CN106672906A - 一种两塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种两塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置和方法，包括鼓风机、真空泵、第一吸附塔、第二吸附塔、第一均压罐、第二均压罐和氧气缓冲罐，其中第一吸附塔的进口与第二吸附塔的进口相连，并连接到鼓风机和真空泵，第一吸附塔的出口和第二吸附塔的出口相连，并连接到氧气缓冲罐，第一吸附塔和第二吸附塔通过管道与第一均压罐和第二均压罐连接。采用了本发明的技术方案，能够提高氧气产量和收率，解决现有VPSA制氧工艺氧气利用率低、吸附剂利用率低、设备造价高的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及利用变压吸附法制备氧气的技术领域，尤其涉及一种两塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置和方法。
背景技术
空气中的主要成分是氮气和氧气，利用环境温度下，空气中氮气和氧气在分子筛上的吸附性能不同（氧气能通过而氮气被吸附），设计适当的工艺过程，可以使氮气和氧气分离制得氧气。氮气在分子筛上的吸附能力比氧气强（氮与分子筛表面离子的作用力强），当空气在加压状态下通过装有沸石分子筛吸附剂的吸附床时，氮气被分子筛吸附，氧气因吸附较少，在气相中得到富集并流出吸附床，使氧气和氮气分离获得氧气。当分子筛吸附氮气至接近饱和后，停止通空气并降低吸附床的压力，分子筛吸附的氮气便可以解吸出来，分子筛得到再生并可重复利用。
现在市场上小型制氧设备都采用变压吸附法（PSA），其是一种利用多空固体吸附剂在一定压力、温度下，对混合气体中不同组分具有选择吸附的特性，实现混合气体的分离技术。低压吸附真空解吸（VPSA）法的吸附压力高于大气压，一般在40～60Kpa，VPSA法是目前采用最多的一种制氧工艺，制氧电耗一般在0.15～0.2KWh/m3，装置规模0～2000 m3/h。
目前，现有的变压吸附制氧设备主要流程中的氧气收率低，氧气浓度在85%左右，产品压力波动大，连续产氧时间间隔长，对于一些对氧气浓度要求较高的设备来说，传统的制氧设备已经满足不了现在市场的需求。
发明内容
本发明实施例期望提供一种两塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置和方法，能够提高氧气产量和收率。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：
一种两塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置，包括鼓风机、真空泵、第一吸附塔、第二吸附塔、第一均压罐、第二均压罐和氧气缓冲罐，其中第一吸附塔的进口与第二吸附塔的进口相连，并连接到鼓风机和真空泵，第一吸附塔的出口和第二吸附塔的出口相连，并连接到氧气缓冲罐，第一吸附塔和第二吸附塔通过管道与第一均压罐和第二均压罐连接，其中，
鼓风机用于将原料空气压缩后通过管道输入第一吸附塔和第二吸附塔；
真空泵用于抽取第一吸附塔和第二吸附塔内的气体；
第一吸附塔和第二吸附塔用于吸附产氧、顺向放压、真空解吸、清洗和充压，输出富氧气体到第一均压罐，输出贫氧气体到第二均压罐，输出氧气到氧气缓冲罐；
第一均压罐用于存储从第一吸附塔和第二吸附塔输入的富氧气体，并输出给第一吸附塔和第二吸附塔进行充压；
第二均压罐用于存储从第一吸附塔和第二吸附塔输入的贫氧气体，并输出给第一吸附塔和第二吸附塔进行充压；
氧气缓冲罐用于收集从第一吸附塔和第二吸附塔输入的氧气，并输出给第一吸附塔和第二吸附塔进行清洗。
优选地，还包括17个阀门。
优选地，所述17个阀门是气动切换阀。
优选地，还包括止回阀，止回阀一端连通第一吸附塔和第二吸附塔，另一端连通氧气缓冲罐。
优选地，还包括可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器用于输出电信号控制阀门。
本发明的实施例还提供一种两塔低压吸附真空解吸制备氧气的方法，包括以下步骤：
原料空气经过鼓风机进入第一吸附塔，第一吸附塔进行吸附，获得氧气输送给氧气缓冲罐，同阶段真空泵对第二吸附塔进行抽真空，进行真空解吸；
当第一吸附塔的吸附剂吸附氮气饱和时停止鼓风机工作，第一吸附塔将其中的富氧气体顺放至第一均压罐，同阶段第二吸附塔继续进行真空解吸；
第一吸附塔将其中的贫氧气体顺放至第二均压罐，同阶段第二吸附塔从氧气缓冲罐获得氧气进行清洗；
真空泵对第一吸附塔进行抽真空，进行真空解吸，同阶段第二吸附塔从第二均压罐获得贫氧气体进行充压，并利用鼓风机同时进行充压；
第一吸附塔继续进行真空解吸，同阶段第二吸附塔从第一均压罐获得富氧气体进行充压，并利用鼓风机继续进行充压；
第一吸附塔继续进行真空解吸，同阶段第二吸附塔对原料空气进行吸附，获得氧气输送给氧气缓冲罐；
第一吸附塔继续进行真空解吸，同阶段当第二吸附塔的吸附剂吸附氮气饱和时停止鼓风机工作，第二吸附塔将其中的富氧气体顺放至第一均压罐；
第一吸附塔从氧气缓冲罐获得氧气进行清洗，同阶段第二吸附塔将其中的贫氧气体顺放至第二均压罐；
第一吸附塔从第二均压罐获得贫氧气体进行充压，并利用鼓风机同时进行充压，同阶段真空泵对第二吸附塔进行抽真空，进行真空解吸；
第一吸附塔从第一均压罐获得富氧气体进行充压，并利用鼓风机继续进行充压，同阶段第二吸附塔继续进行真空解吸；
重复以上步骤。
优选地，第一吸附塔和第二吸附塔进行吸附时，气压范围为40千帕到50千帕；第一吸附塔和第二吸附塔进行真空解吸时，气压范围为-40千帕到-50千帕。
优选地，富氧气体的氧气浓度为80%到90%，贫氧气体的氧气浓度为60%到70%。
本发明实施例所提供的两塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置和方法，可从空气中分离纯度为85%～93%（体积百分比）的氧气，氧气收率能达到70%～80%，产量规模低于5000Nm³/h的中大型制氧设备。解决了原有VPSA制氧工艺氧气利用率低、单位产量吸附剂用量大（吸附剂利用率低）、设备造价高等影响VPSA技术应用的缺点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的两塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例和技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的技术方案是设计一种两塔VPSA制备氧气的装置，包括两个吸附塔、1个鼓风机、1个真空泵、2个均压罐和1个氧气缓冲罐，将两个吸附塔进行联用进行变压吸附，在一个周期内，每个吸附塔都经历吸附、顺向放压、真空解吸、清洗、充压等五个步骤，在同一时刻两个吸附塔分别处于不同的操作阶段。一个吸附塔进行吸附产氧，另一个吸附塔再生，再生结束后，该吸附塔进空气吸附，另一个吸附塔再生。如无特别说明，本发明实施例中所用的压力都为本领域常用的表压。
图1为本发明实施例提供的两塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置的结构示意图。如图1所示，该两塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置包括鼓风机G、真空泵Z、第一吸附塔A、第二吸附塔B、第一均压罐V1、第二均压罐V2、氧气缓冲罐V3、止回阀J1和十七个阀门A1-A7、B1-B7、K1-K2、J2。其中这十七个阀门A1-A7、B1-B7、K1-K2、J2是气动切换阀。本实施例中的两个吸附塔直径4700mm，高度4000mm，采用型号为350m³/h的鼓风机和460m³/h的真空泵。
第一吸附塔A的进口与第二吸附塔B的进口相连，并连接到鼓风机G和真空泵Z，第一吸附塔A的出口和第二吸附塔B的出口相连，并连接到氧气缓冲罐V3，第一吸附塔A和第二吸附塔B通过管道与第一均压罐V1和第二均压罐V2连接。
鼓风机G将原料空气压缩后通过管道输入第一吸附塔A和第二吸附塔B。
真空泵Z能够抽取第一吸附塔A和第二吸附塔B内的气体。
第一吸附塔A和第二吸附塔B分别完成吸附产氧、顺向放压、真空解吸、清洗和充压，输出富氧气体到第一均压罐V1，输出贫氧气体到第二均压罐V2，输出氧气到氧气缓冲罐V3。
第一均压罐V1存储从第一吸附塔A和第二吸附塔B输入的富氧气体，并输出给第一吸附塔A和第二吸附塔B进行充压。
第二均压罐V2存储从第一吸附塔A和第二吸附塔B输入的贫氧气体，并输出给第一吸附塔A和第二吸附塔B进行充压。
氧气缓冲罐V3收集从第一吸附塔A和第二吸附塔B输入的氧气，并输出给第一吸附塔A和第二吸附塔B进行清洗。
止回阀J1一端连通第一吸附塔A和第二吸附塔B，另一端连通氧气缓冲罐V3。
还包括可编程逻辑控制器（PLC），可编程逻辑控制器能够输出电信号控制各个阀门A1-A7、B1-B7、K1-K2、J2。两个吸附塔各步骤的切换是靠程控阀门的开或关来实现的，将设计好的程序输入PLC，PLC输出电信号控制程控阀门，使程控阀门开或关，实现各步骤的切换。
下面具体描述利用上述实施例中的两塔低压吸附真空解吸制备氧气装置来制备氧气的过程。该两塔低压吸附真空解吸（VPSA）制备氧气的流程包括以下步骤：
阀门A1，A7，B2开启，其余切换阀门关闭，原料空气经过鼓风机进入第一吸附塔，第一吸附塔进行吸附，获得氧气输送给氧气缓冲罐。
在这个阶段，原料空气经过滤消音器除去机械杂质，经鼓风机增压后从下部进入第一吸附塔，其中气压范围为40千帕到50千帕，空气中的水分和二氧化碳优先被吸附，然后氮气也被吸附，氧气则吸附很少，在气相中得到富集，并从第一吸附塔顶端排出，使氧气和氮气分离获得高纯度的氧气，此步骤称为“吸附”。获得的氧气一部分作为产品气，经压力调节后送往下游装置。
同阶段真空泵对第二吸附塔进行抽真空，进行真空解吸，其中气压范围为-40千帕到-50千帕。
阀门A3，K1，A4，B2开启，其余切换阀门关闭，当第一吸附塔的吸附剂吸附氮气饱和时停止鼓风机工作，第一吸附塔将其中的富氧气体顺放（即顺向放压）至第一均压罐，其中富氧气体的氧气浓度为80%到90%。
同阶段第二吸附塔继续进行真空解吸。
阀门K1，A3，B4，J2，B7，B2开启，其余切换阀门关闭，第一吸附塔将其中的贫氧气体顺放至第二均压罐，贫氧气体的氧气浓度为60%到70%。流出气进入均压罐，回收带压的气体的能量以及纯度较高的氧气，用来进行充压，使装置的氧气收率提高。
同阶段第二吸附塔从氧气缓冲罐获得氧气进行清洗。在清洗阶段时，利用氧气缓冲罐中的产品氧来清洗，氧气浓度高，清洗效果好。
阀门A2，B1，B5，B6开启，其余切换阀门关闭，真空泵对第一吸附塔进行抽真空，进行真空解吸，解吸吸附剂上吸附的氮气，使吸附剂得到再生。
同阶段第二吸附塔从第二均压罐获得贫氧气体进行充压，并利用鼓风机同时进行充压。
阀门A5，B6，A2，B1开启，其余切换阀门关闭，第一吸附塔继续进行真空解吸，同阶段第二吸附塔从第一均压罐获得富氧气体进行充压，并利用鼓风机继续进行充压。
在充压阶段时，第二均压罐中的贫氧气体首先被用来充压，让贫氧气体在吸附塔底部进行再次吸附，紧接着第一均压罐中的富氧气体在进行充压，回收这部分富氧气体。
鼓风机充压之前，利用两个均压罐收集的顺放气体提对吸附塔进行升压，能够减小对分子筛的冲击力，延长分子筛的使用寿命，提高氧气收率。
阀门A2，B7，B1开启，其余切换阀门关闭，第一吸附塔继续进行真空解吸，同阶段第二吸附塔对原料空气进行吸附，获得氧气输送给氧气缓冲罐。
阀门K1，A2，B3，A4开启，其余切换阀门关闭，第一吸附塔继续进行真空解吸，同阶段当第二吸附塔的吸附剂吸附氮气饱和时停止鼓风机工作，第二吸附塔将其中的富氧气体顺放至第一均压罐。
阀门K1，B3，B4，J2，A7，A2开启，其余切换阀门关闭，第一吸附塔从氧气缓冲罐获得氧气进行清洗，用部分纯度较高的氧气对其进行清洗，置换吸附剂上吸附的氮气，使氮气的解吸更为彻底。
同阶段第二吸附塔将其中的贫氧气体顺放至第二均压罐。
阀门A5，Ｂ6，Ｂ2，Ａ1开启，其余切换阀门关闭，第一吸附塔从第二均压罐获得贫氧气体进行充压，并利用鼓风机同时进行充压，同阶段真空泵对第二吸附塔进行抽真空，进行真空解吸。
阀门A5，Ａ6，A2，B２开启，其余切换阀门关闭，第一吸附塔从第一均压罐获得富氧气体进行充压，并利用鼓风机继续进行充压，同阶段第二吸附塔继续进行真空解吸。
重复以上步骤，周期性切换，使设备能够平稳产氧。制得合格产品氧气，再经氧气压缩机压缩后，符合用户要求的氧气压力即可送往用气点。
上述两塔低压吸附真空解吸制备氧气装置，特点是在清洗步骤时，仍然在进行抽真空，吸附床的压力基本不变，另外气源采用的是氧气缓冲罐中的气体，气体纯度高，清洗效果好，另外打破了传统的两塔变压吸附制氧装置的传统工艺流程，两个均压罐对顺向放压的气体进行区分和收集，并且用于对吸附塔的充压阶段，将贫氧气体再次鼓入吸附塔底部进行二次吸附，再将富氧气体鼓入吸附塔进行回收利用，提高了氧气收率和氧气浓度，可适应1～5000Nm³/h的不同产量的制氧设备，氧气浓度能达到85%～93%（体积百分比），氧气收率能达到70%~80%以上，实现10%~20%的氧气生产率改进。
上述两塔低压吸附真空解吸制备氧气的流程不需要两个吸附塔之间相互均压，各塔相互独立，对真空泵的利用率为100%，鼓风机的利用率在90%，每个吸附塔只需要5个步骤，完成一个周期的时间较短，基本可以达到连续产氧的效果。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种两塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置，其特征在于，包括鼓风机、真空泵、第一吸附塔、第二吸附塔、第一均压罐、第二均压罐和氧气缓冲罐，其中第一吸附塔的进口与第二吸附塔的进口相连，并连接到鼓风机和真空泵，第一吸附塔的出口和第二吸附塔的出口相连，并连接到氧气缓冲罐，第一吸附塔和第二吸附塔通过管道与第一均压罐和第二均压罐连接，其中，
鼓风机用于将原料空气压缩后通过管道输入第一吸附塔和第二吸附塔；
真空泵用于抽取第一吸附塔和第二吸附塔内的气体；
第一吸附塔和第二吸附塔用于吸附产氧、顺向放压、真空解吸、清洗和充压，输出富氧气体到第一均压罐，输出贫氧气体到第二均压罐，输出氧气到氧气缓冲罐；
第一均压罐用于存储从第一吸附塔和第二吸附塔输入的富氧气体，并输出给第一吸附塔和第二吸附塔进行充压；
第二均压罐用于存储从第一吸附塔和第二吸附塔输入的贫氧气体，并输出给第一吸附塔和第二吸附塔进行充压；
氧气缓冲罐用于收集从第一吸附塔和第二吸附塔输入的氧气，并输出给第一吸附塔和第二吸附塔进行清洗。
2.根据权利要求1所述的一种两塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置，其特征在于，还包括17个阀门。
3.根据权利要求2所述的一种两塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置，其特征在于，所述17个阀门是气动切换阀。
4.根据权利要求2所述的一种两塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置，其特征在于，还包括止回阀，止回阀一端连通第一吸附塔和第二吸附塔，另一端连通氧气缓冲罐。
5.根据权利要求4所述的一种两塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置，其特征在于，还包括可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器用于输出电信号控制阀门。
6.一种两塔低压吸附真空解吸制备氧气的方法，其特征在于，包括以下步骤：
原料空气经过鼓风机进入第一吸附塔，第一吸附塔进行吸附，获得氧气输送给氧气缓冲罐，同阶段真空泵对第二吸附塔进行抽真空，进行真空解吸；
当第一吸附塔的吸附剂吸附氮气饱和时停止鼓风机工作，第一吸附塔将其中的富氧气体顺放至第一均压罐，同阶段第二吸附塔继续进行真空解吸；
第一吸附塔将其中的贫氧气体顺放至第二均压罐，同阶段第二吸附塔从氧气缓冲罐获得氧气进行清洗；
真空泵对第一吸附塔进行抽真空，进行真空解吸，同阶段第二吸附塔从第二均压罐获得贫氧气体进行充压，并利用鼓风机同时进行充压；
第一吸附塔继续进行真空解吸，同阶段第二吸附塔从第一均压罐获得富氧气体进行充压，并利用鼓风机继续进行充压；
第一吸附塔继续进行真空解吸，同阶段第二吸附塔对原料空气进行吸附，获得氧气输送给氧气缓冲罐；
第一吸附塔继续进行真空解吸，同阶段当第二吸附塔的吸附剂吸附氮气饱和时停止鼓风机工作，第二吸附塔将其中的富氧气体顺放至第一均压罐；
第一吸附塔从氧气缓冲罐获得氧气进行清洗，同阶段第二吸附塔将其中的贫氧气体顺放至第二均压罐；
第一吸附塔从第二均压罐获得贫氧气体进行充压，并利用鼓风机同时进行充压，同阶段真空泵对第二吸附塔进行抽真空，进行真空解吸；
第一吸附塔从第一均压罐获得富氧气体进行充压，并利用鼓风机继续进行充压，同阶段第二吸附塔继续进行真空解吸；
重复以上步骤。
7.根据权利要求6所述的一种两塔低压吸附真空解吸制备氧气的方法，其特征在于，第一吸附塔和第二吸附塔进行吸附时，气压范围为40千帕到50千帕；第一吸附塔和第二吸附塔进行真空解吸时，气压范围为-40千帕到-50千帕。
8.根据权利要求7所述的一种两塔低压吸附真空解吸制备氧气的方法，其特征在于，富氧气体的氧气浓度为80%到90%，贫氧气体的氧气浓度为60%到70%。
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