医用分子筛制氧机毕业设计

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321河南理工大学万方科技学院本科毕业论文摘要空气中含有大量的氧气，约占21%。早期的医疗用氧采用工业氧。工业氧采用传统的深冷法制氧，先将空气压缩，再膨胀降温，冷却后液化，然后利用氧氮的沸点温度不同在精馏塔内把空气分离为氧、氮，此法能产生纯度很高的氧气，但是设备投资高，而且设备运行在超高压、超低温的状态下，操作难度大、维修率高，能耗比大。为探索更经济合理的办法，各国都在不断探索着。近年来高速发展的PSA技术，它只需要用电，从空气中直接提取源源不断的高纯氧气，无须任何添加剂，无残渣和污染排放，无需频繁的更换、搬运气罐等繁琐劳动，工作压力在0.5MPa左右，占地面积20平方左右，从安全性、简便性、先进性、适应性等各方面，都堪称为当今现代化医院供氧方式的最佳选择，医院也增加了可靠性和可操作性。分子筛变压吸附制氧，是利用分子筛对氧气和氮气的吸附性不同进行制氧。在一定压力和温度下，将空气通入吸附塔进行吸附。在工艺设计中，采用两吸附塔循环制氧，为保证系统的稳定性，在吸附塔前后管路装有缓冲罐。另外在末端采用氧气储存罐，这样可使及其在检修时，能继续供氧。分子筛制氧机采用PLC和触摸屏控制系统，保证整套系统的自动化控制。关键词：分子筛 压力容器 氧气 变压吸附AbstractThere contains large amounts of oxygen in the air, about 21%. Early industrial oxygen for medical use. Industrial oxygen used traditional of deep cold legal oxygen, first will air compression, then expansion cool, cooling Hou liquefaction, and using oxygen nitrogen of boiling point temperature different in distillation column within to air separation for oxygen, and nitrogen, this method can produced purity is high of oxygen, but device investment high, and device run in Super high pressure, and ultra of State Xia, operation difficulty large, and maintenance rate high, energy consumption than large. To explore more economic and reasonable approach, countries have been exploring. In recent years high speed development of PSA technology, it only needs electricity, from air in the directly extraction continue of high pure oxygen, without any additives, no residue and pollution emissions, without frequently of replaced, and handling gas tank, cumbersome labor, work pressure in 0.5MPa around, accounted for to area 20 square around, from security, and easy sexual, and advanced, and adaptability, all area, are are for today modernization hospital for oxygen way of best select, hospital also increased has reliability and can operation sexual. Pressure swing adsorption oxygen molecular sieve is the use of different molecular sieves for oxygen and nitrogen absorption of oxygen. Under certain pressure and temperature, air passes into the adsorption and adsorption Tower. In process design, circulating oxygen two adsorption towers, in order to guarantee stability of the system, before and after the absorption column pipe fitted with a buffer tank. Oxygen storage tank at the end, so that at the time of inspection, continue oxygen. Molecular sieve oxygen making machine with PLC and touch screen control system, guarantee the automatic control of the whole system.keywords: molecular sieve oxygen pressure vessel pressure swadsorption前 言作为一名机械设计制造及自动化专业的本科生，在完成大学四年的专业理论知识的学习之后，即将面临毕业，而毕业设计是对所学专业知识的一次系统的复习和运用。通过毕业设计，可以使你把大学四年中学习的各门专业课有条理地组织起来，疏通它们之间的联系，并将其运用于工程实践之中 。通过毕业设计，还可以考核我们的专业知识水平。在经历了大学四年的学习之后，即将踏入工作的岗位，而毕业设计是大学课程学习的最后一个教学环节，它是实现大学工科教学培养目标的实践性、综合性的环节。它不但有助于培养我们分析问题和创造性解决问题的能力，也可以全面提高我们的素质，是我们在校期间最后一次用我们所学知识解决问题的能力的检验。总之，它对于大学生适应工程实践的需要具有不可替代的作用。高等学校工科教学的培养目标是德、智、体全面提高的高素质人才，培养能够解决各种技术性问题的技术人员为最终目标。大学生应该具备必要的理论基础，扎实的专业知识和较强的工程实践能力，毕业设计是教学计划中学生必须进行的最后一个教学环节，是实现教学、科研、工程实践相结合的重要结合点。它的主要目的是培养学生综合运用所学知识和技能去分析和解决本专业范围内的一般工程技术问题。建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法，通过毕业设计，进行工程知识和工程技术的综合训练，使学生一旦走上工作岗位，就具有较强的应用生产现场正在使用和近期可推广使用的技术解决工程实践生产中所遇到的现实问题的能力。毕业设计的基本要求是：既要完成任务，又要培养学生能力，应把对学生的培养放在第一位。在指导老师的指导下，根据所选的设计课题，通过实习并结合工程实践去独立地完成设计任务，受到一次工程师是如何解决工程问题的初步训练；通过毕业设计，使学生受到综合应用所学知识解决实际问题的能力，提高自身技术水平、运用能力及识图和查阅手册、使用国家标准、文字表达能力等各方面的能力；培养自己独立工作的能力，巩固和扩大专业知识面，有较强的自学能力及适应能力，提高运用科研成果及对现有设备和生产过程进行技术改造的能力；培养求实严谨、理论联系实际的作风及严肃的科学态度，树立正确的生产观点和技术观点。目 录摘要*1Abstract*21系统方案设计*91.1氧气的性质及其制取方法*91.1.1氧气的化学性质*91.1.2工业氧气的主要制取办法*111.2变压吸附技术*121.2.1吸附的定义*121.2.2吸附的动态平衡*141.2.3变压吸附工作基本步骤*141.2.4分子筛*181.2.5的物质传递*211.3分子筛制氧机简介*221.3.1工作原理*221.3.2工艺流程*221.3.3控制的实现*232分子筛制氧机装置的设计*252.1分子筛制氧机各部分装置要求*252.1.1装置主要技术参数*252.1.2分子筛的选择及量的确定*252.1.3空气压缩系统、冷干机系统的确定*252.1.4动作阀的选择*262.1.5过滤系统*262.2氧气储存罐的设计*272.2.1设计参数*272.2.2筒体的选材及结构选择*272.2.3设计计算*292.2.4附件选择*312.2.5鞍座的选择*352.2.6筒体和封头的校核计算*392.3氧气和空气缓冲罐的设计*432.3.1设计参数*432.3.2筒体的选材及结构选择*432.3.3设计计算*432.3.4附件选择*452.3.5支承式支座的选择*492.4吸附塔设计*512.4.1设计参数*512.4.2筒体的选材及结构*512.4.3设计计算*512.4.4检查孔的选择*542.4.5腿式支座的选择*562.5压力容器的其他要求*592.5.1安全阀的选择*592.5.2容器焊缝标准*592.5.3接管的选择*603分子筛制氧机控制部分设计*623.1控制部分的主要组成元件*623.2工作控制图*633.3 PLC程序*674 结论*72致谢*73参考文献*7472河南理工大学万方科技学院本科毕业论文1系统方案设计1.1氧气的性质及其制取方法1.1.1氧气的化学性质 图1-1 氧气的结构氧气，空气主要组分之一，比空气重，标准状况（0和大气压强101325帕）下密度为1.429克/升。无色、无臭、无味。在水中溶解度很小。压强为101kPa时，氧气在约-180摄氏度时变为淡蓝色液体，在约-218摄氏度时变成雪花状的淡蓝色固体。氧分子具有顺磁性。氧气的化学性质比较活泼。除了稀有气体、活性小的金属元素如金、铂、银之外，大部分的 元素都能与氧气反应，这些反应称为氧化反应，而经过反应产生的化合物（有两种元素构成，且一种元素为氧元素）称为氧化物。一般而言，非金属氧化物的水溶液呈酸性，而碱金属或碱土金属氧化物则为碱性。此外，几乎所有的有机化合物，可在氧中剧烈燃生成二氧化碳与水。化学上曾将物质与氧气发生的化学反应定义为氧化反应，氧化还原反应指发生电子转移或偏移的反应，如图1-1。氧气在医疗保健上的用途：（1）氧是心脏的“动力源”：氧是人体进行新陈代谢的关键物质，是人体生命活动的第一需要。呼吸的氧转化为人体内可利用的氧，称为血氧。血液携带血氧向全身输入能源,血氧的输送量与心脏、大脑的工作状态密切相关。心脏泵血能力越强，血氧的含量就越高；心脏冠状动脉的输血能力越强，血氧输送到心脑及全身的浓度就越高，人体重要器官的运行状态就越好。（2）医疗保健方面供给呼吸：用于缺氧、低氧或无氧环境，例如：潜水作业、登山运动、高空飞行、宇宙航行、医疗抢救等时。 （3）增加吸氧量可减少术后感染及止吐 ：美国的新英格兰医学杂志发表一项新的研究成果。奥地利、美国及澳大利亚的麻醉医师报告，只要在手术中和手术后给病人增加吸氧量，病人术后感染危险将降低一半。因为增氧可以提高免疫系统的免疫能力，可为患者的“免疫大军”提供更多“弹药”，杀死伤口部位的细菌。止吐：增加吸氧比使用的所有止吐药效果更为明显，且无危险和价格低廉。氧气防止呕吐的机制可能是防止肠道局部缺血，从而阻止催吐因子的释放。但完全用氧而不用一氧化氮是不可取的，因为这有可能使病人在手术中觉醒。 （4）高压氧治疗突发性耳聋：高压氧不仅能改善内耳听觉器官的缺氧状态，而且还能改善内耳血液循环即组织代谢，促进听觉功能的恢复。一旦患了突发性耳聋，应立即去医院高压氧科，因为高压氧对突发性耳聋的疗效常取决于最初的治疗时间，一般在发病后三天之内（最迟不应超过一周）治疗效果最佳。 （5）高压氧治疗牙周病：高压氧治疗牙周病可提高牙周病局部组织的氧含量和氧的弥散距离，促进侧枝循环的重建，改善局部循环。血管收缩效应可缓解局部肿胀。另外，高压氧还能有效地抑制细菌，尤其是厌氧菌的生长繁殖，改善牙周组织的供血、供氧，促进新陈代谢，以利于局部组织的修复，达到抗炎、消肿、止血和除臭的目的。1.1.2工业氧气的主要制取办法工业氧采用传统的深冷法制氧，先将空气压缩，再膨胀降温，冷却后液化，然后利用氧氮的沸点温度不同(在大气压下氧的沸点为-182.98，氮的沸点为-195.8)，在精馏塔内把空气分离为氧、氮，此法能产生纯度很高的氧气，但是设备投资高，而且设备运行在超高压、超低温的状态下，操作难度大、维修率高，能耗比大。工业氧充装时氧压机的一、二、三级活塞环、导向环的材料是四氟乙烯，而且一般是采用水润滑，因而充气瓶中会有一定的水分，影响氧气的卫生。并且在充瓶过程中会分解出带有毒性的气体、卤素和颗粒状的机械杂质。工业氧执行的是“工业用气态氧”标准，主要用于气焊、气割等。一般仅要求含氧纯度，对其它卫生条件等无特别要求，工业用氧还存在一氧化碳、二氧化碳、乙炔等其他工业气体，水分、细菌和灰尘含量也很高， 严重时会造成患者死亡。为此，国家已经于1998年明文规定医院禁止给病员使用工业氧气以及未取得许可证的液态氧。1.2变压吸附技术1.2.1吸附的定义当气体分子运动到固体表面上时，由于固体表面的原子的剩余引力的作用，气体中的一些分子便会暂时停留在固体表面上，这些分子在固体表面上的浓度增大，这种现象称为气体分子在固体表面上的吸附。相反，固体表面上被吸附的分子返回气体相的过程称为解吸或脱附。被吸附的气体分子在固体表面上形成的吸附层，称为吸附相。吸附相的密度比一般气体的密度大得多，有可能接近液体密度。当气体是混合物时，由于固体表面对不同气体分子的压力差异，使吸附相的组成与气相组成不同，这种气相与吸附相在密度上和组成上的差别构成了气体吸附分离技术的基础。吸附物质的固体称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。伴随吸附过程所释放的的热量叫吸附热，解吸过程所吸收的热量叫解吸热。气体混合物的吸附热是吸附质的冷凝热和润湿热之和。不同的吸附剂对各种气体分子的吸附热均不相同。按吸附质与吸附剂之间引力场的性质，吸附可分为化学吸附和物理吸附。化学吸附：即吸附过程伴随有化学反应的吸附。在化学吸附中，吸附质分子和吸附剂表面将发生反应生成表面络合物，其吸附热接近化学反应热。化学吸附需要一定的活化能才能进行。通常条件下，化学吸附的吸附或解吸速度都要比物理吸附慢。石灰石吸附氯气，沸石吸附乙烯都是化学吸附。物理吸附：也称范德华（van der Waais） 吸附，它是由吸附质分子和吸附剂表面分子之间的引力所引起的，此力也叫作范德华力。由于固体表面的分子与其内部分子不同，存在剩余的表面自由力场，当气体分子碰到固体表面时，其中一部分就被吸附，并释放出吸附热。在被吸附的分子中，只有当其热运动的动能足以克服吸附剂引力场的位能时才能重新回到气相，所以在与气体接触的固体表面上总是保留着许多被吸附的分子。由于分子间的引力所引起的吸附，其吸附热较低，接近吸附质的汽化热或冷凝热，吸附和解吸速度也都较快。被吸附气体也较容易地从固体表面解吸出来，所以物理吸附是可逆的。分离气体混合物的变压吸附过程系纯物理吸附，在整个过程中没有任何化学反应发生。由于吸附剂的传热系数很小，吸附时近于绝热过程，又由于循环周期短，吸附热来不及散失，紧接着又供解吸使用，所以吸附热和解吸热对床层的变化不大，使床层温度仅在平均温度上下波动2左右。吸附质在吸附剂上的容量随吸附质的分压上升而增加，随吸附温度的上升而下降。利用这个性质，可实现吸附剂在低温、高压下吸附而在高温、低压下解吸再生。当吸附达到平衡时，被吸附物质的分压等于它在吸附剂接触的气相中的分压，当气相压降低或系统温度升高时，被吸附气体将以它本来的形式脱离吸附剂。正是依靠这种可逆性，进行吸附剂的再生。随着吸附的进行，吸附床进料端逐步达到吸附平衡，而吸附传质和吸附前沿将逐渐前移，当吸附前沿尚未达到出口时即结束了吸附过程，这时吸附床的出口端仍留着一段基本未吸附杂质的纯净区。在吸附结束后，随着均压减压和顺放减压的进行，由于压力的下降，饱和区内已达到吸附平衡的被吸附质开始解吸并向前移动，然后被再次吸附，同时吸附传质区和吸附前沿继续前移直到床层出口。在顺放减压后床层进行逆向减压，这时随着压力的迅速下降，被吸附杂质开始大量解吸，同时使床层在低压下达到新的吸附平衡状态。最后用氢气逆向冲洗床层，降低床层杂质分压，使吸附床层被打破，杂质组分得以彻底再生。1.2.2吸附的动态平衡吸附平衡是指在一定的温度和压力下，吸附剂与吸附质充分接触，最后吸附质在两相中的分布达到平衡的过程。在实际的吸附过程中，吸附质分子会不断地碰撞吸附剂表面并被吸附剂表面的分子引力束缚在吸附相中；同时吸附相中的吸附质分子又会不断地从吸附剂分子或其他吸附质分子得到能量，从而克服分子引力离开吸附相；当一定时间内进入吸附相的分子数和离开吸附相的分子数相等时，吸附过程就达到了平衡。在一定的温度和压力下，对于相同的吸附剂和吸附质，该动态平衡吸附量是一个定值。在压力高时，由于单位时间内撞击到吸附剂表面的气体分子数多，因而压力越高动态平衡吸附容量也就越大；在温度高时，由于气体分子的动能大，能被吸附剂表面分子引力束缚的分子就少，因而温度越高平衡吸附容量也就越小。1.2.3变压吸附工作基本步骤单一的固定吸附床操作，无论是变温吸附还是变压吸附，由于吸附剂需要再生，吸附是间歇式的。因此，工业上都是采用两个或更多的吸附床，是吸附床的吸附和再生交替（或依次循环）进行，当一个塔处于吸附过程时，其他塔就处于再生过程的不同阶段；当该塔结束吸附步骤开始再生过程时，另一个塔又接着进行吸附过程，这样就能保证原料气不断输入，产品气不断产出，保证整个吸附过程的连续。对于变压吸附循环过程，根据吸附剂的再生的发法有一下几个步骤，如图1-2： 图1-2常压解吸升压过程（A-B）经解吸再生后的吸附床处于过程的最低压力P1，床层内杂质的吸留量为Q1(A点)，在此条件下让其他塔的吸附出口气体进入该塔，使塔压升至吸附压力P3，此时床内杂质的吸留量Q1不变（B点）吸附过程（B-C）在恒定的压力吸附下，原料气不断进入吸附床，同时输出产品组分，吸附床内杂质组分吸留量逐渐增加，当达到规定的吸留量Q3(C点)停止进入原料气，吸附终止，此时吸附床上部让预留有一部分未吸附杂质的吸附剂。顺放过程（C-D）沿着进入原料气输出产品的方向降低压力，流出的气体让然是产品组分，这部分气体用于其他吸附床升压或冲洗。在此过程中，随床内压力不断下降，吸附剂上的杂质被不断解吸，解吸的杂质又继续被吸附床上部未充分吸附杂质的吸附剂吸附，因此杂质并未离开吸附床，床内杂质吸留量Q3不变，当吸附床降压到D点时，床内吸附剂全部被杂质占用，压力为P2.逆放过程（D-E）逆着进入原料气输出产品的方向降低压力，直到变压吸附过程的最低压力P1（通常接近大气力），床内大部分吸留的杂质随气体排出器外，床内杂质吸留量为Q2.冲洗过程根据实验测定的吸附等温线，在压力P1下吸附床让有一部分杂质吸留量，为使这部分杂质尽可能解吸，在过程最低压力P1下对床层进行逆向冲洗不断降低杂质使杂质解吸并随冲洗气带出吸附床。经过一定程度冲洗后，床内杂质吸留量降低到过程最低量Q1时，再生结束。至此，吸附床完成了一个吸附解吸再生过程，准备再次升压进行下一个循环。(2)真空解吸（如图1-3）图1-3 真空解吸升压过程（A-B）经真空解吸再生后的吸附床处于过程的最低压力P0，床内杂质的吸留量为（A点），在此条件下让其他塔的吸附出口气体进入该塔，是塔压升至吸附压力P3，床内杂质吸留量不变（B点）。吸附过程（B-C）在恒定的吸附压力下原料气不断进入吸附床，同时输出产品组分，吸附床内杂质组分吸留量逐渐增加，当达到规定的吸留量Q3(C点)停止进入原料气，吸附终止，此时吸附床上部让预留有一部分未吸附杂质的吸附剂。顺放过程（C-D）沿着进入原料气输出产品的方向降低压力，流出的气体让然是产品组分，这部分气体用于其他吸附床升压或冲洗。在此过程中，随床内压力不断下降，吸附剂上的杂质被不断解吸，解吸的杂质又继续被吸附床上部未充分吸附杂质的吸附剂吸附，因此杂质并未离开吸附床，床内杂质吸留量Q3不变，当吸附床降压到D点时，床内吸附剂全部被杂质占用，压力为P2.逆放过程（D-E）逆着进入原料气输出产品的方向降低压力，直到变压吸附过程的最低压力P1（通常接近大气力），床内大部分吸留的杂质随气体排出器外，床内杂质吸留量为Q2.抽空过程（E-A）根据实验测定的吸附等温线，在压力P1下吸附床仍有一部分杂质吸留量，为使这部分杂质尽可能解吸，要求床内压力近一不降低。在此利用真空泵吸的方法降低床层压力，从而降低了杂质分压使杂质解吸并随抽空气带出吸附床。抽吸一定时间后，床内压力为P0，杂质吸留量降低到过程的最低量Q1时，再生结束。至此，机床完成了一个吸附解吸再生过程，准备再次升压进行下一循环。1.2.4分子筛图1-4分子帅结构狭义上讲，分子筛是结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐，由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成。分子尺寸大小（通常为0.32.0 nm）的孔道和空腔体系，从而具有筛分分子的特性。然而随着分子筛合成与应用研究的深入，研究者发现了磷铝酸盐类分子筛，并且分子筛的骨架元素（硅或铝或磷）也可以由B、Ga、Fe、Cr、Ge、Ti、V、Mn、Co、Zn、Be和Cu等取代，其孔道和空腔的大小也可达到2 nm以上，因此分子筛按骨架元素组成可分为硅铝类分子筛、磷铝类分子筛和骨架杂原子分子筛；按孔道大小划分，孔道尺寸小于2 nm、250 nm和大于50 nm的分子筛分别称为微孔、介孔和大孔分子筛。由于具有较大的孔径，成为较大尺寸分子反应的良好载体，但介孔材料的孔壁为非晶态，致使其水热稳定性和热稳定性尚不能满足石油化工应用所需的苛刻条件，图1-4分子筛结构。 由于含有电价较低而离子半径较大的金属离子和化合态的水，水分子在加热后连续地失去，但晶体骨架结构不变，形成了许多大小相同的空腔，空腔又有许多直径相同的微孔相连，这些微小的孔穴直径大小均匀，能把比孔道直径小的分子吸附到孔穴的内部中来，而把比孔道大的分子排斥在外，因而能把形状直径大小不同的分子，极性程度不同的分子，沸点不同的分子，饱和程度不同的分子分离开来，即具有“筛分”分子的作用，故称为分子筛。目前分子筛在冶金，化工，电子，石油化工，天然气等工业中广泛使用，如表1-1常用分子筛的吸附性能。表1-1常用分子筛的吸附性能低硅系沸石分子筛以A型分于筛为其代表，硅铝比接近1，有最高的阳离于含量和交换能量、大孔容、大比表面积和较小的孔径;主要用于净化、干燥、分离和离子交换工艺中。如乙烯脱水、空气制氧、洗涤过程离子交换等。4A分子筛是一种碱金属硅铝酸盐，能吸附水、NH3、H2S、二氧化硫、二氧化碳、C2H5OH、C2H6、C2H4等临界直径不大于4A的分子。广泛应用于气体、液体的干燥，也可用于某些气体或液体的精制和提纯，图1-5沸石分子筛对各种气体的吸附力强弱。“中硅系列沸石分子筛”以X和Y型分子筛为其代表，主要用作催化剂和催化剂载体，具有固体酸和金属双功能效应，又因其特有的均一孔径系统，在催化过程中对反应物和反应产物起到择形催化作用，因而有较高的活性和选择性，己广泛应用于石油裂解、加氢裂解、异构化、重整、甲苯歧化等工业中。“高硅系列沸石分子筛一以ZSM一5型分子筛为其代表、硅铝比高，有良好的热稳定性和抗酸性，又因其具有高密度骨架结构，直筒式孔道系统、催化反应过程中不易结炭和失活，已用于甲醇制汽油、烃类异构化，其应用范围正在不断扩大。“全硅型分子筛除具有ZSM一5型分子筛类似的孔结构外，且其表面几乎不含羟基，有良好的疏水和亲油性,可用于水和有机相的分离，尤其是从水相中吸附痕量有机物，在防止污染和净化方面具有特效。硅酸盐系列分子筛(AlPO4-n)的出现，使传统的硅氧四面体组成的孔结构体系，过渡到其它非硅氧四面体系新型分子筛提供了途径，如P，Fe、B、Cr、Zr等其它元素，在水热条件下迸入分子筛结构，成各种含杂原子的新型分子筛，在磷酸盐存在下合成分子筛，可增加晶化时介质的相对碱度。图1-5沸石分子筛对各种气体的吸附力强弱1.2.5的物质传递等温下静态吸附平衡意味着流体和吸附剂经长期接触，颗粒外和孔内的流体浓度相同，吸附相浓度也均匀，这是很难达到的。在流动体系只能达到动态平衡，吸附质从气体主流到吸附剂颗粒内部的传递过程分为两个阶段：第一阶段是从气体主流通过吸附剂颗粒周围的气膜到颗粒的表面，称为外部传递过程或外扩散。第二阶段是从吸附颗粒表面传向颗粒中心，称为内部传递过程或内扩散。这两个阶段是按先后顺序进行的，在吸附时气体先通过气膜到达颗粒表面，然后才能向颗粒内扩散，脱附时则逆向进行。气体分子到达颗粒外表面时，一部分会被外表面所吸附，而被吸附的分子有可能沿着颗粒内的孔壁向深处扩散，称为表面扩散。一部分气体分子还可能在颗粒内的孔中向深处扩散，称为孔扩散。在孔扩散的途中气体分子又可能与孔壁表面碰撞而被吸附。所以，内扩散是既有平行又有顺序的吸附过程。 1.3分子筛制氧机简介1.3.1工作原理RZ系列制氧设备主要是应用变压吸附原理进行O2、N2分离。分子筛是属于极性分离型的吸附剂，当空气进入分子筛时，氮分子被优先选择吸附，在吸附初始的短时间内，氮分子迅速富集于分子筛上，而氧分子则因未来得及被吸附，在气相中富集，将其收集于储罐即可制得所需的氧气。为了连续不断地产气，采用A、B两个分离塔轮流循环工作，流程由可编程序控制器进行控制。1.3.2工艺流程 图1-6系统流程图压缩空气首先进入主管路过滤器及冷冻式干燥机除微尘并除水干燥，再经空气缓冲罐进行稳压稳流，再经各级过滤器除油。然后将干燥、无油、无尘纯净的压缩空气，进入A分离塔，分子筛在一定压力下大量吸附氮气、二氧化碳等气体，未被吸附的氧气纯度迅速提高，进入氧气缓冲罐；与此同时，小部分氧气经回吹阀吹扫B分离塔，同时B塔的分子筛被迅速降压，在常压下解析出已吸附的氮气、二氧化碳等成分； A塔吸附接近饱和时，A塔与B塔均压；压缩空气进入B分离塔，分子筛在一定压力下大量吸附氮气、二氧化碳等气体，未被吸附的氧气纯度迅速提高，进入氧气缓冲罐；与此同时，小部分氧气经回吹阀吹扫A分离塔，同时A塔的分子筛被迅速降压，在常压下解析出已吸附的氮气、二氧化碳等成分；B塔吸附接近饱和时，B塔与A塔均压；重复上述步骤。如此循环不断即可连续得到纯度90%的氧气，氧气缓冲罐中的产品气进一步进行净化处理，经流量计输出到氧气储罐,由氧气储罐稳压稳流净化后由中心供氧系统分流入病房、手术室、呼吸机、高压氧舱等。1.3.3控制的实现氧气变送器接收氧气传感器的氧气含量电信号，转换成标准的可编程的420mA氧气含量模拟信号。流程的控制核心是PLC可编程控制器，其内部设置有制氧机的核心程序及核心参数。PLC可编程控制器发出时间和开关指令，首先控制先导电磁阀，先导电磁阀再控制对应的气动阀，由气动阀的操作来控制气流在两个塔之间的循环，产生出氧气。同时PLC可编程控制器接收氧气变送器传送的氧气纯度信息，并显示在触摸屏上。PLC可编程控制器与触摸屏的作用是互动的，触摸屏主要功能是显示PLC可编程控制器的内部状态和参数，同时可调整PLC可编程控制器的内部状态和参数。PLC可编程控制器脱离了触摸屏可以继续控制制氧机系统。2分子筛制氧机装置的设计2.1分子筛制氧机各部分装置要求2.1.1装置主要技术参数氧气产量：7.5m3h(50、0.9MPa)；氧气纯度：90以上；2.1.2分子筛的选择及量的确定根据以往的经验、各分子筛的实验数据及装置所要求的技术参数，该装置选用美国uop分子筛，其某工况下(50、0.9Mpa)的性能数据：(1)整体密度：0.66gml； (2)产氧量：浓度90以上的氧气时，大于56m3ht ；(3)提取率：每18体积空气制的一体积氧气。以上几个方面的数据对加工空气的压力、露点、含油量皆有一定的要求。选用BF分子筛的理由为：如采用国产分子筛则所需分子筛量相应较大，所配置的吸附筒容积也相应增大，而且单级吸附也较难达到所需纯度要求。参照分子筛的有关参数，通过比照就可以确定在所需压力06MPa、纯度999N2时所配备的分子筛量m=7.556132kg。2.1.3空气压缩系统、冷干机系统的确定由于分子筛对加工空气的压力、露点、含油量皆有较高的要求，因此常选用无油润滑空压机或油润滑空压机加多级油雾过滤器来保证对含油量的要求；选用冷干机来保证其对空气的露点要求。在该装置中，采用无油润滑空压机，其技术数据：空气流量150m3h、出口压力08MPa。而冷干机所要求达到的压力露点不大于5。2.1.4动作阀的选择双塔流程当中两只吸附器的周期性交替工作，是通过由程序控制器控制的电磁(气动)阀来完成的。由于切换周期短、阀的动作频繁，因此要求所选用的阀寿命在50万次以上，并且某些阀须有双向通气的功能。2.1.5过滤系统根据用户的产品气(氮气)的使用环境，过滤系统有时是必不可少的。在该装置上，配备了s三级种过滤器，初级消除0.1 ppm的液状水和油雾以及1微米的颗粒；次级消除00.01 ppm的液状水和油雾以及0.01微米的颗粒；第三级为除菌过滤器，用于消除最大残留油量为0.003 ppm的油蒸气。2.2氧气储存罐的设计2.2.1设计参数压力容器的形式多种多样，内压容器按设计压力（P）的大小分为以下四个压力等级：低压容器（代号L） 0.1 Mpap1.6 Mpa；中压容器（代号M） 1.6 Mpap10.0 Mpa；高压容器（代号H） 10.0Mpap100 Mpa；超高压容器（代号L） 100 Mpap。所以取设计压力为1 Mpa时，该容器属于低压容器。设计温度为50摄氏度，在-20200条件下工作属于常温容器。为保证在机器维修时能继续供氧，且时间大于两个小时，所以取氧气储存罐的体积为5立方米。2.2.2筒体的选材及结构选择钢板是压力容器最常用的材料，如圆筒一般有钢板卷制而成，钢板通过冲压或旋压制成风头等。在制造过程中，钢板要经过各种冷热加工，如卷板，焊接，热处理等，因此钢板应具有良好的塑性，韧性，冷弯性和焊接性能。碳素钢为含碳量小于2.06%，的铁碳合金，还含有少量的硫，硅，氧，氮元素等。它不仅供应方便，价格低廉，还有一系列的良好的工艺性能和使用性能。根据JB/T 700-1988，本容器选用Q235B钢材,表2-1为Q235B用于压力容器时的要求。钢板标准号为GB150-1998。表2-1 Q235B用于压力容器时的要求钢板牌号允许设计压力/ Mpa钢板使用温度用于容器壳体材料钢板厚度限制/mm不允许盛装介质Q235B1.6 Mpa0-35020毒性物质和极度危害的介质封头有多种形式，半球形封头就单位容积的表面积来说为最小，需要的厚度是同样直径圆筒的二分之一，从受力来看，球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。椭圆形封头的应力情况不如半球形封头均匀，但对于标准椭圆形封头与厚度相等的筒体连接时，可以达到与筒体等强度。它吸取了蝶形封头深度浅的优点，用冲压法易于成形，制造比球形封头容易，所以选择椭圆形封头，结构由半个椭球面和一圆柱直边段组成。查EHA椭圆形封头标准（JB/T4746-2002），如图2-1。表2-2 EHA椭圆形封头标准公称直径DN曲面高度h1内表面积Fi/m2容积V/m314003752.23460.3977封头取与筒体相同材料。图2-1 EHA椭圆形封头2.2.3设计计算（1） 筒体壁厚计算查压力容器材料使用手册-碳钢及合金钢得Q235B的密度为7.85t/m3，许用应力=113MPA。圆筒的计算压力为1Mpa,容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头都采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数为0.85,全部无损探伤。取许用应力为163 Mpa。壁厚：钢板厚度负偏差,查材料腐蚀手册得50下氧气对钢板的腐蚀速率小于0.05/年，所以双面腐蚀取腐蚀裕量。所以设计厚度为：圆整后取名义厚度10。（2）封头壁厚计算标准椭圆形封头a:b=2:1 封头计算公式 ：可见封头厚度近似等于筒体厚度，则取同样厚度。因为封头公称直径小于2000mm,则标准椭圆形封头的直边高度。 a=1400mm ,b=350mm,质量为172.7kg。（3） 压力试验水压试验，液体的温度不得低于5。试验方法：试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽，试验过程中，应保持容器外表面的干燥。试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于30min。然后将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长的时间以便对所有焊接接头和连接部位进行检查。如有渗漏，修补后重新试验。水压试验时的压力：水压试验的应力校核：水压试验时的应力：Mpa水压试验时的许用应力为 ：故筒体满足水压试验时的强度要求。2.2.4附件选择（1）人孔选择人孔的作用：为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷。人孔的结构：既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。人孔类型：从是否承压来看有常压人孔和承压人孔。从人孔所用法兰类型来看，承压人孔有板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔，在人孔法兰与人孔盖之间的密封面，根据人孔承压的高低、介质的性质，可以采用突面、凹凸面、榫槽面或环连接面。从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖的所处位置看，人孔又可分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔三种。人孔标准HG21524-95规定PN1.0Mpa时只能用带颈平焊法兰人孔或带颈对焊法兰人孔。容器上开设人孔规定当Di1000时至少设一个人孔，压力容器上的开孔最好是圆形的，人孔公称直径最小尺寸为400。综合考虑选择回转盖带颈平焊法兰人孔（HG21524-95）,公称压力PN=1MPA、公称直径DN=450mm、H1=230 、RF型密封面、采用碳钢材料、垫片采用聚四氟乙烯垫,法兰盖标准HG21516，材料为20R。回转盖尺寸见表2-3。2-3 回转盖（板式、带颈）平焊法兰人孔尺寸密封面形式公称压力PN/MPa公称直径DN/mmDw*sDD1bb1b2A突面PF型。RE(A)型1.0450480x8615565282628340BLH1H2d0螺栓螺柱数量螺栓螺柱1502502301082020M24x95M24x1251752502501082420M24x95M24x125人孔补强的计算：开孔补强结构：压力容器开孔补强常用的形式可分为补强圈补强、厚壁管补强、整体锻件补强三种。补强圈补强是使用最为广泛的结构形式，它具有结构简单、制造方便、原材料易解决、安全、可靠等优点。在一般用途、条件不苛刻的条件下，可采用补强圈补强形式。但必须满足规定的条件。压力容器开孔补强的计算方法有多种，为了计算方便，采用等面积补强法，即壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。当补强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积。补强材料采用16MnR。内压容器开孔后所需的补强面积：式中开孔直径：mm；强度削弱系数：因为大于1，所以按1计算壳体开孔处的计算厚度接管有效厚度：则 2有效补强面积即已有的加强面积壳体开孔后，在有效补强范围内，可作为补强的截面积（包括来自壳体、接管、焊缝金属、补强元件）:筒体上多余金属面积：有效补强宽度B=2d筒体的有效厚度 所以2人孔接管上多余的面积：外侧有效高度：内侧有效高度即实际内伸高度 接管计算厚度：所以2焊缝金属截面积：2则 2比较得 满足以下条件的可选用补强圈补强：刚材的标准常温抗拉强度Mpa；补强圈厚度应小于或等于壳体壁厚的1.5倍；壳体名义厚度；设计压力；设计温度。可知本设计满足要求，则采用补强圈补强。所需补强圈的面积为：2补强圈的结构及尺寸：为检验焊缝的紧密型，补强圈上钻M10的螺孔一个，以通入压缩空气检验焊缝质量。按照根