способ для регулирования чистоты кислорода, генерируемого блоком адсорбции, путем контроля расхода потока

Формула изобретения

1. Способ для получения газообразного кислорода из сжатого воздуха путем адсорбции, в котором:

a) газообразный кислород, обладающий чистотой, равной или большей, чем заданное значение чистоты (VPS), получают с переменным расходом потока продукта (Dp) посредством, по меньшей мере, одного адсорбционного блока, причем кислород получают на этапе а) путем разделения воздуха за счет адсорбции азота, по меньшей мере, на одном адсорбенте, который адсорбирует азот лучше кислорода, причем адсорбент предпочтительно является цеолитом,

b) газообразный кислород, получаемый на этапе а), извлекают и направляют посредством, по меньшей мере, одного газопровода к месту использования или месту хранения,

c) чистоту (Рр) газообразного кислорода, получаемого на этапе а) и переносимого по упомянутому газопроводу, измеряют перед местом использования или местом хранения и сопоставляют с предварительно заданным значением чистоты (VPS), и

d) расход потока, поступающего к пользователю (Du), регулируют перед местом использования или местом хранения в зависимости от сопоставления, выполненного на этапе с), таким образом, чтобы:

i) расход потока, поступающего к пользователю (Du), был снижен, когда чистота кислорода (Рр), измеренная на этапе с), такова, что: VPS>Pp, или

ii) расход потока, поступающего к пользователю (Du), был повышен, когда чистота кислорода (Рр), определенная на этапе с), такова, что: VPS<Pp,

для получения такой чистоты газообразного кислорода (Рр), чтобы соблюдалось следующее условие:

VPS=Pp+X, где Х<0,5%, X - это среднеквадратичное отклонение,

причем расход потока кислородного продукта регулируют на этапе d) путем воздействия на открытие рециркуляционного клапана, расположенного на обходной линии, созданной на газопроводе, по которому подают полученный кислород, причем упомянутая обходная линия дает возможность обходить, по меньшей мере, один газовый компрессор, расположенный на упомянутом газопроводе ниже по потоку относительно адсорбционного блока, и, кроме того, служащего для рециркуляции выше по потоку относительно упомянутого, по меньшей мере, одного компрессора, кислорода, накопленного ниже по потоку относительно упомянутого компрессора;

после этапа d) выполняют следующие этапы:

e) полученный кислород подают к месту использования при расходе потока продукта (Dp), и

f) когда расход потока, поступающего к пользователю (Du), таков, что Du>Dp, кислород, поступающий из источника жидкого кислорода (LOX), добавляют в газопровод, причем жидкий кислород испаряется перед тем, как его вводят в газопровод, в результате чего достигается данная чистота кислорода, поступающая к пользователю (Pu), таким образом, что выполняется условие: VPS=Pu+X,

где:

- чистоту кислорода (Pu) измеряют на трубопроводе ниже по потоку относительно места введения жидкого кислорода (LOX)

- расход потока, поступающего к пользователю (Du), представляет собой расход потока кислорода, потребляемого местом использования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расход потока кислородного продукта регулируют на этапе d) таким образом, чтобы соблюдалось условие VPS=Pp+X, где Х<0,3%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что расход потока кислородного продукта регулируют на этапе d) таким образом, чтобы соблюдалось условие VPS=Pp+X, где Х<0,2%.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что расход потока кислородного продукта регулируют на этапе d) таким образом, чтобы соблюдалось условие VPS=Pp+X, где Х<0,1%.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что извлеченный газообразный кислород сжимают на этапе b) перед направлением его к месту использования посредством газопровода.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что газообразный кислород получают на этапе а) с помощью адсорбционного блока типа VSA или PSA.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение чистоты (VPS) составляет, по меньшей мере, 70% по объему, предпочтительно 85-95% и наиболее предпочтительно 90-93%.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что:

- расход потока продукта (Dp) составляет 100-6000 Нм³ /ч;

- скорость потока, поступающего к пользователю (Du), составляет 100-10000 Нм³/ч;

- чистота (Рр) кислорода составляет 88-95%; и

- чистота кислорода, поступающего к пользователю (Pu), составляет 88-100%.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу для регулирования способа или блока для разделения газа путем адсорбции, в частности к способу или блоку типа VSA (vacuum swing adsorbtion, вакуумная короткоцикловая адсорбция), в котором из окружающего воздуха получают газ, обогащенный кислородом.

Возможность регулирования чистоты газа, обогащенного кислородом, получаемого на выходе из блока для разделения газа путем адсорбции, в частности блока типа VSA, была уже исследована, в частности, в документах US-A-5258056.

Сложность регулирования чистоты этого кислорода состоит в выборе переменных параметров воздействия, при условии, что существует много возможностей для регулирования этой чистоты: воздействие на продолжительность цикла, давление в адсорберах, расходы потоков и/или давление в блоке и т.д.

Ввиду этих трудностей способы VSA для получения кислорода обычно называются способами О₂-VSA, которые в настоящее время обычно контролируются посредством простых контуров управления давлением или расходом потока при заданном выходном сжатии и/или максимальном давлении в адсорберах.

Отсутствие точного управления часто приводит к потерям производительности, что создает необходимость в обеспечении пользователем дополнительной подачи жидкого кислорода (liquid oxygen, LOX), когда получение О₂-VSA является недостаточным, чтобы гарантировать для этого пользователя минимальную чистоту и/или расход потока кислорода, необходимый для этого применения, например для изготовления стекла, бумажной массы, для подачи аквакультуры и т.п. Эта дополнительная подача жидкого кислорода, в свою очередь, налагает на пользователя существенные дополнительные расходы.

В документе US-A-5258056 исследован способ PSA (pressure swing adsorption, метод отделения азота от кислорода с адсорбцией последнего) для получения азота из атмосферного воздуха, в котором кислород представляет собой устраняемую примесь. Уровень примесей, т.е. кислорода, используется для регулирования подачи воздуха, подаваемого в систему PSA.

В документе US-A-4725293, кроме того, описан аналогичный способ PSA, также дающий возможность получения азота из окружающего воздуха.

Проблема, которая затем возникает, состоит в возможности минимизации снабжения жидким кислородом путем обеспечения эффективного управления способом VSA и/или блоком, для повышения его производительности.

Решение согласно изобретению представляет собой способ для получения газообразного кислорода из сжатого воздуха путем адсорбции, в котором:

a) газообразный кислород, обладающий чистотой, равной или большей, чем заданное значение чистоты (purity threshold value, VPS), получают с переменным расходом потока продукта (Dp) посредством, по меньшей мере, одного адсорбционного блока,

b) газообразный кислород, получаемый на этапе а), извлекают и направляют посредством, по меньшей мере, одного газопровода к месту использования или месту хранения,

c) чистоту газообразного кислорода (Рр), получаемого на этапе а) и переносимого по упомянутому газопроводу, измеряют перед его попаданием в место использования или в место хранения и сопоставляют с предварительно заданным значением чистоты (VPS), и

d) расход потока кислородного продукта (Dp) регулируют местом использования или местом хранения, в зависимости от сопоставления, выполненного на этапе с), таким образом, чтобы:

i) расход потока кислородного продукта (Dp) был снижен, когда чистота кислорода (Рр), измеренная на этапе с), такова, что: VPS>Pp, или

ii) расход потока кислородного продукта (Dp) был повышен, когда чистота кислорода (Рр), определенная на этапе с), такова, что: VPS<Pp,

для получения такой чистоты газообразного кислорода (Рр), чтобы соблюдалось следующее условие:

VPS=Pp+X, где Х<0,5%, Х - это среднеквадратичное отклонение,

e) полученный кислород подают к месту использования при расходе потока продукта (Dp), и

f) когда расход потока, поступающего к пользователю (Du), таков, что Du>Dp, кислород, поступающий из источника жидкого кислорода (LOX), добавляют в газопровод, причем жидкий кислород испаряется перед тем, как его вводят в газопровод, в результате чего достигается заданная чистота кислорода, поступающего пользователю, (Pu), таким образом, что: VPS=Pu+X,

где:

- чистоту кислорода (Pu) измеряют на трубопроводе ниже по потоку относительно места введения жидкого кислорода (LOX)

- расход потока, поступающего к пользователю (Du), представляет собой расход потока кислорода, потребляемого в месте использования.

В зависимости от случая способ согласно изобретению может иметь одну или более следующих характеристик:

- расход потока кислородного продукта регулируют на этапе d) таким образом, чтобы соблюдалось условие VPS=Pp+X, где Х<0,3%, предпочтительно Х<0,2%, более предпочтительно Х<0,1%;

- извлеченный газообразный кислород сжимают на этапе b) перед его подачей в место использования посредством газопровода;

- газообразный кислород получают на этапе а) с использованием адсорбционного блока VSA- или PSA-типа;

- значение чистоты (VPS) составляет, по меньшей мере, 70% по объему, предпочтительно 85-95% и наиболее предпочтительно 90-93% по объему;

- кислород получают на этапе а) путем разделения воздуха за счет адсорбции азота, по меньшей мере, на одном адсорбенте, который адсорбирует азот лучше, чем кислород, причем является предпочтительным, чтобы адсорбент представлял собой цеолит;

- расход потока кислородного продукта регулируют на этапе d) путем воздействия на раскрытие рециркуляционного клапана, расположенного на обводной линии, созданной на газопроводе, по которому подают полученный кислород, причем упомянутая обводная линия, дающая возможность обходить, по меньшей мере, один газовый компрессор, расположенный на упомянутом газопроводе ниже по потоку относительно адсорбционного блока, и, кроме того, служащего для рециркуляции выше по потоку относительно упомянутого, по меньшей мере, одного компрессора, кислорода, накапливаемого ниже по потоку относительно упомянутого компрессора;

- расход потока продукта (Dp) составляет 100-6000 Нм³/ч;

- расход потока, поступающего к пользователю, (Du) составляет 100-10000 Нм³/ч;

- чистота (Рр) кислорода составляет 88-95%; и

- чистота кислорода, поступающего к пользователю (Pu), составляет 88-100%.

Поэтому решение согласно изобретению основано на установке замкнутого контура для регулирования чистоты до достижения значения чистоты (VPS) на О₂ -VSA-блоке, причем контур предназначен для регулирования расхода потока кислорода (Dp), полученного в режиме реального времени, для снижения требуемого количества жидкого кислорода, называемого LOX (liquid oxygen).

В частности, согласно текущему рабочему режиму, предельный расход потока в блоке VSA задают таким образом, чтобы чистота О₂ (Рр) в газе, обогащенном кислородом, получаемым в блоке VSA, всегда была выше, чем заданное значение (VPS), установленное клиентом, например на уровне чистоты 90% по объему.

Однако это приводит к значениям чистоты О₂ (Рр), намного более высоким, чем желаемое значение чистоты (VPS), что может достигнуть в определенных случаях, например, значения 92%.

Это явление вызвано, в частности, климатическими изменениями, такими как перепады температур в периоды день/ночь и лето/зима, как видно на Фиг.1.

Принцип работы контура управления согласно изобретению состоит в регулировании этого расхода потока (Dp) в реальном времени, для обеспечения чистоты получаемого кислорода (Рр), таким образом, чтобы она была равна VPS или отличалась очень не намного от VPS (чтобы среднеквадратичное отклонение составляло 0,1%), и, следовательно, для предотвращения или минимизации использования LOX.

Поэтому этот тип регулирования дает возможность экономить на LOX за счет оптимизации производительности VSA, для достижения снижения количества процедур типа поиска чистоты, путем адаптации расхода потока VSA к понижению расхода потока, чтобы не возникало «потерь» в чистоте О₂, и это приводит к уменьшению вмешательств пользователя для модификации регулирования расхода потока кислородного продукта (Dp).

На Фиг.2 схематизирован принцип действия способа согласно изобретению применительно к адсорбционному блоку 1 типа O₂-VSA, в котором получают кислород, чистоту которого следует поддерживать постоянной, по меньшей мере, на уровне 90% по объему, что составляет желаемое значение чистоты (VPS).

Полученный кислород извлекают на выходе из блока О₂-VSA (зона 1) и направляют в контейнер (не показан), как можно дальше от местонахождения клиента (зона 4) посредством, по меньшей мере, одного компрессора (зона 2) посредством трубопровода.

Для регулирования расхода потока кислорода, рециркуляционным клапаном Qr управляют посредством контура управления расходом потока или «контура FIC 1 (FIC - flow indicating controller, контроллер индикатора расхода). Функция последнего состоит в ограничении расхода потока продукта (Dp) от блока к клапану, установленному оператором, независимо от запроса клиента (Du).

Поэтому, принцип регулирования согласно изобретению состоит в адаптации опорного сигнала контура FIC 1 в зависимости от измерений чистоты кислорода (Рр).

Иными словами, принцип действия контура управления состоит в адаптации предельного расхода потока продукта (Dp) в режиме реального времени, для обеспечения чистоты при пределах мощности блока VSA. Такая адаптация достигается с помощью функциональной схемы, представленной на Фиг.3 и в которой использован так называемый «упреждающий» алгоритм регулирования, или алгоритм регулирования предиктор Смита.

Преимущество этого типа регулирования состоит в том, что оно предсказывает чистоту O₂ (Рр) с помощью модели, представляющей смоделированную чистоту (Ррm) и, таким образом, позволяющей осуществлять регулирование заранее.

Установка этой системы регулирования затем дает возможность получить распределение чистоты вокруг блока VPS с разностью среднеквадратичных отклонений менее 0,5%, обычно порядка 0,1%, как показано на кривых Фиг.4, независимо от циклов день/ночь.

Однако, как проиллюстрировано на Фигуре 2, когда расход потока, поступающего к пользователю (Du), становится больше, чем расход потока продукта (Dp), это требование к кислороду осуществляется с поправкой на введение резервного кислорода, выходящего из источника жидкого кислорода (LOX), который соединен с трубопроводом, по которому подают газообразный кислород из блока VSA к рабочей площадке пользователя. LOX заблаговременно подвергают испарению перед его введением в трубопровод (зона 3). Таким образом, получают такое рабочее значение чистоты кислорода (Pu), чтобы соблюдалось условие VPS=Pu+X, где Pu - это чистота O₂, измеренная ниже по потоку относительно места введения LOX в трубопровод.

Введение резервного LOX является особо преимущественным, поскольку это дает возможность учитывать запросы на максимальные количества кислорода, поступающие из места использования.