新型六塔旋轉(zhuǎn)變壓吸附制氧裝置

丁利群，束鵬程，王智忠，卜高選

（西安交通大學(xué)流體機(jī)械及壓縮機(jī)國(guó)家工程研究中心，陜西 西安 710049）

研究開發(fā)

新型六塔旋轉(zhuǎn)變壓吸附制氧裝置

丁利群，束鵬程，王智忠，卜高選

（西安交通大學(xué)流體機(jī)械及壓縮機(jī)國(guó)家工程研究中心，陜西 西安 710049）

針對(duì)變壓吸附空分制氧裝置的微型化趨勢(shì)，研制了一種新型六塔旋轉(zhuǎn)變壓吸附制氧裝置。本文介紹了新型裝置的工作原理，且通過實(shí)驗(yàn)研究了六塔旋轉(zhuǎn)PSA制氧過程中幾個(gè)主要工藝參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。實(shí)驗(yàn)表明，提高轉(zhuǎn)速，產(chǎn)品氧的純度隨之先提高后降低，對(duì)應(yīng)于每個(gè)進(jìn)料流量都存在一個(gè)獲得最高氧純度的最佳轉(zhuǎn)速；而且，進(jìn)料流量小時(shí)氧純度較低，進(jìn)料流量大時(shí)回收率降低，因此存在一個(gè)最佳進(jìn)料流量；充壓時(shí)間與吸附時(shí)間的比值對(duì)產(chǎn)品氧濃度的影響非常顯著；與常見的PSA裝置相比，均壓步驟明顯地提高了這種新型結(jié)構(gòu)PSA裝置的氧純度和氧回收率。這種裝置的高徑比小，循環(huán)時(shí)間短，可獲得92%的氧產(chǎn)品。

吸附柱旋轉(zhuǎn)；六塔；微型；變壓吸附；制氧

氣體吸附分離就是利用吸附劑將氣體混合物分離為組分各不相同的兩個(gè)或多個(gè)產(chǎn)物的過程，實(shí)現(xiàn)這一過程關(guān)鍵在于吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的選擇性吸附能力[1]。對(duì)任何一種吸附分離過程都有兩個(gè)基本步驟：吸附和解吸。在平衡吸附的情況下，溫度越低，壓力越高，吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附量越大；反之，溫度越高，壓力越低，則吸附量越小。因此，氣體吸附分離通常采用變溫吸附和變壓吸附兩種循環(huán)過程。由于吸附劑的比熱容較大，導(dǎo)熱系數(shù)較小，升溫和降溫都需要較長(zhǎng)的時(shí)間。與變溫吸附相比，變壓吸附更適合短循環(huán)周期的吸附工藝。變壓吸附又分為常壓沖洗解吸（PSA）和抽真空負(fù)壓解吸（VSA）。在過去50年來，眾多的PSA和VSA循環(huán)被開發(fā)出來，無論是工業(yè)應(yīng)用[2]還是數(shù)值模擬[3]，都進(jìn)行了廣泛而深入的研究，分離效率和能耗都得到了提高。在工業(yè)規(guī)模的變壓吸附空分制氧設(shè)備中，決定能耗的操作壓比、氧回收率是重要的技術(shù)指標(biāo)，而在小型和微型的變壓吸附空分制氧裝置中，相比于裝置的簡(jiǎn)單和可靠性，能耗和氧回收率等不是主要的考慮因素[4]。因此，采用兩床、簡(jiǎn)單可靠的基于最初的 Skarstorm循環(huán)被廣泛應(yīng)用于目前常見的微型PSA制氧裝置中[5-6]。為了提高產(chǎn)品氧濃度、氧回收率、吸附劑的產(chǎn)率以及降低能耗等目的，最初的PSA制氧工藝經(jīng)歷了許多技術(shù)改進(jìn)，概括起來主要有以下3個(gè)方面。①工藝方面的改進(jìn)。例如均壓工藝[7-8]、產(chǎn)品氣輔助充壓[9]、采用多塔體系代替雙塔系統(tǒng)[10-11]、單塔快速循環(huán)[12-13]等。工業(yè)上普遍采用了這些技術(shù)并帶來了顯著的效益，但是，這些工藝技術(shù)并未普遍應(yīng)用于微型PSA制氧系統(tǒng)中。②改進(jìn)分子篩的吸附性能，采用操作壓比小且分離系數(shù)大的LiX分子篩，有利于降低壓縮機(jī)的能耗和減少分子篩的填裝量[14]。③改進(jìn)吸附器的結(jié)構(gòu)。例如使氣流分布均勻的各種氣流分布器[15]、減小邊壁效應(yīng)和死角的各種措施[16]、采用套筒結(jié)構(gòu)和徑向流降低吸附器高度[17]、增加進(jìn)氣排氣緩沖腔[18]等，這些技術(shù)提高了分子篩的利用率，從而減少吸附劑的用量，使吸附器更小更輕。

較高的分子篩產(chǎn)率對(duì) PSA微型化是非常重要的。高產(chǎn)率意味著在同樣的產(chǎn)品氣流量和純度下，使用更少的分子篩，有利于吸附器質(zhì)量和體積的減小。影響產(chǎn)率的主要因素有分子篩的吸附特性、吸附壓力以及循環(huán)時(shí)間等，短循環(huán)時(shí)間提高了收率和產(chǎn)率。源于這種思路，1980年Keller等[12]發(fā)明了快速PSA（RPSA），1982年Keller等[13]又發(fā)明了活塞驅(qū)動(dòng)的PSA（piston PSA）?？焖貾SA和活塞驅(qū)動(dòng)PSA都是單吸附柱間歇產(chǎn)氧，系統(tǒng)能吸附和解吸的關(guān)鍵是氣流阻力適當(dāng)分配引起床層軸向壓力梯度，以短循環(huán)時(shí)間獲得較高的分子篩產(chǎn)率。短循環(huán)時(shí)間會(huì)對(duì)微型PSA帶來其它的不利影響，主要是因?yàn)槲⑿蚉SA的產(chǎn)品氣流量很小，在高低壓之間吸附與解吸的快速切換降低了產(chǎn)品氣流量和純度的穩(wěn)定性。采用多塔流程可以使操作更加平穩(wěn)，但是吸附柱數(shù)量的增加使得連接管道和控制系統(tǒng)變得復(fù)雜。

為此，本文作者研制了一種新型的多塔旋轉(zhuǎn)PSA技術(shù)[19]。如圖1所示，變壓吸附裝置由3個(gè)部分組成：旋轉(zhuǎn)部件-吸附器、靜止部件-上下工藝端蓋以及輔助固定部件。N個(gè)扇形吸附柱繞軸環(huán)列形成吸附器，將N個(gè)吸附柱的進(jìn)排氣孔口組成上下密封環(huán)，在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下繞軸旋轉(zhuǎn)。上下工藝端蓋上設(shè)計(jì)有密封環(huán)槽，在環(huán)槽上有進(jìn)排氣口。吸附器的上下密封環(huán)與工藝端蓋的上下密封環(huán)槽構(gòu)成雙端面動(dòng)密封。吸附器旋轉(zhuǎn)一周，各個(gè)吸附柱依次完成充壓、吸附、均壓降、泄壓、清洗、均壓升6個(gè)步驟一次工藝循環(huán)。工藝端蓋上的密封環(huán)槽控制著吸附柱的進(jìn)氣、排氣、氣流流向、密封等，即工藝端蓋起到了控制閥的作用。雖然每個(gè)吸附柱的工作和雙塔是一樣的，但是N個(gè)吸附柱提高了連續(xù)產(chǎn)氧的穩(wěn)定性。這種新結(jié)構(gòu)以簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)了多塔的連接和工藝控制，以每循環(huán)低產(chǎn)率和快速循環(huán)獲得較低的高徑比和較高的產(chǎn)率。

圖1 旋轉(zhuǎn)吸附柱PSA裝置模型圖

1 多塔旋轉(zhuǎn)變壓吸附制氧裝置的工作原理

任何一個(gè) PSA循環(huán)都是由一系列基本步驟組成的，PSA循環(huán)因組成的基本步驟不同以及這些步驟執(zhí)行的時(shí)間和時(shí)序不同而相異。旋轉(zhuǎn)吸附柱PSA裝置的工藝流程布置圖見圖2，其過程的6個(gè)基本步驟在吸附等溫線上的示意圖見圖3。在圖2中，第一行的圓表示排氣工藝端蓋及其工藝環(huán)槽，第 3行的圓表示進(jìn)氣工藝端蓋及其工藝環(huán)槽，中間是切分為6個(gè)吸附柱的吸附器以及單元吸附柱旋轉(zhuǎn)到不同位置對(duì)應(yīng)的不同操作步驟。

圖2 吸附器工藝流程布置圖

圖3 PSA過程基本步驟在吸附等溫線上的示意圖

1.1 各工藝步驟的操作過程

1.1.1 充壓步驟（B—C）

吸附器從330°旋轉(zhuǎn)到0°。均壓后的床層壓力為P2，床層內(nèi)雜質(zhì)的吸附殘留量為M1（B點(diǎn)），充壓使床層壓力提高到P4。有兩種充壓方法：進(jìn)料氣充壓（BC2）和產(chǎn)品氣充壓（BC1）。用進(jìn)料氣充壓時(shí)，隨著壓力的升高，進(jìn)料空氣中的少量氮?dú)獗晃?，使得床層吸附量增加（C2）。而用產(chǎn)品氣充壓時(shí)，由于富氧中氮?dú)鉂舛葮O低，沒有增加床層的氮吸附量（C1）。雖然用產(chǎn)品氣充壓可以增加循環(huán)吸附量，但是對(duì)于微型PSA裝置，由于產(chǎn)品氣量很小，只有0.5～1 L/m in，雙端面密封泄漏的不可避免使回收率嚴(yán)重下降。

1.1.2 吸附步驟（C—D）

吸附器從0°旋轉(zhuǎn)到60°。進(jìn)料空氣不斷地進(jìn)入吸附床，同時(shí)輸出產(chǎn)品富氧，吸附床的氮吸附量逐漸增加，達(dá)到規(guī)定的吸附量M3時(shí)停止進(jìn)入進(jìn)料空氣（D1和D2），此時(shí)床層頂部預(yù)留有部分未吸附氮的吸附劑。在吸附步驟中有兩種情況：一種是吸附床壓力不隨時(shí)間變化，一直保持P4（C1—D2，C2—D2），大多數(shù)PSA過程都是這種情況；另一種是吸附床壓力隨時(shí)間而增加到P5（C1—D1，C2—D1），本研究正是這種情況，是一個(gè)壓力增加的吸附過程。

1.1.3 均壓步驟（D—F和A—B）

吸附器從105°旋轉(zhuǎn)到135°，對(duì)應(yīng)的吸附柱旋轉(zhuǎn)位置從285°到315°。已經(jīng)完成再生的床層1（壓力P1）與吸附結(jié)束的床層2（壓力P4或P5）相連接，床層2中的氣體沿著產(chǎn)品氣輸出的方向順向流出，逆向流入床層1，直到兩個(gè)床層的壓力分別為P3和P2。當(dāng)P3等于P2時(shí)，為完全均壓；當(dāng)P3大于P2時(shí)為不完全均壓。在D1—F或D2—F均壓降過程中，隨著吸附床壓力的降低，吸附劑中的氮組分不斷地被解吸出來，又繼續(xù)被吸附床頂部未吸附的吸附劑吸附，因此，解吸出來的氮組分并沒有離開吸附床，床層吸附量M3不變。

1.1.4 泄壓步驟（F—G）

吸附器從150°旋轉(zhuǎn)到180°。逆向輸出氣體直到過程的最小壓力P1，此壓力接近大氣壓力。床層內(nèi)大部分氮組分隨氣流排除，床層內(nèi)的吸留量為M2。

1.1.5 清洗步驟（G—A）

吸附器從180°旋轉(zhuǎn)到240°。利用部分產(chǎn)品氣以略高于P1的壓力對(duì)床層進(jìn)行逆向清洗，由于不斷降低床層內(nèi)氮組分的分壓力，使吸附劑進(jìn)一步解吸。最終，床層的吸留量降低至M1，吸附劑再生步驟結(jié)束，進(jìn)入均壓升步驟。

1.2 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

在分析了吸附器旋轉(zhuǎn)一周的各個(gè)步驟后，下文簡(jiǎn)單分析主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的定義和影響。

1.2.1 工藝角和工藝環(huán)槽

定義工藝角為單元吸附柱的某個(gè)工藝步驟從開始到結(jié)束所轉(zhuǎn)過的角度。例如，吸附柱的吸附步驟開始到結(jié)束所轉(zhuǎn)過的角度稱為吸附角。若吸附柱在轉(zhuǎn)過某個(gè)角度時(shí)沒有完成任何工藝步驟，則稱這個(gè)角度為密封角。圖4表示了進(jìn)排氣工藝端蓋上密封環(huán)槽的進(jìn)排氣口角度。工藝環(huán)槽采用對(duì)稱布置，工藝角和工藝環(huán)槽角度的關(guān)系見表1。排氣工藝端蓋在第一、第三象限密封角為θ8（θ8=15°），此為垂直密封角度；第二、第四象限密封角為θ6和θ7（θ6=θ7=45°），此為水平密封角度。在排氣工藝端蓋密封角內(nèi)，吸附柱不工作，因此密封角要盡可能小。

圖4 進(jìn)排氣工藝端蓋上密封環(huán)槽的進(jìn)排氣口角度

表1 進(jìn)排氣工藝端蓋上的環(huán)槽與工藝角的關(guān)系

1.2.2 工藝角與吸附器連續(xù)產(chǎn)氧

設(shè)吸附柱夾角為λ，吸附柱數(shù)量為N，見式（1）。

當(dāng)β＜λ時(shí)，每經(jīng)過Δt=N(λ－β)/2π的時(shí)間間隔，吸附角內(nèi)僅有 1個(gè)吸附柱，此時(shí)為間歇產(chǎn)氧；當(dāng)β≥kλ時(shí)，k為自然數(shù)，在任意時(shí)刻，吸附角內(nèi)有且僅有k個(gè)吸附柱，此時(shí)連續(xù)產(chǎn)氧。

1.2.3 工藝角和吸附柱的平均進(jìn)排氣量

在進(jìn)氣角α+β范圍內(nèi)，吸附器以Qf穩(wěn)定進(jìn)料。吸附柱之間的夾角為λ，吸附柱進(jìn)氣口編號(hào)如圖 5所示。當(dāng)i吸附柱旋轉(zhuǎn)進(jìn)入α+β時(shí)，在進(jìn)氣角范圍內(nèi)吸附柱的數(shù)量N為α+β/λ≤N，N為相鄰整數(shù)。

當(dāng)吸附器旋轉(zhuǎn)jλ（j=0，N）時(shí)，有i+j編號(hào)的吸附柱進(jìn)入α+β。

定義θ見式（2）。

則，當(dāng)吸附器旋轉(zhuǎn)jλ+θ（j=0，N）時(shí)，有i－（N－j）編號(hào)吸附柱離開α+β。

當(dāng)θ=0時(shí)，編號(hào)i+j吸附柱進(jìn)入α+β的同時(shí)，編號(hào)i－（n－j）吸附柱離開α+β，在進(jìn)氣角范圍內(nèi)吸附柱數(shù)量不變。此時(shí)，吸附柱進(jìn)料流量qf為Qf/N。當(dāng)θ≠0時(shí)，吸附柱數(shù)量在N和N－1之間變化，從i編號(hào)吸附柱進(jìn)入到離開，吸附柱數(shù)量和旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系如表2所示。

圖5 在工藝角內(nèi)吸附柱數(shù)量計(jì)算示意圖

表2 旋轉(zhuǎn)角度與進(jìn)氣角內(nèi)吸附柱的數(shù)量

吸附器從jλ旋轉(zhuǎn)到j(luò)λ+θ，吸附柱數(shù)量為N，重復(fù)出現(xiàn)N次。吸附器從[（j－1）λ+θ]旋轉(zhuǎn)到j(luò)λ，吸附柱數(shù)量為N－1，重復(fù)出現(xiàn)N－1次。因此，在進(jìn)氣角內(nèi)吸附柱i的平均進(jìn)氣量見式（3）。

結(jié)合式（1），簡(jiǎn)化為式（4）。

如圖2所示，若充壓角為30°，吸附角為60°，吸附柱夾角為60°，吸附器進(jìn)料流量為36 L/m in，則吸附柱進(jìn)料流量為24 L/min。

類似地可以得到產(chǎn)品氣流量和清洗氣量相似的結(jié)論。由吸附柱的平均進(jìn)料流量計(jì)算得到吸附柱的排氣量，然后以旋轉(zhuǎn)一周在排氣角β內(nèi)吸附柱的平均排氣量作為吸附器的排氣量，得到表3中吸附器和吸附柱主要性能參數(shù)之間的關(guān)系。

裝置的回收率Re、清洗比F/P、產(chǎn)率Pr與吸附柱的數(shù)量N無關(guān)，工藝角對(duì)這幾個(gè)性能參數(shù)有影響。α的減小和β的增大有利于提高Re，而且β的增大還有助于產(chǎn)率Pr的增加，φ的減小使清洗比降低。如均壓工藝能提高回收率Re，這可以解釋成床層濃度波的移動(dòng)，但從上述觀點(diǎn)看，也可以解釋成均壓工藝使充壓工藝角α減小，從而提高了回收率。總之，增大分子篩的工作時(shí)間，特別是增大β，減少密封所占用的時(shí)間，可以提高吸附器的各項(xiàng)性能參數(shù)。

表3 吸附器與吸附柱之間的性能參數(shù)關(guān)系

1.2.4 吸附柱數(shù)量

吸附柱的數(shù)量影響了高徑比，但是，在這種新結(jié)構(gòu)中，吸附柱數(shù)量改變高徑比與常規(guī)意義上的改變高徑比是不一樣的。在表4中比較了這些差異。在本文所述結(jié)構(gòu)中，吸附柱數(shù)量增加，吸附柱的高徑比增大，柱內(nèi)填裝的分子篩質(zhì)量減少，吸附柱高度不變，柱橫截面積減小，在相同的工藝角下，進(jìn)料流量亦減小，間隙速率不變，傳質(zhì)區(qū)移動(dòng)速度不變，氧濃度不變。在通常情況下，吸附柱的高徑比增大，柱內(nèi)填裝的分子篩質(zhì)量不變，吸附柱變長(zhǎng)，柱橫截面積變小。在相同的進(jìn)料和吸附時(shí)間下，雖然傳質(zhì)區(qū)移動(dòng)速度變快，但由于吸附柱增長(zhǎng)，使氧純度提高。為了6個(gè)操作步驟能同時(shí)進(jìn)行，吸附柱的數(shù)量至少為 6。吸附柱數(shù)量越多，吸附柱的高徑比越大，除了增加制造難度和設(shè)計(jì)工藝的靈活度以外，對(duì)吸附柱的性能沒有影響。

1.2.5 充壓角與吸附角之比

提高分子篩的產(chǎn)率有兩種思路：一是讓飽和區(qū)在吸附柱中所占的比例增大，這就需要較長(zhǎng)的吸附柱和較長(zhǎng)的循環(huán)時(shí)間；另一種是在充壓階段形成傳質(zhì)區(qū)，在吸附階段讓傳質(zhì)區(qū)移動(dòng)很短的距離，即吸附柱僅比傳質(zhì)區(qū)略長(zhǎng)，這種情況下可以設(shè)計(jì)較短的吸附柱和較短的循環(huán)時(shí)間。前者是每循環(huán)高產(chǎn)率和適當(dāng)?shù)难h(huán)速度，后者是每循環(huán)低產(chǎn)率和高循環(huán)速度。當(dāng)然，讓傳質(zhì)區(qū)形狀陡峭、長(zhǎng)度較短對(duì)這兩種方法都是有利的。本文作者的基本設(shè)計(jì)思路是快速循環(huán)，影響轉(zhuǎn)速提高的主要原因是充壓。過快的轉(zhuǎn)速會(huì)使吸附柱不能達(dá)到吸附壓力，從而導(dǎo)致 PSA工藝失敗。增加充壓角的度數(shù)有助于提高轉(zhuǎn)速，但同時(shí)要考慮到吸附過程中對(duì)分子篩的充分利用。因此，充壓角和吸附角的比值是一個(gè)關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

綜上所述，建立了一個(gè)多塔旋轉(zhuǎn)、六步驟的變壓吸附空分制氧過程，吸附柱旋轉(zhuǎn)1周完成1次工藝循環(huán)。整個(gè)吸附器在高度上（Z軸方向）形成從空氣到富氧的濃度梯度，在周向上（XY平面）形成PSA操作工藝所需的不同壓力腔。

表4 不同的改變高徑比的方法對(duì)比

2 實(shí)驗(yàn)裝置

六塔旋轉(zhuǎn)變壓吸附制氧裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。本實(shí)驗(yàn)采用一臺(tái)可調(diào)速轉(zhuǎn)速電機(jī)（1～10 r/m in）帶動(dòng)吸附器旋轉(zhuǎn)，通過改變吸附器轉(zhuǎn)速來調(diào)整工藝循環(huán)時(shí)間。無油空氣壓縮機(jī)內(nèi)置過濾器和冷卻器。空氣在進(jìn)入吸附裝置之前經(jīng)過干燥器 4，干燥器 4內(nèi)裝填活性氧化鋁和13X，除去空氣中的水分。減壓閥6-1控制著進(jìn)料壓力，氣體質(zhì)量流量控制器7控制著進(jìn)料流量。分離后的產(chǎn)品氣經(jīng)流量計(jì) 10-1后，進(jìn)入儲(chǔ)氣罐11。然后分為三部分流出，一部分放空，一部分進(jìn)入氧濃度分析儀13，一部分作為清洗氣。清洗氣經(jīng)針閥12-2調(diào)節(jié)流量、減壓閥6-2調(diào)節(jié)壓力和流量計(jì)10-3后進(jìn)入吸附裝置。產(chǎn)品氣流量是流量計(jì)10-1和10-2之差。清洗后的富氮廢氣通過截止閥5-4放空。

圖6 多塔旋轉(zhuǎn)變壓吸附實(shí)驗(yàn)裝置

3 結(jié)果及討論

部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖7～圖10中。在實(shí)驗(yàn)中，采用了1.8 kg的LiX分子篩，環(huán)境溫度為25 ℃。吸附壓力采用平均壓力。

3.1 轉(zhuǎn)速的影響

采用充壓角與吸附角之比為1/2的工藝端蓋，六步驟工藝循環(huán)，測(cè)試了在不同的進(jìn)料流量下，吸附壓力和產(chǎn)品氧濃度隨轉(zhuǎn)速的變化。在實(shí)驗(yàn)中，讓吸附柱入口流量與清洗氣流量保持相同的比例，即進(jìn)料流量增加，則產(chǎn)品氣流量按比例增加。為獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)速下最高氧濃度值，略微調(diào)整清洗氣量。吸附器旋轉(zhuǎn)一周所用的時(shí)間就是一次循環(huán)的時(shí)間，因此用循環(huán)時(shí)間代替了轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖 7，圖中的壓力為表壓力。

由圖7可得以下結(jié)論。

（1）隨著循環(huán)時(shí)間的增長(zhǎng)，即旋轉(zhuǎn)速度變慢，吸附壓力增高，開始上升的速度快，后來速度減緩。原因是當(dāng)吸附壓力增加到 2.0～2.2 atm（表壓，1 atm=101325 Pa）以上時(shí)，吸附量明顯增大，導(dǎo)致吸附柱壓力上升變得比較平緩。在相同的轉(zhuǎn)速下，進(jìn)料流量大吸附柱壓力高。

（2）隨著循環(huán)時(shí)間的縮短，產(chǎn)品氧濃度先明顯上升后下降。這是因?yàn)樵谝欢ǖ倪M(jìn)料流量下，隨著轉(zhuǎn)速的變化，對(duì)氧濃度帶來了兩個(gè)相反的影響：一方面，由于循環(huán)時(shí)間縮短，吸附時(shí)間減小，產(chǎn)品純度得到提高；另一方面，吸附時(shí)間減少的同時(shí)，充壓時(shí)間也減小，吸附壓力降低，導(dǎo)致產(chǎn)品純度下降。當(dāng)吸附壓力降低到1.5 atm（表壓）以下時(shí)，分子篩吸附能力迅速減小，導(dǎo)致吸附器對(duì)氧氮分離的失敗。

圖7 吸附壓力、氧純度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

（3）對(duì)應(yīng)于每個(gè)進(jìn)料流量都存在一個(gè)獲得最高氧純度的最佳轉(zhuǎn)速。隨著進(jìn)料流量的增加，最佳轉(zhuǎn)速逐漸變快，而轉(zhuǎn)速快有利于提高分子篩的產(chǎn)率。

3.2 進(jìn)料流量的影響

圖8所示為進(jìn)料氣流量對(duì)產(chǎn)品氣純度以及回收率、產(chǎn)率的影響，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)品氣量、清洗氣量和吸附器保持定值，調(diào)整轉(zhuǎn)速以獲得當(dāng)前進(jìn)料下的最佳氧濃度值。隨著進(jìn)料氣量的增加，循環(huán)時(shí)間減少，產(chǎn)率亦逐漸升高，而回收率則逐漸降低。對(duì)于本文中所述的旋轉(zhuǎn)6塔微型變壓吸附制氧裝置，當(dāng)進(jìn)料氣流量為40 L/m in時(shí)，產(chǎn)品氣純度最高為92%，回收率為11%，產(chǎn)率0.51 L/(kg·min)。雙端面密封泄漏對(duì)吸附裝置的回收率有一定負(fù)面的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)料氣流量小，充壓時(shí)間長(zhǎng)，吸附時(shí)間也增加，導(dǎo)致產(chǎn)品氣濃度低；進(jìn)料氣流量大，氣流穿過分子篩間隙的速度快，吸附質(zhì)與吸附劑接觸時(shí)間短，回收率降低。因此，應(yīng)當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)倪M(jìn)料氣流量。

3.3 充壓角與吸附角比值的影響

采用了充壓角α與吸附角β之比分別為30/90和30/60的兩個(gè)工藝端蓋。實(shí)驗(yàn)中，保持進(jìn)料氣流、產(chǎn)品氣流、清洗氣量不變，測(cè)量了不同轉(zhuǎn)速下的產(chǎn)品氧濃度值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖9。由圖9可見，充壓角與吸附角之比對(duì)產(chǎn)品氣的氧濃度影響非常顯著，該比值大，則氧濃度高。這是由于在相同的轉(zhuǎn)速和進(jìn)料流量下，充壓角與吸附角比值的增大不僅增加了充壓時(shí)間，提高了吸附壓力，而且減少了吸附時(shí)間，降低了吸附穿透。充壓角與吸附角比值的增大還有利于提高轉(zhuǎn)速和產(chǎn)率，但該比值的增大受到其它工藝角的限制。

3.4 均壓的影響

采用一根軟管連接排氣工藝端蓋上的兩個(gè)均壓腔，軟管中央有一個(gè)截止閥，當(dāng)閥門打開時(shí)為有均壓的工藝，當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)則無均壓步驟。

實(shí)驗(yàn)中，保持進(jìn)料氣量、產(chǎn)品氣量、清洗氣量不變，測(cè)試了不同轉(zhuǎn)速下有均壓和無均壓兩種工藝對(duì)氧純度和回收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖10。對(duì)任何形式的吸附柱，均壓對(duì)床層的濃度分布都產(chǎn)生了有益的影響。均勻降使?jié)舛确迕嫦虍a(chǎn)品氣排出端移動(dòng)，減小了床層空隙中氧濃度進(jìn)一步下降，這可以減小泄壓步驟中的氧損失，從而提高了回收率。均壓升使得床層中的氧濃度在清洗后得到提高，而且，減少了充壓壓差，即減小了充壓時(shí)間，提高了轉(zhuǎn)速，這些因素都提高了產(chǎn)品氧濃度。

圖8 進(jìn)料流量對(duì)產(chǎn)品氣純度、回收率以及產(chǎn)率的影響

圖9 充壓角與吸附角之比對(duì)產(chǎn)品氣純度的影響

圖10 有均壓和無均壓步驟對(duì)氧濃度的影響

4 結(jié) 論

研制了一種新型結(jié)構(gòu)的吸附器，實(shí)現(xiàn)了變壓吸附制氧工藝。旋轉(zhuǎn)吸附柱PSA制氧裝置主要解決了PSA制氧機(jī)微型化所帶來的一些問題。主要討論了幾個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)多塔旋轉(zhuǎn)PSA制氧過程中幾個(gè)主要工藝參數(shù)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

（1）微型PSA制氧機(jī)氣量小，工藝循環(huán)周期短，因此，兩個(gè)吸附床之間的頻繁切換引起產(chǎn)品氣流量和濃度波動(dòng)相對(duì)較大。采用多吸附床可以連續(xù)制氧，且提高了產(chǎn)品氣流量和純度的穩(wěn)定性。但是，按照以往常用的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)會(huì)帶來復(fù)雜的管道連接和控制系統(tǒng)。采用吸附器上下端面與進(jìn)排氣工藝端蓋端面的雙端面密封結(jié)構(gòu)可以有效地解決這個(gè)問題。在旋轉(zhuǎn)吸附柱PSA制氧裝置中沒有控制系統(tǒng)，只用進(jìn)料管道、產(chǎn)品排出管道和均壓管道，管道連接簡(jiǎn)單。

（2）旋轉(zhuǎn)吸附柱PSA制氧裝置有一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，即：產(chǎn)品氧濃度隨著吸附器的旋轉(zhuǎn)速度而變化，旋轉(zhuǎn)速度快，產(chǎn)品氧濃度提高；反之，產(chǎn)品濃度隨著吸附器轉(zhuǎn)速的變慢而降低。因此，旋轉(zhuǎn)吸附柱PSA制氧裝置的壓縮機(jī)可以連續(xù)工作，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，方便地提供各種氧濃度的產(chǎn)品。

（3）在旋轉(zhuǎn)吸附柱PSA制氧裝置的設(shè)計(jì)中，基本出發(fā)點(diǎn)是利用短循環(huán)周期獲得高產(chǎn)率。吸附柱過長(zhǎng)降低了分子篩的利用率，吸附柱過短降低了產(chǎn)品氧純度。為了降低高徑比，吸附柱長(zhǎng)度的85%左右為傳質(zhì)區(qū)所占據(jù)。

（4）由于吸附柱數(shù)量的改變不影響間隙速率和吸附柱高度，所以吸附柱數(shù)量的改變對(duì)吸附柱性能是沒有影響的。其次，吸附器性能不是吸附柱性能的簡(jiǎn)單疊加，工藝角對(duì)吸附器性能影響顯著，此外，工藝角直接影響了產(chǎn)氧的連續(xù)性和氣流的穩(wěn)定性。

（5）多塔旋轉(zhuǎn)PSA過程顯著影響因素為吸附壓力、均壓步驟、充壓角與吸附角的比值、轉(zhuǎn)速、雙端面密封泄露等，這些工藝條件是PSA空分制氧過程優(yōu)化的主要影響因素。泄漏對(duì)旋轉(zhuǎn)吸附器PSA制氧裝置的回收率、產(chǎn)率、能耗等指標(biāo)產(chǎn)生不利影響。

（6）由于LiX分子篩對(duì)水分有很強(qiáng)的吸附性，為防止分子篩失效，進(jìn)吸附器的空氣要用干燥器（活性氧化鋁和13X）嚴(yán)格除水，并定期更換干燥劑。

符 號(hào) 說 明

A——吸附柱橫截面積，m2

d——吸附柱當(dāng)量直徑，以扇形面積與圓面積相等折合，m

h——吸附柱長(zhǎng)度，m

m——吸附柱中的分子篩質(zhì)量，kg

N——吸附柱數(shù)量

n——吸附器轉(zhuǎn)速，r/min

P——壓力，atm

P/F，p/f——吸附器和吸附柱的清洗比

Pr，pr——吸附器和吸附柱的產(chǎn)率，L/(kg·m in)

Q，q——吸附器和吸附柱的氣體流率，NL/min

Re，re——吸附器和吸附柱的回收率，%

t——時(shí)間，s

y——組分的氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

α——充壓角，（°）

β——吸附角，（°）

γ——泄壓角，（°）

ε——均壓角，（°）

θ——工藝環(huán)槽角度，（°）

λ——吸附柱的扇形夾角，（°）

ρp——吸附顆粒密度，kg/m3

φ——清洗角，（°）

下角標(biāo)

AD——吸附

CB——泄壓

DPE——均壓降

FP——充壓

f——進(jìn)料氣

PD——清洗

pr——產(chǎn)品氣

PPE——均壓升

pu——清洗氣

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Experiment study on novel rotary six-columns PSA for oxygen generator

DING Liqun，SHU Pengcheng，WANG Zhizhong，BU Gaoxuan
（National Engineering Research Center of Fluid Machinery & Compressor，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shaanxi，China）

Aim ing at m iniaturization research，we developed a new structure PSA oxygen generator w ith rotary six-columns. This paper introduces the operating principle of the rotary six-columns PSA oxygen generator，and experimental study on the effects of main process parameters on the m iniature rotary six-columns PSA oxygen system. The experimental results indicated that w ith the increase of rotary speed，the oxygen purity of product increased firstly but decreased afterward，and there was an optimal rotating speed for a specific feed flow rate which ensured the purest oxygen. With the increase of feed flow rate，the purity of oxygen increased and the recovery decreased，therefore，there was an optimal feed flow rate. The ratio of pressurization time to adsorption time had obvious influence on oxygen concentration，and pressure equalization steps increased oxygen purity and recovery rate obviously compared w ith ordinary PSA oxygen generators. This device could offer 92% oxygen concentration production w ith a smaller ratio of column height to diameter and shorter cycle time.

rotary adsorber；six-columns；m iniature；PSA；oxygen generation

TQ 116.14

A

1000–6613（2011）09–1906–09

2011-02-24；修改稿日期：2011-03-24。

丁利群（1967—），女，博士研究生，講師，主要研究方向?yàn)橹评浼暗蜏毓こ獭⑽椒蛛x技術(shù)。聯(lián)系人：王智忠，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閴嚎s機(jī)及制冷技術(shù)等。E-mail wzz@mail. xjtu.edu.cn。