CN111762759A - 一种变压吸附制氧装置及其制氧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种变压吸附制氧装置及其制氧方法，PLC控制器通过控制二位四通电磁阀和高频脉冲阀分别控制A吸、B反吹、A、B均压、A解吸、B吸、A反吹，B、A均压、B解吸的循环过程；随着海拔和大气压力的变化，数字压力传感器会反馈进气压力数据给PLC控制器，自动优化均压和反吹时间，使制氧装置在高海拔地区的性能显著提高，可降低对分子筛的冲击，延长分子筛的使用寿命，与传统的制氧系统相比，显著提高了变压吸附制氧机的氧气回收率和氧气纯度，氧气回收率最大提高了9.2％，产品气中氧气的体积分数最大提高了4.0％，氧气出口压力>0.1mpa，且氧气流量和浓度稳定，波动率明显减少。
Description
技术领域
本发明实施例涉及制氧技术领域，具体涉及一种变压吸附制氧装置及其制氧方法。
背景技术
目前的(变压吸附，PSA)分子筛制氧机，原理主要是通过空气压缩机，使空气中的氧气和氮气通过分子筛，利用分子筛对空气中的氮气和氧气的吸附能力的差异，实现氮气和氧气的分离，从而得到高浓度的氧气。当空气进入装有分子筛的床层时，分子筛对氮气的吸附能力较强，氮气被吸附；而氧气不被吸附，这样可以在吸附床出口端获得高浓度的氧气。由于分子筛具有其吸附量随压力变化的特性，改变其压力，可使吸附交替进行吸附与解吸操作。整个过程为周期性地动态循环过程，其缺点为A、B产品气浓度和流量波动率大，氧气出口压力低，氧气的回收率和体积分数效率不完全。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种变压吸附制氧装置及其制氧方法，以解决现有的分子筛制氧机存在的氧气浓度和流量波动率大，氧气出口压力低，氧气的回收率和产品气中氧气体积分数低的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提出了一种变压吸附制氧装置，所述制氧装置包括除尘过滤装置、空气压缩机、散热器、调压气水分离器、二位四通电磁阀、数字压力传感器、分子筛塔A、分子筛塔B、高频脉冲阀、PLC控制器、氧气缓冲罐、储氧装置以及排氮装置，所述除尘过滤装置连接空气压缩机，所述空气压缩机连接散热器，所述散热器连接调压气水分离器，所述调压气水分离器连接二位四通电磁阀的P口，所述调压气水分离器与二位四通电磁阀连接的管路上设置有数字压力传感器，所述二位四通电磁阀的A口和B口分别连接分子筛塔A和分子筛塔B的进口端，所述二位四通电磁阀的S口连接排氮装置，所述分子筛塔A和分子筛塔B的出口端分别通过第一管路和第二管路连接至氧气缓冲罐，所述第一管路和第二管路上分别设置有A侧单向阀和B侧单向阀，所述第一管路和第二管路之间连接有第三管路和第四管路，所述第三管路上设置有A侧限流环和B侧限流环，所述高频脉冲阀设置在第四管路上，所述氧气缓冲罐连接储氧装置，所述数字压力传感器、二位四通电磁阀和高频脉冲阀均与所述PLC控制器电连接。
进一步地，所述制氧装置还包括多功能触摸屏，所述多功能触摸屏与所述PLC控制器连接。
进一步地，所述空气压缩机和散热风扇通过接触器、中间继电器连接PLC控制器。
进一步地，所述除尘过滤装置包括相互连接的一级过滤器和二级过滤器，所述二级过滤器连接空气压缩机。
进一步地，所述制氧装置包括与一级过滤器连接的进气消声器。
进一步地，所述排氮装置包括与二位四通电磁阀的S口连接的排氮消声器，所述排氮消声器与大气连通。
进一步地，所述储氧装置包括调压阀、细菌过滤器和储氧罐，所述调压阀连接氧气缓冲罐，所述细菌过滤器连接调压阀，所述储氧罐连接细菌过滤器，所述储氧罐上设置有流量计。
进一步地，所述调压阀与细菌过滤器之间的管路上设置有氧浓度传感器、氧流量传感器和温度传感器，所述氧浓度传感器、氧流量传感器和温度传感器均与PLC控制器电连接。
进一步地，所述空气压缩机与散热器之间设置有安全阀。
根据本发明实施例的第二方面，提出了一种变压吸附制氧装置的制氧方法，所述制氧方法包括：
原料空气经除尘过滤装置除尘、过滤后进入空气压缩机压缩，压缩空气经散热器风扇强制风冷后，再由调压气水分离器经除尘、除油、干燥后由P口进入二位四通电磁阀；
PLC控制器控制二位四通电磁阀的A口打开、B口关闭，压缩空气进入分子筛塔A，分子筛塔A压力升高，压缩空气中的氮气被沸石分子筛吸附，未吸附的氧气穿过吸附床，经过A侧单向阀进入氧气缓冲罐，此时富余的氧气依次经A侧限流环、B侧限流环进入分子筛塔B，对分子筛塔B进行小流量的反吹；
然后PLC控制器控制二位四通电磁阀的B口打开，使分子筛塔A与分子筛塔B进气道连通，使两塔压力达到均衡实现均压，并在两塔均压之前，提前一定的时间控制打开高频脉冲阀，使大流量的氧气对分子筛塔B进行吹扫，均压结束后，PLC控制器控制高频脉冲阀与二位四通电磁阀的A口同时关闭，分子筛塔A排废气解吸，废气通过S口经排氮装置排放到大气中；
此时B口仍然处于打开状态，压缩空气进入分子筛塔B，分子筛塔B压力升高，压缩空气中的氮气被沸石分子筛吸附，未吸附的氧气穿过吸附床，经过B侧单向阀进入氧气缓冲罐，此时富余的氧气依次经B侧限流环、A侧限流环进入分子筛塔A，对分子筛塔A进行小流量的反吹；
然后PLC控制器控制二位四通电磁阀的A口打开，使分子筛塔A与分子筛塔B进气道连通，使两塔压力达到均衡实现均压，并在两塔均压之前，提前一定的时间控制打开高频脉冲阀，使大流量的氧气对分子筛塔A进行吹扫，均压结束后，PLC控制器控制高频脉冲阀与二位四通电磁阀的B口同时关闭，分子筛塔B排废气解吸，废气通过S口经排氮装置排放到大气中；
在两塔解吸的同时，氧气通过两个常开的限流环循环吹扫正在解吸的分子筛塔，以将塔内解吸的氮气吹出分子筛塔；
数字压力传感器将检测到的进气压力值反馈至PLC控制器，PLC控制器根据预先设定的在不同压力下对应的吸附、反吹以及均压时间参数，控制二位四通电磁阀各口以及高频脉冲阀的启闭；
分子筛塔A与分子筛塔B按照以上“A吸、B反吹、A/B均压、A解吸、B吸、A反吹，B/A均压、B解吸”的工作过程进行循环，氮气经排氮装置排出至大气，高纯度的氧气由氧气缓冲罐进入储氧装置进行储存。
本发明实施例具有如下优点：
本发明实施例提出的一种变压吸附制氧装置及其制氧方法，PLC控制器通过控制二位四通电磁阀和高频脉冲阀分别控制A吸、B反吹、A、B均压、A解吸、B吸、A反吹，B、A均压、B解吸的循环过程；随着海拔和大气压力的变化，数字压力传感器会反馈进气压力数据给PLC控制器，自动优化均压和反吹时间，使制氧装置在高海拔地区的性能显著提高，可降低对分子筛的冲击，延长分子筛的使用寿命，与传统的制氧系统相比，显著提高了变压吸附制氧机的氧气回收率和氧气纯度，氧气回收率最大提高了9.2％，产品气中氧气的体积分数最大提高了4.0％，氧气出口压力>0.1mpa，且氧气流量和浓度稳定，波动率明显减少。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例1提供的一种变压吸附制氧装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的一种变压吸附制氧装置的PLC控制器控制原理图；
图3为本发明实施例1提供的一种变压吸附制氧装置的PLC控制器控制电路图。
图中：进气消声器1、一级过滤器2、二级过滤器3、空气压缩机4、散热器5、调压气水分离器6、二位四通电磁阀7、数字压力传感器8、分子筛塔A9、分子筛塔B10、高频脉冲阀11、氧气缓冲罐12、调压阀13、细菌过滤器14、储氧罐15、氧浓度传感器16、氧流量传感器17、温度传感器18、A侧单向阀19、B侧单向阀20、A侧限流环21、B侧限流环22、PLC控制器23、排氮消声器24、安全阀25。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
实施例1
本实施例提出了一种变压吸附制氧装置，如图1所示，该制氧装置包括进气消声器1、除尘过滤装置、空气压缩机4、散热器5、调压气水分离器6、二位四通电磁阀7、数字压力传感器8、分子筛塔A9、分子筛塔B10、高频脉冲阀11、氧气缓冲罐12、PLC控制器23、储氧装置以及排氮装置。
除尘过滤装置连接空气压缩机4，除尘过滤装置包括相互连接的一级过滤器2和二级过滤器3，二级过滤器3连接空气压缩机4，制氧装置还包括与一级过滤器2连接的进气消声器1。空气压缩机4连接散热器5，空气压缩机4与散热器5之间设置有安全阀25。散热器5连接调压气水分离器6。
调压气水分离器6连接二位四通电磁阀7的P口，二位四通电磁阀7的A口和B口分别连接分子筛塔A9和分子筛塔B10的进口端，二位四通电磁阀7的S口连接排氮装置，分子筛塔A9和分子筛塔B10的出口端分别通过第一管路和第二管路连接至氧气缓冲罐12，第一管路和第二管路上分别设置有A侧单向阀19和B侧单向阀20，第一管路和第二管路之间连接有第三管路和第四管路，第三管路上设置有A侧限流环21和B侧限流环22，高频脉冲阀11设置在第四管路上，氧气缓冲罐12连接储氧装置。新增的高频脉冲阀11作为反冲和恒压阀，通过优化反冲恒压阀的开闭时间，显著提高了变压吸附制氧机的氧气回收率和氧气纯度。
调压气水分离器6与二位四通电磁阀7连接的管路上设置有数字压力传感器8。现有制氧设备大多是在平原调试的，PLC控制器存储的各个制氧环节的时间是固定的，当现有技术生产的设备随着海拔的攀升气压变低，空气越来越稀薄，无法达到制氧设备的最佳效率。而本发明实施例通过数字压力传感器8的设置，随着海拔和大气压力的变化，数字压力传感器8会反馈数据给PLC控制器，当压力达到设定压力值时，PLC控制器会自动调节A、B两分子筛塔的反吹及均压时间，比如当海拔较高外界环境压力低时，吸附和反吹以及均压时间均会相对加长，根据不同的海拔对应调节，参数预写入PLC控制器中，PLC控制器根据相应参数控制二位四通电磁阀7完成整个制氧循环过程，使制氧机在高海拔地区的性能显著提高。
数字压力传感器8、二位四通电磁阀7和高频脉冲阀11均与PLC控制器23电连接，如图2和图3所示。本实施例中，二位四通电磁阀7是两个二位三通电磁阀A和二位三通电磁阀B的组合阀，电磁阀A和电磁阀B均由PLC控制器23控制。本实施例中，PLC控制器23的型号为PLCFX1N10MR。
该制氧装置还包括多功能触摸屏，多功能触摸屏与PLC控制器23连接。空气压缩机4和散热风扇通过接触器、中间继电器连接PLC控制器23，空气压缩机4和散热风扇通过多功能触摸屏操作控制工作。制氧装置的所有参数流程已经存储在PLC控制器23中，通过新增人机界面HMI，可根据具体的大气环境及分子筛塔的容积和空压机性能参数具体进行调整，并可通过4G网络远程对主体程序进行升级和实时监控以及参数的修改，实时将制氧装置的工作参数及累计工作时间传送到多功能触摸屏上，方便用户读取和监测制氧装置的工作状态，定期维护，延长制氧装置的使用寿命，提高变压吸附制氧过程中氧气的回收率和体积分数。
排氮装置包括与二位四通电磁阀7的S口连接的排氮消声器24，排氮消声器24与大气连通。
储氧装置包括调压阀13、细菌过滤器14和储氧罐15，调压阀13连接氧气缓冲罐12，细菌过滤器14连接调压阀13，储氧罐15连接细菌过滤器14，储氧罐15上设置有流量计。调压阀13与细菌过滤器14之间的管路上设置有氧浓度传感器16、氧流量传感器17和温度传感器18，氧浓度传感器16、氧流量传感器17和温度传感器18均与PLC控制器23电连接。
本实施例的一种变压吸附制氧装置的制氧方法包括以下步骤：
原料空气经除尘过滤装置除尘、过滤后进入空气压缩机4压缩，压缩空气经散热器5风扇强制风冷后，再由调压气水分离器6经除尘、除油、干燥后由P口进入二位四通电磁阀7；
PLC控制器23控制二位四通电磁阀7的A口打开、B口关闭，压缩空气进入分子筛塔A9，分子筛塔A9压力升高，压缩空气中的氮气被沸石分子筛吸附，未吸附的氧气穿过吸附床，经过A侧单向阀进入氧气缓冲罐12，此时富余的氧气依次经A侧限流环、B侧限流环(a1至b1)进入分子筛塔B10，对分子筛塔B10进行小流量的反吹；
然后PLC控制器23控制二位四通电磁阀7的B口打开，使分子筛塔A9与分子筛塔B10进气道连通，使两塔压力达到均衡实现均压，并在两塔均压之前，提前一定的时间控制打开高频脉冲阀11，使大流量的氧气对分子筛塔B10进行吹扫，均压结束后，PLC控制器23控制高频脉冲阀11与二位四通电磁阀7的A口同时关闭，分子筛塔A9排废气解吸，废气通过S口经排氮装置排放到大气中，A吸过程结束；
此时B口仍然处于打开状态，压缩空气进入分子筛塔B10，分子筛塔B10压力升高，压缩空气中的氮气被沸石分子筛吸附，未吸附的氧气穿过吸附床，经过B侧单向阀进入氧气缓冲罐12，此时富余的氧气依次经B侧限流环、A侧限流环(b1至a1)进入分子筛塔A9，对分子筛塔A9进行小流量的反吹；
然后PLC控制器23控制二位四通电磁阀7的A口打开，使分子筛塔A9与分子筛塔B10进气道连通，使两塔压力达到均衡实现均压，并在两塔均压之前，提前一定的时间控制打开高频脉冲阀11，使大流量的氧气对分子筛塔A9进行吹扫，均压结束后，PLC控制器23控制高频脉冲阀11与二位四通电磁阀7的B口同时关闭，分子筛塔B10排废气解吸，废气通过S口经排氮装置排放到大气中，B吸过程结束；
在两塔解吸的同时，氧气通过两个常开的限流环循环吹扫正在解吸的分子筛塔，以将塔内解吸的氮气吹出分子筛塔；
数字压力传感器8将检测到的进气压力值反馈至PLC控制器23，PLC控制器23根据预先设定的在不同压力下对应的吸附、反吹以及均压时间参数，控制二位四通电磁阀7各口以及高频脉冲阀11的启闭；
分子筛塔A9与分子筛塔B10按照以上“A吸、B反吹、A/B均压、A解吸、B吸、A反吹，B/A均压、B解吸”的工作过程进行循环，从而连续产出高稳定性流量，高纯度的产品氧气，氮气经排氮装置排出至大气，高纯度的氧气由氧气缓冲罐12进入储氧装置进行储存。
本发明实施例提出的一种变压吸附制氧装置，PLC控制器通过控制二位四通电磁阀和高频脉冲阀分别控制A吸、B反吹、A、B均压、A解吸、B吸、A反吹，B、A均压、B解吸的循环过程；随着海拔和大气压力的变化，数字压力传感器8会反馈进气压力数据给PLC控制器，自动优化均压和反吹时间，使制氧装置在高海拔地区的性能显著提高，在高海拔地区相应延长吸附和反吹以及均压时间，均压可降低对分子筛的冲击，延长分子筛的使用寿命，与传统的制氧系统相比，显著提高了变压吸附制氧机的氧气回收率和氧气纯度，氧气回收率最大提高了9.2％，产品气中氧气的体积分数最大提高了4.0％，氧气出口压力>0.1mpa，且氧气流量和浓度稳定，波动率明显减少。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种变压吸附制氧装置，其特征在于，所述制氧装置包括除尘过滤装置、空气压缩机、散热器、调压气水分离器、二位四通电磁阀、数字压力传感器、分子筛塔A、分子筛塔B、高频脉冲阀、PLC控制器、氧气缓冲罐、储氧装置以及排氮装置，所述除尘过滤装置连接空气压缩机，所述空气压缩机连接散热器，所述散热器连接调压气水分离器，所述调压气水分离器连接二位四通电磁阀的P口，所述调压气水分离器与二位四通电磁阀连接的管路上设置有数字压力传感器，所述二位四通电磁阀的A口和B口分别连接分子筛塔A和分子筛塔B的进口端，所述二位四通电磁阀的S口连接排氮装置，所述分子筛塔A和分子筛塔B的出口端分别通过第一管路和第二管路连接至氧气缓冲罐，所述第一管路和第二管路上分别设置有A侧单向阀和B侧单向阀，所述第一管路和第二管路之间连接有第三管路和第四管路，所述第三管路上设置有A侧限流环和B侧限流环，所述高频脉冲阀设置在第四管路上，所述氧气缓冲罐连接储氧装置，所述数字压力传感器、二位四通电磁阀和高频脉冲阀均与所述PLC控制器电连接。
2.根据权利要求1所述的一种变压吸附制氧装置，其特征在于，所述制氧装置还包括多功能触摸屏，所述多功能触摸屏与所述PLC控制器连接。
3.根据权利要求2所述的一种变压吸附制氧装置，其特征在于，所述空气压缩机和散热风扇通过接触器、中间继电器连接PLC控制器。
4.根据权利要求1所述的一种变压吸附制氧装置，其特征在于，所述除尘过滤装置包括相互连接的一级过滤器和二级过滤器，所述二级过滤器连接空气压缩机。
5.根据权利要求4所述的一种变压吸附制氧装置，其特征在于，所述制氧装置包括与一级过滤器连接的进气消声器。
6.根据权利要求1所述的一种变压吸附制氧装置，其特征在于，所述排氮装置包括与二位四通电磁阀的S口连接的排氮消声器，所述排氮消声器与大气连通。
7.根据权利要求1所述的一种变压吸附制氧装置，其特征在于，所述储氧装置包括调压阀、细菌过滤器和储氧罐，所述调压阀连接氧气缓冲罐，所述细菌过滤器连接调压阀，所述储氧罐连接细菌过滤器，所述储氧罐上设置有流量计。
8.根据权利要求7所述的一种变压吸附制氧装置，其特征在于，所述调压阀与细菌过滤器之间的管路上设置有氧浓度传感器、氧流量传感器和温度传感器，所述氧浓度传感器、氧流量传感器和温度传感器均与PLC控制器电连接。
9.根据权利要求1所述的一种变压吸附制氧装置，其特征在于，所述空气压缩机与散热器之间设置有安全阀。
10.根据权利要求1-9中任一所述的一种变压吸附制氧装置的制氧方法，其特征在于，所述制氧方法包括：
原料空气经除尘过滤装置除尘、过滤后进入空气压缩机压缩，压缩空气经散热器风扇强制风冷后，再由调压气水分离器经除尘、除油、干燥后由P口进入二位四通电磁阀；
PLC控制器控制二位四通电磁阀的A口打开、B口关闭，压缩空气进入分子筛塔A，分子筛塔A压力升高，压缩空气中的氮气被沸石分子筛吸附，未吸附的氧气穿过吸附床，经过A侧单向阀进入氧气缓冲罐，此时富余的氧气依次经A侧限流环、B侧限流环进入分子筛塔B，对分子筛塔B进行小流量的反吹；
然后PLC控制器控制二位四通电磁阀的B口打开，使分子筛塔A与分子筛塔B进气道连通，使两塔压力达到均衡实现均压，并在两塔均压之前，提前一定的时间控制打开高频脉冲阀，使大流量的氧气对分子筛塔B进行吹扫，均压结束后，PLC控制器控制高频脉冲阀与二位四通电磁阀的A口同时关闭，分子筛塔A排废气解吸，废气通过S口经排氮装置排放到大气中；
此时B口仍然处于打开状态，压缩空气进入分子筛塔B，分子筛塔B压力升高，压缩空气中的氮气被沸石分子筛吸附，未吸附的氧气穿过吸附床，经过B侧单向阀进入氧气缓冲罐，此时富余的氧气依次经B侧限流环、A侧限流环进入分子筛塔A，对分子筛塔A进行小流量的反吹；
然后PLC控制器控制二位四通电磁阀的A口打开，使分子筛塔A与分子筛塔B进气道连通，使两塔压力达到均衡实现均压，并在两塔均压之前，提前一定的时间控制打开高频脉冲阀，使大流量的氧气对分子筛塔A进行吹扫，均压结束后，PLC控制器控制高频脉冲阀与二位四通电磁阀的B口同时关闭，分子筛塔B排废气解吸，废气通过S口经排氮装置排放到大气中；
在两塔解吸的同时，氧气通过两个常开的限流环循环吹扫正在解吸的分子筛塔，以将塔内解吸的氮气吹出分子筛塔；
数字压力传感器将检测到的进气压力值反馈至PLC控制器，PLC控制器根据预先设定的在不同压力下对应的吸附、反吹以及均压时间参数，控制二位四通电磁阀各口以及高频脉冲阀的启闭；
分子筛塔A与分子筛塔B按照以上“A吸、B反吹、A/B均压、A解吸、B吸、A反吹，B/A均压、B解吸”的工作过程进行循环，氮气经排氮装置排出至大气，高纯度的氧气由氧气缓冲罐进入储氧装置进行储存。
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