變壓吸附制氧機發(fā)展簡史

世界上最早生產(chǎn)制氧機的國家是德國和法國。

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

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

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

1930~1950年，除德國、法國，尚有蘇聯(lián)、日本、美國、英國等國家也開始生產(chǎn)制氧機。在此期間，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，制氧機使用領域不斷擴大，促進了大型制氧機的發(fā)展。由于大型制氧機每生產(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等大型設備。當時所用的流程，除高、中壓外，開始采用高低壓流程。由于大型制氧機可制取廉價的氧氣，從而在冶金和合成氨工業(yè)中得到應用。1932年，德國第一次把制氧機用于冶金和合成氨工業(yè)。

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

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

20多年來，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;英國全低壓有50~1500噸/天系列產(chǎn)品等。同時，大型制氧機基本上采用全低壓流程。

總之，制氧機的發(fā)展是一個不段完善的過程，設備由小型、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，從而使制氧機的單位電耗、金屬材料消耗降低，運轉周期不斷延長。

1891年，德國林德公司在冷凍機械制造公司的實驗室開始空氣液化工作。

1895年，林德教授利用焦耳--湯姆遜效應制成第一臺液體空氣裝置。

1901年，林德公司在慕尼黑市建立低溫設備制造車間。

1902年，林德設計的第一臺單級精餾塔的空分設備制成。法國克勞特發(fā)明了膨脹機，在巴黎建立空氣液化公司。

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

1910年，法國制成第一臺采用中壓帶活塞膨脹機的中壓流程的50m3/h制氧機。

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

1924年，法蘭克爾建議在大型空分設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，透平膨脹機第一次應用于林德--法蘭克爾裝置上。德國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，并開始研究全低壓空分設備。

1947年，林德公司致力于全底壓工業(yè)氧制造設備。蘇聯(lián)開始設計全低壓流程的大型工業(yè)氧裝置。

1949年，美國第一次在29000m3/h制氧機上應用板翹式換熱器。

1952年，奧地利首先使用純氧頂吹轉爐煉鋼，促使冶金用氧劇增。

1955年，美國大力發(fā)展導彈，消耗大量液氧作為助燃劑。

1957年，第一臺自動操作的120噸/天制氧機制成。

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備。

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

目前正在研究更大型的機組。

1-2 變壓吸附制氧的發(fā)展歷史

變壓吸附分離技術被發(fā)明以來，廣泛地應用于氣體混合物的分離精制。

首先，1958 年，Skarstorm 申請專利并應用此技術分離空氣。同時，Gerin de Montgareuil 和Domine 也在法國申請專利。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烷溶劑，并命名為Isosiv 過程，1964年完善了從煤油餾分中回收正構烷烴的工藝。

1966 年利用變壓吸附技術提氫的四塔流程裝置建成，20 世紀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。同時被廣泛用于從石腦油中提取正構烷烴，再經(jīng)異構化，將異構化產(chǎn)物加入汽油餾分中，以提高其辛烷的Hysomer過程。

1975 年試制成醫(yī)用富氧濃縮器，1976 年開發(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90年代起，由于電能緊張，變壓吸附制氧又在煉鋼等領域占有了一席之地。

1-2-1 我國對變壓吸附制氧技術的研究

我國對變壓吸附制氧技術的開發(fā)起步較早，從1966年開始研究沸石分子篩分離空氣制氧技術;20世紀70年代PSA分離空氣制氧在鋼鐵、冶煉和玻璃窯等工業(yè)領域已經(jīng)得到了廣泛的應用。20多年來，由于技術力量分散，相互之間缺少聯(lián)絡，我國的變壓吸附制氧技術發(fā)展緩慢，同國外的差距越來越大。20世紀70年代是我國PSA分離空氣制氧技術發(fā)展的鼎盛時期，全國有十幾個單位相繼開展了變壓吸附制氧技術的實驗研究，建立了數(shù)套工業(yè)試驗設備。這個時期開發(fā)的變壓吸附制氧設備的共同點有以下幾個方面:

(1)大多采用高于大氣壓吸附、常壓解吸流程，吸附塔有兩個到四個;

(2)空氣進入吸附塔前，經(jīng)過脫水預處理;

(3)設備可靠性差，不能連續(xù)穩(wěn)定運行，導致大部分設備報廢;

(4)技術、經(jīng)濟指標落后。

20世紀80年代，原來從事變壓吸附制氧裝備研制單位的開發(fā)項目相繼中止，我國變壓吸附制氧技術的開發(fā)再次進入低谷。

河南洛陽鋼鐵廠建成VSAO 1000Nm3/h制氧機，標志著變壓吸附在我國正式進入工業(yè)領域，也標志著變壓吸附在我國進入高速發(fā)展時期。

20世紀90年代是我國變壓吸附制氧技術突飛猛進向前發(fā)展的時期，變壓吸附制氧技術逐漸成熟，有些產(chǎn)品的綜合技術經(jīng)濟指標已經(jīng)接近國外先進水平。多年的實踐表明，我國變壓吸附制氧技術已經(jīng)走出實驗室步入實用化階段。在近十年內，通過不斷地技術更新和研究開發(fā)，我國變壓吸附制氧技術日新月異，發(fā)展迅速，與世界先進水平之間的差距正在不斷縮小。但從整體水平上看，我國在很多方面與國際先進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，理論分析研究和數(shù)學模型的建立，質量監(jiān)控與自動化控制等許多方面。

變壓吸附真空解吸制氧機(簡稱VPSA制氧機)，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氣、二氧化碳和水等雜質，在抽真空的條件下對分子篩進行解吸，從而循環(huán)制得純度較高的氧氣(90~94%)。VPSA能耗較低,設備越大其能耗越低。

◇ 工藝說明

變壓吸附制氧機主要由鼓風機、真空泵、切換閥、吸附器和氧氣平衡罐組成。原料空氣經(jīng)吸入口過濾器除掉灰塵顆粒后,被羅茨鼓風機增壓至0.3-0.5barg而進入其中一只吸附器內。吸附器內裝填吸附劑,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,隨后氮氣被裝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。

當該吸附器吸附到一定程度,其中的吸附劑將達到飽和狀態(tài),此時通過切換閥利用真空泵對之進行抽真空(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、氮氣及少量其它氣體組分被抽出并排至大氣,吸附劑得到再生。

變壓吸附制氧機的每個吸附器都交替執(zhí)行以下步驟:

---吸附---解吸---沖壓

上述三個基本的工藝步驟由PLC和切換閥系統(tǒng)來實現(xiàn)自動控制。

1、 能耗比較低。產(chǎn)氧量越大，能耗也降低。

2、 維護成本低，動設備為羅茨鼓風機和羅茨真空泵，因其工作原理都為容積式，無油，極易維護。

3、 整套設備的自動化程度高，動設備與制氧機是同步控制，只需按一下啟動按鈕，整套設備即可正常運行。

4、適合于中大型產(chǎn)量。

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

彌散供氧方式:

制氧機產(chǎn)出純度大于90%的氧氣后，經(jīng)新風系統(tǒng)配比成科學含氧量的富氧氣體，富氧氣體充斥整個彌散供氧管路，通往各房間。經(jīng)過公司設計團隊和氣體學專家論證，打開房間出氣開關后經(jīng)過短時間，房間氧氣含量可達25%以上，達到理想效果，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有富氧呼吸接口，當覺得不適時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。吸氧同時可以看電視、學習、休息甚至睡覺。當不需要吸氧時直接拔掉吸氧器自動停止供氧。該系統(tǒng)可根據(jù)同時吸氧人數(shù)來設計。