СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СТАДИЕЙ АДСОРБЦИИ ГЕНЕРАТОРА ГАЗА И ГЕНЕРАТОР ГАЗА, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ ТАКОЙ СПОСОБ
CONTROL METHOD OF GAS GENERATOR ADSORPTION STAGE AND GAS GENERATOR USING SUCH METHOD

Настоящее изобретение относится к способу регулирования стадии адсорбции генератора газа, при этом указанный генератор газа содержит адсорбирующий материал, способный избирательно адсорбировать первый газообразный компонент из потока входящего газа, содержащего газовую смесь, и обеспечивать в результате получение потока выходящего газа, содержащего главным образом второй газообразный компонент, причем указанный способ включает в себя следующие этапы: подачу входящего потока газа через вход генератора газа; измерение расхода выходящего газа; определение концентрации указанного второго газообразного компонента на выходе указанного аппарата (генератора).
Способы поддержания относительно постоянной концентрации газообразного компонента, полученного при разделении газообразной смеси, известны в уровне техники.
Один пример можно найти в патентном документе US4332370 (заявитель - компания LINDE AKTIENGESELLSCHAFT), где описан способ циклической адсорбции, осуществляемой для разделения газообразной смеси. Способ обеспечивает поддержание уровня остаточной концентрации адсорбируемого компонента по существу постоянным за счет регулирования объемного расхода продукта, выводимого из адсорбера при проведении стадии адсорбции.
Одним из недостатков известного способа является значительное количество энергии, используемой для адсорбции. Дело в том, что при увеличении продолжительности стадии адсорбции производительность системы, реализующей упомянутый процесс, уменьшается. Это связано с необходимостью обработки большего объема газа, и в то время как один из газообразных компонентов используется после процесса адсорбции, другой газообразный компонент улавливается внутри адсорбера, заполняя больший объем аппарата и, в конце концов, насыщает слой адсорбента. Это обуславливает потребление устройством большего количества энергии и, в конечном итоге, получение газообразного компонента с меньшей концентрацией, чем это необходимо.
Другим недостатком является низкая эффективность процесса адсорбции, поскольку продолжительность цикла адсорбции не соответствует требованиям в отношении достигнутой концентрации газообразного компонента.
Выявленная возможная нежелательная ситуация заключается в получении меньшей концентрации газообразного компонента, чем требуемая, в то же время вышеупомянутый патентный документ не предлагает немедленного устранения недостатка, что может ухудшить пользовательский процесс или параметры в сети пользователя.
Принимая во внимание вышеупомянутые недостатки и нежелательные ситуации, задача настоящего изобретения заключается в обеспечении способа регулирования стадии адсорбции генератора газа, в ходе которой концентрация газообразного компонента поддерживается на желаемом уровне, и в то же время потребление энергии в процессе адсорбции уменьшается.
Другая задача настоящего изобретения заключается в поддержании повышенной энергоэффективности при изменении потребляемого количества газообразного компонента.
Другой задачей изобретения является создание способа, который позволяет поддерживать высокий уровень энергоэффективности при проведении последующих циклов адсорбции.
Еще одна задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ, который в конечном итоге снизит эксплуатационные расходы всей системы.
Настоящее изобретение решает по меньшей мере одну из вышеупомянутых и/или другие проблемы, обеспечивая способ регулирования стадии адсорбции генератора газа, при этом указанный генератор содержит по меньшей мере один аппарат, имеющий вход и выход для пропускания через аппарат потока газа, адсорбирующий материал, способный избирательно адсорбировать первый газообразный компонент из газообразной смеси, и обеспечить получение выходящего газа, содержащего, в основном, второй газообразный компонент, причем указанный способ включает следующие стадии:
подача потока входящего газа через вход генератора газа;
измерение расхода выходящего газа с помощью расходомера, установленного за выходом из указанного аппарата;
определение (установление) концентрации указанного второго газообразного компонента на выходе указанного аппарата;
при этом способ дополнительно включает следующие стадии:
Al) расчет производительности аппарата, причем указанная производительность представляет собой максимальный объем второго газообразного компонента в единицу времени, который может быть отведен при текущих рабочих параметрах и при заданной величине концентрации второго газообразного компонента;
A2) сравнение измеренного расхода выходящего газа с расчетной производительностью;
A3) если измеренный расход выходящего газа ниже расчетной производительности и установленная концентрация выше или равна заданной величине, аппарат поддерживают в стадии адсорбции в течение заданного временного интервала ∆s;
A4) осуществление цикла регенерации генератора газа по истечении указанного заданного временного интервала ∆s.
В действительности, посредством сравнения расчетной производительности генератора газа с измеренным расходом выходящего газа, а также сравнения установленной концентрации с заданной величиной концентрации, способ в соответствии с настоящим изобретением дает точное представление о режиме работы аппарата в определенный момент времени и поддерживает желаемый уровень концентрации второго газообразного компонента на выходе генератора.
Кроме того, поскольку способ учитывает измеренное значение расхода на выходе и производительность генератора газа, предотвращается насыщение адсорбирующего материала, что позволяет генератору работать с высокой эффективностью и поддерживать требуемую концентрацию второго газообразного компонента в течение всего процесса адсорбции.
Испытания показали, что эффективность процесса адсорбции снижается в случае увеличенной продолжительности времени проведения цикла адсорбции. По существу, если цикл адсорбции сохраняется в течение относительно длительного периода времени, в генератор газа поступает больший расход газа, и все большее число молекул кислорода будет адсорбироваться адсорбентом.
В результате фронт кислорода, созданный в слое адсорбента, будет перемещаться в направлении выхода аппарата. Из-за этого уровень концентрации второго газообразного компонента на выходе может изменяться. В этом случае производительность генератора газа падает, и надежность процесса адсорбции снижается.
Поскольку способ согласно настоящему изобретению включает не только сравнение концентрации второго газообразного компонента на выходе газогенератора с заданной величиной, но также и сравнение расчетной производительности генератора с расходом на выходе перед изменением временного интервала, в течение которого в генераторе поддерживается стадия адсорбции, за счет этого обеспечивается желаемая концентрация второго газообразного компонента, а также достигается оптимальное потребление энергии в течение всего функционирования генератора газа.
Другим известным фактом является то, что генераторы газа предназначены для работы в самых тяжелых и суровых условиях эксплуатации, когда речь идет о таких параметрах, как температура и давление. И, если эти параметры колеблются, например, из-за изменения сезонов или использования генератора в другом географическом районе, генератор становится слишком крупногабаритным. Известные генераторы не смогут решить эту проблему, но способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет эффективно использовать энергию генератора независимо от изменения упомянутых параметров.
Действительно, проведенные испытания показали, что при практическом осуществлении способа в соответствии с настоящим изобретением генератор потребляет на 40% меньше энергии.
Другой установленный факт заключается в том, что в типичной производственной линии требуемая концентрация и объем второго газообразного компонента обычно изменяются, и способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет поддерживать в аппарате стадию адсорбции в течение предварительно заданного временного интервала, который определяется, исходя из желаемых концентрации и объема второго газообразного компонента. В этой связи осуществляется корректировка действующей производительности генератора газа, чтобы обеспечить более низкое потребление энергии с помощью эффективной последовательности операций.
Предпочтительно по истечении указанного заданного временного интервала аппарат подвергают циклу регенерации, в ходе которого молекулы первого газообразного компонента удаляются из генератора, а слой адсорбента доводится до начального состояния с заданными характеристиками адсорбента.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения способ дополнительно включает стадию сравнения установленной концентрации с заданной величиной, и, если указанная концентрация ниже заданной величины, поток входящего газа прерывается, и аппарат подвергается циклу регенерации. В результате требуемая концентрация второго газообразного компонента поддерживается на желаемом уровне.
Поток входящего газа может быть прерван непосредственно после того, как сравнение установленной концентрации и заданной величины концентрации покажет отрицательный результат, или в соответствии со способом согласно настоящему изобретению поток входящего газа прерывается по истечении номинального заданного времени цикла ∆So, вычисленного от начала цикла адсорбции.
Настоящее изобретение, кроме того, относится к генератору газа, содержащему:
- по меньшей мере один аппарат, содержащий вход и выход для пропускания через аппарат потока газа, и адсорбирующий материал, способный избирательно адсорбировать первый газообразный компонент из газообразной смеси, обеспечивая тем самым прохождение через указанный выход потока выходящего газа, содержащего в основном второй газообразный компонент;
- средство для создания потока входящего газа на входе в указанный аппарат;
при этом указанное устройство (генератор газа) дополнительно содержит:
- расходомер, расположенный на выходе из аппарата, предназначенный для измерения расхода выходящего газа;
- средство для определения концентрации указанного второго газообразного компонента, размещенное на выходе из аппарата;
- блок контроллера, подключенный к расходомеру и средству для определения концентрации второго газообразного компонента, при этом указанный контроллер выполнен с возможностью приема измеренных величин расхода выходящего газа и измеренной концентрации;
указанный блок контроллера дополнительно содержит блок обработки, снабженный алгоритмом, предназначенным для:
- расчета производительности аппарата, причем указанная производительность представляет собой максимальный объем второго газообразного компонента в единицу времени, который может быть отведен при текущих рабочих параметрах и при заданной величине концентрации второго газообразного компонента;
- сравнения измеренного расхода выходящего газа с расчетной производительностью,
- сравнения установленной концентрации упомянутого второго газообразного компонента с предварительно заданной величиной концентрации; и, кроме того,
упомянутый блок контроллера запрограммирован для поддержания расхода входящего газа в течение заданного временного интервала ∆s, если измеренная концентрация равна или превышает заданное значение и если упомянутый измеренный расход выходящего газа ниже расчетной производительности, и для осуществления в аппарате цикла регенерации по истечении указанного предварительно заданного временного интервала ∆s.
Благодаря указанным возможностям контроллера пользователь такого устройства может получить наилучший конечный результат с уменьшенным потреблением энергии и преимущества удобного для пользователя интерфейса.
Кроме того, поскольку генератор управляется с помощью указанного контроллера и применяется вышеуказанная определенная последовательность операций (логика), снижаются эксплуатационные затраты, так как компоненты генератора защищены от функционирования в экстремальных условиях, что могло бы привести к преждевременному износу. Когда происходят все нежелательные изменения параметров, блок контроллера оказывает необходимое содействие в наиболее точно рассчитанное время в соответствии с конструкцией устройства таким образом, что срок его службы увеличивается.
Для лучшего раскрытия характерных особенностей изобретения ниже в качестве примера описаны некоторые предпочтительные воплощения в соответствии с настоящим изобретением, никаким образом не ограничивающие объем изобретения, со ссылкой на сопровождающие чертежи.
Фиг.1 - схема генератора газа согласно одному воплощению настоящего изобретения.
Фиг. 2 и 3 - схема генератора газа в соответствии с другими воплощениями настоящего изобретения.
Фиг. 4 - графическая зависимость потребления энергии от расхода выходящего потока.
На фиг.1 представлен генератор газа 1, содержащий входной трубопровод 2 и выходной трубопровод 3 для обеспечения прохождения через генератор потока газа. Указанный генератор газа дополнительно содержит адсорбирующий материал (не показан), способный избирательно адсорбировать первый газообразный компонент из потока входящего газа, содержащего газообразную смесь, в результате чего поток выходящего газа содержит, в основном, второй газообразный компонент.
В контексте настоящего изобретения следует понимать, что адсорбция включает также абсорбцию.
Объектом настоящего изобретения является способ регулирования стадии адсорбции генератора газа, в соответствии с которым поток входящего газа направляется через входной трубопровод 2 генератора газа 1, и измеряют расход выходящего газа в выходном трубопроводе 3 генератора газа 1 для определения концентрации указанного второго газообразного компонента в выходном трубопроводе аппарата 4.
Кроме того, способ включает стадию, на которой вычисляют производительность генератора, и полученную расчетную величину сравнивают с измеренным расходом выходящего потока. Если по результатам указанного сравнения измеренный расход выходящего потока будет меньше расчетной производительности генератора и если найденная расчетная концентрация будет больше или равна заданной величине концентрации, генератор газа 1 поддерживается в стадии адсорбции в течение предварительно определенного временного интервала, ∆s.
В контексте настоящего изобретения производительность генератора следует понимать как максимальный объем второго газообразного компонента в единицу времени, который может быть произведен генератором газа 1 в существующих условиях эксплуатации и при заданной величине концентрации второго компонента.
Кроме того, расход выходящего потока следует понимать как измеренный объем первого и второго газообразного компонента в единицу времени.
Предпочтительно вышеупомянутый предварительно определяемый временной интервал ∆s вычисляется так, чтобы в генераторе газа 1 можно было поддерживать указанную заданную величину концентрации и, соответственно, таким образом, чтобы адсорбирующий материал не становился полностью насыщенным. В связи с этим в генераторе газа 1 стадия адсорбции поддерживается как можно дольше, при отсутствии нежелательного снижения уровня концентрации полученного второго газообразного компонента и потребления указанным генератором газа 1 большего количества энергии, чем необходимо для получения оптимального результата.
По истечении упомянутого предварительно определенного временного интервала ∆s генератор газа подвергается циклу регенерации. При осуществлении цикла регенерации происходит удаление из адсорбирующего материала молекул газа первого газообразного компонента, что придает указанному адсорбенту оптимальную способность к адсорбции и подготавливает генератор газа 1 для следующего цикла адсорбции.
В контексте настоящего изобретения цикл адсорбции следует понимать как временной интервал, в течение которого адсорбирующий материал, находящийся в генераторе газа 1, используется для разделения газовой смеси, поступающей в газогенератор через входной трубопровод 2, и, соответственно, адсорбирует первый газообразный компонент и обеспечивает прохождение через выходной трубопровод 3 газа, содержащего, главным образом, второй газообразный компонент.
Предпочтительно указанный предварительно заданный временной интервал ∆s включает начальную точку, соответствующую моменту начала цикла адсорбции в генераторе газа 1, и конечную точку как момент завершения цикла адсорбции в генераторе газа 1.
В другом воплощении в соответствии с настоящим изобретением указанный предварительно заданный временной интервал ∆s имеет начальную точку в текущем моменте времени и конечную точку в перспективе, определяемую на основе вычисленной производительности, измеренного расхода в выходном трубопроводе и заданной величины концентрации упомянутого второго газообразного компонента. Такой конечный момент времени может быть определен приблизительно на основе типичных эксплуатационных свойств адсорбирующего материала.
В другом варианте осуществления в соответствии с настоящим изобретением способ дополнительно включает стадию сравнения установленной концентрации с заданной величиной, и если указанная концентрация ниже заданной величины, поток входящего газа прерывается, и в генераторе осуществляется цикл регенерации.
0
0,
Поток входящего газа может быть прерван тот час же, если указанное сравнение показывает, что заданная величина концентрации не достигается, или способ может предусматривать допуск в пределах, например, приблизительно 5 секунд или более, прежде чем поток входящего газа будет прерван. Предпочтительно, способ включает стадию прерывания потока входящего газа по истечении номинальной предварительно заданной продолжительности времени цикла ∆S. Указанная номинальная предварительно заданная продолжительность времени цикла ∆Sпредставляет собой вычисленный минимальный временной интервал, в котором в обычно реализуемых рабочих условиях генератор 1 может генерировать второй газообразный компонент с относительно высокой концентрацией.
0
Указанная номинальная предварительно заданная продолжительность времени цикла, ∆S,имеет в качестве начальной точки момент начала в генераторе газа 1 цикла адсорбции, а конечной точкой является момент завершения генератором газа 1 цикла адсорбции.
Предпочтительно производительность генератора определяется из следующего соотношения:
Q cap = удельная производительность x объем генератора x Kpc x Ktc,
где Kpc - поправочный коэффициент для определения производительности, учитывающий влияние давления, а Ktc - поправочный температурный коэффициент для определения производительности.
В контексте настоящего изобретения указанную удельную производительность следует понимать как производительность генератора газа 1, отнесенную к кубическому метру адсорбирующего материала в номинальном режиме по давлению и температуре, например, при давлении приблизительно 7 бар и температуре приблизительно 20° C, которые не являются параметрами, ограничивающими изобретение.
Kpc и Ktc представляют собой два поправочных коэффициента, которые зависят от заданной величины концентрации второго газообразного компонента и фактической температуры или давления, соответственно, измеренных вблизи генератора.
Предпочтительно указанную температуру измеряют с помощью датчика температуры T, а давление измеряется с помощью датчика давления P.
l
2
Предпочтительно способ в соответствии с настоящим изобретением дополнительно включает стадию сравнения временного интервала, в течение которого генератор находится в стадии адсорбции, ∆t, с минимальным заданным интервалом времени ∆t.
l
l
В этом случае ∆t представляет собой отсчет времени, который предпочтительно начинается, когда в генераторе газа 1 начинается цикл адсорбции, и определяется как ∆t = tc - ti, где tc - текущее время, а ti - начальное время.
Предпочтительно, способ включает стадию сброса отсчета времени в случае начала цикла адсорбции в генераторе газа 1. Более конкретно, способ предпочтительно включает стадию сброса величин tc и ti, если в генераторе 1 начинается цикл адсорбции.
2
2
Параметр ∆t представляет собой отсчет времени, который предпочтительно начинается с началом в генераторе газа 1 цикла адсорбции и определяется как ∆t = td - ti, где td - минимальное время, в течение которого в генераторе газа поддерживается цикл адсорбции независимо от значений других параметров, и ti - начальное время, т.е. момент времени, когда в генераторе газа 1 начинается цикл адсорбции.
Предпочтительно способ включает стадию сброса отсчета времени, осуществляемого вместе с началом в генераторе газа 1 цикла адсорбции. Более конкретно, способ предпочтительно включает стадию сброса величины ti, когда в генераторе газа 1 начинается цикл адсорбции, и величина td предпочтительно поддерживается постоянной.
l
2
l
2
0
l
2
После стадии сравнения ∆t с ∆t способ включает стадию или поддержания генератора газа 1 в стадии адсорбции в течение заданного временного интервала, если ∆t> ∆t и если установленная концентрация больше или равна указанному заданному значению, и если измеренный расход выходящего потока ниже расчетной производительности; или поддержания генератора газа 1 в стадии адсорбции в течение номинальной предварительно заданной продолжительности времени цикла ∆S ; и затем генератор газа 1 подвергается циклу регенерации, если ∆t <= ∆t или если найденная концентрация ниже заданной величины и если измеренный расход выходящего потока ниже расчетной производительности генератора газа.
Предпочтительно, но не в качестве ограничения, первым газообразным компонентом является кислород, а вторым газообразным компонентом - азот.
Способ в соответствии с настоящим изобретением, кроме того, включает стадию подачи потока входящего газа через вход 5 по меньшей мере одного аппарата 4, представляющего собой часть генератора 1.
Предпочтительно способ дополнительно в качестве альтернативы включает направление потока входящего газа через вход 5 по меньшей мере двух аппаратов 4 (фиг. 2) или через вход по меньшей мере четырех аппаратов 4 (фиг. 3) или более.
Поскольку способ включает альтернативную стадию, в соответствии с которой поток входящего газа направляется через вход 5 двух аппаратов 4 или четырех аппаратов 4 или более, эффективность процесса адсорбции возрастает благодаря тому, что, как только в одном аппарате 4 осуществляется цикл регенерации, для рабочего процесса может быть использован другой аппарат 4, т.е. процесс получения второго газообразного компонента, отводимого через выходной трубопровод 3 газогенератора 1, не прерывается.
В другом воплощении, в котором цикл регенерации осуществляется в одном аппарате 4, поток газа, выходящего из одного аппарата 4, направляется на вход 5 по меньшей мере другого аппарата 4. В этом случае аппарат 4, находящийся в стадии регенерации, будет принимать на выходе 6 газообразную смесь, которая будет содержать относительно высокую концентрацию второго газообразного компонента, при этом указанная газообразная смесь будет вытеснять газообразное содержимое регенерируемого аппарата в направлении входа аппарата, и далее во внешнюю среду через клапан 11 или газовый кран или подобное устройство, размещенное вблизи входа 5 аппарата 4. Это позволяет производить регенерацию указанного аппарата 4 в короткий промежуток времени и лучше подготовить его для следующего цикла адсорбции.
Другая возможная стадия, осуществляемая согласно способу, соответствующему настоящему изобретению, заключается в сравнении расхода на выходе с расчетной производительностью и поддержание расхода входящего потока в течение заданного временного интервала, если расход выходящего потока превышает первую пороговую величину по отношению к расчетной производительности генератора газа. В этой связи осуществляется оптимальное функционирование генератора 1 газа, что еще больше снижает потребление энергии. Предпочтительно, но не в качестве ограничения, в способе используется по меньшей мере одна пороговая величина, и дополнительно способ включает по меньшей мере одну из следующих стадий:
- поддержание расхода входящего газа в течение предварительно заданного номинального временного интервала ∆So, если измеренный расход выходящего потока превышает первую пороговую величину при сравнении с расчетной производительностью; или
1
- поддержание расхода входящего газа в течение предварительно заданного первого временного интервала ∆S, если измеренный расход выходящего потока меньше указанной первой пороговой величины при сравнении с расчетной производительностью.
Предпочтительно, но не в качестве ограничения, в способе используется одна или несколько установленных пороговых величин, и способ дополнительно включает по меньшей мере одну из следующих стадий:
- поддержание расхода входящего газа в течение предварительно заданного номинального временного интервала ∆So, если измеренный расход выходящего потока превышает первую пороговую величину по отношению к расчетной производительности; или
1
- поддержание расхода входящего газа в течение предварительно заданного первого временного интервала, ∆S, если измеренный расход выходящего потока меньше указанной первой пороговой величины при сравнении с расчетной производительностью; или
2
- поддержание расхода входящего газа в течение предварительно заданного второго временного интервала ∆S, если измеренный расход выходящего потока ниже второй пороговой величины при сравнении с расчетной производительностью; или
3
- поддержание расхода входящего газа в течение предварительно заданного третьего временного интервала ∆S, если измеренный расход выходящего газа меньше третьей пороговой величины при сравнении с расчетной производительностью.
Благодаря применению описанного выше алгоритма (последовательности операций) эффективность системы повышается ещё в большей степени.
Предпочтительно, чтобы два или более рассмотренных выше временного интервала имели разную продолжительность по сравнению друг с другом.
Предпочтительно, но не в качестве ограничения, указанный номинальный временной интервал ∆So, может быть выбран в диапазоне от 15 до 65 секунд, или от 20 до 65 секунд, или от 20 до 45 секунд.
1
Предпочтительно, но не в качестве ограничения, указанный предварительно заданный первый временной интервал ∆S, может быть выбран в диапазоне от 45 до 85 секунд или от 45 до 60 секунд.
2
Предпочтительно, но не в качестве ограничения, указанный предварительно заданный второй временной интервал ∆S, может быть выбран в диапазоне от 60 до 120 секунд или от 60 до 80 секунд.
3
Предпочтительно, но не в качестве ограничения, указанный предварительно заданный третий временной интервал ∆S, может быть выбран в диапазоне от 80 до 300 секунд или от 80 до 180 секунд.
В контексте настоящего изобретения следует понимать, что указанные выше интервалы времени являются только примерами, и могут быть также использованы другие величины этих интервалов.
Предпочтительно, но не в качестве ограничения, первая пороговая величина может быть выбрана примерно на 80% больше расчетной производительности, указанная вторая пороговая величина может быть выбрана примерно на 60% больше, а третья пороговая величина может быть выбрана примерно на 40% больше.
В контексте настоящего изобретения следует понимать, что приведенные выше пороговые величины являются только примерами и могут быть использованы другие пороговые величины.
В другом воплощении в соответствии с настоящим изобретением способ дополнительно включает по меньшей мере одну из следующих стадий:
0
поддержание расхода входящего газа в течение предварительно заданного номинального временного интервала Δр, если измеренный расход выходящего потока больше или равен первой пороговой величине при сравнении с расчетной производительностью; или
1
поддержание расхода входящего газа в течение предварительно заданного первого временной интервал Δр, если измеренный расход выходящего потока газа меньше указанной первой пороговой величины при сравнении с расчетной производительностью; или
2
поддержание расхода входящего газа в течение предварительно заданного второго временного интервала Δр, если измеренный расход выходящего потока газа меньше второй пороговой величины при сравнении с расчетной производительностью; или
3
поддержание расхода входящего газа в течение предварительно заданного третьего временного интервала Δр, если измеренный расход выходящего потока газа меньше третьей пороговой величины при сравнении с расчетной производительностью; или
4
поддержание расхода входящего газа в течение предварительно заданного четвертого временного интервала Δр, интервал, если измеренный расход выходящего потока газа меньше четвертой пороговой величины при сравнении с расчетной производительностью; или
5
поддержание расхода входящего газа в течение предварительно заданного пятого временного интервала Δр, если измеренный расход выходящего потока газа меньше пятой пороговой величины при сравнении с расчетной производительностью; или
6
поддержание расхода входящего газа в течение предварительно заданного шестого временного интервала Δр, если измеренный расход выходящего потока газа меньше шестой пороговой величины при сравнении с расчетной производительностью; или
7
поддержание расхода входящего газа в течение предварительно заданного седьмого временного интервала Δр, интервал, если измеренный расход выходящего потока газа меньше седьмой пороговой величины при сравнении с расчетной производительностью; или
8
поддержание расхода входящего газа в течение предварительно заданного восьмого временного интервала Δр, если измеренный расход выходящего потока газа меньше восьмой пороговой величины при сравнении с расчетной производительностью; или
9
поддержание расхода входящего газа в течение предварительно заданного девятого временного интервала Δр, если измеренный расход выходящего потока газа меньше девятой пороговой величины при сравнении с расчетной производительностью.
Предпочтительно, чтобы два или более указанных выше временных интервалов имели разную продолжительность по сравнению друг с другом.
0
1
2
3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Предпочтительно два или более временных интервала: ∆S, ∆S, ∆S, ∆S и Δр, Δр, Δр, Δр, Δр, Δр, Δр, Δр, Δр и Δр имеют разную продолжительность времени по сравнению друг с другом так, что в зависимости от расхода выходящего потока и расчетной производительности адсорбирующий материал будет обеспечивать возможность работы генератора в оптимальных условиях в течение различных интервалов времени, в зависимости от достигнутой или не достигнутой пороговой величины.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Предпочтительно, но не в качестве ограничения, указанный предварительно заданный номинальный временной интервал Δрможет быть выбран в диапазоне от 15 до 50 секунд; указанный предварительно заданный первый временной интервал Δр может быть выбран в диапазоне от 30 до 60 секунд; предварительно заданный второй временной интервал Δрможет быть выбран в диапазоне от 40 до 70 секунд; указанный предварительно заданный третий временной интервал Δр может быть выбран в диапазоне от 50 до 80 секунд; указанный предварительно выбранный четвертый временной интервал Δр может быть выбран в диапазоне от 60 до 90 секунд; указанный предварительно заданный пятый временной интервал Δр может быть выбран в диапазоне от 70 до 100 секунд; указанный предварительно выбранный шестой временной интервал Δр может быть выбран в диапазоне от 80 до 130 секунд; указанный предварительно заданный седьмой временной интервал Δр может быть выбран в диапазоне от 90 до 150 секунд; указанный предварительно заданный восьмой временной интервал Δр может быть выбран в диапазоне от 100 до 200 секунд; и указанный предварительно заданный девятый временной интервал Δр может быть выбран в диапазоне от 110 до 300 секунд.
В контексте настоящего изобретения следует понимать, что приведенные выше интервалы времени являются лишь примерами, и могут быть использованы другие величины интервалов.
Предпочтительно указанные пороговые величины и интервалы времени рассчитывают, исходя из типа и размеров генератора 1, а также типа и объема адсорбирующего материала.
Предпочтительно, но не в качестве ограничения, указанная первая пороговая величина может быть выбрана примерно на 90% больше расчетной производительности, указанная вторая пороговая величина может быть выбрана примерно на 80% больше, указанная третья пороговая величина может быть выбрана примерно на 70% больше, указанная четвертая пороговая величина может быть выбрана примерно на 60% больше, указанная пятая пороговая величина может быть выбрана примерно на 50% больше, указанная шестая пороговая величина может быть выбрана примерно на 40% больше, указанная седьмая пороговая величина может быть выбрана примерно на 30% больше, указанная восьмая пороговая величина может быть выбрана примерно на 20% больше, а указанная девятая пороговая величина может быть выбрана примерно на 10% больше.
В контексте настоящего изобретения следует понимать, что указанные выше пороговые величины являются только примерами, и могут быть использованы другие величины.
Благодаря включению в способ упомянутых стадий осуществляется точное и быстрое приспосабливание процесса получения второго газообразного компонента к требуемому расходу в выходном трубопроводе 3 и исключается нежелательное использование генератора газа 1, имеющего недостаточные или слишком большие размеры для требуемой производительности. В результате генератор газа будет работать с оптимальными параметрами во всем рабочем диапазоне. Другим признанным преимуществом является уменьшенный объем потока входящего газа.
В контексте настоящего изобретения следует понимать, что количество интервалов может варьироваться, например, от двух до двадцати или даже более, в зависимости от производительности генератора газа и необходимых конечных результатов.
В другом воплощении в соответствии с настоящим изобретением способ может осуществляться непрерывно, при этом продолжительности циклов получают непрерывно путем интерполяции между определенными заданными точками (моментами времени). По этой причине может быть зарегистрировано большее потребление энергии (фиг.4).
Ещё в одном воплощении в соответствии с изобретением способ может дополнительно включать стадию поддержания в одном аппарате 4 цикла регенерации в интервале времени, который зависит от величины интервала, в течение которого в указанном аппарате поддерживается цикл адсорбции, и/или от заданной величины концентрации второго газообразного компонента.
В качестве примера, не ограничивающего изобретение, в том случае, когда временной интервал, в течение которого в аппарате 4 поддерживается цикл адсорбции, увеличивается, предпочтительно также увеличивается интервал, в течение которого в указанном аппарате 4 поддерживается цикл регенерации.
Обычно, но не в качестве ограничения, номинальный временной интервал, в течение которого в аппарате 4 поддерживается цикл регенерации, может составлять приблизительно 30 секунд, и такой временной интервал может быть увеличен приблизительно до 60 секунд или более.
Предпочтительно цикл регенерации может осуществляться с использованием установленного клапана-регулятора расхода или установленного дросселя, такого как жиклер или дроссельное отверстие, или с помощью клапана, который может быть открыт и закрыт, или указанный цикл регенерации может быть осуществлен с помощью регулятора потока, который может регулировать объем удаляемого через него газа.
Поскольку во время цикла регенерации как первый газообразный компонент, так и второй газообразный компонент удаляются из аппарата 4, за счет продления временного интервала, в течение которого поддерживается цикл регенерации, из указанного аппарата 4 может быть удален больший объем газа, содержащего высокую концентрацию второго газообразного компонента. Однако, если для регулирования упомянутого интервала времени и, следовательно, общего объема газа регенерации используется регулятор потока или клапан, который может быть открыт и закрыт, указанный объем уменьшается до минимума, и аппарат 4 эффективно готовят для следующего цикла адсорбции.
Объектом настоящего изобретения, кроме того, является генератор газа 1, содержащий по меньшей мере один аппарат 4 (фиг. 1), причем указанный аппарат 4 имеет вход 5 и выход 6. Генератор газа обеспечивает прохождение газовой смеси через указанный вход 5, с помощью адсорбирующего материала (не показан) улавливает первый газообразный компонент и дает возможность потоку газа, содержащему, в основном, второй газообразный компонент, проходить через выход 6.
Генератор газа 1, кроме того, снабжен расходомером 7, установленным на выходе 6 аппарата и предназначенным для измерения объема первого и второго газообразного компонента, выходящего в единицу времени из аппарата 4.
Генератор газа 1 дополнительно содержит модуль 8 для определения концентрации второго газообразного компонента, при этом указанный модуль также размещен на выходе 6 аппарата 4.
Предпочтительно, но не в качестве ограничения, модуль 8 измеряет концентрацию первого газообразного компонента в потоке выходящего газа и определяет концентрацию второго газообразного компонента путем вычитания из 100 измеренной величины концентрации.
В предпочтительном воплощении настоящего изобретения указанный первый газообразный компонент представляет собой кислород, а вторым газообразным компонентом является азот.
Предпочтительно, но не в качестве ограничения, модулем 8 является датчик кислорода, который выявляет количество кислорода, содержащегося в газе на выходе 6 аппарата 4. Указанный датчик кислорода может измерять концентрацию кислорода в потоке выходящего газа непрерывно или с определенной частотой отбора проб.
Предпочтительно, упомянутый модуль 8 входит в состав генератора газа 1. Генератор газа 1 дополнительно содержит блок 9 контроллера, соединенный с помощью проводной или беспроводной связи с расходомером 7 и модулем 8 определения концентрации второго газообразного компонента, причем указанный контроллер сконфигурирован для приема измеренных значений потока выходного газа и измеренной концентрации.
Блок 9 контроллера может дополнительно содержать блок памяти для хранения принятых измеренных величин концентрации или может отправлять эти измеренные величины посредством проводной или беспроводной связи во внешний электронный модуль. Указанная беспроводная связь может быть реализована посредством радиосигнала или сигнала Wi-Fi. Предпочтительно для обеспечения связи газогенератор 1 содержит беспроводной приемник (не показан).
Для большей ясности проводные соединения на фигурах не показаны.
Кроме того, упомянутый контроллер может принимать данные измерений немедленно, по мере проведения измерений, или в пределах определенного временного интервала. Он также может принимать все результаты измерений или может принимать только одно измерение, по истечении определенного временного интервала. Кроме того, указанные измерения могут выполняться непрерывно или с определенной частотой отбора проб.
Предпочтительно упомянутый блок 9 контроллера дополнительно содержит блок обработки данных, снабженный алгоритмом, обеспечивающим возможность вычисления производительности аппарата 4, сравнения измеренного расхода выходящего потока газа с расчетной производительностью и сравнения найденной концентрации упомянутого второго газообразного компонента с заданной величиной.
Указанную производительность аппарата 4 следует понимать как максимальный объем второго газообразного компонента в единицу времени, который может быть реализован на выходе 6, при текущих рабочих параметрах и заданной величине концентрации второго газообразного компонента.
В другом предпочтительном воплощении временные интервалы и пороговые величины, приведенные в настоящем описании выше, хранятся в блоке памяти. Предпочтительно такие интервалы времени и пороговые величины определяют перед функционированием указанного газогенератора 1.
Предпочтительно, блок 9 контроллера, кроме того, программируется для поддержания расхода входящего газа в течение предварительно заданного временного интервала ∆s, если указанная измеренная концентрация равна или превышает заданную величину, и если упомянутый измеренный расход выходящего газа меньше расчетной производительности газогенератора.
0
0
0
В другом предпочтительном воплощении в соответствии с настоящим изобретением блок 9 контроллера дополнительно запрограммирован для поддержания расхода входящего газа на входе 5 аппарата 4 в течение предварительно заданного номинального временного интервала цикла, ∆s, и для прерывания потока входящего газа по истечении упомянутого предварительно заданного номинального временного интервала цикла, ∆s, в том случае, если указанная измеренная концентрация меньше заданной величины. Для подготовки аппарата 4 для другого цикла адсорбции блок 9 контроллера дополнительно запрограммирован для применения цикла регенерации к указанному аппарату 4 по истечении указанного предварительно заданного временного интервала ∆s или предварительно заданной номинальной продолжительности времени цикла, ∆s, соответственно.
Для повышения эффективности процесса адсорбции генератор газа 1 в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно содержит по меньшей мере два аппарата 4, каждый из которых имеет вход 5 и выход 6 для обеспечения прохождения через генератор потока газа и содержит адсорбирующий материал (не показан), способный избирательно адсорбировать из газообразной смеси первый газообразный компонент, в результате через выход 6 проходит поток газа, содержащий, в основном, второй газообразный компонент.
В предпочтительном воплощении в соответствии с настоящим изобретением каждый из упомянутых аппаратов 4 содержит расходомер 7 и модуль 8 для определения концентрации второго газообразного компонента, размещенные за выходом 6 каждого аппарата.
В другом воплощении в соответствии с настоящим изобретением выходы 6 всех аппаратов соединяются с образованием общего выхода, и упомянутый общий выход дополнительно снабжен расходомером 7 и модулем 8 для определения концентрации второго газообразного компонента.
Предпочтительно, упомянутый блок 9 контроллера, помимо того, запрограммирован для избирательной подачи потока входящего газа на вход 5 одного из по меньшей мере двух аппаратов 4.
В другом предпочтительном воплощении аппарат 4, кроме того, снабжен клапаном 10, установленным перед входом 5 для обеспечения возможности прохождения потока входящего газа в адсорбирующий материал, находящийся в указанном аппарате 4. Предпочтительно каждый из упомянутых аппаратов 4 содержит клапан 10, обеспечивающий возможность прохождения потока входящего газа в адсорбирующий материал.
Предпочтительно, указанный блок 9 контроллера запрограммирован на открытие и закрытие каждого из указанных клапанов 10 всякий раз, когда поток входящего газа должен входить в контакт с адсорбирующим материалом в одном из указанных аппаратов 4.
Предпочтительно, но не в качестве ограничения, блок 9 контроллера запрограммирован на открытие указанных клапанов 10 так, что в стадии адсорбции в одно время будет находиться только один аппарат 4.
Предпочтительно блок 9 контроллера открывает выпускной клапан 12 одновременно с клапаном 10 каждого соответствующего аппарата.
Блок 9 контроллера предпочтительно производит перерасчет удельной производительности генератора 1 на основе измерений температуры и давления, произведенных датчиком температуры T и датчиком давления P.
Генератор газа 1 в соответствии с настоящим изобретением, кроме того, может быть обеспечен отвод 11, который позволяет каждому из по меньшей мере двух аппаратов 4 выпускать газ во внешнюю среду.
Предпочтительно указанным установленным в ответвлении соединительным элементом 11 может быть клапан, или газовый кран, или подобное средство.
Предпочтительно блок 9 контроллера, кроме того, запрограммирован для начала цикла регенерации в одном из по меньшей мере двух адсорбционных аппаратов 4 и избирательного направления потока входящего газа через один из по меньшей мере двух других аппаратов 4, в которых производится регенерация (фиг. 3). Предпочтительно это осуществляется с помощью клапана 10, установленного на входе в аппарат 4.
l
2
В другом воплощении в соответствии с настоящим изобретением блок 9 контроллера дополнительно программируется с возможностью измерения временного интервала ∆t, в течение которого один из по меньшей мере двух аппаратов 4 находится в стадии адсорбции, и сравнения измеренного временного интервала с минимальным заданным интервалом времени, ∆t, и:
l
2
если ∆t > ∆t и если измеренная концентрация равна или превышает заданную величину и упомянутый измеренный расход выходящего потока газа меньше расчетной производительности, то блок 9 контроллера поддерживает расход входящего газа в течение указанного предварительно заданного временного интервала, ∆s ; или
l
2
0
если ∆t <= ∆t , и если измеренная концентрация равна или превышает заданную величину и упомянутый измеренный расход выходящего потока меньше расчетной производительности, то блок 9 контроллера поддерживает расход входящего газа в течение указанного предварительно заданного номинального временного интервала цикла, ∆s.
Предпочтительно, но не в качестве ограничения, каждый из по меньшей мере двух аппаратов 4 содержит адсорбирующий материал, представляющий собой углеродные молекулярные сита.
В другом предпочтительном воплощении поток входящего газа может поступать с выхода компрессорного блока 12 ', а поток выходящего газа может быть направлен в сеть 13 пользователя.
Предпочтительно, но не в качестве ограничения, поток выходящего газа достигает ресивера азота (не показан), прежде чем он будет направлен в указанную сеть 13 пользователя.
В другом воплощении в соответствии с настоящим изобретением концентрацию указанного второго газообразного компонента определяют за упомянутым ресивером азота и перед сетью 13 пользователя.
Если найденная концентрация ниже заданной величины, ресивер азота предпочтительно подвергается циклу продувки. Во время такого цикла продувки газообразная смесь, содержащаяся в ресивере азота, отводится во внешнюю среду. Предпочтительно указанный цикл продувки осуществляется путем открытия клапана, установленного на выходе ресивера азота.
В другом предпочтительном воплощении в соответствии с настоящим изобретением генератор 1 газа дополнительно содержит пользовательский интерфейс (не показан), предпочтительно подключенный к блоку 9 контроллера.
С помощью указанного пользовательского интерфейса пользователь генератора 1 газа в соответствии с настоящим изобретением может выбирать различные параметры для того, чтобы расход выходящего газа соответствовал требованиям сети пользователя, и, в частности, параметр из группы, включающей упомянутую заданную величину концентрации второго газообразного компонента, расход энергии в газогенераторе, использование компрессорной установки или другого генератора потока входящего газа, тип используемого адсорбирующего материала, количество используемых аппаратов, или любые комбинации перечисленных параметров.
Указанный пользовательский интерфейс может быть выполнен в виде сенсорного экрана с различными выборами, или в виде потенциометров, позволяющих пользователю делать разные выборы, или в виде соединительных элементов с ручным приводом, таких как клапаны или рычажные переключатели, позволяющие пользователю укомплектовать генератор 1 газа в соответствии с его требованиями.
Указанный пользовательский интерфейс может быть неотъемлемой частью генератора газа 1 или может составлять часть внешнего электронного модуля, подключенного к указанному генератору 1 посредством проводной или беспроводной связи.
Объектом настоящего изобретения, кроме того, является блок контроллера, содержащий: средство 7 для измерения расхода выходящего газа на выходе 6 регенерируемого аппарата 4 , средство для определения концентрации 8 второго газообразного компонента на выходе 6 регенерируемого аппарата 4 , блок обработки для сравнения данных измерений с заданными величинами и регулирования временного интервала, в течении которого поток газа направляется через вход 5 упомянутого аппарата 4, при этом упомянутый контроллер выполнен с возможностью использования в генераторе газа в соответствии с настоящим изобретение.
Пример 1 (не ограничивающий) учитывающего давление поправочного коэффициента Kpc для производительности, предпочтительно полученного путем интерполяции, в соответствии со следующей таблицей:
Крс
Давление, бар
Для первой заданнойвеличины концентрации величины величины
Для второй заданнойвеличины концентрации
4
0,56
0,52
4,5
0,63
0,60
5
0,71
0,67
5,5
0,77
0,75
6
0,85
0,83
6,5
0,93
0,91
7
1,00
1,00
7,5
1,07
1,04
8
1,13
1,09
8,5
1,19
1,11
9
1,25
1,13
9,5
1,30
1,15
10
1,35
1,16
10,5
1,40
1,17
11
1,45
1,18
11,5
1,50
1,20
12
1,54
1,21
12,5
1,58
1,23
13
1,61
1,25
Указанная первая заданная величина концентрации относится к заданной величине концентрации второго газообразного компонента, которая может быть предпочтительно выбрана в интервале от 95 до 99,5%.
Указанная вторая заданная величина концентрации относится к заданной величине второго газообразного компонента, которая предпочтительно может быть выбрана в интервале от 99,5 до 99,999%.
Пример 2 (не ограничивающий) поправочного температурного коэффициента Ktc для расчета производительности, предпочтительно полученного путем интерполяции, в соответствии со следующей таблицей:
Кtс
Температура,<sup>О</sup>С
Для первой заданнойвеличины концентрации величины величины
Для второй заданнойвеличины концентрации
5
1,00
1,02
10
1,00
1,02
15
1,00
1,00
20
1,00
1,00
25
0,98
0,96
30
0,95
0,93
35
0,92
0,88
40
0,88
0,83
45
0,83
0,78
50
0,78
0,72
55
0,72
0,67
60
0,66
0,62
При этом указанная первая заданная величина концентрации относится к заданной величине концентрации второго газообразного компонента, которая может быть предпочтительно выбрана в интервале от 95 до 99,5%.
Указанная вторая заданная величина концентрации относится к заданной величине второго газообразного компонента, которая предпочтительно может быть выбрана в интервале от 99,5 до 99,999%.
Настоящее изобретение никаким образом не ограничивается воплощениями, описанными в качестве примера и иллюстрируемыми на чертежах, но предложенный газогенератор может быть реализован во всех видах вариантов, не выходя за пределы объема изобретения.