（化学工程专业论文）新型紧凑结构四塔变压吸附空分制氧装置研究.pdf

中文摘要 本文提出了一种新型紧凑结构四塔变压吸附空分制氧装置，每个吸附塔由具 有片状构型的基本单元( 称作“塔片”) 组成，塔片的正面形状为圆形，塔片尺寸 为8 8 1 0 l o m m 。整个装置由四个这样的塔片上下叠放在一起，用法兰盖压紧 密封而成。 实验中以5 a 沸石分子筛为吸附剂，采用六步吸附工艺，即每个塔片都经历 吸附、均压、逆向放空、逆向冲洗、均压和充压步骤。首先测定了在吸附压力 0 6 m p a ，原料气流量分别为1i 0 5 8 s c c m 、1 6 3 6 2 s c c m 、2 1 6 6 6 s c c m 、2 6 9 7 0 s c c m 、 3 2 2 7 4 s c c m 、3 7 5 7 8 s c c m 、4 2 8 8 2 s e e m 条件下塔片的穿透曲线以及在原料气流 量2 1 6 6 6 s c c m ，吸附压力分别为0 3 m p a 、0 4 m p a 、0 5 m p a 、0 6 m p a 、0 7 m p a 、 0 8 m p a 条件下塔片的穿透曲线，由此确定本装置最佳的吸附压力为0 6 m p a ，最 佳原料气流量为2 6 9 7 s c c m 。其次分析了氧气浓度和回收率的影响因素，考察了 环境温度对氧气浓度、回收率、单位质量吸附剂产氧量以及体系能耗的影响，指 出环境温度对氧气的浓度、回收率、单位质量吸附剂产氧量和体系能耗影响比较 大，由此规定实验温度为1 8 5 。然后在室温1 8 5 下，分别研究了进气口均 压和出气口均压方式下吸附时间、均压时间、冲洗时间、冲洗气总量以及充压时 叫等各时间参数对氧气浓度和回收率的影响，结果表明，不管采用哪种均压方式， 最优时间参数都一样，即均压时间为5 s 、放空时间为3 0 s 、冲洗气量比为0 1 、 冲洗时间为6 s 、充压时间随吸附时间变化，但需要满足一定关系式。在时间参 数最优值下，对比了这两种均压方式下氧气的浓度和回收率，证明出气口均压方 式优于进气口均压方式。最后在室温1 8 5 和最佳操作时序下，测量了不同吸 附压力和吸附时间所对应的氧气的浓度、回收率、单位质量吸附剂的产氧量和体 系能耗，得到的结果是氧气浓度为4 0 7 0 ，回收率为1 5 3 0 ，单位质量吸 附剂产氧量为2 8 7 8 5 6 5 5n l h k g ( a d s o r b e n t ) 1 ，能耗值为0 ，8 6 2 1 9 7 k w h ( n m 3 0 2 ) 。这些证明了本文设计的这种紧凑结构变压吸附空分制氧装置 是可行的，为设计一种小型高能效制氧机提供了依据，这种制氧机可适用于燃料 汽车、家庭用氧和国防建设。 关键词：变压吸附紧凑结构5 a 沸石分子筛空分氧气 a b s t r a c t an e wc o m p a c tt y p e4 - b e dp r e s s u r e s w i n ga d s o r p t i o n ( p s a ) a p p a r a t u sw a s c o n s t r u c t e d e a c hb e di sar o u n ds l i c ew i t hd i a m e t e r8 8f o d ) 1 0a n dd e p t h1 0m m t h ef o u rs l i c eb e d sa r es t a c k e do n ea b o v et h eo t h e rb ya i r p r o o f e df l a n g e s t h e p e r f o r m a n c e o ft h en e w t y p ep s ae q u i p m e n tw a st e s t e do na i rs e p a r a t i o np r o d u c i n g o x y g e n z e o l i t e5 aw a su s e df o ra d s o r b e n ta n das i x s t e po p e r a t i o np r o c e s s w a s p l a n n e d ：a d s o r p t i o n ，p r e s s u r ee q u a l i z a t i o n ，c o u n t e r c u r r e n tb l o w d o w n ，c o u n t e r c u r r e n t p u r g e ；p r e s s u r ee q u a l i z a t i o n a n dr e p r e s s u r i z a t i o n t od e t e r m i n ea n a p p r o p r i a t e o p e r a t i o nc o n d i t i o n ，b r e a k t h r o u g h c n r v e sw e r ec o l l e c t e do nt h es e t u pu n d e rac o n s t a n t p r e s s u r e ( 0 6m p a ) f o r d i f f e r e n tf e e df l o w r a t e s ( 11 0 5 8s c c m 、1 6 3 6 2s c c m 、2 1 6 6 6 s c c m 、2 6 9 7 0s c c m 、3 2 2 7 4s c c m 、3 7 5 7 8s c c ma n d4 2 8 8 2s c c m ) a sw e l la su n d e r ac o n s t a n tf e e df l o w r a t e ( 2 1 6 6 6s c c m ) f o rd i f f e r e n to p e r a t i o np r e s s u r e s ( o 3 m p a 、 0 4 m p a 、o 5 m p a 、0 6 m p a 、0 7 m p aa n d 0 8 m p a ) i tw a sf o u n dt h eo p t i m a lo p e r a t i o n p r e s s u r ei so 6 m p a a n dt h eo p t i m a lf e e df l o w r a t ei s2 6 9 7 0s c c mw i t hr e s p e c tt ot h e c o n c e n t r a t i o na n dr e c o v e r yo fo x y g e n f u r t h e re x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u to n s t u d y i n gt h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ep u r i t ya n dr e c o v e r yo fo x y g e n t h ef i r s tf a c t o ri st h e e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e i tw a ss h o w nt h a te n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ee x e c sa g r e a te f f e c to no x y g e np u r i t ya n dr e c o v e r ya sw e l la sp r o d u c t i v i t ya n de n e r g yc o s t ； t h e r e f o r e ，t h et i m es p a no fe a c ho p e r a t i o ns t e pw a sd e t e r m i n e da t18 5 o fr o o m t e m p e r a t u r e t h eo p t i m a lt i m es p e c t r u md e t e r m i n e di s ：5 sf o rp r e s s u r ee q u a l i z a t i o n ， 3 0sf o rb l o w d o w n ，6sf o rp u r g ew i t l lp u r g i n gr a t i o ( p f ) o ，1 t h et i m es p a no f r e p r e s s u r i z a t i o ni sr e l a t e d t ot 1 1 ea d s o r p t i o nt i m ea n dm u s tf o l l o wc e r t a i nr u l e si tw a s e x p e r i m e n t a l l yp r o v e n t h a tt h eo p t i m a lt i m es p a nn e e d e df o re a c h s t e pd i dn o tc h a n g e w i t ht h ed i r e c t i o no f p r e s s u r ee q u a l i z a t i o n ，b u tp r e s s u r ee q u a l i z a t i o na tt h ee x i te n d s y i e l d e db e a e rr e s u l tt h a na tt h ee n t r a n c ee n d s t h ee f f e c to f p r e s s u r ea n dt i m es p a no f a d s o r p t i o no n t h ep u r i t ya n d r e c o v e r yo fo x y g e n a sw e l la so n p r o d u c t i v i t ya n de n e r g y c o s tw a ss t u d i e da t18 5 cw i t h p r e s s u r ee q u a l i z a t i o na tt h ee x i te n d s i tg a v er e s u l t s o f o x y g e np u r i t yi n4 0 7 0 ，r e c o v e r yi n1 5 3 0 ，a n de n e r g yc o s ti no 8 6 2 1 9 7 k w h ( n m 30 2 ) w i t hp r o d u c t i v i t yo f2 8 7 8 5 6 5 5n l ( 0 2 ) h ，k g ( a d s o r b e n t ) i t i sc o n c l u d e df r o mt h es t u d yt h a tt h en e w c o m p a c tt y p em u l t i - b e da d s o r b e ri sf e a s i b l e f o rp s ao p e r a t i o n i t p r o v i d e d a d e s i g np o s s i b i l i t y f o ras m a l lb u te f f i c i e n t o x y g e n p r o d u c i n gm a c h i n e ，w h i c hm a yh a v ei m p o r t a n ti m p l i c a t i o nf o rf u e lc e l l d r i v e nv e h i c l e s ，h e a l t hc a r ea n dm i l i t a r yp u r p o s e k e y w o r d s ：p r e s s u r es w i n ga d s o r p t i o n c o m p a c t a d s o r b e r 5 az e o l i t e a i r s e p a r a t i o n o x y g e n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤逮盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁连盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 导师签名： 签字日期：年月日 签字日期：年 月日 日u爵 刖舌 氧气是工业上一种重要的原料，在冶金、电子、环保、污水处理以及医疗等 领域都有着广泛的用途，如用高纯氧冶炼铝，在合成氨中用高纯氧氧化原料气， 在现代火箭制造中液氧作为火箭的助燃剂等，这些场合往往需要大量的氧气，因 此，如何获取廉价的氧气是一个重要的研究课题。在自然界中，2 0 9 3 ( 体积) 的氧以游离状态存在于空气中，因此获得氧气的方法主要是通过分离空气得到 的。传统空分制取氧气的方法主要采用低温精馏法( 即通常所说的深冷法) ，虽然 其历史悠久，技术水平日臻完善，但单位产量能耗高，设备复杂，投资大，目前 仅适合于大规模制氧。到了2 0 世纪6 0 年代，随着变压吸附的开发成功，人们开 始把变压吸附技术应用于空分制氧领域，近年来发展迅速，技术也日渐成熟。己 在中、小规模制氧领域中取代了低温精馏法。变压吸附技术与传统低温精馏法相 比，优点在于常温操作，启动时间短，投资少，自动化程度高，工艺设备简单及 操作简单。目前，新发展的膜分离法为世人瞩目，具有设备紧凑简单，处理量大 和投资费用低等优点，但也存在薄膜易于损坏，对原料气净化要求高，操作压力 大，维修费用高，可靠性差等缺点。因此，变压吸附成为目前主要的空分制氧方 法。 随着家庭、医疗等用氧场合的增加，市场上相继出现了各种规格的小型制氧 机，以满足这些特殊需求，但这些小型制氧机中吸附塔还是和大型制氧的吸附塔 结构和形状相似，吸附塔还是呈长圆柱形，只是塔径和塔高相应地减小，从而达 到整个装置小型化目的。本文将吸附塔的形状改变，吸附塔成塔片状，塔片的直 径为 8 8 l o m m ，塔片高l o m m ，一共由四个吸附塔片组成，四个塔片上下叠放在 一起，上下用法兰盖进行密封，每个塔片上的进气、出气方式也做了改变，在塔 片的侧壁上设有进气口、出气口、放空口、均压口，改变了传统的塔底进气，塔 顶出气的样式，真正作到紧凑、小型。选用5 a 沸石分子筛作吸附剂，采用六步 吸附工艺对新装置的性能进行实验研究，合理确定各操作步骤的时间参数，并对 比了进气 2 1 均压和出气口均压两种方式，在各时间参数最优的情况下，可根据实 际需要，生产出各种不同浓度的氧气，最后作能耗分析，计算出体系的能耗，从 刚吾 而验证设计的这种紧凑结构变压吸附空分制氧装置的可行性。 第一章文献综述 第一章文献综述 氧气是一种重要工业原料，在化学工业中用途广泛“，如用于节能富氧燃 烧、化学氧化、生物法处理工业和日常废水、水产养殖、人体呼吸以及实验室 用氧等各种供养场所。在自然界中，2 0 9 3 ( 体积) 的氧以游离态存在空气中， 如表1 1 所示。因此空气成为人们获取氧气的主要来源，各国科研工作者不断 研究各种新方法从空气中分离出氧气。 表1 1 空气的组成 t a b l e1 1a i rc o m p o s i t i o n 组分分子式体积， 质量， 7 5 5 2 2 3 1 5 1 2 8 2 0 0 4 6 1 0 0 5 x 1 0 。4 1 2 5 1 0 1 0 7 2 1 0 4 3 3 x l o 一4 0 3 6 1 0 4 o 0 3 5 x 1 0 1 2 0 8 x 1 0 1甲烷、乙炔及其 它碳氢化合物 1 1 空分制氧技术简介 7 8 0 8 4 2 0 9 5 o 9 3 o 0 3 3 1 5 1 1 0 4 1 8 1 0 。4 5 2 4 x 1 0 4 1 1 4 x 1 0 4 0 0 8 l o “ 0 5 x 1 0 4 3 5 3 l o 一4 目前，在工业上国内外使用的空分制氧技术主要有三种。1 ：低温精馏法、 变压吸附分离法、薄膜分离法。下面分别介绍这三种方法。 1 1 1 低温精馏法 啦船吣邺肚 愀汽 氮氧氩剿礤氖氦氪氙氢 一一 z 第一章文献综述 这种方法历史悠久，是目前最成熟的一种方法，主要原理是利用空气中氮 气、氧气的沸点不同，将空气液化后，进行低温精馏达到分离氮气和氧气的目 的。这种方法投资大，能耗高，操作复杂，仅适用于大规模制氧领域。 1 1 2 变压吸附分离法 这种方法是2 0 世纪6 0 年代末才开发出来的一种新型的空分制氧方法，主 要原理是利用n 。分子的偶极矩大于0 z ，吸附剂中的阳离子与n z 偶极矩的作用 力大于0 z ，使得n 。在吸附剂上的平衡吸附容量高于0 z ，达到分离氮气、氧气的 目的。由于其灵活、方便、自动化操作、投资少、能耗低等诸多优点。”“3 ，近 年来得到了快速发展。 1 1 3 薄膜分离法 这种方法主要原理”1 是利用膜对氮气和氧气的渗透性不同，氧气较氨气容 易透过。因此在一定压力下，让空气通过膜，在膜的另一侧得到比空气中氧浓 度更高的透过气体，即所谓的富氧空气。这种方法具有设备紧凑、简单、处理 量大和投资费用较低的优点，但对膜性能的依赖很强，而且薄膜易于损坏，对 原料气净化要求高，如果要使产氧量大的话，在膜的两侧通常需要很高的压 差，使得操作压力大，能量消耗较大o 。 1 2 变压吸附空分制氧 1 2 1 吸附的定义及类型 “吸附”一词最早由k a y s e r 0 1 于1 8 8 1 年提出的，意思是气体在自由表面上 的凝聚。现在国际上吸附的严格定义为：一个或多个组分在界面上的富集( 亦即 f 吸附或简单吸附) 或损耗( 亦即负吸附) ”1 。其机理是在两相界面上，由于异相 分子间作用力不同于主体相分子间作用力，使相界面上流体的分子密度高于其 主体密度而产生吸附”“。被吸附的原子或分子返回到液相或气相的过程，称为 解吸，在两相界面处，被吸附的物质称为吸附质，吸附相称为吸附剂。 按照吸附作用力的不同，吸附可分为物理吸附和化学吸附。若吸附相分子 与吸附剂分子间的结合力属于化学键性质，则为化学吸附。吸附剂表面的官能 团结合一个吸附质分子后，价键即达饱和，因此化学吸附的特点是单分子层吸 附，其规律性明确。著名的l a n g m u i r 方程就是针对这种吸附机制提出来的，足 4 第一章文献综述 以充分地描述化学吸附现象。化学吸附的附着力强，脱附也难，使吸附剂难以 重复使用，因此其工程意义不如后述之物理吸附重要。若吸附相分子与吸附剂 分子间的结合力为v a nd e rw a a l s 力，则为物理吸附，也称为范德华吸附。这 种作用力的强度远小于维系化学吸附的静电力，因此吸附相与吸附剂的结合不 那么牢固，但是脱附也容易，可逆性好。多数的物理吸附进行的速度很快，吸 附平衡瞬间即可达到，在实际应用中吸附剂易于再生，因此与吸附相关的工程 应用多是基于物理吸附，而变压吸附过程都是物理吸附过程。 1 2 2 吸附分离机理 吸附分离过程是借助于以下几种机理进行的： 1 2 2 1 筛分型( 位阻分离) 主要原理。“是由于分子筛类吸附剂的孔径是由其晶体结构决定的，只有 形状规则而且直径小于孔径的分子才能进入吸附剂孔穴而被吸附，而形状不规 则的分子或大分子则不易或不能进入吸附剂孔穴，从而实现分离。典型的应用 过程有3 a 分子筛干燥裂化气和乙烯、4 a 分子筛干燥天然气、5 a 分子筛从石脑 油和煤油中回收正构烷烃等等。 1 2 2 2 速率型( 动力学分离) 主要原理9 ”蚓是根据分子扩散进入吸附剂孔穴中的速率不同，适当选择吸 附时间来控制目标组分和非目标组分的吸附量，实现分离。炭分子筛空分制氮 是典型的动力学分离。较新的应用领域是二氧化碳和甲烷的分离。 1 2 2 3 平衡性( 平衡分离) 主要原理9 “”3 是利用不同的分子在吸附剂上的平衡吸附量的差异进行分 离。大多数变压吸附分离过程是借助于平衡机理来完成的，如从各种气源制氢 和沸石分子筛空气分离。 1 2 3 变压吸附空分制氧的原理 变压吸附空分制氧所使用的吸附剂一般都是分子筛，特别是5 a 沸石分子 筛，分离机理属于前述的平衡分离型，主要是利用n ：、0 。分子的偶极距不同 ( n 。的偶极矩为0 3 l a ，0 z 的偶极矩为0 1 a ) ，分子筛中的阳离子与n 。偶极矩 的作用力大于0 。，使得n 。在分子筛上的平衡吸附容量高于0 。因此在中、低 第一章文献综述 压( 如0 6 m p a ) 下分子筛优先吸附氮气，达到分离氮、氧的目的。然后通过降压 将吸附的氮气从吸附剂中解吸出来，吸附剂得到了再生，可循环使用。 1 2 4 变压吸附空分制氧的基本步骤 一般变压吸附空分制氧都要经历以下几个基本步骤“”“2 “： ( 1 ) 吸附( a d s o r p t i o n ) ：原料气从吸附塔入口端进入吸附塔，在一定压力下进 行吸附，产品氧气从出口端输出到产品缓冲罐。 ( 2 ) 均压( p r e s s u r ee q u a l i z a t i o n ) ：完成吸附的塔与完成冲洗的塔进行均 压，主要目的是回收一部分氧气和机械能。 ( 3 ) 放空( b l o w d o w n ) ：完成吸附的塔与其它塔均压后进一步降压，大部分被吸 附的氮气解吸出来，使吸附剂得到充分解吸。按照放压方式不同，可以分 为逆向放空( c o u n t e r c u r r e n t8 1 0 w d o w n ) 和顺向放空( c o c u r r e n t b l o w d o w n ) 。 ( 4 ) 冲洗( p u r g e ) ：用一部分产品氧气逆向冲洗床层，使吸附床层得到彻底再 生。 ( 5 ) 充压( r e p r e s s u r e ) ：与完成吸附的塔进行均压后，用产品气提高床层压 力，将压力充至吸附压力，为下一步吸附作好准备。 1 2 5 变压吸附空分制氧的特点 p s a 制氧装覆与通常的制氧装置相比较，有以下特点。“”： ( 1 ) 制取廉价的氧气，能耗低。变压吸附一般在常温下操作，可以省去加热和 冷却的能耗，且能耗主要在于压缩机上。因此比深冷法经济。 ( 2 ) 运行操作简单，能做到全自动化操作。 ( 3 ) 启动快，在短时间内( 通常只需要几分钟) 就可以达到要求浓度。 ( 4 ) 装置简单，维护管理方便。 ( 5 ) 设备运行安全可靠，不必配备有一定技能的专人。变压吸附装置通常只有 程序控制阀是运动部件，而目前国内外的程序控制阀是经过多年研究改进的， 使用时间长，故障率低，而且由于计算机专家诊断系统的开发应用，具有故障 自动诊断，吸附塔自动切换等功能，使得装置的可靠性进一步提高。 ( 6 ) 设备体积小，占地面积小。 1 2 6 变压吸附空分制氧工艺及其改进 1 2 6 1 变压吸附空分制氧工艺 第一章文献综述 常用的p s a 制氧工艺一般都包括以下几步：吸附、放空、冲洗、均压与充 压。目前有采用两床p s a 、三床p s a 、四床p s a 以及真空变压吸附( y a c u u m s w i n ga d s o r p t i o n ，简称v s a ) ”“1 。根据吸附床层再生条件不同又可以分为常 压再生和真空再生，后者即通常所说的真空变压吸附( v s a ) 。下面详细介绍不同 吸附工艺的特点。 空气压缩机 放空 伊b 针形阀书 9 9 9 9 9 ，抚顺新港气体工业有限公司 z m s 一5 a 沸石分子筛：上海锦中分子筛有限公司 e g a 高强度活性氧化铝：上海锦中分子筛有限公司 压力传感器：安徽传感器集团公司 热电偶：t 型，沈阳有色金属加工厂研究所 k z d f 系列电磁阀：中国科学院自动化研究所 残留气体分析仪：美国斯坦福研究中心 h b o 一2 b 型控氧仪：浙江建德梅城电化分析仪器厂 质量流量控制器：北京圣业科技发展有限公司 秒表：上海手表五厂 2 1 5 主要仪器的校正 2 1 5 1 压力传感器的校正 第二章实验部分 本实验在空气缓冲罐、产品氧缓冲罐、吸附塔片进口等处都安装了压力传 感器，以便采集这些设备中压力的变化情况。压力传感器在出厂时就已经校正 过，但由于本实验所使用的压力传感器对温度变化灵敏，出厂校正温度为2 5 ，与实验温度不同，因此须在实验温度下对压力传感器进行校正，校正用精 密仪表，精密度为0 2 5 。校正步骤如下：用氦气对床层、空气缓冲罐以及产 品缓冲罐进行充压，压力值由精密仪表读出，各个压力传感器的电压值通过计 算机采集得到，然后不断的改变压力，测定出不同压力下所对应的各个压力传 感器的电压值，由电压值对压力作图，线性拟合得到以下校正公式： x = - 0 4 4 8 6 8 + 4 6 8 4 7 4 8 p z = - 0 4 5 0 7 5 + 3 7 0 3 8 5 2 p x = 1 2 0 7 0 7 + 3 6 6 2 0 3 4 p x = 1 0 6 9 2 9 + 3 9 4 9 8 9 5 p x = 4 4 9 8 9 0 + 10 2 8 3 2 2 p z = - 0 8 0 7 8l + 4 8 5 7 0 2 2 p 。v = - 0 3 8 5 7 8 + 4 3 1 0 1 7 3 尸 其中：x 一输出电压值，m y p 一压力值( 绝压) ，m p a 校正都是在室温1 8 5 。c 下进行的。 2 1 52 热电偶的校正 本实验在每个塔片中心都安装一根t 型热电偶，以便采集床层中心温度变化 情况。热电偶在使用前必须进行校正，校正步骤如下：将一根热电偶放在冰水混 合物中作为冷端，其它热电偶放于恒温槽中，与充当冷端的热电偶相连，恒温槽 温度从1 0 。c 变化到5 0 c ，测出每一个温度下，热电偶输出的电压值，恒温槽的 温度用精密温度计测得，这样就得到不同温度下热电偶的输出电压值，通过线性 拟合，得到下面的校正公式在： x = - 0 0 7 4 2 2 + 0 0 4 15 5 t 式中：x 一输出电压值，m v t 一热电偶测得的温度值， l 2 3 4 5 6 7 陈 黔 飚 陌 陌 路 黔 第二章实验部分 2 1 5 3 质量流量控制器的校正 本实验通过质量流量控制器来控制原料气的流量，对质量流量控制器也得进 行校正。校正步骤为：首先设定一个质量流量控制器的值，这个值即为质量流量 控制器的表观读数，用皂泡流量计测定气体实际流量值，然后不断的改变质量流 量控制器的表观读数，用皂泡流量计测定每个质量流量控制器表观读数所对应的 气体实际流量值，再通过线性拟合得到以下校正公式： q = 4 8 7 0 9 2 + 1 1 4 9 3 4 q o 式中：0 一质量流量控制器实际流量值，s c c m 瓯一质量控制器的表观读数，s c c m 2 1 6 所用吸附剂的预处理 2 16 1 e g a 高强度活性氧化铝 由于空气中含有h 2 0 与c 0 2 等气体，与5 a 沸石分子筛作用力很强，会降低 5 a 沸石分子筛对n z 的吸附量，缩短吸附剂的使用寿命。因此在进入床层前必须 将这两种气体除去。本实验采用e g a 高强度活性氧化铝，对h z o 和c o 。有很大的 亲和性，能较好的除去空气中的h 2 0 和c 0 2 。使用前需预处理，预处理方法如下： 将e g a 高强度活性氧化铝放在马福炉中加热至3 0 0 。c 左右，然后在3 0 0 。c 左右恒 温1 小时，再降温至1 0 0 左右，放入密封容器中冷却至常温即可。 2 1 6 2z m s - 5 a 沸石分子筛 由于5 a 沸石分子筛对n 。和0 2 的分离系数较大，能较好的分离出n ：和0 。， 在空分制氧中应用普遍。本实验采用5 a 分子筛作为吸附剂，实验前要进行预处 理，处理方法如下：将5 a 分子筛放在马福炉中加热至3 5 0 4 2 0 左右，在此温 度范围内恒温3 小时左右，然后再放入真空干燥箱中降至常温即可。 2 1 ，7 吸附曲线的测定 本文采用静态容积法“”测定氮气和氧气在5 a 分子筛上的静态吸附等温线。 2 1 8 氧气浓度、回收率、单位质量吸附剂产氧量和能耗的计算 第二章实验部分 为了以后计算方便，在此给出氧气回收率、单位质量吸附剂产氧量和体系能 耗的计算公式，见下面公式( 2 5 ) ( 2 7 ) 。对于本实验，氧气浓度是通过t t b 0 - 2 b 型控氧仪测得。 ( 1 ) 氧气回收率和单位质量吸附剂产氧量的计算 氧气回收率，= 鬻 ( 2 - 5 ) 单位质量吸附剂产氧量 e d：qoryor,o36001000(2-6)yi 1 单位质量吸附剂产氧量ed 2 埘 式中：y i e l d 一单位质量吸附剂产氧量，n l o 。 hk g ( a d s o r b e n t ) y 。，o 一产品罐出口气体中氧气的浓度，( v ) o o r 一产品罐出口气体流量( 标准状态下) ，m l s q ，一原料气进气流量( 标准状态下) ，m l s y f o 一原料气中氧气的浓度，( v ) m 一吸附剂的质量，k g ( 2 ) 体系能耗的计算 假设( i ) 压缩机看成是等温压缩过程，即原料气被压缩后温度不会升高。 ( i i ) 将原料气、产品气等气体都看成是理想气体。 ( i i i ) 等温压缩效率叩，= 0 7 5 ( ) 以一个周期为计算时间单位。 对于本实验，获得1 n m 3 氧气压缩机所作的功可用下式表示： 形：盟墨! ! 呈! 曼! 墨! 兰! ! ： 0 0 r y o r , o r l r 1 0 6 3 6 0 0 式中：矽一压缩机的等温压缩功，k w l - l ( n m 30 2 ) 。一原料气进气摩尔流量，m o l s o o ，一产品氧缓冲罐出口流量，n m l s y 。一产品氧缓冲罐出口气中氧气的浓度， 2 6 ( 2 7 ) 第二章实验部分 7 7 r 一等温压缩效率，0 7 5 2 2 实验装置流程和实验内容 2 2 1 实验装置流程 本文的实验装置流程图见图2 3 所示。控制采集系统流程图见附录2 ，控制 采集程序框图见附录3 。 2 2 2 实验内容 本文变压吸附循环操作步骤如前所述，包括吸附、均压、逆向放空、冲洗、 均压、充压这六个步骤，相应的工艺参数有吸附时间、均压时间、放空时间、冲 洗时间、充压时间及冲洗气总量等。为了确定这些工艺条件参数，做了以下实验， 所有实验都是在室温1 8 。5 ( 详细见3 4 ) 下进行的。 22 2 ，1 穿透曲线的测定 穿透曲线是指一个最初干净的固定床( 即无吸着物) 对一恒定( 即与时间无关) 组成流出物的应答曲线“。通过测穿透曲线确定吸附床的动态吸附容量，获得在 实验要求的条件下吸附床的杂质组分的穿透时间，为确定吸附床在此条件下的吸 附时间提供参考依据。测定穿透曲线前，首先要确保吸附床的清洁，即吸附床中 吸附剂上的杂质组分的含量要尽可能限制在极低的水平，然后将吸附床升压至预 定的吸附压力。保持吸附床在预定的吸附压力下，原料气以一定的流量由吸附塔 进口端导入吸附床，排出气从出口端排出吸附床，利用质谱在线连续分析出 口端气体组成，直到检测出来的床层出口气体组成与入口气体组成相同为止。具 体的操作步骤如下( 以塔片a 为例) ： 1 首先保证流程中的各个阀门均处于关闭状态。 2 开启电源，运行a 塔片穿透曲线测量程序l j b r e a k l b a s ，让仪器预热少 3 0 分钟以匕。 第二章实验部分 空气 卜( 接质 空气压缩机 图例：口碍一截止阀 丙一针形阀o 一电磁阀 p s l 7 ：压力传感器f b ：原料气缓冲罐0 t ：产品氧罐 一f d - 管道过滤器厂l _ 一质量流量控制器 a 、b 、c 、d ：吸附塔片 t 1 4 ：热电偶 图2 3 新型紧凑结构四塔变压吸附实验装置流程图 f i g u r e2 3t h e n e w c o m p a c tt y p e4 - b e dp s a e x p e r i m e n t a lp r o c e s s 第二章实验部分 3 调节质量控制器的零点旋钮，使其读数归零。 4 开启氧气钢瓶上的阀门到一定开度，调节氧气钢瓶上的减压表，使其出 口压力为2 a r m ，然后调节微调阀n v l ，开启截止阀m v 6 、m v 7 ，再开启电 磁阀s v 2 和s v 9 ，用很少的气量对床层进行冲洗，用h b o 一2 b 型控氧仪在 s v 2 出口处进行检测，直到检测出氧气浓度 9 9 9 为止。然后关闭s v 2 ， 开启s v l 、w 4 和s v l 5 ，对s v i 和s v l 5 之间的管线进行冲洗，冲洗干净 后，关闭s v l 、s v 9 、s v l 5 和m v 4 ，开启截止阀m v 5 、m v 8 、m v 9 和微调阀 n v 8 、n v 9 ( 由于质谱入口处流量有限制，所以n v 9 开度确定后，就一直保 持不变，下同) ，对m v 5 和m v 8 之间的管线进行冲洗，冲洗干净后关闭m v 5 、 y l v 8 和m v 9 ，再关闭m v 7 和m v 6 。 5 开启电磁阀s v l 、s v 9 和截止阀m v 5 、m v 6 和m v 7 ，用高纯氧气给a 塔片充 压充至吸附压力后关闭m v 6 和7 。 6 开启原料气钢瓶上的阀门到一定开度，调节钢瓶上的减压表，使其出口 压力维持在一定压力( 这个压力一般等于吸附压力+ 0 2 m p a ) 。 7 开启质量流量控制器，使质量流量控制器的开度为所需流量值，同时开 启电磁阀s v l 5 ，让原料气走旁路以稳定流量。 8 打开截止阀m v 4 ，同时关闭电磁阀s v l 5 ，开启截止阀m v 8 、m v 9 ，同时启 动质谱测定床层穿透曲线，在测量过程中不断的调节微调阀n v 8 ，使床层 压力恒定在吸附压力，直到床层出口气体组成与入口气体组成相同为止， 结束穿透实验。 按照以上步骤，本文测定了以下条件下的吸附塔片的穿透曲线： ( 1 ) 吸附压力为6 a t m ，原料气流量计表观读数分别为1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 、2 5 0 、 3 0 0 、3 5 0 、4 0 0 s a c m ( n m l m i n ) ； ( 2 ) 原料气流量计表观读数为2 0 0 s e a m ，吸附压力分别为0 3 、0 4 、0 5 、0 7 、 0 8 m p a 。 2 2 。2 。2 四塔变压吸附一般操作步骤 本文除了穿透曲线实验外，其余实验均为四塔变压吸附实验，现将四塔变压 吸附的一般操作步骤叙述如下： 1 实验前保证所有阀门关闭。 2 为使对比实验有充分的可比性，在每次实验前均将产品氧缓冲罐和吸附 塔片用高纯氧吹扫干净。具体操作如下：开启氧气钢瓶上的阀门到一定 开度，调节氧气铜瓶上的减压表，使其出口压力为2 a r m ，然后调节微调 阀n v l ，开启m v 6 ，让产品氧罐中充入氧气后，关闭m v 6 ，开启s v 2 2 和 第二章实验部分 n v 6 ，放空产品氧罐中的氧气，这样反复置换产品氧罐，置换干净后关闭 m y 6 、s v 2 2 和n v 6 。然后对塔片进行冲洗，以a 塔片为例，开启m v 6 和m v 7 ， 再开启电磁阀s v 2 和s v 9 ，用很少的高纯氧对a 塔片进行吹扫，用h b o 一2 b 型控氧仪对出口气体进行检测，直到氧气浓度9 9 9 为止，冲洗完毕后 关闭阀门s v 2 、s v 9 、m v 7 和m v 6 。同样对b 、c 、d 塔片进行冲洗，冲洗完 毕后关闭所有打开过的阀门。 3 每次实验前一些主要仪器如压力传感器、质量流量控制器、热电偶都需 要预热稳定至少3 0 分钟以上。具体做法如下：运行四塔变压吸附程序 l j p s a b a s ，按f 3 键输入零流量，让仪器预热3 0 分钟以上，待仪器预 热稳定后，检查质量流量控制器零点，若不在零点，则需调节其零点旋 钮，使其读数归零。按f i o 退出程序，关闭所有的阀门，准备启动装置 进行四塔变压吸附。 4 装置的启动每次都从a 塔片启动，具体操作如下：重新运行四塔变压吸 附程序l j p s a b a s ，按f 5 键手动开启电磁阀s v l 和s v 9 ，然后开启m v 7 ， 按f 4 键开启质量流量控制器，使流量控制器的开度为所需流量值，然后 按f 8 键进行四塔变压吸附，等产品氧罐压力达到吸附压力后，开启产品 氧罐出口电磁阀s v 2 2 ，不断调节出1 ：3 微调阀n v 6 和冲洗阀门n v 7 ，直到 产品氧罐压力稳定在吸附压力以及冲洗速率为所需冲洗速率值为止。 5 在产品氧缓冲罐出口处用h b o - 2 b 型控氧仪测定出口气体中氧气的浓度， 直到控氧仪显示的氧气浓度和回收率值维持1 小时以上不变为止( 这种状 态称为实验到达稳定状态，下同) 。 6 用皂泡流量计测定产品氧缓冲罐出口处流量以便计算氧气的回收率( 下 同) ，最后关闭所有阀门，停止实验。 2 2 2 3 放空时间的测定 使a 塔片在一定吸附压力下完成吸附后，立即开启均压电磁阀s v i o ，使a 塔片和c 塔片均压，压力达到相等后，立即关闭均压电磁阀s v i o ，开启放空电 磁阀$ v 2 ，同时用秒表计时，测定a 塔片彻底放至常压所需要的时间，用同样的 方法测定b 、c 、d 塔片测定放空所需要的时间，取四个放空时间的最大值作为四 塔变压吸附的放空时间。 2 2 2 4 环境温度对最终氧气浓度和回收率影响的测定 由于本吸附装置紧凑小型，所装填吸附剂比较小，而且装置置于环境当中进 行实验，因此有必要探讨一下环境温度对其影响，环境温度可通过空调调节到实 验所需值。具体做法如下：保持其它条件不变，仅改变环境温度至所需值，然后 第二章实验部分 进行四塔变压吸附，等稳定后测定最终氧气的浓度和产品氧缓冲罐出口处的流 量。 2 ，2 2 5 均压时间对氧气浓度和氧气回收率影响的测定 调节均压时间是通过调节均压速率来实现的。调节均压速率可通过调节微 调阀n v 2 、n v 3 、n v 4 、n v 5 来达到。本实验分别在进气口均压和出气口均压方式 下，保持其它条件不变，设定不同的均压时间，然后进行四塔变压吸附，等稳定 后测定最终氧气的浓度和产品氧缓冲罐出口处的流量。 2 2 2 6 冲洗气量对氧气浓度和氧气回收率影响的测定 调节冲洗气量可通过维持冲洗气速不变，调节冲洗时间来实现。分别在两 种不同均压方式下，保持其它条件不变，设定不同的冲洗总气量，然后进行四塔 变压吸附等稳定后测定最终氧气的浓度和产品氧缓冲罐出口处的流量。 2 2 2 7 冲洗时间对氧气浓度和氧气回收率影响的测定 在冲洗气总量不变的前提下，一定的冲洗时间对应着相应的冲洗速率，考 察冲洗时问，主要是通过考察冲洗速率对氧气浓度和回收率的影响。本实验分别 在两种不同均压方式下，维持冲洗气总量不变，不断调节微调阀n v 7 ，使冲洗速 率在所需值，然后进行四塔变压吸附，等稳定后测定最终氧气的浓度和产品氧缓 冲罐出口处的流量。 2 2 28 充压时间对氧气浓度和氧气回收率影响的测定 调节微调阀n v 7 ，使充压速率保持一定，分别在两种不同均压方式下，维持 其它条件不变，设定不同的充压时间，然后进行四塔变压吸附，等稳定后测定最 终氧气的浓度和产品氧缓冲罐出口处的流量。 2 2 2 9 两种不同均压方式的对比 通过2 2 2 6 、2 2 2 7 、2 2 2 8 以及2 2 2 9 步骤，分别得出了两种均压 方式下的最优时间参数，然后在各自最优时间参数下，就下面三种情况对这两种 不同均压方式进行对比，从而得出本体系最佳的均压方式。 ( 1 ) 只= 0 6 脚口，f4 = 1 2 0 s ( 2 ) 只= 0 5 埘黝，t d = 8 0 s ( 3 ) 只= 0 4 m p a ，t d = 8 0 s 22 2 1 0 最佳操作时序下，不同吸附压力所对应的吸附时间下氧气的浓度、回 第二章实验部分 收率、单位质量吸附剂产氧量和体系能耗的测定 根据2 2 2 ，9 得到的最佳均压方式，在此均压方式的各最优时间参数条件 下，测定以下吸附压力和所对应的吸附时间生产的氧气浓度、回收率、单位质量 吸附剂产氧量和体系能耗。 ( 1 ) 吸附压力只= o 6 m p a ，吸附时间分别为1 2 0 s 、l o o s 、9 0 s 和8 0 s ( 2 ) 吸附压力p 。= 0 5 m p a ，吸附时间分男4 为l o o s 、8 0 s 和7 0 s ( 3 ) 吸附压力只= 0 4 m p a ，吸附时间分别为8 0 s 、7 0 s 和6 0