真空变压吸附制氧工艺设备选型及设计

(成都华西堂环保科技有限公司，四川成都，610031)

变压吸附制氧技术有两种方法：一种是采用高压吸附和常压解吸(PSA)的方法，此法多用于小型变压吸附制氧项目上，主要用于医疗、小型臭氧项目和军事等方面；另一种是采用低压吸附和真空解吸(VPSA/VSA)的方法，此法主要用于工业冶炼钢铁、中大型臭氧项目和水泥行业等方面。相比于PSA制氧工艺，VPSA制氧工艺有两个优势：一是可以提高产品氧气的纯度和回收率[1]，二是能耗低，吸附剂用量更少。因此，在原料空气压力低和不需要高压氧气的情况下，选择VPSA更为适用。

1 动力设备的选型

早期我国真空变压吸附制氧技术采用的是离心式鼓风机和水环式真空泵。随着我国设备制造业的发展和与国际技术的接轨，目前真空变压吸附制氧技术都是采用罗茨鼓风机和罗茨真空泵。罗茨鼓风机和离心式鼓风机的主要区别在于：罗茨鼓风机为容积式鼓风机，属于恒流量风机，输出压力变化时风量变化很小，稳定的风量对吸附床层的冲击比较小，有利于吸附剂的吸附；离心式鼓风机属于恒压风机，输出的流量随压力的变化而不断变化，虽然可以调节流量，但是调节之后，偏离设计的最佳工作点，效率会急剧下降[2]，低于罗茨鼓风机的效率。罗茨真空泵为容积式真空泵，具有启动快，耗功少，运转维护费用低，抽速大，效率高等特点；水环式真空泵是靠泵腔容积的变化来实现吸气、压缩和排气的，属于变容式真空泵，其吸气均匀，工作平稳可靠，结构紧凑，真空度低，效率也很低，一般在30%左右。

近几年，国内真空变压吸附制氧装置大多采用“一拖二”的罗茨设备机组，即一台电机同时带动一台罗茨鼓风机和一台罗茨真空泵运转。这种配置相对于单独采用一台罗茨鼓风机和一台罗茨真空泵，减少了一台电机，节约占地面积，同时降低了能耗，主机的稳定性也更好。

2 程控阀门的选型

真空变压吸附制氧工艺是通过程控阀门的切换来实现工艺过程，程控阀门的可靠性和密封性是真空变压吸附制氧技术中最关键的一个环节。真空变压吸附制氧装置的周期很短，约为30秒，要求程控阀能够在很短的时间内快开快关。因此，真空变压吸附制氧装置的程控蝶阀的一般要求为：

(1)关闭时间小于1.5秒；

(2)阀门运行可靠，无故障开关次数大于200万次；

(3)阀门密封无泄漏。

目前，真空变压吸附制氧装置用的蝶阀主要为两偏心蝶阀和三偏心蝶阀。两偏心蝶阀采用位置密封原理；三偏心蝶阀为金属硬密封，采用扭矩密封原理，比两偏心蝶阀可承受的压力更高，启闭力矩更小，密封性能更好，价格也更高[3]。

对于程控阀门的驱动方式，目前主要有两种方法，一种是采用气动，即采用仪表气来驱动程控阀门动作；另一种是采用液动，即通过液压油来驱动程控阀门动作。一般对于公称直径大于DN600的程控阀最好是采用液动方式，因为气动程控阀采用的仪表气驱动压力为5MPa左右，而且大口径的阀门相应气缸的行程容积也变大，而仪表气在排出气缸的时候由于流通面积不够，会造成阀门动作速度变慢[4]，运行时故障率较高。液动程控阀采用的液压油的压力为8～9MPa，而且大口径阀门相应的气缸尺寸也较小，能驱动大口径的阀门动作。

3 吸附塔的选型设计

吸附塔是真空变压吸附制氧装置中非常重要的设备。吸附塔的结构设计会影响分子筛的使用效果，进而影响产品的产量和纯度的稳定性。

3.1 轴向塔结构

一般工业上对于小于2000Nm3/h的真空变压吸附制氧装置采用轴向塔结构的气体分离方式，如图1所示。原料空气由吸附塔底部进入吸附塔，经吸附剂分离后，氧气由吸附塔顶部流出。轴向塔结构简单，装填料方便，制造费用低，床层中吸附剂机械磨损小，可在高温高压下操作；缺点是气流分布较差，死空间较大，床层阻力较大，占地面积也较大。

图1 轴向塔结构示意图

3.2 径向塔结构

一般工业上对于大于2000Nm3/h的真空变压吸附制氧装置采用径向吸附塔。立式径向流吸附塔由一个外壳和三个带有特殊开孔的中间圆柱体和中心筒组成[5]，结构见图2。

图2 径向塔结构图

原料空气从吸附塔的底部进入，通过气体分布器进入最外层环形空间，然后通过13X吸附层，空气中的水分被吸附后，进入分子筛吸附层，空气中的氮气被吸附后，氧气通过中心筒丝网后由顶部流出。解吸时，氮气通过中心筒、分子筛层和13X层后从吸附塔底部排出。

立式径向流吸附塔与轴向吸附塔相比，优点在于：气流分布均匀，床层阻力小，死空间小，分子筛与气体瞬时接触面积大，分子筛利用率更高，占地面积小，能耗更低[6]。

4 吸附剂的选用

吸附剂是变压吸附制氧装置的核心，性能优良的吸附剂是决定变压吸附制氧装置符合考核指标的关键。一般轴向吸附塔中装填的吸附剂为活性氧化铝和锂分子筛，径向吸附塔中装填的是13X分子筛和锂分子筛。

4.1 活性氧化铝

活性氧化铝为一种多孔性、高分散度的固体材料，有很大的表面积，规格为Φ3～5mm，球状，抗磨耗、抗破碎、无毒。物理化学性能极其稳定，对几乎所有的腐蚀性气体和液体均不起化学反应。活性氧化铝装填在吸附塔底部，主要用于脱除气源中的水分。

4.2 13X分子筛

13X分子筛是一种钠型的硅铝酸盐，其物理化学性能稳定，规格为Φ1.6～2mm，球状。13X分子筛装填在吸附塔中，主要用于脱除气源中的水分。

4.3 锂分子筛

目前，工业制氧专用分子筛为锂分子筛，这是由于Li+是半径最小的金属离子，具有很高的电荷密度和较高的极化率，与N2的作用力更强。锂分子筛不仅有着发达的比表面积，而且有着非常均匀的空隙分布，在低压状况下对氮气的吸附容量高，吸附速度快，选择性强，强度高和磨损率低。锂分子筛装填于吸附塔中，用于吸附气源中的氮气。

5 应用实例

某公司某工程项目需要4000Nm3/h，90%纯度的富氧气，由于存在开半负荷的可能性，因此选择两台罗茨鼓风机和罗茨真空泵一体化设备。

根据工艺计算出罗茨鼓风机的鼓气量和罗茨真空泵的抽气量，然后选择与计算出的气量相适应的满足运行要求的罗茨鼓风机和罗茨真空泵的型号。根据装置规模选择采用两台径向流吸附塔，并在其内装填锂分子筛和13X分子筛。根据锂分子筛和13X分子筛的性能参数计算出相应的用量，并对吸附塔进行结构设计。综合经济实用等因素选择气动两偏心程控蝶阀。工程应用结果如表1。

表1 VPSA工程应用结果

6 结论

(1)罗茨鼓风机和罗茨真空泵作为国内外主要用于真空变压吸附制氧装置的动力设备有其优势，在设计工作中要特别注意其噪音的处理，使整个装置的噪音满足国家标准规范要求。

(2)气动程控阀的噪音较液动程控阀的噪音大，但是液动程控阀存在液压油漏出的可能性，在程控阀门结构型式和驱动方式的选择上要综合考虑。

(3)径向吸附塔的结构较轴向吸附塔的结构复杂，在设计中要特别注意压紧装置和装料方式，否则容易导致分子筛粉化和装料不均匀等问题。

(4)分子筛的寿命一般需要与吸附塔设备寿命相同，所以选择分子筛时必须要有一定的机械强度。