两塔变压吸附循环中两步均压的研究

曹永正，刘应书

(1.北京科技大学机械工程学院,中国 北京　100083；2.江苏昊泰气体设备科技有限公司研发中心,中国 丹阳　212300)



两塔变压吸附循环中两步均压的研究

曹永正1,2*，刘应书1

(1.北京科技大学机械工程学院,中国 北京100083；2.江苏昊泰气体设备科技有限公司研发中心,中国 丹阳212300)

摘要为了进一步利用吸附塔产品端的富氧气体，提高氧气回收率，减少单位氧产量的能耗，设计了一种新的两塔变压吸附均压方式，即把均压分为两个小步骤，第一步实现产品端均压，第二步实行产品端与进气端均压，每步均压前有一小段保压时间.为此建立了一套产氧规格为5 Nm3/h的制氧设备对这种均压方式进行详细的研究.试验结果表明：在本文所述试验条件下，当第一次保压时间与第二次保压时间分别为0.3 s和1.2 s，第一步均压时间与第二步均压时间分别为0.5 s和2.4 s，氧气浓度维持在93.5%左右且环境温度与湿度基本不变时，与单纯的产品端均压相比，两步均压使氧气回收率增加了4.9%.采取两步均压方式，吸附阶段吸附塔产品端氧气浓度随时间非常缓慢地减少，27 s时间内氧气浓度下降值仅为0.61%，形成了类似于激波的浓度波，产品氧气的浓度非常稳定.

关键词变压吸附；两步均压；制氧；类激波

变压吸附循环包括原料气升压、吸附、均压降、逆向放压、反吹、产品气升压和均压升等几个基本步骤，通过对这些步骤的组合或重叠来实现循环的优化，以提高产品气的回收率并减少系统能耗[1].在以往理论优化分析[1-5]中，对反吹程度[1，6-7]研究较多，均压步骤完成后则被视为两塔压力均等.杨健等人[7]通过试验对各种均压方式进行了研究，其结果显示产品端均压比产品端与进气端均压更为有效，但杨彦钢等人[8]的模拟结果则显示，产品端与进气端均压才是最佳均压方式.实验研究需要充分考虑阀门的开启压力，双向导通能力和反向串气等实际问题，实际上，产品端均压容易使高压吸附塔中不纯产品气进入到低压吸附塔顶部，且越不纯的气体越接近产品端，如果需要维持较高的产品气浓度并提高分子筛的使用效率，均压过程完成后并不能使两塔压力相等[9]，因此在高压吸附塔产品端还有相当部分浓度较高的产品气没有被充分利用.在变压吸附制氧研究中，为了进一步利用这部分富氧气体，在多塔工艺中使用多次均压的方式，先把较高浓度的富氧气体均压至有一定压力的低压吸附塔，而较低浓度的富氧气体进入刚完成反吹的低压吸附塔[10].虽然这种方式能极大地提高了氧气回收率，但由于工艺复杂，设计成本高，在产氧规模较小的设备中很少被应用.

本文提出了在两塔变压吸附循环中引入两步均压的方式，把传统的两塔均压拆解成两个步骤.在一塔吸附完成而另一塔被反吹清扫后，两个吸附塔的两端同时关闭一小段时间进行第一次保压，再把两塔产品端接通，使高压吸附塔产品端氧气浓度较高的富氧气体进入低压吸附塔产品端，完成第一步均压后，再使两个吸附塔的两端同时关闭一段时间进行第二次保压，最后把高压吸附塔产品端与低压吸附塔进气端接通，实现第二步均压，即产品端与进气端均压.第二步均压过程中，大部分氧气浓度较低但高于空气状态的富氧气体被均压至低压吸附塔中，且越不纯的气体越靠近原料端，由于原料气升压前并不需要进气端有较高氧气浓度[1，5，6]，因此这种均压方式并不会影响升压过程中氧浓度波的形成.

通过对两步均压方式的研究，考察两步均压对氧气回收率、氧气浓度以及吸附塔近产品端在吸附阶段氧气浓度波动范围的影响，为工业流程设计优化提供参考.

1试验

1.1试验设备

图1　试验装置示意图Fig.1　The schematic diagram of experimental facility

根据工业实际应用的特点，设计了一套产氧规格为5 Nm3/h的制氧设备，其工艺流程如图1所示.被压缩空气经过除油除水处理后，进入空气缓冲罐，然后经过阀9，减压阀1、流量计1，阀1或阀2进入吸附塔A或吸附塔B，压缩空气在吸附塔中被分离后，富氧气体进入氧气缓冲罐，然后被除尘灭菌处理后经过流量计流出.富氮气体通过阀3或阀4流出，而阀5、6、7和8来实现两个塔的均压步骤.在均压过程中，阀1、2、3、4、9和10均关闭.

为避免阀门串气和不对称带来的不良影响，试验装置采用了对称设计，并充分考虑阀门的反向开启压力，所选阀门为德国宝帝角座阀，其中阀9、阀3和阀4通径为DN20，其余阀门通径为DN15，所有阀门的每次耗气量约38 mL/次；空压机为英格索兰R71u-A7，功率7.5 kW，额定排气量1.1 m3/min，额定工作压力7 bar，空压机排出的高压空气一小部分作为气动角座阀的先导气，绝大部分作为原料气；吸附塔内径300 mm，高1 500 mm；分子筛型号为法国西卡公司G5000型，在吸附塔中的有效高径比为3.1∶1，设计重量为每塔41 kg，实际吸附塔A中重量为41.2 kg，吸附塔B中重量为41.5 kg；流量计为常州双环LZB15，2.5级精度，测量范围0.8～8 Nm3/h；测氧仪为上海昶艾GNL3100L，测量范围21%～99%；空气缓冲罐容积为0.2 m3，使均压阶段空气缓冲罐中气体压力波动范围小于0.5 bar；氧气缓冲罐为0.05 m3；单向阀开启压力0.2 bar.

1.2数据采集与记录

每个吸附塔顶部和氧气缓冲罐上均安装有压力传感器与氧浓度传感器，氧气流量由流量计显示并手工记录.数据采集系统为江苏昊泰气体设备科技有限公司开发，能同时采集8个通道的数据，采集周期可设置50 ms、100 ms、200 ms、1 s和2 s等，被采集数据传入电脑进行自动储存，为了减少数据容量，采集周期一般设为1 s，但在研究均压过程的一些细微动作时，采集周期定为50 ms.

1.3试验内容与方法

分别研究了第一步均压时间、第二步均压时间、第一步均压前保压时间(第一次保压时间)和第一步均压与第二步均压间的保压时间(第二次保压时间)对氧气浓度的影响；两步均压方式对氧气回收率的影响以及对氧气浓度波的影响.

首先研究传统的产品端均压，确定好最优的产品端均压时间后，在此基础上先拆分均压时间，拆分均压时间时，先保持第一步产品端均压时间和第二步产品端与进气端均压时间的总和与先前单纯的产品端均压的时间相等，在此基础上固定一段均压时间不变，改变另外一段均压时间(此时总时间也跟着改变)，如此反复，找到最佳参数.最后研究每步均压前的保压时间对各种参数的影响，并在保压时间初步定好后，再次调试均压时间.

对不同温度，不同湿度，不同季节(考虑到实际大气压随季节有细微的区别)均进行了相关试验，虽然具体参数略有区别，但规律相同.本文所有试验数据为在如下条件下获得：温度26～28 ℃；湿度50%～55%.

2试验结果及分析

2.1保压时间对氧气浓度的影响

当系统氧气流量为6.0 Nm3/h时，保压时间对氧气浓度的影响如图2所示.从图2可知，合适的保压时间能使氧气浓度达到较为理想的值.其可能的原因如下：(1)气体分子在分子筛内达到平衡需要一定时间；(2)气体在流经分子筛时有一定阻力且阀门在关闭与开启时急剧地改变了气流的速度，压力平衡也需要一定的时间.从图2还可看出：第二次保压时间远比第一次保压时间长.这是因为：(1)第一次保压过程前为吸附阶段，气体在高压吸附塔中流动较为平缓，而第二次保压过程前为第一次均压，气流速度较快，震荡幅度较大，因此平衡的时间也较长；(2)最为主要的是，第一次保压过程后为产品端均压，需要高压吸附塔产品端氧气纯度较高，过长的保压时间将会导致氮气通过分子筛之间的间隙和吸附塔边壁流向产品端，在均压后导致低压吸附塔产品端的氧气浓度较低，这也解释了第一次保压时间在0.3 s后氧气浓度急剧下降的现象.而第二次保压过程后为高压吸附塔产品端与低压吸附塔进气端均压，这个过程主要是使富氧气体尽量多地从高压吸附塔进入低压吸附塔.

图2　两次保压时间对氧气浓度的影响Fig.2　The effect of two-stage dwell time on oxygen concentration

2.2均压时间对氧气浓度的影响

当系统氧气流量为6.0 Nm3/h时，两步均压时间对氧气浓度的影响如图2所示.从图3可知，两步均压时间对氧气浓度均有较大的影响，对于本文的实验设备，第一步均压时间为0.5 s，第二步均压时间为2.4 s较为理想.实际上，由于产品端均压容易导致不纯氧气进入低压吸附塔，因此在需要保持氧气浓度稳定性的情况下，第一步均压时间不宜太长.但通过实验也发现，两步均压时间的长短与氧气浓度的稳定性，氧气缓冲罐的大小，以及分子筛的用量等都有关系，只研究两步均压的基本方式，对此不作专门述说.

图3　两步均压时间对氧气浓度的影响Fig.3　The effect of two-stage pressure equalization time on oxygen concentration

2.3两步均压对氧气回收率的影响

氧气回收率根据如下公式计算：

(1)

式中N1与C1表示产品气(文中所述氧气，以下同)流量和产品气中氧气浓度，而N2与C2表示空气流量和空气中氧气浓度.

表1列出了氧气流量为6.8 Nm3/h时两步均压与产品端均压时储氧罐中的氧气浓度.表2列出了高浓度区两步均压与产品端均压时的氧气流量和氧气浓度.

在计算氧气回收率时，空气流量视为空压机的标称流量，即66 Nm3/h.根据表1和表2以及公式(1)，即可算出氧气回收率.

表1　氧气流量为6.8 Nm3/h时不同均压方式下的氧气回收率

表2　氧气浓度约93.5%时不同均压方式下的氧气回收率

通过计算可知，当流量为6.8 Nm3/h时，两步均压比产品端均压的氧气回收率多了2.5%，而当氧气浓度维持在93.5%左右时，两步均压比产品端均压的氧气回收率多了4.9%.

2.4氧气浓度类激波的形成

许多实际工业应用中，对氧气浓度的稳定性有很高要求，需要维持在90%甚至93%以上.在吸附阶段，吸附塔顶部的高纯氧气进入氧气缓冲罐，因此在吸附过程中吸附塔接近产品端区域的氧气浓度维持在一个较为恒定的值(本文称为类激波)非常关键，否则会拉低氧气缓冲罐中的氧气浓度值.图4(a)～(d)为采取两步均压时A吸附塔顶部探测口氧气浓度与氧气缓冲罐中氧气浓度随运行时间的关系，对应的氧气流量分别为7.2，6.8，6.4和6.0 Nm3/h.图4(e)为图4(d)的局部放大图，而图4(f)为单纯产品端均压时吸附塔顶部氧气浓度随运行时间的关系，此时产品氧气流量为5.3 Nm3/h.图4(d)和(e)以及图4(f)的采集周期为50 ms，其余采集周期为1 s.从图4(a)～(d)可看出，当氧气流量较大时，吸附塔产品端的氧气浓度随时间先急剧增加再急剧减少，即在吸附阶段吸附塔近产品端区域从产品端开始氧气浓度先急剧增加再急剧减少，直接影响到氧气缓冲罐中氧气浓度的稳定与高低.随着氧气流量逐渐减少，氧气浓度变化越平缓，储氧罐中的氧气浓度越接近浓度峰值.当氧气流量等于6.0 Nm3/h，吸附塔近产品端的氧气浓度随运行时间变化非常缓慢，氧气浓度从最高的93.79%到均压前的93.18%，在约27 s的时间里仅缓慢下降0.61%，氧气浓度基本保持不变，接近于激波的形成，本文称该现象为类激波.

而图4(f)可知，当采取单纯的产品端均压，氧气为5.3 Nm3/h时，虽然产品端在吸附阶段的氧气浓度峰值达到93.71%，与两次均压6.0 Nm3/h时相差无几，但在吸附阶段，氧气浓度先增加而后减少，且减少的速度较快，减少的幅度也大为增加，从最高的93.71%降低到92.79%，差值接近达0.92%.结合表2，采取可知，采取单纯的上均压，最终产品氧气的浓度与最高值的差值明显大于采取两步均压时的差值.

图4　氧气浓度随运行时间的关系Fig.4　The relationship between the oxygen concentration and the running time

这充分说明，采用两次均压的方式，能有效地从根本上控制吸附塔内氧气浓度的波动.实际上，由于第一次均压时间短，仅有少部分不纯气体流入低压吸附塔的顶部，且这部分气体在升压过程中最先进入了低压吸附塔吹扫氮气，由于这部分气体为吹扫气体的最前端，随着吹扫的进行，接近被吹扫吸附塔进气端而不会影响被吹扫吸附塔顶部的氧气浓度(不完全反吹并不需要反吹完成后进气端氧气浓度非常高).我们知道，真正进入氧气缓冲罐中的气体为吸附压力升高并基本稳定后的高纯氧气.第二次均压为高压吸附塔的产品端与进气端均压，虽然氧气纯度不高，但由于是进入了进气端，且远高于空气中的氧气纯度，因此第二次均压也不会影响产品端的氧气纯度.而如果采用单纯的产品端均压，很容易使一些纯度不纯的气体带入低压吸附塔，从而在吸附阶段，吸附塔顶端的氧气浓度很难形成一个类激波，导致浓度波动较大.

形成类激波或激波在工业上有着重要意义，因为只有形成激波或者类激波才能确保产品气的浓度达到或接近吸附塔中的最高浓度值；此外吸附塔顶部的浓度本身非常稳定时，不需要一个较大的氧气缓冲罐去平衡氧气浓度，从而可以对氧气缓冲罐进行小体积设计，这样会大大降低开机时间并节省能耗.

3结论

(1) 两步均压方式中，第二段保压时间远长于第一段保压时间，第二段均压时间远长于第一段均压时间.

(2) 当氧气浓度在93.5%左右时，采取两步均压时的氧气回收率比单纯的产品端均压高出4.9%.

(3) 采取两步均压更利于吸附塔中氧气浓度的稳定，当温度湿度等基本不变时，吸附塔顶部氧气浓度在27 s的时间内仅下降0.61%左右，且下降趋势平稳.而采取单纯的产品端均压时，氧气浓度先上升后下降，最高值与最低值相差0.92%.因而采取两步均压既可以使氧气浓度维持在高浓度区，又可以减少设备的开机时间和有效地降低开机能耗.

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(编辑CXM)

The Study of the Two-Stage Pressure Equalization Step in the Two-Bed PSA Cycle

CAOYong-zheng1,2*,LIUYing-shu1

(1.School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2.R&D Center, Jiangsu Oxtek Gas Equipment & Technology Co., Ltd. Danyang 212300, China)

AbstractIn order to use the oxygen enriched gas of the product end, improve oxygen recovery, reduce energy consumption, we designed a new two-bed pressure swing adsorption pressure equalization step. It was divided into two phases, the first stage was to made the oxygen enriched gas enter the product end of the low pressure bed and the second process was to made the oxygen enter into the feed end of the low pressure bed from the product end of the high pressure bed. Additionally, a 5 Nm3/h oxygen equipment was built to study the two-stage pressure equalization step. The research results showed that when two phases were 0.5 s and 2.4 s lasted respectively and before every stage there was a dwell time and the first time was 0.3 s and the second time was 1.2 s and the oxygen concentration was about 93.5%, the oxygen recovery using the two-stage pressure equalization step was 4.9% higher than that of the product end pressure equalization step. The oxygen concentration in the product end dropped very slowly with a rate of only 0.61% in 27 s, and a similar sharp-wave can be shaped when the two-stage pressure equalization step was used.

Key wordspressure swing adsorption; two-stage pressure equalization step; oxygen concentration; similar sharp-wave

中图分类号TQ028 15

文献标识码A

文章编号1000-2537(2016)02-0053-06

*通讯作者,E-mail：13852924680@163.com

基金项目：科技型中小型企业创新基金项目(12C26215406526)；西藏自治区科技计划项目(藏科发[2014178])

收稿日期：2016-01-19

DOI:10.7612/j.issn.1000-2537.2016.02.009