类型的垫圈来保持用于气体的常规通路。

被添加至位于供应侧/吸附器进口侧或吸附器出口侧（生产侧）/旋转分 配器生产侧的旋转分配器连接件中的至少一个的、用于调节的附加装置可 以是能够控制在所述连接件中的流量的任何类型。通常，这将会或多或少 限制通路的截面。最常见的装置是任意类型的阀，但是可以考虑各种闭合 件。可以不同方式操作这些装置：气动的、液压的、电的、磁的。

可希望将阀的移动与分配器之一的位置（例如旋转角度）或电机或旋 转轴联接起来。位置的指示可以藉由任何方法（视觉的、机械的、电的、 磁的等）完成。

由于旋转速度影响所述循环，所以有利地是将用于调节的装置的开启 值与旋转速度联系起来。这种联系可以直接地或通过任何控制系统形成。

这些用于调节的装置将优选地在用于分配器的减小的速度下使用，但 是它们也可以作为用于使压力循环最佳化的装置在额定条件下使用。

当停止时，这些用于调节的装置可以被用作隔离吸附器的装置，尤其 是在气体可含有不希望其与吸附器接触的杂质的供应侧上。