D01:10.133741.ism1001053x.2009.08.0I5 第31卷第8期 北京科技大学学报 Vol.31 No.8 2009年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ag2009 串联式吸附器变压吸附制氧 刘应书章新波张辉刘文海曹红程 北京科技大学机械工程学院气体分离工程研究所.北京100083 摘要对含有一种新型串联式吸附器的变压吸附制氧系统的性能进行实验研究，探讨了吸附时间、均压方式、产品气量及 吸附剂种类等工艺参数对这种新型变压吸附制氧系统的产品气纯度和回收率的影响.结果表明，吸附步骤存在一个最佳吸附 时间：随着产品气流量的增加，产品气纯度下降，而回收率升高：两端均压工艺可以很大程度上提高产品气纯度和回收率：在 本实验条件下，当产品气纯度92%时，回收率能达到32%. 关键词变压吸附：制氧：产品气纯度：产品气回收率 分类号TQ11614 PSA oxygen generating with tandem-type adsorbers LIU Y ing-shu.ZHANG Xin-bo.ZHANG Hui.LIU Werhai.CAO Hong-cheng Institute of Gas Separation Engineering.School of Mechanical Engineering.University of Science and Techmology Beijing Beijing 100083.Chim ABSTRACT The performance of a pressure swing adsorption (PSA)oxygen system with new tandem-type adsorbers was experi- mentally investigated.The effects of operating parameters,such as production duration,pressure equalization mode,product flow rate and adsorbents properties,on the product purity and recovery of the new PSA oxy gen system were analyzed.The experimental re- sult indicates that there is the best production duration in the feed step.The product recovery is better w hen the product flow rate in- creases,w hereas the product purity reduces.The pressure equalization step in the adsorber's tw orinlet can improve the product purity and recovery extensively.The produd recovery achieves 32%when the product purity is greater than 92%in the experiment. KEY WORDS pressure sw ing adsorption:oxy gen generation product purity:product recovery 变压吸附(pressure sw ing adsorption,PSA)空分 度降低.本文拟对这种新型的串联式吸附器的变压 制氧技术以其能耗低、投资少、规模灵活和自动化程 吸附制氧系统进行实验研究，分别采用两种型号的 度高等优点，在中小规模用氧、对氧浓度要求不高的 分子筛作为实验用吸附剂，探讨了切换时间、均压方 场合具有明显的优势，并逐步成为中小型空分制氧 式，产品气量及分子筛种类等工艺参数对微型串联 的主要方法.随着变压吸附技术的不断成熟，变压 式吸附器变压吸附制氧系统中氧气产品纯度和回收 吸附制氧在装置规模上正朝大型化、微型化及高纯 率的影响 度三个方向发展？.在微型化方面，微型变压吸 1实验 附制氧技术主要是用于医用保健制氧机，要求制氧 机具有体积小、重量轻、移动方便、噪声小和能耗低 1.1工艺流程 等特点到.微型变压吸附制氧机内部尺寸最长的元 本文将典型的两床Skarst rom4变压吸附制氧 件是吸附器，降低吸附器的长度可大大提高制氧机 循环中的单个吸附器分成两个高度更低的吸附器， 内部空间的有效利用率，从而减小制氧机的体积. 采用适当的气路连接方式，将两吸附器气路连通，以 若将两塔变压吸附制氧设备中的单个吸附器分成两 完成基本的两床循环工艺.典型的两床Skarstrom 个高度更低的吸附器，通过适当的气路连接方式，将 变压吸附循环包括升压、高压吸附、逆流卸压和反吹 两个吸附器的气路连通，可使单个吸附器的绝对高 四个步骤.然而，对于微型变压吸附制氧装置，一 收稿日期：200810-31 作者简介：刘应书(1960-），男，教授，博士生导师，E-maik ysliu@me.ust b.ed.m
串联式吸附器变压吸附制氧 刘应书 章新波 张 辉 刘文海 曹红程 北京科技大学机械工程学院气体分离工程研究所, 北京 100083 摘 要 对含有一种新型串联式吸附器的变压吸附制氧系统的性能进行实验研究, 探讨了吸附时间、均压方式、产品气量及 吸附剂种类等工艺参数对这种新型变压吸附制氧系统的产品气纯度和回收率的影响.结果表明, 吸附步骤存在一个最佳吸附 时间;随着产品气流量的增加, 产品气纯度下降, 而回收率升高;两端均压工艺可以很大程度上提高产品气纯度和回收率;在 本实验条件下, 当产品气纯度>92%时, 回收率能达到 32%. 关键词 变压吸附;制氧;产品气纯度;产品气回收率 分类号 TQ 116.14 PSA oxygen generating with tandem-type adsorbers LIU Y ing-shu, ZHANG Xin-bo, ZHANG Hui, LIU Wen-hai, CAO Hong-cheng Institu te of Gas Separation Engineering, School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, C hina ABSTRACT The performance of a pressure swing adso rption ( PSA) o xyg en system w ith new tandem-type adsorbers w as experimentally investigated .The effects of operating parameters, such as production duration, pressure equalizatio n mode, product flow rate and adso rbents' properties, o n the product purity and recovery of the new PSA oxy gen sy stem were analyzed .The ex perimental result indicates that there is the best production duration in the feed step .The product recovery is better w hen the product flow rate increases, w hereas the product purity reduces.The pressure equalization step in the adso rber' s tw o-inlet can improve the product purity and recovery ex tensively.The product recovery achieves 32 % when the product purity is g reater than 92% in the ex periment. KEY WORDS pressure sw ing adsorption ;oxy gen generation;product purity;product recovery 收稿日期:2008-10-31 作者简介:刘应书( 1960—) , 男, 教授, 博士生导师, E-mail:ysliu@me.ustb.edu.cn 变压吸附( pressure sw ing adso rption, PSA) 空分 制氧技术以其能耗低 、投资少 、规模灵活和自动化程 度高等优点, 在中小规模用氧 、对氧浓度要求不高的 场合具有明显的优势, 并逐步成为中小型空分制氧 的主要方法 .随着变压吸附技术的不断成熟, 变压 吸附制氧在装置规模上正朝大型化 、微型化及高纯 度三个方向发展[ 1-2] .在微型化方面, 微型变压吸 附制氧技术主要是用于医用保健制氧机, 要求制氧 机具有体积小、重量轻 、移动方便 、噪声小和能耗低 等特点[ 3] .微型变压吸附制氧机内部尺寸最长的元 件是吸附器, 降低吸附器的长度可大大提高制氧机 内部空间的有效利用率, 从而减小制氧机的体积 . 若将两塔变压吸附制氧设备中的单个吸附器分成两 个高度更低的吸附器, 通过适当的气路连接方式, 将 两个吸附器的气路连通, 可使单个吸附器的绝对高 度降低 .本文拟对这种新型的串联式吸附器的变压 吸附制氧系统进行实验研究, 分别采用两种型号的 分子筛作为实验用吸附剂, 探讨了切换时间、均压方 式 、产品气量及分子筛种类等工艺参数对微型串联 式吸附器变压吸附制氧系统中氧气产品纯度和回收 率的影响. 1 实验 1.1 工艺流程 本文将典型的两床 Skarstrom [ 4] 变压吸附制氧 循环中的单个吸附器分成两个高度更低的吸附器, 采用适当的气路连接方式, 将两吸附器气路连通, 以 完成基本的两床循环工艺 .典型的两床 Skarstrom 变压吸附循环包括升压 、高压吸附、逆流卸压和反吹 四个步骤[ 5] .然而, 对于微型变压吸附制氧装置, 一 第 31 卷 第 8 期 2009 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.8 Aug.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.08.015
。1058 北京科技大学学报 第31卷 个变压吸附循环仅包括两个明显的步骤，即吸附阶 开启，可实现无均压、吸附塔进气端均压和吸附器两 段和反吹解吸阶段，属于简单的两步循环.参见图 端均压三种流程.空气经过滤器净化，经压缩机升 L,在第1个半循环周期时，原料气进入串联吸附器 压后进入冷却器冷却，再由控制阀进入装有沸石分 I吸附，从串联吸附器】产生的氧气一部分作为产 子筛的两个串联的吸附器进行吸附分离.分离后的 品气，另一部分作为反吹气对正在卸压阶段的串联 产品气一部分进入储气罐，经流量计流出，一部分对 吸附器Ⅱ反吹.在第2个半循环周期时，两个吸附 另外两个串联的吸附器进行反吹清洗，而氮气及其 器的角色对调.两个串联吸附器的出口端通过一个 他组分在解吸时经消音器排入大气.PLC控制器控 控制反吹流量的节流阀连接，每个串联吸附器均通 制两位五通电磁阀及均压电磁阀的切换时间，该控 过单向阀与储气罐相连.串联吸附器Ⅱ的升压和串 制器通过S一232适配器与上位计算机连接，可以 联吸附器I的反吹同时进行，即使是升压过程中也 通过上位计算机改变吸附器的切换时间.产品气 有氧气流进储气罐.采用简单的两步循环代替传统 的流量通过流量计调节，产品气纯度用Z0一101T型 的Skarstrom循环可以显著减小系统的复杂性和体 氧化锆氧量分析仪测量，测量精度为土2%. 积，并提高设备可靠性9， 产品气 串联吸附器 串联吸附器 14包S232 原料气 解吸气 氧气 解吸气+ 原料气 10 109 CPMIA 6 申联吸附器Ⅱ 串联吸附器Ⅱ /空气 解吸气口 △☑ 44 图1简单的两步变压吸附循环 Fig.I Simple two-step PSA cycl 1一过滤器：2一空气压缩机：3一压力计：4一冷却器：5一二位五通 电磁阀：6一消音器：7一吸附器：8一连接端盖：9一均压电磁阀： 另外，利用典型的两床Skarstrom变压吸附循 10一节流阀：11一单向阀：12一储气罐：13一限压阀：14一流量计： 环制氧存在氧气回收率较低及能耗较高的缺点.因 15一测氧仅：16一上位计算机：17一PLC控制器 此，为了提高产品气回收率和降低能耗，人们提出了 图2实验装置 很多改进的流程措施，其中效果最为明显的是均压 Fig.2 Schematic diagram of the experimental unit (pressure equalization,PE)步骤.将分别完成吸附 2实验结果和讨论 和解吸步骤的两个吸附器相互连接，高压吸附器中 的一部分气体进入低压吸附器，低压吸附器的压力 实验中的因素和水平列于表1，实验结果示于 升高，直到两个吸附器的压力相等.PE阶段的主要 图3~图8中.在下面的讨论中，产品回收率定义为 目的是回收高压吸附器中的机械能和吸附器后半部 产品气中氧气量与原料气中氧气量之比.在所有的 分气相浓度较高的弱吸附组分.Banerjce等7研究 194 了无均压步骤和有均压步骤的PSA过程，发现有均 20 压步骤流程的最佳切换压力、压缩机功损和床层功 92 损明显降低，有效能效率和产品回收率则明显提高. 19 90 微型变压吸附制氧的均压步骤可以采用吸附器进气 端均压、吸附器出气端均压和吸附器两端均压三种 △-回收率 88 。一纯度 形式，本文的实验是在吸附器两端均压的条件下进 86 行的. 17 13 141516171819 1.2实验装置 吸附时间s 如图2所示，建立了一套四个微型吸附器两两 图3吸附时间对产品纯度及回收率的影响 串联的变压吸附制氧实验装置.该实验装置通过 Fig.3 Effects of production duration on the product purity and re- PLC控制器控制二位五通电磁阀和均压电磁阀的 covery
个变压吸附循环仅包括两个明显的步骤, 即吸附阶 段和反吹解吸阶段, 属于简单的两步循环.参见图 1, 在第 1 个半循环周期时, 原料气进入串联吸附器 Ⅰ吸附, 从串联吸附器 Ⅰ产生的氧气一部分作为产 品气, 另一部分作为反吹气对正在卸压阶段的串联 吸附器 Ⅱ反吹.在第 2 个半循环周期时, 两个吸附 器的角色对调.两个串联吸附器的出口端通过一个 控制反吹流量的节流阀连接, 每个串联吸附器均通 过单向阀与储气罐相连.串联吸附器 Ⅱ的升压和串 联吸附器Ⅰ的反吹同时进行, 即使是升压过程中也 有氧气流进储气罐.采用简单的两步循环代替传统 的 Skarstrom 循环可以显著减小系统的复杂性和体 积, 并提高设备可靠性[ 6] . 图 1 简单的两步变压吸附循环 Fig.1 Simple tw o-st ep PSA cycle 另外, 利用典型的两床 Skarstrom 变压吸附循 环制氧存在氧气回收率较低及能耗较高的缺点 .因 此, 为了提高产品气回收率和降低能耗, 人们提出了 很多改进的流程措施, 其中效果最为明显的是均压 ( pressure equalization, PE) 步骤 .将分别完成吸附 和解吸步骤的两个吸附器相互连接, 高压吸附器中 的一部分气体进入低压吸附器, 低压吸附器的压力 升高, 直到两个吸附器的压力相等.PE 阶段的主要 目的是回收高压吸附器中的机械能和吸附器后半部 分气相浓度较高的弱吸附组分.Banerjee 等 [ 7] 研究 了无均压步骤和有均压步骤的 PSA 过程, 发现有均 压步骤流程的最佳切换压力、压缩机功损和床层功 损明显降低, 有效能效率和产品回收率则明显提高 . 微型变压吸附制氧的均压步骤可以采用吸附器进气 端均压 、吸附器出气端均压和吸附器两端均压三种 形式, 本文的实验是在吸附器两端均压的条件下进 行的 . 1.2 实验装置 如图 2 所示, 建立了一套四个微型吸附器两两 串联的变压吸附制氧实验装置 .该实验装置通过 PLC 控制器控制二位五通电磁阀和均压电磁阀的 开启, 可实现无均压、吸附塔进气端均压和吸附器两 端均压三种流程 .空气经过滤器净化, 经压缩机升 压后进入冷却器冷却, 再由控制阀进入装有沸石分 子筛的两个串联的吸附器进行吸附分离.分离后的 产品气一部分进入储气罐, 经流量计流出, 一部分对 另外两个串联的吸附器进行反吹清洗, 而氮气及其 他组分在解吸时经消音器排入大气.PLC 控制器控 制两位五通电磁阀及均压电磁阀的切换时间, 该控 制器通过 RS -232 适配器与上位计算机连接, 可以 通过上位计算机改变吸附器的切换时间[ 8] .产品气 的流量通过流量计调节, 产品气纯度用ZO-101T 型 氧化锆氧量分析仪测量, 测量精度为 ±2 %. 图 2 实验装置 Fig.2 Schematic diagram of the experimental unit 图 3 吸附时间对产品纯度及回收率的影响 Fig.3 Effects of production duration on the product purity and recovery 2 实验结果和讨论 实验中的因素和水平列于表 1, 实验结果示于 图 3 ～ 图8 中 .在下面的讨论中, 产品回收率定义为 产品气中氧气量与原料气中氧气量之比.在所有的 · 1058 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷
第8期 刘应书等：串联式吸附器变压吸附制氧 。1059。 实验中，进入吸附器的原料气进气量为70Lmin1, 温度为25℃. 表1实验姻素水平表 Table 1 Experimental factors and levels of PSA process 因素 水平 吸附器直径/mm 吸附器高度/mm 分子筛种类 分子筛量/g 产品气型(L'mim) 均压方式 70 234 FZS-1 1140 3.0 无 2 40 上下同时均压 3 254 一 1250 35 无 4 一 45 上下同时均压 5 FZS-2 1210 40 无 6 50 上下同时均压 2.1吸附时间对产品气纯度及回收率的影响 产品气流量的增加，产品气纯度下降而回收率升高. 图3为产品回收率和产品气纯度与吸附时间的 对于简单的两步变压吸附循环工艺，要想保持合理 关系.其中原料气量和产品气流量保持定值，无均 的产品气纯度，必须以较低的产品回收率为代价.从 压操作，吸附剂采用ZS一1型沸石分子筛.由图3 图4中可以看出，当产品气纯度大于90%时，产品 可知，随着吸附时间的延长，产品气纯度和回收率先 回收率最高为245%左右. 增加，达到最大值后开始下降.对于本实验装置，最 2.3均压方式对产品气纯度及回收率的影响 佳的吸附时间为16.5s,此时产品气回收率最大值 图5、图6是在相同的分子筛量和产氧量条件 达到19.2%，产品气纯度达到941%.实验结果表 下，改变均压步骤（相应的调整切换时间，使流程运 明，吸附时间的长短对变压吸附过程具有很大的影 行在最佳状态时，三种流程对应的产品气纯度和回 响.当吸附时间小于一定值时，吸附床的吸附过程 收率. 和解吸过程没有完成，这将导致低的产品气纯度和 100 回收率这时，延长吸附时间可以提高产品气纯度和 回收率；随着吸附时间延长到某一定值，吸附床在吸 附过程中接近或达到饱和，进一步增加吸附时间将 60 导致强吸附组分氮氯气穿透吸附床，从而造成产品气 40 纯度和回收率的下降.因此，串联式吸附器变压吸 附制氧装置，也会存在一个最佳的吸附时间. 22产品气流量对产品气纯度及回收率的影响 无均压 进气均压 两端均压 均压类型 图4所示为产品气流量对产品气纯度以及回收 率的影响.其中原料气量保持定值，无均压操作，吸 图5均压方式对产品纯度的影响 附剂采用FAZ-2型沸石分子筛.由图4可知，随着 Fig 5 Effect of pressure eqalization mode on the product purity 26 06 由图5、图6可以看出，进气均压流程的产品气 25 92 24 纯度与回收率比无均压步骤的有很大程度的提高， 88 而两端均压流程比进气瑞均压流程又有一定程度的 提高.分子筛吸附床在吸附过程中分为饱和区、吸 84 210 附区和未吸附区三部分：0.进口分流空间和氧化 一回收率 ·纯度 80 铝部分的气体是未吸附的空气，饱和区的气体接近 19 16 未吸附的空气，出口空间的气体是高含量的氧气，在 18 3.0 3.54.04.5 5.0 吸附器完成吸附进行切换时，吸附床上部是吸附区， 产品气流量Lmin） 其中的气体是富含氧气的空气.进气端均压流程不 图4产品气流量对产品纯度及回收率的影响 仅将已完成吸附的吸附器中的气体的机械能均入另 Fig 4 Effects of pmduct flow rate on the product purity and recovery 一个吸附器，而且也将吸附器进气分流空间、氧化铝
实验中, 进入吸附器的原料气进气量为70 L·min -1 , 温度为 25 ℃. 表 1 实验因素水平表 Table 1 Experimental f act ors and levels of PSA process 水平 因素 吸附器直径/ mm 吸附器高度/ mm 分子筛种类 分子筛量/ g 产品气量/ ( L·min -1 ) 均压方式 1 70 234 FZS-1 1140 3.0 无 2 — — — — 4.0 上下同时均压 3 — 254 — 1250 3.5 无 4 — — — — 4.5 上下同时均压 5 — — FZS-2 1210 4.0 无 6 — — — — 5.0 上下同时均压 2.1 吸附时间对产品气纯度及回收率的影响 图 3 为产品回收率和产品气纯度与吸附时间的 关系.其中原料气量和产品气流量保持定值, 无均 压操作, 吸附剂采用 FZS-1 型沸石分子筛.由图 3 可知, 随着吸附时间的延长, 产品气纯度和回收率先 增加, 达到最大值后开始下降 .对于本实验装置, 最 佳的吸附时间为 16.5 s, 此时产品气回收率最大值 达到 19.2 %, 产品气纯度达到 94.1 %.实验结果表 明, 吸附时间的长短对变压吸附过程具有很大的影 响.当吸附时间小于一定值时, 吸附床的吸附过程 和解吸过程没有完成, 这将导致低的产品气纯度和 回收率, 这时, 延长吸附时间可以提高产品气纯度和 回收率;随着吸附时间延长到某一定值, 吸附床在吸 附过程中接近或达到饱和, 进一步增加吸附时间将 导致强吸附组分氮气穿透吸附床, 从而造成产品气 纯度和回收率的下降.因此, 串联式吸附器变压吸 附制氧装置, 也会存在一个最佳的吸附时间. 图 4 产品气流量对产品纯度及回收率的影响 Fig.4 Eff ects of product flow rate on the product purity and recovery 2.2 产品气流量对产品气纯度及回收率的影响 图 4 所示为产品气流量对产品气纯度以及回收 率的影响 .其中原料气量保持定值, 无均压操作, 吸 附剂采用 FAZ-2 型沸石分子筛 .由图 4 可知, 随着 产品气流量的增加, 产品气纯度下降而回收率升高. 对于简单的两步变压吸附循环工艺, 要想保持合理 的产品气纯度, 必须以较低的产品回收率为代价 .从 图 4 中可以看出, 当产品气纯度大于 90 %时, 产品 回收率最高为 24.5 %左右. 2.3 均压方式对产品气纯度及回收率的影响 图 5 、图 6 是在相同的分子筛量和产氧量条件 下, 改变均压步骤( 相应的调整切换时间, 使流程运 行在最佳状态) 时, 三种流程对应的产品气纯度和回 收率. 图5 均压方式对产品纯度的影响 Fig.5 Effect of pressure equalization mode on the product purity 由图 5 、图 6 可以看出, 进气均压流程的产品气 纯度与回收率比无均压步骤的有很大程度的提高, 而两端均压流程比进气端均压流程又有一定程度的 提高 .分子筛吸附床在吸附过程中分为饱和区、吸 附区和未吸附区三部分[ 9-10] .进口分流空间和氧化 铝部分的气体是未吸附的空气, 饱和区的气体接近 未吸附的空气, 出口空间的气体是高含量的氧气, 在 吸附器完成吸附进行切换时, 吸附床上部是吸附区, 其中的气体是富含氧气的空气.进气端均压流程不 仅将已完成吸附的吸附器中的气体的机械能均入另 一个吸附器, 而且也将吸附器进气分流空间、氧化铝 第 8 期 刘应书等:串联式吸附器变压吸附制氧 · 1059 ·
。1060· 北京科技大学学报 第31卷 34 25 15 10 --FZS-2 -FZS-I 20 无均压 进气均压 两端均压 18 3.0 3.54.0455.0 5.5 均压类型 产品气流量L·min少 图6均压方式对产品回收率的影响 图8分子筛种类对产品回收率的影响 Fig.6 Effect of pressure equalization mode on the product recovery Fig 8 Effect of adsorbents properties on the product recovery 部分的空气和饱和区的气体均入另一吸附器，从而 回收了压缩机的机械能和吸附器下部的空气，使得 3 结论 氧气的产品气纯度和回收率比无均压流程有了很大 (1)对于微型串联式吸附器变压吸附制氧实验 的提高.吸附器出气端的高含量氧气和吸附区的富 装置来说，随着吸附时间的延长，产品气纯度和回收 氧气体通过出气均压步骤可以均入另一吸附器，所 率首先升高，达到最大值后开始下降，存在一个最佳 以两端均压流程的产品气纯度和回收率比进气端均 的吸附时间， 压流程进一步提高. (2)随着产品气流量的增加，产品气纯度下降， 2.4分子筛种类对产品气纯度及回收率的影响 而产品回收率升高 分子筛种类对微型变压吸附制氧机的影响关系 (3)增加均压步骤可以有效提高产品气纯度和 如图7、图8所示.采用FZS一1及FZS一2型分子筛 回收率，达到节能降耗的效果.制氧工艺采用两端 作为实验用分子筛.由图7、图8可知，所选的两种 均压时产品气纯度与回收率增加得比较明显 分子筛均可用于微型变压吸附制氧系统，但在制氧 (4试用的两种分子筛制氧效果有一定的差 效果上两种分子筛存在一定的差异，FZ$一2型分子 别，FZS一2型分子筛用于微型制氧装置效果较好. 筛效果较好.随着产品气流量的增加，产品气纯度 (5)通过采用串联式吸附器操作，以FZS一2型 都呈下降趋势.但是采用FZS一1型分子筛作为实验 分子筛作为吸附剂，在产品气纯度92%的条件下， 用吸附剂，产品气纯度的下降速率更快，当产品气流 回收率能达到32%. 量增大到4L°min1以后，产品气纯度就开始呈线 性下降趋势.采用FZS一2型分子筛作为吸附剂，只 参考文献 有当产品气流量增大到5Lmin以后，产品气纯 [I]Liu Y S.Bu L B.Microminiaturization study on a PSA oxygen 度才开始出现线性下降趋势.另外，在获得产品气 concentrator.Gases Sep,2006(5):12 纯度>92%的条件下，采用FZS一2型分子筛作为吸 (刘应书，卜令兵.变压吸附空分制氧微型化技术研究。气体 分离，2006(5)：12) 附剂，产品回收率最高达32%. Santos J C.Portugal A F.Magalhaes F D.et al.Simuation and 96 94 optimizaion of small xygen pressure swing adsorption units Ind Eng Chem Res,2004,43(26:8328 92 [3 Bu L B.Liu Y S.Zhang D X,et al.Experimental study on 88 smalbscale PSA oxygen generating.Chem Ind Eng.2007.24 86 (1):60 -6-FZS-2 84 。-FZS-1 (卜令兵，刘应书，张德鑫，等.小型变压吸附制氧技术试验 82 研究.化学工业与工程，2007,241)：60) 80 4 Skarstrom C.W.Method and Apparatus for Fractionating 3.0 3.54.04.55.0 5.5 Gaswus Mixtures by Adsorption:US patent.2944627.1960 产品气流量(L·min少 07-12. 5 Yang R T.Gas Separation by Adsorpton Processes.London: 图7分子筛种类对产品纯度的影响 Butterworth Publishers,1987:246 Fig.7 Effect of adsorbents properties on the product purity (下转第1076页)
图 6 均压方式对产品回收率的影响 Fig.6 Effect of pressure equalization mode on the p roduct recovery 部分的空气和饱和区的气体均入另一吸附器, 从而 回收了压缩机的机械能和吸附器下部的空气, 使得 氧气的产品气纯度和回收率比无均压流程有了很大 的提高.吸附器出气端的高含量氧气和吸附区的富 氧气体通过出气均压步骤可以均入另一吸附器, 所 以两端均压流程的产品气纯度和回收率比进气端均 压流程进一步提高. 图 7 分子筛种类对产品纯度的影响 Fig.7 Eff ect of adsorbents' properties on the product purity 2.4 分子筛种类对产品气纯度及回收率的影响 分子筛种类对微型变压吸附制氧机的影响关系 如图 7 、图 8 所示.采用 FZS-1 及 FZS -2 型分子筛 作为实验用分子筛 .由图 7 、图 8 可知, 所选的两种 分子筛均可用于微型变压吸附制氧系统, 但在制氧 效果上两种分子筛存在一定的差异, FZS-2 型分子 筛效果较好 .随着产品气流量的增加, 产品气纯度 都呈下降趋势, 但是采用 FZS-1 型分子筛作为实验 用吸附剂, 产品气纯度的下降速率更快, 当产品气流 量增大到 4 L·min -1以后, 产品气纯度就开始呈线 性下降趋势 .采用 FZS -2 型分子筛作为吸附剂, 只 有当产品气流量增大到 5 L·min -1以后, 产品气纯 度才开始出现线性下降趋势.另外, 在获得产品气 纯度 >92 %的条件下, 采用 FZS -2 型分子筛作为吸 附剂, 产品回收率最高达 32 %. 图 8 分子筛种类对产品回收率的影响 Fig.8 Effect of adsorben ts' properti es on the product recovery 3 结论 ( 1) 对于微型串联式吸附器变压吸附制氧实验 装置来说, 随着吸附时间的延长, 产品气纯度和回收 率首先升高, 达到最大值后开始下降, 存在一个最佳 的吸附时间 . ( 2) 随着产品气流量的增加, 产品气纯度下降, 而产品回收率升高 . ( 3) 增加均压步骤可以有效提高产品气纯度和 回收率, 达到节能降耗的效果.制氧工艺采用两端 均压时产品气纯度与回收率增加得比较明显. ( 4) 试用的两种分子筛制氧效果有一定的差 别, FZS-2 型分子筛用于微型制氧装置效果较好 . ( 5) 通过采用串联式吸附器操作, 以 FZS-2 型 分子筛作为吸附剂, 在产品气纯度>92 %的条件下, 回收率能达到 32 %. 参 考 文 献 [ 1] Liu Y S , Bu L B .Microminiaturization study on a PSA oxygen concentrat or .Gases Sep, 2006( 5) :12 ( 刘应书, 卜令兵.变压吸附空分制氧微型化技术研究.气体 分离, 2006( 5) :12) [ 2] Sant os J C, Portugal A F, Magalhaes F D, et al.Simulation and optimization of small oxygen p ressure swing adsorption units.Ind Eng Chem Res, 2004, 43( 26) :8328 [ 3] Bu L B, Liu Y S, Zhang D X, et al.Experimental study on small-scale PSA oxygen generating .Chem Ind Eng , 2007, 24 ( 1) :60 ( 卜令兵, 刘应书, 张德鑫, 等.小型变压吸附制氧技术试验 研究.化学工业与工程, 2007, 24( 1) :60) [ 4] Skarstrom C W.Method and Apparatus for Fr actionating Gaseous Mi xtures by Ad sor ption :US pat ent, 2944627, 1960- 07-12. [ 5] Yang R T .Gas Separation by Ad sor ption Processes.London: Bu tt erw orth Publishers, 1987:246 ( 下转第 1076 页) · 1060 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷
。1076。 北京科技大学学报 第31卷 and its characteristie simulation //Procedings of Chinese Control (郑光勇，叶为全，李斌，等.基于粗糙集的过程控制规则挖掘算 and Decision Conference.Hatbin.2005:875 法及应用.微电子学与计算机.2007,236：84 (付冬梅，郑德玲，位耀光.一种双因子免疫控制器及其特性仿【(Pei X B.Wang YZ.Improvement learning method for rules of 真研究∥中国控制与决策学术年会.哈尔滨，2005：875) decision table.Mini Micro Syst,2005,26(11):1986 [2]Paw lad Z.Skow mon A.Rough sets:some extensions.Inf Sci, (裴小兵，王元珍.一种规则学习算法的改进.小型微型计算机 2007.177:28 系统，2005.26(11)：1986) [3 Paw lad Z.A mough set prospective.Int J Comput Intell,1995,[7 Vladimir B.Edith S.Biljana S.Automated extraction of decision 11(2):227 rules for eptin dyramics:A rough sets approach.J Biomed Inf. [4]Liu D H,Yuan S C,Zhang X L et al.Research on knowledge 2008.41(4):667 acquisition method about the IF/THEN mles based on rough se 8 Qu Y B.Zhang Y.Design of an inteligent controllerin a desecrat- theory.J Sys Eng Electron,2008,19(3):628 ing system based on a rough sets theory.J Eng Therm Energy [5 Zheng G Y,Ye W Q,Li B,et al.An algorithm based on mough set Power,.2006.21(5):525 for the process control mules mining.Microelecton Comput, (曲延滨，张扬。基于粗糙集理论的除氧系统智能控制器设计. 2007.23(6:84 热能动力学工程，2006.21(5)：525) (上接第1060页) 16]Liu Y S.Cui H S.Yue K.et al.Experimental study on operat- system by PSA based on PLC.J Univ Sci Technol Beijing, ing parameters of a special miniature PSA oxygen concentrator for 2003.25(2):185 SARS patients.J Uniy Sci Tedmol Beijing.2004.26(1):110 (乐恺，余谦虚，刘应书，等。基于PLC的变压吸附制高纯氧 (刘应书，崔红社，乐恺，等.SARS患者专用微型制氧机工艺 系统.北京科技大学学报，2003,25(2)：185) 参数实验研究.北京科技大学学报，2004,26(1)：110) [9 Ruthven D M.FamoqS.Knacbel K S.Pressure Swing Adsorp- [7]Banerje R,Narayanhedkar K G,Sukhatme S P.The exergy tion.New York:VCH publishers,199497 analysis of PSA pmoces for air separation.Low Temp Spec Gas- [10 Zhao Z Liu Y S.Yue K.et al.Experimental study of adsotber s,19943):7 stmucture used for miniature PSA oxygen plants.Cryogenic (Banerpee R,Naray anhedkar K G,Sukhatme S P.变压吸附空 Technol,2004(2):13 气分离过程的盼析.低温与特气，19943)：7) (赵治，刘应书，乐恺，等.微型SA制氧机吸附器结构试验 [8]Yue K.Yu Q X.Liu Y S.ct al High purity oxygen pmoduction 研究.深冷技术，20042)：13)
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