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變壓吸附空氣分離制氧原理

2014-03-25

??? 空氣中的主要組份是氮和氧，通過選擇對氮和氧具有不同吸附選擇性的吸附劑，設計適當?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，因此氮氣在沸石分子篩上的吸附能力比氧氣強（氮與分子篩表面離子的作用力強）。因此，當空氣在加壓狀態(tài)下通過裝有沸石分子篩吸附劑的吸附床時，氮氣被分子篩吸附，氧氣因吸附較少，在氣相中得到富集并流出吸附床，使氧氣和氮氣分離獲得氧氣。當分子篩吸附氮氣至接近飽和后，停止通空氣并降低吸附床的壓力，分子篩吸附的氮氣可以解吸出來，分子篩得到再生并重復利用。兩個以上的吸附床輪流切換工作，便可連續(xù)生產出氧氣。
??? 氬氣和氧氣的沸點接近，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。
??? 變壓吸附空分制氧裝置工藝簡述
??? 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操作步驟：吸附和解吸。因此，當只有一個吸附床時，產品氧氣的獲得是間斷的。為了連續(xù)獲得產品氣，通常在制氧裝置中一般都設置兩個以上的吸附床，并且從節(jié)能降耗和操作平穩(wěn)的角度出發(fā)，另外設置一些必要的輔助步驟。
??? 每個吸附床一般都要經歷吸附、順向放壓、抽空或減壓再生、沖洗置換和均壓升壓等步驟，周期性地重復操作。在同一時間，各個吸附床則分別處于不同的操作步驟，在計算機的控制下定時切換，使幾個吸附床協(xié)同操作，在時間步伐上則相互錯開，使變壓吸附裝置能夠平穩(wěn)運行，連續(xù)獲得產品氣。
??? 根據(jù)解吸方法的不同，變壓吸附制氧又分為兩種工藝：
??? 1、PSA工藝：加壓吸附（0.2～0.6MPa）、常壓解吸。投資小、設備簡單，但能耗高，適用于小規(guī)模制氧的場合。
??? 2、VPSA工藝：常壓或略高于常壓（0～50KPa）下吸附，抽真空解吸。設備相對復雜，但效率高、能耗低，適用于制氧規(guī)模較大的場合。
??? 對于實際的分離過程，還必須考慮空氣中的其它微量組份。二氧化碳和水份在通常的吸附劑上的吸附能力一般要比氮和氧都大得多，可在吸附床內填加合適的吸附劑（或利用制氧吸附劑自身）使其被吸附清除。制氧裝置所需的吸附塔數(shù)目取決于制氧規(guī)模、吸附劑性能和工藝設計思路，多塔操作時運行平穩(wěn)性相對更好一些，但設備投資較高。目前的趨勢是：使用高效制氧吸附劑、盡量減少吸附塔數(shù)量并采用短操作周期，以提高裝置的效率并盡可能節(jié)約投資。