小型变压吸附制氧工艺技术研究

2019-04-18杨哲哲

商品与质量 2019年38期

杨哲哲

潍坊伟士昕气体设备有限公司山东潍坊 2 6 1 0 0 0

氧气在人类生活中起着非常重要的作用，它不仅为人类的生存提供了必要的条件，而且还适用于生产各种工业产品。经过数十年的发展，小型变压吸附制氧（PSA）技术已经变得越来越成熟，并已用于医院、钢铁、石化、玻璃和其他制造行业。由于其方便、快速、有效和可持续的氧气供应，近年来对通过变压吸附生产氧气的方法进行了不断的改进和应用。

1 小型变压吸附制氧的分析

1.1 制氧工艺

工艺流程是生产PSA氧气的关键。该设备在PSA氧气生产过程中使用两个吸附塔来生产氧气。使用进气过滤器处理原始空气，以去除固体污染物（例如灰尘）并进入压缩机。压缩后的空气被送到热交换器中进行冷却，而冷却后的空气则被送到空气存储装置，再用吸附塔进行吸附分离。分离出的部分产品气体通过单向阀到达氧气存储罐。然后通过控制阀门将其减压，再通过氧气过滤器进行清洁，并通过流量计将其调节至相应的流量。吸附塔B通过反冲洗进行清洗，待消音器关闭后，富氮解析气体会通过相应的电磁阀自动释放。

PSA氧气生产过程主要包括以下个阶段的吸附循环，以进行增加压力、压力均衡、减压脱附和冲洗的操作：（1）吸附以增加压力：通过吸附塔入口调节压力，使得塔中的压力开始增加。空气与塔中的分子筛完全接触，然后吸附氮气，最后使得氧气流过吸附塔的气体出口。（2）压力均衡：吸附塔A中的分子筛达到饱和，停止吸附并与已被冲洗的吸附塔B连通，吸附塔中有高压气体流入，在吸附塔B中，两个吸附塔的压力已达到基本平衡，并且可以有效利用吸附塔A中的气体和能量。（3）减压脱附：待调节压力操作完成后，吸附塔A对吸附塔中的气体进行减压并直接释放，使分子筛吸附的大部分氮解析，使分子筛再生，最后使分子筛再循环。（4）冲洗：使用从吸附塔A流出的富氧气体解析吸附塔B，进行反洗以去除残留的氮，进而提高解析效果并从分子上提高吸附塔中分子筛的再生能力[1]。

1.2 分析仪器

使用某科技有限公司的在线氧气分析仪CY678L进行氧气体积分数测试。测量范围：9.9%-99.97%；屏幕分辨率：91%；样气流速：197-389ml / min；环境温度：0-47.3℃；相对湿度：＜87.93%。

2 结果与讨论

2.1 相关压力对氧气浓度和回收率的影响

图1示出了吸附压力对氧气浓度的影响（测试条件：氧气流量5l / min）。

图1 吸附压力对氧气浓度和回收率的影响

在图1中可以看出，氧浓度随着吸附压力的增加而增加。回收率与氧气浓度的增加相同，回收率随着压力的增加而增加。氧气浓度的增加多少反映了氧气回收率的增加情况，因为随着压力的增加，分子筛的氮吸附能力也随之增加，这有利于氧气的分离，从而进一步提高了回收率。

2.2 补偿时间对制氧量的影响

设计压力均衡器，以便高压气体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压力来减少吸附过程中的能耗。另一方面，可以平衡大部分氧气量。等到空气被再次吸收和分离，就能提高氧气的回收速度。在本研究中，如果产品的气体流量为4l，氧气出口压力为0.03MPa，吸附时间为4.9s。可以看出，产物中氧气体积的比例随着压力均衡时间的增加而迅速增加，并且在达到最大值之后逐渐减小。具有均压步骤的产物气体的氧气体积比例明显大于没有均压步骤的产物气体的氧气体积比例。此时，吸附压力随均压时间的增加而增加。这是因为在较短的压力平衡时间下，在相同压力下进入吸附塔的气体量较低，所以塔内的压力较低。如果吸附时间恒定，则吸附初期的压力低，那么吸附效果就会比较理想。吸附时间短，吸收的氮量少，释放的氧量就少。在产物气体流量恒定的条件下，如果产物气体中氧气体积的比例小，那么随着均压时间的增加，吸附塔的压力在均等压力下将会变得更大且更有效。释放的氧气量和产生的氧气量随着吸附时间的增加而增加，当均压时间增加到0.8s时，从均压塔中分子筛脱附的氮进入均压塔，从而产生产物气体。氧气量的比例降低，随着均压时间的增加，进入吸附塔的气体量因吸附压力增加。

2.3 氧气流量对氧气浓度和回收率的影响

氧气流速对氧气浓度和回收率具有很大的影响（测试条件：吸附时间为7s，压力均衡时间为1.2s）。在小于6.00升/分钟的流速下，氧气浓度基本上保持在大约94.47%。当氧气流量增加至7.00l/ min时，氧气浓度迅速降至88.79%。如果分子筛的质量恒定，则其在空气中的氮吸附能力是恒定的，即氧气的生产能力是固定的[2]。回收率随流量的增加而增加，这完全与氧气浓度随流量的变化趋势相反。通过调节产气结束时的流量，将排放量设定为较小值时，一些氧气就无法进入储氧罐，并会与解析的氮气一起排放，这导致此时的回收率较低。随着流出量的增加，更多的氧气被去除。随着工作量的增加，回收率继续增加，即使氧气浓度降低，回收率也继续增加[3]。