CN111989149A - 一种移动式变压吸附氧气生产装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种移动式变压吸附氧气生产装置的方法，其包括串联操作的第一变压吸附段和第二变压吸附段，第一变压吸附段通过速度选择型吸附剂床层吸附原料空气中的氧气，第二变压吸附段通过氮平衡选择型吸附剂床层吸附第一变压吸附段流入的富氧解析气体中的氮气；第一变压吸附段的吸附塔在一个循环周期中至少依次经历吸附(A)、串联置换(P1)、富氧置换(P)和抽真空(VC)四个变压吸附工艺步骤；第二变压吸附段的吸附塔在一个循环周期中至少依次经历吸附(A)、均压降(ED)、逆放(BD)或抽真空(VC)、均压升(ER)和产品气升压(FR)变压吸附工艺步骤。采用本发明方法的变压吸附装置体积小、重量轻、使用方便、压力低，大大降低了用氧成本，显著提高了用氧安全性。

Description

一种移动式变压吸附氧气生产装置的方法
技术领域
本发明涉及变压吸附技术制氧领域,具体涉及一种移动式变压吸附氧气生产装置的方法。
背景技术
目前，在气割过程中所用的纯氧均是采用深冷装置制出纯氧后，用压缩机将纯氧压缩到12.5MPa以上装入特制的40升钢瓶中，然后运输到各个用户，而用户使用压力低于0.95MPa，耗费大量的人力和物力，不仅用氧成本高，而且安全性差。
发明内容
本发明的目的就是提供一种体积小、重量轻、随开随停、使用方便和压力低的移动式变压吸附氧气生产装置的方法，大大降低用氧成本和幅度提高用氧安全性。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种移动式变压吸附氧气生产装置的方法，其包括两段变压吸附串联操作，干燥的原料空气首先从第一变压吸附段的吸附塔底部进入速度选择型吸附剂床层，原料空气中的大部分氧气被速度选择型吸附剂床层吸附，大部分氮气和氩气从吸附塔出口排出，第一变压吸附段解析出来的富氧、少量氮气和氩气从第二变压吸附段的吸附塔底部进入氮平衡选择型吸附剂床层，富氧混合气中的氮气被氮平衡选择型吸附剂床层吸附，氧气和氩气以及少量氮气从吸附塔出口流出。第一变压吸附段的吸附塔在一个循环周期中至少依次经历吸附A、串联置换P1、富氧置换P和抽真空VC四个变压吸附工艺步骤；第二变压吸附段的吸附塔在一个循环周期中至少依次经历吸附A、均压降ED、逆放BD或抽真空VC、均压升ER和产品气升压FR变压吸附工艺步骤。
进一步，第二变压吸附段的吸附塔在均压降ED步骤之后增加顺放PP步骤，在逆放BD步骤之后增加吹扫P步骤，顺放PP步骤的气体进入缓冲罐V，吹扫P步骤的气体来自缓冲罐V并从吸附塔顶部进入。
进一步，考虑到进入第一变压吸附段吸附塔的原料空可能气含气态水，为确保吸附剂床层的吸附效果，本发明提供两种解决方案：
方案1：第一变压吸附段吸附塔的底部装填干燥剂、上部装填速度选择型吸附剂床层，原料空气中从第一变压吸附段吸附塔底部通过时，其气态水绝大部分被干燥剂床层吸附，大部分氧气被速度选择型吸附剂床层吸附，大部分氮气和氩气从吸附塔出口排出，解析出来的气态水和富氧从第二变压吸附段的吸附塔底部进入干燥剂床层和氮平衡选择型吸附剂床层，富氧中的气态水绝大部分被干燥剂床层吸附，大部分氮气被氮平衡选择型吸附剂床层吸附，氧气和氩气以及少量氮气从吸附塔出口流出。
方案2：在第一变压吸附段之前增设一个变压吸附干燥段，用于除去空气中的气态水，使空气干燥至达到进入第一变压吸附段的吸附塔对水分的要求；该变压吸附干燥段在一个循环周期中依次经历吸附A和吹扫P两个变压吸附工艺步骤，吹扫P步骤的气体来源于第一变压吸附段的吸附塔吸附A步骤出口的放空气和第二变压吸附段的吸附塔解析放空气。干燥段装填活性氧化铝；第一变压吸附段的吸附塔内部装填碳分子筛；第二变压吸附段的吸附塔内部装填5A型分子筛或X型锂分子筛。
进一步，第一变压吸附段的吸附塔吸附A步骤的压力为0.002-0.01MPa(表压)；第二变压吸附段的吸附塔吸附A步骤的压力为0.8-1.2MPa(表压)。
进一步，第一变压吸附段的吸附塔吸附A步骤结束时出口气中氧气的浓度为15-20％(V)。
进一步，第一变压吸附段的吸附塔装填碳分子筛作为速度选择型吸附剂；第二变压吸附段的吸附塔装填5A型分子筛或X型锂分子筛作为氮平衡选择型吸附剂。
本发明的方法所提供的移动式变压吸附纯氧生产装置，大大降低用氧成本，而且安全性大幅度提高，本移动式变压吸附纯氧生产装置体积小、重量轻、随开随停、使用方便，最高压力只有1.2MPa。
附图说明
图1是本发明实施例1各段吸附塔运行步骤及程控阀开关时序图。
图2是本发明实施例1的工艺流程图。
图3是本发明实施例2各段吸附塔运行步骤及程控阀开关时序图。
图4本发明实施例2的工艺流程图。
图5是本发明实施例3各段吸附塔运行步骤及程控阀开关时序图。
图6是本发明实施例3的工艺流程图。
图7是本发明实施例4各段吸附塔运行步骤及程控阀开关时序图。
图8是本发明实施例4的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例加以说明，以下实施例只是为方便理解本发明的技术方案而给出的优选实施例，不作为对本发明权利要求保护范围的限定。
实施例1：
图1是本发明实施例1各段吸附塔运行步骤及程控阀开关时序图。
图2是本发明实施例1的工艺流程简图。
本实施例的原料空气组成如下：
组份 O<sub>2</sub> N<sub>2</sub> Ar CO<sub>2</sub> 其它 ∑
浓度(％)(V) 20.93 78.03 0.932 0.03 0.078 100
温度：≤40℃
压力：0.005MPa(G)(也可以采用更高吸附压力)
如图2所示，富氧真空泵P0101、程控阀、PLC控制系统、仪器仪表、工艺管道管件、吸附塔T0101A、T0101B、T0101C和T0101D组成第一变压吸附段，吸附塔内装填的吸附剂为碳分子筛，运行单塔吸附、串联置换和抽真空程序；程控阀、PLC控制系统、仪器仪表、工艺管道管件、富氧压缩机C0201、压缩机缓冲罐V0201、产品纯氧缓冲罐V0202、吸附塔T0201A、T0201B、T0201C和T0201D组成第二变压吸附段，吸附塔内装填的吸附剂为沸石分子筛或锂分子筛，运行单塔吸附、两次均压和逆放程序。本实施例将上述两段变压吸附串联操作，第一变压吸附段将干燥空气中的氧气吸附下来，第二变压吸附段用于将第一变压吸附段真空解析出来的富氧混合气中的氮气吸附，不易吸附的氧从吸附塔出口流出作为产品，并把氧浓度提高到99.5％(V)以上。
压力大于5KPa的干燥空气进入第一变压吸附段处于吸附步骤的吸附塔，吸附塔中的吸附剂选择性地吸附空气中的氧气等组分，未吸附的部分氧和不易吸附的氮和氩等组分从出口端排出放空，第一变压吸附段的吸附塔干燥空气吸附结束后，进行串联置换P1和富氧气体置换P，置换结束后抽真空，第一变压吸附段的吸附塔真空解析出来的富氧混合气经过富氧压缩机C0201压缩到1.0-1.2MPa后进入第二变压吸附段处于吸附步骤的吸附塔，将其中的氮气吸附后，从出口流出作为产品氧气，浓度控制在99.5％(V)以上。第一变压吸附段的吸附塔吸附结束后出口气中氧气浓度控制在15～20.8％(V)(也可以将氧浓度控制在15％(V)以下)，其吸附塔在一个循环周期中依次经历吸附A、串联置换P1、富氧气体置换P和抽真空VC四个变压吸附工艺步骤；第二变压吸附段的吸附塔在一个循环周期中依次经历吸附A、两次均压降、逆放BD、两次均压升和终升七个变压吸附工艺步骤，逆放BD步骤解析的氮、氧和氩混合气返回第一变压吸附段与其置换部分的真空解析气混合。氧气总回收率在60％左右，第一变压吸附段真空解析气氧浓度在80％左右，两段循环时间一般为20-80秒，第一变压吸附段真空度为-0.095MPa,鼓风机气量、两段吸附塔的空塔速度、真空泵的抽气量、吸附剂用量和吸附塔直径以及其他设计参数按变压吸附技术领域通常的情况进行设计。
本实施例的每个吸附塔在一个循环中依次经历如下步骤。
第一变压吸附段
⑴吸附A
打开第一变压吸附段的程控阀KV1A-1，干燥空气从底部进入吸附塔T0101A吸附剂床层升压，当升到吸附压力时，再打开程控阀KV2A-1，吸附塔T0101A中的吸附剂选择性地吸附干燥空气中的氧气等组分，未吸附的部分氧气和不易吸附的氮和氩等尾气从出口端流出放空，随着时间的推移，吸附剂吸附氧气的总量不断增加，当吸附塔T0101A出口的氧气浓度大于15-20.8％(V)(也可以将氧浓度控制在15％(V)以下)时，停止进气，此时吸附结束。
⑵串联置换P1
吸附A步骤结束后，关闭程控阀KV1A-1和KV2A-1，打开程控阀KV5D-1、KV3D-1和KV2A-1，本段抽真空出来的部分富氧气体和第二变压吸附段的解析气混合后从吸附塔T0101D底部进入吸附剂床层置换氮气和氩气，然后从顶部流出，顶部流出的置换尾气从吸附塔T0101A的底部进入，经过吸附塔T0101A吸附剂床层吸附氧气后，通过程控阀KV2A-1放空。
⑶富氧气体置换P
串联置换P1步骤结束后，关闭程控阀KV5D-1、KV3D-1和KV2A-1，打开程控阀KV5A-1和KV3A-1，本段抽真空出来的部分富氧气体和第二变压吸附段的解析气混合后从吸附塔T0101A底部进入吸附剂床层置换氮气和氩气，然后从顶部流出，顶部流出的置换尾气从吸附塔T0101B的底部进入，经过吸附塔T0101B吸附剂床层吸附氧气后，通过程控阀KV2B-1放空。
⑷抽真空VC
吸附塔T0101A产品氧气置换P结束后，关闭程控阀KVKV5A-1、KV3A-1和KV2B-1，打开程控阀KV4A-1从吸附塔底部用真空泵将吸附剂吸附的氧气抽出来，一部分富氧气体作为第二变压吸附段的原料气，另一部分作为置换气返回本段置换吸附剂床层。
经过上述步骤后，吸附塔T0101A完成了一个循环，再次进入富氧原料气吸附，其他三个吸附塔的步骤和次序与吸附塔T0101A完全一样，只是在时间上相互错开。
第二变压吸附段
⑴吸附A
打开第二变压吸附段的程控阀KV1A-2，将第一变压吸附段的吸附塔抽真空(VC)步骤抽出的富氧混合气经过富氧压缩机C0201压缩到1.0-1.2MPa后从底部送入吸附塔T0201A吸附剂床层，吸附塔T0201A中的吸附剂选择性地吸附富氧混合气中的氮气等组分，未吸附的部分氮气和不易吸附的氧和氩等组分打开程控阀KV2A-2从出口端流出进入产品纯氧缓冲罐V0202，将产品氧气浓度控制在99.5％(V)以上，随着时间的推移，吸附剂吸附的氮气等组分的总量不断增加，当吸附塔T0201A吸附氮气饱和时，停止进气，此时吸附结束。
⑵一均降E1D
吸附结束后，关闭程控阀KV1A-2和KV2A-2，打开程控阀KV3A-2和KV3C-2，吸附塔T0201A内死空间气体从吸附塔出口排出进入本段已完成二均升E2R步骤的吸附塔T0201C升压，尽量让两塔压力相等。
⑶二均降E2D
一均降E1D步骤结束后，关闭程控阀KV3C-2，打开程控阀KV3D-2，吸附塔T0201A内死空间气体从吸附塔出口排出进入本段已完成逆放BD步骤的吸附塔T0201D升压，尽量让两塔压力相等。
⑷逆放BD
吸附塔T0201A二均降E2D步骤结束后，关闭程控阀KV3A-2和KV3D-2，打开程控阀KV4A-2，将吸附塔T0201A中吸附的氮气、氧气和氩气解析出来返回第一变压吸附段与其置换部分的真空解析气混合，同时吸附塔T0201A内的吸附剂获得再生。
⑸二均升E2R
吸附塔T0201A逆放BD步骤结束后，关闭程控阀KV4A-2，打开程控阀KV3A-2和KV3B-2，利用吸附塔T0201B二均降E2D步骤排出的气体，从吸附塔T0201A出口端进入吸附塔，使吸附塔T0201A升高压力，尽量让吸附塔T0201A和T0201B压力相等。
⑹一均升E1R
吸附塔T0201A二均升E2R步骤结束后，关闭程控阀KV3B-2，打开程控阀KV3C-2，利用吸附塔T0201C一均降E1D步骤排出的气体，从吸附塔T0201A出口端进入吸附塔，使吸附塔T0201A升高压力，尽量让吸附塔T0201A和T0201C压力相等。
⑺最终升压FR
一均升E1R结束后，关闭程控阀KV3C-2，打开程控阀KV2A-2，用吸附过程中的出口气对吸附塔T0201A进行升压，直到接近第二变压吸附段的吸附压力。
本实施例结果为产品氧气浓度大于或等于99.5％(V)，压力大于或等于常压，与深冷法相比节约电耗10％左右。
本实施例也可以用来生产浓度低于99.5％(V)的产品氧气，与传统的深冷法和变压吸附法相比节约电耗10％-20％左右，产品氧气浓度越低电耗节约越多。
实施例2：
图3是本发明实施例2各段吸附塔运行步骤及程控阀开关时序图。
图4是本发明实施例2的工艺流程简图。
本实施例的原料空气组成如下：
组份 O<sub>2</sub> N<sub>2</sub> Ar CO<sub>2</sub> 其它 ∑
浓度(％)(V) 20.93 78.03 0.932 0.03 0.078 100
温度：≤40℃
压力：0.005MPa(G)(也可以采用更高吸附压力)
如图4所示，富氧真空泵P0101、程控阀、PLC控制系统、仪器仪表、工艺管道管件、吸附塔T0101A、T0101B、T0101C和T0101D组成第一变压吸附段，吸附塔内装填的吸附剂为碳分子筛，运行单塔吸附、串联置换和抽真空程序；程控阀、PLC控制系统、仪器仪表、工艺管道管件、富氧压缩机C0201、压缩机缓冲罐V0201、产品纯氧缓冲罐V0202、顺放缓冲罐V0203、吸附塔T0201A、T0201B和T0201C组成第二变压吸附段，吸附塔内装填的吸附剂为沸石分子筛或锂分子筛，运行单塔吸附、均压、顺放、逆放和吹扫程序。本实施例将上述两段变压吸附串联操作，第一变压吸附段将干燥空气中的氧气吸附下来，第二变压吸附段用于将第一变压吸附段真空解析出来的富氧混合气中的氮气吸附，不易吸附的氧从吸附塔出口流出作为产品，并把氧浓度提高到99.5％(V)以上。
压力大于5KPa的干燥空气进入第一变压吸附段处于吸附步骤的吸附塔，吸附塔中的吸附剂选择性地吸附空气中的氧气等组分，未吸附的部分氧和不易吸附的氮和氩等组分从出口端排出放空，第一变压吸附段的吸附塔干燥空气吸附结束后，进行串联置换P1和富氧气体置换P，置换结束后抽真空，第一变压吸附段的吸附塔真空解析出来的富氧混合气经过经过富氧压缩机C0201压缩到1.0-1.2MPa后进入第二变压吸附段处于吸附步骤的吸附塔，将其中的氮气吸附后，从出口流出作为产品氧气，浓度控制在99.5％(V)以上。第一变压吸附段的吸附塔吸附结束后出口气中氧气浓度控制在15～20.8％(V)(也可以将氧浓度控制在15％(V)以下)，其吸附塔在一个循环周期中依次经历吸附A、串联置换P1、富氧气体置换P和抽真空VC四个变压吸附工艺步骤；第二变压吸附段的吸附塔在一个循环周期中依次经历吸附A、一次均压降、顺放、逆放、吹扫、一次均压升和终升七个变压吸附工艺步骤。氧气总回收率在60％左右，第一变压吸附段真空解析气氧浓度在80％左右，两段循环时间一般为20-80秒，第一变压吸附段真空度为-0.095MPa,鼓风机气量、两段吸附塔的空塔速度、真空泵的抽气量、吸附剂用量和吸附塔直径以及其他设计参数按变压吸附技术领域通常的情况进行设计。
本实施例的每个吸附塔在一个循环中依次经历如下步骤。
第一变压吸附段
⑴吸附A
打开第一变压吸附段的程控阀KV1A-1，干燥空气从底部进入吸附塔T0101A吸附剂床层升压，当升到吸附压力时，再打开程控阀KV2A-1，吸附塔T0101A中的吸附剂选择性地吸附干燥空气中的氧气等组分，未吸附的部分氧气和不易吸附的氮和氩等尾气从出口端流出放空，随着时间的推移，吸附剂吸附氧气的总量不断增加，当吸附塔T0101A出口的氧气浓度大于15-20.8％(V)(也可以将氧浓度控制在15％(V)以下)时，停止进气，此时吸附结束。
⑵串联置换P1
吸附A步骤结束后，关闭程控阀KV1A-1和KV2A-1，打开程控阀KV5D-1、KV3D-1和KV2A-1，本段抽真空出来的部分富氧气体和第二变压吸附段的解析气混合后从吸附塔T0101D底部进入吸附剂床层置换氮气和氩气，然后从顶部流出，顶部流出的置换尾气从吸附塔T0101A的底部进入，经过吸附塔T0101A吸附剂床层吸附氧气后，通过程控阀KV2A-1放空。
⑶富氧气体置换P
串联置换P1步骤结束后，关闭程控阀KV5D-1、KV3D-1和KV2A-1，打开程控阀KV5A-1和KV3A-1，本段抽真空出来的部分富氧气体和第二变压吸附段的解析气混合后从吸附塔T0101A底部进入吸附剂床层置换氮气和氩气，然后从顶部流出，顶部流出的置换尾气从吸附塔T0101B的底部进入，经过吸附塔T0101B吸附剂床层吸附氧气后，通过程控阀KV2B-1放空。
⑷抽真空VC
吸附塔T0101A产品氧气置换P结束后，关闭程控阀KVKV5A-1、KV3A-1和KV2B-1，打开程控阀KV4A-1从吸附塔底部用真空泵将吸附剂吸附的氧气抽出来，一部分富氧气体作为第二变压吸附段的原料气，另一部分作为置换气返回本段置换吸附剂床层。
经过上述步骤后，吸附塔T0101A完成了一个循环，再次进入富氧原料气吸附，其他三个吸附塔的步骤和次序与吸附塔T0101A完全一样，只是在时间上相互错开。
第二变压吸附段
⑴吸附A
打开第二变压吸附段的程控阀KV1A-2，将第一变压吸附段的吸附塔抽真空(VC)步骤抽出的富氧混合气经过富氧压缩机C0201压缩到1.0-1.2MPa后从底部送入吸附塔T0201A吸附剂床层，吸附塔T0201A中的吸附剂选择性地吸附富氧混合气中的氮气等组分，未吸附的部分氮气和不易吸附的氧和氩等组分打开程控阀KV2A-2从出口端流出进入产品纯氧缓冲罐V0202，将产品氧气浓度控制在99.5％(V)以上，随着时间的推移，吸附剂吸附的氮气等组分的总量不断增加，当吸附塔T0201A吸附氮气饱和时，停止进气，此时吸附结束。
⑵均压降ED
吸附结束后，关闭程控阀KV1A-2和KV2A-2，打开程控阀KV3A-2和KV3C-2，吸附塔T0201A内死空间气体从吸附塔出口排出进入本段已完成吹扫P步骤的吸附塔T0201C升压，尽量让两塔压力相等。
⑶顺放PP
均压降ED步骤结束后，关闭程控阀KV3C-2，打开程控阀KV6-2，吸附塔T0201A内死空间气体从吸附塔出口排出进入顺放缓冲罐V0203，压力将根据需要调整。
⑷逆放BD
吸附塔T0201A顺放PP步骤结束后，关闭程控阀KV3A-2和KV6-2，打开程控阀KV4A-2，将吸附塔T0201A内吸附剂吸附的氮气、氧气和氩气解析出来返回第一变压吸附段与其置换部分的真空解析气混合，让吸附剂获得再生。
⑸吹扫P
逆放BD步骤结束后，打开程控阀KV3A-2和KV6-2，顺放缓冲罐V0201中气体从出口进入吸附塔T0201A，将吸附剂床层中吸附的氮气、氧气和氩气吹扫出来返回第一变压吸附段与其置换部分的真空解析气混合，让吸附剂进一步再生。
⑹均压升ER
吸附塔T0201A吹扫P步骤结束后，关闭程控阀KV4A-2和KV6-2，打开程控阀KV3B-2，利用吸附塔T0201B均压降ED步骤排出的气体，从吸附塔T0201A出口端进入吸附塔，使吸附塔T0201A升高压力，尽量让吸附塔T0201A和T0201B压力相等。
⑺最终升压FR
均压升ER结束后，关闭程控阀KV3B-2和KV3A-2，打开程控阀KV2A-2，用吸附过程中的出口气对吸附塔T0201A进行升压，直到接近第二变压吸附段的吸附压力。
本实施例结果为产品氧气浓度大于或等于99.5％(V)，压力大于或等于常压，与深冷法相比节约电耗10％左右。
本实施例也可以用来生产浓度低于99.5％(V)的产品氧气，与传统的深冷法和变压吸附法相比节约电耗10％-20％左右，产品氧气浓度越低电耗节约越多。
实施例3：
图5是本发明实施例3各段吸附塔运行步骤及程控阀开关时序图。
图6是本发明实施例3的工艺流程简图。
本实施例的原料空气组成如下：
组份 O<sub>2</sub> N<sub>2</sub> Ar CO<sub>2</sub> 其它 ∑
浓度(％)(V) 20.93 78.03 0.932 0.03 0.078 100
温度：≤40℃
压力：0.005MPa(G)(也可以采用更高吸附压力)
如图6所示，富氧真空泵P0101、程控阀、PLC控制系统、仪器仪表、工艺管道管件、吸附塔T0101A、T0101B、T0101C和T0101D组成第一变压吸附段，吸附塔内装填的吸附剂为碳分子筛，运行单塔吸附、串联置换和抽真空程序；程控阀、PLC控制系统、仪器仪表、工艺管道管件、富氧压缩机C0201、压缩机缓冲罐V0201、产品纯氧缓冲罐V0202、真空缓冲罐V0203、吸附塔T0201A、T0201B和T0201C组成第二变压吸附段，吸附塔内装填的吸附剂为沸石分子筛或锂分子筛，运行单塔吸附、均压、逆放和抽真空程序。本实施例将上述两段变压吸附串联操作，第一变压吸附段将干燥空气中的氧气吸附下来，第二变压吸附段用于将第一变压吸附段真空解析出来的富氧混合气中的氮气吸附，不易吸附的氧从吸附塔出口流出作为产品，并把氧浓度提高到99.5％(V)以上。
压力大于5KPa的干燥空气进入第一变压吸附段处于吸附步骤的吸附塔，吸附塔中的吸附剂选择性地吸附空气中的氧气等组分，未吸附的部分氧和不易吸附的氮和氩等组分从出口端排出放空，第一变压吸附段的吸附塔干燥空气吸附结束后，进行串联置换P1和富氧气体置换P，置换结束后抽真空，第一变压吸附段的吸附塔真空解析出来的富氧混合气经过富氧压缩机C0201压缩到1.0-1.2MPa后进入第二变压吸附段处于吸附步骤的吸附塔，将其中的氮气吸附后，从出口流出作为产品氧气，浓度控制在99.5％(V)以上。第一变压吸附段的吸附塔吸附结束后出口气中氧气浓度控制在15～20.8％(V)(也可以将氧浓度控制在15％(V)以下)，其吸附塔在一个循环周期中依次经历吸附A、串联置换P1、富氧气体置换P和抽真空VC四个变压吸附工艺步骤；第二变压吸附段的吸附塔在一个循环周期中依次经历吸附A、均压降ED、逆放BD、抽真空VC、均压升ER和终升六个变压吸附工艺步骤。氧气总回收率在60％左右，第一变压吸附段真空解析气氧浓度在80％左右，两段循环时间一般为20-80秒，第一变压吸附段真空度为-0.095MPa,鼓风机气量、两段吸附塔的空塔速度、真空泵的抽气量、吸附剂用量和吸附塔直径以及其他设计参数按变压吸附技术领域通常的情况进行设计。
本实施例的每个吸附塔在一个循环中依次经历如下步骤。
第一变压吸附段
⑴吸附A
打开第一变压吸附段的程控阀KV1A-1，干燥空气从底部进入吸附塔T0101A吸附剂床层升压，当升到吸附压力时，再打开程控阀KV2A-1，吸附塔T0101A中的吸附剂选择性地吸附干燥空气中的氧气等组分，未吸附的部分氧气和不易吸附的氮和氩等尾气从出口端流出放空，随着时间的推移，吸附剂吸附氧气的总量不断增加，当吸附塔T0101A出口的氧气浓度大于15-20.8％(V)(也可以将氧浓度控制在15％(V)以下)时，停止进气，此时吸附结束。
⑵串联置换P1
吸附A步骤结束后，关闭程控阀KV1A-1和KV2A-1，打开程控阀KV5D-1、KV3D-1和KV2A-1，本段抽真空出来的部分富氧气体和第二变压吸附段的解析气混合后从吸附塔T0101D底部进入吸附剂床层置换氮气和氩气，然后从顶部流出，顶部流出的置换尾气从吸附塔T0101A的底部进入，经过吸附塔T0101A吸附剂床层吸附氧气后，通过程控阀KV2A-1放空。
⑶富氧气体置换P
串联置换P1步骤结束后，关闭程控阀KV5D-1、KV3D-1和KV2A-1，打开程控阀KV5A-1和KV3A-1，本段抽真空出来的部分富氧气体和第二变压吸附段的解析气混合后从吸附塔T0101A底部进入吸附剂床层置换氮气和氩气，然后从顶部流出，顶部流出的置换尾气从吸附塔T0101B的底部进入，经过吸附塔T0101B吸附剂床层吸附氧气后，通过程控阀KV2B-1放空。
⑷抽真空VC
吸附塔T0101A富氧气体置换P结束后，关闭程控阀KVKV5A-1、KV3A-1和KV2B-1，打开程控阀KV4A-1从吸附塔底部用真空泵将吸附剂吸附的氧气抽出来，一部分富氧气体作为第二变压吸附段的原料气，另一部分作为置换气返回本段置换吸附剂床层。
经过上述步骤后，吸附塔T0101A完成了一个循环，再次进入富氧原料气吸附，其他三个吸附塔的步骤和次序与吸附塔T0101A完全一样，只是在时间上相互错开。
第二变压吸附段
⑴吸附A
打开第二变压吸附段的程控阀KV1A-2，将第一变压吸附段的吸附塔抽真空(VC)步骤抽出的富氧混合气经过富氧压缩机C0201压缩到1.0-1.2MPa后从底部送入吸附塔T0201A吸附剂床层，吸附塔T0201A中的吸附剂选择性地吸附富氧混合气中的氮气等组分，未吸附的部分氮气和不易吸附的氧和氩等组分打开程控阀KV2A-2从出口端流出进入产品纯氧缓冲罐V0202，将产品氧气浓度控制在99.5％(V)以上，随着时间的推移，吸附剂吸附的氮气等组分的总量不断增加，当吸附塔T0201A吸附氮气饱和时，停止进气，此时吸附结束。
⑵均压降ED
吸附结束后，关闭程控阀KV1A-2和KV2A-2，打开程控阀KV3A-2和KV3C-2，吸附塔T0201A内死空间气体从吸附塔出口排出进入本段已完成抽真空VC步骤的吸附塔T0201C升压，尽量让两塔压力相等。
⑶逆放BD
吸附塔T0201A均压降ED步骤结束后，关闭程控阀KV3A-2和KV3C-2，打开程控阀KV4A-2和KV201-2，将吸附塔T0201A中吸附的氮气、氧气和氩气解析出来返回第一变压吸附段与其置换部分的真空解析气混合，同时吸附塔T0201A内的吸附剂获得再生。
⑷抽真空VC
吸附塔T0201A逆放BD步骤结束后，关闭程控阀KV201-2，打开程控阀KV202-2从吸附塔底部用真空泵将吸附剂吸附的氮气、氧气和氩气解析出来返回第一变压吸附段与其置换部分的真空解析气混合，吸附剂获得进一步再生，抽真空结束后关闭程控阀KV202-2，打开程控阀KV203-2，真空泵直接抽真空缓冲罐V0203。
⑸均压升ER
吸附塔T0201A抽真空VC步骤结束后，关闭程控阀KV4A-2和KV202-2，打开程控阀KV3A-2和KV3B-2，利用吸附塔T0201B均压降ED步骤排出的气体，从吸附塔T0201A出口端进入吸附塔，使吸附塔T0201A升高压力，尽量让吸附塔T0201A和T0201B压力相等。
⑹最终升压FR
均压升ER结束后，关闭程控阀KV3A-2和KV3B-2，打开程控阀KV2A-2，用吸附过程中的出口气对吸附塔T0201A进行升压，直到接近第二变压吸附段的吸附压力。
经过上述步骤后，吸附塔T0201A完成了一个循环，再次进入富氧原料气吸附，其他两个吸附塔的步骤和次序与吸附塔T0201A完全一样，只是在时间上相互错开。
本实施例也可以用来生产浓度低于99.5％(V)的产品氧气，与传统的深冷法和变压吸附法相比节约电耗10％-20％左右，产品氧气浓度越低电耗节约越多。
实施例4：
图7是本发明实施例4各段吸附塔运行步骤及程控阀开关时序图。
图8是本发明实施例4的工艺流程简图。
本实施例的原料空气组成如下：
组份 O<sub>2</sub> N<sub>2</sub> Ar CO<sub>2</sub> 其它 ∑
浓度(％)(V) 20.93 78.03 0.932 0.03 0.078 100
温度：≤40℃
压力：0.005MPa(G)(也可以采用更高吸附压力)
如图8所示，鼓风机C0100、程控阀、PLC控制系统、仪器仪表、工艺管道管件、吸附塔T0100A和T0100B组成干燥段变压吸附，吸附塔内装填的吸附剂为活性氧化铝干燥剂，运行单塔吸附和吹扫再生程序；富氧真空泵P0101、程控阀、PLC控制系统、仪器仪表、工艺管道管件、吸附塔T0101A、T0101B、T0101C和T0101D组成第一变压吸附段，吸附塔内装填的吸附剂为碳分子筛，运行单塔吸附、串联置换和抽真空程序；程控阀、PLC控制系统、仪器仪表、工艺管道管件、富氧压缩机C0201、压缩机缓冲罐V0201、产品纯氧缓冲罐V0202、吸附塔T0201A、T0201B、T0201C和T0201D组成第二变压吸附段，吸附塔内装填的吸附剂为沸石分子筛或锂分子筛，运行单塔吸附、两次均压和逆放程序。本实施例将上述三段变压吸附串联操作，，干燥段变压吸附用于将空气中的气态水吸附下来，满足变压吸附制氧吸附剂对水的要求，第一变压吸附段将干燥空气中的氧气吸附下来，第二变压吸附段用于将第一变压吸附段真空解析出来的富氧混合气中的氮气吸附，不易吸附的氧从吸附塔出口流出作为产品，并把氧浓度提高到99.5％(V)以上。
空气经过鼓风机C0100升压到5KPa后进入干燥段变压吸附，吸附塔中的吸附剂选择性地吸附湿空气中的气态水等组分，不易吸附的氧、氮和氩等组分从出口端进入第一变压吸附段处于吸附步骤的吸附塔，吸附塔中的吸附剂选择性地吸附空气中的氧气等组分，未吸附的部分氧和不易吸附的氮和氩等组分从出口端排出返回干燥段再生氧化铝中吸附的水，第一变压吸附段的吸附塔干燥空气吸附结束后，进行串联置换P1和富氧气体置换P，置换结束后抽真空，第一变压吸附段的吸附塔真空解析出来的富氧混合气经过富氧压缩机C0201压缩到1.0-1.2MPa后进入第二变压吸附段处于吸附步骤的吸附塔，将其中的氮气吸附后，从出口流出作为产品氧气，浓度控制在99.5％(V)以上。干燥段变压吸附用于将湿空气的露点控制在-50℃以上，其吸附塔在一个循环周期中依次经历吸附A和吹扫P两个变压吸附工艺步骤；第一变压吸附段的吸附塔吸附结束后出口气中氧气浓度控制在15～20.8％(V)(也可以将氧浓度控制在15％(V)以下)，其吸附塔在一个循环周期中依次经历吸附A、串联置换P1、富氧气体置换P和抽真空VC四个变压吸附工艺步骤；第二变压吸附段的吸附塔在一个循环周期中依次经历吸附A、两次均压降、逆放BD、两次均压升和终升七个变压吸附工艺步骤，逆放BD步骤解析的氮、氧和氩混合气返回第一变压吸附段与其置换部分的真空解析气混合。氧气总回收率在60％左右，第一变压吸附段真空解析气氧浓度在80％(V)左右，三段循环时间一般为20-80秒，第一变压吸附段真空度为-0.095MPa,鼓风机气量、三段吸附塔的空塔速度、真空泵的抽气量、吸附剂用量和吸附塔直径以及其他设计参数按变压吸附技术领域通常的情况进行设计。
本实施例的每个吸附塔在一个循环中依次经历如下步骤。
变压吸附干燥段
⑴吸附A
打开程控阀KV1A-0和KV2A-0，原料空气经过鼓风机(C0101)升压到5KPa(G)后，从吸附塔T0100A底部进入活性氧化铝床层，将空气中的气态水吸附下来，不易吸附的氧气、氮气和氩气等组分从出口端排出进入第一变压吸附段的吸附塔底部，随着时间的推移，活性氧化铝吸附的气态水总量不断增加，当活性氧化铝吸附气态水饱和时，停止进气，此时吸附结束，控制变压吸附干燥段吸附A步骤的出口混合气露点再-50℃左右。
⑵吹扫
吸附塔T0100A吸附结束后，打开程控阀KV3A-0和KV4A-0，第一变压吸附段的吸附塔吸附A步骤和尾气吸附A1步骤的放空气从吸附塔T0100A出口端经程控阀KV3A-0进入吸附塔，然后经过程控阀KV4A-0从吸附塔T0100A底部排出放空，吹扫P结束后，关闭程控阀KV3A-0和KV4A-0。
经过上述步骤后，吸附塔T0100A完成了一个循环，再次进入干燥空气吸附，另一个吸附塔的步骤和次序与吸附塔T0100A完全一样，只是在时间上相互错开。
第一变压吸附段
⑴吸附A
打开第一变压吸附段的程控阀KV1A-1，干燥空气从底部进入吸附塔T0101A吸附剂床层升压，当升到吸附压力时，再打开程控阀KV2A-1，吸附塔T0101A中的吸附剂选择性地吸附干燥空气中的氧气等组分，未吸附的部分氧气和不易吸附的氮和氩等尾气从出口端流出返回干燥段再生氧化铝中吸附的水，随着时间的推移，吸附剂吸附氧气的总量不断增加，当吸附塔T0101A出口的氧气浓度大于15-20.8％(V)(也可以将氧浓度控制在15％(V)以下)时，停止进气，此时吸附结束。
⑵串联置换P1
吸附A步骤结束后，关闭程控阀KV1A-1和KV2A-1，打开程控阀KV5D-1、KV3D-1和KV2A-1，本段抽真空出来的部分富氧气体和第二变压吸附段的解析气混合后从吸附塔T0101D底部进入吸附剂床层置换氮气和氩气，然后从顶部流出，顶部流出的置换尾气从吸附塔T0101A的底部进入，经过吸附塔T0101A吸附剂床层吸附氧气后，通过程控阀KV2A-1返回干燥段再生氧化铝中吸附的水。
⑶富氧气体置换P
串联置换P1步骤结束后，关闭程控阀KV5D-1、KV3D-1和KV2A-1，打开程控阀KV5A-1和KV3A-1，本段抽真空出来的部分富氧气体和第二变压吸附段的解析气混合后从吸附塔T0101A底部进入吸附剂床层置换氮气和氩气，然后从顶部流出，顶部流出的置换尾气从吸附塔T0101B的底部进入，经过吸附塔T0101B吸附剂床层吸附氧气后，通过程控阀KV2B-1返回干燥段再生氧化铝中吸附的水。
⑷抽真空VC
吸附塔T0101A产品氧气置换P结束后，关闭程控阀KVKV5A-1、KV3A-1和KV2B-1，打开程控阀KV4A-1从吸附塔底部用真空泵将吸附剂吸附的氧气抽出来，一部分富氧气体作为第二变压吸附段的原料气，另一部分作为置换气返回本段置换吸附剂床层。
经过上述步骤后，吸附塔T0101A完成了一个循环，再次进入富氧原料气吸附，其他三个吸附塔的步骤和次序与吸附塔T0101A完全一样，只是在时间上相互错开。
第二变压吸附段
⑴吸附A
打开第二变压吸附段的程控阀KV1A-2，将第一变压吸附段的吸附塔抽真空(VC)步骤抽出的富氧混合气经过富氧压缩机C0201压缩到1.0-1.2MPa后从底部送入吸附塔T0201A吸附剂床层，吸附塔T0201A中的吸附剂选择性地吸附富氧混合气中的氮气等组分，未吸附的部分氮气和不易吸附的氧和氩等组分打开程控阀KV2A-2从出口端流出进入产品纯氧缓冲罐V0202，将产品氧气浓度控制在99.5％(V)以上，随着时间的推移，吸附剂吸附的氮气等组分的总量不断增加，当吸附塔T0201A吸附氮气饱和时，停止进气，此时吸附结束。
⑵一均降E1D
吸附结束后，关闭程控阀KV1A-2和KV2A-2，打开程控阀KV3A-2和KV3C-2，吸附塔T0201A内死空间气体从吸附塔出口排出进入本段已完成二均升E2R步骤的吸附塔T0201C升压，尽量让两塔压力相等。
⑶二均降E2D
一均降E1D步骤结束后，关闭程控阀KV3C-2，打开程控阀KV3D-2，吸附塔T0201A内死空间气体从吸附塔出口排出进入本段已完成逆放BD步骤的吸附塔T0201D升压，尽量让两塔压力相等。
⑷逆放BD
吸附塔T0201A二均降E2D步骤结束后，关闭程控阀KV3A-2和KV3D-2，打开程控阀KV4A-2，将吸附塔T0201A中吸附的氮气、氧气和氩气解析出来返回第一变压吸附段与其置换部分的真空解析气混合，同时吸附塔T0201A内的吸附剂获得再生。
⑸二均升E2R
吸附塔T0201A逆放BD步骤结束后，关闭程控阀KV4A-2，打开程控阀KV3A-2和KV3B-2，利用吸附塔T0201B二均降E2D步骤排出的气体，从吸附塔T0201A出口端进入吸附塔，使吸附塔T0201A升高压力，尽量让吸附塔T0201A和T0201B压力相等。
⑹一均升E1R
吸附塔T0201A二均升E2R步骤结束后，关闭程控阀KV3B-2，打开程控阀KV3C-2，利用吸附塔T0201C一均降E1D步骤排出的气体，从吸附塔T0201A出口端进入吸附塔，使吸附塔T0201A升高压力，尽量让吸附塔T0201A和T0201C压力相等。
⑺最终升压FR
一均升E1R结束后，关闭程控阀KV3C-2，打开程控阀KV2A-2，用吸附过程中的出口气对吸附塔T0201A进行升压，直到接近第二变压吸附段的吸附压力。
本实施例结果为产品氧气浓度大于或等于99.5％(V)，压力大于或等于常压，与深冷法相比节约电耗10％左右。
本实施例也可以用来生产浓度低于99.5％(V)的产品氧气，与传统的深冷法和变压吸附法相比节约电耗10％-20％左右，产品氧气浓度越低电耗节约越多。

Claims (8)

1.一种移动式变压吸附氧气生产装置的方法，其特征在于，此方法包括串联操作的第一变压吸附段和第二变压吸附段，干燥的原料空气首先在第一变压吸附段的吸附塔内经过速度选择型吸附剂床层，原料空气中的大部分氧气被速度选择型吸附剂床层吸附，大部分氮气和氩气从吸附塔出口排出，第一变压吸附段解析出来的富氧混合气进入第二变压吸附段的吸附塔的氮平衡选择型吸附剂床层，富氧混合气中的氮气被氮平衡选择型吸附剂床层吸附，氧气和氩气以及少量氮气从吸附塔出口流出；第一变压吸附段的吸附塔在一个循环周期中至少依次经历吸附A、串联置换P1、富氧置换P和抽真空VC四个变压吸附工艺步骤；第二变压吸附段的吸附塔在一个循环周期中至少依次经历吸附A、均压降ED、逆放BD或抽真空VC、均压升ER和产品气升压FR变压吸附工艺步骤。
2.根据权利要求1所述的移动式变压吸附氧气生产装置的方法，其特征在于，第二变压吸附段的吸附塔在均压降ED步骤之后增加顺放PP步骤，在逆放BD步骤之后增加吹扫P步骤，顺放PP步骤的气体进入缓冲罐V，吹扫P步骤的气体来自缓冲罐V并从吸附塔顶部进入。
3.根据权利要求1或2所述的移动式变压吸附氧气生产装置的方法，其特征在于，第一变压吸附段吸附塔的底部装填干燥剂、上部装填速度选择型吸附剂床层，含有气态水的原料空气从第一变压吸附段吸附塔底部通过时，其气态水绝大部分被干燥剂床层吸附，大部分氧气被速度选择型吸附剂床层吸附，大部分氮气和氩气从吸附塔出口排出，第一变压吸附段解析出来的气态水和富氧从第二变压吸附段的吸附塔底部进入干燥剂床层和氮平衡选择型吸附剂床层，富氧混合气中的气态水绝大部分被干燥剂床层吸附，大部分氮气被氮平衡选择型吸附剂床层吸附，氧气和氩气以及少量氮气从吸附塔出口流出。
4.根据权利要求1至3任一所述的移动式变压吸附氧气生产装置的方法，其特征在于，第一变压吸附段的吸附塔吸附A步骤的压力为0.002-0.01MPa(表压)；第二变压吸附段的吸附塔吸附A步骤的压力为0.8-1.2MPa(表压)。
5.根据权利要求1至4任一所述的移动式变压吸附氧气生产装置的方法，其特征在于，第一变压吸附段的吸附塔吸附A步骤结束时出口气中氧气的浓度为15-20％(V)。
6.根据权利要求1至3任一所述的移动式变压吸附氧气生产装置的方法，其特征在于，第一变压吸附段的吸附塔装填碳分子筛作为速度选择型吸附剂；第二变压吸附段的吸附塔装填5A型分子筛或X型锂分子筛作为氮平衡选择型吸附剂。
7.根据权利要求1或2所述的移动式变压吸附氧气生产装置的方法，其特征在于，第一变压吸附段之前设有变压吸附干燥段，用于除去原料空气中的气态水，达到进入第一变压吸附段的吸附塔对水分的要求；该变压吸附干燥段在一个循环周期中至少依次经历吸附A和吹扫P两个变压吸附工艺步骤，吹扫P步骤的气体来源于第一变压吸附段的吸附塔吸附A步骤出口的放空气和第二变压吸附段的吸附塔的解析放空气。
8.根据权利要求7所述的移动式变压吸附氧气生产装置的方法，其特征在于，干燥段装填活性氧化铝作为干燥剂；第一变压吸附段的吸附塔内部装填碳分子筛作为速度选择型吸附剂；第二变压吸附段的吸附塔内部装填5A型分子筛或X型锂分子筛作为氮平衡选择型吸附剂。
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