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變壓吸附制氧基本原理

2017-04-20

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行分離的一種非低溫空氣分離技術。   空氣中的主要組份是氮和氧,因此可選擇對氮和氧具有不同吸附選擇性的吸附劑,設計适當的工藝過程,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(0.31Å)比氧的(0.10 Å)大得多,因此氮氣在沸石分子篩上的吸附能力比氧氣強(氮與分子篩表面離子的作用力強)。因此,當空氣在加壓狀态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,在氣相中得到富集并流出吸附床,使氧氣和氮氣分離獲得氧氣。當分子篩吸附氮氣至接近飽和後,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複利用。兩個以上的吸附床輪流切換工作,便可連續生産出氧氣。  

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複這兩個步驟。最初的變壓吸附裝置規模小,一般采用兩塔流程,後來為了擴大規模和節約能耗,又開發出多塔流程。随着新型吸附劑的開發和設備制造工藝的進步,又逐步向兩塔流程回歸。這是因為采用兩塔流程時,當一個塔進行吸附時,另外一個塔可以進行抽空解吸,兩個塔互相匹配,可以在最短的時間内完成必須的操作,使吸附劑的利用效率最高,而且兩塔流程可以實現吸附塔之間的均壓,氧氣的收率和能耗也可達到比較好的水平;此外,兩塔流程由于工藝簡單,設備數量少、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,在可能的情況下應盡可能選擇兩塔流程,這個結論是理論上的分析,同時得到了國内外變壓吸附制氧設備供應商長期實踐的驗證。    但大規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内氣流分布的均勻性。因此,在實際應用中,裝置規模較大而又無法解決上述兩個難點時,往往采用多塔流程,但是也同樣需要關注氣體流速、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。  

國際VPSA制氧技術狀況簡介  

   目前,代表國際最先進水平的VPSA制氧工藝均以降低制氧電耗和設備投資為出發點,制氧裝置工藝方案的設計具有以下特點:  

1、采用新型锂分子篩吸附劑,利用其高吸附容量和高氮/氧吸附選擇性,提高空氣的用率,以達到降低能耗的目  的; 2、采用高效、節能、節水的羅茨鼓風機和濕式羅茨真空泵作為原料空氣壓縮和廢氣解吸設備,以進一步降低制氧電耗;

3、 采用短切換周期從而減少吸附劑用量,并盡量減少吸附塔和閥門數量,使設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,也是衡量制氧設備技術經濟性能先進性最重要的指标,直接關系到裝置的運行成本和經濟效益。因此,制氧設備的設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組,保障制氧設備長期運行的經濟性和可靠性,  以保證成套設備可靠性為前提,采取适當增加吸附劑用量、降低解吸壓比的方法。

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