具有氧气压缩机的真空变压吸附（VPSA）系统的制作方法

本公开涉及经由真空变压吸附(vpsa)的空气分离领域，并且更具体地涉及一种被设计为产生氧气产物流的vpsa系统或布置，该系统或布置具有三(3)个离心压缩机，包括被配置为由具有磁悬浮轴承的高速永磁体或高速感应电机直接驱动的氧气压缩机，并且该氧气压缩机具有由变频驱动器控制的速度。

背景技术：

1、在现有的用于产氧的vpsa系统中，具有直接驱动电机的离心鼓风机经常用于压缩待输送到吸附床的进料空气流以及在吸附床再生期间真空提取残余气体。多年以来，使用具有直接驱动电机的离心压缩机来压缩进料空气流和提取残余气体已经得到了极大的改进，以提供更高的效率和更安静的操作。然而，具有直接驱动电机的离心压缩机的设计和操作面临许多技术挑战和安全隐患，尤其是当用于压缩富氧气体或其他易燃易爆气体时。

2、具体地，传统离心压缩机或鼓风机的机械轴承依靠润滑油进行润滑和冷却，这确保了压缩机或鼓风机的平稳运行，但也引入了油封泄漏的风险。离心机械中油封的失效将不仅导致润滑油的浪费，而且在更严重的情况下，如果润滑油与高温或易燃物质接触，则可能会造成火灾或爆炸事故。

3、此外，氧气泄漏到产氧vpsa系统的电机壳体中也是严重的潜在问题。具体地，任何氧气从富氧产物流泄漏到vpsa系统中使用的氧气压缩机或鼓风机中的电机壳体中，这不仅降低了vpsa设备的效率，而且由于与润滑油接触的氧气浓度增加，还可能加剧火灾或爆炸的风险。因此，经常需要使用专用的氧气压缩机和鼓风机，这种氧气压缩机和鼓风机使用氧气安全润滑剂以降低火灾的风险。使用此类专用氧气压缩机和鼓风机通常涉及更高的资本成本、更高的操作/维护成本、以更低的效率操作，并且经常比离心压缩机的噪声更大。

4、例如，传统氧气压缩机的维护成本被驱动得更高，因为关键备用零件(诸如轴承、密封件和润滑剂)需要以较短间隔更换，并且经常需要每几年进行一次完整的检修或更换。除了附加的维护成本之外，此类频繁的维修和/或更换增加了vpsa系统的停机时间，并且不利地影响了产氧vpsa系统的可用性和可靠性。

5、需要对产氧vpsa系统进行改进，以降低与氧气泄漏相关联的安全风险，同时也提高产氧vpsa系统的效率、可用性、可靠性和操作。此类改进还应降低与此类产氧vpsa系统中的氧气压缩机或鼓风机相关联的资本、操作和维护成本。

技术实现思路

1、在广义上，本发明表示一种产氧vpsa系统中的安全特征，该系统包括离心氧气压缩机，该离心氧气压缩机被配置为由具有磁悬浮轴承的高速永磁体或高速感应电机直接驱动。当检测到迷宫密封件上的氧气泄漏时，安全特征使离心氧气压缩机进入停用模式。当离心氧气压缩机中的密封气体系统压力小于安全操作阈值压力和/或当密封气体系统中的氧气浓度高于氧气浓度阈值时，可指示迷宫密封件上的氧气泄漏。

2、更具体地，本发明可表征为一种用于气体分离的真空变压吸附(vpsa)系统，该系统包括：(i)多个吸附容器，每个吸附容器各自含有至少一种吸附材料；(ii)产物缓冲器容器，该产物缓冲器容器被配置用于接收来自多个吸附容器的一个或多个流出物流；(iii)进料离心压缩机，该进料离心压缩机被配置为由具有磁悬浮轴承的第一高速永磁体或高速感应电机直接驱动，该第一高速永磁体或高速感应电机具有由变频驱动器控制的速度，并且该进料离心压缩机被配置为压缩进料流；(iv)真空离心压缩机，该真空离心压缩机被配置为由具有磁悬浮轴承的第二高速永磁体或高速感应电机直接驱动，并且该第二高速永磁体或高速感应电机具有由变频驱动器控制的速度，并且该真空离心压缩机还被配置用于排空从多个吸附容器中的一个或多个吸附容器接收的残余流；(v)产物离心压缩机，该产物离心压缩机被配置为由具有磁悬浮轴承的第三高速永磁体或高速感应电机直接驱动，并且该第三高速永磁体或高速感应电机具有由变频驱动器控制的速度，并且该产物离心压缩机还被配置用于压缩从产物缓冲器容器接收的富氧产物流；(vi)多个阀，该多个阀用于将该进料流的流动引导至该多个吸附容器中的至少一个吸附容器，将该流出物流的流动从该多个吸附容器中的至少一个吸附容器引导至该产物缓冲器容器，以及从该多个吸附容器中的至少一个吸附容器引导该残余流的流动；(vii)控制器，该控制器被配置用于打开和/或关闭该多个阀以将该进料流的流动控制到该多个吸附容器中的至少一个吸附容器，以及在吸附循环期间将该流出物流的流动从该多个吸附容器中的至少一个吸附容器引导至该产物缓冲器容器，以及在再生循环期间从该多个吸附容器中的至少一个吸附容器引导该残余流的流动；并且(viii)该控制器还被配置用于接收针对该系统中的状况的数据信号，并且用于响应于该系统中的该状况而控制该进料离心压缩机和相关联的第一电机的速度、该真空离心压缩机和相关联的第二电机的速度以及该产物离心压缩机和相关联的第三电机的速度。多个吸附容器各自被配置用于在吸附循环与再生循环之间的循环操作。

3、在本vpsa系统的一些实施方案中，产物离心压缩机优选地包括离心叶轮、蜗壳、背板、迷宫密封件、吹扫气体回路、密封气体系统和多个传感器，该多个传感器包括一个或多个压力传感器和氧气浓度传感器。一个或多个压力传感器中的至少一个压力传感器和氧气浓度传感器可设置在密封气体系统内。产物离心压缩机被配置为当vpsa系统的状况表明发生过量的氧气泄漏或存在其他可能的安全问题时自动停用，该安全问题包括例如当迷宫密封件后面的密封气室中的压力低于第一阈值压力或者密封气体系统内的氧气浓度高于第一阈值浓度时。本vpsa系统中的产物离心压缩机的许多实施方案还包括吹扫气体回路，并且产物离心压缩机被配置为在产物离心压缩机停用之后和/或在其启动期间利用氮气、空气或其他惰性气体混合物的吹扫气体流进行吹扫。

4、优选地，在本vpsa系统的大多数实施方案中的吸附材料可包括沸石分子筛(zms)，并且更优选为至少一层13x沸石分子筛或至少一层锂交换沸石(lix)或至少一层钙交换沸石(cax)或13x沸石分子筛和锂交换沸石(lix)两者的层或13x沸石分子筛和钙交换沸石(cax)两者的层。

5、本发明还可表征为一种离心压缩机，该离心压缩机被配置用于压缩富氧产物流并且由具有磁悬浮轴承的高速永磁体或高速感应电机驱动。离心压缩机包括：离心叶轮；蜗壳；背板；护罩；以及迷宫密封件，并且其中离心压缩机的特征在于具有多个传感器，该多个传感器包括设置在密封气体系统内的氧气浓度传感器以及设置在迷宫密封件的高压侧上及迷宫密封件的低压侧上(例如，在密封气体系统中)的一个或多个压力传感器。离心压缩机的操作和速度被配置为响应于来自多个传感器的数据信号而被控制，并且更具体地被配置为当来自传感器的数据信号指示迷宫密封件上的氧气泄漏时自动停用。

6、本发明可广义地表征为一种用于控制离心产物压缩机的方法，该离心产物压缩机被配置用于压缩富氧产物流，其中该方法包括以下步骤：(a)使用来自多个传感器的测量结果来建立用于离心产物压缩机的基线压力阈值，该基线压力阈值包括许可启动压力阈值和安全操作阈值压力；(b)启动离心产物压缩机的操作以压缩富氧产物流；(c)在离心产物压缩机的操作期间检测密封气室的压力；以及(d)当密封气室压力小于安全操作阈值压力时，控制离心产物压缩机进入停用模式。

7、如上所述，离心产物压缩机被配置为由具有磁悬浮轴承的高速永磁体或高速感应电机驱动，并且该离心产物压缩机还包括：离心叶轮；蜗壳；背板；护罩；迷宫密封件和多个传感器，该多个传感器包括设置在密封气体系统内的氧气浓度传感器以及一个或多个压力传感器。优选地，启动离心产物压缩机的操作以压缩富氧产物流的步骤仅可以在密封气室压力处于或高于启动许可阈值压力时发生。此外，在本方法期间确定或建立的也可用于控制离心产物压缩机操作的附加压力阈值可以包括使用来自多个传感器的测量结果的最小压力阈值和最大压力阈值。