CN107249714A - 利用滑动的反转风机吸附 - Google Patents

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Abstract

一种用于基于反转风机吸附的空气分离单元的驱动系统构造成不仅沿着正向和反向方向周期性地驱动反转风机，而且允许反转风机在其操作周期的一部分期间滑动。在滑动时，风机上的压差仅用于使反转风机在正向和反向的操作方向之间切换。由此，需要的功率更少。在滑动时，风机还能够构造成输出功率，例如用作发电机的驱动马达或者将由风机驱动的机械功率输入装置用于发电和/或储能。这样的系统有利地利用与风机上的压差相关联的能量以用于能量收集并且进一步加快用于基于反转风机吸附的空气分离单元的周期时间。

Description

利用滑动的反转风机吸附
技术领域
以下的发明涉及基于反转风机吸附的空气分离系统。更特别地，本发明涉及基于吸附的空气分离系统，其使用反转风机以将空气驱动到吸附床中并且反转以将气体从吸附床抽出，其中，将风机滑动而不是马达驱动用于周期的至少一部分和可选的发电。
背景技术
使用真空变压吸附(VSA)生产氧气对于空气分离技术人员来说是公知的。VSA提供简单的非低温方法以生产纯度为80％至95％的气态氧。在过去的20年中，氧气VSA设备已经获得广泛使用并且提供了各种不同的床构造。多床VSA通常以60吨/天(TPD)以上的规模范围使用。单床处理被用作投入更低、更简单的处理以用于通常为1TPD直至40TPD的较低生产范围。典型地，单床系统通常由单个风机传动系(blower train)构成，其用于进给空气供应装置以及再生真空系统。该处理通常包含自动阀，以在周期期间引导空气和真空流。单床处理的较新的实施例使用反转风机以生成进料流并且施加真空以用于再生步骤。这种最近的实施例能够良好地适用于小规模到中规模的氧气VSA生产设备(1至10TPD)。在美国专利US8496738中描述了这种类型的单床反转风机(SBRB)VSA处理的一个示例。
尽管单床反转风机(SBRB)VSA处理易于实施，但是在与多床系统相比时，其简易性也伴随有性能上的折衷。首先，缺少附加的吸附床就不允许进行至关重要的床与床之间的平衡。压力平衡步骤是降低功耗和增加氧气产品回收的关键。本领域技术人员通过为SBRB系统增加平衡罐(例如由德克萨斯州休斯敦市的Air Liquide提供的SBRB系统中的平衡罐)来克服该缺陷。
单床反转风机VSA系统的另一个问题是与马达反向转动时的能量损失相关联的低效。马达需要快速地减速，然后在仅仅数秒的时间内沿着反转的方向加速。通常使用电阻性的电制动，但是这会产生大量的热，这对VSA系统并无益处而只会损耗能量。因此，对于能够更有效地和更高效地使风机反转的SBRB系统例如VSA吸附系统存在需求。
发明内容
根据本发明，一项技术是在反转风机VSA处理的周期的一些部分期间利用滑动。这样的滑动通过经由连接到旋转叶片风机的反转马达转移动能而降低硬件资金成本。从用分子筛材料填充的吸附容器获取由风机产生的气流。当达到预定真空以用于再次充填分子筛材料时，切断马达。风机上的压差促使风机快速停止并且反向转动，由此启动处理的下一个步骤而无需使用电能制动，并且使旋转叶片风机反转。在正向进给阶段结束时也可以使用类似处理，此时吸附容器中的压力作用于在“停机模式(off mode)”中再次滑动的风机上，以使风机快速减速至停止并且使其加速反转。
压力传感器设置在容器上并且动态地分析压力传感器的变化率以确定何时再次施加功率。通常，在已经用掉吸附容器内部的真空和周围环境之间的压差中所储存的大部分能量之后再次施加功率，以使得能够在期望压力下将空气进给到吸附容器中，以用于通过选择性吸附来实现最优的气体分离。通过利用这样的滑动能够实现节能约20％的最优值。
本发明的系统和方法能够与单床反转风机(SBRB)空气分离单元以及采用空气分离单元的其它反转风机一起使用。空气分离单元能够是各种真空变压吸附的类型或者各种变压吸附的类型并且仍然能够受益于本发明的滑动和/或再生功率收集和利用的细节。
作为本发明的替代方案，能够捕集在风机马达加速期间例如在正向进给/加压和反转回收/真空周期期间产生的过多能量。这些过多的能量被捕集并储存为电能并且回送至其它的系统部件。例如，再生变频驱动装置用于控制反转风机VSA系统的马达/风机。当旋转方向为反向时，以高压气体的形式储存在吸附容器中的势能倾向于使风机加速超过马达的目标速度。在此时间段期间，马达成为发电机并且能够储存过多的电能以供马达今后使用或者经由公共DC总线输送到其它的变频驱动装置。任何剩余的能量都能够回送至源。
附图说明
图1是现有技术中的单床反转风机真空变压吸附空气分离单元的示意图，其作为本发明所能够适用的技术的示例。
图2是单床反转风机真空变压吸附空气分离单元的示意图，在其中包括抽气回收罐，以增强空气分离单元的性能并且限定用于在本发明的一个实施例中使用的、改进的真空变压吸附空气分离处理。
图3至图5是与图2所示相类似的示意图，但是用各种不同的箭头示出了在反转风机真空变压吸附空气分离单元的操作中的各个步骤。图4还包括用于反转风机的驱动系统的示意图，所述驱动系统还能够通过也可以用作发电机的马达或者通过利用功率输出装置而可选地用作再生功率发电机，所述功率输出装置用于在风机上安置负载以及用以在其通过风机上的压力梯度而沿着正向或反向的方向被驱动时从风机提取功率。
图6是示出了在本发明的处理的操作中能够反转的风机的速度和方向以及从吸附容器生成的气体中的O2百分比的曲线图，并且还示出了抽气回收罐何时打开和关闭以增强空气分离系统的性能。
图7是在反转风机空气分离单元的操作周期的各个不同部分期间的吸附压力与时间的曲线图，并且示出了在能够根据本发明使用滑动时的典型时段。
图8是进一步示出根据本发明的空气分离单元周期的操作阶段的表格，包括用于典型系统的以秒为单位的各个阶段的持续时间、以及在空气分离单元的各个操作阶段期间的风机的操作模式。
具体实施方式
参照附图，其中，相同的附图标记在不同的附图中始终表示相同的部件，附图标记10(图1)指代现有技术中的氧分离装置，其构造成从空气分离/浓缩氧气。通过本发明的空气分离单元110(图2至图5)和本发明的风机驱动系统210(图4)来改进这种分离装置，正如在下文更加详细描述的那样。
实际上，特别地参照图1，公开了通过本发明的空气分离单元110和风机驱动系统210改进的氧分离装置10的基本细节。氧分离装置10包括吸附床20，所述吸附床20在其中包括吸附材料，所述吸附材料相比于氧气优先吸附氮气、CO2和水。阀30位于吸附床20的下游。缓冲罐40设置在阀30的下游。风机50限定位于吸附床20上游的泵的优选形式。控制器60联接至阀30和风机50(或其它泵)以控制阀30的打开和关闭并且控制风机50(或其它泵)的操作方向，从而将空气提供到吸附床20中或者抽真空以从吸附床20脱附(desorb)和移除氮气。通常，在风机和吸附床之间需要设置换热器以移除在压缩空气时产生的热量。在周期的真空阶段期间可以绕过换热器。
继续参照图1，描述了吸附床20的细节。吸附床20包括用于包含吸附材料的外壳22。该外壳22包括与出口26间隔开的入口24。入口24和出口26限定了用于通向外壳22中的第一端口和第二端口的优选形式。入口24和出口26通常整合到盖或“端板”中，所述盖或“端板”能够被移除以允许接近外壳22中的吸附部件。否则，外壳22优选地被密封以防止气体泄漏进入外壳22或者离开外壳22。
吸附床20内的吸附材料可以是相比于氧气优先吸附氮气的任何形式的材料。一种这样的材料是分子筛例如nitroxy siliporite。该材料优选以珠的形式供应，其通常为球形或者可以是不规则的形状。由于珠由外壳22内的分子筛材料构成，气体通路延伸穿过吸附材料、在吸附材料之间延伸以及在吸附材料周围延伸。
最优选地，压力通风系统构造于吸附床的入口和出口端处以跨越床的截面提供均匀的气流。在优选构造中，入口24位于出口26下方，并且入口24处于外壳22的最低部分处，出口26处于外壳22的最高部分处。外壳22可具有各种不同的形状。在一个实施例中，外壳22可以为大体矩形的形状。外壳可以成形为类似于压力容器以使在外壳22上抽成的真空量最大化，同时使必须设计到外壳22中的材料强度量(即壁厚或材料选择)最小化。如果吸附材料的尺寸小到足以可能通过入口24或出口26，则在入口24和出口26处提供过滤器以将吸附材料保持在外壳22内。
继续参照图1，描述阀30的细节。阀30插置在从吸附床20的出口26延伸并且延伸到缓冲罐40的管线32上。该管线32优选实际上为刚性管线，具体地在阀30和吸附床20之间为刚性，以使得当在吸附床20上抽真空时，管线32不会塌陷。阀30优选地被密封以在阀30处于关闭位置时防止任何形式的泄漏而在阀30处于打开位置时仅允许气体沿管线32通过。
阀30优选地联接至控制器60以控制阀30的打开和关闭。可选地，阀30可以具有内置在阀30内的控制器，该控制器能够进行单次设定且随后根据其设置进行操作。
尽管阀30通常是一次性编程且随后根据这样的设置进行操作，但是阀30可选地也可以至少部分地通过控制系统进行控制，所述控制系统包括传感器和给阀30的反馈。例如，氧传感器能够设置在阀30附近或者沿着阀30和吸附床20之间的管线32设置以检测阀30附近的氧气浓度水平。阀30附近的氮气可以是吸附床30内的吸附材料的氮饱和以及氧分离装置10需要改变操作模式以使风机50(或其它泵)反转从而抽真空并且从吸附材料脱附氮气并将氮气抽出吸附床20以再充填系统的指示。
通常，使用压力变换器实现周期的控制，该压力变换器在适当的时间使风机反转。通常，抽气周期在真空达到一定的预定水平时开始。之后，阀30被打开预定的时间量，使得氧气的抽气层能够从床抽走剩余的氮气。这样，压力和真空周期由压力确定并且对周期的抽气部分进行定时。
其它的传感器也可能用于允许氧分离装置10最有效地进行操作。阀30优选地是以最少量的润滑剂进行操作或者能够用与氧气处理相容的润滑剂进行操作的类型。阀30和氧分离装置10的其它部分也优选地由与氧气处理相容的材料形成。例如，黄铜通常在氧气的处理方面有效，由此，当系统10用于氧气分离时，黄铜是能够适当地用以制造阀30的一种材料。
继续参照图1，描述缓冲罐40的细节。缓冲罐40对系统的操作而言不是必需的，但是其允许形式为氧分离装置10的系统大体连续地输送氧气并且缓和系统中的压力尖峰。在图1中，缓冲罐40包括具有输入口44和输出口46的外壳42。然而，缓冲罐通常不必具有分开的入口和出口。因为其目的仅仅是作为蓄集装置并且最小化在变压吸附过程中固有的压力波动。输入口44联接至吸附床20下游的阀30的侧部上的管线32。
缓冲罐40在输出口46上通常具有某些形式的调节阀，所述调节阀在缓冲罐40下游的用氧系统需要氧气时从缓冲罐40送出氧气。缓冲罐40的输入口44能够保持与阀30流体连通。当吸附床20主动吸附氮气并且氧气流入缓冲罐40时，缓冲罐40可以包含高于大气压、且所处压力与吸附床20的操作压力匹配或者略低于吸附床20的操作压力的氧气。
传感器能够与缓冲罐40相关联，当缓冲罐40接近充满条件时，所述传感器与控制器60协作以关闭氧分离装置10。在许多应用中，压缩机位于缓冲罐40的下游以填充氧容器。当该容器充满时，系统将被关闭。如果需要，也可以在缓冲罐40的输出口46上提供压力调节器，使得从缓冲罐40供应的氧气的压力保持基本不变。类似地，如果需要以高于缓冲罐40内的压力的升高压力供应氧气，则可以在缓冲罐40的下游提供氧泵。
最优选地，缓冲罐40不是特别高压力的罐，使得包括风机50(或其它泵)和吸附床20的氧分离装置10在向缓冲罐40输送氧时不需要以特别高的压力进行操作。通过使缓冲罐40的压力最小化，能够大幅减轻缓冲罐40(和系统10的其它部件)的重量。而且，由于跨风机的压降减小，因此由风机耗用的功率也得以减少。
继续参照图1，描述风机50(或其它泵))的细节。该风机50通常包括联接至驱动装置例如电动马达的壳体52，在壳体52中具有某种形式的原动机。在优选实施例中，风机50的壳体52包括直接接入周围环境的入口54。还在壳体52上提供排放口56，该排放口56位于风机50的最靠近吸附床20的一侧上。
风机50优选地是以直接驱动方式联接至电动马达的两叶或三叶的旋转风机的形式。在一个实施例中，电动马达是五马力的三相马达，旋转风机是两叶或三叶风机并且当在大气压下进行操作时每分钟可以输送大约100立方英尺。该旋转风机还优选地构造成在吸附床20上抽真空时具有可接受的性能。
旋转风机的叶片优选地构造成使得它们在沿着任一方向、在入口54和排放口56之间使气体移动通过风机50时具有大致相似的效率。在一种形式中，这些叶片由此为对称形式，使得它们在风机50的两个旋转方向上都类似地作用于空气。
风机50优选地基本为正排量类型，使得其在吸附床20上抽真空时保持适当的性能，从而当风机50沿着反转方向操作时能够从吸附床20中的吸附材料中有效地脱附氮气，以从吸附床20抽出氮气并且将氮气从入口54送出。
最优选地，风机50以直接驱动方式(或者通过变速箱)联接至电动马达。最优选地，电动马达是三相交流马达，该马达能够通过使三相中的两相反向而轻易地反转。以这种方式，控制器60只需要使三相马达的两极反向。在另一实施例中，可以使用直流永磁体，其中，能够通过使极性逆反而使旋转方向反向，这就相应地使风机的旋转反向。几乎所有的三相电动马达都能够如上所述进行反转。直流马达也易于从许多制造商获得，该直流马达通过改变极性而使其旋转方向反向。
其它类型的泵也可以替代地用于将空气抽入用于氧分离装置10的吸附床20以及将氮气从吸附床20抽出。例如，这样的泵可以是正排量泵，譬如活塞泵或蠕动泵。也可以使用其它形式的正排量泵，其中包括摆线泵、齿轮泵等。也可以选择非严格意义的正排量泵的其它形式的泵，例如离心泵或轴流泵。用于将空气泵入系统以及从床排气的最有效方案取决于最终用户的需求。
继续参照图1，描述根据优选实施例的控制器60的细节。控制器60示出为通过风机信号线62联接至风机50(或其它泵)并且通过阀信号线64联接至阀30的单独单元。实际上，控制器60可以集成在阀30中或集成在风机50(或其它泵)中或设置为如图1中所示的独立单元。还应当理解，控制器60能够分成两个(或更多个)单独的装置，其独立于风机50和阀30或者集成在风机50和阀30这两者中。
控制器60提供控制风机50的操作方向并且控制阀30打开或关闭的基本功能。控制系统已被用以简单地对周期进行定时。通常，控制器构造成对压力或一些其它的输入量作出反应。
在下文详细描述了用于风机50的方向控制以及阀30的打开和关闭的优选顺序。控制器60可以是可编程逻辑装置的形式或可以是专用集成电路的形式，或者可以是专用计算机或通用个人计算机或其它计算装置的CPU的形式。控制器60能够构造成具有例如在制造期间设定在中央受控位置的操作参数，或者能够构造成允许在操作之前和/或在操作期间进行现场编程。
在使用和操作时，具体地参照图1，描述现有技术中的氧分离装置10的操作细节。应当理解的是，在分离不同于从空气中分离氧的其它气体时，分离装置10将类似地进行操作，并且在提供氧分离装置10时的操作仅作为一个示例。
首先，系统10构造成使阀30关闭并且促使风机50(或其它泵)沿着将气体驱出吸附床20(沿箭头E)的方向旋转。这是用于从吸附床20中的珠脱附氮气的真空周期。特别地，风机50旋转以促使气体(沿箭头E)被抽入到入口54中。由风机50从床20移除该气体并且促使其通过排放口54而沿箭头F远离吸附床20并且进入周围大气中。
氮气(或其它不想要的气体)由吸附床20内的吸附材料吸附。通常，该吸附材料还吸附水蒸汽和二氧化碳以及可能吸附微量的包括污染物的其它气体。
在真空周期的最后部分期间，阀30被打开以允许将缓冲罐的少量内含物引入吸附床中。该步骤称为“抽气阶段(purge phase)”。抽气阶段用于将氮气(以及一些二氧化碳和水)抽出管件线路并且释放阀30和风机50之间的空间，但并非大量地抽出到周围大气中。该较短的抽气阶段通常被定时以与通过实验计算或确定的量值匹配，但是也能够基于传感器读数而结束。该抽气阶段使真空周期结束并且先于下面的吸附周期。
随后，风机反转以开始吸附周期。空气在风机50的入口54这一端口处(沿着箭头A表示的方向)被抽入风机。空气(沿箭头B)流入吸附床20，其中氮气、二氧化碳和水被优先吸附。在吸附床中未被吸附的气体(通常为氧气和氩气的混合物)通过阀30进入缓冲罐40。
吸附床20也可以一定程度地吸附氧气。然而，选择吸附材料以使其较之氧气优先地吸附更多的氮气。由于在吸附床20内存在吸附材料，因此基本上只有氧气(或其它所需的气体)能够通过出口26离开吸附床20。通常，氩气也与氧气保持在一起。由于空气中含有约1％的氩气和约20％的氧气，所以该20∶1的比例通常导致在出口26处从吸附床20排出的气体包含约95％的氧气和5％的氩气。
因为阀30是打开的，该氧气能够(沿箭头C)流动通过阀30并流入缓冲罐40中。由此用氧气填充缓冲罐40。如果需要氧气，则能够从缓冲罐40的输出口46(沿着箭头D)排出氧气。吸附床20内的吸附材料最终变为氮气以及其它化合物例如水蒸汽和二氧化碳饱和。这样的饱和点能够提前计算并且校准到分离装置10中。替代地，能够例如沿管线32在阀30附近设置传感器，以感测实际上应仅为氧气和氩气的混合物内的氮气或其它污染物。这样的传感器能够促使系统检测吸附床20内的吸附材料的这种饱和并且由此将氧分离装置10的操作模式从吸附周期改变为真空周期。触发这种改变的其它传感器可以是单独的或者与时钟或校准表相结合的压力传感器或体积流率传感器。目标是在吸附床20饱和之后防止氮气或其它污染物通过阀30。
当已感测到正在发生这样的饱和或者预测到将要发生这样的饱和时，分离装置10通过关闭阀30而改变操作模式。然后，风机50(或其它泵)使其操作方向反向。例如，控制器60能够使联接至风机的三相电动马达的三相中的两相反向。风机50相应地被促使沿着相反的方向转动并且开始将气体(沿箭头E)从排放口56抽出吸附床20并且抽入风机50中，然后气体通过入口54离开风机50释放到周围环境中，以作为上述的真空周期的重复。
控制器60能够利用从吸附床20内的吸附材料有效脱附氮气所需的典型时间量进行编程。通常，控制器60感测吸附床20中的阈值低压力。然后，系统操作如上所述地继续，在较短的抽气阶段之后返回到脱附周期。
用于氧分离装置10的这种操作顺序能够潜在地自身无限重复。当缓冲罐40充满(或者由缓冲罐40填充的容器充满)时，与缓冲罐40相关联的适当传感器能够指示其已充满并且关闭氧分离装置10。当例如通过缓冲罐40中的压力下降而感测到需要附加的氧气量时，能够向控制器60发送信号以再次促使系统开始操作。
根据本发明，改进的空气分离单元110通过本发明的空气分离单元(ASU)110和下文更加详细描述的驱动系统210来实现对现有技术中的单床反转风机(SBRB)真空变压吸附(VSA)氧分离装置10的改进。在该示例性ASU 110中，SBRB VSA空气分离单元(ASU)110被改进成包括抽气回收罐160。ASU 110的多个其它部分均与例如在图1所示的现有技术中的SBRB VSA技术相类似。
实际上，特别地参照图2，描述根据优选实施例的ASU 110的基本细节，其中，ASU110通常也包括如上所述的氧分离装置10的很多细节。由将空气供应至容器120的进气装置130向单吸附容器120进给。在容器120的下游，O2供应管线125通向O2处理罐140，所述O2处理罐140可选地设置用于在由设备使用O2和/或将O2用于O2处理罐140下游的处理之前包含过量的O2。可反转的风机150插置在吸附容器120和进气装置130之间。抽气回收罐160优选地通过控制阀165联接至容器120下游的O2供应管线125，所述控制阀用以控制抽气回收罐160的打开或闭合。压缩机170优选地设置在O2处理罐的下游，其能够控制由ASU 110供应的O2的压力。
更具体地，继续参照图2，描述ASU 110的具体细节。单吸附容器120在入口122和出口124之间延伸，其中，入口122限定了容器120的最接近进气装置130的一侧而出口124位于容器120的与入口122相对的一侧上。该容器120能够具有多种构造中的任意一种。尽管该容器120被描述为单吸附容器120，但可以设想的是能够在单吸附容器120的上游和下游设置歧管，以使得能够并行地提供多个容器120，而且这些容器联合操作，以使得ASU 110仍然用作单床反转风机(SBRB)系统，但是仅仅可选地将附加容器120用于调节容器120的尺寸。
容器120包含吸附材料，所述吸附材料较之O2优先吸附N2。该材料通常设置为珠或其它固体介质的形式，以在气体从入口122延伸到出口124时允许气体在固定介质周围流动并且经过吸附材料的表面。吸附材料的表面在其上吸附氮气，允许O2通过容器120。一般地，容器120内的材料还吸附水蒸气和各种其它气体，而通常不会吸附空气内的氩气并且氩气随氧气一起离开容器120。容器120包括容器壁，所述容器壁足够坚固，以使其能够在承受从下端处的接近真空到上端处的约为大气压(但是也可能略高于大气压)的范围内的压力时保持其容积。
最简单形式的进气装置130仅包括开口，所述开口开向周围大气以用于让空气进入ASU 110。在示出的实施例中，进气装置130能够包括某种形式的过滤元件例如颗粒物过滤器并且包括与抽气端口134间隔开的空气端口132。进气装置130内的阀促使在风机150将空气抽入容器120中时通过空气端口132吸入空气，而抽气端口134在风机150反转时排放气体(主要包括N2)并且从容器120抽出气体。抽气端口134优选地与空气端口132间隔开，以最小化氮气排气遵循其路径回流到空气端口132中的可能性。如果需要，抽气端口134可以通向其它设备例如氮气回收设备。
容器120下游的区域通常被统称为O2输出部，其中，大部分为O2的气体保留在ASU110的这些部分中。在生成所要使用的氧气或者在只能将超过ASU 110的下游设备所需用量的过量O2排放至大气的系统中能够避免使用O2处理罐140，或者在ASU 110的下游设备自身包括适当容积例如为罐或其它设备的形式从而不需要O2处理罐140的系统中能够避免使用O2处理罐140。然而，通常，O2处理罐140被设置用以在可反转的风机150将空气驱动到容器120中并且ASU 110正在生成O2时保持所生产的过量O2，以使得当风机150反转并且容器120处于回收模式且从其排放氮气时，能够从O2处理罐140继续供应O2以便提供给下游的用氧设备(图4)。
最优选地，产品止回阀145设置在O2处理罐140的上游。该止回阀145用于将增压氧气保持在O2处理罐140内并且防止氧气回流返回容器120。该产品止回阀145还提供了O2供应管线125内的一种阀的形式，可反转的风机150对其做功，以使得能够对容器120至少部分地抽真空，并且没有任何气体从O2供应管线125显著地泄漏到容器120中。需要这样的真空以用于通过促使材料释放N2来回收容器120内的物料并且恢复到准备好再次优先吸附N2并且将O2供应到O2处理罐140的状态。O2处理罐140包括与出口144相对的入口142，其中，入口142位于产品止回阀145附近，出口144进一步通向ASU 110下游的用氧设备。
可反转的风机150在可反转的风机150的最靠近进气装置130的一侧上包括入口152并且在可反转的风机150的与入口152相对的一侧上包括出口154。该可反转的风机150优选地是正排量泵，最典型地是旋转叶片类型，其既能有效地吹送空气通过容器120以制氧，而且也能在反转时有效地对容器120抽真空。联接至可反转的风机150的旋转叶片式原动机的马达最优选地是这样的电动马达类型，其能够例如通过使与电动马达相关联的电场的极性逆反而易于反转，或者是能够沿着在与可反转的风机150相关联的设备上以最小应力进行操作的方向易于反转的某些其它类型的电动马达。通常，控制器联接至可反转的风机150，其在适当的时间将信号发送到可反转的风机150以促使风机从向容器120中送入空气反转成从容器120中抽出气体。
抽气回收罐160优选地在其中设置有联接至O2供应管线125的开口，所述开口优选地位于容器120的出口124和产品止回阀145之间的接合部162处。作为替代方案，抽气回收罐150通常能够在吸附容器120的位于容器120的与入口122相对的一侧上的部分处直接联接至吸附容器120。
控制阀165插置在罐160和O2供应管线125之间。替代地，该控制阀167能够插置在罐160和容器120之间。在任一构造中，控制阀165、167从闭合状态和打开状态转变，在闭合状态中，抽气回收罐160与O2供应管线125和吸附容器120隔离，在打开状态中，抽气回收罐160开向O2供应管线125和/或吸附容器120。控制阀165、167通常联接至伺服马达，以使其成为伺服阀(SV)的形式。
控制阀165联接至它所能联接的控制器或者联接至同一个与可反转的风机150相关联的控制器，使得以与可反转的风机150的反转同步的方式进行抽气回收罐160的打开和闭合。如果需要，这样的控制器或控制器组还能够联接至例如氮气传感器这样的传感器，其能够检测容器120下游的微量N2并且指示容器120内的材料接近饱和以及需要通过使可反转的风机150反转而进入回收阶段并且通过在容器120内抽真空而从容器120中抽出氮气。控制器能够可选地包括时钟并在已经经过了设定时间之后使风机反转(并且打开/闭合阀165、167)。
压缩机170可选地设置在O2供应管线125的下游和任何O2处理罐140的下游。优选地，压缩机止回阀175设置在压缩机170的上游。压缩机170允许控制用于从ASU 110供应O2所需的压力。压缩机止回阀175辅助防止压缩机170下游的O2返回到ASU 110中。
特别地参照图3至图5，描述ASU 110的一般操作步骤。图3示出了ASU 110的进给步骤。在该步骤中，可反转的风机150沿着箭头G通过空气端口132从进气装置130抽吸空气。风机150沿着箭头H将空气驱动到容器120中。空气(沿着箭头I)通过容器120，在容器120中选择性地吸附氮气。大部分为O2的气体(沿着箭头J)流出容器120并且在O2供应管线125内流动。抽气回收罐160的控制阀165在进给步骤的开始阶段期间关闭，使得O2(沿着箭头K)继续流动经过接合部162并且通过O2供应管线125。随后氧气(沿着箭头L)通过产品止回阀145进入O2处理罐140中。而且，O2能够(沿着箭头M)流经压缩机止回阀175并通过压缩机170以用于从ASU 110排出。
只要容器120内的材料具有用于吸附氮气的过剩容量，这样的进给步骤(如图3所示)就继续进行。当容器120内的该吸附材料变得氮饱和时，ASU 110需要准备好在容器120内重新充填吸附材料。为了检测是否需要在容器120内进行材料的重新充填/恢复，ASU 110能够跟随定时电路或跟随测量气体流量的气体流量阀，或者能够包括氮气传感器或位于容器120下游的、指示容器120下游的气体的其它传感器，以便指示是否需要重新充填/重新调制容器120内的材料。
能够以略有不同但是密切相关的若干种方式进行在容器120内回收材料的准备工作。在一个实施例中，这样的准备工作开始于打开控制阀165(或者阀167)。加压回收罐160的内部优选地具有低于大气压的压力，使得大部分为氧气的气体(但是可能存在一些氮气)通过控制阀165快速地流入到抽气回收罐160中。
当抽气回收罐160充满时，或者当抽气回收罐160达到足以满足其对容器120进行抽气回收的目的的填充水平时，控制阀165关闭。抽气回收罐160由此包含并且保持作为抽气充填物的大部分为O2的充填物(但是通常存在一些N2和其它污染物)，所述抽气充填物能够处于接近大气压的压力下，或者可以设想在容器120的下游的压力高于大气压的情况下所述抽气充填物处在高于大气压的压力下。
命令可反转的风机150反转，使得空气不再被驱动到容器120中，而且风机150反转并且开始通过可反转的风机150从容器120抽出气体并且送回到进气装置130。可反转的风机150开始反转的精确时刻可以是在与抽气回收罐160相关联的控制阀165关闭之前，或者可以是与控制阀165的关闭同时，或者可以是紧接在控制阀165关闭之后。可反转的风机150通常需要一些时间以停止沿着正向方向移动并且随后开始沿着反向方向移动。这种减速至零速度以及沿着反向方向加速还限定了这样的时段，所述时段可以是控制阀165在此期间关闭或者紧接在控制阀165关闭之前或紧接在控制阀165关闭之后的时段。
随后，可反转的风机150沿着反向方向操作以对吸附容器120和O2供应管线125的位于吸附容器120和产品止回阀145或氧气供应管线125上的阻止在O2供应管线125内抽真空的其它阀之间的部分抽真空。由此降低O2供应管线125和吸附容器120内的压力。气体沿着图5中的箭头R流经容器120。随着吸附容器内的压力减小，容器120内的材料的用以保持N2的能力下降。由此从吸附材料释放N2并且N2沿着箭头S(图5)流经可反转的风机150并且流出进气装置130的抽气端口134(沿着图5的箭头T)。在足够长的时间之后并且在容器120内达到足够低的压力以令人满意地允许回收容器120内的材料之后，ASU 110相应地经历用于使可反转的风机150再次反转并且使ASU110恢复成进给模式(图3)的准备工作。该准备工作通常首先涉及打开与抽气回收罐160相关联的控制阀165(或阀167)。由此通过控制阀165释放已经储存在其中的主要为O2(其中也有一些N2)的气体并且这些气体进入O2供应管线125(或者通过图2的阀167直接进入容器120)。
通过将主要为O2的气体连同其它气体一起抽取到低压容器120中以允许容器120内的压力快速恢复并且允许在其中包含一些N2和其它污染物气体的少量抽取气体再次接触容器120内的吸附材料，以用于从中移除N2和其它污染物。用箭头P大致示出这样的抽气流，而且用箭头Q表示返回到吸附容器120中(图5)。
由此，容器120已经完全准备好返回到进给步骤。可反转的风机150随后能够再次反转，以便再次从进气装置130(沿着箭头G)驱动气流(沿着图3中的箭头H)并且气流通过容器120(沿着箭头I)。恰好在可反转的风机150再次反转之前、与可反转的风机150再次反转同时地、或者在可反转的风机150再次反转之后不久，控制阀165可以与抽气回收罐160一起闭合。
诸如能够驻留在抽气回收罐160附近的各种管线内的气体的体积以及ASU 110在O2纯度、能量效率或者生产率等方面是否最优这样的各种因素可以是用于精确判定控制阀165(或167)应当在何时返回其关闭状态的因素。在判定何时开始打开控制阀165以及何时开始关闭控制阀165的时候能够进行类似的优化。控制阀165再次关闭，从而保持其中的真空，以使得在下一次重复由ASU 110执行的周期时再次使用抽气回收罐160的情况下抽气回收罐160能够最为高效。
继续参照图4，根据本发明的优选实施例描述与可反转的风机150相关联的驱动系统210的细节。驱动系统210的这些细节促使可反转的风机150以正向进给模式或反向回收模式或“停机”模式操作，所述正向进给模式将空气驱动到吸附容器中，所述反向回收模式从吸附容器抽吸气体，所述停机模式允许可反转的风机150滑动或者用作发电机以用于通过利用跨可反转的风机150的压差而发电。
实际上，继续参照图4，根据示例性实施例描述驱动系统210的基本细节。该驱动系统210包括作为中央元件的马达220。该马达220联接至可反转的风机150，以促使可反转的风机150沿着正向或反向方向旋转，从而在沿着正向进给方向操作时将空气驱动到吸附容器120中而在沿着反向回收方向操作时从吸附容器120中抽出气体。控制器230联接至马达220，以便控制马达220是否操作以沿着正向或反向方向驱动风机150，或者控制马达220是否不驱动可反转的风机150(而是允许可反转的风机150滑动或者允许可反转的风机150驱动马达220以用于通过马达220发电)。电池或其它储能装置240也可选地联接至马达220，以用于在马达220操作发电时收集电能。机械功率输入装置250能够可选地设置成从可反转的风机150将机械功率通过单独的发电机直接抽取至电池或其它储能装置240，或者直接抽取至机械能储能装置例如飞轮或机械配重或其它机械能储能装置。
继续参照图4，根据一个示例性实施例描述驱动系统210的具体细节。驱动系统210的主要目的是促使可反转的风机150沿着正向进给方向或者沿着反向回收方向操作，或者允许可反转的风机150滑动。马达220能够是各种不同类型的马达，其适用于沿着两个不同方向驱动可反转的风机。例如能够通过使马达内的电场反向或者通过其它的马达反转技术而便于反向转动的马达尤为理想，这样对马达220造成的磨损和损耗较小。
在一个实施例中，马达220是再生变频驱动装置的形式。这样的马达能够变为发电机而且更加有效地防止整个系统110在由系统110实施的周期的各部分期间超过最优设计的最大压力(或真空)。实际上，马达变为发电机并且能够在整个系统110的其它部分中有利地利用多余的电能或者能够储存多余的电能例如储存在电池(或者飞轮等)中，以便随后有助于驱动马达220并且由此降低系统110的整体功耗。
马达220能够构造成以各种不同方式驱动可反转的风机150。尽管马达220的输入/输出轴222被示出为联接至带/链224以用于(沿着图4的箭头U)驱动可反转的风机150，但是马达220能够构造成沿着公共轴直接驱动可反转的风机150，或者能够利用齿轮或者其它传动装置以将功率从马达220有效地传递到可反转的风机150。
在一个实施例中，该传动装置构造成使得能够将功率从该传动装置例如通过机械功率输入装置250而抽取到电池或其它储能装置240。在所公开的实施例中，为了方便起见，示出了机械功率输入装置250的对接齿轮/链轮252，其能够与带/链224相接触(沿着图4的箭头V)，以接合机械功率输入装置250。带/链254由此将功率引导到电池或其它储能装置240。如果将功率引导到电池，则电力发电机将插置在电池240和带/链254之间。
如果使用某种形式的机械能储能装置或者其它储能装置，则能够提供一些其它适当的对接方式。例如，在飞轮的情况中，带/链254能够通过带/链254的移动(沿着图4的箭头W)而仅以旋转惯性的形式将功率施加至飞轮。其它形式的机械能储能方式可以包括将配重提升到更高的高度、在弹簧中储存能量、压缩空气储存、或者现有技术中已知或将来开发的其它储能方式。作为电池或其它储能装置240的进一步的替代方案，能够直接抽取功率并且在系统110的其它部分内有利地利用所述功率，例如用以驱动压缩机170，或者能够一起从系统110输出并且有利地加以利用。
控制器230示出为通过电缆232联接至马达220，其向马达220提供控制信号。该控制信号主要促使马达220沿着正向方向、反向方向或者以“停机”模式操作，在所述“停机”模式中，马达220允许风机150滑动或者允许风机150以发电模式通过在马达内用作发电机而发电或者单独地操作。马达220还通过电源线262联接至电源260，例如电网或者来自任何可用的源的经过适当调制的电源。
当在正向方向和反向方向之间周期性地驱动可反转的风机150时，随着任何旋转质量的旋转方向的变化，涉及一系列不同的操作模式。初始，当风机以最大正向速度旋转时，其必须减慢(减速)至停止。然后其必须沿着反向方向加速至最大反向速度。然后必须允许其再次减慢(减速)至停止，随后沿着正向方向加速恢复成正向最大速度。通过这些操作模式促使可反转的风机150变化的基本操作构造能够连续地沿着正向方向或者反向方向驱动风机150。当风机处于最大正向速度并且需要使风机反转时，马达反转。现在，马达用于使风机150减速，但是最初其仍然沿着正向方向旋转而且减速。然后风机停止并且开始沿着反向方向旋转。风机继续沿着反向方向加速直到其达到最大反向速度为止。然后马达切换成沿着正向方向驱动风机。风机150不会立即开始沿着正向方向旋转，而是首先从较快的反转方向减速至较慢的反转方向并且逐渐停止。风机随后继续沿着正向方向加速直到其再次达到其最大正向速度为止。
在这样的基本构造中，马达220始终处于“接通”状态并且沿着正向或者反向方向驱动风机150。因为吸附容器120位于可反转的风机150的一侧上而可反转的风机150的另一侧通过进气装置130暴露于大气压，所以存在跨风机150的压差(正压差，然后是负压差)。能够在风机150操作的各部分期间有利地利用这种压差，使得驱动马达220有些时候处于“停机”模式中并且不需要连续地驱动风机150。而且，如果需要，能够在如上所述的用于发电的周期操作的各部分期间有利地利用跨风机150的这种压差。
图7示出了利用滑动的该周期的一种构造的曲线图。可以按照从左至右的压力线来进一步描述该周期。首先，风机150以由马达220沿着正向方向驱动的进给模式操作。尽管示出为压力逐渐增加，并且这显而易见的是在吸附容器120的与可反转的风机150相对的一侧上没有设置出口的情况，但是根据O2需求而在吸附容器120的与可反转的风机150相对的一侧上从O2输出部抽取氧气，从而减小压力影响。然而，通常随着O2流经O2输出部而增加的吸附压力通常不大于从风机150进入吸附容器120的气流。
因为吸附容器120内的吸附介质变得饱和，所以需要允许回收吸附介质并且因此必须开始反向回收模式。首先，马达220通过停止驱动可反转的风机150而进入滑动(结束进给(EOF))模式。可反转的风机下游和吸附容器120内的高压阻止由可反转的风机150导致的进一步压缩，使得可反转的风机150立即进行制动，原因在于可反转的风机150沿着与跨可反转的风机150的压差相反的方向旋转。作用于风机150的吸附容器120侧上的该超压最终导致可反转的风机150停止并且开始沿着反向方向旋转。
图7中的滑动步骤1示出了当可反转的风机150仍然沿着正向方向旋转但是逐渐减速时的无动力滑动过程的一部分。滑动步骤2限定了可反转的风机150的滑动的一部分，其中，可反转的风机停止并且在与吸附容器120内的剩余加压气体相关联的动力的作用下开始沿着反向方向旋转。
在图7示出的示例中，当吸附容器120内的表压达到约10psi时，马达220再次开始操作驱动风机150，不过是沿着反向方向驱动风机150。可以设想的是，风机150能够继续滑动直到跨风机150的压差为零例如到吸附容器120内的表压达到零时为止。然而，为了优化空气分离单元系统110的使用中的时间效率，通常重新接入马达220以在表压达到零之前就沿着反向方向驱动风机150。
继续沿着反向方向驱动风机150，对吸附容器120抽真空(原因在于吸附容器120下游的阀闭合)，直到已经对吸附容器120抽到期望的真空量并且其中的吸附介质已经得以充分回收(通过从其释放N2和其它污染物)为止。在该真空步骤结束时，能够打开抽气罐160并且用从容器120抽取O2。
在该抽气步骤结束时(就像没有提供抽气)，马达220能够再次停止驱动风机150并且允许风机150滑动。由风机150继续沿着反向方向旋转、逐渐减速并趋于停止来限定图7所示的该滑动步骤3(抽气结束(EOP))。在风机150完全停止并且因吸附容器120内的局部真空和入口130处的较高压力的环境空气之间的压差驱动而开始再次沿着正向方向旋转之后还示出了风机的滑动步骤4。最终的滑动步骤4之后是再次启动由马达220沿着正向方向对风机150的驱动，以促使周期进行重复。
在图8示出了这样的滑动辅助反转风机吸附系统中的各个不同步骤的典型持续时间。同时在这些滑动步骤中的至少一些步骤中，驱动系统210能够可选地进入再生模式(如标记所示并且如上所述)以用于发电。通过在风机150上安置负载，可以促使风机150比不安置负载的情况更快地减速至停止(称作再生制动)。如果需要，也可以在停止和旋转方向变化之后产生再生动力。由此，这样的再生不仅具有捕集否则可能损失掉的功率的优点，而且还具有能够促使整个周期的时间在一定程度上缩短的优点。
提供本公开的内容以便展示本发明的优选实施例以及用于实施本发明的最佳方式。因此，尽管已经以这种方式描述本发明，但显而易见的是，在不背离本发明公开的范围和精神的前提下可以对优选实施例进行各种不同的修改。当结构被认定为用于执行某一功能的装置时，该认定旨在包括能够执行所述功能的所有结构。当本发明的结构被认定为联接在一起时，这样的表述应被广义地解释为包括直接联接在一起的结构或者通过中间结构联接在一起的结构。除非另有明确限制，否则这样的联接可以是永久联接或临时联接，并且这样的联接可以是刚性方式或者是允许枢转、滑动或其它相对运动且同时仍然能提供某种形式的附连的方式。
工业实用性
本发明的工业实用性体现在其提供了基于反转风机吸附的空气分离单元，该空气分离单元仅在部分时间内正向或反向地驱动风机，从而允许风机在一定的时间内滑动以用于增强性能。
本发明的另一个目的是提供一种基于反转风机吸附的空气分离单元，该空气分离单元仅在部分时间内正向或反向地驱动风机，并且用剩余时间的至少一部分来允许风机通过功率输出装置收集能量，以用于储存并且随后使用这些产生的能量。
本发明的另一个目的是提供一种基于反转风机吸附的空气分离单元，该空气分离单元通过利用滑动和/或再生发电而具有更大的功效。
本发明的另一个目的是提供一种基于反转风机吸附的空气分离单元，该空气分离单元利用滑动以最小化磨损并且最大化使用寿命，并且延长在用于空气分离单元的必要的维修间隔之间的时间。
本发明的另一个目的是提供一种用于操作基于反转风机吸附的空气分离系统的方法，该方法能够提高效率，并且减小作用在风机部件及其驱动系统上的应力。
本发明的验证其工业实用性的其它目的将通过仔细阅读本文所包括的详细说明内容、通过研读附图、以及通过研读本文所附的权利要求而变得显而易见。

Claims (20)

1.一种用于操作基于反转风机吸附的空气分离系统的方法，所述方法包括以下步骤：
操作与进气口、吸附床和O2输出部内联的反转风机以从在所述进气口处进入的空气中分离O2的操作步骤；
所述操作步骤包括正向进给步骤，其中，驱动空气从所述进气口通过吸附N2的所述吸附床并且送到所述O2输出部上；
所述操作步骤包括反向回收步骤，其中，通过所述反转风机的反转操作将气体从所述吸附床驱动到所述进气口，以用于从所述吸附床中的吸附介质中移除N2；
所述正向进给步骤和所述反向回收步骤由流过所述反转风机的气流沿着相反的方向驱动；
所述反转风机联接至驱动马达，所述驱动马达促使风机沿着正向驱动方向和反向驱动方向旋转；以及
允许风机在正向驱动的至少一个时段和正向驱动的时段之后的反向驱动的至少一个时段之间进行滑动的允许步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述允许步骤包括允许风机在正向驱动的时段和随后的反向驱动的时段之间以及在反向驱动的时段和随后的正向驱动的时段之间进行滑动。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反向回收步骤包括在所述吸附床上抽真空，以从所述吸附床内的吸附介质中移除氮气。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反转风机位于所述吸附床和所述进气口之间。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，允许风机进行滑动的所述允许步骤包括允许风机在风机减速至停止时进行滑动以及允许风机在风机沿着与即将停止之前的风机旋转相反的方向开始旋转时继续进行滑动。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述允许步骤包括允许风机在正向驱动的时段和随后的反向驱动的时段之间以及在反向驱动的时段和随后的正向驱动的时段之间进行滑动。
7.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括通过在联接至储能装置的风机上安置负载而在所述允许步骤的至少一部分期间从风机提取功率的附加步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括将所述驱动马达构造为变频驱动装置以在允许风机进行滑动的所述允许步骤的至少一部分期间用作发电机的附加步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括在所述驱动马达用作发电机时将来自驱动马达的电力储存在电池中的附加步骤。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，飞轮能够通过机械功率输入装置可移除地接合至风机；并且
在所述允许步骤的至少一部分期间接合所述机械功率输入装置以促使将来自风机的能量储存在所述飞轮中。
11.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括通过在联接至储能装置的风机上安置负载而在所述允许步骤的至少一部分期间从风机提取功率的附加步骤。
12.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括控制所述驱动马达以促使所述驱动马达响应于来自控制器的控制输入在沿着正向进给方向驱动风机、沿着反向回收方向驱动风机、以及不驱动风机之间进行切换的附加步骤。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述允许步骤包括使用在所述吸附床内蓄集的压力以在所述正向进给步骤结束时使风机减速并且使风机加速进入所述反向回收步骤。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述允许步骤包括使用所述吸附床内的真空以在所述反向回收步骤结束时使风机从驱动气体离开所述吸附床而减速并且使风机加速进入所述正向进给步骤。
15.一种反转风机吸附式空气分离单元，包括以下的组合：
位于进气口下游的反转风机、位于所述反转风机下游的吸附床、和位于所述吸附床下游的氧气输出部；
所述反转风机联接至驱动马达，所述驱动马达沿着正向旋转方向和反向旋转方向驱动风机，所述正向旋转方向驱动空气从所述进气口通过所述吸附床，所述反向旋转方向将气体从所述吸附床驱动至所述进气口；以及
联接至所述驱动马达的控制器，所述控制器使所述驱动马达在正向驱动模式、反向驱动模式、和所述驱动马达不驱动所述风机正向或反向转动的停机模式之间进行切换。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述驱动马达联接至电池并且用作在所述驱动马达处于所述驱动马达不驱动所述风机的所述停机模式中的时段的至少一部分期间由所述风机驱动以在所述电池内储存电能的发电机。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，机械功率输入装置能够选择性地联接至风机，以在风机上安置负载并且将机械功率从风机提取到储能装置。
18.一种用于操作具有发电功能的、基于反转风机吸附的空气分离系统的方法，所述方法包括以下步骤：
操作与进气口、吸附床和O2输出部内联的反转风机以从在所述进气口处进入的空气中分离O2的操作步骤；
所述操作步骤包括正向进给步骤，其中，驱动空气从所述进气口通过吸附N2的所述吸附床并且送到所述O2输出部上；
所述操作步骤包括反向回收步骤，其中，通过所述反转风机的反转操作将气体从所述吸附床驱动到所述进气口，以用于从所述吸附床中的吸附介质中移除N2；
所述正向进给步骤和所述反向回收步骤由流过所述反转风机的气流沿着相反的方向驱动；
所述反转风机联接至驱动马达，所述驱动马达促使风机沿着正向驱动方向和反向驱动方向旋转；以及
允许风机在正向驱动的至少一个时段和随后的反向驱动的至少一个时段之间驱动联接至储能装置的功率输出装置的允许步骤。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述功率输出装置包括将所述驱动马达构造成为联接至电池的变频驱动马达，其中，在所述允许步骤的至少一部分期间，所述驱动马达用作发电机并且所述电池储存电能。
20.根据权利要求18所述的方法，所述方法还包括允许风机在正向驱动的至少一个时段和反向驱动的至少一个时段之间进行滑动的附加步骤。
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