PSA制氧过程产品气流量对其氧气体积分数的影响

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering PSA制氧过程产品气流量对其氧气体积分数的影响 刘应书张全立刘文海李子宜杨雄曹曦光付耀国李烨 Influence of product flow rate on O,volume fraction in PSA oxygen generation process LIU Ying-shu,ZHANG Quan-li.LIU Wen-hai,LI Zi-yi,YANG Xiong.CAO Xi-guang.FU Yao-guo.LI Ye 引用本文： 刘应书，张全立，刘文海，李子宜，杨雄，曹曦光，付耀国，李烨.PSA制氧过程产品气流量对其氧气体积分数的影响).工程 科学学报，2020.4211：1507-1515.doi:10.13374.issn2095-9389.2019.11.11.002 LIU Ying-shu,ZHANG Quan-li,LIU Wen-hai,LI Zi-yi,YANG Xiong,CAO Xi-guang,FU Yao-guo,LI Ye.Influence of product flow rate on 0,volume fraction in PSA oxygen generation process[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(11):1507-1515.doi: 10.13374/.issn2095-9389.2019.11.11.002 在线阅读View online:https::/ldoi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.11.11.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 变压吸附空分用椰壳基炭分子筛的制备 Preparation of coconut shell-based carbon molecular sieves for air separation by pressure swing adsorption 工程科学学报.2017,393443 https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2017.03.017 高炉休风时供氧管网压力对氧气调度的影响 Effects of oxygen pipe-network pressure on the oxygen scheduling during blast furnace blow-down 工程科学学报.2017,392：283htps:/doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2017.02.017 π型向心径向流吸附器气固两相模型传热传质特性 Heat and mass transfer characteristics of the gassolid two-phase model in a T-shaped centripetal radial flow adsorber 工程科学学报.2019,41(11)：1473 https:/1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.03.26.001 RH精炼过程中吹氧量对F钢洁净度的影响 Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel 工程科学学报.2020,42(7)：846htps:/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.07.19.002 难溶气体对水润滑轴承特性影响分析 Influence of undissolved gas on the characteristics of high-speed water-lubricated bearings 工程科学学报.2017,3911：1709htps:doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.11.014 分级气体成分对燃气辐射管热过程影响的数值模拟及研究 Numerical simulation and research on the effect of the classification of gas composition on the heat process of gas radiation tubes 工程科学学报.2017,39196htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.01.013

PSA制氧过程产品气流量对其氧气体积分数的影响 刘应书 张全立 刘文海 李子宜 杨雄 曹曦光 付耀国 李烨 Influence of product flow rate on O2 volume fraction in PSA oxygen generation process LIU Ying-shu, ZHANG Quan-li, LIU Wen-hai, LI Zi-yi, YANG Xiong, CAO Xi-guang, FU Yao-guo, LI Ye 引用本文: 刘应书, 张全立, 刘文海, 李子宜, 杨雄, 曹曦光, 付耀国, 李烨. PSA制氧过程产品气流量对其氧气体积分数的影响[J]. 工程 科学学报, 2020, 42(11): 1507-1515. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.11.002 LIU Ying-shu, ZHANG Quan-li, LIU Wen-hai, LI Zi-yi, YANG Xiong, CAO Xi-guang, FU Yao-guo, LI Ye. Influence of product flow rate on O2 volume fraction in PSA oxygen generation process[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(11): 1507-1515. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.11.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.11.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 变压吸附空分用椰壳基炭分子筛的制备 Preparation of coconut shell-based carbon molecular sieves for air separation by pressure swing adsorption 工程科学学报. 2017, 39(3): 443 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.017 高炉休风时供氧管网压力对氧气调度的影响 Effects of oxygen pipe-network pressure on the oxygen scheduling during blast furnace blow-down 工程科学学报. 2017, 39(2): 283 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.017 π型向心径向流吸附器气固两相模型传热传质特性 Heat and mass transfer characteristics of the gassolid two-phase model in a π-shaped centripetal radial flow adsorber 工程科学学报. 2019, 41(11): 1473 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.26.001 RH精炼过程中吹氧量对IF钢洁净度的影响 Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel 工程科学学报. 2020, 42(7): 846 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.19.002 难溶气体对水润滑轴承特性影响分析 Influence of undissolved gas on the characteristics of high-speed water-lubricated bearings 工程科学学报. 2017, 39(11): 1709 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.014 分级气体成分对燃气辐射管热过程影响的数值模拟及研究 Numerical simulation and research on the effect of the classification of gas composition on the heat process of gas radiation tubes 工程科学学报. 2017, 39(1): 96 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.013

工程科学学报.第42卷，第11期：1507-1515.2020年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.11:1507-1515,November 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.11.002;http://cje.ustb.edu.cn PSA制氧过程产品气流量对其氧气体积分数的影响 刘应书，张全立，刘文海，李子宜区，杨雄，曹曦光，付耀国，李烨 北京科技大学能源与环境工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:yili@ustb.edu.cn 摘要为了提高小型两床变压吸附(PSA)制氧机在变产品气流量下的氧气体积分数，建立了改进的Skarstrom两床循环 PSA制氧实验装置，研究了产品气流量对其氧气体积分数的影响.研究结果表明，在低产品气流量运行条件下，通过提高清 洗气总氧量与原料气总氧量之比(PF)以及降低最高吸附压力与最低解吸压力之比()可消除氧气返混的不利影响：在高产 品气流量运行条件下，通过提高PF和0可以提高实验装置中分子筛的工作能力，进而提高产品气中的氧气体积分数.在此 基础上，对低和高产品气流量运行条件下的PF和0进行了调节，分别将产品气流量为3.55Lmin和19.88Lmin时的氧气 体积分数从92.4%增加至了95.7%和从74.0%增加至了74.9%.本文的研究结果可为变产品气流量下PSA制氧工艺参数优 化提供参考 关键词变压吸附(PSA):产品气流量：氧气返混：参数调节：氧气体积分数 分类号0647.3 Influence of product flow rate on O2 volume fraction in PSA oxygen generation process LIU Ying-shu.ZHANG Quan-li,LIU Wen-hai,LI Zi-y,YANG Xiong,CAO Xi-guang.FU Yao-guo,LI Ye School of Energy and Environmental Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China Corresponding author,E-mail:ziyili@ustb.edu.cn ABSTRACT In recent decades,the small-scale pressure swing adsorption(PSA)oxygen generator has been widely used in the fields of home medical and hospital oxygen supply,anoxic environments,and plateau environments due to its cost effectiveness,operational flexibility,and adequate O2 volume fraction.The flexible optimization of PSA oxygen generation in response to changes in product demand is an important factor in its practical performance.To study the influence of a variable product flow rate on O2 volume fraction in the small-scale PSA oxygen generator,experimental equipment was set up,which consisted of a modified Skarstrom-cycle two-bed PSA system.The research results show that variations in the parameters at the lower product flow rate (s10.37 L'min)may have a negative effect on oxygen countercurrent mixing,which can impair oxygen generation,and at higher product flow rates (13.57 Lmin)may cause the negative effect of nitrogen breakthrough,which decreases the working capacity of the adsorbents in the bed.The O2 volume fraction at the lower product flow rate was improved by increasing the ratio of total oxygen in the purge gas to the total oxygen in the feed gas(P/F)and by decreasing the ratio of the highest adsorption pressure to the lowest desorption pressure() during a cycle to suppress oxygen countercurrent mixing.The O2 volume fraction at the higher product flow rate was improved by increasing the P/F and values to improve the working capacity of the adsorbents in the bed.Accordingly,adjustments are made in the P/F and values at the lower and higher product flow rates to achieve optimal oxygen generation performances,enhancing the O2 volume fraction from 92.4%and 74.0%to 95.7%and 74.9%at the respective product flow rates of 3.55 L-min and 19.88 Lmin This work is meaningful for the optimization of the parameters of the PSA oxygen production process at variable product flow rates. 收稿日期：2019-11-11 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2017YFC0806304)

PSA 制氧过程产品气流量对其氧气体积分数的影响 刘应书，张全立，刘文海，李子宜苣，杨    雄，曹曦光，付耀国，李    烨 北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083 苣通信作者，E-mail：ziyili@ustb.edu.cn 摘    要    为了提高小型两床变压吸附（PSA）制氧机在变产品气流量下的氧气体积分数，建立了改进的 Skarstrom 两床循环 PSA 制氧实验装置，研究了产品气流量对其氧气体积分数的影响. 研究结果表明，在低产品气流量运行条件下，通过提高清 洗气总氧量与原料气总氧量之比（P/F）以及降低最高吸附压力与最低解吸压力之比（θ）可消除氧气返混的不利影响；在高产 品气流量运行条件下，通过提高 P/F 和 θ 可以提高实验装置中分子筛的工作能力，进而提高产品气中的氧气体积分数. 在此 基础上，对低和高产品气流量运行条件下的 P/F 和 θ 进行了调节，分别将产品气流量为 3.55 L·min−1 和 19.88 L·min−1 时的氧气 体积分数从 92.4% 增加至了 95.7% 和从 74.0% 增加至了 74.9%. 本文的研究结果可为变产品气流量下 PSA 制氧工艺参数优 化提供参考. 关键词    变压吸附（PSA）；产品气流量；氧气返混；参数调节；氧气体积分数 分类号    O647.3 Influence of product flow rate on O2 volume fraction in PSA oxygen generation process LIU Ying-shu，ZHANG Quan-li，LIU Wen-hai，LI Zi-yi苣 ，YANG Xiong，CAO Xi-guang，FU Yao-guo，LI Ye School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: ziyili@ustb.edu.cn ABSTRACT    In recent decades, the small-scale pressure swing adsorption (PSA) oxygen generator has been widely used in the fields of home medical and hospital oxygen supply, anoxic environments, and plateau environments due to its cost effectiveness, operational flexibility,  and  adequate  O2 volume  fraction.  The  flexible  optimization  of  PSA  oxygen  generation  in  response  to  changes  in  product demand is an important factor in its practical performance. To study the influence of a variable product flow rate on O2 volume fraction in the small-scale PSA oxygen generator, experimental equipment was set up, which consisted of a modified Skarstrom-cycle two-bed PSA  system.  The  research  results  show  that  variations  in  the  parameters  at  the  lower  product  flow  rate  (≤10.37  L·min−1)  may  have a  negative  effect  on  oxygen  countercurrent  mixing,  which  can  impair  oxygen  generation,  and  at  higher  product  flow  rates (≥13.57 L·min−1) may cause the negative effect of nitrogen breakthrough, which decreases the working capacity of the adsorbents in the bed. The O2 volume fraction at the lower product flow rate was improved by increasing the ratio of total oxygen in the purge gas to the total oxygen in the feed gas (P/F) and by decreasing the ratio of the highest adsorption pressure to the lowest desorption pressure (θ) during  a  cycle  to  suppress  oxygen  countercurrent  mixing.  The  O2 volume  fraction  at  the  higher  product  flow  rate  was  improved  by increasing the P/F and θ values to improve the working capacity of the adsorbents in the bed. Accordingly, adjustments are made in the P/F and θ values  at  the  lower  and  higher  product  flow  rates  to  achieve  optimal  oxygen  generation  performances,  enhancing  the  O2 volume fraction from 92.4% and 74.0% to 95.7% and 74.9% at the respective product flow rates of 3.55 L·min−1 and 19.88 L·min−1. This work is meaningful for the optimization of the parameters of the PSA oxygen production process at variable product flow rates. 收稿日期: 2019−11−11 基金项目: 国家重点研发计划资助项目 (2017YFC0806304) 工程科学学报，第 42 卷，第 11 期：1507−1515，2020 年 11 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 11: 1507−1515, November 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.11.002; http://cje.ustb.edu.cn

·1508 工程科学学报，第42卷，第11期 KEY WORDS pressure swing adsorption(PSA);product flow rate;oxygen countercurrent mixing;parameter adjustment;O2 volume fraction 小型变压吸附(PSA)制氧机已广泛地应用于 见图1.压缩机对过滤后的空气进行增压后通过 家庭医用保健用氧、医院集中供氧、高原缺氧环 PLC控制的电磁阀门交替送入床层1(B1)和床层 境补氧及室内弥散供氧等领域-习由于实际使用 2(B2),富含氧气的产物（轻组分）从吸附床中分离 条件的变化，制氧机的产品气流量也需要随时间 出进入储氧罐，吸附在制氧分子筛中的重组分氮 发生改变B.产品气流量的变化往往会造成其氧 气被解吸后直接释放到大气中.实验装置中所设 气体积分数的变化，影响正常使用.因此，研究产 置的针阀K1、K2、K3和K4,可分别对原料气流 品气中氧气体积分数随产品气流量的变化关系， 量、吸附压力（通过调节均压气流量）、清洗流量 对于PSA制氧机的工艺参数优化和实际应用具有 和产品气流量进行灵活的调节.其中，K1设置在 重要的意义 缓冲罐的顶端，原料气流量随着K1开度的减小而 关于产品气中氧气体积分数随产品气流量变化 增加，当K1完全关闭时，原料气流量达到最大值； 关系的研究，前人得出了不同的实验结果.王浩宇 K2设置在均压管道上，通过控制均压气量进而对 和Mendes等分别通过数值模拟和实验得出氧气体 吸附压力进行调节，即均压气量随着K2开度的增 积分数随产品气流量增加而降低的变化关系6列， 加而增加，进而提升了吸附压力；K3设置在清洗 吕爱会和Farooq等分别通过实验和模拟得出氧气 管路上，清洗气流量随着K3开度的增加而增加； 体积分数随着产品气流量的增加先保持不变而后 K4设置在产品气管路上，即产品气流量随K4开 逐渐降低的结论I8-,翟晖和Bhat等通过实验得到 度的增加而增加.实验装置的床层尺寸、相关管 了氧气体积分数随产品气流量的增加先上升后降 道尺寸如表1所示，主管道的直径较大是为了达 低的结果0山关于产品气中氧气体积分数随产 到迅速增压和减压的目的，均压管道和清洗管道 品气流量增加而降低的原因，前人也有着不同的看 直径较小，是为了方便的对均压气量和清洗气量 法，章新波和Low等认为这与气体通过床层的流速 进行更为精确的调节和控制，床层中装填的吸附 加快进而导致分子筛对氨气吸附量降低有关2-1， 翟晖等推测这是由吸附压力随产品气流量的增加而 13 叉712E8 降低所导致的lo,Bhat和Mofarahi等推测这与清 种2 O,F3 9 K2火2 洗气流量降低从而导致床层再生效果下降有关，， C3- K414 吕爱会等认为这与其他工艺参数随产品气流量的 变化有关⑧由此可见，产品气中氧气体积分数 随产品气流量的变化关系还需进一步的明确与完 善，产品气流量的改变引起其氧气体积分数变化 的原因也有待进一步的探讨 本文基于改进的Skarstrom两床循环PSA制 /a 氧工艺建立制氧实验装置，对产品气中氧气体积 16 分数随产品气流量的变化关系进行实验研究.根 据试验结果，分析变产品气流量对氧气体积分数 Air 的影响：探讨变产品气流量下提高产品气中氧气 体积分数的相关工艺参数的调节方法.本文研究 1-Filter;2-Air compressor;3-Heat exchanger;4-Buffer tank; 结果将为变产品气流量下变压吸附制氧工艺优化 5-Needle valves(K1-K4);6-Relief valve;7-Mass flowmeters (F1 及其实际应用操作提供技术依据 F2,F3);8-Solenoid valves (E1-E8);9-Adsorption beds(B1,B2); 10-Pressure transducers(P1,P2);11-02 concentration detection ports 1 实验与方法 (C1,C2.C3),12-Check valve;13-O2 storage tank;14-Pressure maintaining valve;15-PLC:16-Computer 11实验装置 图1实验装置原理图 基于Skarstrom两床循环PSA制氧实验装置 Fig.1 Schematic of pressure swing adsorption(PSA)experimental setup

KEY WORDS    pressure swing adsorption (PSA)；product flow rate；oxygen countercurrent mixing；parameter adjustment；O2 volume fraction 小型变压吸附（PSA）制氧机已广泛地应用于 家庭医用保健用氧、医院集中供氧、高原缺氧环 境补氧及室内弥散供氧等领域[1−2] . 由于实际使用 条件的变化，制氧机的产品气流量也需要随时间 发生改变[3−4] . 产品气流量的变化往往会造成其氧 气体积分数的变化，影响正常使用. 因此，研究产 品气中氧气体积分数随产品气流量的变化关系， 对于 PSA 制氧机的工艺参数优化和实际应用具有 重要的意义[5] . 关于产品气中氧气体积分数随产品气流量变化 关系的研究，前人得出了不同的实验结果. 王浩宇 和 Mendes 等分别通过数值模拟和实验得出氧气体 积分数随产品气流量增加而降低的变化关系[6−7] ； 吕爱会和 Farooq 等分别通过实验和模拟得出氧气 体积分数随着产品气流量的增加先保持不变而后 逐渐降低的结论[8−9] ；翟晖和 Bhat 等通过实验得到 了氧气体积分数随产品气流量的增加先上升后降 低的结果[10−11] . 关于产品气中氧气体积分数随产 品气流量增加而降低的原因，前人也有着不同的看 法，章新波和 Liow 等认为这与气体通过床层的流速 加快进而导致分子筛对氮气吸附量降低有关[12−13] ； 翟晖等推测这是由吸附压力随产品气流量的增加而 降低所导致的[10] ；Bhat 和 Mofarahi 等推测这与清 洗气流量降低从而导致床层再生效果下降有关[11, 14] ； 吕爱会等认为这与其他工艺参数随产品气流量的 变化有关[8, 15] . 由此可见，产品气中氧气体积分数 随产品气流量的变化关系还需进一步的明确与完 善，产品气流量的改变引起其氧气体积分数变化 的原因也有待进一步的探讨. 本文基于改进的 Skarstrom 两床循环 PSA 制 氧工艺建立制氧实验装置，对产品气中氧气体积 分数随产品气流量的变化关系进行实验研究. 根 据试验结果，分析变产品气流量对氧气体积分数 的影响；探讨变产品气流量下提高产品气中氧气 体积分数的相关工艺参数的调节方法. 本文研究 结果将为变产品气流量下变压吸附制氧工艺优化 及其实际应用操作提供技术依据. 1    实验与方法 1.1    实验装置 基于 Skarstrom 两床循环 PSA 制氧实验装置 见图 1. 压缩机对过滤后的空气进行增压后通过 PLC 控制的电磁阀门交替送入床层 1（B1）和床层 2（B2），富含氧气的产物（轻组分）从吸附床中分离 出进入储氧罐，吸附在制氧分子筛中的重组分氮 气被解吸后直接释放到大气中. 实验装置中所设 置的针阀 K1、K2、K3 和 K4，可分别对原料气流 量、吸附压力（通过调节均压气流量）、清洗流量 和产品气流量进行灵活的调节. 其中，K1 设置在 缓冲罐的顶端，原料气流量随着 K1 开度的减小而 增加，当 K1 完全关闭时，原料气流量达到最大值； K2 设置在均压管道上，通过控制均压气量进而对 吸附压力进行调节，即均压气量随着 K2 开度的增 加而增加，进而提升了吸附压力；K3 设置在清洗 管路上，清洗气流量随着 K3 开度的增加而增加； K4 设置在产品气管路上，即产品气流量随 K4 开 度的增加而增加. 实验装置的床层尺寸、相关管 道尺寸如表 1 所示，主管道的直径较大是为了达 到迅速增压和减压的目的，均压管道和清洗管道 直径较小，是为了方便的对均压气量和清洗气量 进行更为精确的调节和控制. 床层中装填的吸附 1 Air K1 2 K2 3 K3 4 K4 O2 F3 5 6 7 8 E1 E2 F1 E3 9 10 11 E7 12 E8 E6 E5 F2 13 14 15 16 C3 C1 B1 B2 E4 P1 P2 C2 1—Filter; 2—Air compressor; 3—Heat exchanger; 4—Buffer tank; 5—Needle valves (K1−K4); 6—Relief valve; 7—Mass flowmeters (F1, F2, F3); 8—Solenoid valves (E1−E8); 9—Adsorption beds (B1, B2); 10—Pressure transducers (P1, P2); 11—O2 concentration detection ports (C1, C2, C3); 12—Check valve; 13—O2 storage tank; 14—Pressure maintaining valve; 15—PLC；16—Computer 图 1    实验装置原理图 Fig.1    Schematic of pressure swing adsorption (PSA) experimental setup · 1508 · 工程科学学报，第 42 卷，第 11 期

刘应书等：PSA制氧过程产品气流量对其氧气体积分数的影响 ·1509 剂参数如表2所示，底层采用活性氧化铝（型号： JAA-1;生产厂家：洛阳建龙微纳新材料股份有限 K2 K3 公司)去除空气中的水分，上层采用制氧分子筛（型 号：JLOX-101A:生产厂家：洛阳建龙微纳新材料股 B1 B2 BI B2 B1 B2 BI B2 份有限公司)吸附空气中的氨气，以获得高浓度氧 气6实验过程中采用质量流量计（单向，满量程 精度：≤1.5%)F1、F2、F3分别测量原料气流量、清 洗流量、产品气流量：采用压力传感器（精度： 0.2%)P1、P2测量床层压力：用氧气分析仪（精度：± Step I Step 2 Step 3 Step 4 0.3%)分别测定两床顶部(C1、C2)和产品气(C3) 的氧气体积分数，所有实验数据均在装置运行稳定 K3 状态下由相关仪器测量并上传计算机进行保存 B2 Bi B2 B1 B2 B2 表1床层及有关管道尺寸 Table 1 Adsorption bed and related pipe sizes Items Size/mm Diameter of adsorption bed 112.00 Column length of adsorption bed 620.00 Step 5 Step 6 Step 7 Step 8 Diameters of main pipe 19.05 图2改进的Skarstrom两床循环PSA工艺流程图 Fig.2 Schematic of the modified Skarstrom pressure swing adsorption Diameters of pressure equalization and purge pipe 12.70 cycle 表2吸附剂参数 Step 1:BI处于PPE与FP步骤中，B2处于 Table 2 Adsorbent quantities and properties DPE步骤中.此时E1和E5打开，富含氧气的均压 Items Size 气体以较高的压力从B2顶部通过E5流向B1.同 Mass of oxygen molecular sieve 2.70+0.01 kg(one bed) 时，缓冲罐内的空气通过E1流向BL,迅速增加了 Mass of activated alumina 0.76+0.01 kg(one bed) B1内的压力 Average diameter of oxygen molecular sieve -0.50mm Step2:BI和B2分别位于FP和BD步骤中 Average diameter of activated alumina ~4.00 mm 此时E1和E4打开，气源通过E1进入床层B1,直 Bulk density of oxygen molecular sieve 670.00kg.m3 到B1压力达到最佳吸附压力：此时B2进行逆流 Bulk density of activated alumina 700.00kg.m3 排污. Step3:B1和B2分别位于AD和DP步骤中 1.2工艺流程 此时E1、E4、E7打开，缓冲罐内的空气继续流向 本研究基于传统的Skarstrom两床循环PSA B1,提高吸附压力，产品气通过E7流向储氧罐； 制氧工艺将均压步骤和进气升压步骤进行部分重 B2在低压下继续进行解吸. 叠，使床层压力快速达到最佳工作压力，提高氧气 Step4:B1处于AD与PG步骤中，B2处于 产量：同时，均压步骤为非完全均压步骤，即在两 PG步骤中.E1、E4、E6、E7打开，部分产品气通 床层压力达到平衡前便停止均压，这样可以避免 过E7流向储氧罐，其余部分通过E6对B2进行清 处于均压降步骤的床层中氮气大量的脱附，防止 洗，氨气在B2中进一步解吸，使床层获得更好的 氨气流向另一刚获得再生的床层而造成污染。改 再生 进的Skarstrom两床循环PSA制氧工艺由八步组 由于该工艺流程是循环进行的，B1中的步骤 成：均压升和进气升压(PPE&FP)、进气升压 将由B2重复，因此在Step5至Step8中，BI的 (FP)、高压吸附(AD)、高压吸附与吹扫(AD&PG)、 DPF、BD、DP、PG步骤分别对应B2的PPE与 均压降(DPE)、逆流排污(BD)、解吸(DP)、清洗 FP、FP、AD、AD与PG步骤.综上，Step 1至Step (PG).每一步骤的具体工艺流程和时间如图2和 4中，E1一直处于打开状态，即B1在不断的进气， 表3所示，所有实验均在相同的循环时间下进行. 因此B1一直处于吸附阶段；B2则处于脱附阶段

剂参数如表 2 所示，底层采用活性氧化铝（型号： JAA-1；生产厂家：洛阳建龙微纳新材料股份有限 公司）去除空气中的水分，上层采用制氧分子筛（型 号：JLOX-101A；生产厂家：洛阳建龙微纳新材料股 份有限公司）吸附空气中的氮气，以获得高浓度氧 气[16] . 实验过程中采用质量流量计（单向，满量程 精度：≤1.5%）F1、F2、F3 分别测量原料气流量、清 洗流量 、产品气流量 ；采用压力传感器 （精度 ： ±0.2%）P1、P2 测量床层压力；用氧气分析仪（精度：± 0.3%）分别测定两床顶部（C1、C2）和产品气（C3） 的氧气体积分数，所有实验数据均在装置运行稳定 状态下由相关仪器测量并上传计算机进行保存. 1.2    工艺流程 本研究基于传统的 Skarstrom 两床循环 PSA 制氧工艺将均压步骤和进气升压步骤进行部分重 叠，使床层压力快速达到最佳工作压力，提高氧气 产量；同时，均压步骤为非完全均压步骤，即在两 床层压力达到平衡前便停止均压，这样可以避免 处于均压降步骤的床层中氮气大量的脱附，防止 氮气流向另一刚获得再生的床层而造成污染. 改 进的 Skarstrom 两床循环 PSA 制氧工艺由八步组 成 ：均压升和进气升压 （ PPE&FP） 、进气升压 （FP）、高压吸附（AD）、高压吸附与吹扫（AD&PG）、 均压降（DPE）、逆流排污（BD）、解吸（DP）、清洗 （PG）. 每一步骤的具体工艺流程和时间如图 2 和 表 3 所示，所有实验均在相同的循环时间下进行. Step  1： B1 处 于 PPE 与 FP 步 骤 中 ， B2 处 于 DPE 步骤中. 此时 E1 和 E5 打开，富含氧气的均压 气体以较高的压力从 B2 顶部通过 E5 流向 B1. 同 时，缓冲罐内的空气通过 E1 流向 B1，迅速增加了 B1 内的压力. Step 2：B1 和 B2 分别位于 FP 和 BD 步骤中. 此时 E1 和 E4 打开，气源通过 E1 进入床层 B1，直 到 B1 压力达到最佳吸附压力；此时 B2 进行逆流 排污. Step 3：B1 和 B2 分别位于 AD 和 DP 步骤中. 此时 E1、E4、E7 打开，缓冲罐内的空气继续流向 B1，提高吸附压力，产品气通过 E7 流向储氧罐； B2 在低压下继续进行解吸. Step  4： B1 处 于 AD 与 PG 步 骤 中 ， B2 处 于 PG 步骤中. E1、E4、E6、E7 打开，部分产品气通 过 E7 流向储氧罐，其余部分通过 E6 对 B2 进行清 洗，氮气在 B2 中进一步解吸，使床层获得更好的 再生. 由于该工艺流程是循环进行的，B1 中的步骤 将 由 B2 重复 ，因此 在 Step  5 至 Step  8 中 ， B1 的 DPF、 BD、 DP、 PG 步 骤 分 别 对 应 B2 的 PPE 与 FP、FP、AD、AD 与 PG 步骤. 综上，Step 1 至 Step 4 中，E1 一直处于打开状态，即 B1 在不断的进气， 因此 B1 一直处于吸附阶段；B2 则处于脱附阶段 表 1    床层及有关管道尺寸 Table 1    Adsorption bed and related pipe sizes Items Size/mm Diameter of adsorption bed 112.00 Column length of adsorption bed 620.00 Diameters of main pipe 19.05 Diameters of pressure equalization and purge pipe 12.70 表 2    吸附剂参数 Table 2    Adsorbent quantities and properties Items Size Mass of oxygen molecular sieve 2.70±0.01 kg（one bed） Mass of activated alumina 0.76±0.01 kg（one bed） Average diameter of oxygen molecular sieve ～0.50 mm Average diameter of activated alumina ～4.00 mm Bulk density of oxygen molecular sieve 670.00 kg·m −3 Bulk density of activated alumina 700.00 kg·m −3 B1 B2 B1 B2 B1 B2 K2 K3 Step 2 Step 3 Step 4 Step 5 B1 B2 B1 B2 B1 B2 B1 B2 B1 B2 K2 K3 Step 6 Step 7 Step 8 Step 1 图 2    改进的 Skarstrom 两床循环 PSA 工艺流程图 Fig.2    Schematic of the modified Skarstrom pressure swing adsorption cycle 刘应书等： PSA 制氧过程产品气流量对其氧气体积分数的影响 · 1509 ·

1510 工程科学学报.第42卷，第11期 表3PSA工艺步骤 Table 3 PSA cycle design at each step Items Duration/s B1 B2 Items Duration/s B1 B2 Step 1 0.5 PPE&FP DPE Step5 05 DPE PPE&FP Step2 了 FP BD Step 6 5 BD FP Step3 7 AD DP Step7 7 DP AD Step4 AD&PG PG Step 8 5 PG AD&PG (DPF步骤为降压步骤，因此也属于脱附阶段)：同 稳定状态下产品气中氧气体积分数的计算公 理，Step5至Step8中，Bl处于脱附阶段，B2处于 式为 吸附阶段 ()p(dr 1.3实验方法 氧气体积分数= (1) p(rdr 为了研究和分析方便，本文选用单个床层在 式中：)是指产品气流量中氧气的体积分数随时 Step3中清洗气总氧量与Step1至Step4中原料气 间变化的函数；p)是产品气流量的体积分数随时 (空气)总氧量之比(PF)代表清洗强度，PF越大， 间变化的函数：τ为一循环周期的时间 清洗强度越大（有关步骤详见图2和表3）.实验 (2)产品气流量 过程中原料气流量一直保持最大值，即K1一直处 产品气流量是指实验装置在稳定状态下每分钟 于关闭状态，然后根据原料气流量、原料气中的氧 内所生产的平均产品气流量(Lmin),表达式为： 气体积分数（即空气中的氧气体积分数，为 20.9%)、清洗气中的氧气体积分数（即产品气中的 产品气流量=5p0地 (2) T 氧气体积分数)和目标参数PF计算得出所需的 清洗气流量，最后通过K3对清洗气流量进行调 2结果与讨论 节，以获得实验过程中所需的PF.同时选用单个 2.1产品气流量改变对其氧气体积分数和回收率 床层最高吸附压力与最低解吸压力（环境压力）之 的影响 比(0)代表压力变化范围，0越大，吸附压力越高 表4给出了A、B两组实验中工艺参数PF和 实验过程中最低解吸压力保持不变，然后根据目 0随产品气流量从3.55Lmin增加至19.88Lmin 标参数O计算出所需的最高吸附压力，最后通过 的变化范围.随着产品气流量的增加，实验A中 K2对均压气量进行调节进而实现吸附压力的调 的PF和0分别从1.33和3.29降为0.74和3.10： 节，以获得实验过程中所需的0. 实验B中的P/F和0分别从0.65和3.55降为0.49 实验研究过程中，首先通过工艺参数(PF和 和3.33.图3给出了实验A与B中产品气的氧气 )不同的两组实验(A和B)探究了产品气中氧气 体积分数和回收率随产品气流量的变化曲线.其 体积分数和回收率随产品气流量的变化关系，即 中，两组实验中回收率随产品气流量的增加都呈 在产品气流量为3.55Lmin时，通过调节K3和 现出不断上升的变化趋势，分别从11.2%增加至 K2将PF和0在实验A中分别设置为1.33和3.29， 40.5%和从11.1%增加至48.6%.实验A和B产品 在实验B中分别设置为0.65和3.55，实验过程中 气中的氧气体积分数随产品气流量的增加则呈现 仅通过调节K4将产品气流量从3.55Lmin增加 出了不同的变化规律，实验A产品气中的氧气体 至19.88Lmin'(K1一直处于关闭状态，K2、K3保 积分数从95.1%逐渐下降到59.8%；而实验B产品 持不变)，同时记录PF和0随产品气流量的变化 气中的氧气体积分数则是先从92.4%增加至 范围，并测量了床层顶部氧气体积分数随循环时 95.0%,然后又逐渐降至74.0%. 间的周期性变化曲线.然后，为了提高实验B中变 两组实验中回收率随产品气流量的增加呈现 产品气流量下的氧气体积分数，对实验B中的工 出逐渐上升的变化趋势与产品气总氧量随产品气 艺参数(PF和)进行了调节，进行了实验C.最后 流量的增加有关.实验A产品气中的氧气体积 将实验B和C的实验结果进行了对比分析. 分数随产品气流量的增加而降低的变化关系与大 1.4理论计算 多数前人所得实验结果一致6刀，这是因为随着产 (1)产品气中的氧气体积分数 品气流量的增加，气体通过床层的流速加快进而

（DPF 步骤为降压步骤，因此也属于脱附阶段）；同 理，Step 5 至 Step 8 中，B1 处于脱附阶段，B2 处于 吸附阶段. 1.3    实验方法 为了研究和分析方便，本文选用单个床层在 Step 3 中清洗气总氧量与 Step 1 至 Step 4 中原料气 （空气）总氧量之比（P/F）代表清洗强度，P/F 越大， 清洗强度越大[17] （有关步骤详见图 2 和表 3）. 实验 过程中原料气流量一直保持最大值，即 K1 一直处 于关闭状态，然后根据原料气流量、原料气中的氧 气 体 积 分 数 （ 即 空 气 中 的 氧 气 体 积 分 数 ， 为 20.9%）、清洗气中的氧气体积分数（即产品气中的 氧气体积分数）和目标参数 P/F 计算得出所需的 清洗气流量，最后通过 K3 对清洗气流量进行调 节，以获得实验过程中所需的 P/F. 同时选用单个 床层最高吸附压力与最低解吸压力（环境压力）之 比（θ）代表压力变化范围，θ 越大，吸附压力越高[18] . 实验过程中最低解吸压力保持不变，然后根据目 标参数 θ 计算出所需的最高吸附压力，最后通过 K2 对均压气量进行调节进而实现吸附压力的调 节，以获得实验过程中所需的 θ. 实验研究过程中，首先通过工艺参数（P/F 和 θ）不同的两组实验（A 和 B）探究了产品气中氧气 体积分数和回收率随产品气流量的变化关系，即 在产品气流量为 3.55 L·min−1 时，通过调节 K3 和 K2 将 P/F 和 θ 在实验 A 中分别设置为 1.33 和 3.29， 在实验 B 中分别设置为 0.65 和 3.55，实验过程中 仅通过调节 K4 将产品气流量从 3.55 L·min−1 增加 至 19.88 L·min−1（K1 一直处于关闭状态，K2、K3 保 持不变），同时记录 P/F 和 θ 随产品气流量的变化 范围，并测量了床层顶部氧气体积分数随循环时 间的周期性变化曲线. 然后，为了提高实验 B 中变 产品气流量下的氧气体积分数，对实验 B 中的工 艺参数（P/F 和 θ）进行了调节，进行了实验 C. 最后 将实验 B 和 C 的实验结果进行了对比分析. 1.4    理论计算 （1）产品气中的氧气体积分数. 稳定状态下产品气中氧气体积分数的计算公 式为: 氧气体积分数 = r τ 0 y(t)p(t)dt r τ 0 p(t)dt （1） 式中：y(t) 是指产品气流量中氧气的体积分数随时 间变化的函数；p(t) 是产品气流量的体积分数随时 间变化的函数；τ 为一循环周期的时间. （2）产品气流量. 产品气流量是指实验装置在稳定状态下每分钟 内所生产的平均产品气流量（L·min−1），表达式为: 产品气流量 = r τ 0 p(t)dt τ （2） 2    结果与讨论 2.1    产品气流量改变对其氧气体积分数和回收率 的影响 表 4 给出了 A、B 两组实验中工艺参数 P/F 和 θ 随产品气流量从 3.55 L·min−1 增加至 19.88 L·min−1 的变化范围. 随着产品气流量的增加，实验 A 中 的 P/F 和 θ 分 别 从 1.33 和 3.29 降 为 0.74 和 3.10； 实验 B 中的 P/F 和 θ 分别从 0.65 和 3.55 降为 0.49 和 3.33. 图 3 给出了实验 A 与 B 中产品气的氧气 体积分数和回收率随产品气流量的变化曲线. 其 中，两组实验中回收率随产品气流量的增加都呈 现出不断上升的变化趋势，分别从 11.2% 增加至 40.5% 和从 11.1% 增加至 48.6%. 实验 A 和 B 产品 气中的氧气体积分数随产品气流量的增加则呈现 出了不同的变化规律，实验 A 产品气中的氧气体 积分数从 95.1% 逐渐下降到 59.8%；而实验 B 产品 气 中 的 氧 气 体 积 分 数 则 是 先 从 92.4% 增 加 至 95.0%，然后又逐渐降至 74.0%. 两组实验中回收率随产品气流量的增加呈现 出逐渐上升的变化趋势与产品气总氧量随产品气 流量的增加有关[8] . 实验 A 产品气中的氧气体积 分数随产品气流量的增加而降低的变化关系与大 多数前人所得实验结果一致[6−7] ，这是因为随着产 品气流量的增加，气体通过床层的流速加快进而 表 3  PSA 工艺步骤 Table 3 PSA cycle design at each step Items Duration/s B1 B2 Items Duration/s B1 B2 Step 1 0.5 PPE&FP DPE Step 5 0.5 DPE PPE&FP Step 2 5 FP BD Step 6 5 BD FP Step 3 7 AD DP Step 7 7 DP AD Step 4 5 AD&PG PG Step 8 5 PG AD&PG · 1510 · 工程科学学报，第 42 卷，第 11 期