第32卷第5期 北京科技大学学报 Vol 32 Na 5 2010年5月 Journal of Un iversity of Sc ience and Technology Beijng May 2010 变压吸附制氧过程中不连续反吹对回收率的影响 刘应书曹永正刘文海 张德鑫曹红程 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要为了提高变压吸附制氧过程中氧气的回收率和体积分数，提出了一种在反吹步骤中采取适当中断次数和时间的不 连续反吹方法，并实验研究了该方法对氧气的回收率和体积分数的影响.结果表明：不连续反吹步骤可以显著提高变压吸附 制氧系统的回收率和产品气纯度：在本实验条件下，优化后反吹中断次数为2、反吹中断时间为0.3$时，与连续反吹相比，氧 气回收率最大提高了9.2%，产品气中氧气的体积分数最大提高了4.0%. 关键词气体分离：变压吸附：氧气回收率，氧气体积分数；不连续反吹 分类号1Q028.1 Effects of discon tnuous purge on the oxygen recovery n PSA oxygen concen tra- tion process LN Ying-shu.CAO Yong-zheng.LU W en-hai ZHANG De-xin.CAO Hong-cheng School ofMechanical Engineering,University of Science and Technobgy Beijing,Beijing 100083,China A BSTRACT A method of discontinuous purge with app topriate interrupt frequency and interrupt tme was proposed to obtain higher oxygen reoovery and concentraton The effects ofpurge steps on the oxygen recovery and concentration during pressure sing adsorption (PSA)oxygen concentration process were investigated expermentally The results showed that both ofoxygen recovery and product pu- rity in the processwith discontinuous purge are greater than those with continuous purge Under the expermental conditions,when the opti ized interrupt frequency is 2 and interrupt tme is0.3s,the oxygen recovery and concentration increase by 9.2%and 4.0%,re- pectively KEY WORDS gas separation,pressure swing adsoption;oxygen recovery,oxygen concentration,discontinuous purge 回收率和产品气纯度是变压吸附气体分离系统 时存在一定的阻力，使吸附塔中的压力高于环境压 两个非常重要的性能参数.为了获得较高的回收率力，从而使反吹气量增加，降低了回收率.因为反吹 和产品气纯度，采用平衡控制型吸附剂分离轻组分 所用的气体就是产品气，如果能减少反吹气量，回收 的气体分离系统，一般需要用产品气反吹吸附塔中 率则能得以提高.减少反吹气量的可能途径有：采 的重组分.反吹对回收率和产品气纯度均有很大的 取不完全反吹；增大解吸阀的流量系数K,值；采取 影响，前人对此进行了深入的研究并提出了工业设 真空变压吸附方法等，本文提出不连续反吹的思 计的一些原则-).Shin和Knaebel1、Chiang的 路，并在常压解吸的变压吸附空分制氧系统上进行 理论研究表明，反吹过程中，吸附塔中的压力越低， 实验，研究不连续反吹对氧气回收率和产品气纯度 所需要的反吹气量越小，分离系统的分离效果越好. 的影响 山本守彦等在中国台湾专利TW27645BB中也指 1不连续反吹过程 出，反吹过程中吸附塔中压力维持在放压脱附后的 压力，制氧设备的回收率更高.对于常压解吸的分 1.1连续反吹过程 离系统，反吹过程中吸附塔中的压力等于环境压力 对于两塔变压吸附空气分离制氧系统，每个吸 最为理想.但是，由于气体流过分子筛、管道及阀门 附塔一般经历产品气升压（均压升）、原料气升压、 收稿日期：2009-08-18 作者简介：刘应书(1960一），男，教授，博士生导师，Emai让ysliu@usth edu cn
第 32卷 第 5期 2010年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journa l of Un iversity of Sc ience and Technology Be ijing Vol. 32 No. 5 M ay 2010 变压吸附制氧过程中不连续反吹对回收率的影响 刘应书 曹永正 刘文海 张德鑫 曹红程 北京科技大学机械工程学院 , 北京 100083 摘 要 为了提高变压吸附制氧过程中氧气的回收率和体积分数 ,提出了一种在反吹步骤中采取适当中断次数和时间的不 连续反吹方法 ,并实验研究了该方法对氧气的回收率和体积分数的影响. 结果表明 :不连续反吹步骤可以显著提高变压吸附 制氧系统的回收率和产品气纯度 ;在本实验条件下 ,优化后反吹中断次数为 2、反吹中断时间为 013 s时 ,与连续反吹相比 ,氧 气回收率最大提高了 912% ,产品气中氧气的体积分数最大提高了 410%. 关键词 气体分离 ; 变压吸附 ; 氧气回收率 ; 氧气体积分数 ; 不连续反吹 分类号 TQ 02811 Effects of discontinuous purge on the oxygen recovery in PSA oxygen concentra2 tion process L IU Ying2shu, CAO Yong2zheng, L IU W en2hai, ZHANG De2xin, CAO Hong2cheng School ofMechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT A method of discontinuous purge with app rop riate interrup t frequency and interrup t time was p roposed to obtain higher oxygen recovery and concentration. The effects of purge step s on the oxygen recovery and concentration during p ressure swing adsorp tion ( PSA) oxygen concentration p rocesswere investigated experimentally. The results showed that both of oxygen recovery and p roduct pu2 rity in the p rocess with discontinuous purge are greater than those with continuous purge. Under the experimental conditions, when the op timized interrup t frequency is 2 and interrup t time is 013 s, the oxygen recovery and concentration increase by 912% and 410% , re2 spectively. KEY WO RD S gas separation; p ressure swing adsorp tion; oxygen recovery; oxygen concentration; discontinuous purge 收稿日期 : 200922082218 作者简介 : 刘应书 (1960—) ,男 ,教授 ,博士生导师 , E2mail: ysliu@ustb. edu. cn 回收率和产品气纯度是变压吸附气体分离系统 两个非常重要的性能参数. 为了获得较高的回收率 和产品气纯度 ,采用平衡控制型吸附剂分离轻组分 的气体分离系统 ,一般需要用产品气反吹吸附塔中 的重组分. 反吹对回收率和产品气纯度均有很大的 影响 ,前人对此进行了深入的研究并提出了工业设 计的一些原则 [ 1228 ] . Shin和 Knaebel [ 3 ]、Chiang [ 6 ]的 理论研究表明 ,反吹过程中 ,吸附塔中的压力越低 , 所需要的反吹气量越小 ,分离系统的分离效果越好. 山本守彦等在中国台湾专利 TW276459BB 中也指 出 ,反吹过程中吸附塔中压力维持在放压脱附后的 压力 ,制氧设备的回收率更高. 对于常压解吸的分 离系统 ,反吹过程中吸附塔中的压力等于环境压力 最为理想. 但是 ,由于气体流过分子筛、管道及阀门 时存在一定的阻力 ,使吸附塔中的压力高于环境压 力 ,从而使反吹气量增加 ,降低了回收率. 因为反吹 所用的气体就是产品气 ,如果能减少反吹气量 ,回收 率则能得以提高. 减少反吹气量的可能途径有 :采 取不完全反吹 ;增大解吸阀的流量系数 Kv 值 ;采取 真空变压吸附方法等. 本文提出不连续反吹的思 路 ,并在常压解吸的变压吸附空分制氧系统上进行 实验 ,研究不连续反吹对氧气回收率和产品气纯度 的影响. 1 不连续反吹过程 111 连续反吹过程 对于两塔变压吸附空气分离制氧系统 ,每个吸 附塔一般经历产品气升压 (均压升 )、原料气升压
664 北京科技大学学报 第32卷 吸附、顺向放压（均压降）、逆向放压和反吹等几个 吸附理论[6,81可知： 循环步骤.当一个吸附塔己经完成逆向放压而另一 1-yo "g 个吸附塔完成升压后，反吹阀开启，高压吸附塔输出 (2) 1-% 的部分产品气开始反吹低压吸附塔，置换并吹扫出 式中，5为Pe/R(P为反吹压力).由于5>1而 低压吸附塔中的重组分气体，以往的变压吸附循环 1>B>0,因此大于.在压力下降过程中，吸附 中的反吹步骤均是连续反吹过程，即从反吹开始到 塔中压力介于P和B之间，所以重组分的平均体 结束，反吹阀一直处于开启状态，产品气连续不断地 积分数为和片之间的某一值，很显然也大 吹扫低压吸附塔.连续反吹的时间是反吹步骤开始 于：在反吹阀重新开启时，吸附塔中压力上升，在 时刻至下一循环步骤（如升压）开始时刻之间的总 B上升到P的过程中，重组分的平均体积分数也 时间.对于连续反吹，如果用于反吹的产品气中含 同样大于儿，因此在反吹中断过程及随后吸附塔中 有重组分，且重组分在产品气中的体积分数为， 压力上升过程内，排出吸附塔的杂质气体中的重组 则当浓度锋面达到吸附塔中某个位置时，根据文 分的体积分数更高，即解吸更为彻底 献[6,9的分析可知，反吹所需要的产品气量为： 因此，与连续反吹相比，如果用相同物质量的产 中=4L'P,:1+(B-)e] 品气反吹，不连续反吹可以促使解吸程度增加，如果 (1) BRT 解吸到相同的程度，则能节省一定的反吹气量，从而 式中，ε为间隙率；B为吸附选择因子，P=1/[1+ 使回收率增加 (1-ε)k/e],k为吸附平衡常数，A为吸附塔的横 2实验 截面积；L为浓度锋面移动的长度，P为反吹压 力；R为气体常量；T为温度 2.1实验设备 根据方程(1)，反吹压力P对反吹量有很大的 图1为实验系统示意图.经过一定处理后的压 影响.反吹压力越大，所需要的反吹量越大.如果 缩空气通过进气电磁阀进入吸附塔进行分离；分离 在常压解吸系统中采取连续反吹，则在反吹过程中 出来的氧气部分通过单向阀进入储氧罐，另一部分 反吹压力始终比环境压力高，且解吸阀及相应管道 通过反吹阀和节流孔后进入低压吸附塔置换并吹扫 的阻力越大，反吹压力也越大，反吹所需要的气量也 吸附剂中的杂质气体；以氮气为主的杂质气通过解 越多，从而减少了氧气回收率.特别对于吸附压力 吸电磁阀和排气消声器排入大气中 较低的制氧系统，由于最高压力与最低压力的比值 较小，反吹气量在产品气中的比例增加，因而连续反 19 吹对回收率的影响也就越明显 18 716 20 17 1.2不连续反吹过程 1213 为了减少反吹气量，本文提出不连续反吹的方 T)23 1 法.不连续反吹的实现过程如下：当吸附塔中压力 上升到一定值时，反吹阀打开，高压吸附塔输出的部 分产品气开始反吹低压吸附塔，反吹一段时间后，反 25 吹阀关闭，反吹中断，中断一定时间后，反吹阀重新 PT)24 开启，进行再次反吹.反吹过程按照反吹中断一 再反吹再中断的程序进行，直至反吹结束.每次 中断要确保被反吹吸附塔中的压力与环境压力 空气 6 相等. 1一尘埃过滤器；2进气消声器；3压缩机；4油水过滤器； 反吹中断后，低压吸附塔中的压力迅速下降至 5-玻璃转子流量计；6-空气储罐；7一12电磁阀；13-节流 环境压力，在压力下降过程中，吸附塔中的杂质（住 孔；14吸附塔A;15吸附塔B;16,17单向阀；18储氧罐； 要为重组分)气体从进料端继续排出塔外.为简单 19,20一节流阀；21氧分析仪；22湿式流量计；23,24压力 起见，这里仅考虑解吸阀门、管道及消声装置的阻力 传感器：25排气消声器 图1实验系统示意图 而忽略分子筛的阻力，设反吹中断前吸附塔进料端 Fig I Schematic diagram of the expermental system 重组分的体积分数为片，当吸附塔中压力降至与环 境压力B相等时，重组分的体积分数为，由平衡 空气压缩机流量为9.1Lmin';吸附塔的内径
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 吸附、顺向放压 (均压降 )、逆向放压和反吹等几个 循环步骤. 当一个吸附塔已经完成逆向放压而另一 个吸附塔完成升压后 ,反吹阀开启 ,高压吸附塔输出 的部分产品气开始反吹低压吸附塔 ,置换并吹扫出 低压吸附塔中的重组分气体. 以往的变压吸附循环 中的反吹步骤均是连续反吹过程 ,即从反吹开始到 结束 ,反吹阀一直处于开启状态 ,产品气连续不断地 吹扫低压吸附塔. 连续反吹的时间是反吹步骤开始 时刻至下一循环步骤 (如升压 )开始时刻之间的总 时间. 对于连续反吹 ,如果用于反吹的产品气中含 有重组分 ,且重组分在产品气中的体积分数为 ypg , 则当 ypg浓度锋面达到吸附塔中某个位置时 ,根据文 献 [ 6, 9 ]的分析可知 ,反吹所需要的产品气量为 : < = εAL′Ppg [ 1 + (β- 1) ypg ] βA RT (1) 式中 ,ε为间隙率 ;β为吸附选择因子 ;βA = 1 / [ 1 + (1 -ε) kA /ε], kA 为吸附平衡常数 ; A为吸附塔的横 截面积 ; L′为 ypg浓度锋面移动的长度 ; Ppg为反吹压 力 ; R为气体常量 ; T为温度. 根据方程 (1) ,反吹压力 Ppg对反吹量有很大的 影响. 反吹压力越大 ,所需要的反吹量越大. 如果 在常压解吸系统中采取连续反吹 ,则在反吹过程中 反吹压力始终比环境压力高 ,且解吸阀及相应管道 的阻力越大 ,反吹压力也越大 ,反吹所需要的气量也 越多 ,从而减少了氧气回收率. 特别对于吸附压力 较低的制氧系统 ,由于最高压力与最低压力的比值 较小 ,反吹气量在产品气中的比例增加 ,因而连续反 吹对回收率的影响也就越明显. 112 不连续反吹过程 为了减少反吹气量 ,本文提出不连续反吹的方 法. 不连续反吹的实现过程如下 :当吸附塔中压力 上升到一定值时 ,反吹阀打开 ,高压吸附塔输出的部 分产品气开始反吹低压吸附塔 ,反吹一段时间后 ,反 吹阀关闭 ,反吹中断 ;中断一定时间后 ,反吹阀重新 开启 ,进行再次反吹. 反吹过程按照反吹 —中断 — 再反吹 —再中断的程序进行 ,直至反吹结束. 每次 中断要确保被反吹吸附塔中的压力与环境压力 相等. 反吹中断后 ,低压吸附塔中的压力迅速下降至 环境压力 ,在压力下降过程中 ,吸附塔中的杂质 (主 要为重组分 )气体从进料端继续排出塔外. 为简单 起见 ,这里仅考虑解吸阀门、管道及消声装置的阻力 而忽略分子筛的阻力. 设反吹中断前吸附塔进料端 重组分的体积分数为 yb ,当吸附塔中压力降至与环 境压力 PL 相等时 ,重组分的体积分数为 yb0 ,由平衡 吸附理论 [ 6, 8 ]可知 : yb0 yb = 1 - yb0 1 - yb β ξ1 -β (2) 式中 ,ξ为 Ppg /PL ( Ppg为反吹压力 ). 由于 ξ> 1而 1 >β> 0,因此 yb0大于 yb . 在压力下降过程中 ,吸附 塔中压力介于 Ppg和 PL 之间 ,所以重组分的平均体 积分数为 yb0和 yb 之间的某一值 ym ,很显然 ym 也大 于 yb . 在反吹阀重新开启时 ,吸附塔中压力上升 ,在 PL 上升到 Ppg的过程中 ,重组分的平均体积分数也 同样大于 yb ,因此在反吹中断过程及随后吸附塔中 压力上升过程内 ,排出吸附塔的杂质气体中的重组 分的体积分数更高 ,即解吸更为彻底. 因此 ,与连续反吹相比 ,如果用相同物质量的产 品气反吹 ,不连续反吹可以促使解吸程度增加 ,如果 解吸到相同的程度 ,则能节省一定的反吹气量 ,从而 使回收率增加. 2 实验 211 实验设备 图 1为实验系统示意图. 经过一定处理后的压 缩空气通过进气电磁阀进入吸附塔进行分离 ;分离 出来的氧气部分通过单向阀进入储氧罐 ,另一部分 通过反吹阀和节流孔后进入低压吸附塔置换并吹扫 吸附剂中的杂质气体 ;以氮气为主的杂质气通过解 吸电磁阀和排气消声器排入大气中. 1—尘埃过滤器 ; 2—进气消声器 ; 3—压缩机 ; 4—油水过滤器 ; 5—玻璃转子流量计 ; 6—空气储罐 ; 7～12—电磁阀 ; 13—节流 孔 ; 14—吸附塔 A; 15—吸附塔 B; 16, 17—单向阀 ; 18—储氧罐 ; 19, 20—节流阀 ; 21—氧分析仪 ; 22—湿式流量计 ; 23, 24—压力 传感器 ; 25—排气消声器 图 1 实验系统示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the experimental system 空气压缩机流量为 911L·m in - 1 ;吸附塔的内径 ·664·
第5期 刘应书等：变压吸附制氧过程中不连续反吹对回收率的影响 665· 为36mm,高145mm 每次反吹过程中不连续反吹的总时间与连续反吹总 主要测量工具有：一个玻璃转子流量计，一台湿 时间相等不连续反吹步骤的总时间大于连续反吹 式流量计，一台氧化锆微量氧分析仪(0·101T 步骤的总时间)，研究反吹中断次数和反吹中断时 型)，两个压力传感器(MPX5700D).氧分析仪和压 间对氧气回收率和氧气体积分数的影响：②反吹中 力传感器的电压信号通过采集卡转化成数字信号输 断次数或反吹中断时间发生变化时，对不连续反吹 入计算机，计算机每0.02s采集一个数据 的反吹总时间进行重新调整，使氧气回收率或氧气 2.2实验内容及方法 体积分数在该反吹中断次数和中断时间下达到最 图2为本文所采用的变压吸附制氧循环.每个 大值 吸附塔的循环步骤相同，包括产品气（氧气）与原料 3实验结果及讨论 气空气)同时升压1、原料气升压、吸附、顺向放 压、逆向放压和反吹等几个循环步骤 3.1反吹中断次数对氧气回收率和体积分数的 产品 产品 影响 气升压 顺向放压 反吹气升压 当氧气体积分数为90%，反吹中断时间为0.3s 时，反吹中断次数对氧气回收率的影响如图3(a)所 示.当氧气回收率为35.3%，反吹中断时间为0.3s 时，反吹中断次数对氧气体积分数的影响如图3(b) 原料原料 吸附 逆向放压 原料 所示.其中反吹中断次数为0时代表连续反吹 气升压气升压 气升压 产品 图3中“▲所在曲线表示在反吹中断次数发 顺向放压 反吹气升压 顺向放压 生变化时，不连续反吹的总反吹时间（反吹阀在反 吹过程中实际开启时间的总和)与连续反吹的总反 吹时间相等，均为2.1s而“●所在曲线表示反吹 中断次数改变时，对反吹时间进行优化，使系统回收 原料原料 逆向放压 气升压气升压 吸附 率或氧气体积分数在该反吹中断次数下达到最大. 对反吹时间进行优化后，反吹中断一次、两次和三 图2变压吸附制氧实验循环过程 次所对应的总反吹时间分别为1.8s1.7s和1.7s, Fig 2 Expermental cycle piocess of pressure sving adsorption 即总反吹时间比连续反吹的总时间略短，从而节省 在实验过程中，首先采取连续反吹的方式，调节 了部分反吹气量.不连续反吹中每段反吹时间安排 各种循环参数，产品气中氧气的体积分数保持在 如下：当反吹中断次数为两次时，第1段反吹时间为 90%不变，使回收率达到最大值.然后在循环周期、 0.9s,第2段反吹时间为0.8s而当反吹中断次数 产品气和原料气升压时间等循环参数和各种结构参 为3时，第1段、第2段和第3段的反吹时间分别为 数不变的前提下，研究不连续反吹对氧气回收率和 0.6s0.6s和0.5s从图3可看出，氧气回收率和 氧气体积分数的影响.本文分如下两种情况研究不 体积分数随反吹中断次数先增加而后减少，当反吹 连续反吹对氧气回收率和氧气体积分数的影响：① 中断次数为2时，氧气回收率和氧气体积分数均达 395 93.5r (a) ●---● 92.5 38.5 91.5 37.5 回 90.5 36.5 -▲-反吹时向优化前 -▲-反吹时问优化前 一●一反吹时间优化后 -●一反吹时间优化后 89.5 35.5 2 中断次数 中断次数 图3反吹中断次数对氧气回收率()和氧气体积分数(b)的影响 Fig 3 Influence of interrupt frequency on the oxygen recovery (a)and volume fraction (b)
第 5期 刘应书等 : 变压吸附制氧过程中不连续反吹对回收率的影响 为 36mm,高 145mm. 主要测量工具有 :一个玻璃转子流量计 ,一台湿 式流量计 , 一台氧化锆微量氧分析仪 ( ZO·101T 型 ) ,两个压力传感器 (MPX5700D ). 氧分析仪和压 力传感器的电压信号通过采集卡转化成数字信号输 入计算机 ,计算机每 0102 s采集一个数据. 212 实验内容及方法 图 2为本文所采用的变压吸附制氧循环. 每个 吸附塔的循环步骤相同 ,包括产品气 (氧气 )与原料 气 (空气 )同时升压 [ 10 ]、原料气升压、吸附、顺向放 压、逆向放压和反吹等几个循环步骤. 图 2 变压吸附制氧实验循环过程 Fig. 2 Experimental cycle p rocess of p ressure swing adsorp tion 图 3 反吹中断次数对氧气回收率 ( a)和氧气体积分数 ( b)的影响 Fig. 3 Influence of interrup t frequency on the oxygen recovery ( a) and volume fraction ( b) 在实验过程中 ,首先采取连续反吹的方式 ,调节 各种循环参数 ,产品气中氧气的体积分数保持在 90%不变 ,使回收率达到最大值. 然后在循环周期、 产品气和原料气升压时间等循环参数和各种结构参 数不变的前提下 ,研究不连续反吹对氧气回收率和 氧气体积分数的影响. 本文分如下两种情况研究不 连续反吹对氧气回收率和氧气体积分数的影响 : ① 每次反吹过程中不连续反吹的总时间与连续反吹总 时间相等 (不连续反吹步骤的总时间大于连续反吹 步骤的总时间 ) ,研究反吹中断次数和反吹中断时 间对氧气回收率和氧气体积分数的影响 ; ②反吹中 断次数或反吹中断时间发生变化时 ,对不连续反吹 的反吹总时间进行重新调整 ,使氧气回收率或氧气 体积分数在该反吹中断次数和中断时间下达到最 大值. 3 实验结果及讨论 311 反吹中断次数对氧气回收率和体积分数的 影响 当氧气体积分数为 90% ,反吹中断时间为 013 s 时 ,反吹中断次数对氧气回收率的影响如图 3 ( a)所 示. 当氧气回收率为 3513% ,反吹中断时间为 013 s 时 ,反吹中断次数对氧气体积分数的影响如图 3 ( b) 所示. 其中反吹中断次数为 0时代表连续反吹. 图 3中“▲”所在曲线表示在反吹中断次数发 生变化时 ,不连续反吹的总反吹时间 (反吹阀在反 吹过程中实际开启时间的总和 )与连续反吹的总反 吹时间相等 ,均为 211 s;而“●”所在曲线表示反吹 中断次数改变时 ,对反吹时间进行优化 ,使系统回收 率或氧气体积分数在该反吹中断次数下达到最大. 对反吹时间进行优化后 , 反吹中断一次、两次和三 次所对应的总反吹时间分别为 118 s、117 s和 117 s, 即总反吹时间比连续反吹的总时间略短 ,从而节省 了部分反吹气量. 不连续反吹中每段反吹时间安排 如下 :当反吹中断次数为两次时 ,第 1段反吹时间为 019 s,第 2段反吹时间为 018 s;而当反吹中断次数 为 3时 ,第 1段、第 2段和第 3段的反吹时间分别为 016 s、016 s和 015 s. 从图 3可看出 ,氧气回收率和 体积分数随反吹中断次数先增加而后减少 ,当反吹 中断次数为 2时 ,氧气回收率和氧气体积分数均达 ·665·
·666= 北京科技大学学报 第32卷 到最大 时，反吹中断时间对氧气回收率的影响如图4(a)所 3.2反吹中断时间对氧气回收率和氧气体积分数 示.当氧气回收率为35.3%，反吹中断次数为2次 的影响 时，反吹中断时间对氧气体积分数的影响如图4(b) 当氧气体积分数为90%，反吹中断次数为2次 所示 39.5r 93.5m La) 92.5 38.5 915 37.3 90.5 一●一反吹时间优化后 一●一反吹时间优化后 一▲一反吹时间优化前 89.5 一▲一反吹时间优化前 35.5 0 0.1 0.20.3 0.4 0.10.20.3 0.4 中断时间s 中断时间s 图4反吹中断时间对氧气回收率(a)和氧气体积分数(b)的影响 Fig 4 Influence of interrupt tme on the oxygen recovery (a)and volume fraction (b) 从图4可知：氧气回收率和氧气体积分数均随 数从连续反吹时的89.4%增加到93.0%，增幅达 反吹中断时间的增加先增加后减少，当反吹中断时 4.0% 间为0.3s时，氧气回收率和氧气体积分数均达到最 4结论 大；且对反吹时间进行优化后，氧气回收率与体积分 数更高.在本文所述的实验条件下，连续反吹的总 (1)在反吹步骤中采取由适当的中断次数和中 时间为2.1s,而反吹中断时间为0.1、0.2、0.3和 断时间构成的不连续反吹，可以显著提高变压吸附 0.4s时，最佳的反吹总时间分别为1.9、1.7、1.7和 制氧系统的回收率和氧气体积分数. 1.8s反吹中断时间为0.2和0.3s时，反吹总时间 (2)优化反吹中断次数和中断时间，可以使回 最短，比连续反吹时减少了0.4s这也充分说明，不 收率和氧气体积分数达到最大值.在本实验条件 连续反吹将使解吸更为彻底，节省了部分反吹气量. 下，当反吹中断次数为2次、反吹中断时间为0.3s 当反吹中断时间为0.3s时，氧气回收率和氧气 时，不连续反吹使氧气回收率从连续反吹时的 体积分数最大的原因为：反吹阀关闭后需要一段时 35.9%增加到39.2%（增幅9.2%），氧气体积分数 间才能使吸附塔中的压力降到与环境压力相等，同 从连续反吹时的89.4%增加到93.0%（增幅 时氧气充分置换吸附剂中氮气也要一段很短的时 4.0%) 间，因此不连续反吹时需要足够的反吹中断时间才 能使系统性能达到较为理想的结果.但是，反吹中 参考文献 断时间过长时，同过多增加反吹中断次数一样，会降 [1 Rousar L,Pavel D.Pressure sing adsorption:Analytical solution 低第1段反吹过程中高压吸附塔中的吸附压力，影 for optmum purge Chem Eng Sci,1993,48(4):723 响制氧设备吸附分离效果，从而使氧气回收率和氧 [2]Sung-sup S,W ankat P C A new pressure swing adsorption process for high enrichment and recovery Chen Eng Sci,1989,44(3): 气体积分数减少 567 由图3和图4可知：当反吹中断次数为2，反吹 [3]Shin H S,Knaebel K S Pressure sving adsoption:a theoretical 中断时间为0.3s时，与连续反吹比，不连续反吹使 study of diffuson-induced separations 4ChE J,1987,22(1):654 氧气回收率和氧气体积分数都有较大幅度的增加， [4]MatzM J,Knaebel K S Pressure swing adsotion:effects of in- 对反吹时间进行优化前，不连续反吹使氧气回收率 comp lete purge AChE J,1988,34(9):1486 从连续反吹时的36.0%增加到37.9%，最大增幅为 [5]Jain S,Moharir A S,Li P,et al Heuristic design of pressure 5.3%,使氧气体积分数从连续反吹时89.5%增加 swing adsoption:a prelm inary study.Sep Purif Technol,2003, 33:25 到92.1%，最大增幅为2.9%；对反吹时间进行优化 (6]Chiang A S T An analytical soluton p equilibrium PSA cycles 后，不连续反吹使氧气回收率从连续反吹时的 Chen Eng Sci,.1995,51(2):207 35.9%增加到39.2%，增幅为9.2%，使氧气体积分 (下转第690页)
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 到最大. 312 反吹中断时间对氧气回收率和氧气体积分数 的影响 当氧气体积分数为 90% ,反吹中断次数为 2次 时 ,反吹中断时间对氧气回收率的影响如图 4 ( a)所 示. 当氧气回收率为 3513% ,反吹中断次数为 2次 时 ,反吹中断时间对氧气体积分数的影响如图 4 ( b) 所示. 图 4 反吹中断时间对氧气回收率 ( a)和氧气体积分数 ( b)的影响 Fig. 4 Influence of interrup t time on the oxygen recovery ( a) and volume fraction ( b) 从图 4可知 :氧气回收率和氧气体积分数均随 反吹中断时间的增加先增加后减少 ,当反吹中断时 间为 013 s时 ,氧气回收率和氧气体积分数均达到最 大 ;且对反吹时间进行优化后 ,氧气回收率与体积分 数更高. 在本文所述的实验条件下 ,连续反吹的总 时间为 211 s,而反吹中断时间为 011、012、013 和 014 s时 ,最佳的反吹总时间分别为 119、117、117和 118 s. 反吹中断时间为 012和 013 s时 ,反吹总时间 最短 ,比连续反吹时减少了 014 s. 这也充分说明 ,不 连续反吹将使解吸更为彻底 ,节省了部分反吹气量. 当反吹中断时间为 013 s时 ,氧气回收率和氧气 体积分数最大的原因为 :反吹阀关闭后需要一段时 间才能使吸附塔中的压力降到与环境压力相等 ,同 时氧气充分置换吸附剂中氮气也要一段很短的时 间 ,因此不连续反吹时需要足够的反吹中断时间才 能使系统性能达到较为理想的结果. 但是 ,反吹中 断时间过长时 ,同过多增加反吹中断次数一样 ,会降 低第 1段反吹过程中高压吸附塔中的吸附压力 ,影 响制氧设备吸附分离效果 ,从而使氧气回收率和氧 气体积分数减少. 由图 3和图 4可知 :当反吹中断次数为 2,反吹 中断时间为 013 s时 ,与连续反吹比 ,不连续反吹使 氧气回收率和氧气体积分数都有较大幅度的增加 ; 对反吹时间进行优化前 ,不连续反吹使氧气回收率 从连续反吹时的 3610%增加到 3719% ,最大增幅为 513% ,使氧气体积分数从连续反吹时 8915%增加 到 9211% ,最大增幅为 219% ;对反吹时间进行优化 后 ,不连续反吹使氧气回收率从连续反吹时的 3519%增加到 3912% ,增幅为 912% ,使氧气体积分 数从连续反吹时的 8914%增加到 9310% ,增幅达 410%. 4 结论 (1) 在反吹步骤中采取由适当的中断次数和中 断时间构成的不连续反吹 ,可以显著提高变压吸附 制氧系统的回收率和氧气体积分数. (2) 优化反吹中断次数和中断时间 ,可以使回 收率和氧气体积分数达到最大值. 在本实验条件 下 ,当反吹中断次数为 2次、反吹中断时间为 013 s 时 ,不连续反吹使氧气回收率从连续反吹时的 3519%增加到 3912% (增幅 912% ) ,氧气体积分数 从连 续 反 吹 时 的 8914% 增 加 到 9310% (增 幅 410% ). 参 考 文 献 [ 1 ] Rousar I, Pavel D. Pressure swing adsorp tion: Analytical solution for op timum purge. Chem Eng Sci, 1993, 48 (4) : 723 [ 2 ] Sung2sup S,Wankat P C. A new p ressure swing adsorp tion p rocess for high enrichment and recovery. Chem Eng Sci, 1989, 44 ( 3) : 567 [ 3 ] Shin H S, Knaebel K S. Pressure swing adsorption: a theoretical study of diffusion2induced separations. A IChE J, 1987, 22 (1) : 654 [ 4 ] MatzM J, Knaebel K S. Pressure swing adsorp tion: effects of in2 comp lete purge. A IChE J , 1988, 34 (9) : 1486 [ 5 ] Jain S, Moharir A S, Li P, et al. Heuristic design of p ressure swing adsorp tion: a p reliminary study. Sep Purif Technol, 2003, 33: 25 [ 6 ] Chiang A S T. An analytical solution to equilibrium PSA cycles. Chem Eng Sci, 1995, 51 (2) : 207 (下转第 690页 ) ·666·
·690· 北京科技大学学报 第32卷 a high-rise building structure J Sichuan Un Eng Sci Ed,2007, nobgy,2007 22(6):50 任智飞.型钢混凝土框架钢筋混凝土核心筒混合结构体系 (施卫星，丁美，成广伟，等.超限高层建筑整体模型模拟地震 竖向变形差研究[学位论文】西安：西安建筑科技大学， 振动台试验研究.四川大学学报：工程科学版，2007,22(6)： 2007) 50) [8]Zhao X L Dmension Eror Study on Shaking Table Test of Steel- [6]Jiang Y,Wang C K,Xiao C Z,et al Shaking table testing study Concrete M ired S tnictres[D issertation.Shanghai:TongjiUniver on a high-rise building model structure with serous irregularity siy,2007 Bulid Sci,2005,21(1):19 (赵雪莲.钢一混凝土混合结构振动台试验模型尺寸误差研究 (羡鋆，王翠坤，肖从真，等.一幢特别不规则高层建筑结构模 学位论文1上海：同济大学，2007) 型的振动台试验研究.建筑科学，2005,21(1)：19) [9]Shen D J,Lu X L.Research advances on smulating earthquake [7]Wang Z.F.Study on the D ifferential Shortening on Hybrid Structure shak ing tables and model test Stnct Eng,2006,22(6):55 of Steel Reinfored Concrele and Reinforced Concrete CoreWall (沈德建，吕西林地震模拟振动台及模型试验研究进展.结 [Dissertation ]Xian:Xian University of A rchitecture and Tech- 构工程师，2006,22(6)：55) (上接第666页) [7]Zhang YM,Wu Y Y,GongJ Y,et al The expermental study 参数实验研究.北京科技大学学报，2004,26(1)：110) on the perfomance of a sall-scale oxygen concentration by PSA. [9]Knaebel K S,Kill F B.Pressure sing adsorption:develpmentof Sep Purif Technol,2005,42:123 an equilibrium theory for gas separations Chen Eng Sci,1985, [8 Liu Y S,Cui H S,Yue K,et al Expermental study on operating 40:2351 parameters of a pecial m iniature PSA oxygen concentratorr [10]Bemard TN,James S,Nandrew CR,et al PSA pocess for oo- SARS patients J Univ Sci Technol Beijing,2004,26(1):110 producing nitogen and oxygen:Canada Patent,2462308A 1. (刘应书，崔红社，乐凯，等.SARS患者专用微型制氧机工艺 2003-04-10
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