[发明专利]从多个单元高可靠地供应氧气的方法和系统

说明书

一种多单元系统将多个单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元组合在一起。所述单元为诸如系统缓冲罐的共用的氧气供应源供气。监测需求并且使足以满足需求的多个独立的单元在线。如果需求超过供应量，那么使另一单元在线。如果需求下降到低于供应一大于单个单元的输出的量，则使最长时间运行的单元离线。所述多单元系统因此通过以高度冗余且高度可靠和可扩展的方式利用多个单独的单元来满足需求。

技术领域

以下发明涉及用于将多个较小的空气分离单元布置在一起从而以高可靠性的方式从系统提供较大氧气供应的方法和系统。更具体地说，本发明涉及单床可逆式风机真空变压吸附空气分离单元以及耦联在一起的这种单元构成的系统以可靠地提供氧气。

背景技术

使用真空变压吸附(VSA)生产氧气是空气分离技术人员所熟知的。VSA提供了简单的非低温方法来产生纯度为80％至95％的气态氧。在过去的20年中，氧气VSA设备已经广泛应用，并且以各种床构型提供。多床VSA通常在60吨每日(TPD)和更高的尺寸范围中使用。单床过程被采用作为低资本的简单过程以用于更低的生产范围，通常为1TPD至40TPD。典型的单床系统通常由用于供给空气提供器以及再生真空系统这两者的单个风机链组成。所述过程通常包括自动阀以在循环过程中引导空气和真空流。单床过程的较新实施方案使用可逆式风机来产生供给流并应用用于再生步骤的真空。这种最新实施方案非常适用于中小型氧气VSA生产设备(1至10TPD)。在美国专利No.8,496,738中描述了这种类型的单床可逆式风机(SBRB)VSA过程的一个实例，所述专利通过引用整体并入本文。

虽然单床可逆式风机(SBRB)VSA过程在实践中较简单，但与多床系统相比，其简单性与性能折中。首先，缺乏额外的吸附床无法允许关键床达到床平衡。压力平衡步骤是降低功耗和提高产品氧气回收率的关键。技术人员通过向SBRB系统添加均衡罐(诸如由德克萨斯州的休斯顿市的Air Liquide公司提供的SBRB系统中的均衡罐)来克服这种缺陷。

单床可逆式风机VSA系统遇到的另一个问题是它们被限制为相对较小的最佳尺寸，通常是1至40TPD范围内的中小型生产设备的尺寸。这种尺寸限制是由于在与较大(大于40TPD)范围内的其他过程相比时在市场中不存在特大尺寸的可用风机以及VSA过程的较低功率效率。

较大VSA设备往往具有两个床、两台风机配置。这些设备通常是现场安装的，并且需要用于旋转设备的建筑物以及重要的土木工程基础设施，不仅用于建筑物而且还用于冷却水、仪表空气、工艺废水排放等。良好设计的两床VSA设备的通常可靠性是百分之九十八。可靠性被定义为设备的运转可用性。在大多数应用中，这要求客户安装液态氧备用系统，为基础设施的土木工程作业额外增加成本，并且互连到系统中，以及液态氧气罐的成本。需要用于增强VSA系统的可靠性的改进方法，例如以消除或最小化对液态氧备用系统的需求以及以其他方式更有效地实现客户的目标。

发明内容

对于这个问题的一个解决方案是采用通过止回阀连接到共用的歧管的多个可逆式风机VSA单元。每个单元都配备有旋涡泵(或类似的泵)和管理出口压力的控制系统。每个单元的管道尺寸和每个单元的止回阀CV等级均相同。所有单元的压力被调整成在相同的目标中心值周围变化。在这个压力调节中插置伪随机变化，以使止回阀打开和关闭具有“占空比”，以便确保没有单台机器比其他机器递送更多流量。控制系统是控制回路内的比例积分微分控制系统。

多个可逆式风机VSA单元一起运行以及耦联到共用的歧管将冗余性和可靠性构建到系统中。各个单元可以离线以便进行维修，并且通过歧管供应氧气(或其他产品气体)的整个系统保持有极高的可靠性。另外，这类系统的尺度可以超出典型的40TPD最大值。即使各个单元的效率由于增强的可靠性的益处而比两床系统或其他气体分离技术的效率略低，所述益处例如避免了液态氧备用的需求以及与更加模块化并且被配置成用于具有最低基础架构要求的安装的较小的SBRB VSA系统相关的较小的土木工程和其他基础设施成本。