CN101139088B

CN101139088B - 旋转分子筛微型变压吸附制氧装置

Info

Publication number: CN101139088B
Application number: CN2007100184541A
Authority: CN
Inventors: 丁利群; 金从卓; 徐釗; 李连生; 束鹏程
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2027-08-10
Also published as: CN101139088A

Abstract

旋转分子筛微型变压吸附制氧装置，包括分子筛容器、旋转机构，分子筛容器包括设置在其中心的旋转轴以及均匀布置在分子筛容器内的芯子，该芯子将分子筛容器分为若干个分子筛通道，旋转轴与旋转机构相连接，进气盖包括进气盖进气缓冲腔、进气盖均压腔和进气盖排气缓冲腔，进气盖进气缓冲腔与空气压缩机相连通，进气盖排气缓冲腔与富氮出口相连，排气盖包括排气盖进气缓冲腔、排气盖均压腔和排气盖排气缓冲腔，排气盖排气缓冲腔与富氧出口相连接。本发明双塔变单塔，较明显的减小了体积。分子筛容器旋转的驱动力是低压清洗气，在保证最佳清洗压力的条件下，充分利用了清洗气的压力能，有利于整个系统提高效率、降低能耗。

Description

旋转分子筛微型变压吸附制氧装置

技术领域

本发明属于空气分离领域的变压吸附制氧装置，具体涉及一种旋转分子筛微型变压吸附制氧装置。

背景技术

吸附分离是一种由多组分流体混合物与吸附剂固体表面充分接触，且混合物组分与吸附剂表面之间存在着不同的作用力，从而使作用力较强的组分在吸附剂表面吸附富集，并与作用力较弱的组分产生分离的过程。在恒温下，吸附剂的吸附量随压力变化的曲线，称为吸附等温线。

变压吸附工艺过程基于吸附分离原理沿吸附等温线进行，通过增压和减压进行吸附和解吸，吸附剂不断进行使用和再生的循环。为使混合气体分离量最大，除选用的吸附剂的吸附选择性差别大以外，吸附等温线的斜率变化和压力变化尽可能大。

变压吸附空气制氧是利用变压吸附过程使空气中的氧和氮分离的技术。采用压力变化实现空气分离最初由Skarstorm(美)和Gerin deMontgareuil和Domine(法)的两个专利提出。两者的差别是，Skarstorm循环在床层吸附饱和后，用部分低压的产品氧气冲洗解吸，而Gerin—Domine循环采用抽真空的办法解吸。

在Skarstrom循环的放空和冲洗步骤中，吸附塔内的气体直接排空，冲洗和放空对氧气的回收率和整个系统的能耗产生了不利的影响。

PSA的吸附和清洗过程高低压比通常不大(3.0～6.0)，要达到吸附剂再生的目的所需的冲洗量较多，冲洗量对氧气的回收率影响较大；另一方面，如果加大吸附和解吸的高低压力比，虽然减小了冲洗量，但随着吸附压力的增加床层残余的氧气量也增加，同样难以提高氧气的回收率。

放空气体是高压气体，清洗气体略高于大气压力，如果不加以利用直接放空，特别是前者，增加了整个系统的能耗。

因此在Skarstrom循环中增加均压步骤，让吸附饱和的塔和清洗完毕的塔连通，然后在进行放空和充压；另外，用产品氧气代替原料空气进行充压，使得部分产品氧气进行了二次吸附，从而提高了氧气的纯度。

VSA循环是在常压或加压下吸附，真空下解吸，分别称为VSA或VPAS。开始的VSA循环由充压、吸附、抽真空解吸等步骤组成，为了降低能耗、提高氧的回收率和纯度，不断改进，其主要表现在：采用均压步骤；抽真空后采用冲洗步骤，真空冲洗的气体包括产品气和均压降的气体，因为低压时冲洗再生更有效；而且冲洗步骤后由于是用产品气氧来充压；均压降气体冲洗与产品气充压的结合更加明显减少了生产单位产品气氧所需吸附剂的用量，此外这种方法还使氧的收率增加；同一塔中同时进行相关联的两步骤，在VSA制氧过程中可以同时进行均压降与逆放排空、均压升与原料空气充压、原料空气充压与产品气充压的步骤，这样的工艺组合在保证产品气氧的纯度前提下，减少了循环时间，从而明显地增加了分子筛的使用效率。

变压吸附过程的能耗主要是一些动力设备的能耗。其中的设备主要是压缩机(PSA)或鼓风机和真空泵(VSA)，其能耗从20世纪80年代开始逐渐下降，由0.6kwh/Nm³下降到0.35kwh/Nm³(93％～95％O²)。

便携式一体化变真空吸附制氧机专利(03234238.1)，该制氧装置主要由动力源、活塞缸和活塞组成。该活塞缸为上、下两段大、小圆筒组成的密闭容器，小筒段为氧气室，大筒段为真空室。在小、大圆桶中均设有密封活塞；整个制氧装置的活塞是由两密封活塞中部联接一吸附剂室组成。活塞的吸附剂室中填充有吸附剂，作为吸附塔。吸附剂室顶部设有氧气输出阀，底部设有真空出气阀；活塞缸顶部设有富氧排气阀，底部设有富氮输出阀。空气进气管固联在活塞上、其出气口设在吸附剂室底部、外端伸出活塞缸。

当活塞上行时，吸附剂室下端的真空出气阀打开，吸附剂室与真空室连通，而活塞缸底部的富氮排气阀关闭，由于真空室体积不断增大，分子筛中被吸附的氮气等气体被抽吸到真空室中，形成真空解吸；此时，吸附剂室上端的氧气输出阀关闭，同时活塞缸顶部的富氧排气阀打开，使得氧气室里上一循环中的产品氧气被活塞排出缸外。

当活塞下行时，吸附剂室上端的氧气输出阀打开，吸附剂室与氧气室连通，而活塞缸顶部的富氧排气阀关闭，由于氧气室容积不断增大，压力下降，常压原料空气被吸入，经分子筛吸附后，富氧进入到氧气室中；此时，吸附剂室下端的真空出气阀关闭，同时活塞缸底部的富氮排气阀打开，使得前期被抽吸到真空室里中的氮气等废气被活塞排出缸外。

首先，活塞的运动应该由曲柄连杆机构来驱动，动力源为电机。吸附制氧的循环周期一般最短为8～24s，因此，活塞的运动速度应该相当慢。但即使小电机的速度也无法满足这样的活塞运动速度，所以在整个装置中必须安设减速器，这必将导致此装置的结构复杂，体积增大，这与设计的初衷——结构简单、体积小、便携式相违背。

此装置中的余隙容积必须设计得较小，否则会降低真空度，导致吸附剂解吸不充分，另外，Armond和Ray于1979年提出了在抽真空后用产品气清洗吸附剂的方法，他们的试验证实了低压冲洗对吸附剂的再生更加有效。吸附剂不能充分再生的，不仅会降低产品的纯度，而且最终导致吸附剂失效。

从变压吸附的工艺过程分析，该设计缺乏为降低能耗提高产品氧回收率的均压过程，缺乏为提高产品氧浓度的产品气充压过程，只有吸附和抽真空解吸2个过程，这不是一个高效节能的工艺。

间歇式变压吸附制氧装置(93200899.2)，该制氧装置由一台空压机、一台真空泵，单筒吸附塔以及控制循环过程的电磁阀组成。该吸附塔为双筒结构，内装两种分子筛。

当加压吸附时，空气经空压机压缩到一定的压力后，经过开启的进气电磁阀进入吸附塔，此时，排气电磁阀、放空电磁阀均关闭。空气在吸附塔内经过两种分子筛，其中的水蒸气、CO₂、氮气等气体被分子筛吸附，浓度较高的O₂沿管道排出装置。当分子筛吸附饱和时，经自动控制程序关闭进气电磁阀、同时打开排气电磁阀、放空电磁阀、压缩机后的泄压阀，这时，压力高于当地大气压的废气经放空阀和真空泵排入环境中，当废气的压力接近当地大气压时，由控制程序关闭放空阀，真空泵继续抽吸，完成真空解析的过程，使得分子筛中的废气完全脱离而排入环境中。至此，制氧装置完成了一个循环过程。

当吸附过程完毕后，吸附塔中还含有不少的高浓度高压力的富氧气体，就直接经过抽真空而排入环境中，降低了产品氧的回收率，并且带来能源损失的问题。从变压吸附工艺角度分析，这不是一个高效节能的工艺。

间歇制氧的过程中，空压机和真空泵处于交替空载运行的状态，增加能耗损失。如果根据间歇制氧的周期，不断启动和关闭空压机和真空泵，由于吸附制氧的周期短，所以空压机、真空泵频繁地启停，势必缩短机器的使用寿命。

RPSA吸附制氧装置，1971年Kadlec及其合作者发明了快速单塔变压吸附过程，后经Keller和Jones等人的改进，1980年开始用于工业生产中。RPSA具有周期短、设备简单、能耗低等特点，

充压阶段：由于前一个阶段的解吸造成吸附塔内低压，进气阀打开，原料气顺流进入吸附塔，储气罐内的产品气逆流进入吸附塔。吸附塔内压力迅速升高。

吸附阶段：由于原料气压力大于储气罐压力，原料气流过分子筛吸附，氧气流向储气罐。

延迟阶段：进气阀关闭，0.5~3S短时间延迟。塔内轴向压力分别使氧气继续向储气罐移动。

降压阶段：解吸气流出，同时塔内仍有氧气流入储气罐。

解吸阶段：由于塔内压力的进一步降低，储气罐内的氧气部分倒流对吸附塔进行清洗，使吸附剂再生。

在Keller的改进方法中，使用了短时间进气(高压进气脉冲，低于1s)、长时间排气(5～20s)和短时间延迟(0.5~3s)步骤。RPSA一个最主要的特点就是解吸时间和吸附时间不一致。

RPSA过程成功的关键是吸附塔内有较大的压力梯度，此压力梯度越大，分离效果越明显，因此进气压力较高。

间歇提供原料气，必须有电磁阀控制。

从文献《微型单塔RPSA制氧工艺参数研究》(《低温与特气》 2006/4，P29-P32，宗航，刘应书等)上看，氧气浓度低于90％，氧浓度在试验的最佳点一般在85％左右。

钢瓶氧：使用最早、最广泛的一种供氧设备，是常见的氧疗氧源。最高工作压力为150公斤/平方厘米，属高压容器。钢瓶一般可租，故短期或短时间使用的话，较为经济。但长时间使用费用较高，另外运输较麻烦。

化学投料制氧：目前市面上种类较多，不需通电，不需预先贮存氧。使用时先放水再放制氧剂和催发剂则可产氧，比较适合外出使用。制氧器价格便宜，一般为两三百元左右，但对长期使用则是非常昂贵，目前市面上制氧剂每盒(10-12小包)40～48元，每小包使用时间约15分钟，氧流量平均小于0.5升/分钟，一般每次需使用2-3包，对于长期氧疗或氧保健者来说，费用过高。另外，产生环境污染。

电化学制氧：国内的电化学制氧最早出现在95年左右，原理是氧气在电场作用下通过空气-碳电极膜(由石墨、乙炔黑、聚四氟乙烯组成)进入电解液(一般为30％KOH)生成双氧根(H202-)，然后双氧根在正极分解生成氧气，特点是生成氧的浓度高，可达99.6％，其缺点主要有：①氧流量小，一般为0.5升/分钟。就是这样的一个流量，一般需十六个小槽(每小槽反应面积为100平方厘米)，电流需5安以上。如果要增大氧流量，就要加槽或增大电流(成正比关系的)。故一般这种机器都要加一个空气泵加进一部分空气，使出来的流量增大，但浓度要下降，一般为30％-45％。②因为内部的电流很大，存在不安全因素。③质量不稳定，因为电解液都是碱性的，会与空气中的二氧化碳反应(碳酸化)，这会造成电压增大，电极膜易漏液。④正极一般采用发泡镍，此物在电流作用下也会分解粉化，造成电流不通。⑤输出的氧气带有碱性，要经充分洗气。

水分解制氧：通过分解水获得氧，氧流量约0.5升/分钟，氧的浓度高(99.6％)，它的制氧效率较低，能耗大。在室内使用，如果不对同时产生的氢气做处理，存在“氢爆”的隐患。

PSA制氧：采用分子筛吸附空气中的氮气和二氧化碳，获得氧气，通过压力的变化，分子筛可以再生，循环使用。

目前国内市场保健制氧机产品大部分采用PSA变压吸附制氧技术，另外还有两种方法制氧：水电解分离制氧(康依)和电化学制氧(氧立得)，它们和微型PSA制氧机的主要参数比较如下：

	微型PSA制氧机	电化学制、水电解分离氧机
			产气量	0.5～3～5升/分钟	0.3～0.5升/分钟
氧浓度	93％±3％	99％
			能耗	280~350~400W	水电解分离420W，电化学制氧120W
体积	100～60dm³	29～11dm³
			重量	21kg～33kg	8kg
安全	环保，常温低压，但有噪音	有“氢爆”隐患，强电流，容易腐蚀
			使用	流量可调节，能满足医疗保健要求。市场价格高(3千～5千元，美国2万～8万元)，使用成本低，有效使用时间长。	流量太小，不能满足医疗要求。市场价格为3580～1988元，使用成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，体积轻巧，能耗低、高纯度和高回收率的旋转分子筛微型变压吸附制氧装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括分子筛容器以及与其相连接的旋转机构，在分子筛容器的两侧分别设置有与其相连通的进气盖和排气盖，所说的分子筛容器包括设置在其中心的旋转轴以及均匀布置在分子筛容器内的芯子，该芯子将分子筛容器分为若干个分子筛通道，分子筛容器通过旋转轴与旋转机构相连接，所说的进气盖包括独立的带有进气口的进气盖进气缓冲腔、进气盖均压腔和带有排气口的进气盖排气缓冲腔，进气盖进气缓冲腔与空气压缩机相连通，进气盖排气缓冲腔与富氮出口相连，所说的排气盖包括带有进气口的排气盖进气缓冲腔、排气盖均压腔和带有排气口的排气盖排气缓冲腔，排气盖排气缓冲腔与富氧出口相连接。

本发明的进气盖排气缓冲腔与富氮出口的管道上还设置有调节阀；排气盖进气缓冲腔还与富氧出口相连，且在排气盖进气缓冲腔与富氧出口之间还设置有节流阀。

本发明分子筛吸附剂在一个360°的旋转周期中，完成了吸附、再生、充压、降压、均压等工艺循环过程，双塔变单塔，较明显的减小了体积。根据分子筛容器的旋转速度，设计有相匹配的进排气通道，不需要若干电磁阀和PLC程序控制工艺过程，进一步减轻了重量，装置简单。旋转分子筛容器结构采用较短的循环周期和气流分配器，使分子筛快速充分地吸附和解吸，可减少吸附剂的用量。分子筛容器旋转的驱动力是低压清洗气，在保证最佳清洗压力的条件下，充分利用了清洗气的压力能，有利于整个系统提高火用

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效率、降低能耗。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明分子筛容器3的结构示意图；

图3是本发明进气盖2的结构示意图；

图4是本发明排气盖4的结构示意图；

图5是本发明气流分配器示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1，2，3，4，本发明包括分子筛容器3以及与其相连接的旋转机构8，分子筛容器3包括设置在其中心的旋转轴7以及均匀布置在分子筛容器3内的芯子11，该芯子11将分子筛容器3分为若干个分子筛通道，分子筛容器3通过旋转轴7与旋转机构8相连接，在分子筛容器3的两侧分别设置有与其相连通的进气盖2和排气盖4，进气盖2包括独立的带有进气口的进气盖进气缓冲腔12、进气盖均压腔13和带有排气口的进气盖排气缓冲腔14，进气盖进气缓冲腔12与空气压缩机1相连通，进气盖排气缓冲腔14与富氮出口10相连，且在进气盖排气缓冲腔14与富氮出口的管道上还设置有调节阀9，排气盖4包括带有进气口的气盖进气缓冲腔15、排气盖均压腔16和带有排气口的排气盖排气缓冲腔17，排气盖排气缓冲腔17与富氧出口5相连接，排气盖进气缓冲腔15同样与富氧出口5相连，且在排气盖进气缓冲腔15与富氧出口5之间还设置有节流阀6。

参见图5，本发明经过六个过程完成一次循环

1、吸附过程。原料空气经压缩机1压缩至吸附压力进入进气盖2的进气盖进气缓冲腔12，分子筛容器3中的一个分子筛通道(A)此时进入了在进气盖2上的进气口和在排气盖4上的排气口；原料空气通过进气口，进入分子筛通道A，通过吸附剂脱离水份、二氧化碳和氮气后，产品氧从排气盖4上的排气口排出，经过排气盖排气缓冲腔17将富氧经富氧出口输出93％±3％氧气量；

2、均压过程。随着分子筛容器3转角的变化，上述充分吸附的分子筛通道(A)离开了的进气盖进气缓冲腔12的进气口和排气盖排气缓冲腔15的排气口，完成吸附的分子筛通道(A)(处于高压的一个封闭容积腔)和完成解吸的分子筛通道(B)(处于低压的封闭容积腔)，通过在进气盖均压腔13和排气盖均压腔16被连通，A的压力降低，B的压力升高，最后达到一致。

3、卸压过程。完成了吸附和均压的分子筛通道(A)，在旋转的下一个时刻，进入进气盖排气缓冲腔14的排气口，压力下降至解吸压力，此时，没有进入排气盖进气缓冲腔15的进气口。分子筛通道(A)将进入解吸，改称为分子筛通道(B)。

4、解吸过程。随着转角的变化，分子筛通道(B)进入排气盖进气缓冲腔15的进气口。产品氧气经节流阀6节流至解吸压力，作为清洗气解吸分子筛，从排气盖进气缓冲腔15的进气口进入，从进气盖排气缓冲腔14的排气口排出。

降压和解吸的富氮，通过旋转机构8推动旋转轴7带动分子筛容器3旋转。调节阀9是个旁通阀，通过对气量的调节控制分子筛的旋转速度。最后的富氮出富氮出口10排出；

5、均压过程。随着分子筛容器的继续转动，上述充分解吸的分子筛通道(B)离开了的排气盖进气缓冲腔15的进气口和进气盖排气缓冲腔14的排气口，成为低压封闭容积，分子筛通道(B)与分子筛通道(A)进入均压腔均压。

6、充压过程。完成再生和均压后的分子筛通道(A)压力没有达到吸附压力，要用产品氧气提供其压力至吸附压力。此时，分子筛通道进入排气盖排气缓冲腔17，产品氧气微小部分倒流。此时还没进入进气盖进气缓冲腔12的进气口。分子筛通道(B)将进入吸入，改称为分子筛通道(A)。

然后进入吸附过程，完成一次工艺循环。随着分子筛容器3的旋转，若干个连续的分子筛通道连续经过上述6个过程，达到连续制氧的目的。

本发明该制氧工艺采用了目前一些高效的工艺过程：①均压过程。完成吸附的吸附剂和完成再生的吸附剂在进气口和排气口同时进行均压。②采用原料气和产品氧气同时充压，减少充压时间。③将解吸压力和旋转速度有机地结合起来，解吸压力和解吸量有关，解吸量小时，旋转速度慢，解吸量大时，旋转速度快，充分解吸是充分吸附的基础。④充分利用了清洗气的压力能。

Claims

1.旋转分子筛微型变压吸附制氧装置，包括分子筛容器(3)以及与其相连接的旋转机构(8)，在分子筛容器(3)的两侧分别设置有与其相连通的进气盖(2)和排气盖(4)，其特征在于：所说的分子筛容器(3)包括设置在其中心的旋转轴(7)以及均匀布置在分子筛容器(3)内的芯子(11)，该芯子(11)将分子筛容器(3)分为若干个分子筛通道，分子筛容器(3)通过旋转轴(7)与旋转机构(8)相连接，所说的进气盖(2)包括独立的带有进气口的进气盖进气缓冲腔(12)、进气盖均压腔13和带有排气口的进气盖排气缓冲腔(14)，进气盖进气缓冲腔(12)与空气压缩机(1)相连通，进气盖排气缓冲腔(14)与富氮出口(10)相连，所说的排气盖包括带有进气口的排气盖进气缓冲腔(15)、排气盖均压腔(16)和带有排气口的排气盖排气缓冲腔(17)，排气盖排气缓冲腔(17)与富氧出口(5)相连接。

2.根据权利要求1所述的旋转分子筛微型变压吸附制氧装置，其特征在于：所说的排气盖进气缓冲腔(15)还与富氧出口(5)相连，且在排气盖进气缓冲腔(15)与富氧出口(5)之间还设置有节流阀(6)。