變壓吸附制氧技術(shù)介紹

1、一、變壓吸附制氧技術(shù)介紹1、變壓吸附制氧基本原理變壓吸附（Pressure Swing Adsorption ）是利用氣體在不同的壓力下在吸附劑上的 吸附能力不同，對(duì)空氣中各種氣體進(jìn)行分離的一種非低溫空氣分離技術(shù)?？諝庵械闹饕M份是氮和氧，因此可選擇對(duì)氮和氧具有不同吸附選擇性的吸附劑，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓に囘^(guò)程，使氮和氧分離制得氧氣。氮和氧都具有四極矩，但氮的四極矩（0.31?）比氧的（0.10 ?）大得多,因此氮?dú)庠诜惺肿雍Y上的吸附能力比氧氣強(qiáng)（氮與分子篩表面離子的作用力強(qiáng)，如圖1所示）。因此，當(dāng)空氣在加壓狀態(tài)下通過(guò)裝有沸石分子篩吸附劑的吸附床時(shí)，氮?dú)獗环肿雍Y吸附， 氧氣因吸附較少，在氣相中得到富

2、集并流出吸附床，使氧氣和氮?dú)夥蛛x獲得氧氣。當(dāng)分子篩吸附氮?dú)庵两咏柡秃螅?停止通空氣并降低吸附床的壓力，分子篩吸附的氮?dú)饪梢越馕鰜?lái)，分子篩得到再生并重復(fù)利用。兩個(gè)以上的吸附床輪流切換工作，便可連續(xù)生產(chǎn)出氧氣。2、變壓吸附制氧工藝流程介紹VPSA制氧裝置的操作必須至少包含兩個(gè)步驟：進(jìn)氣吸附和抽空解吸，無(wú)論采用幾塔流程，每個(gè)吸附塔都必須周期性地重復(fù)這兩個(gè)步驟。最初的變壓吸附裝置規(guī)模小，一般采用兩塔流程，后來(lái)為了擴(kuò)大規(guī)模和節(jié)約能耗，又開(kāi)發(fā)出多塔流程。隨著新型吸附劑的開(kāi)發(fā)和設(shè)備制造工藝的進(jìn)步，又逐步向兩塔流程回歸。 這是因?yàn)椴捎脙伤鞒虝r(shí)， 當(dāng)一個(gè)塔進(jìn)行吸附時(shí)， 另外一個(gè)塔可以進(jìn)行抽空解吸，兩個(gè)塔互

3、相匹配，可以在最短的時(shí)間內(nèi)完成必須的操作，使吸附劑的利用效率最高，而且兩塔流程可以實(shí)現(xiàn)吸附塔之間的均壓，氧氣的收率和能耗也可達(dá)到比較好的水平；此外，兩塔流程由于工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備數(shù)量少、投資較低。盡管兩塔流程 在能耗水平上不如多塔流程，但綜合考慮投資和運(yùn)行費(fèi)用，兩塔流程的長(zhǎng)期運(yùn)行成本最低。 因此，在可能的情況下應(yīng)盡可能選擇兩塔流程，這個(gè)結(jié)論是理論上的分析，同時(shí)得到了國(guó)內(nèi)外變壓吸附制氧設(shè)備供應(yīng)商長(zhǎng)期實(shí)踐的驗(yàn)證。但大規(guī)模裝置采用兩塔流程必須解決兩個(gè)難點(diǎn)：在限定氣流速度的前提下， 解決大直徑吸附塔的制造問(wèn)題并保證吸附塔內(nèi)氣流分布的均勻性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，裝置規(guī)模較大而又無(wú)法解決上述兩個(gè)難點(diǎn)時(shí)， 往往

4、采用多塔流程，但是也同樣需要關(guān)注氣體流速、 吸附塔 氣流分布均勻性和大直徑吸附塔的制造問(wèn)題。對(duì)變壓吸附制氧工藝流程的選擇原則是在滿(mǎn)足氣流速度和吸附塔直徑的前提下，盡量選少的吸附塔。3、國(guó)際VPSA制氧技術(shù)狀況簡(jiǎn)介目前，代表國(guó)際最先進(jìn)水平的 VPSA制氧工藝均以降低制氧電耗和設(shè)備投資為出發(fā)點(diǎn)， 制氧裝置工藝方案的設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：l）采用新型鋰分子篩吸附劑，利用其高吸附容量和高氮 /氧吸附選擇性，提高空氣的用率， 以達(dá)到降低能耗的目的；2）采用高效、節(jié)能、節(jié)水的羅茨鼓風(fēng)機(jī)和濕式羅茨真空泵作為原料空氣壓縮和廢氣解吸設(shè) 備，以進(jìn)一步降低制氧電耗；3）采用短切換周期從而減少吸附劑用量，并盡量減少吸附塔

5、和閥門(mén)數(shù)量，使設(shè)備占地面積 和總投資大幅度降低。對(duì)于VPSA制氧裝置來(lái)說(shuō)，電耗是決定氧氣成本的最重要因素，也是衡量制氧設(shè)備技術(shù)經(jīng) 濟(jì)性能先進(jìn)性最重要的指標(biāo)，直接關(guān)系到裝置的運(yùn)行成本和經(jīng)濟(jì)效益。因此，制氧設(shè)備的設(shè)計(jì)也必須以降低電耗為核心，選擇合理的工藝流程和配套機(jī)組，保障制氧設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。以保證成套設(shè)備可靠性為前提，采取適當(dāng)增加吸附劑用量、降低解吸壓比的方法，在不增加成本的基礎(chǔ)上有效降低制氧電耗，提高裝置長(zhǎng)期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，這是目前國(guó)際上VPSA制氧技術(shù)的最新趨勢(shì)。二、北大先鋒公司制氧技術(shù)介紹北大先鋒ZO型VPSA制氧設(shè)備采用兩床或多床超大氣壓吸附真空解吸工藝流程。成 套設(shè)備由鼓風(fēng)

6、機(jī)、真空泵、吸附器、儀表空氣系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、切換系 統(tǒng)、等系統(tǒng)組成。原料空氣經(jīng)空氣過(guò)濾器去除空氣中機(jī)械雜質(zhì)，經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)壓縮后，從吸附器下部進(jìn)料口進(jìn)入吸附器（吸附器內(nèi)裝填了具有選擇性吸附空氣中水氣、CO2和碳?xì)浠衔锏奈絼?，還裝有具有選擇性吸附空氣中氮?dú)獾奈絼?，空氣中的氮?dú)?、二氧化碳等組分被吸附，氧氣產(chǎn)品從吸附器頂部流出。吸附劑吸附飽和后， 通過(guò)降低吸附器工作壓力使吸附組分解吸并流出吸附器。每一循環(huán)，吸附器都經(jīng)歷了吸附、順向放壓、真空解吸、均壓、充壓等 工作步驟。吸附器各工作步驟的轉(zhuǎn)換是通過(guò)氣動(dòng)閥門(mén)的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。氣動(dòng)切換閥的動(dòng)作由PLC控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的程序控制，定期自動(dòng)

7、切換。三、北大先鋒公司制氧技術(shù)特點(diǎn) 制氧吸附劑性能先進(jìn)，用量少、使用壽命長(zhǎng)采用本公司自主開(kāi)發(fā)生產(chǎn)并擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、性能達(dá)到國(guó)際最先進(jìn)水平的新型高效空分制氧分子篩一PU-8 （2001年度國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品）。分子篩是VPSA制氧設(shè)備的 心臟”，PU-8 型分子篩不僅具有極高的氮氧分離系數(shù)（是傳統(tǒng)制氧分子篩的 25倍）和氮?dú)馕饺萘浚ǔ爻合聻?2ml/g ，是傳統(tǒng)制氧分子篩的 23倍），而且解吸速率特快，并且有較高的 強(qiáng)度和較低的含水率，這意味著動(dòng)態(tài)性能佳、 分子篩用量少、使用壽命長(zhǎng)（保證10年以上）。 先進(jìn)可靠的吸附塔設(shè)計(jì)技術(shù)吸附塔內(nèi)氣流的分布不僅影響到吸附劑性能的發(fā)揮，而且還會(huì)直接影響吸附劑

8、的壽命。 我公司與北京大學(xué)國(guó)家級(jí)流體力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)者教授共同研制開(kāi)發(fā)了適宜 VPSA制氧裝置大型化的淺吸附床氣流分布均壓力、均流速的氣流分布器，使我公司變壓 吸附空分制氧技術(shù)迅速達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。氧氣收率高，鼓風(fēng)機(jī)、真空泵負(fù)荷小產(chǎn)品氧收率局，比常規(guī) VPSA制氧設(shè)備局20%以上。這意味著需處理的空氣量和需 解吸的氮?dú)饬繙p少，使得鼓風(fēng)機(jī)和真空泵的負(fù)荷變小。 制氧能耗低，運(yùn)行費(fèi)用省產(chǎn)品純度為93%時(shí)，電耗0.38kwh/Nm3純氧，比國(guó)內(nèi)同類(lèi)裝置低 1020% ,而電耗在整個(gè)運(yùn)行費(fèi)用中占 85%以上，因而可節(jié)約大量運(yùn)行費(fèi)用。 裝置運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性高氣動(dòng)切換閥和電磁閥選用國(guó)際大氣體公司

9、均選用的耐萊斯雙偏心軟密封氣動(dòng)切換閥，該閥密封面的使用壽命達(dá) 150萬(wàn)次以上，并且更換方便，以原始配置運(yùn)行壽命可達(dá)十年以上。 裝置自動(dòng)化程度高，安全性好儀表系統(tǒng)采用上位計(jì)算機(jī)控制，PLC、變送器等關(guān)鍵設(shè)備采用國(guó)際知名專(zhuān)用品牌，具備完善的安全監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)裝置的主要設(shè)備如風(fēng)機(jī)、泵、氧壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)全面監(jiān)測(cè)，對(duì)在運(yùn)行過(guò)程中的故障及時(shí)準(zhǔn)確報(bào)警及聯(lián)鎖停機(jī)；裝置全自動(dòng)程控操作， 操作軟件由我公司自行研制開(kāi)發(fā)，并經(jīng)北京大學(xué)自動(dòng)化研究所檢測(cè)確認(rèn)，裝置可實(shí)現(xiàn)無(wú)人化運(yùn)行。 裝置環(huán)保條件好，無(wú)環(huán)境污染裝置排出的廢氣為多氮空氣，不含有害物質(zhì)，不造成環(huán)境污染；裝置的主要廢料為吸附床更換的吸附劑，主要成份為硅鋁酸鹽，不

10、含有害物，每十年可更長(zhǎng)時(shí)間更換一次，可用于鋪路或填坑；對(duì)噪音防治，采取在風(fēng)機(jī)、泵吸、排氣口增設(shè)消音器，主廠房貼消音的隔音材 料以及對(duì)噪音振動(dòng)較大的管路采用消音材料包扎等方式消音降噪，滿(mǎn)足環(huán)保要求。四、高效空分制氧吸附劑 PU 8變壓吸附空分制氧是利用沸石分子篩的陽(yáng)離子與氮分子的四極矩之間的較強(qiáng)作用，使氮?dú)馕皆诜惺肿雍Y上，氧氣則吸附較少，從而使氧氮分離。顯而易見(jiàn)，分子篩對(duì)氮?dú)獾奈饺萘亢偷醴蛛x系數(shù)是決定PSA制氧裝置規(guī)模和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最關(guān)鍵的因素。目前廣泛使用的制氧分子篩是CaA、NaX和CaX型分子篩，但是由于這些分子篩氮?dú)馕搅啃　⒌醴蛛x系數(shù)較低，嚴(yán)重束縛了PSA制氧技術(shù)的發(fā)展。針對(duì)這種情況，北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院氣體分離凈化技術(shù)中心在分子動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”謝有暢教授（國(guó)家級(jí)專(zhuān)家、博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任北大先鋒科技有公司總工程師）的領(lǐng)導(dǎo)下，從1995年開(kāi)始新型制氧分子篩的研究開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)三年多的大量工作， 吸取國(guó)際國(guó)內(nèi)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)研制出一種新型空氣分離制氧專(zhuān)用分子篩PU-8。與傳統(tǒng)的制氧分子篩相比，PU-8型分子篩吸附性能大幅度提高，達(dá)到國(guó)際最先進(jìn)水平。PU-8型分子篩性能 氮?dú)馕搅看螅爻合聻?2ml