變壓吸附制氧機(jī)

1891年，德國(guó)林德公司在冷凍機(jī)械制造公司的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始空氣液化工作。

1895年，林德教授利用焦耳--湯姆遜效應(yīng)制成第一臺(tái)液體空氣裝置。

1901年，林德公司在慕尼黑市建立低溫設(shè)備制造車(chē)間。

1902年，林德設(shè)計(jì)的第一臺(tái)單級(jí)精餾塔的空分設(shè)備制成。法國(guó)克勞特發(fā)明了膨脹機(jī)，在巴黎建立空氣液化公司。

1903年，林德公司制成第一臺(tái)工業(yè)性10m3/h的制氧機(jī)，采用高壓節(jié)流的高壓流程。

1910年，法國(guó)制成第一臺(tái)采用中壓帶活塞膨脹機(jī)的中壓流程的50m3/h制氧機(jī)。

1920年，德國(guó)海蘭特發(fā)明了可生產(chǎn)液氧的高壓帶膨脹機(jī)的高壓流程。

1924年，法蘭克爾建議在大型空分設(shè)備是采用金屬填料的蓄冷器代替一般的熱交換器。

1926年，法蘭克爾提出普通形式蓄冷器。

1930年，林德公司制成第一臺(tái)工業(yè)規(guī)模的林德--法蘭克爾裝置，產(chǎn)量為255m3/h，純度為99.5%O2 。

1932年，透平膨脹機(jī)第一次應(yīng)用于林德--法蘭克爾裝置上。德國(guó)第一次在冶金和合成氨工業(yè)中用氧。

1939年，蘇聯(lián)創(chuàng)造了高效率的透平膨脹機(jī)，并開(kāi)始研究全低壓空分設(shè)備。

1947年，林德公司致力于全底壓工業(yè)氧制造設(shè)備。蘇聯(lián)開(kāi)始設(shè)計(jì)全低壓流程的大型工業(yè)氧裝置。

1949年，美國(guó)第一次在29000m3/h制氧機(jī)上應(yīng)用板翹式換熱器。

1952年，奧地利首先使用純氧頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼，促使冶金用氧劇增。

1955年，美國(guó)大力發(fā)展導(dǎo)彈，消耗大量液氧作為助燃劑。

1957年，第一臺(tái)自動(dòng)操作的120噸/天制氧機(jī)制成。

1960年，日本完成了10000m3/h99.6%O2和10000m3/h99.99%N2的雙高純度的大型全低壓設(shè)備。

1972年，法國(guó)制成世界上最大容量的純氧空分設(shè)備:1700噸/天O2和1500噸/天N2 。

目前正在研究更大型的機(jī)組。

1-2 變壓吸附制氧的發(fā)展歷史

變壓吸附分離技術(shù)被發(fā)明以來(lái)，廣泛地應(yīng)用于氣體混合物的分離精制。

首先，1958 年，Skarstorm 申請(qǐng)專利并應(yīng)用此技術(shù)分離空氣。同時(shí)，Gerin de Montgareuil 和Domine 也在法國(guó)申請(qǐng)專利。兩者的差別是，Skarstorm 循環(huán)在床層吸附飽和后，用部分低壓的輕產(chǎn)品組分沖洗解吸，而Gerin-Domine 循環(huán)采用抽真空的辦法解吸。

1960 年大型變壓吸附法空氣分離的工業(yè)化裝置建成。

1961 年用變壓吸附分離工藝從石腦油中回收高純度的正構(gòu)烷溶劑，并命名為Isosiv 過(guò)程，1964年完善了從煤油餾分中回收正構(gòu)烷烴的工藝。

1966 年利用變壓吸附技術(shù)提氫的四塔流程裝置建成，20 世紀(jì)70 年代后采用四塔以上的多塔操作，并向大規(guī)模、大型化發(fā)展。

1970 年又建成分離和回收氧的工業(yè)化裝置，用于環(huán)保工業(yè)污水處理生化的需要。同時(shí)被廣泛用于從石腦油中提取正構(gòu)烷烴，再經(jīng)異構(gòu)化，將異構(gòu)化產(chǎn)物加入汽油餾分中，以提高其辛烷的Hysomer過(guò)程。

1975 年試制成醫(yī)用富氧濃縮器，1976 年開(kāi)發(fā)了用碳分子篩變壓吸附制氮的工藝并工業(yè)化，隨后采用5A沸石分子篩抽真空制氮工藝。到1983年德國(guó)推出性能優(yōu)良的制氮用碳分子篩。到1979年為止，約有一半的空氣干燥器采用Skarstrom 的變壓吸附工藝。變壓吸附用于空氣或工業(yè)氣體的干燥比變溫吸附更為有效。1980年開(kāi)發(fā)了快速變壓吸附工藝(又稱為參數(shù)泵變壓吸附)。

從20 世紀(jì)90年代起，由于電能緊張，變壓吸附制氧又在煉鋼等領(lǐng)域占有了一席之地。

1-2-1 我國(guó)對(duì)變壓吸附制氧技術(shù)的研究

我國(guó)對(duì)變壓吸附制氧技術(shù)的開(kāi)發(fā)起步較早，從1966年開(kāi)始研究沸石分子篩分離空氣制氧技術(shù);20世紀(jì)70年代PSA分離空氣制氧在鋼鐵、冶煉和玻璃窯等工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。20多年來(lái)，由于技術(shù)力量分散，相互之間缺少聯(lián)絡(luò)，我國(guó)的變壓吸附制氧技術(shù)發(fā)展緩慢，同國(guó)外的差距越來(lái)越大。20世紀(jì)70年代是我國(guó)PSA分離空氣制氧技術(shù)發(fā)展的鼎盛時(shí)期，全國(guó)有十幾個(gè)單位相繼開(kāi)展了變壓吸附制氧技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，建立了數(shù)套工業(yè)試驗(yàn)設(shè)備。這個(gè)時(shí)期開(kāi)發(fā)的變壓吸附制氧設(shè)備的共同點(diǎn)有以下幾個(gè)方面:

(1)大多采用高于大氣壓吸附、常壓解吸流程，吸附塔有兩個(gè)到四個(gè);

(2)空氣進(jìn)入吸附塔前，經(jīng)過(guò)脫水預(yù)處理;

(3)設(shè)備可靠性差，不能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，導(dǎo)致大部分設(shè)備報(bào)廢;

(4)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)落后。

20世紀(jì)80年代，原來(lái)從事變壓吸附制氧裝備研制單位的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目相繼中止，我國(guó)變壓吸附制氧技術(shù)的開(kāi)發(fā)再次進(jìn)入低谷。

河南洛陽(yáng)鋼鐵廠建成VSAO 1000Nm3/h制氧機(jī)，標(biāo)志著變壓吸附在我國(guó)正式進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，也標(biāo)志著變壓吸附在我國(guó)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。

20世紀(jì)90年代是我國(guó)變壓吸附制氧技術(shù)突飛猛進(jìn)向前發(fā)展的時(shí)期，變壓吸附制氧技術(shù)逐漸成熟，有些產(chǎn)品的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)已經(jīng)接近國(guó)外先進(jìn)水平。多年的實(shí)踐表明，我國(guó)變壓吸附制氧技術(shù)已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室步入實(shí)用化階段。在近十年內(nèi)，通過(guò)不斷地技術(shù)更新和研究開(kāi)發(fā)，我國(guó)變壓吸附制氧技術(shù)日新月異，發(fā)展迅速，與世界先進(jìn)水平之間的差距正在不斷縮小。但從整體水平上看，我國(guó)在很多方面與國(guó)際先進(jìn)水平仍有一定的差距。如在新型高性能的吸附劑的研究，吸附流程的改進(jìn)，理論分析研究和數(shù)學(xué)模型的建立，質(zhì)量監(jiān)控與自動(dòng)化控制等許多方面。

1、 能耗比較低。產(chǎn)氧量越大，能耗也降低。

2、 維護(hù)成本低，動(dòng)設(shè)備為羅茨鼓風(fēng)機(jī)和羅茨真空泵，因其工作原理都為容積式，無(wú)油，極易維護(hù)。

3、 整套設(shè)備的自動(dòng)化程度高，動(dòng)設(shè)備與制氧機(jī)是同步控制，只需按一下啟動(dòng)按鈕，整套設(shè)備即可正常運(yùn)行。

4、適合于中大型產(chǎn)量。

世界上最早生產(chǎn)制氧機(jī)的國(guó)家是德國(guó)和法國(guó)。

1901年，德國(guó)的林德公司在慕尼黑市建立低溫設(shè)備制造車(chē)間，并在1903年生產(chǎn)出第一臺(tái)10m3/h制氧機(jī)。

1902年，法國(guó)在巴黎建立空氣液化公司，繼德國(guó)之后，于1910年開(kāi)始生產(chǎn)制氧機(jī)。

在三十年代以前，基本上只有德國(guó)和法國(guó)能生產(chǎn)制氧機(jī)。當(dāng)時(shí)制氧機(jī)主要只能滿足焊接、切割用氧及化工所需的制氮設(shè)備。生產(chǎn)的制氧機(jī)為主要為中、小型，其容量為2m3/h~600m3/h，品種約200種。采用的制氧機(jī)流程為高壓和中壓流程。

1930~1950年，除德國(guó)、法國(guó)，尚有蘇聯(lián)、日本、美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家也開(kāi)始生產(chǎn)制氧機(jī)。在此期間，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，制氧機(jī)使用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，促進(jìn)了大型制氧機(jī)的發(fā)展。由于大型制氧機(jī)每生產(chǎn)1m3氧氣所需電力、金屬材料都比中、小型底，故1930~1950年間，大型制氧機(jī)的品種增加較多，如西德的5000m3/h，蘇聯(lián)的3600m3/h，日本的3000m3/h等大型設(shè)備。當(dāng)時(shí)所用的流程，除高、中壓外，開(kāi)始采用高低壓流程。由于大型制氧機(jī)可制取廉價(jià)的氧氣，從而在冶金和合成氨工業(yè)中得到應(yīng)用。1932年，德國(guó)第一次把制氧機(jī)用于冶金和合成氨工業(yè)。

1950年以后，除上述國(guó)家生產(chǎn)制氧機(jī)以外，還有中國(guó)、捷克、東德、匈牙利、意大利等(中國(guó)發(fā)展較晚，且都為深冷法)。

由于鋼鐵工業(yè)、氮肥工業(yè)、火箭技術(shù)的發(fā)展，氧、氮耗量迅猛增加，促使制氧機(jī)向大型化發(fā)展。1957年起，10000m3/h制氧機(jī)相繼問(wèn)世。1967年起，據(jù)不 完全統(tǒng)計(jì)，20000m3/h以上的大型制氧機(jī)不斷出現(xiàn)，達(dá)87套之多，最大機(jī)組為50000m3/h，更大型的機(jī)組正在研制中。

20多年來(lái)，產(chǎn)品品種迅速增加，并逐步形成了系列，如西德林德公司大型制氧機(jī)有1000~40000m3/h典型產(chǎn)品;日本神鋼有OF系列;日本日立制作所有TO型;日本氧氣公司有NR型;英國(guó)全低壓有50~1500噸/天系列產(chǎn)品等。同時(shí)，大型制氧機(jī)基本上采用全低壓流程。

總之，制氧機(jī)的發(fā)展是一個(gè)不段完善的過(guò)程，設(shè)備由小型、中型向大型發(fā)展;流程由高壓(200大氣壓)、中壓(50大氣壓)、高低壓向全低壓(6大氣壓)方向發(fā)展，從而使制氧機(jī)的單位電耗、金屬材料消耗降低，運(yùn)轉(zhuǎn)周期不斷延長(zhǎng)。

變壓吸附真空解吸制氧機(jī)(簡(jiǎn)稱VPSA制氧機(jī))，即穿透大氣壓 的條件下，利用VPSA專用分子篩選擇性吸附空氣中的氮?dú)?、二氧化碳和水等雜質(zhì)，在抽真空的條件下對(duì)分子篩進(jìn)行解吸，從而循環(huán)制得純度較高的氧氣(90~94%)。VPSA能耗較低,設(shè)備越大其能耗越低。

◇ 工藝說(shuō)明

變壓吸附制氧機(jī)主要由鼓風(fēng)機(jī)、真空泵、切換閥、吸附器和氧氣平衡罐組成。原料空氣經(jīng)吸入口過(guò)濾器除掉灰塵顆粒后,被羅茨鼓風(fēng)機(jī)增壓至0.3-0.5barg而進(jìn)入其中一只吸附器內(nèi)。吸附器內(nèi)裝填吸附劑,其中水分、二氧化碳、及少量其它氣體組分在吸附器入口處被裝填于底部的活性氧化鋁所吸附,隨后氮?dú)獗谎b填于活性氧化鋁上部的沸石分子篩所吸附。而氧氣(包括氬氣)為非吸附組分從吸附器頂部出口處作為產(chǎn)品氣排至氧氣平衡罐。

當(dāng)該吸附器吸附到一定程度,其中的吸附劑將達(dá)到飽和狀態(tài),此時(shí)通過(guò)切換閥利用真空泵對(duì)之進(jìn)行抽真空(與吸附方向相反),真空度為0.65-0.75barg。已吸附的水分、二氧化碳、氮?dú)饧吧倭科渌鼩怏w組分被抽出并排至大氣,吸附劑得到再生。

變壓吸附制氧機(jī)的每個(gè)吸附器都交替執(zhí)行以下步驟:

---吸附---解吸---沖壓

上述三個(gè)基本的工藝步驟由PLC和切換閥系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

中心供氧氧源采用PSA變壓吸附制氧機(jī)，由輸氧管路分配至各個(gè)房間內(nèi)。供氧方式分為2套，即彌散供氧和分布供氧。

彌散供氧方式:

制氧機(jī)產(chǎn)出純度大于90%的氧氣后，經(jīng)新風(fēng)系統(tǒng)配比成科學(xué)含氧量的富氧氣體，富氧氣體充斥整個(gè)彌散供氧管路，通往各房間。經(jīng)過(guò)公司設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和氣體學(xué)專家論證，打開(kāi)房間出氣開(kāi)關(guān)后經(jīng)過(guò)短時(shí)間，房間氧氣含量可達(dá)25%以上，達(dá)到理想效果，給予舒適富氧環(huán)境。

分布供氧方式:

純度為90%以上的氧氣充滿分布供氧管路中，在每間房間的床頭設(shè)有富氧呼吸接口，當(dāng)覺(jué)得不適時(shí)可以直接在接口處接入吸氧面罩或吸氧管，直接呼吸富氧氣體。吸氧同時(shí)可以看電視、學(xué)習(xí)、休息甚至睡覺(jué)。當(dāng)不需要吸氧時(shí)直接拔掉吸氧器自動(dòng)停止供氧。該系統(tǒng)可根據(jù)同時(shí)吸氧人數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)。