2005年第6期 总第148期
低 温 工 程
CRY OGE N I CS
No 16 2005
Sum No 1148
赵 华 刘应书 刘文海 张德鑫
(北京科技大学机械学院气体分离工程研究所 北京 100083)
摘 要：对微型VPS A 制氧反吹流程进行了实验研究，探讨了反吹气量、节流阻力、产品气量对产 品气纯度的影响规律。结果表明：有反吹流程的VPS A 流程制氧效果明显优于无反吹流程；恒压反吹流程的制氧效果优于增压反吹流程。相同条件下，随着反吹气量的增加，产品气纯度先增加后减小，存在一个最佳值；节流阻力越小，产品气中氧气体积分数越高，对应的最佳反吹气量和最佳反吹比越大;VPS A 流程的最佳反吹气量和最佳反吹比远远小于PS A 流程。
关键词：微型 真空变压吸附 VPS A 反吹气量 节流阻力 氧气体积分数中图分类号:T B662 文献标识码:A 文章编号:100026516(2005)0620045205 Exper i m en t a l study on purge 2to 2product of
m i n i a ture VPSA oxygen technology
Zhao Hua L iu Yingshu L iu W enhai Zhang Dexin
(I nstitute of Gas Separati on Engineering in Mechanical Engineering School,Beijing University of Science and Technol ogy,Beijing 100083,China )
Abstract :The m iniature VPS A purge 2t o 2p r oduct p r ocess was studied by experi m ents and the effects of op 2erating para meters,such as purge 2t o 2p r oduct,resistance of thr ottle,p r oduct fl ow rate on the p r oduct purity were investigated .The experi m ental results show that the effect of p r ocess with purge 2t o 2p r oduct is better than that of p r ocess without purge 2t o 2p r oduct and the effect of the p r ocess in which the purge 2t o 2p r oduct was in invariable p ressure is better than that in variable p ressure .I n sa me conditi ons,with the increase of purge 2t o 2p r oduct,the p r oduc
t purity increases firstly and then decreases,s o that gets a op ti m um;with the decrease of thr ottle resist 2ance,the p r oduct purity increases,the op ti m al purge 2t o 2p r oduct and op ti m al purge 2t o 2p r oduct rati o decrease;the op ti m al purge 2t o 2p r oduct and the op ti m al purge 2t o 2p r oduct rati o of VPS A p r ocess are much s maller than those of PS A p r ocess .
Key words :m iniature;vacuum p ressure s wing ads or p ti on;VPS A;purge 2t o 2p r oduct;thr ottle resistance;oxygen purity
收稿日期:2005209213；修订日期:2005210218作者简介：赵华，女,24岁，硕士研究生。
1 引 言
常压吸附、减压解吸(PS A )流程和加压吸附、
减压解吸(VPS A )流程统称为真空变压吸附，属于Guerin 2Dom ine 循环。此循环的精髓是采用抽真空的方
式解吸,1958年由Guerin de Montgareuil 和Dom ine 在
低 温 工 程2005年
法国申请专利。VPS A流程在大型PS A制氧中有广泛应用，是一种先进的变压吸附制氧流程，但由于其设备投资高、系统复杂，在微型变压吸附制氧领域还极少有人研究。因此，如何合理地简化设备及系统，把VPS A制氧流程引入微型制氧领域是亟待解决的问题。优化的微型VPS A流程可以提高产品回收率，降低能耗，具有极高的应用价值。本研究利用微型VPS A制氧实验装置，对反吹流程和无反吹流程、两种不同反吹流程的制氧效果进行了对比，研究了反吹气量、产品气量、节流阻力对产品气纯度的影响。
2 实验研究
2.1 本实验的微型VPS A制氧流程
变压吸附分离空气包括Skarstr om循环和Guerin2 Dom ine循环Skarstr om循环在床层吸附饱和后用部分产品气冲洗解吸，而Guerin2Dom ine循环却采用抽真空的方法解吸[1]。典型的Guerin2Dom ine 循环由吸附、降压、抽真空解吸、升压四个阶段构成。本研究的VPS A制氧流程对比了无反吹和反吹两种控制流程，其中无反吹流程就是最基本的Guerin2Dom ine 循环，吸附塔完成吸附后利用真空泵对其抽真空，以达到解吸再生的目的；反吹流程则是综合了Skarstr om 循环和Guerin2Dom ine循环的优势，解吸过程先采用产品气反吹，然后进行抽真空解吸，以期在实验条件下达到更好的再生效果。如图1所示，在第一个半循环周期，原料气进入吸附塔2吸附的过程中，从吸附塔2产生的氧气一部分作为
产品气流出，另一部分作为反吹气对处于卸压阶段的吸附塔1反吹，然后关闭反吹阀门，用真空泵对吸附塔1抽真空。类似地，在第二个半循环周期，原料气进入吸附塔1进行吸附，从吸附塔1产生的氧气一部分作为产品气流出，另一部分作为反吹气对处于卸压阶段的吸附塔2反吹，然后关闭反吹阀门，用真空泵对吸附塔2抽真空。两个吸附塔如此交替进行吸附、解吸，就形成了有反吹的真空变压吸附循环。
2.2 实验内容及实验设备
本实验的主要内容是：对微型VPS A制氧流程中的反吹流程和无反吹流程以及两种反吹流程的制氧效果进行对比，研究反吹气量、产品气量、节流阻力对产品气体积分数的影响。
如图2所示，在实验室条件下建立了一个两床的微型VPS A变压吸附制氧装置。为了实验需要，所建立的实验装置可以实现产品气量、吸附时间(
半个循
图1 真空变压吸附循环
F i g.1 Vacuu m pressure sw i n g adsorpti on process
环周期)、反吹时间、节流阻力等系统参数的变化
。
图2 两床真空变压吸附试验装置图
.空气压缩机; 2.储气罐, 3.冷却器; 4.压力表; 5.单向阀;
6.电磁阀;
7.吸附塔;
8.节流阀;
9.压力调节阀;
10.流量计;11.测氧仪;12.P LC控制模块;13.计算机。
F i g.2 D i a gram of two2bed VPSA exper i m en t a l un it
采用与上位计算机相连的P LC控制模块控制电磁阀的切换时间，从而调节吸附时间和反吹时间。利用体积流量计测量反吹气量。图2中，压力调节阀9的作用是保持吸附塔内一定的吸附压力，减小产品气流量的波动。产品气流量由转子流量计测量显示。产品气中氧气的体积分数由OX2100A测氧仪测量，
测氧仪经过高位校验，保证其测量的准确性。每个实验都是经过15～20个循环后记录多个氧气体积分数并取其平均值。
实验使用了广顺压缩机厂的特制压缩机，该活塞式压缩机两缸容积相等，两缸不连通，每缸单独工作，可同时完成进气和抽真空的作用。从而用一个压缩机
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第6期微型VPS A制氧流程反吹实验研究
代替了压缩机和真空泵，减少了设备的数量和体积，降低了流程的复杂度，满足了VPS A流程微型化的需要。控制系统使用欧姆龙公司生产的CP M1A型20端口的可编程逻辑控制器；电磁阀为常闭阀门，额定电压220V；吸附剂为5A沸石分子筛。
3 实验结果和分析
3.1 反吹流程和无反吹流程的对比
本实验中所谓的反吹流程是在吸附塔解吸的过程中，先用另一塔产生的一部分产品气对其逆流反吹，数秒后关闭反吹阀门，对解吸塔进行抽真空。无反吹流程是指吸附塔进入解吸阶段之后直接打开单向阀进行降压，同时用真空泵抽真空。
氧气调节阀
图3给出了反吹流程和无反吹流程的实验结果。由图可以看出，无反吹流程的产品气纯度远远低于反吹流程的产品气纯度。这说明在实验条件下，仅靠抽真空解吸再生，分子筛再生得不够彻底，导致进入下一循环的分子筛吸附量减少，从而使产品气体积分数偏低。而产品气逆流反吹和抽真空两种方式协同工作，就可使分子筛再生得更为彻底，增加了进入下一循环的分子筛的吸附量，形成了有利于氧气体积分数提高的良性循环，从而使产品气纯度升高。
图3 反吹流程和无反吹流程对比
F i g.3 Contra st between processes with purge2to2product
and w ithout purge2to2product
3.2 两种反吹流程的对比
图4和图5给出了增压反吹和恒压反吹两种流程的实验结果。其中增压反吹流程是吸附塔在反吹过程中只打开进气阀门而不打开排气阀门，使产品气在塔内停留数秒，目的是让反吹气与分子筛充分接触，同时减少反吹气量。因为在反吹过程中塔内压力不断升高，所以此流程称为增压反吹流程。恒压反吹流程是吸附塔在反吹过程中，进气阀门和排气阀门同时打开，目的是快速降低分子筛中氮气的分压力。由于在反吹过程中，塔内压力始终等于大气压，所以此流程称为恒压反吹流程。很明显，恒压反吹流程的反吹气量大于增压反吹流程的反吹气量。
图4 不同流程的吸附时间对氧气体积分数的影响
F i g.4 Effects of adsorpti on dura ti on on the product
pur ity i n d i fferen t processes
图5 不同流程的吸附时间对氧气体积分数的影响
F i g.5 Effects of adsorpti on dura ti on on the
product pur ity i n d i fferen t processes
图4为反吹时间为1s的工况，图5为反吹时间为2s的工况。从图4和图5可知，反吹时间为1s时，两种流程差别不大。当反吹时间增大后，增压反吹流程的氧气体积分数降低，恒压反吹流程的氧气体积分数升高。这是因为增压反吹流程中反吹时间越长，解吸塔内的压力就越高，分子筛中残存的氮气越多，解
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低 温 工 程2005年
吸越不彻底，从而导致了低的氧气纯度。恒压反吹流
程在反吹的过程中打开排气阀门，保证了恒定的压力，而反吹时间增加后，有更多的产品气对分子筛逆流吹扫，使其解吸得更彻底，因此氧气纯度增加。同时由图4、图5可以看出，恒压反吹流程中，随吸附时间增加，氧气体积分数近似均匀增加。增压反吹流程中氧气体积分数则存在一个明显的转折点，是一个先增后降的过程，并且反吹时间增加后转折点左移。对于增压反吹来说，这是由于反吹时间增加，则解吸塔内压力升高，解吸塔内分子筛中的氮气分压增大，分子筛再生不完全，进入下一循环的分子筛吸附量减少，因此分子筛更容易穿透，穿透点左移。对于恒压反吹来说，排气阀的打开保证了在大气压下进行反吹解吸，分子筛中氮气分压小，分子筛解吸得彻底，进入下一循环的分子筛吸附量大，因此恒压反吹流程的最佳吸附时间比增压反吹流程长，在实验范围内没有出现。其综合结果显示，虽然恒压反吹流程的反吹气量大于增压反吹流程的反吹气量，但是恒压反吹流程制氧效果仍然优于增压反吹流程。在下文所提到的反吹流程均指恒压反吹流程。3.3 反吹气量对氧气体积分数的影响
图6反映了反吹气量与氧气体积分数的关系，吸附时间13s 。由图可以看出，随着反吹气量的增加，产品气的纯度首先增大，达到一个最大值后开始下降。这是由于反吹气对处于解吸状态的吸附床进行逆流吹扫，可以减小气相组分中氮气的分压，提高分子筛床层的再生效果，进而增加该吸附塔进入下一吸附阶段的吸附量，这将导致产品气纯度升高。但另一方面，反吹气量的增加也意味着流入产品气储罐的气量减少。两方面共同作用的结果是，随着反吹气量的增加，产品气纯度先增加,
达到一个最大值后开始下降。
图6 反吹气量与氧气体积分数的关系
F i g .6 Effects of purge on product pur ity
3.4 不同产品气量下反吹气量与氧气体积分数的关系
图7表示了不同产品气量下反吹气量与氧气体积分数的关系。其中,3种工况分别表示产品气量为1L /m in,1.5L /m in 和2L /m in 的情况。由图可以看出，在实验条件下，产品气量越小氧气体积分数越大，反吹气量对氧气体积分数的影响越大。产气量越大，产品气的体积分数就越低，而且反吹气量对它的影响越小。其原因是：产气量小，从吸附床流出的总气量小，吸附床内气体流动速度慢，压力升高快，有利于提高吸附床分子筛的吸附容量。同时，反吹气含氧量高促进了吸附床中分子筛吸附组分的解吸过程，从而形成了有利于氧气、氮气分离的环境，因此可以达到较高的氧气体积分数。随着产品气量的增加，吸附床内的压力逐渐下降，分子筛的吸附能力也要下降，因此氧气体积分数降低
[2]
。
图7 不同产品气量下反吹气量与氧气体积分数的关系
F i g .7 Effects of purge on product pur ity i n
d i fferen t product flows
3.5 不同吸附时间下反吹气量与氧气体积分数的关
系
图8表示了吸附时间分别为8s,13s,17s 情况下，反吹气量与氧气体积分数的关系。由图可以看出，当吸附时间较短时，氧气体积分数随着反吹气量的增大而减小。当吸附时间接近或等于最佳吸附时间时，随着反吹气量的增加，氧气体积分数先增加后减小，存在一个最佳反吹气量。
分析其原因可能是：当吸附时间较短(小于10s )时，吸附过程对分子筛的利用率不高，分子筛的再
生效果对空气分离效果的影响不明显。这时，反吹量
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第6期微型VPS A制氧流程反吹实验研究图8 不同吸附时间下反吹气量与氧气体积分数的关系
F i g.8 Effects of purge on product pur ity i n
d i fferen t producti on dura ti on s
越大，流入产品气储罐的氧气量就越小，从储罐中流出的氧气纯度就越低。当吸附时间大于10s时，吸附周期较长，吸附过程中对分子筛的利用率较高，此时分子筛的再生效果对空分效果的影响极大。此时用适量的产品气对其进行反吹，在保证反吹气较高利用率的基础上，增强了分子筛的再生效果，使进入下一循环的分子筛的吸附量增大，从而形成了良性循环，达到了高的氧气纯度。
3.6 不同节流阻力下反吹气量和反吹比与氧气体积分数的关系
图9为不同节流阻力下反吹气量与氧气体积分数的关系。图10为不同节流阻力下反吹比与氧气体积分数的关系。其中节流阻力1最小，节流阻力2次之，节流阻力3最大。由图9、图10可以看出，在实验条件下，节流阻力越小，对应的氧气体积分数越高。随着节流阻力的增加，最佳反吹气量和最佳反吹比都相应变小。这是由于解吸过程采用先反吹再抽真空的方式，不仅要在一个切换时间内保证吹入充足的反吹气，还要留出足够的抽真空时间。通过实验得出，不同的节流阻力下最佳反吹时间相同。这就导致了节流阻力越小，在最佳反吹时间内流过的反吹气量越大，对应的最佳反吹气量也越大。相同的反吹时间内，阻力小的节流阀通过的反吹气量多，分子筛解吸得完全，进入下一循环的吸附量大，产品气的氧气体积分数高。而且，由于本试验流程中采用阀门控制反吹时间，反吹时间仅有短短几秒，因此，最佳反吹气量远小于普通PS A流程，而且9%左右的最佳反吹比也远远小于普通的PS A流程50%左右的最佳反吹比[3]，大大节约了产品气量。
图9 不同节流阻力下反吹气量与氧气体积分数的关系
F i g.9 Effects of purge on product pur ity w ith
d i fferen t resist ances
图10 不同节流阻力下反吹比与氧气体积分数的关系
F i g.10 Effects of purge on product pur ity
w ith d i fferen t resist ances
4 结 论
(1)本实验条件下，单靠抽真空解吸再生方式，分子筛再生不完全，需要加入反吹解吸步骤。反吹流程的制氧效果明显优于无反吹流程。
(2)本实验条件下，反吹时间增大后，增压反吹流程的氧气体积分数降低，恒压反吹流程的氧气体积分数升高；恒压反吹流程中，随吸附时间的增加，氧气体积分数近似均匀增加。增压反吹流程的氧气体积分数则存在一个明显的转折点，是一个先增后降的过程，并且反吹时间增长后转折点左移。恒压反吹流程的制氧效果优于增压反吹流程。(下转第55页)
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