VPSA制氧设备工艺说明

VPSA制氧系统主要由鼓风机、真空泵、切换阀、吸附器和氧气平衡罐组成。原料空气经吸入口过滤器除掉灰尘颗粒后,被罗茨鼓风机增压至0.3-0.5barg而进入其中一只吸附器内。吸附器内装填吸附剂和脱水剂,其中水分、二氧化碳、及少量其它气体组分在吸附器入口处被装填于底部的活性氧化铝所吸附,随后氮气被装填于活性氧化铝上部的沸石分子筛所吸附。而氧气(包括氩气)为非吸附组分从吸附器顶部出口处作为产品气排至氧气平衡罐。

当该吸附器吸附到一定程度,其中的吸附剂将达到饱和状态,此时通过切换阀利用真空泵对之进行抽真空(与吸附方向相反),真空度为0.65-0.75barg。已吸附的水分、二氧化碳、氮气及少量其它气体组分被抽出并排至大气,吸附剂得到再生。

VPSA的每个吸附器都交替执行以下步骤：

---吸附---解吸---冲压

上述三个基本的工艺步骤由PLC和切换阀系统来实现自动控制

VPSA型制氧机 1、 能耗比较低。产氧量越大，能耗也降低。 2、 维护成本低，动设备为罗茨鼓风机和罗茨真空泵，因其工作原理都为容积式，无油，极易维护。 3、 整套设备的自动化程度高，动设备与制氧机是同步控制，只需按一下启动按钮，整套设备即可正常运行。 4、适合于中大型产量。

1891年，德国林德公司在冷冻机械制造公司的实验室开始空气液化工作。

1895年，林德教授利用焦耳--汤姆逊效应制成第一台液体空气装置。

1901年，林德公司在慕尼黑市建立低温设备制造车间。

1902年，林德设计的第一台单级精馏塔的空分设备制成。法国克劳特发明了膨胀机，在巴黎建立空气液化公司。

1903年，林德公司制成第一台工业性10m3/h的制氧机，采用高压节流的高压流程。

1910年，法国制成第一台采用中压带活塞膨胀机的中压流程的50m3/h制氧机。

1920年，德国海兰特发明了可生产液氧的高压带膨胀机的高压流程。

1924年，法兰克尔建议在大型空分设备是采用金属填料的蓄冷器代替一般的热交换器。

1926年，法兰克尔提出普通形式蓄冷器。

1930年，林德公司制成第一台工业规模的林德--法兰克尔装置，产量为255m3/h，纯度为99.5%O2 。

1932年，透平膨胀机第一次应用于林德--法兰克尔装置上。德国第一次在冶金和合成氨工业中用氧。

1939年，苏联创造了高效率的透平膨胀机，并开始研究全低压空分设备。

1947年，林德公司致力于全底压工业氧制造设备。苏联开始设计全低压流程的大型工业氧装置。

1949年，美国第一次在29000m3/h制氧机上应用板翘式换热器。

1952年，奥地利首先使用纯氧顶吹转炉炼钢，促使冶金用氧剧增。

1955年，美国大力发展导弹，消耗大量液氧作为助燃剂。

1957年，第一台自动操作的120吨/天制氧机制成。

1960年，日本完成了10000m3/h99.6%O2和10000m3/h99.99%N2的双高纯度的大型全低压设备。

1972年，法国制成世界上最大容量的纯氧空分设备：1700吨/天O2和1500吨/天N2 。

目前正在研究更大型的机组。

1-2 变压吸附制样的发展历史

变压吸附分离技术被发明以来，广泛地应用于气体混合物的分离精制。

首先，1958 年，Skarstorm 申请专利并应用此技术分离空气。同时，Gerin de Montgareuil 和Domine 也在法国申请专利。两者的差别是，Skarstorm 循环在床层吸附饱和后，用部分低压的轻产品组分冲洗解吸，而Gerin-Domine 循环采用抽真空的办法解吸。

1960 年大型变压吸附法空气分离的工业化装置建成。

1961 年用变压吸附分离工艺从石脑油中回收高纯度的正构烷溶剂，并命名为Isosiv 过程，1964年完善了从煤油馏分中回收正构烷烃的工艺。

1966 年利用变压吸附技术提氢的四塔流程装置建成，20 世纪70 年代后采用四塔以上的多塔操作，并向大规模、大型化发展。

1970 年又建成分离和回收氧的工业化装置，用于环保工业污水处理生化的需要。同时被广泛用于从石脑油中提取正构烷烃，再经异构化，将异构化产物加入汽油馏分中，以提高其辛烷的Hysomer过程。

1975 年试制成医用富氧浓缩器，1976 年开发了用碳分子筛变压吸附制氮的工艺并工业化，随后采用5A沸石分子筛抽真空制氮工艺。到1983年德国推出性能优良的制氮用碳分子筛。到1979年为止，约有一半的空气干燥器采用Skarstrom 的变压吸附工艺。变压吸附用于空气或工业气体的干燥比变温吸附更为有效。1980年开发了快速变压吸附工艺（又称为参数泵变压吸附）。

从20 世纪90年代起，由于电能紧张，变压吸附制氧又在炼钢等领域占有了一席之地。

1-2-1 我国对变压吸附制氧技术的研究

我国对变压吸附制氧技术的开发起步较早，从1966年开始研究沸石分子筛分离空气制氧技术；20世纪70年代PSA分离空气制氧在钢铁、冶炼和玻璃窑等工业领域已经得到了广泛的应用。20多年来，由于技术力量分散，相互之间缺少联络，我国的变压吸附制氧技术发展缓慢，同国外的差距越来越大。20世纪70年代是我国PSA分离空气制氧技术发展的鼎盛时期，全国有十几个单位相继开展了变压吸附制氧技术的实验研究，建立了数套工业试验设备。这个时期开发的变压吸附制氧设备的共同点有以下几个方面：

（1）大多采用高于大气压吸附、常压解吸流程，吸附塔有两个到四个；

（2）空气进入吸附塔前，经过脱水预处理；

（3）设备可靠性差，不能连续稳定运行，导致大部分设备报废；

（4）技术、经济指标落后。

20世纪80年代，原来从事变压吸附制氧装备研制单位的开发项目相继中止，我国变压吸附制氧技术的开发再次进入低谷。

1995年，在河南洛阳钢铁厂建成VSAO 1000Nm3/h制氧机，标志着变压吸附在我国正式进入工业领域，也标志着变压吸附在我国进入高速发展时期。

一九九四年，洛钢有关领导考虑到本厂现有深冷制氧机不能满足炼钢厂要求，且故障率较高的弊端，同时了解到变压吸附制氧机具有启动快、操作方便、维护量少等优点，对此新型制氧机颇为注重。当时在国内并无样版工程。为开拓国内市场，我司邀请洛钢有关技术人员分别考察了CATHAY PACIFIC SKK STEEL、JAKARTA PRlMA 等海外钢厂所用我司之变压吸附设备。考察团回国后便决定上一台1000Nm3/Hr变压吸附制氧设备。该设备于一九九五年五月份一次试车成功，所测各项指标均达到设计要求。

此项目是我国工业领域所用的第一台变压吸附制氧设备。

20世纪90年代是我国变压吸附制氧技术突飞猛进向前发展的时期，变压吸附制氧技术逐渐成熟，有些产品的综合技术经济指标已经接近国外先进水平。多年的实践表明，我国变压吸附制氧技术已经走出实验室步入实用化阶段。在近十年内，通过不断地技术更新和研究开发，我国变压吸附制氧技术日新月异，发展迅速，与世界先进水平之间的差距正在不断缩小。但从整体水平上看，我国在很多方面与国际先进水平仍有一定的差距。如在新型高性能的吸附剂的研究，吸附流程的改进，理论分析研究和数学模型的建立，质量监控与自动化控制等许多方面。

进入21世纪后，北大先锋成功开发的高效的制氧吸附剂PU-8，并且解决了工业化工作中吸附器的高效分布器问题以后，目前我过变压吸附制氧规模可达单套20000Nm3/H，能够满足大多数工业用氧需求。

所有医疗用制氧设备采用的都是世界先进的PSA（变压吸附）空气分离制氧技术，它是基于吸引剂（沸石分子筛）对空气中氧、氮吸附能力的差异来实现氧、氮的分离。当空气进入装有吸附剂的床层时，氮气吸附能力较强被吸附，而氧气不被吸附，这样可以在吸附床出口端获得高浓度的氧气。由于吸附剂具有其吸附量随压力变化的特性，改变其压力，可使吸附交替进行吸附与解吸操作。

不管哪种用途的制氧设备，采用的都是物理制氧方式，通过隔离空气的分离出氧气。

工业制氧设备的原理是利用空气分离技术，首先将空气以高密度压缩再利用空气中各成分的冷凝点的不同使之在一定的温度下进行气液脱离，再进一步精馏而得．工业上的用氧一般是通过此物理方法得到的。 制氧机又叫空气分离设备。 按产品数量不同，可分为800m3/h以下小型设备；1000—6000m3/h中型设备；10000m3/h以上大型设备。 所谓的800m3/h ，1000—6000m3/h 表示制氧设备从空分塔的每小时产量。

中国制氧设备大体由空压机.预冷装置，纯化装置，空分塔等组成。

家用制氧设备工作原理：利用分子筛物理吸附和解吸技术.制氧机内装填分子筛，在加压时可将空气中氮气吸附，剩余的未被吸收的氧气被收集起来，经过净化处理后即成为高纯度的氧气。分子筛在减压时将所吸附的氮气排放回环境空气中，在下一次加压时又可以吸附氮气并制取氧气，整个过程为周期性地动态循环过程，分子筛并不消耗。