PSA制氧過程產(chǎn)品氣流量對其氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響

劉應(yīng)書，張全立，劉文海，李子宜，楊 雄，曹曦光，付耀國，李 燁

北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083

小型變壓吸附（PSA）制氧機(jī)已廣泛地應(yīng)用于家庭醫(yī)用保健用氧、醫(yī)院集中供氧、高原缺氧環(huán)境補(bǔ)氧及室內(nèi)彌散供氧等領(lǐng)域[1-2].由于實際使用條件的變化，制氧機(jī)的產(chǎn)品氣流量也需要隨時間發(fā)生改變[3-4].產(chǎn)品氣流量的變化往往會造成其氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化，影響正常使用.因此，研究產(chǎn)品氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)隨產(chǎn)品氣流量的變化關(guān)系，對于PSA制氧機(jī)的工藝參數(shù)優(yōu)化和實際應(yīng)用具有重要的意義[5].

關(guān)于產(chǎn)品氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)隨產(chǎn)品氣流量變化關(guān)系的研究，前人得出了不同的實驗結(jié)果.王浩宇和Mendes等分別通過數(shù)值模擬和實驗得出氧氣體積分?jǐn)?shù)隨產(chǎn)品氣流量增加而降低的變化關(guān)系[6-7]；呂愛會和Farooq等分別通過實驗和模擬得出氧氣體積分?jǐn)?shù)隨著產(chǎn)品氣流量的增加先保持不變而后逐漸降低的結(jié)論[8-9]；翟暉和Bhat等通過實驗得到了氧氣體積分?jǐn)?shù)隨產(chǎn)品氣流量的增加先上升后降低的結(jié)果[10-11].關(guān)于產(chǎn)品氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)隨產(chǎn)品氣流量增加而降低的原因，前人也有著不同的看法，章新波和Liow等認(rèn)為這與氣體通過床層的流速加快進(jìn)而導(dǎo)致分子篩對氮氣吸附量降低有關(guān)[12-13]；翟暉等推測這是由吸附壓力隨產(chǎn)品氣流量的增加而降低所導(dǎo)致的[10]；Bhat和Mofarahi等推測這與清洗氣流量降低從而導(dǎo)致床層再生效果下降有關(guān)[11,14]；呂愛會等認(rèn)為這與其他工藝參數(shù)隨產(chǎn)品氣流量的變化有關(guān)[8,15].由此可見，產(chǎn)品氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)隨產(chǎn)品氣流量的變化關(guān)系還需進(jìn)一步的明確與完善，產(chǎn)品氣流量的改變引起其氧氣體積分?jǐn)?shù)變化的原因也有待進(jìn)一步的探討.

本文基于改進(jìn)的Skarstrom兩床循環(huán)PSA制氧工藝建立制氧實驗裝置，對產(chǎn)品氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)隨產(chǎn)品氣流量的變化關(guān)系進(jìn)行實驗研究.根據(jù)試驗結(jié)果，分析變產(chǎn)品氣流量對氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響；探討變產(chǎn)品氣流量下提高產(chǎn)品氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的相關(guān)工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)方法.本文研究結(jié)果將為變產(chǎn)品氣流量下變壓吸附制氧工藝優(yōu)化及其實際應(yīng)用操作提供技術(shù)依據(jù).

1 實驗與方法

1.1 實驗裝置

基于Skarstrom兩床循環(huán)PSA制氧實驗裝置見圖1.壓縮機(jī)對過濾后的空氣進(jìn)行增壓后通過PLC控制的電磁閥門交替送入床層1（B1）和床層2（B2），富含氧氣的產(chǎn)物（輕組分）從吸附床中分離出進(jìn)入儲氧罐，吸附在制氧分子篩中的重組分氮氣被解吸后直接釋放到大氣中.實驗裝置中所設(shè)置的針閥K1、K2、K3和K4，可分別對原料氣流量、吸附壓力（通過調(diào)節(jié)均壓氣流量）、清洗流量和產(chǎn)品氣流量進(jìn)行靈活的調(diào)節(jié).其中，K1設(shè)置在緩沖罐的頂端，原料氣流量隨著K1開度的減小而增加，當(dāng)K1完全關(guān)閉時，原料氣流量達(dá)到最大值；K2設(shè)置在均壓管道上，通過控制均壓氣量進(jìn)而對吸附壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，即均壓氣量隨著K2開度的增加而增加，進(jìn)而提升了吸附壓力；K3設(shè)置在清洗管路上，清洗氣流量隨著K3開度的增加而增加；K4設(shè)置在產(chǎn)品氣管路上，即產(chǎn)品氣流量隨K4開度的增加而增加.實驗裝置的床層尺寸、相關(guān)管道尺寸如表1所示，主管道的直徑較大是為了達(dá)到迅速增壓和減壓的目的，均壓管道和清洗管道直徑較小，是為了方便的對均壓氣量和清洗氣量進(jìn)行更為精確的調(diào)節(jié)和控制.床層中裝填的吸附劑參數(shù)如表2所示，底層采用活性氧化鋁（型號：JAA-1；生產(chǎn)廠家：洛陽建龍微納新材料股份有限公司）去除空氣中的水分，上層采用制氧分子篩（型號：JLOX-101A；生產(chǎn)廠家：洛陽建龍微納新材料股份有限公司）吸附空氣中的氮氣，以獲得高濃度氧氣[16].實驗過程中采用質(zhì)量流量計（單向，滿量程精度：≤1.5%）F1、F2、F3分別測量原料氣流量、清洗流量、產(chǎn)品氣流量；采用壓力傳感器（精度：±0.2%）P1、P2測量床層壓力；用氧氣分析儀（精度：±0.3%）分別測定兩床頂部（C1、C2）和產(chǎn)品氣（C3）的氧氣體積分?jǐn)?shù)，所有實驗數(shù)據(jù)均在裝置運行穩(wěn)定狀態(tài)下由相關(guān)儀器測量并上傳計算機(jī)進(jìn)行保存.

圖1 實驗裝置原理圖Fig.1 Schematic of pressure swing adsorption (PSA) experimental setup

表1 床層及有關(guān)管道尺寸Table 1 Adsorption bed and related pipe sizes

表2 吸附劑參數(shù)Table 2 Adsorbent quantities and properties

1.2 工藝流程

本研究基于傳統(tǒng)的Skarstrom兩床循環(huán)PSA制氧工藝將均壓步驟和進(jìn)氣升壓步驟進(jìn)行部分重疊，使床層壓力快速達(dá)到最佳工作壓力，提高氧氣產(chǎn)量；同時，均壓步驟為非完全均壓步驟，即在兩床層壓力達(dá)到平衡前便停止均壓，這樣可以避免處于均壓降步驟的床層中氮氣大量的脫附，防止氮氣流向另一剛獲得再生的床層而造成污染.改進(jìn)的Skarstrom兩床循環(huán)PSA制氧工藝由八步組成：均壓升和進(jìn)氣升壓（PPE&FP）、進(jìn)氣升壓（FP）、高壓吸附（AD）、高壓吸附與吹掃（AD&PG）、均壓降（DPE）、逆流排污（BD）、解吸（DP）、清洗（PG）.每一步驟的具體工藝流程和時間如圖2和表3所示，所有實驗均在相同的循環(huán)時間下進(jìn)行.

圖2 改進(jìn)的Skarstrom兩床循環(huán)PSA工藝流程圖Fig.2 Schematic of the modified Skarstrom pressure swing adsorption cycle

Step 1：B1處于PPE與FP步驟中，B2處于DPE步驟中.此時E1和E5打開，富含氧氣的均壓氣體以較高的壓力從B2頂部通過E5流向B1.同時，緩沖罐內(nèi)的空氣通過E1流向B1，迅速增加了B1內(nèi)的壓力.

Step 2：B1和B2分別位于FP和BD步驟中.此時E1和E4打開，氣源通過E1進(jìn)入床層B1，直到B1壓力達(dá)到最佳吸附壓力；此時B2進(jìn)行逆流排污.

Step 3：B1和B2分別位于AD和DP步驟中.此時E1、E4、E7打開，緩沖罐內(nèi)的空氣繼續(xù)流向B1，提高吸附壓力，產(chǎn)品氣通過E7流向儲氧罐；B2在低壓下繼續(xù)進(jìn)行解吸.

Step 4：B1處于AD 與PG 步驟中，B2處于PG步驟中.E1、E4、E6、E7打開，部分產(chǎn)品氣通過E7流向儲氧罐，其余部分通過E6對B2進(jìn)行清洗，氮氣在B2中進(jìn)一步解吸，使床層獲得更好的再生.

由于該工藝流程是循環(huán)進(jìn)行的，B1中的步驟將由B2重復(fù)，因此在Step 5至Step 8中，B1的DPF、BD、DP、PG 步驟分別對應(yīng)B2的PPE與FP、FP、AD、AD與PG步驟.綜上，Step 1至Step 4中，E1一直處于打開狀態(tài)，即B1在不斷的進(jìn)氣，因此B1一直處于吸附階段；B2則處于脫附階段（DPF步驟為降壓步驟，因此也屬于脫附階段）；同理，Step 5至Step 8中，B1處于脫附階段，B2處于吸附階段.

表3 PSA工藝步驟Table 3 PSA cycle design at each step

1.3 實驗方法

為了研究和分析方便，本文選用單個床層在Step 3中清洗氣總氧量與Step 1至Step 4中原料氣（空氣）總氧量之比（P/F）代表清洗強(qiáng)度，P/F越大，清洗強(qiáng)度越大[17]（有關(guān)步驟詳見圖2和表3）.實驗過程中原料氣流量一直保持最大值，即K1一直處于關(guān)閉狀態(tài)，然后根據(jù)原料氣流量、原料氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)（即空氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)，為20.9%）、清洗氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)（即產(chǎn)品氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)）和目標(biāo)參數(shù)P/F計算得出所需的清洗氣流量，最后通過K3對清洗氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以獲得實驗過程中所需的P/F.同時選用單個床層最高吸附壓力與最低解吸壓力（環(huán)境壓力）之比（θ）代表壓力變化范圍，θ越大，吸附壓力越高[18].實驗過程中最低解吸壓力保持不變，然后根據(jù)目標(biāo)參數(shù)θ計算出所需的最高吸附壓力，最后通過K2對均壓氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)而實現(xiàn)吸附壓力的調(diào)節(jié)，以獲得實驗過程中所需的θ.

實驗研究過程中，首先通過工藝參數(shù)（P/F和θ）不同的兩組實驗（A和B）探究了產(chǎn)品氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)和回收率隨產(chǎn)品氣流量的變化關(guān)系，即在產(chǎn)品氣流量為3.55 L·min-1時，通過調(diào)節(jié)K3和K2將P/F和θ在實驗A中分別設(shè)置為1.33和3.29，在實驗B中分別設(shè)置為0.65和3.55，實驗過程中僅通過調(diào)節(jié)K4將產(chǎn)品氣流量從3.55 L·min-1增加至 19.88 L·min-1（K1 一直處于關(guān)閉狀態(tài)，K2、K3 保持不變），同時記錄P/F和θ隨產(chǎn)品氣流量的變化范圍，并測量了床層頂部氧氣體積分?jǐn)?shù)隨循環(huán)時間的周期性變化曲線.然后，為了提高實驗B中變產(chǎn)品氣流量下的氧氣體積分?jǐn)?shù)，對實驗B中的工藝參數(shù)（P/F和θ）進(jìn)行了調(diào)節(jié)，進(jìn)行了實驗C.最后將實驗B和C的實驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析.

1.4 理論計算

（1）產(chǎn)品氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù).

穩(wěn)定狀態(tài)下產(chǎn)品氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的計算公式為:

式中：y(t)是指產(chǎn)品氣流量中氧氣的體積分?jǐn)?shù)隨時間變化的函數(shù)；p(t)是產(chǎn)品氣流量的體積分?jǐn)?shù)隨時間變化的函數(shù)；τ為一循環(huán)周期的時間.

（2）產(chǎn)品氣流量.

產(chǎn)品氣流量是指實驗裝置在穩(wěn)定狀態(tài)下每分鐘內(nèi)所生產(chǎn)的平均產(chǎn)品氣流量（L·min-1），表達(dá)式為:

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)品氣流量改變對其氧氣體積分?jǐn)?shù)和回收率的影響

表4給出了A、B兩組實驗中工藝參數(shù)P/F和θ隨產(chǎn)品氣流量從3.55 L·min-1增加至19.88 L·min-1的變化范圍.隨著產(chǎn)品氣流量的增加，實驗A中的P/F和θ分別從1.33和3.29降為0.74和3.10；實驗B中的P/F和θ分別從0.65和3.55降為0.49和3.33.圖3給出了實驗A與B中產(chǎn)品氣的氧氣體積分?jǐn)?shù)和回收率隨產(chǎn)品氣流量的變化曲線.其中，兩組實驗中回收率隨產(chǎn)品氣流量的增加都呈現(xiàn)出不斷上升的變化趨勢，分別從11.2%增加至40.5%和從11.1%增加至48.6%.實驗A和B產(chǎn)品氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)隨產(chǎn)品氣流量的增加則呈現(xiàn)出了不同的變化規(guī)律，實驗A產(chǎn)品氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)從95.1%逐漸下降到59.8%；而實驗B產(chǎn)品氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)則是先從92.4%增加至95.0%，然后又逐漸降至74.0%.

兩組實驗中回收率隨產(chǎn)品氣流量的增加呈現(xiàn)出逐漸上升的變化趨勢與產(chǎn)品氣總氧量隨產(chǎn)品氣流量的增加有關(guān)[8].實驗A產(chǎn)品氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)隨產(chǎn)品氣流量的增加而降低的變化關(guān)系與大多數(shù)前人所得實驗結(jié)果一致[6-7]，這是因為隨著產(chǎn)品氣流量的增加，氣體通過床層的流速加快進(jìn)而減短了氣源與分子篩的接觸時間，減少了分子篩對氮氣的吸附量，最終導(dǎo)致部分氮氣穿透床層混入產(chǎn)品氣中，降低了產(chǎn)品氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù).我們將此現(xiàn)象稱為“氮氣穿透”.另外，P/F和θ隨著產(chǎn)品氣流量的增加而逐漸降低（見表4）也會降低清洗步驟中床層的再生效果和減少吸附步驟中分子篩對氮氣的吸附量[19]，進(jìn)而引起氮氣穿透現(xiàn)象發(fā)生，這也可能是導(dǎo)致產(chǎn)品氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)下降的原因.實驗B產(chǎn)品氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)在產(chǎn)品氣流量≤10.37 L·min-1時隨著產(chǎn)品氣流量的降低而降低，這可能是由于產(chǎn)品氣流量降低，床層上的氣體流速變慢，大量的氧氣在床層頂部積累并逆向流回傳質(zhì)區(qū)，傳質(zhì)區(qū)前沿氧氣分壓增高，床層頂部分子篩對氮氣的吸附量降低而導(dǎo)致的[20-23].我們將此現(xiàn)象稱為“氧氣返混”.為了對該現(xiàn)象進(jìn)行更深入的研究，分析了實驗A和B中床層頂部氧氣體積分?jǐn)?shù)隨循環(huán)時間的周期性變化，實驗結(jié)果見圖4.

表4 P/F和θ隨產(chǎn)品氣流量增加的變化范圍Table 4 Ranges of variations of P/F and θ with product flow rate

圖3 實驗A和B中的氧氣體積分?jǐn)?shù)和回收率隨產(chǎn)品氣流量的變化Fig.3 Variations of O2 volume fraction and recovery rate with product flow rate in experiments A and B

圖4 實驗A與B在產(chǎn)品氣流量為3.55 L·min-1時床層頂部氧氣體積分?jǐn)?shù)和床層壓力隨循環(huán)時間的周期性變化Fig.4 Cyclic variations of O2 volume fraction and pressure at the top of the bed in experiments A and B at a product flow rate of 3.55 L·min-1

如圖4所示，實驗A床層頂部的氧氣體積分?jǐn)?shù)在吸附階段隨著時間的增加先是逐漸上升（P1區(qū)間）然后保持水平（P2區(qū)間），接著在脫附階段隨著時間的增加開始逐漸降低，直到下一個循環(huán).而實驗B床層頂部的氧氣體積分?jǐn)?shù)在吸附階段則呈現(xiàn)出先增加（P1區(qū)間）后降低（P2區(qū)間）的變化趨勢，然后在脫附階段逐漸降至最低值.理想情況下，在吸附階段，床層頂部的氧氣體積分?jǐn)?shù)應(yīng)當(dāng)是隨著時間的增加而不斷上升的，而在實驗B中出現(xiàn)了下降的情況，這便可能是由氧氣返混所導(dǎo)致的.氧氣返混僅在實驗B中出現(xiàn)，這很可能與實驗B中的P/F和θ分別比實驗A低和高有關(guān)（見表4）.其中，P/F低意味著清洗氣流量低（原料氣流量相同），而清洗氣流量同產(chǎn)品氣流量一樣來自于床層的頂部，因此，較低的P/F同樣會造成床層頂部大量氧氣的積累，進(jìn)而引起氧氣返混的發(fā)生.θ較高意味著吸附壓力高，即均壓氣流量較大（本文通過K2控制均壓氣量來調(diào)節(jié)吸附壓力），而此時處于DPE步驟的床層頂部充滿了大量的氧氣，較大的均壓氣流量就意味著有更多的氧氣被作為均壓氣體流向另一床層，造成該床層氧氣的進(jìn)一步積累，進(jìn)而導(dǎo)致氧氣返混程度的加深，降低了產(chǎn)品氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù).

2.2 氧氣返混和氮氣穿透

為了進(jìn)一步探討變產(chǎn)品氣流量對氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響，下面以實驗B中的結(jié)果為研究對象進(jìn)行深入分析.為了闡述方便，本文把產(chǎn)品氣流量區(qū)間（3.55～10.37 L·min-1）稱為低產(chǎn)品氣流量運行條件.圖5為低產(chǎn)品氣流量運行條件時，實驗B床層頂部氧氣體積分?jǐn)?shù)和床層壓力隨循環(huán)時間的周期性變化曲線.

圖5 產(chǎn)品氣流量分別為 3.55 L·min-1和 10.37 L·min-1時，實驗 B 床層頂部氧氣體積分?jǐn)?shù)和床層壓力隨循環(huán)時間的周期性變化Fig.5 Variations of O2 volume fraction and pressure at the top of the bed at product flow rates of 3.55 L·min-1 and 10.37 L·min-1, respectively,in experiment B

由圖5所示，在低產(chǎn)品氣流量運行條件下，吸附階段床層頂部氧氣體積分?jǐn)?shù)都是隨著時間的增加呈現(xiàn)出先上升（P1區(qū)間）后下降（P2區(qū)間）的變化趨勢，然后在脫附階段隨著時間的增加氧氣體積分?jǐn)?shù)下降至最低點（P3區(qū)間）.并且通過比較兩組床層頂部的氧氣體積分?jǐn)?shù)變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品氣流量為10.37 L·min-1時的氧氣體積分?jǐn)?shù)在P2區(qū)間的下降幅度明顯小于產(chǎn)品氣流量為3.55 L·min-1時的下降幅度，即隨著產(chǎn)品氣流量的增加，氧氣返混的不利影響會變?nèi)?隨著產(chǎn)品氣流量的增加，床層中所生產(chǎn)出的氧氣得到了及時釋放，避免了氧氣在床層頂部的積累，進(jìn)而弱化了氧氣返混的不利影響，因此低產(chǎn)品氣流量運行條件下產(chǎn)品氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)會隨著產(chǎn)品氣流量的增加而逐漸升高.

同樣，這里將產(chǎn)品氣流量區(qū)間（13.57～19.88 L·min-1）稱為高產(chǎn)品氣流量運行條件.圖6為高產(chǎn)品氣流量運行條件下床層頂部氧氣體積分?jǐn)?shù)和床層壓力隨循環(huán)時間的周期性變化曲線.

由圖6可知，在高產(chǎn)品氣流量運行條件下，兩組實驗床層頂部的氧氣體積分?jǐn)?shù)在吸附階段隨時間的增加都呈現(xiàn)出先上升（P1區(qū)間）后降低（P2和P2′區(qū)間）的變化趨勢，然后在脫附階段下降至最低點.床層頂部的氧氣體積分?jǐn)?shù)在P2和P2′區(qū)間的下降便是由氮氣穿透所導(dǎo)致的，這里將氧氣體積分?jǐn)?shù)剛開始發(fā)生下降的點稱為“氮氣穿透點”.通過比較兩組實驗床層頂部的氧氣體積分?jǐn)?shù)變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品氣流量為19.88 L·min-1時的氧氣體積分?jǐn)?shù)在P2區(qū)間下降幅度明顯大于產(chǎn)品氣流量為13.57 L·min-1時的氧氣體積分?jǐn)?shù)在P2'區(qū)間的下降幅度，并且隨著產(chǎn)品氣流量的增加，氮氣穿透點也將發(fā)生前移，即隨著產(chǎn)品氣流量的增加，氮氣穿透的不利影響越明顯.隨著產(chǎn)品氣流量的增加，氣體通過床層的流速加快，導(dǎo)致分子篩與氣源接觸時間的進(jìn)一步縮短和對氮氣吸附量的進(jìn)一步降低；同時P/F和θ隨產(chǎn)品氣流量的增加而降低（見表4）也會直接導(dǎo)致床層再生效果和分子篩對氮氣吸附量的降低，即實驗裝置中分子篩的工作能力降低，因此隨著產(chǎn)品氣流量的增加氮氣穿透點會發(fā)生前移，氧氣體積分?jǐn)?shù)降低幅度增加.

圖6 產(chǎn)品氣流量分別為 13.57 L·min-1和 19.88 L·min-1時，實驗B床層頂部氧氣體積分?jǐn)?shù)和床層壓力隨循環(huán)時間的周期性變化Fig.6 Variations of O2 volume fraction and pressure at the top of the bed at product flow rates of 13.57 L·min-1 and 19.88 L·min-1,respectively, in experiment B

2.3 變產(chǎn)品氣流量下氧氣體積分?jǐn)?shù)的提升

低產(chǎn)品氣流量運行條件下，氧氣返混的發(fā)生還可能與P/F較低和θ較高有關(guān)；高產(chǎn)品氣流量運行條件下，實驗裝置中分子篩工作能力的降低還可能與P/F和θ隨產(chǎn)品氣流量的增加而降低有關(guān).因此，實驗C基于實驗B中的工藝參數(shù)，在低產(chǎn)品氣流量運行條件下分別提高了P/F和降低了θ；在高產(chǎn)品氣流量運行條件下同時提高了P/F和θ，以提高產(chǎn)品氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù).實驗B和C工藝參數(shù)的對比見表5；實驗B和C中產(chǎn)品氣流量分別為 3.55 L·min-1和 19.88 L·min-1時床層頂部氧氣體積分?jǐn)?shù)和床層壓力隨循環(huán)時間的周期性變化見圖7和圖8；變產(chǎn)品氣流量下，實驗B和C產(chǎn)品氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)和回收率的對比見圖9.

產(chǎn)品氣流量為3.55 L·min-1時，實驗C將實驗B中的P/F從0.65增加至1.34，同時將θ從3.55降低至3.24.通過比較圖7兩組實驗中床層頂部的氧氣體積分?jǐn)?shù)變化曲線，可以看出實驗C床層頂部的氧氣體積分?jǐn)?shù)在P2區(qū)間依然呈上升趨勢，即實驗C中無氧氣返混發(fā)生.因此，在低產(chǎn)品氣流量運行條件下，可以通過同時增加P/F和降低θ來釋放床層中的氧氣量和減少均壓步驟中流向另一床層的氧氣量，避免氧氣在床層頂部的積累，消除氧氣返混的不利影響，提高產(chǎn)品氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù).

表5 實驗B和C工藝參數(shù)的對比Table 5 Comparison of process parameters in experiments B and C

圖7 產(chǎn)品氣流量為3.55 L·min-1時實驗B和C床層頂部氧氣體積分?jǐn)?shù)和壓力的變化Fig.7 Variations of O2 volume fraction and pressure at the top of the bed in experiments B and C at a product flow rate of 3.55 L·min-1

圖8 產(chǎn)品氣流量為19.88 L·min-1時實驗B和C床層頂部氧氣體積分?jǐn)?shù)和壓力的變化Fig.8 Variations of O2 volume fraction and pressure at the top of the bed in experiments B and C at a product flow rate of 19.88 L·min-1

圖9 實驗B和實驗C在變產(chǎn)品氣流量下氧氣體積分?jǐn)?shù)和回收率的比較Fig.9 Comparison of O2 volume fraction and recovery at different product flow rates in experiments B and C

產(chǎn)品氣流量為19.88 L·min-1時，實驗C將實驗B中的P/F從0.49增加至0.51，同時將θ從3.33增加至3.36.通過比較兩組實驗中床層頂部的氧氣體積分?jǐn)?shù)變化曲線，可以得出實驗C中床層頂部的氧氣體積分?jǐn)?shù)在吸附階段的下降幅度減小，即氮氣穿透量減小，裝置中分子篩的工作能力提高.因此，在高產(chǎn)品氣流量運行條件下，可以通過增加P/F提高床層的再生效果進(jìn)而提高分子篩在下一循環(huán)中對氮氣的吸附量，增加θ可以直接提高分子篩在吸附階段對氮氣的吸附量，通過此兩步調(diào)節(jié)，便可以提高實驗裝置中分子篩的工作能力，減少氮氣的穿透量，進(jìn)而提升產(chǎn)品氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù).但是由于在高產(chǎn)品氣流量運行條件下影響產(chǎn)品氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)下降的主要因素還與氣體通過床層的流速加快有關(guān)，因此，僅通過提高P/F和θ無法完全消除氮氣穿透的不利影響.

由圖9得出，在變產(chǎn)品氣流量下實驗C產(chǎn)品氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)和回收率相對于實驗B都有所提升.尤其是在產(chǎn)品氣流量為3.55 L·min-1時，將實驗B中的P/F和θ分別從0.65增加至1.34和從3.55降低至3.24，可以將產(chǎn)品氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)和回收率分別從92.4%增加至95.7%和從10.8%增加至11.5%；在產(chǎn)品氣流量為19.88 L·min-1時，將實驗B中的P/F和θ分別從0.49增加至0.51和從3.33增加至3.36，可以將產(chǎn)品氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)和回收率分別從74.0%增加至74.9%和從48.5%增加至50.4%.結(jié)果表明，在低產(chǎn)品氣流量運行條件下提高P/F和降低θ可以完全消除氧氣返混的影響，將產(chǎn)品氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)提高至95%以上；在高產(chǎn)品氣流量運行條件下，通過增加P/F和θ可以提高實驗裝置中分子篩的工作能力，但是由于氣體通過床層的流速加快而導(dǎo)致的氮氣穿透無法完全消除，所以產(chǎn)品氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的提升幅度較小.

3 結(jié)論

本文利用改進(jìn)的Skarstrom兩床循環(huán)PSA制氧工藝建立制氧實驗裝置，對產(chǎn)品氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)隨產(chǎn)品氣流量的變化關(guān)系進(jìn)行實驗研究，隨后對變產(chǎn)品氣流量對其氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響進(jìn)行了理論分析；探討了變產(chǎn)品氣流量下提高產(chǎn)品氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的相關(guān)工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)方法，得到了如下結(jié)論：

（1）在低產(chǎn)品氣流量運行條件下，導(dǎo)致產(chǎn)品氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)發(fā)生下降的主要原因是由氧氣在床層大量積累而引起的氧氣返混；高產(chǎn)品氣流量運行條件下，導(dǎo)致產(chǎn)品氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)下降的主要原因是由床層再生效果和分子篩對氮氣吸附量的降低而引起的實驗裝置中分子篩工作能力的降低.

（2）低產(chǎn)品氣流量運行條件下，提高P/F和降低θ可以消除氧氣返混的不利影響；高產(chǎn)品氣流量運行條件下，同時提高P/F和θ可以提高實驗裝置中分子篩的工作能力.

（3）產(chǎn)品氣流量為 3.55 L·min-1時，將工藝參數(shù)P/F和θ分別從0.65增加至1.34和從3.55降低為3.24，可以將產(chǎn)品氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)從92.4%增加至95.7%；產(chǎn)品氣流量為19.88 L·min-1時，將工藝參數(shù)P/F和θ分別從0.49和3.33增加至0.51和3.36，可以將產(chǎn)品氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)從74.0%增加至74.9%.