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本发明涉及一种减少或者消除由气体分离装置中的鼓风机所产生的压力脉动和噪音的方法。该方法使用两个同样的和180°异相的同步鼓风机(6，7)一起来提供大的空气流和主动噪音消除二者来消除压力脉动。两个鼓风机(6，7)是以这样的方式同步的：即，一个鼓风机所产生的压力脉冲将通过另一个鼓风机所产生的脉冲而主动消除。同时，两个鼓风机(6，7)将一起工作来推动大量的气体流入或者流出所述的装置。两个一组的鼓风机可以用于所述装置中的进料或者真空应用。这种大吨位装置的资本成本可以通过取消对于昂贵的消音器和单个的大的定制的鼓风机的需要而降低。

1.  一种消除源自气体分离装置中的鼓风机运转的压力脉动的方法，其包括：
a)安装两个同样的鼓风机，每个具有吸入法兰、吸入侧、排出侧、排出法兰和处于该吸入侧和排出侧之间的中心线；
b)将第一鼓风机在排出法兰或者吸入法兰处连接到第一管道，将第二鼓风机在排出法兰或者吸入法兰处连接到第二管道；
c)对称地布置第一管道和第二管道；
d)将第一管道与第二管道在合并点处合并成单个的合并管道；和
e)使得第一鼓风机与第二鼓风机同步，其中第一鼓风机在目标频率产生压力脉动，该压力脉动与第二鼓风机在同样的目标频率所产生的压力脉动是180°异相的。

2.  权利要求1的方法，其中目标频率是鼓风机所产生的压力脉动的主频率。

3.  权利要求1的方法，其中第一鼓风机从它的中心线到它的排出法兰的长度，加上第一管道从该排出法兰到合并点的长度的总和不等于目标频率或者它的更高的谐波的四分之一波长的任何整数倍。

4.  权利要求1的方法，其中第一鼓风机从它的中心线到它的排出法兰的长度，加上第一管道从该排出法兰到合并点的长度，加上合并管道的长度的总和不等于目标频率或者它的更高的谐波的四分之一波长的任何整数倍。

5.  一种气体分离系统，其包括：
a)两个同样的鼓风机，每个具有吸入法兰、吸入侧、排出侧、排出法兰和处于该吸入侧和排出侧之间的中心线；
b)在排出法兰或者吸入法兰处连接到第一鼓风机的第一管道，和在排出法兰或者吸入法兰处连接到第二鼓风机的第二管道；这里第一管道和第二管道是对称布置的；
c)合并管道，在此第一管道和第二管道在合并点一起并入其中；和
d)使得第一鼓风机与第二鼓风机同步的机构，其中第一鼓风机在目标频率产生压力脉动，该压力脉动与第二鼓风机在同样的目标频率所产生的压力脉动是180°异相的。

6.  权利要求5的系统，其中目标频率是鼓风机所产生的压力脉动的主频率。

7.  权利要求5的系统，其中第一鼓风机从它的中心线到它的排出法兰的长度，加上第一管道从该排出法兰到合并点的长度的总和不等于目标频率或者它的更高的谐波的四分之一波长的任何整数倍。

8.  权利要求5的系统，其中第一鼓风机从它的中心线到它的排出法兰的长度，加上第一管道从该排出法兰到合并点的长度，加上合并管道的长度的总和不等于目标频率或者它的更高的谐波的四分之一波长的任何整数倍。

9.  一种用来消除在气体分离过程中所产生的压力脉动的设备，其中这样的设备同时提供进料气或者放出产物气体，所述的设备包括：
a)两个同样的鼓风机，每个具有吸入法兰、吸入侧、排出侧、排出法兰和处于该吸入侧和排出侧之间的中心线；
b)在排出法兰或者吸入法兰处连接到第一鼓风机的第一管道，和在排出法兰或者吸入法兰处连接到第二鼓风机的第二管道，这里第一管道和第二管道是对称布置的；
c)合并管道，在此第一管道和第二管道在合并点一起并入其中；和
d)使得第一鼓风机与第二鼓风机同步的机构，其中第一鼓风机在目标频率产生压力脉动，该压力脉动与第二鼓风机在同样的目标频率所产生的压力脉动是180°异相的。

10.  权利要求9的设备，其中目标频率是鼓风机所产生的压力脉动的主频率。

11.  权利要求9的设备，其中第一鼓风机从它的中心线到它的排出法兰的长度，加上第一管道从该排出法兰到合并点的长度的总和不等于目标频率或者它的更高的谐波的四分之一波长的任何整数倍。

12.  权利要求9的设备，其中第一鼓风机从它的中心线到它的排出法兰的长度，加上第一管道从该排出法兰到合并点的长度，加上合并管道的长度的总和不等于目标频率或者它的更高的谐波的四分之一波长的任何整数倍。

用于气体分离装置的双鼓风机
相关申请
[0001]本申请是申请日2006年6月30日的U.S.系列号No.11/477,908的部分继续申请。
技术领域
[0002]本发明涉及消除在气体分离系统中所用类型的鼓风机运转中的压力脉动以及因此所产生的噪音。
发明背景
[0003]非低温气体分离方法，特别是吸附方法，被用来从气态混合物中分离不同的成分，例如从空气中分离氧气。变压吸附(PSA)方法，包括超大气压吸附/解吸方法、低大气压真空变压吸附(VSA)和横跨大气压真空变压吸附(VPSA)方法几十年来已经被用于空气分离，并且是本领域公知的。
[0004]常规的PSA、VSA和VPSA方法使用容积式鼓风机(positive displacement blowers)来将流体供给到吸附容器中，或者从吸附容器中排出。大吨位气体分离装置，包括VPSA装置，需要高流动的气体流入和流出吸附床。市售的非定制的(off-the-shelf)鼓风机不能将所需流量的空气供给到所述的装置中，而在这种尺寸范围中所定制的鼓风机变得令人无法接受的昂贵。此外，更大的鼓风机在所述的装置中产生了更高的压力脉冲，其会损坏所述的设备，并导致更高的噪音量。
[0005]在VPSA装置中，鼓风机将大量的气体以相对恒定的体积，经由在每个鼓风机的叶片和机壳之间的袋状结构从吸入侧的入口转移到排出侧的出口。气体流入和流出鼓风机是不稳定的，更确切的，它是一种不连续的动作。由于在气袋与管道系统之间的压差，每次当转子头(rotor tips)转过(clear)机壳时，其产生压力波动。这样的波动产生压力脉动。这些脉动是鼓风机尺寸和速度的函数。在管道系统和装置装备中，这些脉动本身表现为振动，其使得管道系统和装置装备发生摇动，并且会导致严重的损坏。在环境空气中，这些脉动表现为噪音，其可能是极其喧闹的。由于需要将这些装置的生产能力提得更高，因此提高了该装置的尺寸和该装置中的鼓风机的尺寸。但是，更大的鼓风机尺寸和更高的转速产生了更高的脉动，其会危及装置装备例如二次冷却器、床和管道，并且还可能产生更大的噪音量。通常，在低频产生最大的损坏脉动。鼓风机所产生的脉动的主频率是该频谱中最低的频率，这使得消除这些脉动非常具有挑战性。
[0006]为了使所述的脉动的影响最小，气体分离装置可以使用鼓风机入口和/或排出消音器。但是，对于更大的装置，这样的消音器变得令人无法接受的昂贵，并且它们通过在流动中产生压力下降而降低了装置效率。即使这些消音器能够减少脉动和噪音，但是，该脉动问题仍然存在，并且需要通过其它的一些手段来消除。
[0007]以前已经进行了一些尝试来解决脉动和噪音问题，包括安装赫尔姆霍茨(Helmholtz)型脉动阻尼器(也称作赫尔姆霍茨共振器，美国专利No.5,957,664)、柱形金属壳排出消音器(美国专利No.5,957,664和5,658,371)和地下型混凝土消音器(美国专利No.6,451,097)。特别的，柱形金属壳型消音器在工业中得以广泛使用，但是对于高振幅和低频率脉动的使用来说，它们不是非常有效的。为了提高它们的效率，已经提出将柱形金属壳型消音器与赫尔姆霍茨共振器结合使用(美国专利No.5,957,664)。但是，这些共振器仅仅在消除某些频率的脉动是有效的。这些消音方法基于反作用(reactive)和吸收性声音消除原理。在设计大的气体分离装置中最大的障碍是它需要非常高的流速，这只能通过使用单个的比市售鼓风机更大的鼓风机或者同时使用两个较小的非定制的鼓风机来实现。美国专利No.5,656,068公开了一种四床VPSA方法(以两对2-床系统来运转，称作2×2循环/系统)来从空气中制造氧气。每对床是180°异相运转的，并且两对床是通过半周期的二分之一来异相运转的。使用两个压缩机(一个是罗茨(Roots)或者容积式的(positive displacement)，一个是离心的)和两个真空泵(一个是罗茨或者容积式的，一个是离心的)，并且两个压缩机中的一个是周期性的处于空闲模式或者排气模式的。虽然在美国专利No.5,656,068中已经公开了使用了两个相对小的鼓风机来代替一个大型鼓风机，但是其没有教导或者使用主动(active)噪音消除的概念。
[0008]美国专利申请No.11/395,140(代理人案号No.D-21491)公开了另外一种方案，其使用消音器来将大吨位的氧气VPSA装置中的真空鼓风机排出处的噪音量降低到大约90dB程度。该消音器包含了反作用腔来削弱低频脉动和吸收腔来削弱中到高频噪音。该消音器的外壁和内部是由混凝土制成。不像钢壳的消音器，该混凝土消音器将不振动或者充当噪音源。低频噪音是通过在一系列反作用腔中扩张和收缩流而消除的，所述的反作用腔在分开的壁中具有多个开孔。吸收腔迫使进行一种曲折的流动，并且它们的整个内壁上覆盖有吸音材料来有效地消除高频噪音。但是，这种方案仍然需要使用大的定制的鼓风机或者使用多个鼓风机来提供足够的进料气供给。
[0009]因此，这里一直需要一种低成本的和可靠的解决方案来防止脉动损坏和降低噪音量，同时以成本有效的方式来提供流入和流出所述装置的气体的高流量。
发明概述
[0010]本发明涉及一种减少或者消除由气体分离装置中的鼓风机所产生的压力脉动和所形成的噪音的方法。更明确的，本发明涉及一种消除源自气体分离装置中的鼓风机运转的压力脉动的方法，其包括：(a)安装两个同样的鼓风机，每个具有吸入侧和排出侧；(b)将第一鼓风机连接到第一管道，将第二鼓风机连接到第二管道；(c)对称地布置第一管道和第二管道；(d)将第一管道与第二管道合并成单个的合并管道；和(e)使得第一鼓风机与第二鼓风机同步，其中第一鼓风机在目标频率产生压力脉动，该压力脉动与第二鼓风机在同样的目标频率所产生的压力脉动是180°异相的。
[0011]所述方法使用两个同样的同步鼓风机来产生180°异相压力脉动。以这种方式，该鼓风机提供了大流量的空气和主动的压力脉动消除二者。这两个鼓风机连接到一个共同的具有相位移的轴杆(shaft)上，以这种方式，一个鼓风机所产生的压力脉冲将被另一个鼓风机所产生的脉冲主动消除。同时，两个鼓风机将一起工作来推动大量的气体流入或流出所述的装置。这两个一组的(twin set of)鼓风机可以用于所述装置中的进料或真空应用。这样大吨位气体分离装置的资本成本可以通过取消对于昂贵的消音器和单个的大的定制的鼓风机的需要而降低。
[0012]已知的消音方法仅仅在某些频率范围内有效。在本发明中，双鼓风机在其源头消除了在每个鼓风机主频率的压力脉动。在主频率的更高谐波的脉动可以持续，并且需要使用常规的消音器来消除。但是，在鼓风机主频率的压力脉动具有最大的损坏能量，并且相比于该频率的更高谐波来说，更难以削弱。从这点来说，与在低频脉冲已经在管道系统中形成之后试图使用消音器来消除它们相比，使用本文中所述的双鼓风机的概念，在装置中低频脉冲产生之后立即将它们进行消除是更有效和经济的。
[0013]本发明还涉及一种气体分离系统，其包括：(a)两个同样的鼓风机，每个具有吸入侧和排出侧；(b)连接到第一鼓风机的第一管道，和连接到第二鼓风机的第二管道；这里第一管道和第二管道是对称布置的；(c)合并管道，在此第一管道和第二管道一起并入其中；和(d)使得第一鼓风机与第二鼓风机同步的机构，其中第一鼓风机在目标频率产生压力脉动，该压力脉动与第二鼓风机在同样的目标频率所产生的压力脉动是180°异相的。
[0014]本发明进一步涉及一种用来消除在气体分离过程中所产生的压力脉动的设备，其中这样的设备同时提供进料气或者放出产物气体，所述的设备包括：(a)两个同样的鼓风机，每个具有吸入侧和排出侧；(b)连接到第一鼓风机的第一管道，和连接到第二鼓风机的第二管道，这里第一管道和第二管道是对称布置的；(c)合并管道，在此第一管道和第二管道一起并入其中；和(d)使得第一鼓风机与第二鼓风机同步的机构，其中第一鼓风机在目标频率产生压力脉动，该压力脉动与第二鼓风机在同样的目标频率所产生的压力脉动是180°异相的。
附图说明
[0015]为了更彻底的理解本发明及其优点，应当参考下面的更详细的说明以及附图，其中：
[0016]图1是VPSA装置的设计示意图。
[0017]图2是双鼓风机系统和压力脉动消除的示意图。
[0018]图3是表示在鼓风机管道系统中的压力场的图。
[0019]图4是表示作为模拟结果所示的压力脉动消除的图，这里管道系统的几何形状是对称的，并且所产生的压力脉动是180°异相。在鼓风机管道合并之后，管道中没有脉动存在。
[0020]图5是表示当脉动不是完全异相和管道系统的几何形状是对称的时，压力脉动没有消除的图。在鼓风机管道合并之后，管道中有脉动存在。
[0021]图6是表示当管道系统不对称时，异相脉动没有被消除的图。在鼓风机出口管道合并之后，在出口管道中存在着脉动。
[0022]图7是表示计算流体动力学(CFD)模拟结果的图，证实了来自每个鼓风机的流动成功地合并到合并管道中，对于给定的体积流量来说。
[0023]图8是表示一种不同的管道构造(Y形)的图，其在消除脉动方面同样是成功的，并且表明了在鼓风机管道合并之后，管道中没有脉动存在。
[0024]图9是表示典型的鼓风机和鼓风机管道的图。
[0025]图10是双鼓风机系统的示意图。
[0026]本发明涉及一种减少或者消除由气体分离装置中的鼓风机所产生的压力脉动和所形成的噪音的方法。术语“压力脉动”可以与术语“压力脉冲”、“气体脉动”、“气体脉冲”、“脉动”或者“脉冲”可互换地使用。术语“管道”可以与“管道”或者“管道系统”可互换地使用。所述方法使用两个同样或者同步的双鼓风机来产生180°异相脉动。该双鼓风机提供了大流量的空气和在鼓风机主频率的主动的压力脉动消除二者。在一种实施方案中，两个鼓风机连接到一个共同的具有相位移的轴杆上，以这种方式，一个鼓风机所产生的压力脉冲将被另一个鼓风机所产生的脉冲主动消除。同时，两个鼓风机将一起工作来推动大量的气体流入或流出所述的装置。这两个一组的鼓风机可以用于所述装置中的进料或真空应用。以这种方式，气体分离装置的资本成本可以通过消除对于一种或多种昂贵的消音器和单个的大的定制的鼓风机的需要而降低。
[0027]图1表示了VPSA装置(1)的设计。在这种具体的装置设计中，双鼓风机是进料鼓风机，但是同样的概念可以等同地应用于真空鼓风机。在进料步骤中，进料气通过入口过滤器(2)和入口消音器(3)而进入所述的装置中。消过音的进料气经由进料入口管道(4，5)而被供给到两个进料鼓风机(6，7)中。每个进料鼓风机将进料气排放到其各自的管道(8，9)，并且在此后，在进入到吸附床(12，13)中的一个之前，将合并的流(10)在二次冷却器(11)中冷却，在吸附床(12，13)中，所述气体中的一种或多种成分被吸收，剩余的产物气体成分被排放到缓冲罐(14)，通过该缓冲罐(14)将其传送到用户(15)。当一个吸附床进行进料(吸附)步骤时，另一个床在真空(解吸)步骤中再生，在此过程中，从吸附床经过真空鼓风机(16)排出的气体是真空化的，并且在排放(18)到大气之前，在真空排出消音器(17)中消音。真空变压吸附(VPSA)循环和装置的概念更详细地描述于美国专利No.6,010,555中。图1表述了双床装置，但是本发明在具有大于两个床的装置中同样是有效的。
[0028]为了减少装置中不期望的脉动，本发明使用两个一组的(atwin set of)鼓风机，通过另一鼓风机所产生的脉动来主动消除由一个鼓风机所产生的压力脉动。本发明可用于常规的任意尺寸的非定制的鼓风机。图2重点表示了VPSA装置中的双进料鼓风机和它们的管道系统。将第一鼓风机(6)和第二鼓风机(7)的管道(8，9)合并为单个的管道(10)，并且两个鼓风机一起工作来推动大量的气体进入所述的装置中。在一种实施方案中，鼓风机是通过相同的电动马达(20)来带动的，同时一个鼓风机直接连接到该电动马达的轴杆(21)上，另外一个鼓风机通过连接到该轴杆上的同步皮带(22)来带动。同步皮带以这样的方式来确保鼓风机之间的恒定的相位移，即，从鼓风机所产生的脉冲是完全相反的(即180°异相)。其它产生恒定的相位移的方法包括但不限于，机构例如齿轮或链条。当由每个鼓风机所推动的气体流过它们各自的出口管道(8，9)时，压力脉动波在这些管道中形成。当两个鼓风机的出口管道合并(10)时，来自每个鼓风机的脉动相互干涉，并最终彼此消除。这是主动脉动消除的基本概念，并且它可以应用于任何尺寸和速度的鼓风机上。图2表示双鼓风机排出侧的管道系统，但是本发明还涉及鼓风机吸入侧的管道系统。在鼓风机的吸入侧和排出侧之一或两者的管道可以对称地布置来实现主动的脉动消除。在其它实施方案中，第一鼓风机可以间接地与第二鼓风机相连接。例如，每个鼓风机可以直接连接到单独的马达上，并且该马达以适当的相位移来连接和同步以便使鼓风机旋转。
[0029]本发明涉及一种消除源自气体分离装置中的鼓风机运转的压力脉动的方法，其包括：(a)安装两个同样的鼓风机，每个具有吸入侧和排出侧；(b)连接第一鼓风机到第一管道，和连接第二鼓风机到第二管道；(c)对称地布置第一管道和第二管道；(d)将第一管道与第二管道合并成单个的合并管道；和(e)使得第一鼓风机与第二鼓风机同步，其中第一鼓风机在目标频率产生压力脉动，该压力脉动与第二鼓风机在同样的目标频率所产生的压力脉动是180°异相的。本发明预期在特定的目标频率来消除压力脉动，该目标频率可以基于第一和第二管道的长度进行选择。通常，该目标频率将处于鼓风机所产生的压力脉动的主频率。
[0030]本发明还涉及一种气体分离系统，其包括：(a)两个同样的鼓风机，每个具有吸入侧和排出侧；(b)连接到第一鼓风机的第一管道，和连接到第二鼓风机的第二管道，这里第一管道和第二管道是对称布置的；(c)合并管道，在此第一管道和第二管道一起并入其中；和(d)使得第一鼓风机与第二鼓风机同步的机构，其中第一鼓风机在目标频率产生压力脉动，该压力脉动与第二鼓风机在同样的目标频率所产生的压力脉动是180°异相的。
[0031]本发明进一步涉及一种用来消除在气体分离过程中所产生的压力脉动的设备，其中这样的设备同时提供进料气或者放出产物气体，所述的设备包括：(a)两个同样的鼓风机，每个具有吸入侧和排出侧；(b)连接到第一鼓风机的第一管道，和连接到第二鼓风机的第二管道，这里第一管道和第二管道是对称布置的；(c)合并管道，在此第一管道和第二管道一起并入其中；和(d)使得第一鼓风机与第二鼓风机同步的机构，其中第一鼓风机在目标频率产生压力脉动，该压力脉动与第二鼓风机在同样的目标频率所产生的压力脉动是180°异相的。
[0032]图9表示一种典型的鼓风机例如鼓风机1(6)，其中存在着具有排出法兰(33)的排出侧。脉冲是由于鼓风机内部的旋转叶片的作用而产生的，并且假定缔合波(associated waves)在鼓风机的中心线(32)开始传播。中心线(32)将鼓风机分为相同的部分，在中心线一侧是排出侧，在另一侧是吸入侧。这些脉冲的频率与鼓风机驱动轴的转速和鼓风机中的叶片数直接相关。这些脉冲的波长只是音速与脉动频率的比率。为了防止在将鼓风机与所述装置中的其它装备相连接的管道回路中的声学共振的形成，应当通过将所述管道的长度与脉动波长相比较来仔细地选择管道的长度。例如，对于单个的将鼓风机与消音器相连的管道情况，由于压力脉冲在所述管道的鼓风机一侧的端部开始传播，因此将这个端部进行封端处理，而由于所述管道通向大得多的空间，因此将所述管道的消音器一侧的端部以开放端的形式处理。四分之一波长(λ/4)共振在这个具有一端封闭，另一端开放的管道中形成。因为这个原因，为了防止所述管道中的声学共振，需要的是从鼓风机中心线(即，波开始传播的地方)到连接管道的开放端的距离不等于目标频率或者它的更高的谐波的四分之一波长的任何整数倍。
[0033]参考图9，从鼓风机中心线(32)到排出法兰(33)的距离称为长度A。管道(34)从鼓风机排出(33)到管道(35)的端部(即，如图10所示，在这里两个管道(8，9)在合并点(40)进行合并)的长度被称为长度B。因此，总长度A+B应当以这样的方式进行选择，即其不促进四分之一波长共振在所述管道中形成。换句话说，A+B应当不等于目标频率或者它的更高的谐波的四分之一波长的任何整数倍。
[0034]长度A根据鼓风机的尺寸而变化。作为一个例子，对于小型试验装置规模的鼓风机来说，长度A大约是9-10英寸，对于最大的市售规模的鼓风机来说，长度A到达至多35-39英寸。VPSA装置中的鼓风机典型的是在40-100Hz的频率范围中运行，并且对应于这个频率范围的波长是10-30英尺。由于长度A可能是与这里提到的波长相当的，因此将这个长度包括到管道长度的计算中来防止声学共振是至关重要的。图9表述了作为直管的排出管道(34)，但是排出管道(34)可以是L型的或者与第二鼓风机的排出管道成一定角度来形成Y型，例如图2、3和10中所示的排出管道(8，9)。图9表示了鼓风机和在鼓风机的排出侧的管道系统，但是本发明还涉及在鼓风机的吸入侧的管道系统。在吸入侧的管道系统的情况中，长度A的度量是从中心线到吸入法兰，长度B是吸入管道系统的长度。
[0035]参考图10，鼓风机1(6)与排出管道(8)相连接，鼓风机2(7)与排出管道(9)相连接。这两个排出管道(8，9)在合并点(40)处连接成单个的合并管道(10)。每个排出管道(8，9)从鼓风机排出延伸到合并点(40)，而合并管道(10)从合并点(40)延伸到进料鼓风机构造的二次冷却器或者延伸到真空泵构造的消音器。图10表示了作为实例的的“L”型管道，其中，图9的管道(34)不必是直管并且可以构造成管道(8)，以及管道(35)的端部是合并点(40)。图10表示了在双鼓风机的排出侧的管道系统，但是本发明还涉及在鼓风机的吸入侧的管道系统。
[0036]非常重要的是对于双鼓风机管道回路进行分析来成功地利用这种工艺。应当对管道系统的声学振荡型(acoustical mode)和自然频率进行鉴别，以防止在管道回路中声学共振的形成。在共振频率的附近，脉动的振幅被放大，并且脉动的消除变得不太有效。此外，根据所述的频率，可以在管道(8，9)中建立不同的振荡型(mode shapes)。
[0037]这里有两种不同的声学振荡型，其可以在双鼓风机的管道(8，9)中形成。这些振荡型中的一些在两个管道中表现出同样的压力场，并且它们在本文中被称为“对称振荡型(symmetrical modes)”。另一方面，存在着另外一种振荡型，其中一个管道中的压力场与另一个管道中的压力场完全相反，它们在本文中被称为“非对称振荡型(asymmetrical modes)”。对称振荡型和非对称振荡型进一步在下面进行描述：
A.对称振荡型：
[0038]在对称振荡型中，在两个鼓风机管道(8，9)直到合并点(40)中的压力脉动是彼此相同的。为了确定声学自然频率，从鼓风机中心线(32)到合并管道(10)的排出端的距离应当被用在计算中。这个距离应当包括从鼓风机中心线(32)到鼓风机排出法兰(33)的长度A，加上从鼓风机排出法兰(33)到合并点(40)的长度B加上合并管道(10)的长度。如果所述的管道位于鼓风机的吸入侧，则该距离应当是从鼓风机中心线(32)到鼓风机吸入法兰的距离，加上吸入管道的长度，加上合并吸入管道的长度。因为管道(8，9)是彼此相同的，因此它们的任一个可以用于计算中。由于鼓风机在管道(34)的鼓风机端产生了封端的条件，并且合并管道(10)的出口具有开放的端部边界条件，因此四分之一波长(λ/4)声学共振在管道系统中形成。对称振荡型的自然频率(f_ns)通过下面的等式给出：
f ns = ( 2 n - 1 ) c 4 L b ]]>   其中n＝1，2，3...(等式1)
L_b是从鼓风机中心线经过鼓风机管道(8或者9)到合并管道(10)端部的距离，c是音速。为了防止在管道(8，9)和合并管道(10)中形成声学共振，从鼓风机中心线(32)到合并管道(10)端部的距离应当不等于目标频率或者它的更高的谐波的四分之一波长的任何整数倍。
B.非对称振荡型：
[0039]对于在管道系统中形成的非对称振荡型，在鼓风机管道(8)之一中的压力脉动与另外一个鼓风机管道(9)中的压力脉动完全相反。此外，在合并点(40)存在着零压力条件，在合并管道(10)中从合并点(40)到该合并管道的端部不存在压力脉动。由于在合并管道中不存在压力脉冲，因此应当只分析将鼓风机1(6)连接到鼓风机2(7)的管道的声学自然频率和振荡型。为了确定声学自然频率，从鼓风机之一的中心线通过连接的鼓风机管道到该管道端部的距离应当用于计算中。例如，对于鼓风机1(6)，这个距离应当是从鼓风机中心线(32)到鼓风机排出法兰(33)的距离加上管道(8)从排出法兰(33)到合并点(40)的长度。如果管道位于鼓风机的吸入侧，那么所述的距离应当是从鼓风机中心线(32)到鼓风机吸入法兰的距离加上吸入管道的长度。
[0040]由于鼓风机产生了封端的边界条件，并且在合并点(40)存在着开放的端部边界条件，因此四分之一波长(λ/4)声学共振在鼓风机排出管道中形成。非对称振荡型的自然频率(f_na)通过下面的等式给出：
f na = ( 2 n - 1 ) c 4 L t ]]>      其中n＝1，2，3...，(等式2)
L_t是从鼓风机1(6)的中心线经过第一管道(8)到合并点(40)的距离，c是音速。为了防止在将鼓风机彼此相连的管道中形成声学共振，从鼓风机1(6)的中心线经过管道(8)到合并点(40)的距离应当不等于目标频率或者它的更高的谐波的四分之一波长的任何整数倍。
实施例1：理论分析
[0041]在鼓风机出口管道(8，9)中的压力场是如图3所示来确定的。该分析显示如果出口管道系统的几何形状是对称的，并且所述的波是完全异相的，在合并的出口管道(10)中的压力脉冲完全消失。在该分析中，原点x＝y＝0(这里x是水平轴，用来度量每个鼓风机出口管道的水平分支，y是垂直轴，用来度量合并的出口管道的长度)位于两个出口管道(8，9)交汇之处，并且在每一侧从90°拐角至原点的距离被设定为L。
[0042]所述的分析如下：在第一鼓风机(6)的出口管道(8)中的压力脉冲是由于第一鼓风机所产生的脉冲而形成的。在这个管道中的压力场具有两个分量，即入射压力P_i1和它的反射压力P_r1，这些压力分量被定义为：
P_i1＝A₁·e^iky和P_r1＝B₁·e^-iky           (等式3)
这里A₁和B₁是压力脉动的振幅，k是波数并定义为：
k = 2 π λ = 2 π f c ]]>                 (等式4)
这里c是波速，λ和f分别是所述的脉动的波长和频率。
同样的，在第二鼓风机(7)的出口管道(9)中的入射压力和反射压力定义为：
P_i2＝A₂·e^iky和P_r2＝B₂·e^-iky        (等式5)
这里A₂和B₂是压力脉动的振幅。
在每一侧的排出管道(8，9)中90°拐角之后，入射压力波的传输部分可以表示为
P_t1＝C₁·e^ik(x+L)和P_t2＝C₂·e^-ik(x-L)        (等式6)
这里C₁和C₂是压力脉动的振幅。
使用等式3、4和5，在出口管道的两个转折点的压力表示为：
当x＝-L和y＝0时， P i 1 + P r 1 = P t 1 + P t 2 ⇒ A 1 + B 1 = C 1 + C 2 · e 2 ikL ]]>
(等式7)
当x＝L和y＝0时， P i 2 + P r 2 = P t 2 + P t 1 ⇒ A 2 + B 2 = C 2 + C 1 · e 2 ikL ]]>
(等式8)
同样使用等式5，水平管中的压力可以表示为：
P＝P_t1+P_t2＝C₁·e^ik(x+L)+C₂·e^-ik(x-L)       (等式9)
在x＝0和y＝0(这里两个出口管道被合并)，等式6简化为：
P＝(C₁+C₂)·e^ikL       (等式10)
合并等式6和7，然后因式分解同类项将得到：
C 1 + C 2 = A 1 + B 1 + A 2 + B 2 1 + e 2 ikL ]]>         (等式11)
由于所述的波是完全异相的，因此
A₁＝-A₂和B₁＝-B₂    (等式12)
如果将等式12代入等式11中，C₁+C₂简化为零，那么压力等式(等式8)在两个管道合并之处也为零。因此在合并的出口管道(10)中的压力P_f将处处为零。这是因为在每个分支上的管道尺寸是相同的，并且管道(8，9)中的压力脉动是180°异相的。
实施例2：确认
[0043]使用市售的有限元程序ANSYS5.7对鼓风机管出口管道进行有限元分析。如图3所示，仅仅模拟了从两个鼓风机到二次冷却器入口的出口管。对于不同的几何形状和10Hz-500Hz脉动频率，研究了该出口管中的压力场。对于令人感兴趣的温度范围(即70℉-300℉)和空气中的波速来说，这个频率范围对应的波长是2英尺-125英尺。同样重要的要指出的是在典型的VPSA装置中，脉动频率主要可能在40Hz-100Hz的范围内，但是其可以高到250Hz。从这点上来说，典型的脉动频率完全地(comfortably)落入了模拟所用的频率范围内。在所述的模型中，鼓风机的作用是作为压力边界输入，并且该压力曲线的形状被假定为正弦曲线。此外，由于管道几何形状的轴对称性，因此仅仅形成二维模型以便节约计算时间和精力。
[0044]在所述的模拟中，鼓风机出口管是12英寸直径，“L”型(即具有90°弯角)的，并且在彼此合并之前，在“L”型的每个边上为5英尺的长度。在所述的模拟中，对于从鼓风机排出至两个管道合并点的管道连接来说，测试了不同的管道长度。观察到管道长度对于最终的合并管道的脉动程度没有影响，这是因为只要管道是对称的并且压力脉动是180°异相的，则所述的脉动在管道合并之后总是相互消除的。同样的，当满足上述的条件时，用不同的激励频率(即，不同的波长)进行的模拟在合并管道中产生了消除的波。但是，在管道合并之前，在所述管道中的脉动程度取决于管道长度和激励频率。为了防止过大的压力脉冲在所述管道中形成，应当对管道长度进行仔细选择，目的是使压力脉动的频率不符合管道的声学共振，并使管道进入共振。管道的长度不应当等于主脉动频率或者它的更高的谐波的四分之一波长的任何整数倍，目的是在所述的波彼此干涉之前，防止四分之一波长共振在管道中形成。
[0045]如图4所示，当所述管道彼此合并时，第一鼓风机所产生的脉冲与第二鼓风机所产生的脉冲相互干涉，并且如果满足对称和180°异相压力条件，则最终所述的脉冲彼此消除。用来自另一个源头的压力脉动来消除压力脉动是减少这样的脉动，尤其在低频率的脉动的成功手段。重要的是保持管道系统的对称性，目的是当来自第一鼓风机的脉动与来自第二鼓风机的脉动相干涉时，这两组的脉动是完全(即180°)异相的并且它们彼此消除掉。如果如图5所示，压力脉冲不是完全异相的，或者如图6所示，管道构造不是完全对称的，则模拟显示压力脉动在合并管道中没有消除。由于这些原因，有效消除脉动的关键因素是具有全面的(all-round)对称的装置，其中鼓风机和管道系统必须在尺寸、几何形状和材料性能方面都是相同的。
实施例3：流动特性
[0046]同样重要的是研究出口管道的流动特性，这是因为管道系统中的流动力学完全不同于波力学。使用方向彼此相反的波可以有效地消除它们，但是从流体力学的观点来说，使两个流动相互直线导向可能导致涡流形成和管道中更高的压力下降。为了这个原因，使用市售的计算流体动力学软件ANSYS/CFX来进行管道回路的计算流体动力学模拟。在这个模型中，使用与波模型和模拟中同样的管长度和直径。假定对于12英寸直径管道，每个鼓风机提供了40,000scfm的极高的空气流速。有意选择流速是高的以便研究在非常高的流动下的流场。图7显示在这些极端流动情况下，来自两个管道的流体的有效和均匀的混合，而没有形成涡流，因此，在这些或任何更低的流速下应当没有流动问题。
[0047]本文中所述的本发明在进料鼓风机的部分中进行了讨论。但是，双鼓风机概念等同地可用于真空应用。实际上，在真空应用中使用双鼓风机是更为关键的，这是因为在真空步骤中置换了最大量的气体/单位时间。在真空步骤中对于更大的鼓风机和消除相应的更高脉冲的声音的需要变大了。
[0048]容积式旋转压缩机可以被分为以下几组：(a)直叶片，包括2叶片和3叶片；(b)螺杆(螺旋)压缩机，包括3+4和4+6；(c)滑动叶片式压缩机，包括6、8或10叶片或者甚至可以使用更高数目的叶片。本发明可以与任何类型的具有任何数目的鼓风机叶片的鼓风机一起使用，只要两个鼓风机具有相同数目的叶片。在每个双鼓风机中具有相同的内部几何形状和相同数目叶片将确保由第一鼓风机所产生的脉冲与由第二鼓风机所产生的脉冲将是相同的。对于双叶片的鼓风机的情况，就几何形状来说，在该鼓风机中具有四个袋状结构。在驱动轴杆的一个完全360°的旋转中，四个袋子通过鼓风机排出，并因此对于驱动轴杆的一个完全旋转来说，产生了四个压力脉冲。因此，对于驱动轴杆的每个90°旋转来说，压力脉动在全循环上完成。为了这个原因，为产生完全的异相脉动，双叶片鼓风机应当是45°异相的。同样地，在三叶鼓风机的情况中，鼓风机中具有六个袋状结构。在驱动轴杆的一个完全的旋转中，六个袋子通过鼓风机排出，并因此通过驱动轴杆的一个完全旋转，产生了六个压力脉冲。因此，对于驱动轴杆的每个60°旋转来说，压力脉动完成一个全循环。为了这个原因，为产生完全异相的压力脉动，鼓风机应当是30°异相运转来消除脉动。作为举例，对于VPSA装置中典型的900rpm的马达转速，驱动轴杆旋转的频率是15Hz(900rpm)。双叶片鼓风机在四倍驱动轴杆频率下产生脉动，三叶鼓风机在六倍驱动轴杆频率下产生脉动。因此，在900rpm运转的双叶鼓风机将在主频率60Hz下产生压力脉动，而在900rpm运转的三叶鼓风机将在主频率90Hz下产生压力脉动。
[0049]测试不同的管道构造来观察管道构造对于波干涉的影响。如图8所示，来自鼓风机的直管代替优选的L型管道，并在它们合并后形成Y型，对其进行测试并产生成功的结果。观察到只要管道系统是对称的，那么任何的管道系统几何形状都将能够达到波消除。
[0050]压力脉动在每个鼓风机的排出点处开始形成，并且它们仅仅在来自两个鼓风机的脉动相互干涉之后消除。为此，在管道在结合点合并之前，使用赫尔姆霍茨共振器可能是防止压力脉动在每个鼓风机管道处形成所必需的。当管道系统的声学共振频率之一符合鼓风机频率或者它的谐波时，所述的脉动被特别地放大。赫尔姆霍茨共振器对于消除某些频率处的压力脉冲是非常有效的。在合并两个管道之前，将一个或多个这样的共振器放在每个鼓风机的出口将消除在特定频率的任何脉动(在它们在这些管道中形成之前)来进一步减少压力脉动。这些一个或多个共振器还可以放在每个鼓风机的吸入侧。非常关键的是将这些共振器对称地放置，目的是它们将不分散在由鼓风机所产生的主频率下压力脉冲的主动消除。
[0051]从技术的观点上来说，消除脉动和装置噪音最有效的方式是从其源头上削弱脉动。本发明利用主动的脉动消除的概念，通过在它们产生之后，立即干涉相同振幅180°异相波来实现。由双鼓风机所提供的主动的脉动消除在鼓风机主频率下消除了最大危害的低频脉动。从这点而言，主动的脉动消除相对于反作用和/或吸收性消音器总是优选的，这是因为反作用和/或吸收性消音器对于削弱低频脉动不是有效的。此外，在它们从鼓风机中排出之后，立即消除脉动意味着在装置管道和装备上更小的应力和更大的可靠性。
[0052]在本发明的另外一种实施方案中，位于鼓风机吸入侧的管道同样是对称的，并且合并成一个合并管道，其可以和赫尔姆霍茨共振器和/或消音器一起使用。
[0053]更小的鼓风机产生更小振幅的脉冲，相比于由大很多的鼓风机所产生的脉冲而言，这是因为脉冲振幅与鼓风机尺寸直接相关。从这点而言，使用双鼓风机产生了更小的脉动，并因此比单个大鼓风机较少出现问题。
[0054]典型的VPSA装置装备有进料鼓风机入口和真空鼓风机排出消音器来消除该装置中不期望的噪音和脉动。随着该装置的尺寸变大，这样的消音器的尺寸和成本也增加了。当消音器本身不足以削弱很高程度的鼓风机脉动时，有时候除了该消音器之外，还使用赫尔姆霍茨共振器。本发明消除对于昂贵的大的消音器的需要。使用一种或多种床的气体分离过程可以使用本发明来供给进料气到所述的床或者用来排空所述的床。
[0055]高的气体脉动还是气体分离装置中的装备可靠性的重要问题。过去，许多的故障是由于鼓风机所产生的气体脉动引起的。两个一组的鼓风机将消除潜在危害的高气体脉动，并且作为结果，将提高装置的可靠性。
[0056]本发明还消除了对于昂贵的和定制的大型鼓风机的需要。双鼓风机的概念利用了两个相对小的和市售的鼓风机来将大量的空气流提供到所述的装置中。这种方案的令人无法接受的昂贵的备选方案是定制一种鼓风机，其产生每个小型鼓风机二倍的流量。除了昂贵之外，这样大型的鼓风机产生非常高的脉动，并且消除这样的脉动噪音变成一种昂贵的和挑战性的任务。
[0057]虽然已经参考某些优选的实施方案对本发明进行了详细的描述，但是本领域技术人员将认识到这些是落入权利要求的主旨和范围内的其它实施方案。