基于PLC的变压吸附制高纯氧系统

D0I:10.13374/j.issn1001053x.2003.02.022 第25卷第2期 北京科技大学学报 Vol.25 No.2 2003年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2003 基于PLC的变压吸附制高纯氧系统 乐恺 余谦虚刘应书 崔红社张德鑫 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要研究了采用沸石分子筛和碳分子筛吸附床的变压吸附制高纯氧工艺以及采用基于 PLC控制系统对流量、压力和电磁阀进行的调节和控制，确立了两级变压吸附制高纯氧的工 艺流程和各吸附床的最佳吸附周期，分析了排气量对氧气纯度的影响.实验结果表明氧气的 最高纯度可达到99.5%. 关键词高纯氧：可编程控制器：分子筛：变压吸附：空气分离 分类号TP311.11:TQ116.14 变压吸附(Pressure Swing Adsorption,简称 1变压吸附制高纯氧系统的流程 PSA)气体分离技术，是一种利用气体不同组分对 吸附剂的吸附能力不同，通过控制压力的增减实 传统的变压吸附制氧方法不能获得高纯氧 现气体分离的新技术，目前，变压吸附技术在大 的原因在于，空气中除了氧、氮以外还含有氩气、 型、小型和微型制氧领域的应用已日趋成熟和完 CO,和水蒸气等成分，仅采用-·级吸附结构不能 善，具有气源广、能耗低、无环境污染、操作简单 去除其中的氩气.因此，在实验系统中，增加了碳 等优点，但传统的PSA方法生产出的氧气最高纯 分子筛吸附床，以生产更高纯度的氧气.整个系 度不高于95%.高纯氧（氧气纯度为99%或更高） 统的结构为二级吸附，主要由两部分组成：一部 制备技术在临床医学、航天航空、军事、高原作业 分是沸石分子筛吸附床，上下各空出30-100mm, 等领域具有重要研究意义和应用价值，.自20世 以便使原料气和反吹气能充分均匀：另一部分是 纪80年代以来，欧美一些发达国家己相继开始 碳分子筛吸附床. 了变压吸附制高纯氧的研究工作2，而在我国， 首先空气作为原料气经过无油空气压缩机 此项技术目前尚处于探索阶段，亟待研究开发. 压缩后，进入过滤和冷凝（采用普通水冷）单元预 研究变压吸附制高纯氧工艺，需要对变压吸 处理，以降低空气温度并滤除其中的杂质.由于 附系统的流量、压力等重要参数进行精确的控 水分对分子筛的吸附能力会造成很大影响，为了 制，并要求周期性地切换电磁阀，阀门数量多而 保证吸附系统长期运行的稳定性，增加了氧化铝 且动作频繁：此外，还需要修改变压吸附的工艺 吸附床，以滤除二氧化碳和水蒸气等.干燥后的 方案、更改各种时间参数等，这就要求控制系统 压缩空气经调节后形成稳定的气流，进入沸石分 应有很好的灵活性、可靠性、稳定性和环境适应 子筛吸附床. 能力，变压吸附控制系统经历了气动、电动逻辑 沸石分子筛吸附床进行吸附和解吸，通过反 控制器、单片机控制器、可编程控制器和集散控 吹、减压解吸出的氨气作为废气排出，而去除氮 制系统等发展阶段，其中可编程控制器以其可靠 气后产生的富氧气流，一部分通过进入处于解吸 性高、能耗低，环境适应性好、抗干扰能力强、功 状态的另一吸附床，用于对末完全解吸出来的氮 能全以及使用方便等优点，在小型和微型制氧 气进行反吹：另一部分则作为原料气进入第二级 技术中，占据了重要地位. 变压吸附刃. 由于进入第二级吸附的原料气压力波动较 收稿日期200204-18乐恺女，32岁，讲师，博十研究生 大，需进入储气罐进行稳压，此时气体压力不能 *中国铁路建设总公司科技计划项目No.G02-7A2002) 满足二级吸附的需要，所以采用增压泵进行增

第 5 卷 第 期 2 2 3 年 月 2 0 0 4 北 京 科 技 大 学 学 报 O J u a r n l o U i e s f n v r iy t o s f e i e e e a n n d c T c o o h n l gy B e i i j n g 办】 V . 5 2 N 0 . 2 A P r. 3 2 0 0 基 于 C 的变压 吸附P L制高纯氧系统 乐 恺 余谦虚 刘 应 书 崔红社 张德 鑫 北京科 技 大学机 械 工程 学院 , 北 京 10 0 0 8 3 摘 要 研 究 了采用沸 石 分 子筛 和碳 分 子筛 吸附 床 的变 压吸 附制 高纯 氧 工艺 以及 采用 基 于 P L C 控制 系 统对 流量 、 压 力和 电磁 阀 进行 的 调节和 控 制 , 确 立 了两 级变 压吸 附 制 高纯氧 的工 艺流 程和 各吸 附床 的最 佳 吸附 周期 , 分析 了排气 量对 氧气 纯度 的影 响 . 实验 结 果表 明氧 气 的 最高 纯度 可达 到 9 . 5% . 关键 词 高纯氧 ; 可 编程 控 制器 : 分 子筛 ; 变压 吸 附 : 空 气 分离 分 类号 T P 3 1 1 . 1 1: T Q 1 1 6 . 1 4 变 压 吸 附 ( p er s s ur e S w ing A d s o pr ti o n , 简 称 P S A )气 体分 离技 术 , 是 一种利 用 气体 不 同组 分对 吸 附剂的吸 附 能力 不 同 , 通 过控 制 压 力 的增减 实 现 气体 分 离 的新 技 术 . 目前 , 变压 吸 附 技术 在 大 型 、 小 型和 微型 制 氧领 域 的应用 已 日趋 成 熟和 完 善 , 具有 气 源广 、 能耗低 、 无环 境 污 染 、 操 作 简 单 等优 点 , 但 传 统 的 P S A 方法 生 产 出 的氧气 最 高 纯 度 不高 于 95 % . 高纯 氧 ( 氧 气 纯 度 为 9 % 或 更 高 ) 制 备 技术 在临 床 医学 、 航 天航 空 、 军 事 、 高 原作 业 等 领 域 具有 重 要研 究 意义 和应 用 价 值’ ” . 自 20 世 纪 8 0 年 代以来 , 欧美 一 些发 达 国家 已 相 继 开始 了变 压 吸 附制 高纯 氧 的研 究 工 作 「圳 , 而 在 我 国 , 此 项 技术 目前 尚处 于探 索 阶 段 , 巫 待 研 究 开发 . 研 究变 压 吸 附制 高纯 氧 工艺 , 需要 对 变压 吸 附 系 统 的流 量 、 压 力 等 重 要参 数 进 行 精 确 的控 制 , 并要 求 周 期性 地切 换 电磁 阀 , 阀 门数 量 多而 且动 作 频繁 ; 此 外 , 还 需 要 修 改变 压 吸 附 的工 艺 方 案 、 更 改 各种 时间 参数 等 . 这 就 要求 控 制 系 统 应 有 很 好 的灵 活 性 、 可 靠 性 、 稳 定 性和 环 境 适应 能力 . 变压 吸 附控 制 系 统经 历 了气动 、 电动逻 辑 控 制 器 、 单 片机 控 制 器 、 可编 程控 制 器 和 集 散控 制 系统 等 发展 阶段 , 其 中 可编 程控 制器 以其 可靠 性 高 、 能耗 低 、 环境 适 应 性好 、 抗 干 扰 能 力强 、 功 能全 以及 使用 方 便 等优 点 阵 , , 在 小型 和 微 型制 氧 技 术 中 , 占据 了重 要地 位 . 收稿 日期 2 0 02 一4 一 18 乐恺 女 , 32 岁 , 讲师 , 博 士 研 究生 * 中国铁 路 建设 总公 司科技 计划 项 目 (N 众 G OZ 一 7A Z OO2) 1 变压 吸 附 制 高纯 氧系 统 的流 程 传 统 的 变 压 吸 附 制 氧 方 法 不 能获 得 高 纯 氧 的原 因在 于 , 空 气 中除 了氧 、 氮 以外 还 含有 氨气 、 C 0 2 和水 蒸 气 等成 分 , 仅 采 用 一级 吸 附结构 不 能 去除其 中的氨 气 . 因此 , 在 实验 系统 中 , 增 加 了碳 分 子 筛 吸 附床 , 以生产 更 高 纯度 的氧 气 . 整 个 系 统 的 结 构 为二 级 吸 附 , 主 要 由两 部 分 组成 : 一 部 分 是沸 石 分子筛吸 附床 , 上下 各空 出3 0一 10 m m , 以便使 原 料气 和 反吹 气 能充 分均 匀 ; 另 一 部分 是 碳 分 子筛 吸 附床 `5〕 . 首 先 空 气 作 为 原 料 气 经 过 无 油 空气 压 缩 机 压缩 后 , 进 入过 滤和 冷 凝 ( 采用 普 通水 冷 ) 单元 预 处理 , 以降 低 空气 温度 并 滤 除 其 中 的杂 质 . 由于 水 分 对分 子 筛 的吸 附 能力会 造 成很 大 影响 , 为 了 保 证 吸 附系 统长 期运 行 的稳 定 性 , 增 加 了氧 化 铝 吸 附 床 , 以滤 除 二氧 化 碳 和 水蒸 气 等 . 干燥 后 的 压 缩 空气 经调 节后 形 成稳 定 的气 流 , 进 入 沸石 分 子 筛 吸 附床 . 沸石 分 子 筛 吸 附床进 行 吸 附和 解 吸 , 通 过 反 吹 、 减 压 解 吸 出 的氮 气 作 为废 气 排 出 . 而 去 除氮 气 后 产 生 的富氧 气 流 , 一 部分 通过 进 入 处于解 吸 状 态 的 另一 吸 附床 , 用 于对 未 完全 解 吸 出来 的氮 气 进 行 反吹 ; 另一 部分 则 作为 原料 气 进入 第 二 级 变 压 吸 附 67l[ . 由 于进 入 第 二 级 吸 附 的 原 料 气 压 力 波 动 较 大 , 需 进 入储 气 罐进 行 稳 压 , 此 时气 体压 力不 能 满 足 二 级 吸 附 的 需 要 , 「 所 以采 用 增 压 泵 进 行 增 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2003. 02. 022

●186+ 北京科技大学学报 2003年第2期 压，再通过稳压后，进入碳分子筛吸附床进行变 有效开关次数为10次，ON/OFF的响应时间都在 压吸附，经过碳分子筛的作用，原料气中的氩气 15ms以下，可通过RS-232或RS-422适配器与上 和部分剩余的氮气，作为废气排出，吸附的氧气 位机进行通信，采用SYSMAC-CPT软件编程. 通过解吸后，最终形成高纯度的氧气. 2.1压力和流量控制系统 2实验装置的控制系统 在二级吸附制高纯氧工艺中，一级吸附原料 气的压力、流量以及二级吸附出口排气的流量对 采用可编程控制器、监测仪表和执行机构组 产品气的纯度有很大影响，因此，精确地控制这 成了实验装置的控制系统，主要包括模拟量自动 些参数是实现高纯氧制备的关键，装置中，采用 调节系统和开关量控制系统.其中多数阀门平均 霍尼韦尔公司的24 PCDFA10压力传感器PT和涡 30s动作一次，而最快的则需要1s产生一次动 街流量计FT将信号通过模拟量VO板输入PLC. 作，这就要求控制系统功能全，动作准确、快速而 PLC采用PI算法计算后，将压力控制信号通过模 可靠.本文选用了日本欧姆龙公司的可编程控制 拟量/O板输入给压缩机的变频调速系统，通过 器CMP1A系列的小型PLC作为核心部分对PSA 控制电机的转速，来调节所需的压力：将流量控 装置进行控制，控制流程图如图1所示， 制信号控制气动调节阀v24来达到调节流量的目 CMP1A系列的PLC除逻辑运算功能外，具 的， 有丰富的数学计算功能，可实现PD控制.考虑 22开关量控制系统 到今后制氧装置使用的可流动性，采用了在220 在制高纯氧系统中，z1和z2分别需要进行吸 V2A下工作的继电器输出模块，最大的开关能 附、反吹、解吸的过程，c1和c2分别需要进行吸 力为AC250V2AW点，继电器输出对感性负载的 附、均压、解吸的过程，采用计数器对干燥吸附床 v15 废气 v24 v239 w22 高纯氧 废 6 v20v19 2 uli v9 v8 PT CPMIA 废气 3f 1一无油空气压缩机：2一空气冷凝器；3-空气过滤器：4,6一储气罐：5一增压泵： A1,A2一氧化铝吸附床：z1,2一沸石分子筛吸附床；c1,c2一碳分子筛吸附床： FT一流量测量环节；PT一压力测量环节：CPMIA一可编程控制器 图1变压吸附制高纯氧系统的控制流程图 Fig.1 Control flow chart of the high purity oxygen production system by PSA

186 北 京 科 技 压 , 再 通 过稳 压 后 , 进 入碳 分 子 筛吸 附床 进 行变 压 吸 附 . 经 过 碳分 子 筛 的作 用 , 原料气 中 的氢 气 和 部 分剩 余 的氮 气 , 作 为废气排 出 , 吸 附的氧气 通 过 解吸 后 , 最 终 形 成 高纯度 的氧气 . 2 实验 装置 的控 制系统 采用可 编程 控 制器 、 监测 仪表 和执 行 机构组 成 了实验装 置 的控制 系 统 , 主要 包括 模拟 量 自动 调 节系 统和 开关 量控 制 系统 , 其 中多数 阀 门平 均 3 0 5 动 作一 次 , 而最 快 的则 需要 1 5 产 生 一次 动 作 , 这 就要 求控制系 统功 能全 , 动 作准 确 、 快速 而 可 靠 . 本文 选用 了 日本 欧姆龙公司 的可编 程控 制 器 C M P IA 系 列 的小 型 P L C 作 为核 心 部分 对 P S A 装 置进 行 控制 , 控 制流 程 图如 图 1 所示 . C M p 1A 系列 的 PL C 除逻辑 运 算功能 外 , 具 有 丰 富 的数学 计 算功能 , 可实 现 PID 控 制 . 考 虑 到今 后 制 氧装 置 使用 的可流 动性 , 采用 了在 2 20 V /Z A 下 工 作 的继 电器 输 出模块 , 最 大 的 开关 能 力 为 A C 2 5 O V 2/ 刀 点 , 继 电器 输 出对 感 性 负载 的 大 学 学 报 2 0 3 年 第 2 期 有 效 开 关次 数 为 l护 次 , ON ZO F F 的 响应 时 间都在 15 m s 以下 , 可 通过 R S一32 或 R S一2 适配器 与 上 位 机 进行 通 信 , 采 用 S Y SM A C一 C P T 软件编 程 . .2 1 压 力和 流最 控 制 系统 在 二级 吸 附制 高纯 氧 工 艺 中 , 一 级 吸 附原料 气 的压 力 、 流 量 以及二 级吸 附 出 口 排 气 的流 量对 产 品 气的纯度有 很 大影 响 , 因此 , 精确 地 控 制这 些 参 数是 实现 高纯 氧制 备 的关 键 . 装 置 中 , 采 用 霍 尼 韦尔 公 司的 24 P C D FA 10 压 力传感 器 PT 和涡 街 流 量计 FT 将信 号 通过 模 拟量 F O 板输入 PL C . PCL 采 用 H 算法计 算后 , 将 压 力控 制信 号通过模 拟 量 FO 板输入 给压 缩机 的变频 调速 系 统 , 通过 控制 电机 的转 速 , 来调 节 所 需的 压 力 ; 将 流量 控 制信号控 制气 动 调节 阀 v2 4 来达 到 调节 流量 的 目 的 . .2 2 开 关 量控 制 系统 在制高纯氧系统 中 , lz 和 z2 分别 需要 进 行吸 附 、 反 吹 、 解 吸 的过 程 , cl 和 c2 分 别需 要 进行 吸 附 、 均 压 、 解 吸 的过 程 . 采用 计数 器对 干 燥吸 附床 又又 X 火 y70 丽 ` v “ ’ 势 v 致” 几 v ls v l 7 吐 l Y{ 0 口竺 . C P M IA 只 葡Y告 石v Z v l 1一无 油空 气压 缩机 ; 2一空 气冷 凝器 ; 3一空气过 滤器 ; 4, 6一储气 罐 ; 5一增 压泵 ; A l , A Z一氧化 铝 吸附床 ; lz ,左一沸 石分 子筛 吸附 床 ; cl , c2 一碳 分 子筛吸 附床 ; F T 一 . 流 量测 量环 节 ; P T 一一 压 力测量 环节 : C P M IA 一可 编程 控制 器 图 1 变压 吸附制 高纯 氧 系统 的控制 流程 图 F i .g 1 C o . t or l fl 眯 e h a rt o f 比e hi沙 P u ir yt o x y g . Por d u e it o . sy st e m 勿 P SA

Vol.25 No.2 乐恺等：基于PLC的变压吸附制高纯氧系统 187- 的电磁程控阀vl~v4进行较长时间(Cl5min)的切 无油空气压缩机的压力为0.8-0.85MPa.采用 换控制.采用定时器对沸石和碳分子筛吸附床的 KHL一2型智能氧浓度测试仪监测氧气纯度，并采 电磁程控阀v8v11,vl7~v20,反吹阀v12和均压 用铜氨溶液吸收法作精确测定， 阀v21进行控制.其中，关联的电磁阀之间的切 在上述工况下，分别对吸附周期的选择，第 换，需要采用延时定时器来消除由于气动信号滞 二级吸附的出口排气量对氧纯度的影响进行了 后于电信号的影响. 研究和分析， 切换周期对产品气的纯度有很大影响，因 3.1吸附周期的选择 此，在系统研制过程中，控制系统需完成时间设 吸附周期在变压吸附制氧工艺中，对氧气纯 定输入和在线修改时间常数的功能，本文采用 度起着关键作用.吸附周期较短时，使分子筛的 BCD码拨盘组完成时间参数的设定，同时，通过 吸附压力和吸附容量降低，而吸附周期较长时氮 RS232接口模块，实现上位机对制氧过程的在线 气则会穿出吸附床层，这样都会影响产品气的纯 监控，以随时对各时间参数进行调整 度，同时，吸附周期与氧纯度的关系还受很多因 变压吸附制高纯氧实验装置的控制框图如 素的影响，因此，需要经过实验来确定最佳的吸 图2所示，控制程序框图如图3所示. 附周期. 通过实验，得到了沸石分子筛吸附床和碳分 上位机在线监控 子筛吸附床中氧气纯度与吸附周期的关系，结果 分别如图4和图5所示. 输入控制 CPMIA 的 BCD码 PLC主机 执行机构 吸 95 时间设定 板 电磁阀 94 t 93 图2变压吸附制高纯氧装置的控制框图 一·一高值 Fig.2 Control diagram of experimental facility for high …低值 92L purity oxygen production 28 30 32 34 36 吸附周期s 开始 图4沸石分子筛吸附床中氧气纯度与吸附周期的关系 是 Fig.4 Relation between adsorption time and oxygen purity 扫描结束> in the zeolite molecular sieve column 香 拨盘，采样输入 结束) 计算和主体控制 8 输出处理 97 图3控制器程序框图 6 一一 高值 4…低值 Fig.3 Flow chart of the programmable controller 95 60 80100 120 140 3实验 吸附周期/s 图5碳分子筛吸附床中氧气纯度与吸附周期的关系 实验中，第一级吸附的吸附剂为5A沸石分 Fig.5 Relation between adsorption time and oxygen purity 子筛，吸附床尺寸为中133mm×900mm,用量为2 in the carbon molecular sieve column ×5500g.第二级吸附使用具有高吸附性能的3A 结果表明，第一级吸附的吸附周期为34s并 ~4A德国BF碳分子筛，分子筛颗粒度为2~3mm, 且第二级吸附的吸附周期为100s为最佳吸附周 用量为2×240g,吸附床尺寸为中34mm×650mm. 期，所得到的产品氧气的最高纯度可达到99.5%

V心L 2 5 N o 一 2 乐 恺等 : 基 于 P L C 的变压 吸 附制 高 纯氧 系统 的 电磁 程控 阀 vl ~v 4 进行 较 长 时 间 (>l s m in) 的切 换 控 制 . 采 用定 时 器对沸 石 和 碳分 子筛吸 附床 的 电磁 程 控 阀 v s、 1 1 , v 17~v 2 0 , 反 吹 阀 v 12 和 均 压 阀 v 2 1 进 行 控 制 . 其 中 , 关 联 的 电磁 阀之 间 的切 换 , 需 要采 用延 时 定时 器来 消 除 由于气 动 信号滞 后 于 电信 号 的影 响 . 切 换 周 期 对 产 品 气 的 纯 度 有 很 大 影 响 , 因 此 , 在系 统研 制 过程 中 , 控 制 系统 需 完成 时 间设 定 输 入和 在 线 修 改 时 间 常 数 的功 能 . 本 文 采 用 B C D 码 拨盘 组 完成 时间 参数 的设 定 , 同时 , 通 过 R S 2 32 接 口 模块 , 实现 上 位 机对 制 氧 过程 的在 线 监控 , 以随 时对 各 时 间参 数进 行 调 整 . 变 压 吸 附 制 高 纯氧 实 验装 置 的 控 制 框 图如 图 2 所示 , 控 制程 序 框 图如 图 3 所 示 . _ 卜位机在线监控 输入控制 C PM IA 模拟 执行 吸附 P L C 主机 量 机 塔 O 构 B C D 码 板 时间设定 电磁 阀 无 油 空 气 压 缩机 的 压 力 为 .0 8一.0 85 M p a . 采 用 K H L 一 2 型智 能氧 浓 度 测试 仪监 测 氧气 纯 度 , 并 采 用 铜 氨溶 液 吸收 法 作精确 测 定 . 在 上 述 工 况 下 , 分 别对 吸 附周 期 的选 择 , 第 二级 吸 附 的 出 口 排 气 量 对 氧 纯 度 的 影 响进 行 了 研 究 和 分 析 . .3 1 吸 附周 期 的 选择 吸 附周 期在 变 压 吸 附制氧 工艺 中 , 对 氧气 纯 度 起 着 关键 作 用 . 吸 附周 期 较 短 时 , 使 分 子筛 的 吸 附压 力和 吸 附容 量 降低 , 而 吸 附 周期较长 时氮 气 则 会 穿 出吸 附床 层 , 这 样都 会 影 响产 品气 的纯 度 . 同时 , 吸 附周 期 与氧 纯 度 的 关 系还 受 很 多 因 素 的影 响 , 因此 , 需 要 经过 实 验 来确 定最 佳的吸 附周 期’ 81 . 通 过 实验 , 得 到 了沸 石 分子 筛 吸 附床 和碳 分 子筛 吸 附床 中氧 气 纯度 与 吸 附周 期 的关 系 , 结 果 分别 如 图 4 和 图 5 所 示 . 芝侧氧丫崛 图 2 变 压吸 附制 高纯 氧 装置 的控制框 图 F ig · 2 C o o t or l d i a g ar m o f e x P e r i山 e n t a l fa e il yt fo r b i g h P u r iyt o xy g e n P r o d u e ti o n 一 :一一 一 一▲一 高 低 值 值 一、 拨盘 , 采样输入 计算和主体控制 输出处理 吸 附周 期s/ 图 4 沸 石分子 筛 吸 附床 中氧 气纯 度 与吸 附周期 的 关系 F ig . 4 R e l a t i o n b e wt e e n a d s o r Pit o n t im e a n d o xy g e n P u r i yt i n t h e z e o l i t e m o l e e u l a r 5 1曰e C o l U m n 犷嘛芝侧氯 图 3 控 制器 程序 框 图 F ig . 3 F l o w c b a rt o f t h e Por g r a m m a b l e e o n t or Ue r 二 〕 户一 川厂 二 ` 厂 二 二 雕 3 实 验 实验 中 , 第 一级 吸 附 的吸 附 剂 为 SA 沸 石 分 子 筛 , 吸 附床 尺 寸 为中13 3 r n们。 X 9 0 m m , 用 量 为 2 “ 5 50 0 9 . 第 二 级 吸 附使 用 具 有 高吸 附 性 能 的 3 A 一4 A 德 国 B F 碳 分 子筛 , 分 子 筛颗粒 度 为 2一3 m m , 用 量 为 2 X 2 4 0 9 , 吸 附 床尺 寸 为中3 4 m m X 6 5 0 m m . 吸 附周 期 s/ 图 5 碳 分子 筛 吸附 床 中氧气 纯 度 与吸 附周 期 的关 系 iF g . 5 R e l a it o n b e wt e e n a ds o r P iot n ti m e a n d o xy g e o p u r iyt i n ht e Ca r b o n m o l e C u l a f S ive e e o l U m n 结果 表 明 , 第 一 级 吸 附 的吸 附 周 期为 3 4 5 并 且 第 二 级 吸 附 的吸 附 周期 为 10 0 5 为最 佳 吸 附周 期 , 所得 到 的产 品氧 气 的最 高 纯度 可达 到 9 9 . 5%

·188- 北京科技大学学报 2003年第2期 其中，沸石分子筛吸附床的工作压力为0.6MPa 采用沸石分子筛和碳分子筛两级吸附床的变压 且吸附压力为0.5MPa,碳分子筛吸附床的工作 吸附实验装置.分析了两级变压吸附制高纯氧的 压力为0.5MPa且吸附压力为0.4MPa时，第一级 工艺中，吸附周期、二级吸附出口排气量对氧气 吸附后的氧气出口流量为l6Lmin,氧气出口纯 纯度的影响. 度为95.9%-96.3%. (2)采用基于PLC的主控制系统对变压吸附 32废气排量对氧气纯度的影响 过程进行控制，具有操作灵活、可靠性高、通用性 在变压吸附制高纯氧工艺中，第二级吸附出 好和环境适应能力强等优点， 口的废气排气量对氧气的纯度有很大影响.若排 (3)当沸石分子筛和碳分子筛吸附床的吸附 气量较大，会使吸附床内的气体压力减小，流速 周期分别为34s和100s,二级吸附出口排气量为 加快，导致吸附床内的吸附不能完全进行.若排 2Lmin、二级吸附产品气取样时间为10-15s时， 气量较小，会影响解吸的完全进行，控制废气流 可达到的最高氧气纯度为99.5%.但是，实验所得 量的关键在于控制好吸附床的压力，对具体的制 的高纯氧的流量偏小，需要在提高产品气的流量 氧装置而言，存在一个最佳排气量值.图6是排 方面作进一步研究. 气量对两个碳分子筛吸附床出口氧气纯度的影 响，由于吸附床的不平衡，使得c1和c2的氧气浓 参考文献 度不同. 1朱学军，郭形.两床变压吸附制氧工艺的研究仍.低 温与特气，2001,10(1)：18 99.6 2 Miller G W,Theis C F.Molecular sieve oxygen concentra- 99.2 tor purifier [P].United States Patent 4880443,1988-12-22 cl吸附床 Kazuo H,Saburo H.Process for producing high concen- 98.8 tration oxygen by a pressure swing adsorption method [P] 解 United States Patent 4661125,1987-04-28 98.4 a。c2吸附床 4 蒲荣.可编程控制器在变压吸附装置中的应用) 天然气化工，1999,24(1)：44 98.0 2 3 4 5 5 Hayashi,Kawai M,Kaneko T.Dynamics of high purify 排气量/（亿·min少 oxygen PSA [J].Gas Sep Purif,1996,10(1):19 6 Armond J W,Hill B.Gas Separatin [P].United States Pat- 图6碳分子筛吸附床的氧气排气量对氧气纯度的影响 Fig.6 Effect of the flowrate of exhausted gas on oxygen pu- ent4190424,1980-02-26 7 Hassan MM,Ruthven D M.Air separation by pressure rity swing adsorption on a carbon molecular sieve [J].Chemi- cal Engineering Science,1986,41(5):1333 4结论 8 Rege S U,Yang R T.Kinetic separation of oxygen and ar- gon using molecular carbon [J].Adsorption,2001,6(1):15 (1)研究了变压吸附制高纯氧工艺，建立了 High Purity Oxygen Production System by PSA Based on PLC YUE Kai,YU Qianxu,LIU Yingshu,CUI Hongshe,ZHANG Dexing Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT The pressure swing adsorption(PSA)technique to produce high purity oxygen is researched by using a zeolite molecular sieve column and a carbon sieve column.A control system based on PLC is designed to regulate the flow and pressure,as well as to control the solenoid valves,with the advantages of high adaptability and relia- bility.The technical process of two adsorption stages is selected,the optimum adsorption time of every column is determined and the effect of air displacement on oxygen purity in the carbon molecular sieve column is analyzed. The experimental results show that the highest oxygen purity can be up to 99.5%. KEY WORDS high purity oxygen;PLC;carbon molecular sieve;PSA;air separation

北 京 科 技 其 中 , 沸石 分 子 筛吸 附床 的工 作压 力 为 .0 6 M P a 且 吸 附压 力为 .0 5 M P a , 碳 分 子 筛吸 附 床 的工 作 压 力为 .0 5 M P a 且 吸 附压 力为 .0 4 M aP 时 , 第 一 级 吸 附后 的氧 气 出 口 流 量 为 16 L m/ in , 氧 气 出 口 纯 度 为 95 . 9% ~ 9.6 3% . .3 2 废气 排 量 对氧 气 纯度 的影 响 在 变 压 吸 附制高 纯氧 工 艺 中 , 第二 级吸 附出 口 的废气 排气 量对 氧 气 的纯度 有很 大 影响 . 若 排 气 量较 大 , 会 使吸 附床 内的气 体压 力 减 小 , 流 速 加快 , 导 致吸 附床 内的吸 附不 能完 全 进 行 . 若排 气 量较 小 , 会 影 响解 吸 的 完全 进行 , 控 制废 气 流 量 的关键 在 于控 制好 吸 附床 的压 力 . 对 具 体的制 氧装 置 而 言 , 存在 一 个 最佳 排 气量 值 . 图 6 是 排 气 量对 两 个 碳 分 子筛 吸 附床 出 口 氧气 纯 度 的影 响 , 由于吸 附床 的不 平衡 , 使得 cl 和 c2 的氧 气 浓 度不 同 . 大 学 学 报 20 3 年 第 2 期 采 用 沸石 分子 筛和 碳 分 子筛两 级 吸 附床 的变 压 吸 附实 验装 置 . 分析 了两 级 变压 吸 附制高 纯氧 的 工 艺 中 , 吸 附周 期 、 二 级 吸 附 出 口 排气 量 对氧 气 纯 度 的影 响 . (2 ) 采 用基 于 P L C 的主控 制 系统对 变 压 吸 附 过程 进 行控 制 , 具有 操作 灵活 、 可 靠性 高 、 通用 性 好 和环 境 适应 能 力 强等 优 点 . (3 ) 当沸 石分 子筛 和 碳 分子 筛吸 附床 的 吸 附 周 期 分别 为 34 5 和 10 0 5 , 二 级 吸 附 出 口 排 气量 为 Z L/ m in 、 二 级吸 附产 品气取 样 时 间 为 10 一 15 5 时 , 可 达到 的最 高氧 气纯度 为 9 . 5% . 但 是 , 实验 所得 的高纯 氧 的流量 偏 小 , 需要 在提 高产 品气 的流 量 方 面 作进 一步研 究 . c l 吸附床 n, n,只U g C 侧氧屏犷芝 、 - 、 一 、 c2 吸附床 9 8 . 0 ` we e J ~ 一~ 一 ~ 一一止一 - - - - ` - - 一 一J 一 一 - 一一 J一一 J 1 2 3 4 5 排 气量 (L/ · m i n 一 ’ ) 碳 分 子筛吸 附床 的氯 气排气 量对 氧气纯 度 的影响 E fe c t o f ht e fl o w r a t e Of e x h a u s et d g a s o o o xy ge n P u - 4 结 论 参 考 文 献 1 朱 学 军 , 郭彤 . 两床变 压 吸附制 氧 工 艺的研 究 1[J . 低 温 与特 气 , 2 0 0 1 , 10 ( 1) : 18 2 M i 1l e r G W, hT e i s C E M o l e c u lar s i e v e o xy ge n c o n e e n t r a - t o r P u r i if e r [ P ] . U n i t e d S七成 e s Paet nt 4 88 0 4 4 3 , 1 9 8 8 一 12 一 2 2 3 K a z u o H , S的ur o H . P r o e e s s fo r P or d u e i n g h igh e on e e n - tr at i on o x y ge n by a P er s s uer s w i n g ad s o prt i o n m e th o d [ P ] . U n iet d S at 加 5 P a t e n t 4 6 6 1 12 5 , 1 98 7 一 0 4 一 2 8 4 蒲荣 , 可编 程控 制 器在变 压吸 附 装置 中的应 用 1[J . 天 然气 化工 , 19 9 9 , 24 ( 1 ) : 44 5 H ay a s hi , K a w a i M , K a n e ko .T D y n am i c s o f h igh P u r l fy o xy ge n P S A [ J ] . aG s S e P P u r i f, 19 9 6 , 1 0 ( l ) : 19 6 A mr on d J W, Hi ll B G as s eP ar a ti n [ P ] . U n it e d s at t e s Pat - e nt 4 190 4 2 4 , 19 8 0 一 0 2 一 2 6 7 aH s s an M M , Ru th v e n D M . A i r s e P ar ti on b y P r e s s u er s w i n g a d s o pr t i o n o n a e a r b o n m o l e e u lar s i e v e [ J ] . C h e m i - e a l nE g i n e e ir n g S e i en e e , 1 9 86 , 4 1( 5 ) : 1 3 3 3 s 取罗 s u , Y a n g R T . K i n et i e s e p a r a ti o n o f o 材g e n an d ar - g on u s ing m o l e e u lar e ar b o n [J ] . A d s o pr ti on , 2 0 0 1 , 6 ( l ) : 1 5 ( l) 研 究 了变压 吸 附 制高 纯 氧工 艺 , 建 立 了 H i g h P u r iyt O x y g e n P r o du c t i o n S y s t e m by P S A B a s e d o n P L C y UE aK 元r U iQ a xn u , LI U 枷gs h u, C UI H d n g万 h e, Z H刁刃 G D xe i刀 g M e e h a们 l e al 助 g in e e r i n g S e h o l , nU i v e rs ity o f s c ien e e 即 d eT e hn o l o gy B e ij i n g , B e ij in g 10 0 0 8 3 , C h in a A B S T R A C T hT e P r e s s ur e s w i n g ad s o rp t i o n ( P S A ) t e e hn i q u e t o Por d cu e h igh P u n ty o x y g e n 1 5 re s e ar ch e d by u s in g a z e o lite m o l e e u lar s i e v e e o l unm a n d a c a r b o n s i ve e o l ~ . A e o ntr o l sy s t e m b a s e d on PL C i s de s i g n e d t o re gu lat e ht e fl o w an d Pre s s ure , a s we ll a s t o e o n t r o l ht e s o l en o i d v al v e s , w iht ht e a d v an 杨gL e s o f hi hg a d a Pt ab i li yt an d r e li a · b ili.yt Th e et e hn i c al P r o e e s s o f wt o a d s o rp 石o n st 昭e s 1 5 s e l e c t e d , ht e o itP mu ads o pr ti o n t im e o f ve 恻 e o l um n 1 5 d e t emr i n e d an d ht e e fe c t o f iar id s P l a e e m e nt o n o x y g e n P丽yt i n ht e e abr o n m o l e e u l ar s i e v e c o l unr n 1 5 an a lyZ e d . hT e e xP e ir m ent al r e s ult s s h o w t h a t het ih g h e s t o xy g e n P ur lyt c an b e uP t o 9 9 . 5% · K E Y Wo RD s ih gh p u r i yt o x y g e n : p L C ; e abr on m o l e e u lar s i e v e : p S A ; a i r s印 art i o n