项目名称高效空分制氧吸附剂和大型真空变压吸附空分制氧装置

变压吸附技术摘要：变压吸附气体分离技术在工业上得到了广泛应用，已逐步成为一种主要的气体分离技术。

它具有能耗低、投资小、流程简单、操作方便、可靠性高、自动化程度高及环境效益好等特点。

简单介绍了变压吸附分离技术的特点，重点介绍了近年来变压吸附技术各方面的进步和变压吸附技术目前所达到的水平(工艺流程、气源、产品回收率、吸附剂、程控阀、自动控制等方面)，并对变压吸附技术未来的发展趋势进行了预测。

l前言变压吸附(PreureSwingAdorption，PSA)的基本原理是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化而变化的特性，通过周期性的压力变换过程实现气体的分离或提纯。

该技术于l962年实现工业规模的制氢。

进入70年代后，变压吸附技术获得了迅速的发展，装置数量剧增，规模不断增大，使用范围越来越广，工艺不断完善，成本不断下降，逐渐成为一种主要的、高效节能的气体分离技术。

变压吸附技术在我国的工业应用也有十几年历史。

我国第一套PSA工业装置是西南化工研究设计院设计的，于l982年建于上海吴淞化肥厂，用于从合成氨弛放气中回收氢气。

目前，该院已推广各种PSA工业装置600多套，装置规模从数m3/h到60000m3/h，可以从几十种不同气源中分离提纯十几种气体。

在国内，变压吸附技术已推广应用到以下九个主要领域：1．氢气的提纯；2．二氧化碳的提纯，可直接生产食品级二氧化碳；3．一氧化碳的提纯；4．变换气脱除二氧化碳；5.天然气的净化；6．空气分离制氧；7．空气分离制氮；8．瓦斯气浓缩甲烷；9．浓缩和提纯乙烯。

在H2的分离和提纯领域，特别是中小规模制氢，PSA分离技术已占主要地位，一些传统的H2制备及分离方法，如低温法、电解法等，已逐渐被PSA等气体分离技术所取代。

PSA法从合成氨变换气中脱除CO2技术，可使小合成氨厂改变其单一的产品结构，增加液氨产量，降低能耗和操作成本。

PSA分离提纯CO技术为Cl化学碳基合成工业解决了原料气提纯问题。

变压吸附制氧技术的发展和应用摘要：简述了变压吸附技术应用于空分制氧领域的技术优势；基于这些优势，吸附空分技术广泛应用于多个行业；随后综述了吸附制氧领域的关键技术发展并作出展望。

关键词：变压吸附；制氧技术；大型化；噪音控制引言近年来变压吸附制氧技术持续发展，已广泛应用于钢铁冶炼、化工、炉窑、玻璃等多个行业中，满足不同产业对于氧气的需求，推动了国内工业制氧设备的技术变革。

一、分析变压吸附制氧技术的优势（一）运行成本低在制氧工艺中，电源能耗量占据总运行成本的90%以上，伴随变压吸附制氧技术的优化创新，纯氧电耗从原来的0.45kW·h/m3变为现在的0.30kW·h/m3，电能消耗量得到了大幅度降低。

相比于其他空分制氧技术，变压吸附制氧技术在成本方面具有明显的优势[1]。

（二）流程简洁、本质安全、易于操作变压吸附制氧技术的工艺流程较为简洁，罗茨鼓风机和罗茨真空泵作为基础的动力设施，操作方式比较为简单，便于开展维护工作[2]。

操作压力的范围在-0.5~0.5bar，不属于压力管道范畴；几乎常温操作，因此具有本质安全性。

开停机方便，开机30min以内即可产出符合标准的氧气；可实现无人值守。

（三）投资低、工期短变压吸附制氧设备主要由一体化罗茨设备、吸附设备、以及阀门切换体系等构成；设备种类、数量少，可以节约项目的一次性投资成本，且设备的占地面积比较低，还可以降低设备土建成本和建设用地的费用。

同时吸附制氧设备的加工制造周期比较短暂，重要设备的加工周期不会超出4个月，一般状况下6个月内就可达成产氧目标，大大降低了设备的建设时间。

（四）维护简单变压吸附制氧技术应用的设备比较少，包括鼓风机、真空泵和程控阀门等全，这些设备的备件便于更换，可以实现量化生产。

可以大幅度降低生产成本，对后续的工期进行严格管控，同时设备维修方法较为简单，售后便捷。

（五）便于调节负荷通过并联、变频、程序时序控制等技术手段，可以方便调节装置产量和纯度，把纯度调在70%~95%，通过对变压吸附制氧设备进行联合使用，可以对负荷进行有效调节。

VPSA制氧简介变压吸附制氧原理吸附是指：当两种相态不同的物质接触时，其中密度较低物质的分子在密度较高的物质表面被富集的现象和过程。

具有吸附作用的物质（一般为密度相对较大的多孔固体）被称为吸附剂，被吸附的物质（一般为密度相对较小的气体或液体）称为吸附质。

吸附按其性质的不同可分为四大类，即：化学吸附、活性吸附、毛细管凝缩和物理吸附。

PSA制氧装置中的吸附主要为物理吸附。

物理吸附是指依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力（包括范德华力和电磁力）进行的吸附。

其特点是：吸附过程中没有化学反应，吸附过程进行的极快，参与吸附的各相物质间的动态平衡在瞬间即可完成，并且这种吸附是完全可逆的。

变压吸附气体分离工艺过程之所以得以实现是由于吸附剂在这种物理吸附中所具有的两个基本性质：一是对不同组分的吸附能力不同，二是吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压上升而增加。

利用吸附剂的第一个性质，可实现对混合气体中某些组分的优先吸附而使其它组分得以提纯；利用吸附剂的第二个性质，可实现吸附剂在高压下吸附而在低压下解吸再生，从而构成吸附剂的吸附与再生循环，达到连续分离气体的目的。

装置所选用的吸附剂都是具有较大比表面积的固体颗粒，主要有：工业PSA-O2活性氧化铝类和分子筛类吸附剂。

吸附剂最重要的物理特征包括孔容积、孔径分布、比表面积和表面性质等。

不同的吸附剂由于有不同的孔隙大小分布、不同的比表面积和不同的表面性质，因而对混合气体中的各组分具有不同的吸附能力和吸附容量。

吸附剂对各种气体的吸附性能主要是通过实验测定的吸附等温线和动态下的穿透曲线来评价的。

优良的吸附性能和较大的吸附容量是实现吸附分离的基本条件。

同时，要在工业上实现有效的分离，还必须考虑吸附剂对各组分的分离系数应尽可能大。

所谓分离系数是指：在达到吸附平衡时，（弱吸附组分在吸附床死空间中残余量/弱吸附组分在吸附床中的总量）与（强吸附组分在吸附床死空间中残余量/强吸附组分在吸附床中的总量）之比。

摘要文章就目前最常用的空气分离法----深冷法、变压吸附法在流程费用、产品用途等方面进行了简单比较。

详细分析了1000m3/hO2PVSA制氧机的能耗及气氛成本的计算，在此基础上阐述了PVSA制氧机在一些现场供气领域的优势。

图1表2关键词：真空变压吸附能耗成本比较优势SSS实业氧气广泛应用于化学、冶金等工业生产中，例如，富氧炼铁、炼钢、炼铝、炼锌，其它工业窑炉中用富氧助燃；合成氨工来中富氧块煤连续汽化，造纸行业中氧气漂白及脱木，等等。

目的只有一个，就是简化工艺、节约能耗。

而做为产品氧的生产设备---空分设备，用户可以根据所需氧气的纯度及产量，在深冷法及变压吸附法中选择。

目前，变压吸附制氧主要应用于电炉炼钢用工艺氧、造纸行业中漂白及脱木用氧和医疗用氧等。

变压吸附制氧就是将空气通过分子筛（通常为泡沸石），利用氧、氮分子的直径差异来分离氧、氮以制限氧，这种吸附法为平衡型吸附。

也有利用速度不一样来进行分离的速度型吸附，这种吸附制氧法必须有多塔切换流程（压力升高时吸附、压力降低时解吸），可以实现全自动控制。

1、PVAS与深冷法的比较深冷法空气分离制氧已有近百年的历史，工艺流程不继改进。

现代化生产装置使用分子筛纯化、高效透平、填料塔、内增压等流程和工艺，能耗和基建费用有所降低。

PVA制氧装置是近20多年中发展起来并被市场所广泛接受的技术，PVSA技术开发时间更短。

PVSA两塔真空解吸制氧流程见图1。

PVSA与深泠比较各有特点：1.1流程比较PVSA制氧装置流程简单，设备数量少，主要设备仅鼓风机、吸附塔、储气罐、真空泵和一些阀门。

而深冷空分装置流程复杂，主要设备包括空压机、预冷器、纯化器、换热器、膨胀机、精馏塔、氧压机（或液氧泵）等许多装置。

1.2基建费用PVSA装置设备数量少，基建费用少，对厂房要求也不高。

深冷空分装置设备复杂，安装要求高且周期长，基建投资高，其保冷箱和保冷材料（珠光砂）就需要大量资金。

1.3运行控制PVSA装置能自动无负荷运转，启动时间短，且停车12小时内吸附塔内气氛稳定，重新开车后几分钟就能出产品。

1总论1.1 概述项目名称、主办单位、企业性质及项目负责人项目名称：XXXX气体制造有限公司36.5万瓶/年氧气项目主办单位：XXXXX气体制造有限公司企业性质：有限公司项目负责人：XXXX建设地点：XXXX工业小区1.1.2 可行性研究报告编制的依据和原则1.1.2.1 编制依据⑴化学工业部文件：化计发（1997）426号文《化工建设项目可行性研究报告内容和深度的规定》（修订本）。

⑵化学工业部规划院项目工程处编制的《化工建设项目经济评价程序》⑶XXXXX气体制造有限公司提供的可行性研究基础资料。

⑷国务院令第253号，1998年11月29日《建设项目环境保护管理条例》。

⑸国石化规发（1999）195号《化工建设项目可行性研究投资估算编制办法》（修订本）1.1.2.2 编制原则(1)根据国内外氧气生产装置状况，尽量使本装置达到较高的技术水平，保证项目实施后，生产装置能够顺利投产并长周期、安全稳定运行。

(2)以技术为先导，以节能降耗为中心，采用先进、成熟、可靠的工艺技术，提高经济效益。

(3)严格执行国家、地方现行的有关环境保护、劳动安全、工业卫生、消防、节能等规定，采取切实可行的措施，作到清洁生产，可持续发展。

(4)实事求是地论述项目在技术和设备上的先进性、可靠性；经济上的必要性、合理性；财务上的赢利性、合理性。

1.1.3 项目提出的背景、投资必要性和经济意义1.1.3.1企业概况XXXXX气体制造有限公司，由法人代表XXXX，利用XXXX原控股的《XXXX 机械修理厂》土地及部分厂房，由自然人XXX、XXX、XXX及法XXX共同出自，自主经营，工业化生产氧气、氮气。

1.1.3.2投资的意义及必要性氧气在钢铁企业生产中占有很重要的地位，并具有非常广泛的用途。

其用途基本可分为：工艺用氧和切焊用氧。

钢铁企业不仅用氧量大，而且用途广泛，从原料加工、冶炼、轧钢到机修、基建，甚至生活后勤工作，无时不用氧气。

本项目的建设符合国家的产业结构调整政策，符合山西建设的总体思路，该项目的实施后，可增加地方财政收入，为社会提供就业机会，对当地经济的发展和人民生活水平的提高有积极的作用。

变压吸附空分制氧过程非等温模拟
戴先知;刘应书
【期刊名称】《低温工程》
【年(卷),期】2006(000)004
【摘要】建立了变压吸附空分制氧过程非线性、非等温模型,并进行了数值模拟,计算结果与实测值吻合较好.在此基础上探讨了变压吸附过程中床层内温度和体积分数的动态行为,考察了吸附时间、吸附床高度、进气流速、清洗比等工艺参数对过程性能的影响.结果显示,对于本研究中的小型变压吸附装置,吸附热对产品气的影响不太大.
【总页数】7页(P47-53)
【作者】戴先知;刘应书
【作者单位】北京科技大学机械工程学院气体分离工程研究所,北京,100083;北京科技大学机械工程学院气体分离工程研究所,北京,100083
【正文语种】中文
【中图分类】TB662
【相关文献】
1.变压吸附空分制氧非等温过程模拟 [J], 周汉涛;马正飞;姚虎卿
2.真空变压吸附空分制氧等温与非等温过程模拟比较 [J], 王啸;马正飞;姚虎卿
3.两床变压吸附空分制氧过程的模拟 [J], 王啸;马正飞;周汉涛;姚虎卿
4.颗粒直径对变压吸附空分制氧的影响研究 [J], 赵俊霞;李伟杰;李文龙
5.变压吸附空分制氧过程非等温模拟 [J], 刘应书;戴先知;
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变压吸附制氮装置的设计一、设备简介变压吸附制氮装置是一种通过组合吸附剂来分离氮气和氧气的装置。

它的原理是通过变压吸附剂的吸附和脱附特性，将氧气和其他杂质分离出来，从而制取高纯度的氮气。

该装置由压缩空气系统、氮气系统、控制系统和其他辅助系统组成。

二、装置设计1.压缩空气系统：压缩空气系统包括空气压缩机、冷却器、干燥器和过滤器等设备。

空气压缩机用于将空气压缩至设定压力，冷却器用于降低压缩空气的温度，干燥器用于去除压缩空气中的水分，过滤器用于去除压缩空气中的固体颗粒物。

2.吸附系统：吸附系统是变压吸附制氮装置的核心部分，主要包括吸附剂、吸附塔和换向阀等设备。

吸附剂是一种可以吸附氧气和其他杂质的材料，常用的吸附剂有分子筛和活性炭。

吸附塔是用于装填吸附剂的容器，换向阀用于控制吸附塔的工作状态。

3.氮气系统：氮气系统主要包括气体储存罐、氮气干燥器和氮气净化器等设备。

气体储存罐用于储存制取的氮气，氮气干燥器用于去除氮气中的水分，氮气净化器用于去除氮气中的其他杂质。

4.控制系统：控制系统是用于对整个装置进行自动控制的设备，包括传感器、控制器和执行器等部件。

传感器用于检测装置的各种参数，控制器用于根据传感器的反馈信号来控制设备的工作状态，执行器用于执行控制器的指令。

三、装置工作流程1.进气阶段：在进气阶段，空气经过空气压缩机被压缩至一定压力，并经过冷却器降低温度，然后进入吸附塔。

其中一座吸附塔处于工作状态，另一座吸附塔处于再生状态。

2.吸附阶段：在吸附阶段，进入工作状态的吸附塔中的吸附剂开始吸附氧气和其他杂质，而再生状态的吸附塔中的吸附剂开始脱附，将之前吸附的氧气和其他杂质释放出来。

3.换向阶段：在换向阶段，换向阀将工作状态和再生状态的吸附塔进行切换，使之交替工作。

这样，当一座吸附塔吸附饱和后，另一座吸附塔开始工作，确保了装置的连续工作。

4.出气阶段：在出气阶段，制取的高纯度氮气从工作状态的吸附塔中流出，并经过氮气干燥器和氮气净化器进入气体储存罐进行储存，待使用时再通过气体供给系统供给到需要的领域。

变压吸附空分制氧和CO 分离在煤化工中的应用张佳平,唐　伟,耿云峰,谢有畅(北京大学化学院结构化学国家重点实验室,北京100871)摘要:介绍了近年研发成功对煤化工有重要意义的气体分离新技术。

一是用高效空分制氧吸附剂的大型真空变压吸附(V PSA )空分制氧。

单套装置产氧规模可达10000m 3/h ,纯度90%～95%,能耗0.33～0.35kWh /m 3O 2,开停车快,操作弹性大,已建成20多套装置。

在用氧量<20000m 3/h 而又不需用高纯氧的场合,用变压吸附空分制氧生产成本和投资比深冷法低得多。

二是用CO 高效吸附剂的大型真空变压吸附(VPSA )分离CO ,可从水煤气或半水煤气中分离出高质量的CO (纯度可达99.9%)。

关键词:吸附剂;变压吸附;空分制氧;CO 分离;煤化工中图分类号:TQ53　文献标识码:A 文章编号:0253-4320(2007)S2-0121-04Oxygen Separation from Air and C O Separation by PSAZHA NG J ia -ping ,TA NG W ei ,G ENG Yun -feng ,XIE You -c hang(College of Chemistry and Pioneer Co .,Peking University ,Beijing 100871,China )Abstract :Two new technologies about gas separation by PSA are reported in this paper .①Highly efficient adsorbent and VPSA techn ology for large scale oxygen separation from air .More than 20large scale VPSA -O 2units have been build in China to supply cheap oxygen for metallurgy and other industries .The units can produce oxygen 10000m 3/h .With a purity of 90%-95%,the energy cost of 0.33-0.35kWh /m 3O 2.And it is fastin startin g and stoppin g ,and flexible in operation .The cost is low when the O 2demand is under 20.000m 3/h and not the high purity .②Highly efficient CO adsorbent and VPSA technology for large scale CO separation .The CO adsorbent is made by monolayer dispersion of CuCl on a zeolite .The adsorbent has very high capacity and selectivity for CO ,because the adsorbent has a great amount of Cu +ions on its surface .Us ing this adsorbent ,a VPSA process has been developed and more than ten large scale VPSA -CO units have been build in China to supply high purity CO (>99%).Key words :Adsorbent ;PSA ;O 2separation ;CO separation ;Coal chemical engineering　收稿日期:2007-09-30　作者简介:张佳平(1966-),男,北京大学化学院副研究员,北大先锋公司总经理;谢有畅,(1934-),男,教授,博士生导师,研究方向为固态表面化学,吸附和催化、纳米材料研究,yxie @pku .edu .cn 。

变压吸附法制氧操作规程1.编制目的：本规程旨在规范变压吸附法(PSA)制氧操作，确保设备顺利高效运行，生产安全可靠。

2.适用范围：本规程适用于变压吸附法制氧装置的日常操作。

3.安全操作：a.操作人员必须经过专业培训，并熟悉设备的结构及各个部件功能。

b.操作过程中，操作人员必须佩戴个人防护装备，包括眼镜、防护服和手套等。

c.在操作前，检查设备各个部件是否处于正常状态，如存在异常应及时通知维修人员处理。

d.操作人员必须熟悉紧急停机程序，能够迅速响应紧急情况。

e.在操作过程中，禁止随意更改设备参数及操作流程。

4.操作步骤：a.开机前i.确保氧气按需供应。

ii. 检查设备各个部件是否处于正常状态，并检查设备是否与电源连接正常。

iii. 检查设备储气罐的氧气储量，并按需充气。

b.开机操作i.打开主电源，启动设备。

ii. 检查进料气体的压力，确保处于法定范围内。

iii. 启动吸附过程，确定操作参数及时间。

c.操作过程监控i.监控吸附过程中的压力、流量、温度等参数，并进行记录。

ii. 监测吸附塔是否出现异常情况，如氧气泄漏或者异常噪音等，若发现问题应及时停机检查处理。

d.脱附操作i.触发脱附过程，并检查脱附压力、温度等参数。

ii. 监控脱附气体的流量、浓度等参数，并记录。

e.关机操作i.在确认脱附过程完毕后，关闭主电源。

ii. 检查设备各个部件是否处于停机状态，并清理设备周围环境。

5.维护与保养：a.定期对设备进行检查和清洁，并记录检查结果。

b.对设备进行必要的润滑和故障排查。

c.定期更换关键部件，如吸附剂。

6.紧急情况处理：a.在发生设备异常或紧急情况时，操作人员必须立即停机，并按照紧急停机程序进行处理。

7.记录与文件：a.每次操作结束后，必须记录操作参数、压力、温度等数据，并进行归档。

b.对设备维护保养的记录必须及时更新。

通过遵守以上规程，可以确保变压吸附(PSA)法制氧操作的顺利进行，同时确保操作的安全性和可靠性。

空分制氧工程技术介绍一、空气分离制氧的主要工艺及其比较氧气在工业生产和日常生活中有广泛的用途，空气中含有21%（体积浓度）的氧气，是最廉价的制氧原料，因此氧气一般都通过空气分离制取。

■空气分离制氧主要工艺1．深冷分离工艺：传统制氧技术、氧气纯度高、产品种类多，适用于大规模制氧。

2．变压吸附工艺（PSA，Pressure swing absorption）：新兴技术，投资小、能耗低，适用于氧气纯度不太高、中小规模应用场合。

3．膜分离工艺：尚不成熟，基本未得到工业应用。

■变压吸附制氧技术特点——与深冷制氧技术相比●工艺流程简单，不需要复杂的预处理装置；●产品氧气纯度可达95%，氮气含量小于1%，其余为氩气；●制氧规模10000m3/h以下时，制氧电耗更低、投资更小；●装置运行自动化程度高，开停车方便快捷；●装置运行独立性强，安全性高；●装置操作简单，操作弹性大（部分负荷性优越，负荷转换速度快）；●装置运行和维护费用低；●土建工程费用低，占地少。

■深冷空分制氧工艺与变压吸附制氧工艺的比较二、变压吸附空分制氧工艺原理★变压吸附空气分离制氧原理空气中的主要组份是氮和氧，通过选择对氮和氧具有不同吸附选择性的吸附剂，设计适当的工艺过程，使氮和氧分离制得氧气。

氮和氧都具有四极矩，但氮的四极矩（0.31Â）比氧的（0.10Â）大得多，因此氮气在沸石分子筛上的吸附能力比氧气强（氮与分子筛表面离子的作用力强）。

因此，当空气在加压状态下通过装有沸石分子筛吸附剂的吸附床时，氮气被分子筛吸附，氧气因吸附较少，在气相中得到富集并流出吸附床，使氧气和氮气分离获得氧气。

当分子筛吸附氮气至接近饱和后，停止通空气并降低吸附床的压力，分子筛吸附的氮气可以解吸出来，分子筛得到再生并重复利用。

两个以上的吸附床轮流切换工作，便可连续生产出氧气。

氩气和氧气的沸点接近，两者很难分离，一起在气相得到富集。

因此变压吸附制氧装置通常只能获得浓度为90%~95%的氧气（氧的极限浓度为95.6%，其余为氩气），与深冷空分装置的浓度99.5%以上的氧气相比，又称富氧。