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华中科技大学硕士学位论文变压吸附制氧技术的研究_华中科技大学硕士学位论文摘 要变压吸附(PSA)制氧技术日趋成熟，已成为一种重要的制氧方法，尤其是在中 小型制氧装置中有可观的运用前景。本文设计制造了一套微型两塔变压吸附制氧实验装置，根据此装置，研制了一套 相应的单片机控制系统，并设计出了不同制氧流程控制的软件。本文用研制出的变压吸附制氧装置进行了制氧实验的研究，研究结论如下：(1)在进气流量一定时，吸附塔出气端的氧气浓度随吸附压力的增加先增加后 降低，并存在一个最佳吸附压力；进气流量不同，吸附压力相同时对应的吸附塔出气 端的氧气的浓度变化不大。(2)吸附塔出气压力相同时，出气流量越大，氧气浓度达到最高值的时间就越 短；出气流量一定，出气压力不同时对氧气浓度的影响不明显。(3)在吸附压力为0.4MP3,进气流量为25m3/h,出气流量为0.3m3/h时，该实 验装置的最佳时间参数为：充压为15s、吸附为55$冲洗为8$均压为10s、排气2 35So(4)采用两端均压方式总体上比单一均压方式效果更好，而采用出气口均压方 式生产的氧气浓度高于进气口均压方式。(5)采用保压工艺时，制氧效果并没有得到明显的提升。(6)随着产品氧气量的增加，产品气最高氧浓度和平均氧浓度均有所下降；而 且增加相同的产品氧气量并不能导致产品气纯度等程度的降低。(7)利用本实验装置，在吸附压力为0.4MP3,原料气进气流量为25m3/h的工 况下，在保证产品气流量为OJrrf/h,采用两端均压无保压工艺，充压为15&吸附为 55s,冲洗为昵均压为10s,排气三35s时能获得最高氧浓度为76.5%、平均氧浓度 为68.2%的富氧产品气。关键词：变压吸附制氧工艺参数实验研究华中科技大学硕士学位论文Abst ractThe gas separat ing t echnology of PSA(Pressure Swing Adsorpt ion)has been applied mat urely day by day;it has been ext remely principal t echnology of oxygen separat ion f rom air.A kind of miniat ure PSA oxygen-making t echnology is st udied wit h independent ly designed t est inst allat ion under t he laborat ory condit ion.A miniat ure PSA oxygen-making t est inst allat ion has been designed and made under t he laborat ory condit ion.The gas out put and rout e syst em,t he st ruct ure of oxygen generat or and cont rol syst em have been int roduced in det ail.Experiment al result s of miniat ure PSA oxygen-making t echnology f lows show:(1)Product purit y increases f irst ly and t hen decreases wit h increase of operat ion pressure,t here isa opt imal operat ion pressura(2)Wit h increase of out put gas f low rat e,t he t ime in which product purit y has a maximum decreases gradually.(3)The opt imal paramet er det ermined is:15 sf or re-pressure,55 sf or adsorpt ion,8 s f or purge,8 sf or pressure equalizat ion,t he t ime f or blowdown 三35 s(4)The pressure equalizat ion at bot h sides is t he opt imal met hod,and t he pressure equalizat ion at t he exit ends yielded bet t er result t han at t he ent rance ends The opt imal t ime of pressure equalizat ion is 10 swit h t he bot h sides met hod.(5)The oxygen manuf act ure ef f ect has not obt ained t he obvious promot ion wit h t he guarant ees presses craf t.(6)Wit h increase of product gas f low rat e,t he highest oxygen purit y and average oxygen purit y decrease gradually.(7)Using t he miniat ure PSA oxygen-making t est inst allat ion,We can obt ain oxygen boost ing product s of t he highest oxygen concent rat ion which is 76.5%,average oxygen concent rat ion which is 68.2%.Key words:pressure swing adsorpt ion oxygen separat ion craf t research experiment al st udy独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。保 密口，在_年解密后适用本授权书。本论文属于不保密口。（请在以上方框内打“J”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年 月 日日期：年 月日华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1空分制氧技术简介目前，在工业上国内外使用的空气分离制氧技术主要有三种：低温精微法、薄膜 分离法、变压吸附分离法。下面分别介绍这三种方法。1低温精储法这种方法历史悠久，是目前最成熟的一种方法，主要原理是利用空气中氮气、氧气的 沸点不同，在120K以下温度的条件下，将空气压缩液化，然后对液体空气精储，利用氧、氮组分沸点的不同，实现氮、氧的分离。该法适用于工业上生产量大，分离气纯度要求较 高的情况，但是这种方法投资大，能耗高，操作复杂，仅使用于大规模制氧领域。2膜分离法膜分离法是利用有机聚合膜对氮气和氧气渗透性不同，在一定压力下，氧气透过 聚合物膜的速度比氮、氨快，从而在低压侧富集氧气。这种方法虽然设备紧凑、简单、处理量大、不污染环境和投资费用低等优点，但是由于膜易于损坏等缺点，在目前来 说，工业应用还不成熟。3 变压吸附法(PressureSwing Adsorpt ion,PSA)这种方法是20世纪60年代末才开发出来的一种新型的空分制氧方法，主要原理口】是利用N2分子的偶极矩大于。2,吸附剂中的阳离子与N2偶极矩的作用力大于。2,使得 N2在吸附剂上的平衡吸附容量高于。2,达到分离氮气、氧气的目的。变压吸附法以其 装置简单、自动化程度高、操作方便、灵活、投资少和能耗低等许多优点回5】，在近 来得到了快速发展。目前，中小规模的空分制氧装置绝大多数已采用变压吸附法。1.2变压吸附制氧原理、研究现状及应用1.2.1 变压吸附制氧原理及特点1吸附的定义“吸附”一词最早由Kayse9在18sl年提出的，意思是气体在自由表面上的凝聚。现在国际上严格定义吸附为：一个或多个组分在界面上的富集或损耗。在变压吸附制 华中科技大学硕士学位论文氧中，就是指多孔固体材料与流体接触，流体相中的某一组分或多种组分累积在固体 表面，使流体发生数量和浓度改变的过程。吸附于多孔固体表面的组分脱出称为脱附 或解吸过程，为吸附的逆过程。通过吸附和解吸，可以达到流体中不同组分分离或 净化的目的。要想实现混合组分的分离必须具备两个基本条件已咒（1）多孔材料或 吸附剂对混合组分中的不同组分具有选择吸附性能，或者具有平衡选择吸附特性或者 具有动态选择吸附特性。（2）加压条件下，组分的吸附量增加，减压条件下，组分 的吸附量减少，这样就使吸附剂得到再生，从而能够循环使用。2吸附分离机理吸附分离过程是借助于以下几种机理进行的：（1）筛分型（位阻分离）主要原理9,1。是由于分子筛类吸附剂的孔径是由其晶体结构决定的，只有形状规 则而且直径小于孔径的分子才能进入吸附剂孔穴而被吸附，而形状不规则的分子或大 分子则不易或不能进入吸附剂孔穴，从而实现分离。典型的应用过程有3A分子筛干燥 裂化气和乙烯、4A分子筛干燥天然气、5A分子筛从石脑油和煤油中回收正构烷煌等。（2）速率型（动力学分离）主要原理9,10是根据分子扩散进入吸附剂孔穴中的速率不同，适当选择吸附时间 来控制目标组分和非目标组分的吸附量，实现分离。碳分子筛空分制氮是典型的动力 学分离。较新的应用领域是二氧化碳和甲烷的分离。（3）平衡性（平衡分离）主要原理9,1。是利用不同的分子在吸附剂上的平衡吸附量的差异进行分离。大多 数变压吸附分离过程是借助于平衡机理来完成的，如从各种气源制氢和沸石分子筛空 气分离。3变压吸附空分制氧的原理变压吸附空分制氧所使用的吸附剂一般都是分子筛，特别是5A沸石分子筛和13X 分子筛，分离机理属于前述的平衡分离型，主要是利用N2、6分子的偶极距不同（用 的偶极矩为0.31Cm,O2的偶极矩为0.1Cm）11,分子筛中的阳离子与N?偶极矩的作 用力大于。2,使得N2在分子筛上的平衡吸附容量高于。2。因此在中、低压（如0.5MPS）下分子筛优先吸附氮气，达到分离氮、氧的目的。而且，分子筛具有吸附容量随吸附 压力变化的特性，在较高压力下，吸附的氮气容量大，在较低压力下，吸附氮气的容 2华中科技大学硕士学位论文量小，于是可以通过降压将吸附的氮气从吸附剂中解吸出来，吸附剂就得到了再生，便可循环使用。4变压吸附空分制氧的特点PSA制氧装置与通常的制氧装置相比较，有以下特点：(1)制取廉价的氧气，能耗低。变压吸附一般在常温下操作，可以省去加热和 冷却的能耗，且能耗主要在于压缩机上，因此比低温精储法经济。(2)运行操作简单，能做到全自动化操作。(3)启动快，在短时间内(通常只需要几分钟)就可以达到要求浓度。(4)装置简单，维护管理方便。(5)设备运行安全可靠，不必配备有一定技能的专人。变压吸附装置通常只有 程控制阀是运动部件，而目前国内外的程序控制阀是经过多年研究改进的，使时间长,故障率低，而且由于计算机专家诊断系统的开发应用，具有故障自诊断，吸附塔自动 切换等功能，使得装置的可靠性进一步提高。(6)设备体积小，占地面积小。1.2.2变压吸附制氧工艺1变压吸附空分制氧的基本步骤常用的PSA制氧工艺一般都包括以下几步：吸附、均压、放空、冲洗与充压等口2,131。(1)吸附(Adsorpt ion)：原料气从吸附塔入口端进入吸附塔，在一定压力下进行 吸附，产品氧气从出口端输出到产品缓冲罐。(2)均压(PressuiBEqidizat ion)：完成吸附的塔与完成冲洗的塔进行均压，主要 目的是回收一部分氧气和机械能，并且对氧气浓度的提升起到一定作用。(3)放空(Blowdown)：完成吸附的塔与其它塔均压后进一步降压，大部分被吸 附的氮气解吸出来，使吸附剂得到充分解吸。按照放空方式的不同，可以分为逆向放 空(Courrt ercurrent Blowdown)和顺向放空(Cocurrent Blowdown)0(4)冲洗(Purge)：用一部分产品氧气逆向冲洗床层，使吸附床层得到彻底再生。(5)充压(Rapresst re)：与完成吸附的塔进行均压后，用产品气提高床层压力，将压力充至吸附压力，为下一步吸附作好准备。2变压吸附空分制氧工艺3华中科技大学硕士学位论文目前有采用两床PSA、三床PSA、四床PSA以及真空变压吸附(VacuumSwing Adsorpt ion,简称VSA)图支根据吸附床层再生条件不同又可以分为常压再生和真空 再生，后者即通常所说的真空变压吸附(VSA)。下面简要介绍下不同工艺的特点。(1)两床PSA最早使用两床PSA的是Skarst onnP5,他于1957年提出的Skarst orm循环装置如图1.1所示，主要用于干燥空气。当第一个吸附器进行吸附时产生出氧气，第二个吸附器 放压，使吸附器得到再生，然后用一部分产品气进行吹扫床层，再进行充压至吸附压 力，这样完成一个循环。其优点是工艺流程简单，容易操作。缺点是不能连续产生出 氧气，要获得稳定的氧气产品气流，必须使用缓冲器。图 1.1 Skarst orm 循环 图 1.2 GuerimDomine 循环在Skarst orr砒出Skarst ormf盾环的同一时期,Guerin等也申请GuerimDomine循环的 专利。该循环属于真空解吸的变压吸附流程(Vacuum Swing Adsorpt ion,VSA),其 循环过程见图1.2。和Skarst orm同的是，GuerimDomine循环提出利用抽真空的方法 增加床层的解吸。循环中包括三个基本阶段：用原料气使其中一个吸附塔升压，同时另一个吸附塔被抽空；两个吸附塔均压，以回收第一个吸附塔中较高浓度的 弱吸附组分；第一个吸附塔抽真空解吸，在下一个循环周期，两个吸附塔的作用 相反，这样就可以连续不断地从吸附塔出口得到高浓度的弱吸附组分，实现原料气中 强吸附组分和弱吸附组分的分离。(2)三塔和四塔PSA为了克服两塔PSA不能连续产生氧气的缺点，采用三塔PSA,这样就可以连续产 生出氧气，流程简图如图1.3。每个吸附器在工作时都要经历三个阶段，即吸附、再生 华中科技大学硕士学位论文和充压。在任何时候都只有一个吸附器处于吸附阶段，故产品流是连续的。针形阀1、2、3吸附塔截止阀4产品气罐图1.3三床变压空分制氧流程简图采用四塔PSA工艺，可以进一步提高氧气的回收率。但缺点是工艺流程复杂，操 作麻烦。其工艺流程简图如图1.4。而高于四塔的PSA很少使用。1、2、3、4吸附塔 5产品气罐图1.4四塔变压吸附空分制氧流程简图5华中科技大学硕士学位论文朱学军等El通过研究变压吸附制取医用氧，分别对两塔、三塔、四塔PSA进行了 对比，指出采用四塔PSA工艺，氧气的回收率最高，达到了40%,其次是三塔PSA工 艺，回收率达35%,而两塔PSA工艺仅有30%,但是四塔PSA工艺流程复杂，技术要求 高，可靠性较差，三塔PSA也是比较复杂，而两塔PSA工艺流程简单，工艺也不复杂,操作容易，可靠性高，所以采用较多。3变压吸附空分制氧工艺的改进一段时间以来，在保持PSA经济性的前提下，人们把提高产品气的纯度和回收率 作为主要的目标，深入研究了变压吸附空分制氧流程的各个步骤和影响产品氧气纯度 及回收率的因素，对传统工艺进行了改进，开发出了一些新的工艺。(1)采用同时进行的步骤采用同时进行的步骤，即使吸附塔再生过程的某些步骤同时进行，如已完成吸附 的塔与已完成再生的塔在产品端和进料端同时进行均压网，充压时在床层两端同时进 行充压，以及均压和逆向放空、均压与顺向放空同时进行等，这样可以缩短循环时 间，提高装置的生产能力，有效地改善了装置的性能。(2)均压过程PSA工艺中的均压步骤是将已完成的吸附床层顺向放空的气体用于已完成再生床 层的充压，通常使两床间压力变相等，引入均压过程可以充分利用已完成吸附床层中 气体的较高压力，也是提高产品氧气纯度和回收率的有效措施。Leavit t,W等09】利用 有效能分析讨论了无均压步骤和有均压步骤的PSA过程，指出带均压流程比不带均压 流程更合理。(3)用纯度高的气体进行冲洗在通常的PSA工艺中，吸附床层的顺向放空气通常先用于均压，然后再作为清洗 气，由于随着床层压力降低，顺向放空气纯度也降低，因此清洗气中必然会有部分杂 质组分带入再生后的床层，造成产品端吸附剂的污染，为了提高清洗过程的效果，改 进的工艺中采用了产品气画或顺向放空初期的气体，即用纯度较高的气体进行清洗，提高了产品纯度及回收率。(4)脉冲PSA在PSA循环过程中，吸附塔内压力波动很大，往往会使得有规则排列的吸附剂床 层变为不规则，塔中的气流极不稳定，从而影响吸附效果，降低吸附剂的生产能力。6华中科技大学硕士学位论文为了克服这些缺陷，Noguchi等网提出一种脉冲性的变压吸附工艺，让进料、出产品 和冲洗以及逆向放空等过程均按间歇方式进行，实现脉冲性进出料，这种间歇进出料 的操作方式，使吸附塔内气流具有微观上的不稳定性和宏观上的稳定性，提高了吸附 或解吸速率，有效的提高了吸附剂的利用率。(5)真空变压吸附VSA通常PSA采用的工艺都是在中压下吸附，常压下解吸，1 983年，A.G.Bager首先开 发了真空变压吸附，该工艺一般采用常压下吸附而真空下再生将吸附的氮气解吸出 来，大多数VSA装置都是三床过程。其优点向一是可以提高产品纯度及产品回收率。一 般PSA工艺采用高压下吸附，常压再生，而在再生时通过降压，需要排出废气，致使 收率降低。二是可以降低装置能耗高压下吸附流程能耗主要在原料气的压缩能耗上，而采用真空解吸时，抽真空的负载仅是吸附相组分，只是原料气的一部分，而且抽真 空过程中床的真空度是逐步提高的，到了最后阶段才达到较高的压力比，因此负载小、处于高压力比的时间短，使得VSA的能耗比常压解吸的PSA有较大的降低。(6)PSA和膜分离联合工艺早在几十年前人们就已经开始了对聚合物膜进行气体分离的研究，随后将膜分离 法开始用于空分。由于用膜分离工艺生产99.5%的。2非常昂贵】，开始研究PSA与膜分 离联合工艺。Meicea等研究了PSA膜分离工艺，发现富集塔较贫化塔大时有较好的分 离效果，并将PSA膜分离联合工艺和传统高压气瓶供应99.5%氧气的成本进行了对比，得出联合工艺很有经济价值的结论。1.2.3变压吸附制氧技术国内外现状目前PSA分离空气制氧技术主要向三个方向发展：(1)具有更高氧氮分离系数高性能分子筛的研制。R.T.Yaig等人合成的 LiXAgY-X型沸石分子筛属于一种利用锂和银离子交换的低硅铝比的X型沸石分子筛,是目前用于PSA分离空气制氧的最好的吸附剂，其氧氮分离系数可以达到6.0以上，而 目前工业化生产的沸石分子筛的氧氮分离系数一般不超过4.0。(2)PSA空分制氧规模朝大型化和微型化两个方向发展。大型化发展主要是市场 的需要以及降低能耗的要求所致，美国Praxai卢体公司生产的VSA制氧机的单台制氧 规模己经达到5600Nm3/h,能耗降到0.35kwh/m3氧气，在中小规模上，PSA技术已经具 7华中科技大学硕士学位论文有和低温精微法相竞争的优势。微型化发展主要为了满足人们医疗保健和一些特殊场 合的需要，要求其具有体积小、噪音小、移动性好和可靠性高的特点，其产气量一般 在5L/E也右，氧气浓度为93%左右，这种微型制氧装置对能耗要求相对较低。(3)改进变压吸附技术的工艺以制备高浓度氧气。由于空气中含有0.94%的氨气，氮气具有和氧气分子非常接近的物理性质，所以一般PSA技术得到氧气的浓度最高为 95%o而对于一些应用，例如焊接和切割过程、炼钢工艺、等离子体化学、臭氧发生 器、高海拔航空服以及实验室应用，都需要浓度达到99%以上的氧气。目前世界各国 有关技术人员正在积极开展PSA流程制高浓度氧技术的研究工作。我国变压吸附用于空分制氧始于20世纪六十年代后期，在90年代进入了快速发展 的阶段，并在某些技术领域达到了世界先进水平。目前，我国变压吸附制氧技术正在 向大型化、小型化以及高纯度三个方向发展。小型变压吸附制氧主要用于氧疗保健、科研氧源、臭氧氧源、以及养殖业用氧等领域，其中氧疗和氧保健是应用范围最广和 最有市场潜力的领域，小型变压吸附制氧也因此领域的应用和开发而成为变压吸附的 重要研究方向。1.2.4变压吸附制氧经济性及工业应用1变压吸附制氧经济性及工业应用PSA空分制氧需要消耗大量的能量，能耗主要来源于空压机。随着人们对PSA空 分制氧的不断深入研究和改进，目前大型制氧机组的电耗已经降到了OSkwh/NmPd 以下，中小型制氧机组的能耗也在1kwh/Nm3O2左右。一切研究表明，PSA空分制氧是 比较经济的，能耗逐年在不断的下降。郭梦骅画对中小型PSA空分制氧的经济性进行 了分析，以PSA制氧法同国产150Nm3/h小型制氧机组以及进口液氧设备，从使用成本、电耗和投资这三个方面进行了对比，得出了PSA制氧法较经济的结论。杨玉平等阿以 IQOONirf/hOzPVSA制氧机为例，从流程、基建费用运行控制、维修费用、制氧成本等 方面详细对比了 PVSA与传统的深冷法，指出PVSA是非常经济的。2 PSA空分制氧技术的发展状况及工业应用前景1960年Skanrom等四人发明了变压吸附技术后，至七十年代psa分子筛性能的提 高，吸附工艺的不断完善，PSA制氧工艺的技术经济指标的提高，尤其是制氧能耗已 经降低至0.45kwh/(Nm3O2)的显著效果，使得PSA空分制氧得到了巨大发展，见表1.1。8华中科技大学硕士学位论文表1.1中的数据显示了 PSA法制氧产量占总氧产量的比例在逐年增加。表1.1美国和日本PSA制氧的发展概况网国家年份PSA制氧产量/总氧产量（）美国19844美国199211.8日本19856日本198823日本199333（1）规模大型化领域国外在这方面起步较早，早在六十年代，埃索公司和联合碳化物公司申请了很多 专利，法液空气体公司，拜耳/马赫勒公司也同样申请了不少专利。Air St ep公司建 造的大型制氧装置，产量达到了42t/d,浓度达93%倒。而日本在70年代初就开始从美 国引进变压吸附空分制氧装置，当时主要用于污水处理，从1977年开始用于工业性生 产，主要对象是电炉1、窑炉1、焚烧炉冏。据日本有关报道【55，到了 1990年，日本变压 吸附制氧装置的普及率为：在大型工业锅炉中占20.6%,在中型工业锅炉重占31.7%,在工业取暖锅炉中占16%,在船舶锅炉中占31.3%。至U了1991年，日本三菱重工建成世 界上最大的变压吸附制氧设备，其氧产量为8650Nm3/Hi】。我国则是从1966年开始研 究沸石分子筛吸附空气制氧的，进行了 100Nm302/h规模的工业性试验但支到了 80年代，四川空分设备厂用PSA制氧产量为50Nm3/h,电耗约1.1kwWNm3O2冏。马钢建成了一 座与8m3试验高炉配套的吸附制氧装置,制氧量相当于lOONrrf/h制氧机的规模画。1997 年1月由西南院研制的我国目前最大的一套1600Nm3/h PSA制氧装置在广州油制品厂 一次试车成功冏。江苏丹阳化肥厂为了解决用油为原料制氢、氮气问题，曾建成了 lOOONrrf/h规模的吸附制氧装置陶。这一切都表明了，PSA法空分制氧正不断的向大 规模领域进军，有取代传统低温精偏法空分制氧的趋势。（2）规模小型化领域对于中小规模的制氧装置，PSA空分制氧工艺从技术上和经济上都要比低温精镭 法优越，因此其在中小规模领域更是应用广泛，各种小型制氧机的相继问世，主要用 于医疗、家庭、飞机和火车用氧场合。近年来我国由于医疗方面的需要，已有提供医 用的小型变压吸附制氧装置，分2Nm3/丽8Nm3/h两种规格闽。苏州制氧机厂也成功研9华中科技大学硕士学位论文制开发了医用PSA制氧装置，产量为78Nm3/h,电耗为1.3论文研究的目的和内容1研究目的(1)探索效果好的微型变压吸附制氧流程(2)优化制氧流程中各种工艺参数(3)总结各种实验，为微型变压吸附制氧机的系统设计和过程优化提供指导。2研究内容(1)设计、制造了一套微型两塔变压吸附制氧实验装置；(2)根据上述装置，研制一套相应的单片机控制系统，设计不同制氧流程控制 软件；(3)用研制出的变压吸附制氧装置进行制氧实验的研究，内容如下：研究不同吸附压力对制取的氧气浓度的影响，并进行分析总结，得出本 实验装置的最佳吸附压力；测定不同吸附压力下的穿透曲线；研究单吸附塔出气流量、出气压力、产品气流量等工艺参数对吸附塔出气端 氧浓度的影响；获得了本实验装置的最佳工艺时间参数；比较出气口均压、进气口均压、两端均压三种均压条件下的最高出气氧浓度,获得采用两端均压时的最佳均压时间参数。10华中科技大学硕士学位论文2制氧机实验装置设计参考前人的研究成果，建立了如图2.1所示的两塔微型变压吸附实验装置。整个 实验装置由气源系统、制氧主机系统、控制系统、辅助系统等几个部分构成。图2.1实验装置1过滤器，2压缩机，3,6,12,13,15,17压力表，4冷却器，5储气罐，7,16流量计，8二位五通电磁阀9,10吸附塔，11消声器，14储氧罐，18测氧仪空气经过滤器净化后进入压缩机，升压后的空气进入冷却器冷却，冷却后的压缩 空气由电磁阀控制分配进入吸附塔（塔内装填脱水剂和吸附剂）进行分离。分离后的 产品气（主要成分为氧气）一部分进入储氧罐储存，使用时经流量计流出，并用测氧 仪在线检测产品气的氧浓度；另一部分用于对解吸完的吸附塔进行反吹清洗，提高吸 附塔的解吸效果。解吸后的富氮气体由二位五通电磁阀经消声器后排出。微型变压吸附实验装置的实物图见图2.2、图2.3所示。11华中科技大学硕士学位论文图2.2微型变压吸附实验装置正面图2.3微型变压吸附实验装置背面12华中科技大学硕士学位论文2.1 气源系统设计2.1.1 PSA制氧对原料气的要求压缩空气是仅次于电力的第二大动力能源，是具有多种用途的工艺气源。但压缩 空气含有固体颗粒、冷凝水和油等杂质，影响压缩空气的应用。在本实验系统中的空 气既是产品氧的原料气，又是系统中气压传动的动力气。为保证产品氧的纯净，必须 除去压缩空气中的水分和油；为保证气动系统正常工作，必须除去压缩空气中的固体 颗粒；而且水分和油会严重影响吸附剂的使用性能和寿命，在进入吸附塔前必须将它 们除尽。在一定范围内，吸附压力越高，吸附剂对氮的吸附量与对氧的吸附量差别越大。但是吸附压力并不是越大越好，压力太高对分离效果反而不利，而且以加大分子筛用 量为代价，同时会加速分子筛的破损（粉化）160 一般而言吸附压力在0.20.7MP&范 围之间，这就要求了实验中的压缩气源必须满足这个压力范围。2.1.2 压缩空气的净化设计在建立实验装置过程中，我们选用无油压缩机，这样基本可以满足无油的要求 20）21o为减少空气压缩机内部机械运动表面的磨损，保证空气质量，空气进入压缩机 前须通过空气过滤器以清除其中所含的灰尘和其他杂质。为了降低原料气中的水分含 量，采用以下措施：（1）在压缩机的出口增加净化器，以除去空气中的绝大部分的 水分和油的含量。（2）在下节将要介绍的吸附塔的前端装填一部分13X分子筛（该分 子筛在较高压力时吸附水分和含碳元素气体，在低压时将水分和含碳元素气体解吸并 排出），以彻底分离原料气中的水分和CO、CO2等。2.1.3 空压机的选用本实验装置预定设计的最大产品气流量为3L/min,实验中采用间歇制氧流程，利 用储氧罐保证产品气的稳定输出。由经验可知采用此工艺流程制氧时，产品气回收率 一般为2异35%,本文取产品回收率为30%。则所需的原料气量计算如下口刀：原料气量:产品气量（L/min）回收率+21%=34-30%4-21%=47.62L/min=2.86m3/h=0.047m3/inn13华中科技大学硕士学位论文根据以上分析，我们选用的压缩机性能参数见表2.1。表2.1无油压缩机性能指标压缩机型号功率/W流量/n?rrin压力/MPa生产厂家FB-45/75500.0450.7上海捷豹压缩机厂2.2 制氧主机设计变压吸附制氧主机的设计主要包括吸附剂的选择、吸附塔的设计、制氧流程的设 计等几部分。2.2.1 吸附剂的选择吸附剂(分子筛)是吸附分离过程得以实现的基础。表面积大、强度高和耐磨性 好、颗粒大小均匀、具有一定的吸附分离能力是对吸附剂性能的基本要求羯划。对吸 附剂的选择一般要求吸附容量大、氮氧选择性(氮气吸附量/氧气吸附量)高以及再生容 易。而且，吸附剂一般要求抗压强度大于20N/颗，磨耗率小于0.5%,只有强度达到这 个要求，才能承受床层自身的重量和气流压降所施加的压力，同时承受切换时的气流 冲击而不粉化。表2.2 PSA富氧型分子筛性能指标项目指标应用工业PSA分子筛种类5A分子筛颗粒直径，DP/mm00.5-1.0分子筛颗粒密度，pJ(Kgh)1.291x103抗压强度，/(N/颗)N25磨耗率，/(%wt)W0.3产氧率(100%氧计)，/(L/Kg hr)230吸附床孔隙率，/0.52分子筛堆积密度，ph/(Kg/m3)0.85x10314华中科技大学硕士学位论文本实验装置中采用两层吸附剂，靠近进料端的吸附剂称为“预处理”吸附剂，它 的主要作用是除去进料空气中的水和二氧化碳。装置选用的“预处理”吸附剂为无锡 市荣得利分子筛厂生产的13X型分子筛。靠近吸附床出气端的第二层吸附剂称为“主 吸附剂”，它的主要作用是使氧气和氮气分离，一般选用具有优先吸附氮气的沸石分 子筛。装置选用的“主吸附剂”为无锡市荣得利分子筛厂生产的PSA富氧型分子筛，吸附剂的性能指标见表2.2。吸附剂用量的确定如下：分子筛用量(Kg)=产品气量(L/h)+分子筛产氧率(L/h Kg)=1804-30=6(Kg)初步确定两个吸附床的PSA富氧型分子筛装填量为6(Kg)；单个吸附床的装填量 为 3(Kg)。2.2.2 吸附塔的设计1吸附塔主体设计(1)吸附塔直径的确定吸附剂颗粒的临界流化速度公式为列：二”(亿-01650其中：(一分子筛颗粒的最小流化速度m/s(2-1)0一分子筛颗粒直径，m；0.5-1x10 3m,1X0.8x10 3m；区一分子筛颗粒密度，kg/m3,1.291x103kg/m3；0一空气密度，kg/m3,lX1.205kg/m3；g重力加速度，9.8W金；一气体动力学粘度，P3 峨kg/(m 乱 取干空气在p=1.01325x105pa,t=20时，4=18.2x10 6%$忧m(0.8x1Q-3)2x(1.291 x103-1.205)x 9.8=0.269rrVSo1650 x18.2x10615华中科技大学硕士学位论文空塔流速：U=(70%80%),=0.188-0.215 m/s,根据计算结果，初步确定吸附塔的空塔流速为：u=Q.2 nVSo计算吸附塔直径公式为：由前面计算选取空气压缩机的空气流量为0.05m3/min=8.3x10-4m3/9贝ij吸附塔直径：d=J4x83x10 4=0.074m=74mmV 71U V 3.14x0.2只要取%之d,即可满足要求，因此，选取公称直径为。N=125mm,外径 d=133mm的无缝钢管作为筒体，选用无缝钢管避免了板材卷制产生的纵焊缝和强度的 不足，可以提高装置的可靠性。(2)筒体厚度的确定采用无缝钢管作为筒体，管子的直管部分要求厚度应按公式5+确定(是设计厚度，5是计算厚度)，采用承受内压的公式计算当0/6时，直管的内 压设计厚度，应不小于公式(23)和(24)计算出的厚度23,2久3=-(2-3)2(M+0.4P),P(d+2C2)u-a M 0.6P(2-4)d是管子内径(对于压力设计计算时，管子内径应是采购技术条件下得最大值),P是设计内压，。是列于标准或技术条件表中或实测的管子外径，是焊接接头系数,a是材料许用应力。壁厚设计对于Q235碳素钢钢管，查表得，系数E=1Q,b=130MPa,设计内压尸=1MP&b=_-_把色_o 51mm2(7 E+0.4P)-2x(130 x1+1x0.4)d=127.2mm,C2=2mm6=P(d+2C2)_ 1x(127.2+2x2)aE-0.6P=2130 x 1-1 x(1-0.4)=0.51 mm16华中科技大学硕士学位论文介质无特殊腐蚀情况，对于碳素钢，取C=q+C2+C3(2-5)壁厚负公差：G=15%xS=0Q77e；介质对管子材料的腐蚀速度W0.05毫米/年时，单面腐蚀裕度。2=1.5mm；管子做压力容器，不开螺纹，螺纹深度C3=055 圆铢状管螺纹得螺纹深度，C3=1.162irTio则C=G+G+G=2.739mm设计厚度&=S+C=3.249mm,可取名义厚度。=4mm,则有效厚度R=-C=4-2.739=1.261 mm。强度校核强度校核时应力强度判别式为:PD-(,-C)1.0 x133-(4-2.739)2(/)(dn-C)2 x 1.0 x(4-2.739)=52.24M Pf t W 130Mps(2-6)因此取名义厚度心=4mm的钢管符合强度要求。我们选取公称直径。N=125,管子外径。=133mm,壁厚才=心=4mm的无缝钢管做筒体，管子内径d=125mm。(3)吸附塔总高度的确定d实=d=125mm为吸附塔实际内经，总分子筛需求量为10kg,每个吸附塔的装填 量为10+2=5kg,贝1J由0Ml9卜/=5(2团得：h=-4x5 2=-=0.479mJn 0,X X dl 850 x3.14x0.1252因此，装填PSA富氧分子筛的高度取为0.5m,设计装填13X分子筛的高度为0.1m。为方便气流均匀流动和吸附塔内零件的安装以及实验装置尺寸的扩展，吸附塔进、出 气端均要有一定的空间余度【25】。设计下分流板到塔底高度为0.15m,上分流板到塔顶 高度为0.15m。H=0.5+0.15+0.1+0.15=0.9m吸附塔的总体高度选为0.9m。17华中科技大学硕士学位论文2连接管路材料选择及尺寸确定(1)吸附塔法兰及密封装置的确定在保证安全的前提下(满足公称压力PN),考虑经济性、合理性的需要，可选用 板式平焊法兰(PL),密封面采用突面(RF)d=184inW26o连接尺寸为：公称通径DN=125mm,D=250mm,K=210mm,L=18mm,Th：M16,rt 8,C=22mmo法兰型号：HG 20592 法兰 PL125(B)-1.0 RF20垫片选择：公称通径DN=125mm,垫片内径1rax=141 mm,垫片外径D?=192e,厚度T=1.5e的耐油橡胶石棉垫片【26】。垫片型号：HG 20606垫片RF 125-1.0(2)法兰盖的设计和开孔补强的确定根据标准，选用钢制管法兰盖，突面密封，材料为20钢。连接尺寸为：公称通径 DN=125mm,D=250mm,K=210mm,L=18mm,Th：M16,rt 8,法兰盖厚度C=22mm。法兰盖型号：HG 20592法兰盖BL 125(B)-1.0 FF20在法兰盖中心需开直径为16mm的孔，以便与接下来选择的公称直径=15接管 连接。我国钢制压力容器(GB15O1998)规定，对于设计压力pW25Mps的容器