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變壓吸附制氧技術(shù)原理

空氣中的主要組份是氮和氧，因此可選擇對(duì)氮和氧具有不同吸附選擇性的吸附劑，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓に囘^程，使氮和氧分離制得氧氣。

氮和氧都具有四極矩，但氮的四極矩（0.31?）比氧的（0.10 ?）大得多，因此氮?dú)庠诜惺肿雍Y上的吸附能力比氧氣強(qiáng)（氮與分子篩表面離子的作用力強(qiáng)，如圖1所示）。因此，當(dāng)空氣在加壓狀態(tài)下通過裝有沸石分子篩吸附劑的吸附床時(shí)，氮?dú)獗环肿雍Y吸附，氧氣因吸附較少，在氣相中得到富集并流出吸附床，使氧氣和氮?dú)夥蛛x獲得氧氣。當(dāng)分子篩吸附氮?dú)庵两咏柡秃?，停止通空氣并降低吸附床的壓力，分子篩吸附的氮?dú)饪梢越馕鰜恚肿雍Y得到再生并重復(fù)利用。兩個(gè)以上的吸附床輪流切換工作，便可連續(xù)生產(chǎn)出氧氣。

氬氣和氧氣的沸點(diǎn)接近，兩者很難分離，一起在氣相得到富集。因此變壓吸附制氧裝置通常只能獲得濃度為90%~95%的氧氣（氧的極限濃度為95.6%，其余為氬氣），與深冷空分裝置的濃度99.5%以上的氧氣相比，又稱富氧。

從上述原理可知，變壓吸附空分制氧裝置的吸附床必須至少包含兩個(gè)操作步驟：吸附（較高壓力下）和解吸（較低壓力下），周期性地重復(fù)操作。因此，當(dāng)只有一個(gè)吸附床時(shí)，產(chǎn)品氧氣的獲得是間斷的。為了連續(xù)獲得產(chǎn)品氣，在制氧裝置中通常都設(shè)置兩個(gè)以上的吸附床，并且從節(jié)能降耗和操作平穩(wěn)的角度出發(fā)，另外設(shè)置一些必要的輔助步驟，如均壓、氧氣沖洗等。

真空變壓吸附（VPSA）空分制氧技術(shù)發(fā)展至今已有30多年的歷史，其間國(guó)內(nèi)外眾多研究單位投入了大量的人力和物力，尤其是以北大先鋒為代表的專研變壓吸附氣體分離技術(shù)的專業(yè)企業(yè)，積極進(jìn)行研究開發(fā)和應(yīng)用實(shí)踐，工藝流程的創(chuàng)新和新型吸附劑的開發(fā)應(yīng)用層出不窮，使這項(xiàng)技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和越來越廣泛的認(rèn)可，制氧裝置性能指標(biāo)不斷提高、產(chǎn)氧規(guī)模越來越大，成為一項(xiàng)在大多數(shù)中小規(guī)模用氧場(chǎng)合可以替代傳統(tǒng)的深冷分離空分制氧技術(shù)的成熟技術(shù)。

變壓吸附制氧技術(shù)進(jìn)展

　　變壓吸附制氧技術(shù)開發(fā)始于20世紀(jì)60年代，20世紀(jì)80年代初美國(guó)和日本相繼實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。近幾年，隨著永磁電動(dòng)機(jī)的開發(fā)及制氧工藝的優(yōu)化，國(guó)外變壓吸附制氧電耗已降到0.3kW·h/m3以下，雙塔制氧最大規(guī)模突破6000Nm3/h以上，變壓吸附制氧成本得到進(jìn)一步降低，制氧規(guī)模逐年增大。

　　我國(guó)從20世紀(jì)80年代末期開始研究變壓吸附制氧技術(shù)，直到20世紀(jì)90年代初才有了小型工業(yè)化裝置。2000年初，以北京北大先鋒科技有限公司為代表的高效鋰基吸附劑生產(chǎn)及采用鋰基吸附劑的變壓吸附制氧工藝的工業(yè)化，使國(guó)內(nèi)變壓吸附制氧技術(shù)有了快速的進(jìn)步及廣泛的推廣。目前，北大先鋒建設(shè)的變壓吸附兩塔裝置規(guī)模已達(dá)到6000Nm3/h，純氧電耗也接近0.3kW·h/m3。

　　隨著變壓吸附制氧技術(shù)一些關(guān)鍵性問題，如高效鋰基吸附劑穩(wěn)定生產(chǎn)、徑向床吸附器的研發(fā)、可靠的高頻率以及大口徑蝶閥開發(fā)等得以解決，國(guó)內(nèi)變壓吸附制氧技術(shù)的產(chǎn)氧規(guī)模逐年增大，氧氣電耗逐漸降低，裝置的可靠性穩(wěn)步提升。裝置規(guī)格也從最初的單套兩塔制氧裝置規(guī)模不足1000Nm3/h發(fā)展到了如今的6000Nm3/h，多塔并聯(lián)后規(guī)模達(dá)到30000Nm3/h以上，單位制氧電耗降低到0.32 kW·h/m3以下，制氧裝置的年開工率達(dá)到98%以上。鼓風(fēng)機(jī)的噪聲已達(dá)到85dB以下的要求（通過消聲處理、廠房外1m噪聲可以達(dá)到70dB以下），分子篩壽命更是延長(zhǎng)到了5年以上，讓用戶對(duì)國(guó)產(chǎn)變壓吸附制氧設(shè)備有了嶄新的認(rèn)識(shí)，擴(kuò)大了變壓吸附制氧設(shè)備的應(yīng)用。僅2018年一年，國(guó)內(nèi)規(guī)模超過1000Nm3/h以上變壓吸附制氧裝置建設(shè)就超過70套。

　　國(guó)內(nèi)如北大先鋒等企業(yè)通過不斷努力，改變了變壓吸附制氧分子篩依賴進(jìn)口的局面，同時(shí)在鋰分子篩等產(chǎn)品領(lǐng)域取得了突破，并實(shí)現(xiàn)新型分子篩產(chǎn)品的工業(yè)化應(yīng)用。隨著變壓吸附制氧技術(shù)的發(fā)展與完善，相比深冷制氧技術(shù)，變壓吸附制氧技術(shù)逐漸形成許多優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步推動(dòng)了該技術(shù)在國(guó)內(nèi)眾多行業(yè)的應(yīng)用。

變壓吸附制氧技術(shù)的發(fā)展展望

　　變壓吸附制氧技術(shù)作為近20年快速發(fā)展的制氧新技術(shù)，隨著其技術(shù)不斷的進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，逐漸得到眾多用氧企業(yè)的認(rèn)可。以降低制氧能耗為目的，開發(fā)新型吸附材料以及嘗試與膜分離或深冷工藝進(jìn)行耦合，通過優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，拓展更大的應(yīng)用領(lǐng)域，是未來變壓吸附制氧技術(shù)的重要研發(fā)方向。例如變壓吸附制氧技術(shù)與膜分離技術(shù)耦合可以獲得純度大于99%的氧氣，在偏遠(yuǎn)地區(qū)或一些需要移動(dòng)式裝備的工況下可以替代低溫空分制氧。國(guó)內(nèi)變壓吸附制氧生產(chǎn)企業(yè)如北大先鋒都十分注重研發(fā)工作，希望通過不斷加大投入爭(zhēng)取在未來的發(fā)展中搶占先機(jī)。隨著變壓吸附制氧技術(shù)日趨完善，變壓吸附制氧技術(shù)必將具備多種優(yōu)勢(shì)和巨大的潛力，將擁有更廣闊的應(yīng)用前景。