变压吸附制氧一般性技术原理

吸附分离工艺流程方面：开发了循环有价值气体的分离工艺、非对称吸附分离工艺、氧 氩分离工艺、多循环常温空分工艺以及氧氮一体化联合分离工艺，几乎涵盖空气分离所 有技术领域; 分离工艺构件方面：开发了适用变压吸附工艺的特种控制阀门、附件，并将变压吸附装 置的生产实现了完全的模块化，使得变压吸附装置真正意义上可以像家电一样，即装即 用。
分子筛 陶瓷球
吸附分离机理 根据变压吸附过程对气体组分的分离机理， 吸附剂可分为动力学选择性吸附剂和平衡选择 性吸附剂两种。 动力学选择性吸附剂(如炭分子筛)是利用吸附质分子在吸附剂微孔中扩散速率 的差别进行分离， 空分中主要应用于制氮， 而平衡选择性吸附剂(如氟石分子筛)则是利用吸附 质分子在其孔隙中作用力大小来进行分离，空分中主要应用于制氧(Ruthven, Farooq & Knaebel, 1994;杨，1991) 自 20 世纪 40 年代末 UCC 首次成功的合成了沸石分子筛以来，到 1956 年真正实现工业化 氧气生产至今，应用于变压吸附空分制氧过程所用的吸附剂一般为沸石分子筛，其氮、氧的吸
模块化吸附分离系统及标准化组件
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变压吸附制氧一般性技术原理
工业制氧，中大型常规 VSA/PSA 变压吸附制氧系统
吸附剂的质量评价标准 与 A 型沸石相比，X 型具有更大的孔容和孔直径，对氮的吸附量更大，所以对 X 型沸石的 改性更具潜力。 在对 X 沸石的改性中主要是降低沸石中硅铝比和通过碱金属或碱土金属离子与 其中的 Na+离子进行离子交换生成较高吸附分离性能的吸附剂。X 沸石中的硅铝比一般在 1.0-1.25 范围(A 型沸石 Si/A1～1)，研究表明 Si/A1～1 的低硅沸石(LSX )比一般的 X 沸石 (Si/Al=1.25)具有更高的吸附分离性能(Mortier & Bosmams , 1971; Mortier, Bosmams & Uytterhoeven, 1972;雷晓钧，胡克季，薛志元等，1999)。这是由于硅铝比越小，沸石骨架中 铝含量越高，负电荷也越多，骨架中电中性所需的阳离子数越多，这样会有更多的阳离子对气 体分子产生作用力(Mullhaupt & Stephenson,1993 )。因 CaX 沸石具有较高的氮、氧分离系数 (即平衡选择性)和氮吸附容量， 使其在常压冲洗过程中不能有效脱附， 只能适合于抽真空解吸 的 VSA 空分制氧过程，同时也使 VSA 空分制氧的生产规模进一步增大，到 1988 年 VSA 空气制 氧的氧产量可达到 100 吨/天(Ruthven, Farooq&Knaebel,1994)。 评价一种吸附剂对某种混合气吸附分离性能的优劣主要是考察其对强吸附组分的吸附量 大小和强弱组分的吸附选择性(即分离系数的大小)。选择吸附剂主要根据是吸附平衡等温线( 简称吸附等温线)，吸附等温线是描述一定温度下，随着吸附压力增加吸附组分在吸附剂中吸 附平衡吸附量的变化曲线;对多组分混合气体的吸附等温线，一种最简单的近似方法是把纯气 体的吸附平衡关系认为是具有加和性而得到混合气的吸附等温线(杨，1991);而更合理的方法 是通过对混合气进行动态穿透实验来测定出各组分的吸附等温线 (Malek&Farooq,1996;Wang,Farooq&Tien,1999)。 在变压吸附空分制氧过程中， 气体的压力和流速会随循环步骤的变化而变化， 吸附剂床层 中气-固和固-固之间会产生摩擦，对吸附剂使用寿命会有影响;同时，吸附过程会释放出热量 ， 而床层温度的升高会降低吸附剂的吸附分离性能， 所以床层中吸附剂吸附产生的热量希望能 较多被吸附剂吸收或迅速的传递， 减少温度的波动。 要保证吸附剂在变压吸附空分制氧工业应 用中有稳定和良好的吸附分离性能，需具备以下特性:1)高的强度，2)良好的耐磨性，3)较大 的体积密度，4)较低的晶体间空隙率，5)较高的热容，6)较大的热传导，7)较低的 O2 吸附容
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量，8)较小的颗粒尺寸(Watson, Agrawal, Webley & Wehrman, 1997)
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2 变压吸附制氧一般性技术原理介绍 2.1 基本概念与吸附分离机理 吸附分离是一种由多组分流体(气体或液体)混合物与吸附剂固体表面充分接触， 且混合物组分 与吸附剂表面之间存在着不同的作用力， 从而使作用力较强的组分在吸附剂表面吸附富集并与 作用力较弱的组分产生分离的过程。 变压吸附（Pressure Swing Adsorption，简称 PSA）技术是通过压力的变化而使混合气体 在吸附剂中吸附和脱附交替进行的循环过程， 是一种先进的气体分离技术， 目前己广泛地应用 于空气干燥和氮/氧分离、氢气的回收和纯化、碳氢化合物的分离和纯化、合成氨的水煤气中 CO2 等杂质的脱除以及 CO2 和 CO 的纯化等工业过程(Sircar, 1994; Ruthven, Farooq&Knaebel, 1994)。 吸附剂(分子筛)： 吸附剂对物质的吸附通常分为物理吸附和化学吸附， 物理吸附的作用力主要 是范德华作用力和静电场力;它比化学键弱得多，一般低于 10-15kca1/mol，所以其过程可以 是可逆的(杨， 1991)。 变压吸附空分制氧过程中氮和氧的分离是利用吸附剂的物理吸附分离特 性， 即利用不同吸附组分在吸附剂孔隙中吸附作用力或吸附速率的不同而达到分离目的， 而且 这种吸附能力随气体的压力(或浓度)的变化而有明显变化。
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变压吸附制氧一般性技术原理
1 变压吸附制氧技术发展概况 变压吸附空分制氧始创于 20 世纪 60 年代初(Skarstrom, 1960; Guerin de Montgarenil & Domine, 1964)，并于 70 年代实现工业化生产。在此之前,传统的工业空分装置大部分采用 深冷精馏法(简称深冷法)。 80 年代以来至今，随着 CaX 和 LiX 等高效吸附剂（沸石分子筛）的相继开发利用以及工 艺流程的改进，变压吸附空分技术得到迅速地发展，与深冷空分装置相比，PSA 过程具有启 动时间短和开停车方便、能耗较小和运行成本低、自动化程度高和维护简单、占地面积小和 土建费用低等特点。在一些不需要同时具备氧、氮应用条件的中小规模(小于 200TPD，相当 于 6000 Nm3/hr. )氧气生产中比深冷法更具有竞争力。广泛的应用于电炉炼钢、有色金属冶 炼、玻璃加工、甲醇生产、碳黑生产、化肥造气、化学氧化过程、纸浆漂白、污水处理、生 物发酵、水产养殖、医疗和军事等诸多领域(杨，1991; Kumar, 1996; Jee, Park, Haam & Lee,2002)。 四十多年来变压吸附空分制氧技术的研究进展主要表现在两个方面:一是空分制氧吸附 剂和其吸附理论的研究方面，二是空分制氧工艺循环过程的研究方面 (Sircar,1994;Ruthven.Farooq&Knaebel, 1994)。在国内，尽管对这项技术的研究起步较早 ，然而在较长的一段时间内发展相对较缓。直至进入九十年代以来，变压吸附制氧设备的优 越性才逐渐被国人认可，近几年各种流程的设备相继投产为各行各业带来了巨大的经济效益 SSS®实业及其控股公司在多年 VSA/PSA 制氧系统设计制造经验的基础上，依托具有十 余年从事吸附分离的军工技术研发团队，展开了自新材料、新工艺、新构件直至工装模具等 全方位的开发，其中： 核心分离材料方面：开发了低硅系列 Ca-LSX、Li-LSX、RELSX 沸石，可广泛应用于变压 吸附 PSA/VSA 制氧过程，可获得 30～99.5%的氧气;
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2.2 吸附循环理论 变压吸附循环： 变压吸附空分制氧包括 PSA 和 VSA 循环过程， 两种循环过程是由一系列基本步 骤组成， 而且不同空分制氧过程可能有不同的循环步骤， 这些步骤使不同吸附塔之间相互关联 ，使床层得到有效的吸附和再生。 变压吸附过程中吸附气体的脱附有常压冲洗解吸和抽真空负压解吸两种方式;按照脱附方 式的不同，变压吸附空分制氧可分为 PSA 过程和 VSA 过程。PSA(Pressure Swing Adsorption) 是在较高于常压下吸附和接近常压下冲洗解吸的循环过程， 循环过程进料空气需用压缩机压缩 ， 常应用于医用氧的生产和规模较小的场合， 所用的吸附剂一般为 5A 和 13X 沸石。 VSA(Vacuum Swing Adsorption)是在接近常压下（或者说超大气压）吸附而在抽真空负压再生的过程，循 环过程通过鼓风机提供进料空气， 适合于应用高性能吸附剂(如 CaX 和 LiX 沸石)， 常压下难于 冲洗解吸的空分制氧的场合(Ruthven,Farooq&Knaebel, 1994; Rege&}Yang, 1997)。 沸石分子筛对空气中各气体组分的吸附有其自身的特殊性质： 在一定时间内， 其对空气中 氮分子的吸附容量远远大于氧分子的吸附容量（图 1 所示）。即沸石分子筛是选择型的吸附剂 ，沸石分子筛因为具有选择吸附空气中氮气这一特性，因而被广泛应用于空气分离制取氧气。 在吸附平衡情况下，气体压力越高，则吸附剂的吸附量越大。反之，压力越低，则吸附量越小 （图 2 所示），吸附分离正是遵循这一基本原理而进行有效的气体分离：
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附平衡属于平衡控制(杨，1991; Ruthven, Farooq & Knaebel, 1994)，包括有 A 型沸石(CaA) 和 X 型沸石(NaX, CaX, LiX)，这类吸附材料的分离作用依赖于其对氮的优先吸附作用，与 O2 相比，N2 有较强的四极矩，即沸石分子筛中氮的四极矩的作用力约为氧的四倍，同时 N2 的极 化率也较大 (Rasmus & Hall, 1991; Baksh & Yang, 1992)。
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由 SSS® 实业及其控股公司提供的 PSA/VSA 制氧系统是目前世界上技术先进的 PSA 制 氧系统，SSS®实业是为数不多的自分离材料、分离系统（膜分离、吸附分离以及两种分离技 术耦合的分离系统）直至分离技术应用的全产业链解决方案提供商! 在产品技术性能、单位能耗、装备制造规模、模块化等方面，针对氧气、氮气、甲烷 、二氧化碳等多种气体的吸附分离工艺过程中，SSS®实业在常温空分领域具有独特的技术优 势，其制氧产品范围： PSA/VPSA/VSA 纯度范围：23～99.5% 流量范围：1～10000 Nm3/hr. 尤其，SSS®实业是国内唯一可以常温空分技术手段直接自空气中制取 99.5%以上氧气 的专业气体分离系统制造商，SSS®实业在下列方面具有竞争的领导地位: 1) 核心分离材料（吸附剂、分子筛）制造商 2) 专利制氧工艺技术 3) 模块化吸附分离技术 4) 吸附分离模拟设计软件 5) 一流的吸附分离工程设计团队 6) 丰富的吸附分离工程应用经验