小型變壓吸附制氧工藝技術(shù)研究

楊哲哲

濰坊偉士昕氣體設(shè)備有限公司 山東濰坊 2 6 1 0 0 0

氧氣在人類生活中起著非常重要的作用，它不僅為人類的生存提供了必要的條件，而且還適用于生產(chǎn)各種工業(yè)產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，小型變壓吸附制氧（PSA）技術(shù)已經(jīng)變得越來(lái)越成熟，并已用于醫(yī)院、鋼鐵、石化、玻璃和其他制造行業(yè)。由于其方便、快速、有效和可持續(xù)的氧氣供應(yīng)，近年來(lái)對(duì)通過(guò)變壓吸附生產(chǎn)氧氣的方法進(jìn)行了不斷的改進(jìn)和應(yīng)用。

1 小型變壓吸附制氧的分析

1.1 制氧工藝

工藝流程是生產(chǎn)PSA氧氣的關(guān)鍵。該設(shè)備在PSA氧氣生產(chǎn)過(guò)程中使用兩個(gè)吸附塔來(lái)生產(chǎn)氧氣。使用進(jìn)氣過(guò)濾器處理原始空氣，以去除固體污染物（例如灰塵）并進(jìn)入壓縮機(jī)。壓縮后的空氣被送到熱交換器中進(jìn)行冷卻，而冷卻后的空氣則被送到空氣存儲(chǔ)裝置，再用吸附塔進(jìn)行吸附分離。分離出的部分產(chǎn)品氣體通過(guò)單向閥到達(dá)氧氣存儲(chǔ)罐。然后通過(guò)控制閥門將其減壓，再通過(guò)氧氣過(guò)濾器進(jìn)行清潔，并通過(guò)流量計(jì)將其調(diào)節(jié)至相應(yīng)的流量。吸附塔B通過(guò)反沖洗進(jìn)行清洗，待消音器關(guān)閉后，富氮解析氣體會(huì)通過(guò)相應(yīng)的電磁閥自動(dòng)釋放。

PSA氧氣生產(chǎn)過(guò)程主要包括以下個(gè)階段的吸附循環(huán)，以進(jìn)行增加壓力、壓力均衡、減壓脫附和沖洗的操作：（1）吸附以增加壓力：通過(guò)吸附塔入口調(diào)節(jié)壓力，使得塔中的壓力開始增加?？諝馀c塔中的分子篩完全接觸，然后吸附氮?dú)?，最后使得氧氣流過(guò)吸附塔的氣體出口。（2）壓力均衡：吸附塔A中的分子篩達(dá)到飽和，停止吸附并與已被沖洗的吸附塔B連通，吸附塔中有高壓氣體流入，在吸附塔B中，兩個(gè)吸附塔的壓力已達(dá)到基本平衡，并且可以有效利用吸附塔A中的氣體和能量。（3）減壓脫附：待調(diào)節(jié)壓力操作完成后，吸附塔A對(duì)吸附塔中的氣體進(jìn)行減壓并直接釋放，使分子篩吸附的大部分氮解析，使分子篩再生，最后使分子篩再循環(huán)。（4）沖洗：使用從吸附塔A流出的富氧氣體解析吸附塔B，進(jìn)行反洗以去除殘留的氮，進(jìn)而提高解析效果并從分子上提高吸附塔中分子篩的再生能力[1]。

1.2 分析儀器

使用某科技有限公司的在線氧氣分析儀CY678L進(jìn)行氧氣體積分?jǐn)?shù)測(cè)試。測(cè)量范圍：9.9%-99.97%；屏幕分辨率：91%；樣氣流速：197-389ml / min；環(huán)境溫度：0-47.3℃；相對(duì)濕度：＜87.93%。

2 結(jié)果與討論

2.1 相關(guān)壓力對(duì)氧氣濃度和回收率的影響

圖1示出了吸附壓力對(duì)氧氣濃度的影響（測(cè)試條件：氧氣流量5l / min）。

圖1 吸附壓力對(duì)氧氣濃度和回收率的影響

在圖1中可以看出，氧濃度隨著吸附壓力的增加而增加?；厥章逝c氧氣濃度的增加相同，回收率隨著壓力的增加而增加。氧氣濃度的增加多少反映了氧氣回收率的增加情況，因?yàn)殡S著壓力的增加，分子篩的氮吸附能力也隨之增加，這有利于氧氣的分離，從而進(jìn)一步提高了回收率。

2.2 補(bǔ)償時(shí)間對(duì)制氧量的影響

設(shè)計(jì)壓力均衡器，以便高壓氣體在吸附塔中完全回收。一方面，可以有效地利用已完成吸附的吸附塔中的最高壓力來(lái)減少吸附過(guò)程中的能耗。另一方面，可以平衡大部分氧氣量。等到空氣被再次吸收和分離，就能提高氧氣的回收速度。在本研究中，如果產(chǎn)品的氣體流量為4l，氧氣出口壓力為0.03MPa，吸附時(shí)間為4.9s?？梢钥闯觯a(chǎn)物中氧氣體積的比例隨著壓力均衡時(shí)間的增加而迅速增加，并且在達(dá)到最大值之后逐漸減小。具有均壓步驟的產(chǎn)物氣體的氧氣體積比例明顯大于沒有均壓步驟的產(chǎn)物氣體的氧氣體積比例。此時(shí)，吸附壓力隨均壓時(shí)間的增加而增加。這是因?yàn)樵谳^短的壓力平衡時(shí)間下，在相同壓力下進(jìn)入吸附塔的氣體量較低，所以塔內(nèi)的壓力較低。如果吸附時(shí)間恒定，則吸附初期的壓力低，那么吸附效果就會(huì)比較理想。吸附時(shí)間短，吸收的氮量少，釋放的氧量就少。在產(chǎn)物氣體流量恒定的條件下，如果產(chǎn)物氣體中氧氣體積的比例小，那么隨著均壓時(shí)間的增加，吸附塔的壓力在均等壓力下將會(huì)變得更大且更有效。釋放的氧氣量和產(chǎn)生的氧氣量隨著吸附時(shí)間的增加而增加，當(dāng)均壓時(shí)間增加到0.8s時(shí)，從均壓塔中分子篩脫附的氮進(jìn)入均壓塔，從而產(chǎn)生產(chǎn)物氣體。氧氣量的比例降低，隨著均壓時(shí)間的增加，進(jìn)入吸附塔的氣體量因吸附壓力增加。

2.3 氧氣流量對(duì)氧氣濃度和回收率的影響

氧氣流速對(duì)氧氣濃度和回收率具有很大的影響（測(cè)試條件：吸附時(shí)間為7s，壓力均衡時(shí)間為1.2s）。在小于6.00升/分鐘的流速下，氧氣濃度基本上保持在大約94.47%。當(dāng)氧氣流量增加至7.00l/ min時(shí)，氧氣濃度迅速降至88.79%。如果分子篩的質(zhì)量恒定，則其在空氣中的氮吸附能力是恒定的，即氧氣的生產(chǎn)能力是固定的[2]?；厥章孰S流量的增加而增加，這完全與氧氣濃度隨流量的變化趨勢(shì)相反。通過(guò)調(diào)節(jié)產(chǎn)氣結(jié)束時(shí)的流量，將排放量設(shè)定為較小值時(shí)，一些氧氣就無(wú)法進(jìn)入儲(chǔ)氧罐，并會(huì)與解析的氮?dú)庖黄鹋欧牛@導(dǎo)致此時(shí)的回收率較低。隨著流出量的增加，更多的氧氣被去除。隨著工作量的增加，回收率繼續(xù)增加，即使氧氣濃度降低，回收率也繼續(xù)增加[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著小型變壓吸附制氧技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的制氧工程有了很大地改進(jìn)。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要采取必要的安全措施，綜合性地提高我國(guó)的制氧水平。