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，因此可選擇對氮和氧具有不同吸附選擇性的吸附劑，設(shè)計適當(dāng)?shù)墓に囘^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,因此氮氣在沸石分子篩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)下通過裝有沸石分子篩吸附劑的吸附床時，氮氣被分子篩吸附， 氧氣因吸附較少，在氣相中得到富

2、集并流出吸附床，使氧氣和氮氣分離獲得氧氣。當(dāng)分子篩吸附氮氣至接近飽和后， 停止通空氣并降低吸附床的壓力，分子篩吸附的氮氣可以解吸出來，分子篩得到再生并重復(fù)利用。兩個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步驟：進(jìn)氣吸附和抽空解吸，無論采用幾塔流程，每個吸附塔都必須周期性地重復(fù)這兩個步驟。最初的變壓吸附裝置規(guī)模小，一般采用兩塔流程，后來為了擴(kuò)大規(guī)模和節(jié)約能耗，又開發(fā)出多塔流程。隨著新型吸附劑的開發(fā)和設(shè)備制造工藝的進(jìn)步，又逐步向兩塔流程回歸。 這是因為采用兩塔流程時， 當(dāng)一個塔進(jìn)行吸附時， 另外一個塔可以進(jìn)行抽空解吸，兩個塔互

3、相匹配，可以在最短的時間內(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行費用，兩塔流程的長期運行成本最低。 因此，在可能的情況下應(yīng)盡可能選擇兩塔流程，這個結(jié)論是理論上的分析，同時得到了國內(nèi)外變壓吸附制氧設(shè)備供應(yīng)商長期實踐的驗證。但大規(guī)模裝置采用兩塔流程必須解決兩個難點：在限定氣流速度的前提下， 解決大直徑吸附塔的制造問題并保證吸附塔內(nèi)氣流分布的均勻性。因此，在實際應(yīng)用中，裝置規(guī)模較大而又無法解決上述兩個難點時， 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題。對變壓吸附制氧工藝流程的選擇原則是在滿足氣流速度和吸附塔直徑的前提下，盡量選少的吸附塔。3、國際VPSA制氧技術(shù)狀況簡介目前，代表國際最先進(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， 制氧裝置工藝方案的設(shè)計具有以下特點：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、和閥門數(shù)量，使設(shè)備占地面積 和總投資大幅度降低。對于VPSA制氧裝置來說，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)系到裝置的運行成本和經(jīng)濟(jì)效益。因此，制氧設(shè)備的設(shè)計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)備長期運行的經(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，提高裝置長期運行的經(jīng)濟(jì)性，這是目前國際上VPSA制氧技術(shù)的最新趨勢。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€裝有具有選擇性吸附空氣中氮氣的吸附劑），空氣中的氮氣、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)換是通過氣動閥門的切換來實現(xiàn)的。氣動切換閥的動作由PLC控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的程序控制，定期自動

7、切換。三、北大先鋒公司制氧技術(shù)特點 制氧吸附劑性能先進(jìn)，用量少、使用壽命長采用本公司自主開發(fā)生產(chǎn)并擁有知識產(chǎn)權(quán)的、性能達(dá)到國際最先進(jìn)水平的新型高效空分制氧分子篩一PU-8 （2001年度國家重點新產(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）和氮氣吸附容量（常溫常壓下為22ml/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，這意味著動態(tài)性能佳、 分子篩用量少、使用壽命長（保證10年以上）。 先進(jìn)可靠的吸附塔設(shè)計技術(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，而且還會直接影響吸附劑

8、的壽命。 我公司與北京大學(xué)國家級流體力學(xué)重點實驗室和相關(guān)專業(yè)學(xué)者教授共同研制開發(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 解吸的氮氣量減少，使得鼓風(fēng)機(jī)和真空泵的負(fù)荷變小。 制氧能耗低，運行費用省產(chǎn)品純度為93%時，電耗0.38kwh/Nm3純氧，比國內(nèi)同類裝置低 1020% ,而電耗在整個運行費用中占 85%以上，因而可節(jié)約大量運行費用。 裝置運行穩(wěn)定性、可靠性高氣動切換閥和電磁閥選用國際大氣體公司

9、均選用的耐萊斯雙偏心軟密封氣動切換閥，該閥密封面的使用壽命達(dá) 150萬次以上，并且更換方便，以原始配置運行壽命可達(dá)十年以上。 裝置自動化程度高，安全性好儀表系統(tǒng)采用上位計算機(jī)控制，PLC、變送器等關(guān)鍵設(shè)備采用國際知名專用品牌，具備完善的安全監(jiān)測報警系統(tǒng)，對裝置的主要設(shè)備如風(fēng)機(jī)、泵、氧壓機(jī)運行狀態(tài)全面監(jiān)測，對在運行過程中的故障及時準(zhǔn)確報警及聯(lián)鎖停機(jī)；裝置全自動程控操作， 操作軟件由我公司自行研制開發(fā)，并經(jīng)北京大學(xué)自動化研究所檢測確認(rèn)，裝置可實現(xiàn)無人化運行。 裝置環(huán)保條件好，無環(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，每十年可更長時間更換一次，可用于鋪路或填坑；對噪音防治，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 料以及對噪音振動較大的管路采用消音材料包扎等方式消音降噪，滿足環(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離子與氮分子的四極矩之間的較強(qiáng)作用，使氮氣吸附在沸石分子篩上，氧氣則吸附較少，從而使氧氮分離。顯而易見，分子篩對氮氣的吸附容量和氮氧分離系數(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氣吸附量小、氮氧分離系數(shù)較低，嚴(yán)重束縛了PSA制氧技術(shù)的發(fā)展。針對這種情況，北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院氣體分離凈化技術(shù)中心在分子動態(tài)與穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)國家重點實驗室”謝有暢教授（國家級專家、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年開始新型制氧分子篩的研究開發(fā)，經(jīng)過三年多的大量工作， 吸取國際國內(nèi)的實際經(jīng)驗，開發(fā)研制出一種新型空氣分離制氧專用分子篩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)到國際最先進(jìn)水平。PU-8型分子篩性能 氮氣吸附量大，常溫常壓下為22ml