[发明专利]一种循环操作中压力变化联动控制的变压吸附方法

说明书

本发明公开了一种循环操作中压力变化联动控制的变压吸附方法，涉及变压吸附气体分离技术的技术领域，该变压吸附方法通过对变压吸附系统的吸附与解吸循环操作过程进行模拟，由模拟中吸附塔进出口的边界条件确定出机械指定模式、自主判定模式以及机械自主组合模式，该变压吸附系统由至少两个吸附塔组成的一组或多组吸附塔段组成；将确定的控制模式与程序控制阀‑调节阀组合的联动控制，根据两个或以上的目标吸附塔内的即时压力作为参考依据，通过调整阀门组合开与关及开度，即时联动控制气体流速及目标吸附塔内及进出口的压力变化趋势，以增加变压吸附装置对原料气的组成及压力以及变压吸附的吸附与解吸循环操作过程中每个步骤的压力变化的容错性。

技术领域

本发明涉及变压吸附气体分离技术的技术领域，具体涉及一种循环操作中压力变化联动控制的变压吸附方法。

背景技术

变压吸附(Pressure Swing Adsorption，简称PSA)是指，在一定的温度下，通过加压吸附与减压(抽真空)或常压解吸或冲洗置换再生的循环过程，将混合物气体实现分离提纯与净化。可见，PSA是通过改变压力或压力变化来达到吸附和解吸的目的。吸附常常是在压力环境下进行的，变压吸附提出了加压和减压相结合的方法，在一定温度下，它通常是由加压吸附、减压再生所组成的吸附-解吸(再生)循环操作系统。吸附剂对吸附质的吸附量随着压力的升高而增加，并随着压力的降低而减少，同时在减压(降至常压或抽真空)过程中，放出被吸附的气体，使吸附剂再生，从而实现多组分混合气体分离或净化，外界不需要供给热量便可进行吸附剂的再生。由此，在PSA吸附-解吸的循环操作中，吸附步骤的压力保持稳定，而由均压降、顺放、逆放、抽真空/冲洗、均压升、终充等步骤构成的解吸过程，吸附塔的操作压力是不断的变化，并且这种压力的变化，直接影响到解吸与吸附的分离效率和实际操作结果，其中，解吸过程中的均压(均压降与均压升)、顺放是PSA循环操作中压力变化较大的步骤。

在PSA工艺设计中，采用过程模拟方法，对PSA装置规模不断扩大起到至关重要的作用，并且能够突破实验装置的限制，同时可以节约实验的成本。采用过程模拟优化PSA流程，可以对流程的各种工艺参数进行最优化设计，如吸附和解吸压力及其变化、各步骤运行时间、冲洗和置换量、进出口流量、阀门开度、吸附塔高径比等；过程模拟及其优化可以提升PSA装置及技术的性能表现，如提高产物的纯度和收率、提升吸附剂的单位产量、降低过程的单位消耗。PSA的吸附-解吸循环操作流程的过程模拟，包括吸附塔、阀门、缓冲罐、真空泵、压缩机，其中，吸附塔模型是整个流程模型的核心，其包括，质量衡算、动量衡算、能量衡算、吸附平衡(特性)方程、质量传递模型、进出口边界条件、气体状态方程，这些偏微分方程和代数方程组共同构成了吸附塔的数学模型。而吸附塔的进出口边界条件，是构成封闭PSA流程数学模型的必要条件，尤其是PSA循环操作中的每一步边界条件，包括吸附、置换、均压降、顺放、逆放、冲洗/抽真空、均压升、终充等，并且对吸附塔“三传-质量、动量、能量传递”平衡、吸附塔的运行是否处于最优的分离状态及满足设计要求等起到关键作用。一般而言，吸附塔过程模拟的进出口边界条件确定模式有两种，一种是机械指定，一种是根据进出口速度方向自主判定(也称为“自洽”)。在大多数PSA循环操作中，一般事先通过规定吸附塔流体流速、进出口的流速、压力、温度等参数的设定后进行设计塔高与塔径、吸附剂装填量、吸附时间、解吸步骤及相应时间等，来实现吸附-解吸的循环操作，进而达到分离的目的，即，传统PSA循环操作中的吸附塔进出口边界条件是在设计时已规定好的，在实际运行中无需再另外确定。此外，传统的PSA循环操作中的压力变化控制方法，大多是通过吸附塔之间的管道上安装程序控制阀门来控制，其中，程序控制阀是通过预设的时序及组态，通过事先确定吸附塔内及连接吸附塔的管道中的流速、压差及均压时间，并通过程序控制阀的开与关控制，是对吸附塔的进出口边界条件事先确定的值的具体实施的一种控制，即，程序控制阀门仅仅按已设定的程序进行自动控制阀门的开关而实现吸附塔之间的吸附-解吸循环操作过程中的每个步骤进行，与吸附塔过程模拟所使用的。如此，吸附塔进出口边界条件固化而事先确定在PSA设计中进出口边界条件确定模式没有关联，并且仅通过程序控制阀门的开与关来实现PSA吸附-解吸过程的循环操作，存在着如下诸多的问题：