CN107243225A - 一种具有均压罐的真空变压吸附制氧系统及其制氧方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有均压罐的真空变压吸附制氧系统，本发明设置一个独立集束管均压罐，吸附饱和后的吸附塔与集束管均压罐均压，使吸附塔均出的均压气按氧浓由高到低连续进入集束管均压罐暂存；抽真空末期的吸附塔与集束管均压罐均压，使集束管均压罐内暂存均压气按氧浓由低到高连续进入抽真空末期吸附塔，该均压气前段低氧浓部分作为冲洗气被真空泵抽走，后段高氧浓部分留存塔内从塔底到塔顶氧浓呈由低到高连续分布。本发明设置放空切换阀和自吸切换阀，利用吸附塔运行中部分压力能量和真空能量，使其底部自行放空和自吸空气；它还公开了制氧方法。本发明效果：提高系统氧气回收率、降低鼓风机和真空泵负荷，降低系统能耗和投资，实现鼓风机连续供风。

Description

一种具有均压罐的真空变压吸附制氧系统及其制氧方法

技术领域

本发明涉及变压吸附气体分离技术，特别是一种具有均压罐的真空变压吸附制氧系统及其制氧方法。

背景技术

真空变压吸附制氧系统，是利用鼓风机升压原料空气并将其送入吸附塔，利用吸附塔中装填的不同吸附剂在高压下对原料空气中的水（H₂O）、二氧化碳（CO₂）和氮气（N₂）进行选择性吸附，而未被吸附的氧气（O₂）成为系统生产的产品气；在吸附剂吸附饱和时，采用真空泵对吸附塔抽真空降压，使被吸附剂吸附的水（H₂O）、二氧化碳（CO₂）和氮气（N₂）得到解吸，吸附剂获得再生，利用多塔循环获取较高氧浓度（60~93%）的富氧气产品。

现有的真空变压吸附制氧系统，通常由鼓风机、真空泵、切换阀、两个相同的吸附塔（A、B）、产品气缓冲罐、控制装置和管路等构成。吸附塔内从底部到顶部逐次装填有吸附水（H₂O）的吸附剂（如活性氧化铝、硅胶、沸石）、吸附二氧化碳（CO₂）的吸附剂（如活性炭、硅胶、沸石）和吸附氮气（N₂）的吸附剂（如锂基分子筛Li-X）。

为了使原料空气均匀进入吸附床层与床层中装填的吸附剂均匀传质吸附和床层中未被吸附的氧气（O₂）均匀从吸附床层流出，通常在吸附塔（A、B）的构造中，吸附塔底部和顶部均设有气体分布器，相应气体分布器均占有一定的空置体积；吸附剂在吸附塔内装填堆积时，吸附剂颗粒之间存在一定空置体积。

来自大气的原料空气，经空气过滤器除去粉尘等固体颗粒后，进入鼓风机进行升压，升压后的原料空气由切换阀分别循环送入吸附塔（A、B），原料空气中的水（H₂O）、二氧化碳（CO₂）和氮气（N₂）在吸附塔（A、B）内被相应的吸附剂逐次吸附，原料空气中的氧气（O₂）作为非吸附组分从吸附塔（A、B）塔顶流出，经切换阀进入产品气缓冲罐，成为系统生产的产品气，此过程为吸附产氧过程。

在吸附塔A吸附饱和时，吸附塔A处于最高压力状态，吸附塔A内压力通常处于120~160kpa.A之间，吸附塔A内氧气浓度梯度为：塔底为空气氧浓度21%左右逐渐过渡到塔顶60~90%（吸附末端产品氧气浓度）。在吸附塔A吸附饱和时，吸附塔B正好接近或处于抽真空末端，吸附塔B内压力通常处于40~60kpa.A之间，吸附塔B内氧气浓度梯度为：塔底为8~11%逐渐过渡到塔顶60~90%。

现有的真空变压吸附制氧系统，为了提高吸附效率和增加系统产氧能力，均将吸附塔吸附饱和后吸附塔内的吸附末端高压气作为均压气，利用抽真空末端的吸附塔对其进行均入回收，回收至抽真空末端的吸附塔的均压气，其中少量作为冲洗气被真空泵抽走排至大气，剩余大部分作为置换气留存塔内回收，并置换出抽真空塔下部的低氧浓废气，具体实施通常采用以下3种方法：

（1）、产品气冲洗再生+均压回收方法：在吸附塔B抽真空结束前2~6s时，用少量产品气缓冲罐内或吸附塔A产出的产品气对吸附塔B进行2~3s逆向冲洗，强化吸附塔B内吸附剂再生，并置换出吸附塔B下部的部分低氧浓废气，吸附塔B压力基本保持不变，此过程为产品气冲洗再生过程；吸附塔B逆向冲洗结束时吸附塔A处于吸附饱和状态，此时通过进气切换阀关闭吸附塔A鼓风机进风，通过鼓风机放空切换阀使鼓风机处于放空状态（此时吸附塔B仍然处于真空泵抽真空状态），通过均压切换阀将吸附塔A顶部和吸附塔B顶部直接连通，吸附塔A向吸附塔B进行均压，将吸附塔A吸附饱和后吸附塔内的吸附末端高压气作为均压气，利用抽真空末端的吸附塔B对其进行均入回收，回收至抽真空末端的吸附塔B的均压气，其中少量作为冲洗气被真空泵抽走排至大气，剩余大部分作为置换气留存吸附塔B回收，并置换出吸附塔B下部的低氧浓废气，此过程为均压回收过程。

（2）、均压气冲洗再生回收方法：在吸附塔B抽真空结束前2~6s时，吸附塔A处于吸附饱和状态，此时通过进气切换阀关闭吸附塔A鼓风机进风，通过鼓风机放空切换阀使鼓风机处于放空状态（此时吸附塔B仍然处于真空泵抽真空状态），通过均压切换阀将吸附塔A顶部和吸附塔B顶部直接连通，吸附塔A向吸附塔B进行均压，将吸附塔A吸附饱和后吸附塔内的吸附末端高压气作为均压气，利用抽真空末端的吸附塔B对其进行均入回收，回收至抽真空末端的吸附塔B的均压气，其中少量作为冲洗气被真空泵抽走排至大气，剩余大部分作为置换气留存吸附塔B回收，并置换出吸附塔B下部的低氧浓废气，此过程为均压气冲洗再生回收过程。

（3）、中国专利CN201310007058.4中公开了一种真空变压吸附制氧系统及其控制方法：增加第一和第二两个均压罐，在吸附塔A吸附饱和时，通过进气切换阀关闭吸附塔A鼓风机进风，通过鼓风机放空切换阀使鼓风机处于放空状态（此时吸附塔B仍然处于真空泵抽真空状态）。先通过均压切换阀将吸附塔A顶部与第一均压罐直接连通，将吸附塔A吸附饱和后吸附塔内的吸附末端高压气作为均压气，将该部分均压气的前段高氧浓部分顺向放入第一均压罐中暂时存放；然后再通过均压切换阀将吸附塔A顶部与第二均压罐直接连通，该部分均压气的后段低氧浓部分继续顺向放入第二均压罐中暂时存放。吸附塔A抽真空末期，通过均压切换阀将吸附塔A顶部与第二均压罐直接连通，用吸附塔A顺向放入第二均压罐中的暂存均压气(均压气后段低氧浓部分)对吸附塔A进行逆向冲洗，同时置换出抽真空末端吸附塔A下部的低氧浓废气，吸附塔B抽真空结束后，通过均压切换阀将吸附塔B顶部与第一均压罐直接连通，用吸附塔A顺向放入第一均压罐中的暂存均压气(均压气前段高氧浓部分)对吸附塔B进行升压，实现对吸附塔A吸附饱和后吸附塔内的吸附末端高压气高氧浓部分的回收，此过程为均入回收过程。

在吸附塔均出降压后，用真空泵对吸附塔抽真空，继续降低吸附塔压力，吸附剂内吸附的水（H₂O）、二氧化碳（CO₂）和氮气（N₂）逐渐解吸，经切换阀由真空泵抽出排至大气，吸附剂逐渐再生，此过程为真空再生过程。

在吸附塔抽真空中后期，为了强化吸附剂再生，用少量产品气缓冲罐内贮存的产品气经切换阀从吸附塔塔顶回流吸附塔内对吸附剂进行冲洗，使吸附剂获得彻底再生，此过程为真空冲洗再生过程。

经过均入回收过程的吸附塔，在转入吸附产氧过程前，还需要用产品气缓冲罐内贮存的产品气经切换阀从吸附塔塔顶回流吸附塔内对吸附塔进行产品气升压，在吸附塔压力升至吸附产氧压力时，吸附塔才能转入吸附产氧过程，此过程为产品气升压过程。

总之，真空变压吸附制氧系统中的每个吸附塔在一个制氧系统制氧循环内均会经历以下过程：原料空气吸附产氧——均出降压——抽真空再生——均入回收——产品气升压五个工艺过程，多塔连续错相步骤运行。在可编程控制器控制下，通过切换阀系统实现自动循环运行。

现有真空变压吸附制氧系统存在以下缺点：

产品气冲洗再生+均压回收方法：由于使用了部分产品气对再生过程吸附塔中的吸附剂进行冲洗，使吸附塔中的吸附剂再生更为彻底，再生吸附塔下部的低氧浓废气排放更加充分。但是绝大部分冲洗气会被真空泵抽走，损失了冲洗用的部分产品气，不但使真空泵负荷增加，系统的能量消耗增大，而且使装置产气量相应降低。

均压气冲洗再生回收方法：吸附塔A吸附饱和时，吸附塔A内压力通常处于120 ~160kpa.A之间，而吸附塔A内氧气浓度梯度为：塔底为空气氧浓度21%左右逐渐过渡到塔顶60~90%（吸附末端产品氧气浓度）。此时，吸附塔B正好接近或处于抽真空末端，吸附塔B内压力通常处于40~60kpa.A之间，吸附塔B内氧气浓度梯度为：塔底为8~11%逐渐过渡到塔顶60~90%（吸附末端产品氧气浓度）。由于吸附塔底部和顶部均设有气体分布器，并占有一定空置体积；吸附剂在吸附塔内装填堆积时，吸附剂颗粒之间存在一定空置体积。吸附塔A顶部与吸附塔B顶部连通进行均压时（此时吸附塔A已经停止进风而吸附塔B还在继续抽真空），从吸附塔A均出流入吸附塔B的均压气氧气浓度氧气浓度梯度为：60~90%（吸附末端气氧浓度）到空气氧浓度21%左右，即均出吸附塔A的均压气初期氧浓度为60~90%（吸附末端产品氧气浓度），末期氧浓度为21%左右，而相应流入吸附塔B的均压气初期氧浓度为60~90%（吸附末端产品氧气浓度），末期氧浓度为21%左右。此均压过程产生的结果必然为：被回收的均压气高氧浓度部分填充于即将进行下次吸附的吸附塔底部，而被回收的均压气低氧浓度部分填充于即将进行下次吸附的吸附塔顶部。不利于吸附操作，降低吸附效率和氧气回收率。

中国专利CN201310007058.4公开一种真空变压吸附制氧系统及其控制方法中，对现有流程的缺点已经有充分描述，其提供的解决方法为：增加第一和第二两个均压罐，在吸附塔A吸附饱和时，通过进气切换阀关闭吸附塔A鼓风机进风，通过鼓风机放空切换阀使鼓风机处于放空状态（此时吸附塔B仍然处于真空泵抽真空状态）。先通过均压切换阀将吸附塔A顶部与第一均压罐直接连通，将吸附塔A吸附饱和后吸附塔内的吸附末端高压气作为均压气，并将该部分均压气的前段高氧浓部分顺向放入第一均压罐中暂时存放；然后再通过均压切换阀将吸附塔A顶部与第二均压罐直接连通，该部分均压气的后段低氧浓部分继续顺向放入第二均压罐中暂时存放。吸附塔A抽真空末期，通过均压切换阀将吸附塔A顶部与第二均压罐直接连通，用吸附塔A顺向放入第二均压罐中的暂存均压气(均压气后段低氧浓部分)对吸附塔A进行逆向冲洗，同时置换出抽真空末端吸附塔A下部的低氧浓废气，吸附塔B抽真空结束后，通过均压切换阀将吸附塔B顶部与第一均压罐直接连通，用吸附塔A顺向放入第一均压罐中的暂存均压气(均压气前段高氧浓部分)对吸附塔B进行升压，实现对吸附塔A吸附饱和后吸附塔内的吸附末端高压气高氧浓部分的回收。该方法本质是将均压气分成两部分使用，均压气前段高氧浓度部分先进入第一均压气罐暂存，均压气后段低氧浓度部分再进入第二均压气罐暂存，并将第二均压气罐暂存的均压气后段低氧浓度部分用于再生的吸附塔的冲洗再生，而将第一均压气罐暂存的均压气前段高氧浓度部分用于再生后吸附塔的升压气予以回收。该方法虽然有一定的技术进步，但仍然存在如下不足：（1）后段低氧浓度部分均压气会在第二均压罐内混合成平均氧气浓度后，对处于再生的吸附塔进行冲洗置换，留在吸附塔内的冲洗气的氧气浓度会呈平均分布；（2）前段高氧浓度部分均压气同样会在第一均压气罐内混合成平均氧气浓度后，再填充到再生后的吸附塔回收，回收到再生后的吸附塔内的氧气浓度同样呈平均分布。仍然不利于吸附操作，吸附效率不能充分发挥，氧气回收率提高有限。

在现有的真空变压吸附制氧系统中，其均压回收过程，会使处于吸附末端的吸附塔底部气体分布器占有的空置体积和相应管道占有的空置体积内存储的高压原料空气在该吸附塔顶部均出均压气时，进入该吸附塔的吸附床层，而此时该吸附床层正处于降压过程，进入该吸附床层的原料空气中的水（H₂O）、二氧化碳（CO₂）和氮气（N₂），不会被吸附床层中的吸附剂所吸附，成为无效气体驻留该吸附塔内，其压力能量被浪费，待该吸附塔转入抽真空状态时，该部分气体会在真空状态下扩大体积后被真空泵抽走。不但增加了制氧系统真空泵的能量消耗，还对吸附床层中的吸附剂造成污染。

在现有的真空变压吸附制氧系统中，吸附塔经均入回收过程后，吸附塔压力仍然低于环境大气压力，在转入吸附产氧过程前，只能用产品气对其进行升压，其真空能量未能得到有效利用，增加了系统能耗。

在现有的真空变压吸附制氧系统中，由于存在均出降压和均入回收过程，必然使原料空气鼓风机在一个吸附再生循环过程中，存在两次通过鼓风机放空切换阀进行放空，不但降低了原料空气鼓风机的运行平稳性，还增加了制氧系统的能量消耗，产生了放空噪声。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种根据均压气氧浓度变化特点，改善回收利用方法，实现减少产品氧气损失、提高吸附剂利用率和系统氧气回收率；利用吸附塔吸附过程中的部分压力和真空能量，使吸附塔底部自行放空和自吸大气，降低鼓风机和真空泵负荷、降低系统能源消耗，并实现鼓风机连续供风的具有均压罐的真空变压吸附制氧系统及其制氧方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种具有均压罐的真空变压吸附制氧系统，它包括吸附塔A、吸附塔B、吸附塔C、吸大气总管P1、放空总管P3、鼓风机AC、真空泵VP、产品缓冲罐VS1和用于保持均压气进出一维流动的集束管均压罐VS2；所述的吸大气总管P1的出口端并联有自吸切换阀V1A、自吸切换阀V1B和自吸切换阀V1C，自吸切换阀V1A、自吸切换阀V1B和自吸切换阀V1C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B、吸附塔C的底部连接；所述鼓风机AC的出口端连接有进气总管P2，进气总管P2另一端并联有进气切换阀V2A、进气切换阀V2B和进气切换阀V2C，进气切换阀V2A、进气切换阀V2B和进气切换阀V2C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C的底部连接；所述的放空总管P3的入口端并联有放空切换阀V3A、放空切换阀V3B和放空切换阀V3C，放空切换阀V3A、放空切换阀V3B和放空切换阀V3C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C的底部连接；所述的真空泵VP的入口端连接有真空总管P4，真空总管P4另一端并联有真空切换阀V4A、真空切换阀V4B和真空切换阀V4C，真空切换阀V4A、真空切换阀V4B和真空切换阀V4C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C的底部连接；所述的产品缓冲罐VS1的顶部和底部分别连接有产品气总阀V8和产品气升压总阀V9，产品气总阀V8的另一端连接有产品气总管P5，产品气总管P5的另一端并联有产品气切换阀V5A、产品气切换阀V5B和产品气切换阀V5C，产品气切换阀V5A、产品气切换阀V5B和产品气切换阀V5C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C的顶部连接；所述的产品气升压总阀V9的另一端连接有产品气升压总管P6，产品气升压总管P6的另一端并联有产品气升压切换阀V6A、产品气升压切换阀V6B和产品气升压切换阀V6C，产品气升压切换阀V6A、产品气升压切换阀V6B和产品气升压切换阀V6C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C的顶部连接；所述的集束管均压罐VS2的顶部连接有均入切换阀V10，均入切换阀V10的另一端连接有均压气总管P7，均压气总管P7的另一端并联有均压切换阀V7A、均压切换阀V7B和均压切换阀V7C，均压切换阀V7A、均压切换阀V7B和均压切换阀V7C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C的顶部连接；所述的集束管均压罐VS2的顶部还连接有均出切换阀V11，均出切换阀V11的另一端与均压气总管P7连接。

所述的集束管均压罐VS2包括罐体、设置于罐体内的进出气流分布器和竖向分布的集束管，进出气流分布器设置于罐体顶部且位于集束管进出口端处，所述的集束管内部空间形成有气流通道A；所述的集束管外壁与罐体内壁之间形成有气流通道B；所述的集束管中相邻管道外壁之间形成有气流通道C。

所述的均出切换阀V11为调节阀。

所述的具有均压罐的真空变压吸附制氧系统的制氧方法，它包括以下步骤：

S1、鼓风机AC对吸附塔A进原料空气，吸附塔A出产品气：开启进气切换阀V2A、产品气切换阀V5A和产品气总阀V8，关闭自吸切换阀V1A、放空切换阀V3A、真空切换阀V4A、产品气升压切换阀V6A、产品气升压总阀V9、均压切换阀V7A、均入切换阀V10、均出切换阀V11，鼓风机AC将原料空气升压后，经进气切换阀V2A输送至吸附塔A，原料空气中的水、二氧化碳及氮气逐次分别被吸附塔A内装填的活性氧化铝、沸石和锂基分子筛吸附，富氧气体作为产品气从吸附塔A塔顶流出并依次经产品气切换阀V5A、产品气总阀V8流至产品缓冲罐VS1中；

S2、吸附塔A与集束管均压罐VS2均压；在吸附塔A内装填的吸附剂达到吸附饱和时，关闭进气切换阀V2A，鼓风机AC切换至吸附塔B进气，关闭产品气切换阀V5A，吸附塔A停止生产产品气，开启均压切换阀V7A和均入切换阀V10，吸附塔A内的吸附末端高压气作为均压气依次经均压切换阀V7A、均入切换阀V10均入集束管均压罐VS2内，实现顺向均出降低吸附塔A压力，并将吸附塔A的吸附末端高压气暂存于集束管均压罐VS3内；

S3、吸附塔A底部放空：在步骤S2结束后，吸附塔A压力仍然高于环境大气压力，关闭均压切换阀V7A和均入切换阀V10，开启放空切换阀V3A，吸附塔A底部空气经放空切换阀V3A从吸附塔A底部排空；

S4、吸附塔A抽真空：在步骤S3结束后，吸附塔A压力接近环境大气压力，关闭放空切换阀V3A，开启真空切换阀V4A，真空泵VP对吸附塔A抽真空，吸附塔A压力逐渐达到吸附剂真空再生压力，吸附剂吸附的水、二氧化碳及氮气解吸，吸附剂获得再生；

S5、吸附塔A均入回收：在步骤S4结束前2~6s时，开启均出切换阀V11、均压切换阀V7A，集束管均压罐VS2内暂存的均压气在其压力作用下依次经均出切换阀V11、均压切换阀V7A回流进入吸附塔A，回收吸附塔B的S2步骤中暂存于集束管均压罐VS2内的吸附末端高压气，并用该部分气体置换出吸附塔A下部的低氧浓废气，均入回收时吸附塔A仍然进行抽真空；

S6、吸附塔A第一阶段产品气升压：在步骤S5结束后，关闭真空切换阀V4A、均出切换阀V11、均压切换阀V7A，开启产品气升压总阀V9和产品气升压切换阀V6A，产品缓冲罐VS1内的产品气经产品气升压总阀V9、产品气升压切换阀V6A回流进入吸附塔A内，对吸附塔A进行第一阶段产品气升压；

S7、吸附塔A第二阶段产品气升压和吸附塔A底部自吸大气：仍然保持产品气升压总阀V9和产品气升压切换阀V6A的开启状态，此时吸附塔A压力仍然低于环境大气压力，开启自吸切换阀V1A，大气经自吸切换阀V1A自吸进入吸附塔A底部，使吸附塔A压力逐渐升至环境大气压力；

S8、吸附塔A第三阶段产品气升压：在吸附塔A压力达到环境大气压力时，关闭自吸切换阀V1A，仍然保持产品气升压总阀V9和产品气升压切换阀V6A开启状态，继续用产品缓冲罐VS1的产品气对吸附塔A进行回流升压，直至达到吸附压力，产品气升压完成。

本发明具有以下优点：本发明根据均压过程均压气氧浓度变化特点，改善利用方法，在现有两塔真空变压吸附制氧系统上增加原料空气氧收率5%左右；通过利用吸附塔余压状态底部放气，降低真空泵抽气流量，可使系统降低能耗5%左右；通过吸附塔负压状态自吸空气和鼓风机循环连续对吸附塔供风，降低鼓风机供风流量和放空损失，可使系统降低能耗5%左右。同时原料鼓风机循环连续对吸附塔供风，提高了原料空气鼓风机的运行平稳性，避免了放空噪声。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的集束管均压罐VS2结构示意图；

图3 为图2的A-A剖视图；

图4为本发明的制氧循环时序图；

图中，1-罐体，2-进出气流分布器，3-集束管，4-气流通道A，5-气流通道B，6-气流通道C。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1所示，一种具有均压罐的真空变压吸附制氧系统，它包括吸附塔A、吸附塔B、吸附塔C、吸大气总管P1、放空总管P3、鼓风机AC、真空泵VP、产品缓冲罐VS1和用于保持均压气体进出一维流动的集束管均压罐VS2。

如图1所示，所述的吸大气总管P1的出口端并联有自吸切换阀V1A、自吸切换阀V1B和自吸切换阀V1C，自吸切换阀V1A、自吸切换阀V1B和自吸切换阀V1C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B、吸附塔C的底部连接。

如图1所示，所述鼓风机AC的出口端连接有进气总管P2，进气总管P2另一端并联有进气切换阀V2A、进气切换阀V2B和进气切换阀V2C，进气切换阀V2A、进气切换阀V2B和进气切换阀V2C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C的底部连接。

如图1所示，所述的放空总管P3的入口端并联有放空切换阀V3A、放空切换阀V3B和放空切换阀V3C，放空切换阀V3A、放空切换阀V3B和放空切换阀V3C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C的底部连接。

如图1所示，所述的真空泵VP的入口端连接有真空总管P4，真空总管P4另一端并联有真空切换阀V4A、真空切换阀V4B和真空切换阀V4C，真空切换阀V4A、真空切换阀V4B和真空切换阀V4C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C的底部连接。

如图1所示，所述的产品缓冲罐VS1的顶部和底部分别连接有产品气总阀V8和产品气升压总阀V9，产品气总阀V8的另一端连接有产品气总管P5，产品气总管P5的另一端并联有产品气切换阀V5A、产品气切换阀V5B和产品气切换阀V5C，产品气切换阀V5A、产品气切换阀V5B和产品气切换阀V5C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C的顶部连接。

如图1所示，所述的产品气升压总阀V9的另一端连接有产品气升压总管P6，产品气升压总管P6的另一端并联有产品气升压切换阀V6A、产品气升压切换阀V6B和产品气升压切换阀V6C，产品气升压切换阀V6A、产品气升压切换阀V6B和产品气升压切换阀V6C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C的顶部连接。

如图1所示，所述的集束管均压罐VS2的顶部连接有均入切换阀V10，均入切换阀V10的另一端连接有均压气总管P7，均压气总管P7的另一端并联有均压切换阀V7A、均压切换阀V7B和均压切换阀V7C，均压切换阀V7A、均压切换阀V7B和均压切换阀V7C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C的顶部连接。

如图1所示，所述的集束管均压罐VS2的顶部还连接有均出切换阀V11，均出切换阀V11的另一端连接与均压气总管P7连接。

如图1、图2、图3所示，所述的集束管均压罐VS2包括罐体1、设置于罐体1内的进出气流分布器2和竖向分布的集束管3，进出气流分布器2设置于罐体1顶部且位于集束管3进出口端处，所述的集束管3内部空间形成有气流通道A4；所述的集束管3外壁与罐体1内壁之间形成有气流通道B5；所述的集束管3中相邻管道外壁之间形成有气流通道C6。

如图1所示，所述的吸附塔A、吸附塔B、吸附塔C底部分别连接有用于吸附塔余压状态底部放空的放空切换阀V3A、V3B、V3C。

如图1所示，所述的吸附塔A、吸附塔B、吸附塔C底部分别连接有用于吸附塔负压状态底部自吸空气的自吸切换阀V1A、V1B、V1C。

如图1所示，所述的均出切换阀V11为调节阀，用于调节吸附塔的均压气和冲洗气的流量、压力参数。

如图1所示，所述的吸附塔A、吸附塔B、吸附塔C内装填的吸氮气（N₂）分子筛为高效Li-X型锂基分子筛。

如图1~4所示，所述的具有均压罐的真空变压吸附制氧系统的制氧方法，它包括以下步骤：

（一）吸附塔A单塔的工作步骤如下：

S1、鼓风机AC对吸附塔A进原料空气，吸附塔A出产品气：开启进气切换阀V2A、产品气切换阀V5A和产品气总阀V8，关闭自吸切换阀V1A、放空切换阀V3A、真空切换阀V4A、产品气升压切换阀V6A、产品气升压总阀V9、均压切换阀V7A、均入切换阀V10、均出切换阀V11，鼓风机AC将原料空气升压后，经进气切换阀V2A输送至吸附塔A，原料空气中的水（H₂O）、二氧化碳（CO₂）及氮气（N₂）逐次分别被吸附塔A内装填的活性氧化铝、沸石和锂基分子筛吸附，富氧气体作为产品气从吸附塔A塔顶流出并依次经产品气切换阀V5A、产品气总阀V8流至产品缓冲罐VS1中，此过程为吸附塔A吸附产氧过程；

S2、吸附塔A与集束管均压罐VS2均压；在吸附塔A内装填的吸附剂达到吸附饱和时，关闭进气切换阀V2A，鼓风机AC切换至吸附塔B进气，关闭产品气切换阀V5A，吸附塔A停止生产产品气，此时吸附塔A处于吸附末端状态，吸附塔A压力为最高吸附压力，吸附塔A顶部和底部气体分布器所占空置体积、相应管道内空置体积，吸附剂颗粒之间空置体积内存储的高压气体氧气浓度梯度为：塔底为空气氧浓度21%左右逐渐过渡到塔顶60~90%（吸附末端产品氧气浓度）。开启均压切换阀V7A和均入切换阀V10，吸附塔A内的吸附末端高压气作为均压气在其压力作用下依次经均压切换阀V7A、均入切换阀V10、进出气流分布器2均入气流通道A4、气流通道B5、气流通道C6内，该均压气流出顺序为：从高氧浓均压气至低氧浓均压气按照氧浓度梯度连续流出。实现顺向均出降低吸附塔A压力，回收吸附塔A吸附末端高压气。由于集束管均压罐内设置的进出气流分布器2和气流通道A4、气流通道B5、气流通道C6的作用，进入集束管均压罐VS2内气流通道A4、气流通道B5、气流通道C6的均压气会在其气流通道内呈一维流动，不会产生前段气体驻留与后段气体混合现象，因此进入气流通道A4、气流通道B5、气流通道C6的均压气必然会保持其氧浓度梯度，在集束管均压罐VS2的气流通道A4、气流通道B5、气流通道C6连续暂存（吸附塔A均出至集束管均压罐VS2内暂存的均压气，在后一个制氧系统制氧循环中，作为吸附塔C的S5过程的均入回收气）；

S3、吸附塔A底部放空：在步骤S2结束后，吸附塔A压力仍然高于环境大气压力，约为110~115kpa.A，吸附塔A仍然处于降低压力过程，下一歩序吸附塔A将转入抽真空再生继续降低压力，吸附塔A底部气体分布器占有的空置体积和吸附塔A底部进口相应管道占有的空置体积内存储的高于环境大气压部分原料空气，如果使其向吸附塔A塔顶扩散，该部分原料空气不但不会被吸附床层中的吸附剂所吸附利用，而且对吸附床层中的吸附剂造成污染，成为无效气体驻留该吸附塔内。此时关闭均压切换阀V7A和均入切换阀V10，开启放空切换阀V3A，使吸附塔A底部的该部分原料空气经放空切换阀V3A直接从吸附塔A底部排空，将吸附塔A压力降至接近环境大气压力，同时减小了真空泵抽气流量，降低了制氧系统能耗；

S4、吸附塔A抽真空：在步骤S3结束后，吸附塔A压力接近环境大气压力，关闭放空切换阀V3A，开启真空切换阀V4A，真空泵VP对吸附塔A抽真空，吸附塔A压力逐渐达到吸附剂真空再生压力，使吸附剂吸附的水（H₂O）、二氧化碳（CO₂）及氮气（N₂）解吸，吸附剂获得再生；

S5、吸附塔A均入回收：在步骤S4结束前2~6s时，开启均出切换阀V11、均压切换阀V7A，集束管均压罐VS2内气流通道A4、气流通道B5、气流通道C6暂存的均压气（该部分均压气来自于前一个制氧系统制氧循环中，即吸附塔B的S2过程均出至集束管均压罐VS2内气流通道A4、气流通道B5、气流通道C6暂存的均压气）在其压力作用下依次经进出气流分布器2、均出切换阀V11、均压切换阀V7A回流进入吸附塔A，该均压气回流顺序为：从低氧浓均压气至高氧浓均压气按照氧浓度梯度连续回流。由于集束管均压罐内设置的进出气流分布器2和气流通道A4、气流通道B5、气流通道C6的作用，流出集束管均压罐VS2内气流通道A4、气流通道B5、气流通道C6的均压气会在其气流通道内呈一维流动，不会产生前段气体驻留与后段气体混合现象，因此流出气流通道A4、气流通道B5、气流通道C6的均压气必然会保持其氧浓度梯度连续进入吸附塔A内，集束管均压罐先均出的低氧浓度部分均压气先进入吸附塔A作为冲洗气，被真空泵抽走，集束管均压罐后均出的高氧浓度部分均压气后进入吸附塔A作为置换气，留存吸附塔A内回收，该部分回收的均压气在吸附塔A内从塔底到塔顶氧浓呈由低到高连续分布；

在此S5歩序中，通过对均出切换阀V11的开度进行控制调节，可对吸附塔A逆向均入回收过程的均压气流量、压力参数进行调节，同时实现对S2歩序中的吸附塔A与集束管均压罐VS2均压过程的均压气流量、压力参数进行调节；

S6、吸附塔A第一阶段产品气升压：在步骤S5结束后，关闭真空切换阀V4A、均出切换阀V11、均压切换阀V7A，开启产品气升压总阀V9和产品气升压切换阀V6A，产品缓冲罐VS1内的产品气经产品气升压总阀V9、产品气升压切换阀V6A、吸附塔A的塔顶回流进入吸附塔A内，对吸附塔A进行第一阶段产品气升压；

S7、吸附塔A第二阶段产品气升压和吸附塔A底部自吸大气：在吸附塔A“顶部产品升压”的中期，仍然保持产品气升压总阀V9和产品气升压切换阀V6A的开启状态，此时吸附塔A压力仍然低于环境大气压力，开启自吸切换阀V1A，大气经自吸切换阀V1A自吸进入吸附塔A底部，对吸附塔A进行产品气和自吸大气共同升压，使吸附塔A压力逐渐升至环境大气压力；

S8、吸附塔A第三阶段产品气升压：在吸附塔A压力达到环境大气压力时，关闭自吸切换阀V1A，仍然保持产品气升压总阀V9和产品气升压切换阀V6A开启状态，继续用产品缓冲罐VS1的产品气向吸附塔A进行回流升压，直至达到吸附压力，产品气升压完成。

（二）制氧系统制氧循环工作步骤：

如图4所示，所述吸附塔B、吸附塔C的工作原理和单塔工作步骤均与吸附塔A的工作原理和单塔工作步骤完全相同，都是利用鼓风机AC进行原料空气供风吸附产气，利用集束管均压罐VS2进行顺向均出降压和逆向均入回收的均压气，利用真空泵VP进行抽真空，利用吸附塔均出降压后吸附塔底部余压自行放空，利用吸附塔第一阶段产品气升压后吸附塔底部真空状态自吸大气，利用产品缓冲罐VS1的产品气进行产品气升压。

如图4所示，所述的吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C连续错相步骤运行，实现制氧系统循环工作连续生产出氧气。

如图4所示，鼓风机AC分别对吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C连续错相步骤供风。

如图4所示，真空泵VP分别对吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C连续错相步骤抽真空。

Claims (4)

1.一种具有均压罐的真空变压吸附制氧系统，其特征在于：它包括吸附塔A、吸附塔B、吸附塔C、吸大气总管P1、放空总管P3、鼓风机AC、真空泵VP、产品缓冲罐VS1和用于保持均压气进出一维流动的集束管均压罐VS2；所述的吸大气总管P1的出口端并联有自吸切换阀V1A、自吸切换阀V1B和自吸切换阀V1C，自吸切换阀V1A、自吸切换阀V1B和自吸切换阀V1C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B、吸附塔C的底部连接；所述鼓风机AC的出口端连接有进气总管P2，进气总管P2另一端并联有进气切换阀V2A、进气切换阀V2B和进气切换阀V2C，进气切换阀V2A、进气切换阀V2B和进气切换阀V2C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C的底部连接；所述的放空总管P3的入口端并联有放空切换阀V3A、放空切换阀V3B和放空切换阀V3C，放空切换阀V3A、放空切换阀V3B和放空切换阀V3C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C的底部连接；所述的真空泵VP的入口端连接有真空总管P4，真空总管P4另一端并联有真空切换阀V4A、真空切换阀V4B和真空切换阀V4C，真空切换阀V4A、真空切换阀V4B和真空切换阀V4C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C的底部连接；所述的产品缓冲罐VS1的顶部和底部分别连接有产品气总阀V8和产品气升压总阀V9，产品气总阀V8的另一端连接有产品气总管P5，产品气总管P5的另一端并联有产品气切换阀V5A、产品气切换阀V5B和产品气切换阀V5C，产品气切换阀V5A、产品气切换阀V5B和产品气切换阀V5C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C的顶部连接；所述的产品气升压总阀V9的另一端连接有产品气升压总管P6，产品气升压总管P6的另一端并联有产品气升压切换阀V6A、产品气升压切换阀V6B和产品气升压切换阀V6C，产品气升压切换阀V6A、产品气升压切换阀V6B和产品气升压切换阀V6C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C的顶部连接；所述的集束管均压罐VS2的顶部连接有均入切换阀V10，均入切换阀V10的另一端连接有均压气总管P7，均压气总管P7的另一端并联有均压切换阀V7A、均压切换阀V7B和均压切换阀V7C，均压切换阀V7A、均压切换阀V7B和均压切换阀V7C的另一端分别与吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C的顶部连接；所述的集束管均压罐VS2的顶部还连接有均出切换阀V11，均出切换阀V11的另一端与均压气总管P7连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有均压罐的真空变压吸附制氧系统，其特征在于：所述的集束管均压罐VS2包括罐体、设置于罐体内的进出气流分布器和竖向分布的集束管，进出气流分布器设置于罐体顶部且位于集束管进出口端处，所述的集束管内部空间形成有气流通道A；所述的集束管外壁与罐体内壁之间形成有气流通道B；所述的集束管中相邻管道外壁之间形成有气流通道C。

3.根据权利要求1所述的一种具有均压罐的真空变压吸附制氧系统，其特征在于：所述的均出切换阀V11为调节阀。

4.根据权利要求1~3中任意一项所述的具有均压罐的真空变压吸附制氧系统的制氧方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、鼓风机AC对吸附塔A进原料空气，吸附塔A出产品气：开启进气切换阀V2A、产品气切换阀V5A和产品气总阀V8，关闭自吸切换阀V1A、放空切换阀V3A、真空切换阀V4A、产品气升压切换阀V6A、产品气升压总阀V9、均压切换阀V7A、均入切换阀V10、均出切换阀V11，鼓风机AC将原料空气升压后，经进气切换阀V2A输送至吸附塔A，原料空气中的水、二氧化碳及氮气逐次分别被吸附塔A内装填的活性氧化铝、沸石和锂基分子筛吸附，富氧气体作为产品气从吸附塔A塔顶流出并依次经产品气切换阀V5A、产品气总阀V8流至产品缓冲罐VS1中；

S2、吸附塔A与集束管均压罐VS2均压：在吸附塔A内装填的吸附剂达到吸附饱和时，关闭进气切换阀V2A，鼓风机AC切换至吸附塔B进气，关闭产品气切换阀V5A，吸附塔A停止生产产品气，开启均压切换阀V7A和均入切换阀V10，吸附塔A内的吸附末端高压气作为均压气依次经均压切换阀V7A、均入切换阀V10均入集束管均压罐VS2内，实现顺向均出降低吸附塔A压力，并将吸附塔A的吸附末端高压气暂存于集束管均压罐VS3内；

S3、吸附塔A底部放空：在步骤S2结束后，吸附塔A压力仍然高于环境大气压力，关闭均压切换阀V7A和均入切换阀V10，开启放空切换阀V3A，吸附塔A底部空气经放空切换阀V3A从吸附塔A底部排空；

S4、吸附塔A抽真空：在步骤S3结束后，吸附塔A压力接近环境大气压力，关闭放空切换阀V3A，开启真空切换阀V4A，真空泵VP对吸附塔A抽真空，吸附塔A压力逐渐达到吸附剂真空再生压力，吸附剂吸附的水、二氧化碳及氮气解吸，吸附剂获得再生；

S5、吸附塔A均入回收：在步骤S4结束前2~6s时，开启均出切换阀V11、均压切换阀V7A，集束管均压罐VS2内暂存的均压气在其压力作用下依次经均出切换阀V11、均压切换阀V7A回流进入吸附塔A，回收吸附塔B的S2步骤中暂存于集束管均压罐VS2内的吸附末端高压气，并用该部分气体置换出吸附塔A下部的低氧浓废气，均入回收时吸附塔A仍然进行抽真空；

S6、吸附塔A第一阶段产品气升压：在步骤S5结束后，关闭真空切换阀V4A、均出切换阀V11、均压切换阀V7A，开启产品气升压总阀V9和产品气升压切换阀V6A，产品缓冲罐VS1内的产品气经产品气升压总阀V9、产品气升压切换阀V6A回流进入吸附塔A内，对吸附塔A进行第一阶段产品气升压；

S7、吸附塔A第二阶段产品气升压和吸附塔A底部自吸大气：仍然保持产品气升压总阀V9和产品气升压切换阀V6A的开启状态，此时吸附塔A压力仍然低于环境大气压力，开启自吸切换阀V1A，大气经自吸切换阀V1A自吸进入吸附塔A底部，使吸附塔A压力逐渐升至环境大气压力；

S8、吸附塔A第三阶段产品气升压：在吸附塔A压力达到环境大气压力时，关闭自吸切换阀V1A，仍然保持产品气升压总阀V9和产品气升压切换阀V6A开启状态，继续用产品缓冲罐VS1的产品气对吸附塔A进行回流升压，直至达到吸附压力，产品气升压完成。