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1、 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 洲 气体分娜 变压吸附制氧技术现状 刘世合 内容提要文章简要阐述了国内外变压吸附制氧技术的发展概况 重点介绍了 亡 型分子筛 变 压吸附制氧工 艺和配套机组的 国内外技术现状 关健词变压吸附制氧现状 变压吸附空气分离作为深冷空气分离设备 的补充 在黑色 有色冶金 化工 造纸 玻璃 水 处理等工业部门得到广泛应用 在氧气纯度要求 不高 装置规模不大的场合 变压吸附制氧具有 负荷调节范围大 起动快 操作简便 电耗低等特 点 同深冷空分设
2、备比较 具有明显的技术经济 优势 十多年来 变压吸附制氧技术得到了快速 发展和进步 为了全面客观地反映变压吸附制氧 技术的现状 本文在相关技术参数描述中引用了 部分内部资料 仅供参考 一 发展概况 变压吸附技术源于二十世纪六十年代 年前后 美国联合碳化物公司首次实现变压吸附 制氧技术工业化 采用常压解吸的三床或四床 工艺 七十年代中期 真空解吸变压吸附制 氧工艺被提出 使得装置规模 制氧 电耗等技术 经济指标空前提高 以 日本为例 年 以 引进 真空解吸变压吸附制氧专利为基 础 受当时钢铁工业快速发展的刺激 出现了昭 和电工 制铁化学 日本酸素 三菱重工等一批制 造商 截至二十世纪九十年代末
3、采用 型分子筛的制氧装置占据了市 场的主导地位 其技术特点是 采用三个轴向流 立式或卧式吸附器 氧气纯度 装置规 模 如 制氧电耗 国内较 多文章引 用了日本三菱重工 的涌的 制氧装置 据了解 它是两套氧气纯度 的制氧装置 吸附器直径 高 共 台 用于铜冶炼 根据当时的技术水平 单套达到 帐是困难的 年 美国公司采 用分子筛的呱制氧装置在加拿 大投人运行 标志着变压吸附制氧技术进人了新 的发展期 目前 型分子筛的 制氧装置趋于淘汰 采用型分子筛的 制氧设备占据市场的主导地位 其特点是 采用两个轴向流或径向流吸附器 氧气纯度 装置最大规模 侧 一日 力 制氧电耗 一 勺 以下均以纯氧的综合电耗
4、表示 我国变压吸附制氧技术起步于七十年代 陕 西化肥研究所 西南化工研究院等单位相继开展 了变压吸附制氧技术的试验研究 并建立了中试 装置 受当时技术条件的限制 未能实现工业化 八十年代是我国变压吸附制氧技术研发的低潮 期 此时 受原机械部指令性计划的安排 四川空 分厂开始制氧装置的研制 并列人国 家 六五 科技攻关项 目 年 项目通过国家 鉴定和验收 年 四川空分厂制造的国内首 台制氧装置 在重庆投人运行 八十年代中期 天津军事卫生装备研究所的 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights re
5、served 粉制氧装置投放市场 江麓机械厂 予新 机械厂分别从美国科罗拉多州高山医疗设备公司 和印第安纳洲制冷公司引进散件组装医用巧 制氧机 由于当时国内市场尚不成熟 以及价格过 高等因素的影响 其产品最终退出中国市场 九十年代初期 我国变压吸附制氧技术迅速 提高 出现了四川空分厂 西南化工研究所 华西 化工研究所 昆山锦沪机械设备公司等一批变压 吸附制氧设备制造商 此间的产品 采用 分子筛的三床或四床工艺 装置规 模 盛 狐 氧气纯度 一 制氧 电耗 日勺 产品质量不稳定 故障率高 年华西化工研究所生产的粉巧 制氧装置在贵阳钢厂投人运行 这是国内采 用分子筛制造的最大的制氧装置 年北京大学
6、化学院开始分子筛的 研制 年在实验室条件下成功研制出 分子筛样品 以刃年北大先锋科技有限公司 分子筛生产线投产 并批量生产分子筛产 口 口口 年以后 我国变压吸附制氧技术取得 了长足进步 与国外的技术差距逐步缩小 微型 医用 制氧机性能可靠 价格低廉 形成了一 定的生产规模 部分中小型和部分大中型 制氧装置已达到或接近国外同类产品的先 进水平 目前 我国 和分子筛并 用 大多数制造商沿用 分子筛 生产中 小型的制氧装置 个别制造商采用分 子筛 二 吸附剂 分子筛 分子筛实质上是一种晶状铝硅酸盐 其原子 按一定的形状排列 基本结构单元是四个氧阴离 子围绕一个较小的硅或铝离子而形成的四面体 钠离子
7、或其它阳离子的作用是补充铝氧四面体 正电荷的不足 四个氧阴离子的每一个 又都分 别被另一个铝氧或硅氧四面体共用 使晶格作三 维延伸 晶格中暴露的阳离子使分子筛具有更强 的吸附能力 这些阳离子起着局部强正电荷格点 的作用 对极性分子的阴端进行静电吸引 分子 的偶极矩越大 被吸引和吸附得越牢 在阳离子 上的局部强正电荷的影响下 分子会受到电磁感 应而产生偶矩 氧和氮都具有四极矩 但氮的四 极矩劫比氧比大得多 因此 氮原子与阳 离子之间的作用力较强 而被优先吸附 改变分 子筛的阳离子种类是改变分子筛吸附性能的重 要方法之一 漓子是半径最小的金属离子 有很高的电 荷密度 因此 有较高的极化率 与的作用
8、更 强 经过 离子改性的 型分子筛具有更好 的吸附性能 是目前变压吸附制氧性能最优的吸 附剂 分子筛制备有三个技术难点 其一 制备 硅铝摩尔比的 型原粉 硅铝摩尔比 更优越 其二 离子交换度 离子在 型分子筛的离子交换是比较困难的 要达到 高的交换度尤其困难 适用于制氧的 型分子筛 的交换度应 交换度越 高越好 其三 制造成本 离子是较贵重的金属 离子 的回收率决定了分子筛制造成本 制氧分子筛的性能 和分子筛是通用型分子筛 可以用 于空气变压吸附分离 由于氮气吸附量较小 共 吸附时 氧气的吸 附量高 分离系数小 氧气回收 率低 经过置换后 氮气吸附量有所提高 但 分离系数仍较低 一般在左右 表
9、列 出了几 种制氧分子筛的性能 从表中可以 看出 分子筛的空气处理能力最大 氧的收 率最高 在相同的抽气量下 所需真空泵的抽速 低于型分子筛 与型分子筛相同 在同 等制氧规模时 分子筛用量少 所需空气盆 少 所需鼓风机和真空泵的负荷最小 一一 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 加 气体分幻 表制权分子筛性能比较 需需火缨缨 处处理空气量脚叫刁 刁刁 印 刁 氧氧气收率 真真空泵参数 功 注操作条件 抽真空开始时 件 二 阅 抽真空结束时 卜 护 床层空 隙率 图给出和
10、分子筛氧气回收率与值的关系曲线 从图中可以看出 压比相同 操作压比吸附绝对压力与解吸绝对压力的比时 型分子筛氧气收率要高得多 弓卜 闷卜一 户户 二一 一 次 铃娜犷喊 圈权气收率与压比 川的关系曲线 涛 二 和 吸附床尺寸因子砂 口 电 跳 氧气浓度 国产分子筛间最长的分子筛 相关数据已对外公布 据此 同 国内生产分子筛的厂家很少 已宜布可国外分子筛进行比较 以便对国产 分子 以生产 分子筛的制造商 有关分子筛的性能筛性能有所了解 表列出了国内外几种分 数据尚未公开 北大先锋科技有限公司的 一 子筛性能 型分子筛是国内最早 生产量最大 生产时 表几种分子筛性能 生生产商商型号号颖粒度堆密度交
11、灿吸附量 功垅 分离系数数 国国外某公司司 一 巾 一 巾 球球印 国国外某公司司 一 中 一 巾 球球球 法法国 一 以 巾 士 球球 以 研 北北大先锋锋 一 中 条状条条 土 注氮气吸附量侧试条件钾 一一 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 气体分离 从表反映的分子筛的静态吸附性能 可以看出 国产 一 分子筛的吸附性能是优异 的 一 型分子筛为条状颗粒 堆密度小 在分 子筛用量相同的情况下 床层间隙体积大 真空 解吸时 氧气的损失量略有提高 如果分子筛的 堆密度过
12、大 为了保证吸附器气流的流速 可能 造成床层过低 三 变压吸附工艺 工艺 工艺是一种常压解吸制氧工艺 因制氧 电耗高 适用于小型制氧装置 根据产品气压力 目前有两种流程 产品气压力小于 产品气压力小于采用图的工艺流 程 原料空气经空气压缩机压缩 冷却 分离游离 水之后进人吸附器 从图可以看出 均压过程 是在两个吸附器上部进行 一个吸附器降压 另 一个吸附器上部进人均压气 下部进压缩空气 因此 空气压缩机连续工作 北京北大先锋科技有限公司采用该流程生 产 一 呱的制氧装置 以年投产 的装置为例 吸附压力 氧气纯 度 一 制氧电耗为 勺 开封空分集团有限公司的呱制氧 装置 在海拔运行 采用三床工艺
13、 氧气 纯度 氧气压力 氧气收率 制 氧电耗 该工艺是国内外通用的工艺流程 吸附压力 一 氧气纯度 氧气收率 制氧电耗 一 顺顺顺逆逆清均压压 放放放放放洗洗洗洗洗 均均压压压顺顺逆逆清清 放放放放放放放放放洗洗 图权气压力 制权工艺流程图 图操作程序图 该工艺流程不宜用于生产压力的 产品气 因为 随吸附压力升高 受均压压降限 制 逆放压力较高 饱和区气相和固相氧浓度高 同时逆放过程干燥区和床层下部间隙空间空气 损失量大 氧收率明显下降 美国 公司和日本酸素株式会 社 二十世纪九十年代生产的呱以下的小 型制氧装置 当氧气压力为时 氧气 收率约为左右 氧气压力大于 产品气压力大于采用的工艺流程示
14、 于图 原料空气经压缩 冷却 分离游离水后 进人冷冻式干燥器干燥 然后进人空气贮罐 由 空气贮罐向吸附器供气 同前面的工艺流程比 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 气体分离 较 该方案在吸附器下部增加了一个将两个吸附 器下部连通的切换阀 从图操作程序可以看 出 均压过程在吸附器上下 同时进行 空气压缩 机不能连续工作 均压过程空压机排气被贮存在 空气贮罐中 其中一个吸附器床层压力下降 该 床干燥区吸附的水分部分解吸 为防止过量的解 吸水分进人另一个吸附床 增加了预干燥
15、设备 以降低进吸附器空气中含水量 采用上下同时均压的工艺方案 一方面床层 饱和区间隙空间的空气部分向下移动 降低了上 部的氮气负荷 另一方面随床层压力降低 饱和 区解吸的氮浓度较高的气体向下移动 占据了干 燥区和床层下部间隙空间 再生过程氧气损失减 少 有利于氧气收率的提高 目前 国内外小型制氧装置 产品气压 力大于时 大都采用该流程 氧气纯度 一 氧气压力 氧气收率 一 制 氧电耗左右 但是 氧气压力不宜设 计过高 否则 氧气收率下降 均均压压逆放放清洗洗均压压吸附附 均均压压吸附附均压压逆放放清洗洗 圈权气压力 圈操作程序图 制权工艺流程图 单床 工艺 工艺是在真空条件下实现吸附剂解吸 的
16、制氧工艺 吸附压力高于大气压 工艺吸 附压力接近大气压 在相同操作压比时 工 艺分子筛动态吸附量低 真空泵价格昂贵 目前 极少采用 拉萨拉和等人提 出的单床变压吸附系统和方法 只有一个 吸附器 一台具有空气压缩和抽真空两种功能的 鼓风枷真空泵 均压气的转换由中间贮罐实现 单床工艺 流程示 于 图 单床和两床 工艺本质上没有区别 操作过程基本相同 该工艺的目的在于 降低中小型制氧装置 的成本 同时便于集装化 资料显示 装置规模在 一 呱 氧气纯度时 制氧电耗 拟 根据我国具体情况 装置规模小于 装置制造成本有较大幅度下降 大于狐 时 鼓风机尹真空泵为高压电机和高压配电设备 制造成本急剧上升 接近两床工艺 由于国内价 格的特殊性 单床工艺一直未被采用 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 气体分离 自 产品氧 图单床工艺流程图 两床 工艺工艺流程 两床工艺是目前国内外 邢制氧 两床巧系统如图所示 原料空气经鼓 装置采用的主导工艺 适合于大中型制氧风机压缩后 直接进人吸
