考虑进气条件的空气预净化器的操作方法 本发明涉及空气预净化器，它与低温空气分离装置一起使用，更具体地说，涉及一种用于控制空气预净化器的改进方法，它考虑到各种空气进入条件并因此调节空气预净化器的操作。
低温空气分离装置需要干净、干燥的空气源，以便能够持续和安全地操作。这意味着装置内的进料空气中的水分和CO2必须清除到相当低的水平。这种去除操作减少了热交换器被冰和固体CO2堵塞的问题，该问题往往引起装置过早停车的事故。另外，包含在进料空气中的一些碳氢化合物也必须除去。
进料空气可通过吸附作用除去杂质。变温吸附(TSA)和，在最近，变压吸附(PSA)系统已经被用来除杂质。用于空气分离装置中的TSA空气预净化器系统具有相对较长的循环时间(以小时计)，因此循环之间的换气损失相对不显著。相反，PSA循环时间相对短(以分钟计)，并且它们较频繁的换气意味着压缩进料空气的相对明显的损失。此外，在循环转换过程中，伴随产生一种失常现象。该失常需要一定地时间来抵消，从而造成效率的进一步损失。
PSA预净化器系统的设计一般基于具体应用的给定条件，或更具体地说，基于设计中给定的空气分离装置。保守地选择设计条件，以便在大多数期望的环境条件下获得理想的产率。一般选择尽可能适合于这些条件的固定循环时间。当然，操作的实际条件将随白天到晚上、一天到另一天、一季到另一季而变化。
所有这些变化都会影响PSA净化器的操作性能和效率。循环时间可随时做一些调整。然而，这在实际操作中往往行不通或者恰好被忽略。因此，系统的设计将经常要提供比正常或平均每天实际所需更大的床层厚度。因此，在经过多次循环后将有一定量的床料没有用上而被留下。由于较高的循环频率，和较大的换气损失，导致了较高的基建成本以及较高的操作费用。
用于低温空气分离装置的PSA空气预净化器的应用已被有效地建立。如上所述，预净化器循环时间一般是固定的，并基于对有关环境和设备参数的假设。因此，基于空气总流量和关键是CO2的穿透算出的吸附容量常被用来确定具体应用的循环时间。另外，为保险起见，计算是基于最热天气的温度这一假设。这种计算导致固定一个循环时间，而在循环时间内仅仅用了床料的一部分吸附容量。一旦固定循环时间确定下来，此后它就保持不变。
定时循环PSA系统的实例可见于美国专利US5,042,994,Smolarek,J.,“PSA操作的改进控制”(“Improved Control of PSAOperations”)。Smolarek过程使用一个可变体积的氮产物贮存容器，该容器被监测以便决定按要求的变化。循环在降低需求的期间内进行调整，从而保持期望的产物纯度和压力，以及在停车条件下实现动力消耗的降低和能量的节省。
另一个时间控制型PSA系统的实例可见美国专利US4,810,265,Lagree等，“用于气体分离的变压吸附方法”(“Pressure SwingAdsorption Proceess for Gas Separation”)。这是一个改进的PSA方法，它能使进料气体中更容易吸附的成分经济地被回收，例如从空气中回收氮。更容易吸附的成分在较高吸附压力时用做顺流清洗气(Copurge),而不容易吸附的成分用于在低于大气压的吸附压力下的逆流清洗和在逆流再充气步骤中用于初始再增压。操作顺序是按时间控制的。
美国专利US5,258,056,Shirley,A.I.,“具有产物调节和纯度控制的PSA系统”(“PSA System With Product Turndown and PurityControl”)描述一个控制系统，当为了改变PSA系统中所需产物而进行调节时，该控制系统能保持期望的纯度。一个传感器监测所需产品气体的变化，测得的信号与一标准比较，然后改变进入系统的气体进料速率。
美国专利US4,725,293,Gunderson,J.,“自动控制变压吸附系统”(“Automatic Control for Pressure Swing Adsorption System”)描述一个PSA系统，它使用一个恒定的循环时间和一个控制系统来调整空气输入流量，以便确保产生的氮只含有预定范围的杂质(实质上只是氧)并保持相对较高的氮产出流量。
美国专利US4,693,730,Miller G.Q.,“变压吸附产物纯度控制方法和装置”(“Pressure Swing Adsomtion Product Purity Control Methodand Apparatus”)描述一种用于在PSA过程中自动控制产物纯度的方法，从而当原料变化时可以防止杂质穿透。该方法是检测来自顺流减压流出物的特性并采取正确的措施。其中合适的正确措施是：①调节吸附步骤时间以控制每个床中的杂质量；②调节顺流减压终端压力，从控制在每个床的产物端的杂质穿透，和/或③调节每个床接受的清洗气体的量，以控制再生的程度。
EPA250235,Armond,J.W.等人，“对PSA氧发生系统的改进”(“Improvements in and Relating to PSA Oxygen Generating System”)描述一个系统，当产生氧时，该系统能检测出吸附床出口处氧的浓度。处于每个床出口处附近的氧传感器的输出随着作为床排出函数的时间而变。该控制系统监测随时间变化的氧浓度，以决定接通或关断床的时间。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于控制PSA空气预净化器循环时间的改进方法。
本发明的另外一个目的是提供一种用于控制PSA空气预净化器循环时间的方法，在该方法中，基本上根据入口处空气进料的参数而进行连续控制。
本发明的再一个目的是提供一种用于控制PSA空气预净化器循环时间的方法，该方法能使得吸附剂床在循环期内获得最大限度的利用。
变压吸附(PSA)空气预净化器包括至少一个第一吸附器和一个第二吸附器及用于控制进入第一吸附器和第二吸附器的空气进料的控制器。本发明是一种“实时”方法，用于控制每个吸附器的循环时间，包括如下步骤。在一段确定时间内，测量进入与空气入口相连的吸附器的空气流量。到在线吸附器的实际总流量根据测得的流量值累加。该段时间内，监测空气的进料条件(例如温度、压力、相对湿度)，同时，至少部分地，根据监测的空气进料条件定期地计算和确定流入吸附器的最大总流量。定期地将实际总流量值与当时计算出的最大总流量值比较，当它们之间达到预定关系时，把在线吸附器从空气入口脱开，并将另一个吸附器与空气入口相连。用于控制每个吸附器循环时间的方法也将予以考虑：所需负载的变化，清洗气与进料的比例和在吸附器床转换时发生的失常现象。
图1A是本发明中PSA预净化器的简图。
图1B是一个用于解释本发明方法的高水平逻辑流程图。
图2A是在固定的时间控制循环结束时负载对床长度的曲线图。
图2B是在按本发明方法控制的循环结束时负载对床长度的曲线图。
图3A是在固定的时间控制循环结束时流入床中的空气流量对时间的曲线图。
图3B是在按本发明方法控制的循环结束时流入床中的空气流量对时间的曲线图。
图4A是在固定时间控制的循环结束时床入口处的压力对时间的曲线图。
图4B是在按本发明方法控制的循环结束时床入口处的压力对时间的曲线图。
图5A是在预净化器入口处的平均高温随季节变化的曲线图。
图5B是在预净化器入口处的平均高温随每天时间变化的曲线图。
图6是在稳定的负载操作中，进料温度与到达CO2穿透时的循环时间之间的关系曲线图。
根据本发明的PSA预净化系统示于图1A中。来自空气压缩机后冷却器(未示出)的空气经过管道101进入系统，并经由管道102进入控制阀103。空气经过管道106进入吸附器A。进料空气中的水、CO2和碳氢化合物被吸附器A中的吸附剂除去，上述的每种杂质皆优选小于1ppmv。清洁的空气然后流经管道107，止逆阀108，管道109和管道110而进入低温装置的热交换系统。
同时，来自热交换系统的与周围环境大致等温的低压清洗用气体经过管道119,120和止逆阀121而进入PSA系统。然后它进入吸附器B,杂质在吸附器B中被解吸。废气经由管道115,113和控制阀114离开吸附器B并排入大气中。当循环改变时，吸附器B从进料空气中除去杂质，同时吸附器A被再生。
本发明提供一种通过改变循环时间来使PSA预净化器中压力降损失达到最小的方法，以便每个预净化器床的全部吸附容量得以充分利用。床的吸附容量取决于吸附材料和需要从空气中除去的杂质的数量和特性、流经床层的空气流量和物理参数，以及清洗用气对空气的流量比。对于任何给定的含有已知量吸附材料，或者吸附材料的混合物的PSA系统来说，在给定通过床层的气体流量、已知床入口处的温度、压力和湿度的条件下可以测得其吸附容量。然后可在特定的时间点(即“穿透点”)测得总流量，在穿透点时，一种关键的成分(如，CO2)将开始在出口流出物中以明显低于允许操作极限的浓度出现，一般小于1ppmv。
根据本发明，流入吸附器床的最大总流量(它将为给定大小的PSA预净化器决定循环时间)可根据空气进料温度、压力和相对湿度来调节。另外，它也受清洗气对进料气之比以及空气进料流中碳氢化合物和CO2浓度的影响。使用一种基于这些变化来测定总流量的经验方法来确定在床料必须被再生之前允许流过床层的最大总流量。
为了能根据上述情况进行控制，可使控制器130接受由装在管道101入口处的传感器组件132输入的有关温度(T)，压力(P)，和相对湿度(H)的信号。流量计134提供输入控制器130的气体流量值。另外，控制器130具有许多输出端136，这些输出端连接到各个不同的控制阀(未示出)，以便对系统进行循环控制。
如下面的图1B所示，操作过程中，控制器130基于主要操作条件(箱体150)来计算(例如)每分钟的最大总流量。这一分钟内由控制器130累计的实际流量值被储存起来(箱体152)。当实际流量的运行总和大约等于最大总流量的运行总和时，或达到具有预定的关系(决定箱体154)时，在线吸附器床由于来自控制器130(箱体156)施加在输出端136上的信号而从生产线脱开。此时，阀门动作把入口空气流转向原来是非在线的吸附器床，这时它就变成了在线吸附器床(箱体158)，现在的非在线床被再生，并再次进行循环。
本发明的方法能在5到25分钟的循环时间内适应空气进料温度、空气压力和相对湿度的变化，尽管变化数值相对较小，同时还允许随每天和季节的不同而发生相当明显的温度变化。因此，本发明方法考虑到所需的操作条件和装置每天及季节性的变化，并在所有条件下提高经济效益。监测空气进料条件，以查明进入吸附器的空气中的水分含量。通过利用吸附器床的最大吸附容量，循环改变的频率相应降至最低值。这样一来，减少了排空时空气损失量并提高了操作效率。
根据空气流量和吸附塔的再生来控制清洗气对空气流之比，以便使其符合装置的具体需要。这保证了吸附床合适并有效地再生，以便用于下一次循环。
每次循环换向时，导入空气分离器的压力都会发生变化。该变化影响分离器尤其是蒸馏系统的工作。需要一定的时间来使蒸馏塔克服掉干扰，而所造成的失常就必须通过调节产物流量和纯度来补偿。通过预测循环改变和跟着而来的扰动，控制器130能使被装置利用的空气达到最大值，从而使循环改变所带来的影响变得最小。这种作用有助于在循环改变时稳定空气流量。
本发明能够很好适合于对产物要求的变化。如果加给空气分离装置的负载减少，则控制器130发出感知减少要求的信号，做为响应，延长在线吸附器床的循环时间直至吸附器床被加负载到最大，这一点可由总空气流量确定。这又使排空造成的损失减少到最小，并从而降低了成本。
本发明得到的操作改进由下面的附图来图示。图2A示出了在固定时间控制的循环结束时吸附器床的条件，象现有技术中一样。该纵轴给出了吸附剂上负载的水和CO2，相对于代表床长度的横轴作图。负载曲线的左手部分表示床的饱和条件，相对于从床的入口到活性区的水和CO2。负载曲线陡峭地下降，然后渐近地接近0。
床的使用寿命由CO2的负载量决定。CO2曲线的活性区的右边区域代表在循环结束时还未使用的吸附剂。如图所示，未使用的部分占全部床相当大的一部分。
图2B代表具有根据本发明控制的一个循环的PSA系统的操作。进入床的进口条件与图2A中所给出的条件相同。循环时间由进入床入口的空气流量，压力，温度和湿度控制。在此情况下，床的未用部分明显地减少。本发明的方法允许吸附器床负载到最大值，结果使得负载曲线的下端仍然处于排出物流中CO2的浓度极限之下。
通过合计流入预净化器的空气，本方法允许吸附器床的全部入口条件达到最佳操作，包括空气流量的变化。因此，装置负载的变化可以很容易地被观察到，虽然它仍然维持着同样高效率的状态。按照这种操作模式，循环改变的频率变为最小，因此排空损失同样减到最小。因此也可获得能耗的相应降低。
图3A和3B代表进入PSA吸附器床的空气流量。图3A给出在一个固定时间控制循环中的空气流量，与现有技术一样。在两次循环改变之间，从预净化器流出的空气相对稳定。然而，在循环改变时，由于要对几个床中的一个床增压，因此使得空气流量突然降低。这些压缩机向预净化器供给更多的空气以作出反应。为使这一反应发生需要有限量的时间。因此，初始获得的结果是流量降低，跟着是流量迅速上升，最后是期望流量的过调(overshooting)。接着所需的流量又重新建立了。这种顺序引起空气分离装置的蒸馏部分的不稳定状态，这种状态必须进行补偿。
本发明带来的改进由图3B示出。进入床中的输入条件与图3A给定的条件相同。第一个显著的变化是循环时间的增加。这引起蒸馏系统中潜在失常现象的减少。控制器130制定一个能使空气压缩机的气流恰好在循环改变之前增加的程序。因此，较多的空气可以用来在循环改变时使吸附器床再增压。类似地，控制器130制定一个用于使流量降低到原来所需值的程序，以便过调现象被限制到最小程度。因此，最小的流量扰动伴随循环时间的增加保证了较为平稳和更有效的操作模式。
增压操作的顺序示于图4A和4B中。这两个图基于进入吸附器床的相同输入条件。图4A示出基于现有技术的固定时间控制循环的吸附器床入口处的压力。吸附器床最初被迅速加压到操作压力。然后在线吸附器床在循环的吸附阶段保持稳定的压力。在固定时间的循环结束时，压力迅速下降到一个低值，这时可将清洗气用于再生。在清洗期结束时，吸附器床被再次增压以便重复进行循环。
图4A中的曲线可以直接与图4B进行比较，图4B示出在根据本发明的连续控制循环情况下的操作。进行了相同的操作，但是，由于床中的吸附剂被充分利用，因此循环持续时间延长了。
当用于控制循环次数时，本发明的方法可以基于压力、温度、湿度或进入PSA预净化器的空气流量这些参数中的任一项或多项来进行控制。但是，当所有四项参数都包括在控制方法中时，可以获得最大的改进(和最优选的方法)。
本发明中PSA预净化器系统的设计一般按下述方法进行。正常或平均环境条件考虑到装置所处的地理位置。也考虑了所能想到的最热天的环境条件。装置必须能在这些相对恶劣的条件下，生产出设计量的所需产物。然后为PSA预净化器的设计确定温度、压力、湿度和CO2参数。这些条件可以使吸附器床的尺寸确定下来。
本发明避免了现有技术中存在的吸附器床的一大部分未被利用(当它的操作基于固定时间循环时)的问题。未用床的量将随未被固定时间循环考虑的操作条件的改变而改变。利用一种基于考虑到进料空气流量、其压力、温度和湿度的方法进行循环操作，可以在不危及装置的安全和连续工作的情况下，使最大量的床料被有效利用。这就延长了循环时间，从而降低了排空频率。由于空气损失较少，所以操作费用减少。本发明还允许PSA系统具有符合经济的规模，从而基建投资和操作费用二者都减少到最低程度。实验
下面的实例以宽范围的条件下在PSA预净化器上进行的实际试验为基础。PSA预净化器的吸附床由活性氧化铝和钠Y分子筛组成。收集到的参数包括入口温度和压力，比负载率，即每小时通过每平方英尺床横截面的进料体积(立方英尺)、清洗气对进料气的比例、床中不同高度处CO2和乙炔的浓度、在床出口处达到穿透时所获的循环时间。
使用本发明方法带来的操作方面的改进是基于进入床中的进料的温度随着每天时间和季节的变化而变化。这两种温度变化取决于具体装置所处的地理位置，尽管如此，下面的数据代表一个具有每天12°F温度变化，和52°F的季节性温度变化的典型装置，两种温度变化，每天的和季节性的，性质上基本是正弦形，并示于图5A和5B中。图5B反映了在七月份的最热天所经历的每天的温度变化。
应注意，图中示出的温度是进入预净化器的空气的实际温度而不是环境温度。进入预净化器的空气在进入预净化器之前已经被压缩和再冷却。进料温度反映了用于处理空气的后冷却器和冷却系统的性能。
下面的表描述了在稳定的负载条件下的操作，并列出了操作数据，从这些数据可以发现本发明的改进操作。
设计条件 利用本发明的最 利用本发明的平
大改进值 均改进值进入预净化器的 115 57 85空气入口温度°F(每天平均值)循环时间(分钟) 17.6 32.2 28.2
图6示出了在稳定的负载操作条件下，进料温度与到达CO2穿透(0.5ppm)时的循环时间之间的关系。
当考虑季节变化时，使用本发明的方法确定循环时间来操作PSA预净化器系统将使吸附器床得到最佳的使用。根据本发明方法计算的循环时间，如图5A所示是根据平均每天的温度和季节性温度变化，而不是为最热天的操作设定循环时间，这就表明，一年时间内的平均循环时间将延长38％。
本方法精确地遵循每日情况的变化。示于图5B中遵循每日变化的本方法在操作上的改进引起循环时间在上述季节性改进的基础上再附加11％的改进。
影响吸附器床负载的另一个参数是清洗气对进料气之比。该参数也被包括在该方法中以便用于控制循环时间。如果把清洗气对进料气之比由40％提高到50％来进行操作，随之而来的改进是循环时间大约增加30％。还有，如果吸附床的温度高(如在夏季)，则可用较少的清洗气流来除去吸附床上的杂质，或者如果需要进一步减少循环时间，则不变的清洗气进料将导致更短的循环时间。清洗气流的利用率可以容易地由控制器130控制。
负载的改变也将影响吸附器床的寿命。例如，如果空气分离装置在大约80％的负载下工作，那么在控制循环时间的条件下使用该方法，则可使循环时间延长大约20％。
应该理解，前面的描述只是为了解释本发明。本领域的技术人员在不背离本发明的条件下可以设计出各种替代的和改进的方法。因此，本发明将包含落入所附权利要求范围的所有这类替代的、改进的和变化的方法。