CN103058144A - 一种真空变压吸附制氧系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真空变压吸附制氧系统及其控制方法。本发明设置两个独立的均压罐，顺向放压分两次进行，一次顺向放压将第一吸附器内的富氧空气送入第一均压罐，二次顺向放压将富氧空气送入第二均压罐，一次顺向放压放出的气体作为第二吸附器第一次充压步骤的气体，将二次顺向放压放出的气体作为第一吸附器清洗步骤的气体。从而，清洗步骤没有使用产品气，减少了产品气的损失，而且仅用一次顺向放压放出的气体对吸附器充压，可以提高吸附器内部的总体氧气浓度，有利于吸附操作。因此，本发明的所具有的优点是减少了产品氧气的损失，改善了吸附器内部的氧气浓度的分布，从而增加产品氧气的产量，提高了吸附操作的效率，降低了能耗，节约了成本。
Description
技术领域
本发明涉及变压吸附空气分离制氧技术，具体涉及一种真空变压吸附制氧系统及其控制方法。
背景技术
真空变压吸附VPSA制氧系统，即在高于大气压的条件下，利用VPSA制氧专用分子筛及吸附剂选择性吸附空气中的氮气及二氧化碳和水等杂质，在抽真空的条件下对分子筛和吸附剂进行解吸，从而循环制得纯度较高的氧气（70~95%）。
现有技术中的VPSA制氧系统包括鼓风机、真空泵、切换阀、两个吸附器和缓冲罐组成。经吸入口过滤器除掉灰尘颗粒后的原料空气进入鼓风机，在鼓风机的输送下进入其中一只吸附器内。吸附器的底部装填吸附剂，其中水分、二氧化碳、及少量其它气体组分在吸附器入口处被装填于底部的吸附剂（如活性氧化铝）所吸附。吸附器的上部是分子筛（如沸石），当空气流经分子筛时，空气中的氮气在吸附作用力下扩散到分子筛中，而氧气（包括氩气）作为非吸附组分从吸附器顶部出口处作为产品气排至氧缓冲罐，以供生产使用。
经过一段时间的吸附，分子筛中充满氮气，达到饱和状态，此时通过切换阀利用真空泵对此吸附器进行抽真空（与吸附方向相反）。具体为，关闭空气进口阀，利用另一吸附器内的富氧空气对进行抽真空的吸附器进行均压，等压力降到某一值时关闭均压阀，同时打开真空泵进口阀对吸附器抽真空，到一定真空度后再利用另一吸附器内部分产品气对分子筛和吸附剂清洗，从而使分子筛和吸附剂彻底解吸。吸附剂解吸过程完成后，已吸附的水分、二氧化碳、氮气及少量其它气体被抽出并排至大气，分子筛和吸附剂得到再生。然后用缓冲罐内的产品气对吸附器进行充压，充压至某一压力值后关闭相应阀门，打开鼓风机出口阀门，对吸附器进行升压。简而言之，即VPSA制氧系统的每个吸附器都在交替执行以下步骤：吸附——解吸——充压，上述三个基本的工艺步骤由可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）PLC和切换阀系统来实现自动控制。
这种现有的VPSA制氧系统具有以下缺点：
1、均压过程是利用另一台吸附器内的富氧空气对进行抽真空的吸附器进行均压，对于刚刚完成吸附操作且压力相对较高的另一吸附器来讲此步骤称为顺向放压，而对于进行抽真空操作且压力相对较低的吸附器来说此步骤为一次充压步骤，接下来的二次充压利用一部分产品气，均压步骤通常只进行一次操作，需要4~5秒的时间，目的是使压力相对较高的吸附器压力降低至合适的压力，在此过程中进入压力相对较低吸附器的气体，氧气浓度变化情况是开始的时候较高，结束的时候较低，而二次充压利用的是产品气，氧气浓度很高，这样压力相对较低的吸附器在完成充压步骤之后吸附器内部从底部到顶部氧气浓度的分布是：高—低—高，这样的浓度分布特点不利于吸附步骤的操作；
2、解吸过程中在解吸压力接近预定的最低压力时需要对吸附器进行清洗操作，现有的VPSA制氧工艺中，清洗步骤利用的是另一台吸附器内的一部分产品气，这样会造成产品气的损失；
3、吸附器内部氧气浓度最佳的分布情况为：吸附器从底部到顶部氧气浓度应逐渐升高，如果出现吸附器顶部氧气浓度低于底部的情况，不利于吸附操作，会降低吸附剂的利用效率，降低氧气回收率，另外，清洗过程利用的产品气，绝大部分会被真空泵抽走，即该部分产品体是浪费掉的。
发明内容
针对以上现有技术存在的问题，本发明提供一种真空变压吸附制氧装置，用以改善吸附器内氧气浓度分布，减少产品氧气损失，以提高制氧吸附剂的利用效率及提高产品气的产量，从而降低系统的能量消耗，节约成本。
本发明的一个目的在于提供一种真空变压吸附制氧装置。
本发明的真空变压吸附制氧装置包括：第一吸附器、第二吸附器、鼓风机、真空泵、缓冲罐及第一均压罐；其中，
鼓风机通过空气总管及第一空气支管和第二空气支管分别与第一吸附器和第二吸附器的入口端相连接；
鼓风机还通过第一放空管与大气相通；
真空泵通过真空总管及第一真空支管和第二真空支管分别与第一吸附器和第二吸附器的入口端连接；
真空泵还通过第二放空管与大气连通；
第一吸附器和第二吸附器的出口端分别通过第一均压支管和第二均压支管及第一均压总管与第一均压罐的顶部相连接；
第一吸附器和第二吸附器的出口端还分别通过第一氧气支管和第二氧气支管及氧气总管与缓冲罐的顶部相连接。
本发明采用均压罐，以第一吸附器为例，在吸附步骤结束后，第一吸附器达到预定的最高压力，通过顺向放压，降低第一吸附器内部的压力，顺向放压进入第一均压罐。此时，第一吸附器内的从底部到顶部的氧气的浓度依次为从低到高，顺向放压至第一均压罐，从而第一均压罐内的氧气的浓度从底部到顶部依次为从高到低；在第二吸附器进行抽真空及清洗后，第一均压罐对第二吸附器进行一次充压时，第二吸附器内从底部到顶部的氧气的浓度依次为从低到高。因此，吸附器内从底部到顶部，氧气的浓度逐渐升高，有利于吸附操作，并提高吸附剂的利用效率，从而提高了氧气的回收率。
进一步，本发明还包括第二均压罐；第一吸附器和第二吸附器的出口端分别通过第三均压支管和第四均压支管及第二均压总管与第二均压罐的顶部相连接。以第一吸附器为例，在吸附步骤结束后，第一吸附器内达到预定的最高压力，第一吸附器进行两次顺向放压：一次顺向放压，在第一吸附器达到或稳定在预定的最高压力时，由第一吸附器向与其出口端相连的第一均压罐进行顺向放压，同时鼓风机通过放空管将空气放空至大气；二次顺向放压为，由第一吸附器向与其出口端相连的第二均压罐进行顺向放压，同时对第一吸附器抽真空。一次顺向放压放出的气体中的氧气浓度高于二次顺向放压放出气体的氧气浓度，而在接下来的操作中将一次顺向放压放出的气体作为第二吸附器一次充压步骤的气体，将二次顺向放压至第二均压罐的气体作为第一吸附器清洗步骤的气体。从而，清洗步骤没有使用产品气，减少了产品气的损失，而且仅用一次顺向放压放出的气体中氧气浓度较高的气体对第二吸附器充压，可以提高吸附器顶部的气体的总体氧气浓度，有利于吸附操作。特别是一次顺向放压和二次顺向放压的气体都是从均压罐的顶部进入均压罐的，氧气浓度在均压罐内的分布情况是：均压罐从底部到顶部，氧气浓度逐渐降低。因此在一次充压过程中，气体仍然从均压罐顶部流出，进入吸附器的氧气浓度逐渐升高，这样这部分气体在吸附器内的浓度分布情况是：吸附器顶部氧气浓度最高，向下依次降低。
吸附器内的分子筛填充锂分子筛LiX。
本发明的另一个目的在于上述真空变压吸附制氧装置的控制方法。
以第一吸附器的制氧过程来说明本发明的控制方法，本发明的一种真空变压吸附制氧装置的控制方法包括以下步骤：
1）二次充压及吸附：部分产品气从缓冲罐进入第一吸附器，鼓风机将压缩空气输送至第一吸附器内，空气中的水分、二氧化碳及氮气分别被吸附剂及分子筛吸附，氧气被富集，作为产品气流出吸附器至缓冲罐；
2）顺向放压：第一吸附器内达到预定的最高压力，通过一次顺向放压降低第一吸附器内的压力，顺向放压进入第一均压罐，同时鼓风机通过放空管将空气放空至大气，顺向放压的气流方向与压缩空气的气流方向相同；
3）真空解吸：对第一吸附器抽真空，第一吸附器内的压力达到预定低压时，对第一吸附器进行清洗，清洗结束，第一吸附器内的压力达到预定最低压力；
4）充压步骤：第一均压罐对第一吸附器进行一次充压，以提高第一吸附器内的压力。
进一步，在步骤2）中，还包括二次顺向放压，由第一吸附器向与其出口端相连的第二均压罐进行顺向放压，同时对第一吸附器抽真空；从而在步骤3）中，第二均压罐的气体对第一吸附器进行清洗；在步骤4）中，第一均压罐的气体对第一吸附器进行一次充压。
顺向放压的气流方向与压缩空气的气流方向相同。经过一次顺向放压，当前吸附器内的压力降低15kPa~20kPa；经过二次顺向放压，当前吸附器内的压力降低10kPa~15kPa。
本发明的优点：
本发明设置均压罐，向放压将富氧空气送入均压罐，从底部到顶部氧气浓度逐渐降低，再将均压罐中的气体对已经抽真空的另一吸附器进行充压，另一吸附器内从底部到顶部氧气的浓度逐渐升高，有利于吸附操作。进一步，设置两个独立的均压罐，顺向放压分两次进行，即一次顺向放压将第一吸附器内的富氧空气送入第一均压罐，二次顺向放压将富氧空气送入第二均压罐。一次顺向放压放出的气体中的氧气浓度高于二次顺向放压放出气体的氧气浓度，而在接下来的操作中将一次顺向放压放出的气体作为第二吸附器一次充压步骤的气体，将二次顺向放压放出的气体作为第一吸附器清洗步骤的气体。从而，清洗步骤没有使用产品气，减少了产品气的损失，而且仅用一次顺向放压放出的气体中氧气浓度较高的富氧空气对吸附器充压，可以提高吸附器内部的总体氧气浓度，有利于吸附操作。因此，本发明减少了产品氧气的损失，改善了吸附器内部的氧气浓度的分布，从而增加产品氧气的产量，提高了吸附操作的效率，降低了能耗，节约了成本。
附图说明
图1是本发明的一种真空变压吸附制氧装置的实施例一的结构示意图；
图2是本发明的一种真空变压吸附制氧装置的实施例二的结构示意图；
图3是实施例二的针对两台吸附器按照本发明的控制方法真空变压吸附制氧的循环过程的时序图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例一
本实施例中的真空变压吸附制氧装置包括：第一吸附器A、第二吸附器B、鼓风机AC、真空泵VP、缓冲罐VS-1及第一均压罐VS-2；其中，
鼓风机AC通过空气总管P1及第一空气支管P1A和第一空气支管P1B分别与第一吸附器A和第二吸附器B的入口端相连接；
鼓风机AC还通过第一放空管P3与大气相通；
真空泵VP通过真空总管P2及第一真空支管P2A和第二真空支管P2B分别与第一吸附器A和第二吸附器B的入口端连接；
真空泵VP还通过第二放空管P4与大气连通；
第一吸附器A和第二吸附器B的出口端分别通过第一均压支管P6A和第二均压支管P6B及第一均压总管P6与第一均压罐VS-2的顶部相连接；
第一吸附器A和第二吸附器B的出口端还分别通过第一氧气支管P5A和第二氧气支管P5B及氧气总管P5与缓冲罐VS-1的顶部相连接。
各气体管道P1A、P1B、P2A、P2B、P3、P4、P5、P5A、P5B、P6A和P6B上分别设置有控制气体流通的相应的阀门V1A、V1B、V2A、V2B、V3、V4、V5、V5A、V5B、V6A和V6B。
本实施例中的真空变压吸附制氧装置的控制方法包括以下步骤：
1）二次充压及吸附：第一吸附器A的顶部的阀门V5A打开，产品气通过调节阀门V5从缓冲罐VS-1流出对第一吸附器A进行二次充压，充压结束后阀门V5A关闭，此过程中控制第一吸附器A进气的切换阀V1A仍然处于开启状态，鼓风机AC对第一吸附器A继续输送压缩空气，当第一吸附器A内的压力达到一定程度的时候第一吸附器A顶部的阀门V5A打开，产品气通过调节阀门V5进入缓冲罐VS-1；
2）顺向放压：当第一吸附器A内的压力达到预定的最高压力时，此时分子筛接近饱和，第一吸附器A的顶部的阀门V6A打开，富氧空气进入第一均压罐VS-2，一次顺序放压第一吸附器A内压力降低约20kpa后关闭阀门V6A，阀门V6A打开的同时，阀门V3打开，鼓风机AC在此期间进行放空，阀门V6A关闭的同时，阀门V2A打开，开始对吸附器A进行抽真空；
3）真空解吸：阀门V2A继续处于打开状态，对第一吸附器A进行抽真空，当第一吸附器A内的压力达到预定的低压后，打开第一吸附器A的顶部的阀门V5A，使一部分产品气体进入第一吸附器A，对其进行清洗操作，结束后关闭阀门V5A；
4）充压：打开第一吸附器A的顶部的阀门V6A，使第二吸附器B的一次顺向放压气体进入第一吸附器A，对第一吸附器A进行一次充压，同时打开连接鼓风机AC的阀门V1A，使压缩空气进入第一吸附器A，开始吸附。
在本实施例中，在吸附步骤结束后，第一吸附器A达到预定的最高压力，通过顺向放压，降低第一吸附器A内部的压力，顺向放压进入第一均压罐VS-2。此时，第一吸附器A内的从底部到顶部的氧气的浓度依次为从低到高，顺向放压至第一均压罐VS-2，从而第一均压罐VS-2内的氧气的浓度从底部到顶部依次为从高到低；在第二吸附器B进行抽真空及清洗后，第一均压罐VS-2对第二吸附器B进行一次充压时，第二吸附器B内从底部到顶部的氧气的浓度依次为从低到高。同理，第二吸附器一次顺序放压的进入第一均压罐的气体对第一吸附器进行一次充压，第一吸附器A内从底部到顶部的氧气的浓度依次为从低到高。因此，吸附器A或B内从底部到顶部，氧气的浓度逐渐升高，有利于吸附操作，并提高吸附剂的利用效率，从而提高了氧气的回收率。
实施例二
本实施例中的真空变压吸附制氧装置包括：第一吸附器A、第二吸附器B、鼓风机AC、真空泵VP、缓冲罐VS-1、第一均压罐VS-2及第二均压罐VS-3；其中，
鼓风机AC通过空气总管P1及第一空气支管P1A和第一空气支管P1B分别与第一吸附器A和第二吸附器B的入口端相连接；
鼓风机AC还通过第一放空管P3与大气相通；
真空泵VP通过真空总管P2及第一真空支管P2A和第二真空支管P2B分别与第一吸附器A和第二吸附器B的入口端连接；
真空泵VP还通过第二放空管P4与大气连通；
第一吸附器A和第二吸附器B的出口端分别通过第一均压支管P6A和第二均压支管P6B及第一均压总管P6与第一均压罐VS-2的顶部相连接；
第一吸附器A和第二吸附器B的出口端还分别通过第一氧气支管P5A和第二氧气支管P5B及氧气总管P5与缓冲罐VS-1的顶部相连接；
第一吸附器A和第二吸附器B的出口端分别通过第三均压支管P7A和第四均压支管P7B及第二均压总管P7与第二均压罐VS-3的顶部相连接。
各气体管道P1A、P1B、P2A、P2B、P3、P4、P5、P5A、P5B、P6A、P6B、P7A及P7B上分别设置有控制气体流通的相应的阀门V1A、V1B、V2A、V2B、V3、V4、V5、V5A、V5B、V6A、V6B、V7A及V7B。
本实施例中的真空变压吸附制氧装置的控制方法包括以下步骤：
1）二次充压及吸附：第一吸附器A的顶部的阀门V5A打开，产品气通过调节阀门V5从缓冲罐VS-1流出对第一吸附器A进行二次充压，充压结束后阀门V5A关闭，此过程中控制第一吸附器A进气的切换阀V1A仍然处于开启状态，鼓风机AC对第一吸附器A继续输送压缩空气，当第一吸附器内的压力达到一定程度的时候吸附器A顶部的阀门V5A打开，产品气通过调节阀门V5进入缓冲罐VS-1；
2）顺向放压：当第一吸附器A内的压力达到预定的最高压力时，此时吸附剂接近饱和，第一吸附器A的顶部的阀门V6A打开，富氧空气通过调节阀门V6进入第一均压罐VS-2，第一吸附器A内压力降低15~20kpa后关闭阀门V6A，阀门V6A打开的同时，阀门V3打开，鼓风机AC在此期间进行放空，关闭阀门V6A后，打开第一吸附器A的顶部的阀门V7A，富氧空气通过调节阀门V7进入均压罐VS-3，第一吸附器内压力进一步降低10~15kpa后关闭阀门V7A，阀门V7A打开的同时，阀门V2A打开，开始对吸附器A进行抽真空；
3）真空解吸：阀门V2A继续处于打开状态，对第一吸附器A进行抽真空，当第一吸附器A内的压力达到预定的低压后，打开第一吸附器A的顶部的阀门V7A，二次顺序放压的气体进入第一吸附器A，对其进行清洗操作，结束后关闭阀门V7A；
4）充压：打开第一吸附器A的顶部的阀门V6A，使第二吸附器B的一次顺向放压气体进入第一吸附器A，对第一吸附器A进行一次充压，同时打开连接鼓风机AC的阀门V1A，使压缩空气进入第一吸附器A，开始吸附。
进一步参考图3所示的针对两台吸附器A和B执行实施例二的真空变压吸附的循环过程的时序图，在本实施例中，执行一次真空变压吸附过程的循环周期为60秒，由10个时间段组成，其中，每个时间段分别为5秒、18秒、3秒、2秒、2秒、5秒、18秒、3秒、2秒和2秒。第一吸附器A和第二吸附器B同时交叉并行循环制氧。
假设起始时间段为针对第一吸附器A执行真空变压吸附第一步骤的时间段，即第一吸附器A的第一步骤占用第1个时间段（5秒）；第二步骤占用第2和3个时间段（18+3秒）；第三步骤占用第4个时间段（2秒）；第四步骤占用第5个时间段（2秒）；第五步骤占用第6和7个时间段（5+18秒）；第六步骤占用第8和9个时间段（3+2秒）；第七步骤占用第10个时间段（2秒）。
本实施例两个独立的均压罐，顺向放压分两次进行，即一次顺向放压将第一吸附器A内的富氧空气送入第一均压罐VS-2，二次顺向放压将富氧空气送入第二均压罐VS-3。一次顺向放压放出的气体中的氧气浓度高于二次顺向放压放出气体的氧气浓度，而在接下来的操作中将一次顺向放压放出的气体作为第二吸附器B一次充压步骤的气体，将二次顺向放压放出的气体作为第一吸附器A清洗步骤的气体。从而，清洗步骤没有使用产品气，减少了产品气的损失，而且仅用一次顺向放压放出的气体中氧气浓度较高的富氧空气对吸附器充压，可以提高吸附器内部的总体氧气浓度，有利于吸附操作。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (6)
1.一种真空变压吸附制氧装置，其特征在于，所述制氧装置包括：第一吸附器A、第二吸附器B、鼓风机AC、真空泵VP、缓冲罐VS-1及第一均压罐VS-2；其中，
鼓风机AC通过空气总管P1及第一空气支管P1A和第二空气支管P1B分别与第一吸附器A和第二吸附器B的入口端相连接；
鼓风机AC还通过第一放空管P3与大气相通；
真空泵VP通过真空总管P2及第一真空支管P2A和第二真空支管P2B分别与第一吸附器A和第二吸附器B的入口端连接；
真空泵VP还通过第二放空管P4与大气连通；
第一吸附器A和第二吸附器B的出口端分别通过第一均压支管P6A和第二均压支管P6B及第一均压总管P6与第一均压罐VS-2的顶部相连接；
第一吸附器A和第二吸附器B的出口端还分别通过第一氧气支管P5A和第二氧气支管P5B及氧气总管P5与缓冲罐VS-1的顶部相连接。
2.如权利要求1所述的制氧装置，其特征在于，所述制氧装置进一步包括第二均压罐VS-3；第一吸附器A和第二吸附器B的出口端分别通过第三均压支管P7A和第四均压支管P7B及第二均压总管P7与第二均压罐VS-3的顶部相连接。
3.如权利要求1所述的制氧装置，其特征在于，所述吸附器内的分子筛填充锂分子筛LiX。
4.一种真空变压吸附制氧装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
1）二次充压及吸附：部分产品气从缓冲罐进入第一吸附器，鼓风机将压缩空气输送至第一吸附器内，空气中的水分、二氧化碳及氮气分别被吸附剂及分子筛吸附，氧气被富集，作为产品气流出吸附器至缓冲罐；
2）顺向放压：第一吸附器内达到预定的最高压力，通过一次顺向放压降低第一吸附器内的压力，顺向放压进入第一均压罐，同时鼓风机通过放空管将空气放空至大气，顺向放压的气流方向与压缩空气的气流方向相同；
3）真空解吸：对第一吸附器抽真空，第一吸附器内的压力达到预定低压时，对第一吸附器进行清洗，清洗结束，第一吸附器内的压力达到预定最低压力；
4）充压步骤：第一均压罐对第一吸附器进行一次充压，以提高第一吸附器内的压力。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在步骤2）中，还包括二次顺向放压，由第一吸附器向与其出口端相连的第二均压罐进行顺向放压，同时对第一吸附器抽真空；从而在步骤3）中，第二均压罐的气体对第一吸附器进行清洗；在步骤4）中，第一均压罐的气体对第一吸附器进行一次充压。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，顺向放压的气流方向与压缩空气的气流方向 相同，经过一次顺向放压，当前吸附器内的压力降低15kPa~20kPa；经过二次顺向放压，当前吸附器内的压力降低10kPa~15kPa。
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