变压吸附制氧技术介绍

一、变压吸附制氧技术介绍

1、变压吸附制氧基本原理

变压吸附（Pressure Swing Adsorption）是利用气体在不同的压力下在吸附剂上的吸附能力不同，对空气中各种气体进行分离的一种非低温空气分离技术。

空气中的主要组份是氮和氧，因此可选择对氮和氧具有不同吸附选择性的吸附剂，设计适当的工艺过程，使氮和氧分离制得氧气。

氮和氧都具有四极矩，但氮的四极矩（0.31Å）比氧的（0.10 Å）大得多，因此氮气在沸石分子筛上的吸附能力比氧气强（氮与分子筛表面离子的作用力强，如图1所示）。因此，当空气在加压状态下通过装有沸石分子筛吸附剂的吸附床时，氮气被分子筛吸附，氧气因吸附较少，在气相中得到富集并流出吸附床，使氧气和氮气分离获得氧气。当分子筛吸附氮气至接近饱和后，停止通空气并降低吸附床的压力，分子筛吸附的氮气可以解吸出来，分子筛得到再生并重复利用。两个以上的吸附床轮流切换工作，便可连续生产出氧气。

2、变压吸附制氧工艺流程介绍

VPSA制氧装置的操作必须至少包含两个步骤：进气吸附和抽空解吸，无论采用几塔流程，每个吸附塔都必须周期性地重复这两个步骤。最初的变压吸附装置规模小，一般采用两塔流程，后来为了扩大规模和节约能耗，又开发出多塔流程。随着新型吸附剂的开发和设备制造工艺的进步，又逐步向两塔流程回归。这是因为采用两塔流程时，当一个塔进行吸附时，另外一个塔可以进行抽空解吸，两个塔互相匹配，可以在最短的时间内完成必须的操作，使吸附剂的利用效率最高，而且两塔流程可以实现吸附塔之间的均压，氧气的收率和能耗也可达到比较好的水平；此外，两塔流程由于工艺简单，设备数量少、投资较低。尽管两塔流程在能耗水平上不如多塔流程，但综合考虑投资和运行费用，两塔流程的长期运行成本最低。因此，在可能的情况下应尽可能选择两塔流程，这个结论是理论上的分析，同时得到了国内外变压吸附制氧设备供应商长期实践的验证。

但大规模装置采用两塔流程必须解决两个难点：在限定气流速度的前提下，解决大直径吸附塔的制造问题并保证吸附塔内气流分布的均匀性。因此，在实际应用中，装置规模较大而又无法解决上述两个难点时，往往采用多塔流程，但是也同样需要关注气体流速、吸附塔气流分布均匀性和大直径吸附塔的制造问题。

对变压吸附制氧工艺流程的选择原则是在满足气流速度和吸附塔直径的前提下，尽量选少的吸附塔。

3、国际VPSA制氧技术状况简介

目前，代表国际最先进水平的VPSA制氧工艺均以降低制氧电耗和设备投资为出发点，制氧装置工艺方案的设计具有以下特点：

l）采用新型锂分子筛吸附剂，利用其高吸附容量和高氮/氧吸附选择性，提高空气的用率，以达到降低能耗的目的；

2) 采用高效、节能、节水的罗茨鼓风机和湿式罗茨真空泵作为原料空气压缩和废气解吸设备，以进一步降低制氧电耗；

3) 采用短切换周期从而减少吸附剂用量，并尽量减少吸附塔和阀门数量，使设备占地面积和总投资大幅度降低。

对于VPSA制氧装置来说，电耗是决定氧气成本的最重要因素，也是衡量制氧设备技术经济性能先进性最重要的指标，直接关系到装置的运行成本和经济效益。因此，制氧设备的设计也必须以降低电耗为核心，选择合理的工艺流程和配套机组，保障制氧设备长期运行的经济性和可靠性。

以保证成套设备可靠性为前提，采取适当增加吸附剂用量、降低解吸压比的方法，在不增加

成本的基础上有效降低制氧电耗，提高装置长期运行的经济性，这是目前国际上VPSA制氧技术的最新趋势。

二、北大先锋公司制氧技术介绍

北大先锋ZO型VPSA制氧设备采用两床或多床超大气压吸附真空解吸工艺流程。成套设备由鼓风机、真空泵、吸附器、仪表空气系统、仪表控制系统、电气控制系统、切换系统、等系统组成。原料空气经空气过滤器去除空气中机械杂质，经鼓风机压缩后，从吸附器下部进料口进入吸附器(吸附器内装填了具有选择性吸附空气中水气、CO2和碳氢化合物的吸附剂，还装有具有选择性吸附空气中氮气的吸附剂),空气中的氮气、二氧化碳等组分被吸附，氧气产品从吸附器顶部流出。吸附剂吸附饱和后，通过降低吸附器工作压力使吸附组分解吸并流出吸附器。每一循环，吸附器都经历了吸附、顺向放压、真空解吸、均压、充压等工作步骤。

吸附器各工作步骤的转换是通过气动阀门的切换来实现的。气动切换阀的动作由PLC 控制系统根据设定的程序控制，定期自动切换。

三、北大先锋公司制氧技术特点

★制氧吸附剂性能先进，用量少、使用寿命长

采用本公司自主开发生产并拥有知识产权的、性能达到国际最先进水平的新型高效空分制氧分子筛─PU-8（2001年度国家重点新产品）。分子筛是VPSA制氧设备的“心脏”，PU-8型分子筛不仅具有极高的氮氧分离系数（是传统制氧分子筛的2～5倍）和氮气吸附容量（常温常压下为22ml/g，是传统制氧分子筛的2～3倍），而且解吸速率特快，并且有较高的强度和较低的含水率，这意味着动态性能佳、分子筛用量少、使用寿命长（保证10年以上）。★先进可靠的吸附塔设计技术

吸附塔内气流的分布不仅影响到吸附剂性能的发挥，而且还会直接影响吸附剂的寿命。我公司与北京大学国家级流体力学重点实验室和相关专业学者教授共同研制开发了适宜VPSA 制氧装置大型化的浅吸附床气流分布均压力、均流速的气流分布器，使我公司变压吸附空分制氧技术迅速达到国际先进水平。

★氧气收率高，鼓风机、真空泵负荷小

产品氧收率高，比常规VPSA 制氧设备高20%以上。这意味着需处理的空气量和需解吸的氮气量减少，使得鼓风机和真空泵的负荷变小。

★制氧能耗低，运行费用省

产品纯度为93%时，电耗≤0.38kwh/Nm3纯氧，比国内同类装置低10～20%，而电耗在整个运行费用中占85%以上，因而可节约大量运行费用。

★装置运行稳定性、可靠性高

气动切换阀和电磁阀选用国际大气体公司均选用的耐莱斯双偏心软密封气动切换阀，该阀密封面的使用寿命达150万次以上，并且更换方便，以原始配置运行寿命可达十年以上。★装置自动化程度高，安全性好

仪表系统采用上位计算机控制，PLC、变送器等关键设备采用国际知名专用品牌，具备完善的安全监测报警系统，对装置的主要设备如风机、泵、氧压机运行状态全面监测，对在运行过程中的故障及时准确报警及联锁停机；装置全自动程控操作，操作软件由我公司自行研制开发，并经北京大学自动化研究所检测确认，装置可实现无人化运行。

★装置环保条件好，无环境污染

装置排出的废气为多氮空气，不含有害物质，不造成环境污染；装置的主要废料为吸附床更换的吸附剂，主要成份为硅铝酸盐，不含有害物，每十年可更长时间更换一次，可用于