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变压吸附制氮机(制氧机)微型化研究

变压吸附(PSA)制氧属于常温物理制氧,与
传统的低温法制氧相比具有灵活性好、流程简单、
初期投资少、能耗低、运行成本低和自动化程度高
等优点, 已经广泛应用于冶金、化工、医疗、环
保、人工环境以及国防等多个领域。目前,变压吸
附制氧正在向大容量技术、微型制氧技术和高浓度
氧技术三大方向发展。由于微型变压吸附制氧在医
疗保健、家庭氧疗、环境增氧、高原补氧、科研氧
源以及养殖业用氧等多个领域有着广泛的应用前
景,并越来越得到重视,成为研究开发的活跃领
域?。微型变压吸附制氧主要应用于家庭、宾馆和
医院等场所。因此,减小体积、减轻重量和降低噪
声成了微型变压吸附制氧研究的重要方向。本文就
如何减小其体积进行探讨。
1 微型变压吸附制氧原理与特点
变压吸附制氧是利用空气中的氧气和氮气在吸
附剂上的吸附容量、吸附速度和吸附力等方面的差
异及吸附剂对氧、氮随压力不同具有不同的吸附容
量的特性,实现氧气分离制取的。微型变压吸附制
氧流程如图1所示。
图1 微型变压吸附制氧流程
l一过滤器2一压缩机3一冷却器
4一电磁阀5一消声器6、7一吸附塔
8一三通阀 9一储气罐 l0一流量计
10
9
空气经过滤器净化后进人压缩机,经压缩机升
压后进入冷却器冷却,冷却后的压缩空气由控制阀
进入吸附塔(塔内装有沸石分子筛)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,一部分对另一吸附塔进行反吹清洗;而氮气
及其他组分在解吸时经消声器排人大气。为了使氧
气更适宜呼吸,一般在制氧机中都装有润湿瓶,有
的制氧机还可以根据用户的需要安装雾化、遥控、
定时以及Ic卡计费装置,使用更加方便。
微型变压吸附制氧以空气为原料,以电力为能
源,采用物理吸附制氧,与氧气瓶、氧气袋和化学
产氧器相比,具有安全可靠、使用方便和经济实惠
的特点 。]。
由于微型变压吸附制氧机的原料是空气,制氧
过程中无化学反应,其产品气中也无新的易燃、易
爆及有毒物质;同时,制氧机只有在制氧过程中才
处于有压状态,且压力远远低于氧气瓶内的压力。
故此,微型变压吸附制氧机在安全方面优于化学制
氧机等其他制氧装置。
微型变压吸附制氧机以电作为唯一的能源,接
通电源后几分钟即可生产出浓度高于90% 的氧气;
并且,制氧机可以24h连续运转。制氧期间既不需
要定期添加制氧剂,也不必定期充灌,使用起来非
常方便。
对于需要长期用氧的用户来说,微型变压吸附
制氧机相当经济。由于制氧机工作时仅仅消耗电
能,除初期投资外,其运行费用只有电费。以功率
为300W 的某3lMmin的制氧机为例,每使用1h仅
耗电0.3kW,若电费按1元/(kW·h)计,则每1h
仅需0.3元。
2 变压吸附制氧机微型化
微型变压吸附制氧机工艺流程中最大、最重的
元件是压缩机和吸附塔,而压缩机的体积和重量直
接与压缩机的功率相关,功率越大,体积和重量就
越大,噪声也越高。因此,要减小制氧机的体积和
重量就要从减小压缩机功率和降低吸附塔高度两方
面人手。
2.1 选用高性能分子筛
目前变压吸附制氧用吸附剂主要为5A沸石分
子筛和13X分子筛及基于两者基础之上的改性吸
附剂。研究发现 ],LiX沸石分子筛作吸附剂对氮
气的吸附容量比用NaX (13X)沸石分子筛的吸附
容量高出50% ,分离系数从13X分子筛的3倍提
高到7倍,采用5步循环工艺制氧,制得的氧气浓
度为90% 以上时, 回收率高达70% ,能耗降低
50% 。同时,使用LiX沸石分子筛作吸附剂吸附压
力比可以降低至2,而采用5A沸石分子筛或13X
分子筛作吸附剂,压力比一般高于4,低于此值时
氧气纯度会迅速下降。因此,选用吸附性能优越的
分子筛可以减少其用量,降低空氧比、吸附压力与
能耗,从而降低吸附塔高度与压缩机功率,进而减
小制氧机的体积与重量。
用于制备医用氧气的两种分子筛的主要参数见
表1。由表1可知,在1个大气压下,FZS2的氮气
静态吸附量是FZS1的2.375倍,FZS2对N /O2的
选择性约为FZS1的两倍;同时,FZS2的吸附压力
低于FZS1的吸附压力。两种分子筛的吸附等温线
如图2、图3所示。
由图2和图3可以看出, 压力在0.1~
0.275MPa之间时,FZs2的氮气吸附等温线比FZS1
的氮气吸附等温线斜率大。当分子筛量一定时,
FZS2每次循环的产氧量(假定吸附压力均为
0.275MPa)是FZS1的1.55倍。由以上分析可知,
采用FZS2进行空气分离制氧比采用FZS1减少约
表1 分子筛性能参数表
吸附压力 氮气静态吸附 分子筛名称 组 成 N2/o2选择性 颗粒尺寸 堆积密度


绝对值/MPa (O.1MPa/25℃) t0.1MPa/25T;) /mm / (kg/L)
FzSl 13X型钠/钙硅酸盐医用沸石(10A) O.27 >8NL/kg 3.1土O.2 O.63±0

.07 O.6l土O.02
FzS2 13LiX型锂及稀土硅酸盐医用沸石(10A) O.24 >19NL/kg >6 O.6l—O.

65 O.65一O.7
绝对压力/gPa
图2 FZS1的吸附等温线
绝对压力/MPa
图3 FZS2的吸附等温线
4
30%的分子筛量,从而降低吸附塔高度,并可以减
小空氧比,降低吸附压力,进而降低压缩机功率。
2.2 改进工艺流程
R.Banerjee等人 利用炯分析的方法研究了无
均压步骤和有均压步骤的PSA过程。研究发现,
在其研究条件下,有均压步骤流程的最佳切换压
力、压缩机功损、床层功损、有效能效率和产品回
收率分别是无均压步骤的0.25倍、0.24倍,0.16
倍、2.82倍和2.06倍。说明增加均压步骤可以有
效降低能耗,减小空氧比,提高回收率,进而降低
压缩机功率,减少分子筛用量,从而减小制氧机的
体积与重量。
均压工艺在普通的变压吸附装置中已经普遍应
用,但是,多电磁阀控制的出气均压工艺会使流程
复杂化,阀门数量增多,成本大大增加,其市场竞
争力减弱。同时,进气均压工艺由于受阀门技术的
限制,在很长一段时间没有采用。随着阀门技术和
阀门质量的提高,目前已经实现单一电磁阀控制的
进气均压流程。
进气均压的微型变压吸附制氧工艺循环步骤
为:升压吸附一均压降压一降压清洗一均压升压。
若无均压工艺,吸附塔完成吸附后,塔内的高压气
体直接排人大气,这部分气体的能量没有被利用,
并且,吸附塔进口处没有吸附的空气也没有得到利
用,因此,这种工艺的能耗较高,氧气的回收率较
低。而有均压的4步循环流程中,完成吸附的吸附
塔内高压气体所具有的能量一部分通过均压过程进
入另一吸附塔得到利用,并且吸附塔进口处未被吸
附的空气进入另一吸附塔重新分离。因此,有均压
步骤的工艺流程能耗低,氧气的回收率高,空氧比
小,从而降低了压缩机的功率。
笔者采用实验的手段研究了微型变压吸附制氧
进气均压工艺 ]。氧气浓度随均压时间的变化曲
线如图4所示。
、、
图4 均压时间对氧气浓度的影响
图4显示,随着均压时间的增加,氧气浓度迅
速增加,到达最高值后又逐渐降低。图4说明对于
微型变压吸附制氧工艺,设置恰当的均压时间可以
有效提高氧气的浓度。无均压和相对均压时间为6
时,吸附塔进、出口的压力变化曲线如图5、6所
示。实验时保持循环切换压力不变,每两次取压时
刻的时间间隔相同。在图6中,吸附塔压力升高变
卜令兵,刘应书,刘文海等:变压吸附制氧机微型化研究 。19 。
得平缓的点对应的时刻为均压结束时刻。对比图
5、6可知,均压阶段吸附塔压力上升迅速,图6
中均压结束时,吸附塔进口处压力约0.073MPa;
达到相同的切换压力均压流程所用时间大大减少,
这说明有均压步骤的微型变压吸附制氧工艺可以起
到很好的节能效果;升压吸附阶段,有均压步骤的
工艺流程的吸附塔内平均压力比无均压步骤工艺的
要高。微型变压吸附制氧工艺都是常压解吸,升压
吸附过程平均压力高,意味着吸附与解吸的压差
大,这有利于氧氮分离。

图5 压力变化曲线I
取压时刻
图6 压力变化曲线Ⅱ
2.3 改进吸附塔结构
微型变压吸附制氧机吸附塔的结构如图7所
示。3块分流板将吸附塔分成4部分:进口空间、
氧化铝、分子筛以及出口空间。其中,吸附塔进口
空间的主要作用在于平均分配原料气,防止产生流
动死空间,有效发挥分子筛的作用,并能阻止由下
至上的原料气未经吸附直接穿透床层而降低产品气
浓度;氧化铝是干燥剂,用来除去空气中的水分,
为了使进入分子筛的空气干燥,就要保证氧化铝的
量,否则,分子筛会因吸水而降低吸附性能;分子
筛的装填量是影响产品气浓度的关键因素,分子筛
越多,氧气的产量与浓度越高,但这会使制氧机体
积增加;吸附器出口空间可以存储高浓度产品气,
对反吹过程起到一定的作用。文献[8]对吸附塔
结构进行了深入的试验研究,其所考查的因素对产
品气浓度的影响由大到小顺序依次为氧气产量、出
口空间高度、进口空间高度、吸附周期。在其实验
条件下吸附塔两端的空隙高度由原来的40mm增加
到70mm 和lOOmm,分子筛量分别减少9.1% 和
18.2%的情况下,产品气的浓度仅下降了1.1% ,
还能达到92% 以上。这说明吸附塔结构改进的潜
力很大,是降低吸附塔高度、减小制氧机体积的可
能途径。

图7 吸附塔内部结构
1一沸石分子筛2一Al2 o3干燥剂
减小吸附塔高度的另一个途径是减小吸附塔的
高径比,即增大吸附塔的直径。分子筛的数量是影
响产氧量的最重要因素,故此在一定的产氧量条件
下,要保证氧气浓度就要保证一定数量的分子筛,
而微型变压吸附制氧系统吸附塔的高径比要在一定
的范围之内。在产氧量一定的情况下,氧气浓度随
高径比的增加先增加后减小 。故此通过减小吸附
塔的高径比来降低吸附塔的高度空间是有限的。
对于双塔微型变压吸附制氧系统,在保证吸附
塔高径比的情况下大幅度降低吸附塔高度可以通过
套筒式吸附塔来实现¨。。,套筒式吸附塔内部结构
如图8所示。该结构相当于把两个吸附塔串联并成
u字型排列,使得其高径比较大,从而实现了保证
高径比的前提下大大降低吸附塔高度的目的。同
时,该结构使气体通过由吸附器内筒到外筒之间流
动的方式,弱化边壁效应,提高吸附器内压力,从
而增加分子筛利用率,减少分子筛使用量。
图8 套筒式吸附塔内部结构
l—AJ:03干燥剂2一沸石分子筛
由于要保证吸附塔的高径比,不管采用单筒式
还是采用套筒式吸附塔,传统的双塔变压吸附制氧
系统的吸附塔高度降低始终受到一定的限制,微型
化的空间有限。采用多吸附柱的吸附塔结构可以从
根本上突破此瓶颈。多吸附柱的吸附结构,既保证
了每根吸附柱的高径比,又保证了分子筛的装填
量,并从根本上突破了两塔的高度局限,是微型化
的一个很好的研究方向。
2.4 改进制氧机的结构
微型变压吸附制氧机可以划分为:气源系统、
分离系统、控制系统和产品系统4个子系统。其
中,气源系统包括过滤器、压缩机和冷却器;分离
系统包括吸附塔、三通阀和消声器;控制系统包括
电磁阀、控制板;产品系统包括储气罐、流量计和
润湿瓶。
普通的微型变压吸附制氧机把4个子系统放在
一起组成一个完整的制氧系统。为了减小制氧机在
室内的空间,可以将制氧系统分成两个模块:室内
机与室外机,采用这种结构的制氧机称为分体式制
氧机。室外机包括气源系统,而室内机包括分离系
统、控制系统和产品系统,室内机与室外机通过输
气管和控制线相连。这种制氧机将发声的设备放在
室外,从根本上消除了噪声,并使室内部分的体积
大为减小。
分体式制氧机还可以将气源系统、分离系统、
控制系统和解吸系统做成室外机,将产品系统和控
制系统的启动开关做成室内机。这种分体式制氧机
彻底解决了制氧机的体积、重量(室内部分)和噪
声问题 。
2.5 降低产品气的浓度标准
微型制氧机主要用于氧疔和氧保健,用于氧疔
的氧气浓度必须达到国家药典的不低于90% (体
积分数)的要求 。用于氧保健的氧气浓度要求
较低,30% 一40% 的氧浓度即可满足氧保健需要。
目前,采用膜技术产氧的制氧机生产的氧气浓度一
般在40% ,也有氧气浓度为30% 的氧保健专用变
压吸附制氧机。
微型变压吸附制氧机中分子筛的数量与产氧量
(纯氧)基本呈正比关系, 因此若将浓度降为
30% ,分子筛的量也可以降为1/3,吸附塔的高度
可以大大降低。同时,由于产品气纯度的降低,所
需原料气量也大大减少,系统能耗降低,所需压缩
机功率将大幅度降低。因此,采用降低产品气浓度
的方法可以起到很好的微型化效果。某氧保健制氧
机与某氧疗制氧机的主要参数比较见表2。由表2
可知,降低产品气浓度标准的制氧机体积、重量及
能耗都大幅度降低,并达到了微型化的要求,同时
可以满足氧保健的需要。
高氧气的回收率,从而减小压缩机功率,进而减小
制氧机体积。
(3)吸附塔的装填结构、套筒式吸附塔和多吸
附柱吸附塔是微型化的重要研究方向。
(4)通过将单体式制氧改为分体式制氧,可以
大大减小制氧机在室内的体积,甚至可以达到室内
“零”体积,并可以实现室内无噪声、无污染。
(5)降低产品气浓度标准,可以很大程度地减
小制氧机体积与重量,也是微型化的重要研究方
向。
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