用於雙床真空變壓吸附系統的迴轉閥的製作方法
2023-07-29 00:18:11 2
專利名稱：用於雙床真空變壓吸附系統的迴轉閥的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於從空氣中選擇吸附氮氣生產富氧氣流的真空變壓吸附系統，特別涉及用多點閥操作此系統的設備和方法。
近年來利用真空變壓吸附(VPSA)系統分離空氣生產氧氣或氮氣已變得在經濟上有吸引力。此類系統所採用的循環一般時間相對較短。VPSA系統的改進涉及縮短每個步驟的時間。此時間縮短使工藝閥的操作在成功操作新循環中相當關鍵。已發現開關工藝閥所需時間是重要因素。目前可用於此類操作的自動閥在其響應循環需要的能力方面受限制。
目前使用眾多的VPSA系統。這些系統一般採用多個分開的雙點閥按具體循環引導流體的流動。這些閥通過複雜且昂貴的管道系統相互連接。結果，這些VPSA系統的輔助投資成本高，系統最優化受閥的物性限制，導致操作成本高。
例如，US5 549 733公開了一種用於由空氣生產氧氣的真空型循環，其設備中包括六個獨立的自動閥來控制循環。另一例US5 223 004中，通過壓力變化再生吸附劑且使用兩個吸附器的此類氣體吸附分離方法也包括至少六個自動閥控制循環的流動、壓力和定時。US5 144 440中公開的以三床法利用真空變壓吸附系統生產富氧空氣的方法使用多個單獨的自動閥。有兩個閥件用旋塞引導流動的閥組件公開在US5 114 441中用於氧濃縮器系統。US5 122 164中公開的雙床變壓吸附法使用六個自動閥控制循環，以及兩個自動閥用於均壓步驟。因此希望省去VPSA系統中與進料和真空系統相連的所有或多數閥底部滑動管道和轉換閥。
考慮到現有技術的這些問題和不足，因此，本發明的目的之一是提供一種利用更少的閥從流體如空氣中選擇性去除所要組分如氮氣的系統。
本發明另一目的是提供進一步省去連接系統組成部分的多餘管道的這種系統。
本發明再一目的是提供循環時間和效率改進的VPSA系統。
本發明再另一目的是提供一種使用較少能量的VPSA系統。
本發明的其它目的和優點部分是顯而易見的，部分由說明書中體現。
本發明實現了上述和其它目的和優點，這些目的和優點對於本領域技術人員是顯而易見的，一方面，本發明涉及從流體混合物中分離組分的設備，包括在第一壓力下的流體源、在與所述第一壓力不同的第二壓力下的流體源、和至少一個室，該室包含從所述流體中選擇吸附一組分的吸附劑。所述設備還包括可操作地通過第一流動通道與所述第一壓力流體相連並通過第二流動通道與所述第二壓力流體相連的閥。所述閥還通過第一流動埠與所述室相連，通過第二流動埠與放空口相連。所述閥有多個位置同時使所述第一和第二流動通道與所選流動埠互連。閥處於第一位置適於使所述第一或第二流動通道與所述第一流動埠相連，以提供在所述第一或第二壓力流體和所述室間形成流動。閥處於第二位置適於使所述第一或第二流動通道與所述第二流動埠相連，以提供在所述第一或第二壓力流體和所述放空口間形成流動。
另一方面，本發明提供一種從流體混合物中分離組分的設備，包括進料流體源、真空源、及第一和第二室，每個室均包含從所述流體中選擇吸附一組分的吸附劑。優選地，所述進料流體源包括進料空氣源，所述室包含從空氣中選擇吸附氮氣的吸附劑床。所述設備還包括可操作地與通過第一流動通道與所述進料流體源或真空源相連、通過第一流動埠與所述第一室相連和通過第二流動埠與所述第二室相連的閥。所述閥有多個位置同時使所述第一流動通道與所選流動埠互連。閥處於第一位置適於使所述第一流動通道與所述第一流動埠相連，以提供在所述流體源或所述真空源與所述第一室之間的流動通道。閥處於第二位置適於使所述第一流動通道與所述第二流動埠相連，以提供在所述第二流體源或所述真空源與所述第二室之間的流動通道。
優選地，所述閥有兩個閥部分。第一閥部分可操作地與所述進料流體源相連，第二閥部分可操作地與所述真空源相連。在第一位置，所述閥同時使所述流體源與所述第一室相連並使所述真空源與所述第二室相連。在第二位置，所述閥同時使所述流體源與所述第二室相連並使所述真空源與所述第一室相連。所述閥可進一步包括與通至大氣的放空口相連的第三流動埠。
再另一方面，本發明提供一種從流體混合物中分離組分的設備，包括進料流體源、真空源、及第一和第二室，每個室均包含從所述流體中選擇吸附一組分的吸附劑。所述設備還包括有第一和第二部分的閥。所述第一閥部分可操作地與通過第一流動通道與所述進料流體源相連、通過第一流動埠與所述第一室相連、通過第二流動埠與所述第二室相連和通過第三流動埠與通至大氣的放空口相連。所述第二閥部分可操作地通過第二流動通道與所述真空源相連、通過第四流動埠與所述第一室相連、通過第五流動埠與所述第二室相連和通過第六流動埠與通至大氣的放空口相連。所述閥有多個位置使所述流動通道與所述流動埠互連。閥處於第一位置適於使所述第一流動通道與所述第一流動埠相連並使所述第二流動通道與所述第五流動埠相連。閥處於第二位置適於使所述第一流動通道與所述第三流動埠相連並使所述第二流動通道與所述第四流動埠相連。閥處於第三位置適於使所述第一流動通道與所述第二流動埠相連並使所述第二流動通道與所述第四流動埠相連。閥處於第四位置適於使所述第一流動通道與所述第三流動埠相連並使所述第二流動通道與所述第四流動埠相連。
在優選實施方案中，所述閥有一殼體，所述流動埠布置在所述殼體的外壁上。所述閥可還包括適於使所述流動通道與所述流動埠相連的轉鼓，其中所述第一和第二閥部分沿轉鼓的軸縱向間隔開。所述轉鼓可在閥中兩室之間分開，兩室之一對應於所述第一閥部分，另一室對應於所述第二閥部分。各室可相互獨立地定位。所述閥可包括可繞縱軸旋轉的室中分開的轉鼓部分。
在優選的迴轉閥中，流動埠布置在其外壁上。所述閥可還包括可旋轉而在各位置間移動並含有使流動通道與流動埠相連的開口的內部旋塞件。所述閥可進一步包括在殼體和內部旋塞件之間的動密封，其可伸縮的允許旋塞在各位置之間更自由地移動。
在相關的方面中，本發明提供一種從流體混合物中分離組分的方法。首先提供在第一壓力下的流體源、在與所述第一壓力不同的第二壓力下的流體源、和適於選擇性地從所述流體中除去一組分的室。還提供可操作地通過第一流動通道與所述第一壓力流體相連、通過第二流動通道與所述第二壓力流體相連、通過第一流動埠與所述室相連和通過第二流動埠與放空口相連的閥。所述閥有多個位置同時使所述第一和第二流動通道與所選流動埠互連。所述方法包括將所述閥移至第一位置使所述第一或第二流動通道與所述第一流動埠相連，以提供在所述第一或第二壓力流體與所述室之間形成流動。所述方法進一步包括將所述閥移至第二位置使所述第一或第二流動通道與所述第二流動埠相連，以提供在所述第一或第二壓力流體與所述放空口間形成流動。
在另一相關方面中，本發明提供一種從流體混合物中分離組分的方法。提供進料流體源；真空源；和第一和第二室，各室均適於選擇性地從所述流體中除去一組分。優選地，所述進料流體源包括進料空氣源和室，所述室包含用於選擇性地從空氣中吸附氮氣的吸附劑。還提供可操作地通過第一流動通道與進料流體源或真空源相連、通過第一流動埠與所述第一室相連和通過第二流動埠與所述第二室相連的閥。所述閥有多個位置同時使所述第一流動通道與所選流動埠互連。所述方法包括將所述閥移至第一位置使所述進料流體源與所述第一室相連並將流體(優選空氣)引入其中，從所述流體中選擇性地除去所要組分(優選氮氣)，同時使所述真空源與所述第二室相連以抽空所述第二室中的流體。然後將所述閥移至第二位置以密封所述第一室同時使所述真空源與第二室相連以抽空所述第二室。然後將所述閥移至第三位置使所述流體源與所述第二室相連將所述進料流體(優選空氣)引入其中，從所述流體中選擇性地除去所要組分(優選氮氣)，同時使所述真空源與所述第一室相連以抽空所述第一室中的流體。最後，將所述閥移至第四位置以密封所述第二室，同時使所述真空源與所述第一室相連以抽空所述第一室。
在優選實施方案中，所述閥有第一和第二部分。所述第一閥部分可操作地通過第一流動通道與進料流體源相連、通過第一流動埠與第一室相連、通過第二流動通道與第二室相連和通過第三流動埠與通至大氣的放空口相連。所述第二閥部分可操作地通過第二流動通道與真空源相連、通過第四流動埠與第一室相連、通過第五流動埠與第二室相連和通過第六流動埠與通至大氣的放空口相連。所述閥有多個位置使流動通道與流動埠互連。所述閥處於第一位置使所述第一流動通道與第一流動埠相連和使第二流動通道與第五流動埠相連。所述閥處於第二位置使第一流動通道與第三流動埠相連和使第二流動通道與第四流動埠相連。所述閥處於第三位置使第一流動通道與第二流動埠相連和使第二流動通道與第四流動埠相連。所述閥處於第四位置使第一流動通道與第三流動埠相連和使第二流動通道與第四流動埠相連。第一和第二閥部分相互獨立地移動、或者可相互連接而一起移動。
所述閥可包括殼體和有內部通道使所述流動通道與所選流動埠相連的可轉動的內部旋塞。所述方法可進一步包括在各步驟之前旋轉所述轉鼓使所述流動通道與所選流動埠相連。
更優選地，所述閥包括殼體、可在各位置間移動使所述流動通道與所選流動埠相連的內部旋塞、和所述殼體與所述內部旋塞件之間的動密封。所述方法進一步包括將所述閥移至所述位置之前收縮所述密封使所述旋塞更自由地在各位置間移動。
確信本發明的特徵是新的，本發明的要素特徵在所附權利要求書中提出。這些圖僅用於說明並非按比例繪製。然而，結合以下詳細描述及附圖可最好地理解發明本身(關於布局和操作方法)，其中
圖1為現有技術VPSA系統的示意圖。
圖2為用於VPSA系統的本發明優選的雙室多點迴轉閥的平面圖。
圖3為去掉導管套的圖2的雙室多點迴轉閥的平面圖，示出內部閥組件。
圖4a為沿圖3中4a-4a線的剖視圖，示出第一室(空氣進料側)中的迴轉閥。
圖4b為沿圖3中4b-4b線的剖視圖，示出第二室(真空側)中的迴轉閥。
圖5為用於圖2中閥的閥密封的透視圖。
圖6為本發明多點迴轉閥在VPSA系統中連接的示意圖。
圖7為裝有本發明多點迴轉閥的優選VPSA系統的示意圖。
圖8a-8d為操作所述優選VPSA循環步驟期間空氣進料側迴轉閥第一室的位置圖，類似於圖4a中所示。
圖8e-8h為操作所述優選VPSA循環步驟期間真空側迴轉閥第二室的位置圖，類似於圖4b中所示。
描述本發明優選實施方案中，將參考圖1-8，其中用相同的標號表示本發明的相同特徵。圖中無必要按比例示出本發明的特徵。
本發明在其優選實施方案中使用多室、多點閥用於VPSA系統，從而更經濟地分離空氣。雖然舉例說明的VPSA系統用於從空氣中分離氮氣生產富氧空氣產品，但優選分離流體的所要組分的任何類似系統均可採用本發明的多點閥。該閥結構取代現有技術中所用多個分開的閥，還具有低壓降、快動作、低磨損、低扭矩和為經濟的VPSA應用減少連接管線的低成本等優點。
圖1示出現有技術傳統的VPSA系統。該系統包括裝有氮吸附材料的室床A110和室床B109、包括排氣消音器的真空部分101、第一和第二級真空泵103和102分別從系統中除去廢氣、進料鼓風機106、用於富氧產品的集氣罐11、放空口108、和連接各設備的相伴閥門和管線。床A和B中所含氮吸附材料優選為鈣、鈉或鋰X或A骨架的沸石吸附劑。該VPSA系統典型地產生包含約92％(重)氧氣的富氧產品。(除非另有說明，所有組成百分率均基於重量。)過濾後的大氣空氣從進料空氣入口104通過管線95和脈衝瓶105經管線94吸入葉型壓縮機或進料鼓風機106。進料鼓風機的出料經消音器107接收在管線92中。排出的空氣經管線92和88分入管82和87中。進料閥83和86按循環控制器的指示打開，分別經管線84和85向床A110或床B109提供空氣進料。由於連續運行進料鼓風機106是有利的，在不向床A或床B提供進料空氣的時間間隔期間，過剩的進料空氣由管線92經管線89、打開的閥90、管線91和放空消音器108排放至大氣中。
在系統的真空側，分別通過操作閥63和79，分別經管線62和112、和管線61和57將空氣從床A或B抽至真空泵第一級103。經管線56排放的氣體再經真空泵第二級102，經消音器101排放。由於真空泵102、103也優選連續運行，在床A和B不抽真空的時間間隔期間，過載再經管線60、閥92和管線58循環回泵103。在各循環時在管線56中形成的過剩壓力通過打開閥54經管線55和管線53放空。
如果床A110要被加壓，則打開自動控制閥83使床A中的壓力升高。空氣經管線84和65進入床A，在其中發生氮吸附。富氧產品收集在產品管線67a中，經產品閥68通入產品管線70、閥71和管線72至產品收集罐11。收集罐11起到使用於消耗的富氧產品氣的輸送平穩，經管線73至流動控制閥74的通道調節這種產品氣用於消耗的供應，在77處排出之前通過管線75並經計量儀76計量。
在床A110處於吸附循環周期期間，床B109處於解吸或再生循環。此周期期間，先通過打開閥68和78允許通過管線69流動與床A110均壓降低床B109的壓力。均壓後，關閉閥78。然後通過真空泵102、103降低床B中的壓力。經由管線81、閥79、管線112、管線62、管線61和57、真空泵103、管線56、真空泵102、管線51和消音器101流過真空泵。
當床B109完成再生循環時，則通過管線88和87、閥86、管線85和管線81接收進料空氣，並通過管線67b和與管線70相連的閥78排出富氧空氣。當床A110處於解吸或再生循環時，通過管線65、閥63和管線62以類似於對床B所述的方式抽空。
按本發明，已開發出一種多點閥，它將現有技術中使用的所有六個雙點閥的功能合併在單一的多點閥中。結果，顯著減少的複雜的管線，省去使用許多雙點閥。該閥的快動作操作縮短了循環時間，而由於VPSA設備的循環時間相對較短，循環時間成為總性能的重要因素。而且，閥的快速動作因更精確的截斷流動減少混合損失可更有效地利用床中的吸附劑。因此，對於相同的床深度，生產率可能更高，對於相同的生產可採用更短的床深度，循環時間更短。因而設備的單位投資成本下降。本發明還能開發更優化的VPSA循環，進一步降低操作成本。本發明閥中優化的、較低的壓降、以及簡化的互連管線均加入本發明的優點中。
本發明優選的閥合併了圖1中所示所有六個自動閥即閥63、79、83、86、90和92的功能。本發明優選的雙室多點迴轉閥示於圖2-5和8中。該迴轉閥裝入VPSA系統中示於圖6和7中。迴轉閥200包含兩套獨立的位置間隔120°的三個埠，每套有通常的進/出口。閥的中空圓筒形鼓狀體201裝有內部相應鼓狀圓筒形旋塞202a和202b，分別設置在第一和第二分室中，可獨立地繞中心軸203旋轉。如後面將詳述的，閥的進料和真空側在中心處被堵塞，彼此獨立操作。閥的外殼體是圓筒形的，沿其外圍包含多個流動埠用於操作與其它VPSA系統組件的連接。迴轉閥的橫截面示於圖4a中說明埠C、D和F的位置，示於圖4b中說明埠H、I和J的位置。迴轉閥的各部分或各室中，埠繞閥殼體的外周邊用角度量間隔約120°。埠D和H在外部通過與床A110相連的集流管222互連。埠F和J在外部通過與床B109相連的集流管224互連。埠C和I分別與系統的放空口108和101相連。
如圖2和圖3的機械示意圖中所示，迴轉閥200在閥體的相對兩端有兩個進/出通道206a和206b。雖然所述進出通道可互換，但通道206a與真空源相連，而通道206b與大氣進料空氣源相連。出料口C、D和F可與真空進口206a相連，而出料口H、I和J可與進料空氣進口206b相連。閥200的閥體201包含旋塞202a和202b。旋塞和閥被隔板205分成兩個室可通過相互獨立地轉換旋塞202a和202b的角度處理兩股分開的物流。如圖4a和4b所示，旋塞的旋轉可以是逆時針或順時針的。旋塞202a有在其面對真空進口206a端的開口218a，和與之內部相通的在其外周邊的開口220a。同樣，旋塞202b有在其面對進料空氣進口206b的開口218b，和與之內部相通的在其外周邊的開口220b。旋轉旋塞202a、202b時，可轉換角度使外開口220a、220b對準所要埠使真空和/或進料空氣流向與該埠相通的系統組件。
旋塞202a和202b優選為壁較薄的鼓使質量較低從而可以高速操作。旋塞202a和202b各端由撐杆207中心支承，撐杆207含有軸承204，軸203在其上旋轉。伺服電機或其它驅動型電機208a和208b分別通過齒輪箱209a和209b驅動提供動能，分別使旋塞202a和202b旋轉和定位。旋塞202a和202b中各開口周圍的密封217提供不漏操作。如圖4a、4b和5中所示，在埠之間繞閥殼體201內側設有三個密封組件217，當旋塞開口未對準閥出料口時封閉旋塞的開口。
雖然低質量的旋塞以及低質量的薄壁旋塞可高速操作(這對於VPSA應用是非常理想的)，但也帶來變形的可能性。使密封217這樣構形以降低或消除變形問題。如圖5中所示，相對剛性的框架223配備包括截面221a-d的相對剛性的密封。密封截面優選由耐磨、易彎的材料如橡膠或特氟隆製成。縱向密封截面221a和221c為直的，與轉鼓的縱軸平行。圓環形密封截面221b和221d繞轉鼓環形定線，彎曲成符合轉鼓的曲率。此密封組件217沿閥體201的圓筒形內壁放置在閥埠之間。固定於閥體201上的圓柱狀充氣促動器222控制密封組件在閥鼓的旋轉開始之前收縮密封組件使之不與轉鼓緊密接觸，在旋轉停止之後伸展密封組件使之與轉鼓緊密接觸。以此方式不僅使確定的密封具有足以隨轉鼓變形的柔性，而且通過消除密封221和閥鼓206a、206b之間的滑動磨損防止密封實體磨損。因閥體和旋塞間無摩擦阻礙旋塞移動，旋塞的動作加速。此構造還使密封的周長最小，從而使通過密封洩漏的潛勢最小。
本發明優選的多點迴轉閥詳細地描述在與本文同日申請的題為「迴轉閥」的US申請No.＿＿＿(代理號D-20410)中。圖2-5中所示迴轉閥組件200適用於完成採用雙進料閥、雙真空閥和雙卸載放空的現有技術系統的任務。圖6中所示示意圖中，多點迴轉閥200可併入現有技術VPSA系統中。迴轉閥通道206a與真空鼓風機102、103相連，通道206b與進料鼓風機106相連。埠D和H通過集流管222與容器A110相連，埠F和J通過集流管224與容器B109相連。埠C和I與放空口相連。
圖7中示出本發明迴轉閥併入完整的優選VPS系統。除迴轉閥的連接之外，所有系統組件與圖2中所示相同。空氣進料管92與迴轉閥進料通道206b相連。可通過旋轉旋塞202b與埠H相連將進料空氣送入床A110。進料空氣通過集流管222經管線65通入床A以除去氮氣。或者可通過旋轉旋塞202b與埠J和集流管224相連將進料空氣送入床B109，然後進料空氣經管線81通入床B用於去除氮氣。
通過集流管224、閥埠F(對準旋塞202a)和真空進/出口206a並通過管線61至真空鼓風機102、103抽真空時，床B發生真空清洗。完成此循環的第一半時，該循環繼續以同樣方式在床B中進行吸附，在床A中進行再生，通過集流管222、閥埠D(現在對準旋塞202a)和真空進/出口206a並通過管線61和真空鼓風機102、103抽真空。
操作VPSA循環期間通過獨立地旋轉兩室中的旋塞實現要求的埠次序。圖8a-8h示出各種閥旋轉次序和優選的埠排列。閥的內轉鼓或旋塞以任一方向旋轉至三個位置之一，使進料和真空泵獨立地與兩床之一或放空位置相連。如需要可在每床的加壓周期之間進行放空步驟。放空位置還用於啟動、阻塞兩床，和使鼓風機放空。正常操作下真空端從埠D與床A相連旋轉至埠F與床B相連而不停在放空位置(埠C)。按需要用於卸載、阻塞兩床和使鼓風機放空時，閥將停在放空埠位置。此放空卸載特徵要求閥能在任何時間由控制系統指示轉換至放空位置。
通過使用獨立旋轉的兩室實現要求的埠次序。這些室優選在操作過程中反向旋轉實現要求的循環次序。下表1中描述了用於優選VPSA循環的閥旋轉和埠排列，進料閥和真空閥相應的圖示。在括號中示出各步驟大約的時間和壓力範圍，並示出優選的時間和壓力。除非另有說明，所有壓力均為psia。
表1步驟描述持續時間 壓力(psia) 進料閥埠 真空閥埠(sec.) 步驟開始時 步驟結束時 打開位置打開位置1.升壓進料並均壓 (1-3) (5-15) (10-18)床A 床B2 5 13 (圖8a)2.升壓進料並產品加 (1-4) (10-18)(15-20)床A 床B壓 3 13 17 (圖8a)3.升壓進料 (2-10) (15-20)(17-24)床A 床B7 17 22 (圖8a) (圖8e)4.恆壓進料並製備產 (2-10) (17-24)(17-25)床A 床B品 10 22 22 (圖8a) (圖8e)5.降壓均壓 (1-2) (17-25)(14-21)放空床B2 22 19 (圖8b) (圖8f)6.降壓抽空並均壓 (1-2) (14-21)(10-16)床B 床A2 19 15 (圖8c) (圖8g)7.降壓抽空 (3-20) (10-16)(4-15) 床B 床A17 15 4 (圖8c) (圖8g)8.恆壓抽空及氧氣清 (1-5) (4-15) (4-15) 床B 床A洗 3 4 4 (圖8c) (圖8g)9.升壓抽空並均壓 (1-4) (4-15) (5-15) 放空床A2 4 5 (圖8d) (圖8h)圖8a-8d是沿圖2和3中的線4b-4b繪製，圖8e-8h是沿圖2和3中的線4a-4a繪製。在圖8a-8e所示第一閥位置，轉鼓以所示方向旋轉使轉鼓202b中的開口220b對準埠H，從而允許進料空氣流入床A110，轉鼓202a中的開口220a對準埠F，從而允許床B109抽真空。在各轉鼓室中，阻斷進料和真空與其它埠的連接。表1的步驟1-4在轉鼓處於第一位置的情況下發生。步驟1期間，上面的閥68和78打開。進料空氣泵入床A底部，同時來自床B的加壓富氧空氣移至床A中。步驟2中，閥78關閉，通過真空泵102、103使床B抽真空。閥68仍保持打開，富氧空氣從罐11進入床A頂部，同時仍通過迴轉閥200從底部加入空氣。床B中，閥78關閉，該室繼續抽真空。步驟3中，閥68關閉，床A繼續通過迴轉閥200接收進料空氣。床B如步驟2中繼續抽真空。步驟4中，閥68打開同時仍通過迴轉閥22接收進料空氣，因氮氣被吸收，富氧空氣繼續流入產品罐11。
在圖8b和8f所示第二閥位置，轉鼓以所示方向旋轉使轉鼓202b中的開口220b對準埠I，從而允許進料空氣流向放空口(如需要)，轉鼓202a中的開口220a對準埠F，從而允許床B109抽真空。同樣，各轉鼓室中，阻斷進料和真空與其它埠的連接。表1的步驟5在轉鼓處於第二位置的情況下發生。步驟5中，由迴轉閥200關閉底部，停止床A中富氧產品的生產。打開上面的閥68和78，剩餘的加壓富氧空氣移至床B。進料空氣不泵入任何室。
在圖8c和8g所示第三閥位置，轉鼓以所示方向旋轉使轉鼓202b中的開口220b對準埠J，從而允許進料空氣流入床B109，轉鼓202a中的開口220a對準埠D，從而允許床A110抽真空。如前所述，各轉鼓室中阻斷進料和真空與其它埠的連接。表1的步驟6-8在轉鼓處於第三位置的情況下發生。步驟6中，打開閥68和78。床A繼續向床B輸送富氧產品給床B加壓。同時，床A底部通過迴轉閥與真空泵102、103連接，清除該室中殘餘的氮氣。床B中，開始通過迴轉閥200加入進料空氣。步驟7中，關閉上面的閥68，床A繼續通過迴轉閥200抽真空。床B中，繼續通過迴轉閥200加入進料空氣，閥78關閉，壓力升高。步驟8中，打開上面的閥68，富氧空氣從罐11通過頂部流入，同時通過迴轉閥200由底部抽真空，進一步清除床A中的氮氣。床B中，進料空氣繼續通過迴轉閥200加入，打開閥78，生產富氧空氣。
最後，在圖8d和8h所示第四閥位置，轉鼓以所示方向旋轉使轉鼓202b中開口220b對準埠H，從而允許進料空氣流向放空口(如需要)，轉鼓202a中開口220a對準埠D，從而允許床A110抽真空。同樣，在各轉鼓室中阻斷進料和真空與其它埠的連接。表1的步驟9在轉鼓處於第四位置的情況下發生。步驟9中，打開閥68和78，床A繼續從底部抽真空，同時從床B引入加壓的富氧空氣。進料空氣不泵入任何室。
下表2表示使用本發明多點迴轉閥而非現有技術的雙點閥在VPSA方法中的區別和改進。
表24-通閥的優點 傳統的2-通閥 4-通迴轉閥開關轉換時間 0.5-1.0秒 0.25-0.5秒較少的混合損失 基準氧氣回收率改善1-2％管線 ----- 簡化設計尺寸 ----- 較小成本 ----- 較低較少的空隙損失 基準氧氣回收率改善1％壓降下降基準下降1-2％大設備的可靠性改善 2％停工 1.5-2.0％停工設備尺寸增加有限放大至非常大的尺寸VPSA系統的壓降帶來很大的經濟價值。可見本發明中互連管線的複雜性顯著降低。這與迴轉閥的輕重量放大能力一起可降低通過閥的壓降。
此外，迴轉閥的構造和特徵可允許繁重的重複使用。耐用性好是極重要的。低質量旋塞設計以及非咬接特徵使閥能快速動作，循環非常短且低維修，導致與床尺寸下降相伴節約成本。迴轉閥的高頻操作和可靠定位可基本上沒有咬接、滑動或壓靠在閥體上。
成本研究表明VPSA裝置的閥滑動成本節省約40％。還可預計用迴轉閥能耗下降。估計因簡化管線壓降和空隙體積下降，可節約0.1-0.2kw/TPD。還可預計因設備的空氣需要下降可節約0.1-0.2kw/TPD。
由以上實例可見，循環的操作依賴於閥的快速操作。本發明不限於上述VPSA應用。設計中埠的數量僅受閥體外周上埠尺寸和實際間隔限制。因此閥各室的設計中可加入三、四或更多個埠。埠可以要求的任何方式在閥外設置集流管。除包含任何數量的相應埠之外，可在旋塞中心加固體膜將旋塞分隔成兩或多個分室。在此設計中，旋塞的兩個室一致操作。然而，也可將旋塞設計成兩個分開的部分使每部分獨立操作。可控制旋塞(單一動作的旋塞或兩部分獨立動作的旋塞)的旋轉以循環所要求的任何次序順時針或逆時針旋轉。旋塞的控制可通過電機和齒輪組、氣動或液壓。旋塞的操作可由電腦程式控制以任何要求的次序運行。以上所有特徵使此閥可應用於無限制的各種VPSA循環變化中。
此外，使用本發明迴轉閥的系統和方法可適用於利用必須經受不同壓力的室的其它系統。代替使閥在一流動通道與真空泵連接和在另一流動通道與進料空氣鼓風機相連，可使兩流動通道與高於大氣壓的不同壓力下的進料空氣鼓風機相連。或者，可使閥的兩個流動通道與在低於大氣壓的不同壓力下的不同真空泵相連。代替用於說明的兩室，該系統和方法也可採用一個室。
雖然已結合優選實施方案詳細描述了本發明，顯然根據上述描述許多修改和改變對於本領域技術人員的顯而易見的。因此所附權利要求將包括落入本發明實際範圍和精神內的任何修改和改變。
權利要求
1.從流體混合物中分離組分的設備，包括在第一壓力下的流體源；在與所述第一壓力不同的第二壓力下的流體源；至少一個室，該室包含從所述流體中選擇吸附一組分的吸附劑；和可操作地通過第一流動通道與所述第一壓力流體相連並通過第二流動通道與所述第二壓力流體相連、通過第一流動埠與所述室相連和通過第二流動埠與放空口相連的閥，所述閥有多個位置同時使所述第一和第二流動通道與所選流動埠互連；所述閥處於第一位置適於使所述第一或第二流動通道與所述第一流動埠相連，以提供在所述第一或第二壓力流體和所述室間形成流動，所述閥處於第二位置適於使所述第一或第二流動通道與所述第二流動埠相連，以提供在所述第一或第二壓力流體和所述放空口間形成流動。
2.從流體混合物中分離組分的設備，包括進料流體源；真空源；第一和第二室，各室均包含從所述流體中選擇吸附一組分的吸附劑；和可操作地通過第一流動通道與所述進料流體源或所述真空源相連、通過第一流動埠與所述第一室相連、並通過第二流動埠與所述第二室相連的閥，所述閥有多個位置同時使所述第一流動通道與所選流動埠互連，所述閥處於第一位置適於使所述第一流動通道與所述第一流動埠相連，以提供在所述流體源或所述真空源和所述第一室間的流動通道，所述閥處於第二位置適於使所述第一流動通道與所述第二流動埠相連，以提供在所述流體源或所述真空源和所述第二室間的流動通道。
3.權利要求2的設備，其中所述閥有兩個閥部分，第一閥部分可操作地與所述進料流體源相連，第二閥部分可操作地與所述真空源相連，和其中在所述第一位置，所述閥同時使所述流體源與所述第一室相連並使所述真空源與所述第二室相連，在所述第二位置，所述閥同時使所述流體源與所述第二室相連並使所述真空源與所述第一室相連。
4.權利要求2的設備，其中所述閥進一步包括與通至大氣的放空口相連的第三流動埠。
5.從流體混合物中分離組分的設備，包括進料流體源；真空源；第一和第二室，每個室均包含從所述流體中選擇吸附一組分的吸附劑；和有第一和第二部分的閥，所述第一閥部分可操作地與通過第一流動通道與所述進料流體源相連、通過第一流動埠與所述第一室相連、通過第二流動埠與所述第二室相連、並通過第三流動埠與通至大氣的放空口相連，所述第二閥部分可操作地通過第二流動通道與所述真空源相連、通過第四流動埠與所述第一室相連、通過第五流動埠與所述第二室相連、並通過第六流動埠與通至大氣的放空口相連，所述閥有多個位置使所述流動通道與所述流動埠互連，所述閥處於第一位置適於使所述第一流動通道與所述第一流動埠相連並使所述第二流動通道與所述第五流動埠相連，所述閥處於第二位置適於使所述第一流動通道與所述第三流動埠相連並使所述第二流動通道與所述第四流動埠相連，所述閥處於第三位置適於使所述第一流動通道與所述第二流動埠相連並使所述第二流動通道與所述第四流動埠相連，所述閥處於第四位置適於使所述第一流動通道與所述第三流動埠相連並使所述第二流動通道與所述第四流動埠相連。
6.權利要求5的設備，其中所述閥有一殼體，所述流動埠布置在所述殼體的外壁上，所述閥中還包括適於使所述流動通道與所述流動埠相連的轉鼓。
7.權利要求5的設備，其中所述閥包括一個轉鼓，所述第一和第二閥部分沿所述轉鼓的軸縱向間隔開。
8.權利要求5的設備，其中所述閥包括一轉鼓，其中所述轉鼓在所述閥中兩室之間分開，兩室之一對應於所述第一閥部分，另一室對應於所述第二閥部分。
9.權利要求5的設備，其中所述閥被分隔成兩個室，兩室之一對應於所述第一閥部分，另一室對應於所述第二閥部分，各室相互獨立地定位。
10.一種從流體混合物中分離組分的方法，包括以下步驟a)提供在第一壓力下的流體源；在與所述第一壓力不同的第二壓力下的流體源；和適於選擇性地從所述流體中除去一組分的室；和b)提供可操作地通過第一流動通道與所述第一壓力流體相連、通過第二流動通道與所述第二壓力流體相連、通過第一流動埠與所述室相連、並通過第二流動埠與放空口相連的閥，所述閥有多個位置同時使所述第一和第二流動通道與所選流動埠互連；c)將所述閥移至第一位置使所述第一或第二流動通道與所述第一流動埠相連，以提供在所述第一或第二壓力流體與所述室之間形成流動；和d)將所述閥移至第二位置使所述第一或第二流動通道與所述第二流動埠相連，以提供在所述第一或第二壓力流體與所述放空口間形成流動。
全文摘要
一種有周邊開口的可旋轉轉鼓的雙室、四埠迴轉閥用於雙床VPSA(真空變壓吸附)系統取代分開的閥選擇性地使真空和/或空氣源和放空口與吸附室相連,通過降低能耗、增加可靠性、降低複雜性和成本,來生產低成本的富氧氣體。
文檔編號C01B21/00GK1256959SQ9912483
公開日2000年6月21日 申請日期1999年11月18日 優先權日1998年11月19日
發明者J·斯莫拉雷克, L·C·昆 申請人:普拉塞爾技術有限公司