一种单塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置和方法与流程

本发明涉及利用变压吸附法制备氧气的技术领域，尤其涉及一种单塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置和方法。

背景技术：

现在市场上小型制氧设备都采用变压吸附法（PSA），其是一种利用多空固体吸附剂在一定压力、温度下，对混合气体中不同组分具有选择吸附的特性，实现混合气体的分离技术。该技术工艺在常温下解吸，不需要真空泵，但缺点明显，电耗高、循环周期时间长。

低压吸附真空解吸（VPSA）法的吸附压力高于大气压，一般在40～60Kpa，VPSA法是目前采用最多的一种制氧工艺，制氧电耗一般在0.15～0.2KWh/m³，装置规模0～2000 m³/h。

目前小型的VPSA制氧设备主要以双塔流程为主，其优点是可以连续产氧，但缺点也很明显，如压力波动大、设备造价高、产品氧气浓度低、氧气收率低。

技术实现要素：

本发明实施例期望提供一种单塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置和方法，能够解决现有VPSA制氧工艺氧气利用率低、吸附剂利用率低、设备造价高的缺点。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

一种单塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置，包括鼓风机、吸附塔、第一均压罐、第二均压罐和氧气收集设备，鼓风机通过管道与吸附塔的底部连接，吸附塔通过管道分别与第一均压罐和第二均压罐连接，吸附塔的顶部通过管道与氧气收集设备连接，其中，

鼓风机用于将原料空气压缩后通过管道输入吸附塔底部，并抽取吸附塔内的气体；

吸附塔用于吸附产氧、顺向放压、真空解吸、清洗和充压，输出富氧气体到第一均压罐，输出贫氧气体到第二均压罐，输出氧气到氧气收集设备；

第一均压罐用于存储从吸附塔输入的富氧气体，并输出给吸附塔进行清洗；

第二均压罐用于存储从吸附塔输入的贫氧气体，并输出给吸附塔进行充压；

氧气收集设备用于收集从吸附塔输入的氧气。

优选地，还包括第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门，其中，

第一阀门一端与外界连通，另一端与鼓风机连通；

第二阀门一端与鼓风机连通，另一端与吸附塔连通；

第三阀门一端与鼓风机连通，另一端与吸附塔连通；

第四阀门一端与鼓风机连通，另一端与外界连通；

第五阀门一端与吸附塔连通，另一端与第一均压罐连通；

第六阀门一端与吸附塔连通，另一端与第二均压罐连通。

优选地，还包括止回阀，止回阀一端连通吸附塔，另一端连通氧气收集设备。

优选地，第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门和/或第六阀门是气动切换阀。

优选地，氧气收集设备进一步包括氧气缓冲罐、氧气压缩机、氧气冷却器和氧气储罐，其中，

氧气缓冲罐用于从吸附塔获取氧气，输送给氧气压缩机；

氧气压缩机用于将氧气进行压缩，输送给氧气冷却器；

氧气冷却器用于冷却氧气，并输送给氧气储罐；

氧气储罐用于储存氧气。

优选地，鼓风机进口处设置过滤器。

优选地，吸附塔底部安装有分布器，分布器用于将原料空气分布均匀。

一种单塔低压吸附真空解吸制备氧气的方法，包括以下步骤：

原料空气经过鼓风机进入吸附塔底部，使吸附塔内压力增至第一气压范围；

吸附塔底部吸附剂吸附原料空气中的水分和二氧化碳，原料空气中的氮气在原料空气从吸附塔底部上升的过程中被吸附剂吸附，在吸附塔顶部获得氧气到氧气缓冲罐；

当吸附剂吸附氮气饱和时停止鼓风机工作，将吸附塔中的富氧气体顺放至第一均压罐，使得吸附塔内压力降至第二气压范围；

将吸附塔内的贫氧气体顺放至第二均压罐，使得吸附塔内压力降至第三气压范围；

鼓风机抽取吸附塔内的气体，使得吸附塔内压力降至第四气压范围，吸附剂吸附的水、二氧化碳和氮气解吸，再生吸附剂；

当吸附塔内压力降至第四气压范围时，采用第一均压罐的富氧气体对吸附塔进行逆向吹扫，清洗再生的吸附剂，清洗过程中，吸附塔内压力保持不变；

清洗结束后，鼓风机停止抽取吸附塔内气体，采用第二均压罐的贫氧气体对吸附塔进行升压至第五气压范围；

重复以上步骤。

优选地，第一气压范围为40千帕到50千帕；

第二气压范围为10千帕到30千帕；

第三气压范围为5千帕到20千帕；

第四气压范围为-40千帕到-50千帕；

第五气压范围为-20千帕到10千帕。

优选地，吸附剂包括三氧化二铝、13X分子筛、锂分子筛和/或沸石分子筛。

本发明实施例所提供的单塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置和方法，可从空气中分离纯度为80%～93%（体积百分比）的氧气，产量规模低于2000Nm³/h的小型制氧设备，解决了现有VPSA制氧工艺氧气利用率低、单位产量吸附剂用量大（吸附剂利用率低）、设备造价高等影响VPSA技术应用的缺点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的单塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的单塔低压吸附真空解吸制备氧气的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例和技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的技术方案是设计一种单塔VPSA制备氧气的装置，包括1个吸附塔、1个鼓风机、2个均压罐和1个氧气缓冲罐。各装置之间用管道进行连接，原料空气在吸附塔内进行吸附和解吸，通过阀门的切换，鼓风机既能给吸附塔充压又能抽真空。低压吸附真空解吸的一个周期内都要经过吸附产氧、顺向放压、真空解吸、清洗、充压五个步骤。如无特别说明，本发明实施例中所用的压力都为本领域常用的表压。

图1为本发明实施例提供的单塔低压吸附真空解吸制备氧气的装置的结构示意图。如图1所示，该单塔低压吸附真空解吸（VPSA）制备氧气的装置包括鼓风机101、吸附塔102、第一均压罐103、第二均压罐104和氧气收集设备，以及第一阀门106、第二阀门107、第三阀门108、第四阀门109、第五阀门110、第六阀门111和止回阀112，其中氧气收集设备进一步包括氧气缓冲罐105、氧气压缩机、氧气冷却器和氧气储罐（未示出），第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门和/或第六阀门是气动切换阀。

鼓风机采用型号为65m³/h的鼓风机。吸附塔直径2000mm，高度3200mm。

鼓风机通过管道与吸附塔的底部连接，吸附塔通过管道分别与第一均压罐和第二均压罐连接，吸附塔的顶部通过管道与氧气收集设备连接，第一阀门一端与外界连通，另一端与鼓风机连通，第二阀门一端与鼓风机连通，另一端与吸附塔连通，第三阀门一端与鼓风机连通，另一端与吸附塔连通，第四阀门一端与鼓风机连通，另一端与外界连通，第五阀门一端与吸附塔连通，另一端与第一均压罐连通，第六阀门一端与吸附塔连通，另一端与第二均压罐连通，止回阀一端连通吸附塔，另一端连通氧气收集设备。

鼓风机将原料空气压缩后通过管道输入吸附塔底部，并抽取吸附塔内的气体，吸附塔吸附产氧、顺向放压、真空解吸、清洗和充压，输出氧气到氧气收集设备，输出富氧气体到第一均压罐，输出贫氧气体到第二均压罐，第一均压罐存储从吸附塔输入的富氧气体，并输出给吸附塔进行清洗，第二均压罐存储从吸附塔输入的贫氧气体，并输出给吸附塔进行充压，氧气收集设备收集从吸附塔输入的氧气。

其中，氧气缓冲罐从吸附塔获取氧气，输送给氧气压缩机，氧气压缩机将氧气进行压缩，输送给氧气冷却器，氧气冷却器冷却氧气，并输送给氧气储罐，氧气储罐用于储存氧气。

另外，鼓风机进口处设置过滤器，能够对原料空气进行过滤。吸附塔底部安装有分布器，分布器将原料空气分布均匀。

下面具体描述利用上述实施例中的单塔低压吸附真空解吸制备氧气装置来制备氧气的过程。图2为本发明实施例提供的单塔低压吸附真空解吸制备氧气的流程图。如图2所示，该单塔低压吸附真空解吸（VPSA）制备氧气的流程包括以下步骤：

步骤201、原料空气经过鼓风机进入吸附塔底部，使吸附塔内压力增至40千帕到50千帕。

需要说明的是，本发明实施例中的单塔低压吸附真空解吸制备氧气装置采用了多个阀门，通过这些阀门的开合使得气体产生不同的流向。例如通过阀门的切换，就可以实现鼓风机对吸附塔内进行鼓风或者抽空。

本步骤的具体操作过程是，第一阀门和第三阀门开启，第二阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门关闭，原料空气经鼓风机进口过滤器去除机械杂质后进入鼓风机，在鼓风机中压缩后，通过管道和阀门进入吸附塔底部，直到吸附塔内压力增至40千帕到50千帕。

步骤202、原料空气进入吸附塔，经分布器分布均匀后从底部上升，在上升过程中，吸附塔底部吸附剂吸附原料空气中的水分和二氧化碳，原料空气中的氮气在原料空气从吸附塔底部上升的过程中被吸附剂吸附，在吸附塔顶部获得氧气，并输送到氧气缓冲罐。

吸附塔中的吸附剂可以包括三氧化二铝、13X分子筛、锂分子筛、沸石分子筛等，优先选用沸石分子筛。

步骤203、当吸附剂吸附氮气饱和时停止鼓风机工作，第一阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门开启，第二阀门和第三阀门关闭，将吸附塔中的富氧气体顺放至第一均压罐，使得吸附塔内压力降至10千帕到30千帕，顺放一段时间后氧气浓度下降，为了更好地提升氧气收率，再将吸附塔内的贫氧气体顺放至第二均压罐，使得吸附塔内压力降至5千帕到20千帕。

其中，富氧气体浓度在80%～90%之间，贫氧气体浓度在60%～70%之间。

步骤204、第二阀门和第四阀门开启，第一阀门、第三阀门、第五阀门和第六阀门关闭，鼓风机抽取吸附塔内的气体，使得吸附塔内压力降至-40千帕到-50千帕，吸附剂吸附的水、二氧化碳和氮气解吸，再生吸附剂。

步骤205、当吸附塔内压力降至-40千帕到-50千帕时，第二阀门、第四阀门和第五阀门开启，第一阀门、第三阀门和第六阀门关闭，采用第一均压罐的富氧气体对吸附塔进行逆向（从吸附塔的出口端进气，从进口端流出）吹扫，清洗再生的吸附剂，在清洗过程中，鼓风机持续抽取气体，吸附塔内压力保持不变。由于富氧气体的氧气浓度高，清洗效果好。

步骤206、清洗结束后，第二阀门、第四阀门和第六阀门开启，第一阀门、第三阀门和第五阀门关闭，鼓风机停止抽取吸附塔内气体，采用第二均压罐的贫氧气体对吸附塔进行升压至-20千帕到10千帕，让贫氧气体在吸附塔内部进行再次吸附。

利用均压罐收集的顺放气体提对吸附塔进行升压，能够减小对分子筛的冲击力，延长分子筛的使用寿命，提高氧气收率。

重复以上步骤，完成一个周期的时间较短，基本可以达到连续产氧的效果。

利用上述单塔低压吸附真空解吸制备氧气装置，可从空气中分离纯度为80～93%（体积百分比）的氧气，产量规模低于2000Nm³/h的小型制氧设备。解决了原有VPSA制氧工艺氧气利用率低、单位产量吸附剂用量大（吸附剂利用率低）、设备造价高等影响VPSA技术应用的缺点。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。