变压吸附制氧的配置应用

变压吸附制氧的配置应用

李维亮 1，郭驰 1，高首坤 1，罗东卫 1

1.中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，陕西 西安， 710054

摘要：随着我国现代化工业的发展，氧气因其加快物料氧化反应并降低能源消耗的特性，在工业生产中的地位举足轻重。简要阐述了变压吸附制氧法的工艺原理，并对变压吸附制氧工艺中的吸附塔、分子筛、过程控制系统、阀门等主要设备要求进行描述。

关键词：工业制氧；变压吸附法；工艺配置；过程控制；

中图分类号：TF05 文献标志码：A 文章编号：

氧气对工业生产的影响很大，在对氧气纯度要求不高且没有氮气等气体的生产工况下，变压吸附制氧法因其工艺相对简单、自动化程度高等优势，大量应用工业生产中。

1真空变压吸附法原理

在工业中采用的变压吸附制氧工艺多为真空解吸变压吸附（VPSA^[1]），主体设备有：罗茨鼓风机、真空泵机组，分子筛吸附分离系统，氧气缓冲罐，阀门切换系统，消音塔，仪控设施和电气设施。其制氧流程为：通过鼓风机将空气加压至50~60kPa，再将经干燥、过滤、冷却至40℃左右的空气鼓入装填有分子筛的吸附塔内，分子筛将空气中除氧气外的大部分组分吸附，此时大量未被吸附的氧气在吸附塔出口富集，从而进入氧气缓冲罐内；吸附结束后，通过真空泵对吸附塔进行抽真空至-45~-55kPa，将解吸的氮气、水分等杂质排出系统。当吸附塔数量超过两个时，多个吸附塔可在部分吸附的同时进行部分解吸，从而实现连续性的氧气供应。由于吸附剂对空气的吸附时效不长，需频繁切换阀门来控制，因而整套工艺流程的控制由计算机控制系统完成。

2 吸附塔和分子筛

变压吸附制氧工艺主要在吸附塔内进行，吸附塔结构直接影响分子筛的吸附效果，而工艺的核心就是吸附塔内装填的分子筛^[2]。在工业生产中应用的变压吸附制氧工艺多为大型制氧设备（制氧量＞2000Nm³/h），吸附塔为立式径向流吸附塔，其内部结构如图1所示。根据制氧需求量，对吸附塔容积和塔内结构进行计算、设计。按照计算结果用格栅网在塔内围成两圈，将塔内分为外圈、内圈和内圈中心的气体通道（外圈与内圈的容积比多为1:4），格栅网固定后，通过塔顶的分子筛布料器将两种不同的分子筛同时加进吸附塔内。格栅网可以在塔内有效地将作用不同的分子筛隔开，且不影响气流在分子筛层内的流通。

1.膜； 2.锂型分子筛； 3. 13X分子筛； 4.格栅网； 5底板

图1 吸附塔内部结构示意图

吸附塔内的内圈填装锂型分子筛，形貌为Φ1.2~1.7mm的白色球状，这种锂X型硅铝酸盐结晶体，具有氮吸附容量大，氮氧分离系数高，易脱附等特性，对气体选择性强且使用寿命长，是变压吸附制氧工艺中高效的制氧分子筛。由于空气中的水分会降低锂分子筛的吸附能力，在生产中不仅需要提前对空气进行干燥、过滤，在吸附塔内的外圈还要填装13X分子筛，形貌为Φ1.6~2.5mm的白色球状，这种钠盐形式的硅铝酸盐分子筛有效孔径为10埃，可吸附不大于10埃的分子，且物化性能稳定，在吸附塔内主要用于将水和CO₂共吸附，将气体干燥，并从空气中分离氧气。

吸附塔内的分子筛填装完成后，需在分子筛层顶部铺上抗氧化膜，其主要用于对罐内分子筛的密闭和隔潮，保证吸附、抽吸过程中的压力。生产时，空气从吸附塔底部进入塔内，通过气体分布器进入外圈的13X分子筛层，将水分吸附后再进入内圈锂型分子筛层，氮气被吸附后余下的氧气经气体通道送入氧气缓冲罐，而经过解吸后的氮气等气体通过气体通道排空。

3 过程控制系统

目前工业中主流的变压吸附制氧工艺为两塔系统（A、B吸附塔），采用PLC控制系统^[3]。在吸附制氧过程中，两塔交错完成一次吸附制氧循环周期的时间约60s，每个循环周期为16步，每一步在A、B两塔内都对应不同的操作，并按照PLC控制系统设定的时序来控制设备、阀门装置的启动、停止及负荷调节，使各气动阀门自动运行，从而实现整个系统的循环制氧，控制时序如表1所示。

表1 变压吸附制氧PLC控制时序表

基于此运行循环周期，在变压吸附制氧的控制系统内还整合了对调节阀开合程度的设定，A、B塔每步时序时长的设定，循环水、软水、保安气的流量、温度、压力的监控，软水间潜水泵的液位监控和自动控制，生产用户鼓风机前混氧器的自动控制和数据监控，制氧风机、电机仪表数据监控（风机水平垂直振动幅度，电机主副轴振动幅度，轴承温度，油压压力等参数）。通过PLC控制系统，可实现较少人员下维持生产的稳定运行。

4 阀门

变压吸附制氧工艺的管路中有相当数量的阀门，通过PLC控制系统来控制这些阀门进行频繁且有序的启闭，从而实现变压吸附制氧工艺的行进控制和流量、压力的调节，该过程需要各程控阀门能在短时间内进行快速的启动，还要承受住高压、高速气流的冲刷。主要程控阀门采用适用于真空解吸变压吸附制氧的专用双偏心气动蝶阀，程控阀门的可靠性和密封性尤为重要^[4]，工艺要求为：①启闭时间低于1秒；②无油、水泄漏，液动阀无漏油燃爆风险；③无故障开关次数大于200万次，阀体使用寿命大于15年。

5 变压吸附制氧技术优化

（1）工艺流程、装置优化。目前变压吸附制氧工艺的大规模生产，常将多套制氧机组连接来完成，在一定程度上增加了占地面积和控制系统的操作难度。通过计算机模拟和微型制氧机的工艺流程模拟，来指导工业级制氧装置，精简工艺步骤，优化设备选型，使变压吸附制氧工艺向着单套大型化的方向发展。

（2）分子筛改性研发。分子筛是变压吸附制氧工艺的核心，直接影响制氧的性能和成本。目前锂型分子筛已实现国产化，但随着新能源锂电池行业的迅速发展，锂价不断增高，锂型分子筛的成本也越来越高。通过对分子筛进行改性研究来提高其对氧氮的分离性能，可在制氧量不变的前提下降低分子筛的用量，从而降低总体建设成本。如今寻找替换锂型分子筛的低成本分子筛需求越来越大，对高性能分子筛的研发已迫在眉睫。

（3）噪声治理。变压吸附制氧工艺采用真空泵、鼓风机等高噪声设备，工艺管线弯道和阀门较多，生产时管道内气体流量大、流速高，造成生产现场的噪声过大。虽然变压吸附制氧工艺的自动化程度高，操作人员只需在控制室进行生产参数调整，但考虑到对周边厂区的影响，仍需对制氧厂房做隔音降噪设计：厂房外墙为隔音墙、风机加装消音装置、管道包扎、放空管道末端接入混凝土结构的消音塔等降噪处理。今后变压吸附制氧工艺向着大规模的方向发展，噪声治理问题尤为重要，需要通过对风机设备优化和管线整体布局等方面的研究来降低噪声，改善厂房周围的工作环境。

6 结语

我国对氧气的需求越来越大。变压吸附制氧工艺因其低成本、自动化程度高和安全性好等优势，在工业生产中的应用越来越广。目前变压吸附制氧技术需在分子筛吸附机理、过程模拟计算、设备研发等方向的深入研究，未来变压吸附制氧工艺将会向着短平快、大规模的方向发展。

参考文献

[1]杨中贵,周历科,张勇,胡旭.变压吸附气体分离技术研究进展[J].化工管理,2022,(03):76-78.

[2]李勇,王世锋,吴琪,赵董叶,李鑫,周倩玉.变压吸附制氧分子筛材料研究发展现状[J].现代化工,2021,41(08):68-71.

[3]王宏,刘茜,杨志成.基于PLC技术的VPSA制氧机控制系统的设计[J].仪表技术,2017(5):3.

[4]刘杰.变压吸附程控阀内漏的判断[J].化学工程与装备,2021,(07):190-191+189.