专利名称：一种适于高海拔地区用的变压吸附制氧装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及空气分离领域的一种变压吸附制氧装置，特别适用于高海拔地区。
背景技术：
变压吸附技术最早由Skarstrom等人提出，其基本原理是利用混合气体中不同组分在吸附剂上平衡吸附量、扩散速率的差异以及吸附量随压力升高而增加、随压力降低而减少的特性，在加压条件下完成混合气体的吸附分离过程，降压条件下被吸附的气体组分解吸，吸附剂再生，从而实现混合气体各组分的分离以及吸附剂循环使用。上个世纪80年代以来，变压吸附技术在气体分离行业得到了广泛的应用。以沸石分子筛作为吸附剂，利用变压吸附过程分离空气可以制取浓度为95％左右的氧气。根据工作压力范围的差异，变压吸附过程可以分为两种(1)PSA流程，即有压吸附、常压解吸流程。一般吸附压力为0.2～0.6MPa，标准大气压力条件下吸附床解吸。该流程主要用于规模较小的分离空气制氧装置，特点是设备简单，但产品回收率低、能耗较高。(2)VSA流程，即常压吸附、真空解吸流程。吸附压力为常压或略高于大气压力，利用真空泵抽真空解吸。主要用于规模较大的气体分离装置，特点是产品回收率高，能耗较低，但设备相对复杂，初投资高。高海拔地区(这里特指海拔超过4000米以上的地区)的大气压力远远低于标准大气压力。由于受环境压力的影响，在高海拔地区采用PSA流程和VSA流程的变压吸附分离空气制氧装置往往不能正常运行或高效运行。但随着西部开发和建设的广泛开展，高海拔地区对氧气的需求与日俱增。因此，有必要开发一种适用于高海拔地区的变压吸附制氧装置。
发明内容
本发明目的在于提供一种设备简单、产品回收率高、能耗较低、适用于高海拔地区的变压吸附制氧装置，称为有压吸附低压解吸(简称LPSA)流程的变压吸附制氧装置。
一种适于高海拔地区用的变压吸附制氧装置，由无油空气压缩机1、空气冷却器2、吸附塔4、吸附塔5、产品气储气罐6、气动阀门7、8、9、10、12、13、14，减压阀15、针型阀11、流量计16、流量调节阀17等部件构成，其特征在于装置中设置了一个原料气储气罐3，原料气储气罐3的作用是稳定吸附床出口的压力，储存均压过程中的压缩机排气，减小产品气流量的波动以及环境压力对装置性能的影响。对于海拔超过4000米以上的地区，由于高海拔地区空气稀薄，为保证系统正常运行，空气压缩机的排气压力为0.1～0.7Mpa，原料气储气罐的容积为吸附塔容积的1.1～3倍，所需的原料气源容量匹配为产品气量的21～50倍。
整个产品制作过程为空气经无油压缩机1压缩后，进入空气冷却器2冷却，冷却后的气体进入原料气储气罐3。气动阀7、10和13开，阀8、9、12、14关闭。此时吸附塔4处于吸附阶段，而吸附塔5处于解吸阶段。从原料气储气罐3来的高压混合气体经阀门7进入吸附塔4，吸附塔内的吸附压力为0.2MPa～0.5MPa。在吸附塔4中，原料气中的强吸附组分—氮气被吸附塔中的沸石分子筛吸附。原料气中的弱吸附组分—氧气从吸附塔4出口排出。其中一部分作为产品气经气动阀13、减压阀15进入产品气储气罐6。而吸附塔4产生的另一部分氧气经针型阀11降压后逆向进入吸附塔5，对处于解吸状态的分子筛床层清洗。吸附塔5的解吸的废气经阀10直接排放到周围环境中。由于高海拔地区环境压力远低于标准大气压力，此时吸附塔5相当于在真空条件下解吸。在吸附塔4内的分子筛床层接近饱和之前，阀7、8、9、10、13、14关闭，阀12开。吸附塔4完成吸附阶段，而吸附塔5完成解吸再生阶段。随后，吸附塔4中的一部分气体经均压阀12进入吸附塔5，两个吸附塔进行均压过程。吸附塔4压力降低，而吸附塔5压力升高，回收部分机械能和浓度较高的氧气组分。均压过程中，两个吸附塔4和5均停止进原料气。此时，压缩机排出的气体在原料气储气罐3储存。均压阶段结束后，阀8、9、14开，阀7、10、12、13关闭，吸附塔4减压解吸，吸附塔5升压吸附。吸附床5达到饱和之前，停止进气。从而完成一个变压吸附循环周期。两个吸附塔交替完成吸附和解吸过程就可以从产品端源源不断地产生氧气。吸附阶段，吸附塔内的压力为0.2MPa～0.5MPa。吸附塔达到饱和后在当地大气压力(绝对压力小于0.1MPa)条件下直接解吸，不采用真空泵抽真空。在海拔高度为5000米时，吸附塔的解吸压力为0.05MPa左右(绝对压力)。从吸附床出口得到的产品气经减压阀15减压后进入产品气储气罐6。根据实际的需要，产品气的氧气浓度可以在80％-95％之间调节。
本发明既解决了高海拔地区环境大气压力低、空气稀薄所导致的气源不足和吸附压力达不到设计值的问题，又充分利用了低气压有利于变压吸附过程解吸的特点，达到了用真空泵抽真空所取得的效果。本变压吸附制氧装置可以为高海拔地区的施工和工作人员提供呼吸和医疗保健用氧以及有关工业用氧，具有设备简单、调节方便、自动化程度高等优点。
图1为LPSA流程制氧流程示意图。
其中1-压缩机，2-空气冷却器，3-原料气储气罐，4、5-吸附塔，6-产品气储气罐，7、8、9、10、13、14-气动阀门，12-均压阀，15-减压阀，11-针型阀，16-流量计，17-流量调节阀具体实施方式
实施例1，空气经无油压缩机1压缩后，进入空气冷却器2冷却。冷却后的气体进入原料气储气罐3，原料气储气罐3的容积为吸附塔容积的1.2倍，所需的原料气源容量匹配为产品气量的25倍。打开气动阀7、10和13，阀8、9、12、14关闭，此时吸附塔4处于吸附阶段，而吸附塔5处于解吸阶段。从原料气储气罐3来的高压混合气体经阀门7进入吸附塔4，吸附塔内的吸附压力为0.2MPa。在吸附塔4中，原料气中的强吸附组分—氮气被吸附床中的沸石分子筛吸附。原料气中的弱吸附组分—氧气从吸附塔出口排出。其中一部分作为产品气经气动阀13、减压阀15进入产品气储气罐6。而吸附塔4产生的另一部分氧气经针型阀11降压后逆向进入吸附塔5，对处于解吸状态的分子筛床层清洗。吸附塔5的解吸的废气经阀10直接排放到周围环境中。在吸附塔4内的分子筛床层接近饱和之前，阀7、8、9、10、13、14关闭，阀12开。吸附塔4完成吸附阶段，而吸附塔5完成解吸再生阶段。随后，吸附塔4中的一部分气体经均压阀12进入吸附塔5，两个吸附塔进行均压过程。吸附塔4压力降低，而吸附塔5压力升高，回收部分机械能和浓度较高的氧气组分。均压过程中，两个吸附塔4和5均停止进原料气。此时，压缩机排出的气体在原料气储气罐3储存。均压阶段结束后，阀8、9、14开，阀7、10、12、13关闭，吸附塔4减压解吸，吸附塔5升压吸附。吸附床5达到饱和之前，停止进气。从而完成一个变压吸附循环周期。两个吸附塔交替完成吸附和解吸过程就可以从产品端源源不断地产生氧气。从吸附塔出口得到的产品气经减压阀减压后进入产品气储气罐6。根据实际需要，产品气的氧气浓度可以在80％-95％之间调节。
实施例2，空气经无油压缩机1压缩后，进入空气冷却器2冷却。冷却后的气体进入原料气储气罐3。原料气储气罐3的容积为吸附塔容积的1.5倍，所需的原料气源容量匹配为产品气量的30倍。打开气动阀7、10和13，阀8、9、12、14关闭。此时吸附塔4处于吸附阶段，而吸附塔5处于解吸阶段。从原料气储气罐3来的高压混合气体经阀门7进入吸附塔4，吸附塔内的吸附压力为0.3MPa。在吸附塔4中，原料气中的强吸附组分—氮气被吸附塔中的沸石分子筛吸附。原料气中的弱吸附组分—氧气从吸附塔出口排出。其中一部分作为产品气经气动阀13、减压阀15进入产品气储气罐6。而吸附塔4产生的另一部分氧气经针型阀11降压后逆向进入吸附床5，对处于解吸状态的分子筛床层清洗。吸附塔5的解吸的废气经阀10直接排放到周围环境中。在吸附塔4内的分子筛床层接近饱和之前，阀7、8、9、10、13、14关闭，阀12开。吸附塔4完成吸附阶段，而吸附塔5完成解吸再生阶段。随后，吸附塔4中的一部分气体经均压阀12进入吸附塔5，两个吸附塔进行均压过程。吸附塔4压力降低，而吸附塔5压力升高，回收部分机械能和浓度较高的氧气组分。均压过程中，两个吸附塔4和5均停止进原料气。此时，压缩机排出的气体在原料气储气罐3储存。均压阶段结束后，阀8、9、14开，阀7、10、12、13关闭，吸附塔4减压解吸，吸附塔5升压吸附。吸附床5达到饱和之前，停止进气。从而完成一个变压吸附循环周期。两个吸附塔交替完成吸附和解吸过程就可以从产品端源源不断地产生氧气。从吸附塔出口得到的产品气经减压阀减压后进入产品气储气罐6。
实施例3，空气经无油压缩机1压缩后，进入空气冷却器2冷却。冷却后的气体进入原料气储气罐3。原料气储气罐3的容积为吸附塔容积的2倍，所需的原料气源容量匹配为产品气量的40倍。打开气动阀7、10和13，阀8、9、12、14关闭。此时吸附塔4处于吸附阶段，而吸附塔5处于解吸阶段。从原料气储气罐3来的高压混合气体经阀门7进入吸附塔4，吸附塔内的吸附压力为0.5MPa。在吸附塔4中，原料气中的强吸附组分—氮气被吸附床中的沸石分子筛吸附。原料气中的弱吸附组分—氧气从吸附塔出口排出。其中一部分作为产品气经气动阀13、减压阀15进入产品气储气罐6。而吸附塔4产生的另一部分氧气经针型阀11降压后逆向进入吸附塔5，对处于解吸状态的分子筛床层清洗。吸附塔5的解吸的废气经阀10直接排放到周围环境中。在吸附塔4内的分子筛床层接近饱和之前，阀7、8、9、10、13、14关闭，阀12开。吸附塔4完成吸附阶段，而吸附塔5完成解吸再生阶段。随后，吸附塔4中的一部分气体经均压阀12进入吸附塔5，两个吸附塔进行均压过程。吸附塔4压力降低，而吸附塔5压力升高，回收部分机械能和浓度较高的氧气组分。均压过程中，两个吸附塔4和5均停止进原料气。此时，压缩机排出的气体在原料气储气罐3储存。均压阶段结束后，阀8、9、14开，阀7、10、12、13关闭，吸附塔4减压解吸，吸附塔5升压吸附。吸附床5达到饱和之前，停止进气。从而完成一个变压吸附循环周期。两个吸附塔交替完成吸附和解吸过程就可以从产品端源源不断地产生氧气。从吸附塔出口得到的产品气经减压阀减压后进入产品气储气罐6。
实施例4，空气经无油压缩机1压缩后，进入空气冷却器2冷却。冷却后的气体进入原料气储气罐3。原料气储气罐3的容积为吸附塔容积的3倍，所需的原料气源容量匹配为产品气量的50倍。打开气动阀7、10和13，阀8、9、12、14关闭。此时吸附塔4处于吸附阶段，而吸附塔5处于解吸阶段。从原料气储气罐3来的高压混合气体经阀门7进入吸附塔4，吸附塔内的吸附压力为0.5MPa。在吸附塔4中，原料气中的强吸附组分—氮气被吸附床中的沸石分子筛吸附。原料气中的弱吸附组分—氧气从吸附塔出口排出。其中一部分作为产品气经气动阀13、减压阀15进入产品气储气罐6。而吸附塔4产生的另一部分氧气经针型阀11降压后逆向进入吸附塔5，对处于解吸状态的分子筛床层清洗。吸附塔5的解吸的废气经阀10直接排放到周围环境中。在吸附塔4内的分子筛床层接近饱和之前，阀7、8、9、10、13、14关闭，阀12开。吸附塔4完成吸附阶段，而吸附塔5完成解吸再生阶段。随后，吸附塔4中的一部分气体经均压阀12进入吸附塔5，两个吸附塔进行均压过程。吸附塔4压力降低，而吸附塔5压力升高，回收部分机械能和浓度较高的氧气组分。均压过程中，两个吸附塔4和5均停止进原料气。此时，压缩机排出的气体在原料气储气罐3储存。均压阶段结束后，阀8、9、14开，阀7、10、12、13关闭，吸附塔4减压解吸，吸附塔5升压吸附。吸附床5达到饱和之前，停止进气。从而完成一个变压吸附循环周期。两个吸附塔交替完成吸附和解吸过程就可以从产品端源源不断地产生氧气。从吸附塔出口得到的产品气经减压阀减压后进入产品气储气罐6。
权利要求
1.一种适于高海拔地区用的变压吸附制氧装置，由无油空气压缩机(1)、空气冷却器(2)、吸附塔(4)、吸附塔(5)、产品气储气罐(6)、气动阀门(7)、(8)、(9)、(10)、(12)、(13)、(14)，减压阀(15)、针型阀(11)、流量计(16)、流量调节阀(17)等部件构成，其特征在于装置中设置了一个原料气储气罐(3)，原料气储气罐(3)的作用是稳定吸附床出口的压力，储存均压过程中的压缩机排气，减小产品气流量的波动以及环境压力对装置性能的影响。
2.如权利要求1所述的一种变压吸附制氧装置，其特征在于空气压缩机(1)的排气压力为0.1～0.7Mpa，原料气储气罐(3)的容积为吸附塔容积的1.1～3倍，吸附阶段，吸附塔内的压力为0.2MPa～0.5Mpa，所需的原料气源容量匹配为产品气量的21～50倍。
全文摘要
一种适于高海拔地区用的变压吸附制氧装置。本发明涉及空气分离领域的一种变压吸附制氧装置，该装置由无油空气压缩机、空气冷却器、吸附塔、产品气储气罐、气动阀门、减压阀、针型阀、流量计、流量调节阀等部件构成，其特征在于装置中设置了一个原料气储气罐3，原料气储气罐3的作用是稳定吸附床出口的压力，储存均压过程中的压缩机排气，减小产品气流量的波动以及环境压力对装置性能的影响。对于海拔超过4000米以上的地区，为保证系统正常运行，空气压缩机的排气压力为0.1～0.7MPa，原料气储气罐的容积为吸附塔容积的1.1～3倍，所需的原料气源容量匹配为产品气量的21～50倍。本发明可以为高海拔地区的施工和工作人员提供呼吸和医疗保健用氧以及有关工业用氧，具有设备简单、调节方便、自动化程度高等优点。
文档编号B01D53/047GK1554466SQ200310122470
公开日2004年12月15日 申请日期2003年12月25日 优先权日2003年12月25日
发明者刘应书, 况成明, 冯俊小, 丁守全, 崔红社, 乐恺, 侯庆文 申请人:北京科技大学