環(huán)境因素對(duì)PSA制氧機(jī)的影響

1、環(huán)境因素對(duì)PSA制氧機(jī)的影響 1、問(wèn)題提出任何氣-固體系的物理吸附都需要在相應(yīng)的溫度和壓力下進(jìn)行。在變壓吸附制氧的過(guò)程中，吸附劑沸石分子篩是強(qiáng)優(yōu)先吸附等溫線型的吸附劑，溫度在整個(gè)制氧的過(guò)程中都是一個(gè)重要參數(shù)。為了便于闡述，首先給出各公司的操作條件及變壓吸附制氧溫度示意圖。表1 變壓吸附制氧的操作條件吸附壓力/Mpa00.05脫附壓力/kpa20.040.0操作溫度/2040循環(huán)時(shí)間/s6070圖1 變壓吸附制氧是溫度的影響由圖1可知，氮?dú)庠诜惺肿雍Y上的變壓吸附等溫線符合第I類等溫線，為單分子吸附，這樣可應(yīng)用Langmuir等溫線方程來(lái)分析：在分子篩用量一定的條件下，吸附容量、吸附的壓力及吸附

2、溫度三變量間相互影響的關(guān)系，并找出三者的合理組合。方程如下：=B P/(1+BP) （1）B=/（2mkT）1/2eQ/RT （1a）其中為氮?dú)獾母采w率，B為吸附的平衡常數(shù)。對(duì)以上兩方程的及圖1進(jìn)行分析可得，當(dāng)吸附容量q1一定（即一定），吸附溫度增大時(shí)（從T1上升到T2），由方程（1a）可知，B減小，而為滿足一定，由方程（1）可知，B*P應(yīng)為常數(shù)，則吸附壓力P必須增大，即吸附壓力隨吸附溫度T增大而增大，故為滿足工藝設(shè)計(jì)要求（主要為純度及能耗），吸附溫度與吸附壓力需相匹配，且有一個(gè)最佳的操作范圍。目前國(guó)內(nèi)所有變亞吸附操作條件絕大部分的吸附溫度為2040，相應(yīng)的吸附壓力為0.030.04 Mpa（

3、表壓），解吸真空度最低在40 kpa（絕對(duì)壓力）左右。要保持操作系統(tǒng)平穩(wěn)，溫度是一個(gè)重要影響因素，因?yàn)闇囟扔绊懛肿雍Y的吸附容量；影響沸石分子篩對(duì)氧氣、氮?dú)獾倪x擇吸附特性；影響吸附氮?dú)獾慕馕鰰r(shí)間。下面具體分析溫度對(duì)解析時(shí)間的影響。解析速度rd可用下式表示：rd=kd (2)其中kd為解析速度常數(shù)。由（1）、（1a）分析可知，當(dāng)操作溫度T1低于設(shè)計(jì)溫度T，吸附壓力P定時(shí)，吸附容量q即氮?dú)獾母采w率將增大，設(shè)為1.若把1.= +0，其中為設(shè)計(jì)的溫度T時(shí)的吸附容量，0為實(shí)際操作溫度T1時(shí)多吸附的吸附容量，又因解析速度常數(shù)為溫度的函數(shù)，隨溫度的降低而減小，設(shè)減為kd1，所以這時(shí)候的解析過(guò)程可分為兩個(gè)階段：

4、氮?dú)獾母采w慮從（+0）為第一階段，這樣，解析時(shí)間t1可表示為：t1=【（+0）-】/ kd1（+0/2）+/ kd1/2=0/ kd1（+0/2）+2/ kd1 （3）其中t1=2/ kd1為與設(shè)計(jì)溫度T時(shí)同樣吸附容量而速度常數(shù)減小時(shí)的解析時(shí)間，比設(shè)計(jì)溫度T時(shí)的解析時(shí)間t要長(zhǎng)；t2=0/ kd1（+0/2）為多吸附的吸附容量0解析所需的時(shí)間，因此，t1比t更大。故當(dāng)吸附容量增大，而解析真空度不變時(shí)，解析時(shí)間必須延長(zhǎng)，也就是不同的操作溫度應(yīng)用不同的吸附、解析時(shí)間與之匹配。而為提高制氧機(jī)的自動(dòng)化程度，吸附、解析的時(shí)間是由PLC系統(tǒng)自動(dòng)控制，有其固定的參數(shù)值，而不應(yīng)該受環(huán)境的影響。但我國(guó)一年四季的溫

5、度一般都在4060，又因鐵的吸熱能力很強(qiáng)，吸附塔內(nèi)一年的溫差變化會(huì)更大。為使PSA制氧系統(tǒng)的平穩(wěn)，解決溫度與操作溫度間的矛盾，筆者認(rèn)為把制氧機(jī)放于室內(nèi)是一種很好的解決方法。我公司所采用的變壓吸附制氧機(jī)的操作條件：操作溫度為室內(nèi)溫度（即把制氧機(jī)放于室內(nèi)），吸附壓力0.01 Mpa（表壓），解析真空度最低為20 kpa（絕對(duì)壓力）左右。經(jīng)運(yùn)行表明：在此條件下，氧的回收率提高，氧成分和氧流量穩(wěn)定，能耗降低。真空度對(duì)產(chǎn)品氧的回收率影響最大，用高真空再生可得到較高的回收率，但單純地改善真空度，使真空度的抽空能力變得太大是不經(jīng)濟(jì)的。變壓吸附的最佳壓力變化范圍取決于原料空氣壓縮所需能耗、真空泵的能耗及產(chǎn)品氧

6、的回收率三者的最佳配合，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，壓力變化范圍越小，能耗越低。下面分別就高于設(shè)計(jì)溫度以及設(shè)計(jì)溫度的狀態(tài)，對(duì)PSA制氧的不利影響進(jìn)行分析與討論。2、高于設(shè)計(jì)溫度狀態(tài)下的制氧情況2.1 能耗增大由圖1分析可知，當(dāng)沸石分子篩分離氮?dú)獾牧浚╭=q1-q2(q11-q21)）一定，吸附溫度升高時(shí)，吸附壓力與解析的壓力需作相應(yīng)的調(diào)整。這里分兩種極限情況進(jìn)行討論：第一種，保持再生時(shí)的真空度不變，此情況下吸附壓力必須增大，這樣每經(jīng)歷一次造氣循環(huán)時(shí)，高溫造氣的壓力變化的范圍P1=P21-P11要大于設(shè)計(jì)的溫度時(shí)壓力的變化范圍P1=P2-P1，壓力變化范圍增大，即為能耗增大；第二種，分子篩吸附結(jié)束和

7、再生時(shí)吸附容量不變，這樣必須通過(guò)減少真空度（P1P111）和增大吸附壓力（P2P211）來(lái)調(diào)節(jié)，要想提高吸附的壓力，必須增設(shè)一組空壓機(jī)，而再生趨向與常壓下再生。實(shí)踐證明，真空在生的性能優(yōu)于常壓下再生的性能。對(duì)常壓再生來(lái)說(shuō)，空壓機(jī)為主要耗能部件，而對(duì)真空再生來(lái)說(shuō)，能耗主要在真空泵，雖然這兩種辦法的氣體壓縮比一樣，但由于真空泵是在低負(fù)載和高負(fù)載（從大氣壓到真空）狀態(tài)下反復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，只有在空氣被抽空到最后階段，才達(dá)到這一壓縮比，而在整過(guò)抽空期間以較小的壓縮比運(yùn)轉(zhuǎn)，所以能耗較低；而空壓機(jī)是在恒功率的負(fù)載上運(yùn)轉(zhuǎn)，且必須壓縮約12倍于產(chǎn)品氧的空氣量，因此，能耗高。2.2、對(duì)分子篩的使用壽命不利如果分子篩反復(fù)在

8、高溫下吸附、解析，會(huì)對(duì)分子篩帶來(lái)極大的影響。若在常溫下工作，對(duì)分子不會(huì)起破壞作用，除非因操作不當(dāng), 分子篩含水量增大, 或鼓風(fēng)機(jī)漏油未及時(shí)修理, 將油帶入分子篩才需要更換。2.3氧損耗將隨溫度的增加而增加表2 列出總壓為0.304M Pa 時(shí)絲光沸石上空氣吸附平衡特性, 從表中可見(jiàn), 溫度增加時(shí),N2/N1的比也增加。這表明, 在使用絲光沸石分子篩變壓吸附制氧工藝過(guò)程中, 氧氣收率將隨該裝置溫度的升高而降低。這個(gè)規(guī)律具有一般性, 即對(duì)PSA 制氧系統(tǒng), 當(dāng)空氣溫度高于設(shè)計(jì)溫度或者露天放置的吸附塔在炎熱天氣下吸收了陽(yáng)光的照射熱而使得吸附塔溫度超過(guò)設(shè)計(jì)溫度時(shí), 氧產(chǎn)量和回收率大大降低。表2總壓為0

9、.304M Pa 時(shí)絲光沸石上空氣吸附平衡特性溫度氮選擇性S氮吸附氧吸附吸附N a1空隙N1V總量N1吸附N2a空隙N2v總量N2N2/N1303.380.8630.0950.9580.0590.0250.0840.088403.550.7340.0920.8260.0540.0240.0790.096503.250.6140.0890.7030.0500.0240.0740.105603.000.5110.0870.5980.0450.0230.0680.113702.780.4200.0840.5040.0400.0220.0630.124902.420.2850.0800.3650.03

10、10.0210.0520.144 捷銳PSA制氮系統(tǒng) 捷銳PSA制氧系統(tǒng)3、低于設(shè)計(jì)溫度狀態(tài)下的制氧情況當(dāng)空氣溫度低于設(shè)計(jì)溫度時(shí), 或者露天放置的吸附塔, 在零下十幾度的環(huán)境中, 使得吸附塔溫度低于設(shè)計(jì)溫度時(shí), 會(huì)導(dǎo)致吸附容量增加, 而當(dāng)脫附壓力達(dá)不到相應(yīng)的真空度或解析時(shí)間沒(méi)有延長(zhǎng)時(shí), 產(chǎn)品氧純度降低, 這時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)失去平穩(wěn)。如某通用機(jī)械設(shè)備聯(lián)合公司制造一套600m3/h 變壓吸附制氧機(jī), 因當(dāng)?shù)囟鞙囟忍? 年平均溫度才812, 制得的氧氣純度達(dá)不到要求。分析純度不夠的原因: 吸附為放熱過(guò)程, 解析為吸熱過(guò)程, 低溫時(shí), 分子篩吸附容量增大, 而解析速度變慢, 但脫附壓力和解析時(shí)間未與操

11、作溫度相匹配, 結(jié)果, 產(chǎn)品氣純度不符合工藝要求, 最后通過(guò)加熱進(jìn)口空氣, 才將此問(wèn)題解決。又如低溫制氧(L TV SA ) , 即將空氣冷卻至-15以下, 在1.3105Pa (絕壓) 下進(jìn)行吸附, 已投入運(yùn)行, 但它每個(gè)吸附床的吸附時(shí)間為90s, 而對(duì)于PSA 制氧系統(tǒng), 當(dāng)操作溫度在2040時(shí), 循環(huán)時(shí)間僅需6070s, 很明顯, 低溫制氧時(shí), 生產(chǎn)效率降低。另外從投資角度分析, 吸附塔數(shù)增多(至少四塔) , 還要設(shè)計(jì)制冷器、冷卻箱等, 而分子篩則為專門的X 型沸石分子篩, 一般的5A 沸石分子篩在溫度低于設(shè)計(jì)溫度時(shí), 氧氮的選擇吸附特性降低, 即分子篩性能降低, 就我國(guó)一年四季的溫差來(lái)分析, 不必采用高價(jià)的L TSVA 制氧。4、解決辦法1 根據(jù)變壓吸附制氧機(jī)的操作條件, 筆者認(rèn)為, 變壓吸附制氧機(jī)應(yīng)予放在室內(nèi)妥當(dāng), 這樣除了能滿足操作條件的要求以外, 放在室內(nèi)還有以下優(yōu)點(diǎn): 11 可以減少環(huán)境溫度, 例如夏天的烈日暴曬以及冬天的雪天冰凍對(duì)它的影響, 大大改善了操作條件, 穩(wěn)定了氧成分和氧流量, 減少氧損失。2 變壓吸附制氧機(jī)的切換閥, 價(jià)格比較昂貴, 精度高, 如放在室外, 任憑風(fēng)吹雨打烈日暴曬, 雪天冰凍, 會(huì)對(duì)此閥的壽命和密封