曹永正，劉應(yīng)書

(1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,中國 北京　100083；2.江蘇昊泰氣體設(shè)備科技有限公司研發(fā)中心,中國 丹陽　212300)

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兩塔變壓吸附循環(huán)中兩步均壓的研究

曹永正1,2*，劉應(yīng)書1

(1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,中國 北京100083；2.江蘇昊泰氣體設(shè)備科技有限公司研發(fā)中心,中國 丹陽212300)

摘要為了進(jìn)一步利用吸附塔產(chǎn)品端的富氧氣體，提高氧氣回收率，減少單位氧產(chǎn)量的能耗，設(shè)計了一種新的兩塔變壓吸附均壓方式，即把均壓分為兩個小步驟，第一步實現(xiàn)產(chǎn)品端均壓，第二步實行產(chǎn)品端與進(jìn)氣端均壓，每步均壓前有一小段保壓時間.為此建立了一套產(chǎn)氧規(guī)格為5 Nm3/h的制氧設(shè)備對這種均壓方式進(jìn)行詳細(xì)的研究.試驗結(jié)果表明：在本文所述試驗條件下，當(dāng)?shù)谝淮伪簳r間與第二次保壓時間分別為0.3 s和1.2 s，第一步均壓時間與第二步均壓時間分別為0.5 s和2.4 s，氧氣濃度維持在93.5%左右且環(huán)境溫度與濕度基本不變時，與單純的產(chǎn)品端均壓相比，兩步均壓使氧氣回收率增加了4.9%.采取兩步均壓方式，吸附階段吸附塔產(chǎn)品端氧氣濃度隨時間非常緩慢地減少，27 s時間內(nèi)氧氣濃度下降值僅為0.61%，形成了類似于激波的濃度波，產(chǎn)品氧氣的濃度非常穩(wěn)定.

關(guān)鍵詞變壓吸附；兩步均壓；制氧；類激波

變壓吸附循環(huán)包括原料氣升壓、吸附、均壓降、逆向放壓、反吹、產(chǎn)品氣升壓和均壓升等幾個基本步驟，通過對這些步驟的組合或重疊來實現(xiàn)循環(huán)的優(yōu)化，以提高產(chǎn)品氣的回收率并減少系統(tǒng)能耗[1].在以往理論優(yōu)化分析[1-5]中，對反吹程度[1，6-7]研究較多，均壓步驟完成后則被視為兩塔壓力均等.楊健等人[7]通過試驗對各種均壓方式進(jìn)行了研究，其結(jié)果顯示產(chǎn)品端均壓比產(chǎn)品端與進(jìn)氣端均壓更為有效，但楊彥鋼等人[8]的模擬結(jié)果則顯示，產(chǎn)品端與進(jìn)氣端均壓才是最佳均壓方式.實驗研究需要充分考慮閥門的開啟壓力，雙向?qū)芰头聪虼畾獾葘嶋H問題，實際上，產(chǎn)品端均壓容易使高壓吸附塔中不純產(chǎn)品氣進(jìn)入到低壓吸附塔頂部，且越不純的氣體越接近產(chǎn)品端，如果需要維持較高的產(chǎn)品氣濃度并提高分子篩的使用效率，均壓過程完成后并不能使兩塔壓力相等[9]，因此在高壓吸附塔產(chǎn)品端還有相當(dāng)部分濃度較高的產(chǎn)品氣沒有被充分利用.在變壓吸附制氧研究中，為了進(jìn)一步利用這部分富氧氣體，在多塔工藝中使用多次均壓的方式，先把較高濃度的富氧氣體均壓至有一定壓力的低壓吸附塔，而較低濃度的富氧氣體進(jìn)入剛完成反吹的低壓吸附塔[10].雖然這種方式能極大地提高了氧氣回收率，但由于工藝復(fù)雜，設(shè)計成本高，在產(chǎn)氧規(guī)模較小的設(shè)備中很少被應(yīng)用.

本文提出了在兩塔變壓吸附循環(huán)中引入兩步均壓的方式，把傳統(tǒng)的兩塔均壓拆解成兩個步驟.在一塔吸附完成而另一塔被反吹清掃后，兩個吸附塔的兩端同時關(guān)閉一小段時間進(jìn)行第一次保壓，再把兩塔產(chǎn)品端接通，使高壓吸附塔產(chǎn)品端氧氣濃度較高的富氧氣體進(jìn)入低壓吸附塔產(chǎn)品端，完成第一步均壓后，再使兩個吸附塔的兩端同時關(guān)閉一段時間進(jìn)行第二次保壓，最后把高壓吸附塔產(chǎn)品端與低壓吸附塔進(jìn)氣端接通，實現(xiàn)第二步均壓，即產(chǎn)品端與進(jìn)氣端均壓.第二步均壓過程中，大部分氧氣濃度較低但高于空氣狀態(tài)的富氧氣體被均壓至低壓吸附塔中，且越不純的氣體越靠近原料端，由于原料氣升壓前并不需要進(jìn)氣端有較高氧氣濃度[1，5，6]，因此這種均壓方式并不會影響升壓過程中氧濃度波的形成.

通過對兩步均壓方式的研究，考察兩步均壓對氧氣回收率、氧氣濃度以及吸附塔近產(chǎn)品端在吸附階段氧氣濃度波動范圍的影響，為工業(yè)流程設(shè)計優(yōu)化提供參考.

1試驗

1.1試驗設(shè)備

圖1　試驗裝置示意圖Fig.1　The schematic diagram of experimental facility

根據(jù)工業(yè)實際應(yīng)用的特點，設(shè)計了一套產(chǎn)氧規(guī)格為5 Nm3/h的制氧設(shè)備，其工藝流程如圖1所示.被壓縮空氣經(jīng)過除油除水處理后，進(jìn)入空氣緩沖罐，然后經(jīng)過閥9，減壓閥1、流量計1，閥1或閥2進(jìn)入吸附塔A或吸附塔B，壓縮空氣在吸附塔中被分離后，富氧氣體進(jìn)入氧氣緩沖罐，然后被除塵滅菌處理后經(jīng)過流量計流出.富氮氣體通過閥3或閥4流出，而閥5、6、7和8來實現(xiàn)兩個塔的均壓步驟.在均壓過程中，閥1、2、3、4、9和10均關(guān)閉.

為避免閥門串氣和不對稱帶來的不良影響，試驗裝置采用了對稱設(shè)計，并充分考慮閥門的反向開啟壓力，所選閥門為德國寶帝角座閥，其中閥9、閥3和閥4通徑為DN20，其余閥門通徑為DN15，所有閥門的每次耗氣量約38 mL/次；空壓機(jī)為英格索蘭R71u-A7，功率7.5 kW，額定排氣量1.1 m3/min，額定工作壓力7 bar，空壓機(jī)排出的高壓空氣一小部分作為氣動角座閥的先導(dǎo)氣，絕大部分作為原料氣；吸附塔內(nèi)徑300 mm，高1 500 mm；分子篩型號為法國西卡公司G5000型，在吸附塔中的有效高徑比為3.1∶1，設(shè)計重量為每塔41 kg，實際吸附塔A中重量為41.2 kg，吸附塔B中重量為41.5 kg；流量計為常州雙環(huán)LZB15，2.5級精度，測量范圍0.8～8 Nm3/h；測氧儀為上海昶艾GNL3100L，測量范圍21%～99%；空氣緩沖罐容積為0.2 m3，使均壓階段空氣緩沖罐中氣體壓力波動范圍小于0.5 bar；氧氣緩沖罐為0.05 m3；單向閥開啟壓力0.2 bar.

1.2數(shù)據(jù)采集與記錄

每個吸附塔頂部和氧氣緩沖罐上均安裝有壓力傳感器與氧濃度傳感器，氧氣流量由流量計顯示并手工記錄.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為江蘇昊泰氣體設(shè)備科技有限公司開發(fā)，能同時采集8個通道的數(shù)據(jù)，采集周期可設(shè)置50 ms、100 ms、200 ms、1 s和2 s等，被采集數(shù)據(jù)傳入電腦進(jìn)行自動儲存，為了減少數(shù)據(jù)容量，采集周期一般設(shè)為1 s，但在研究均壓過程的一些細(xì)微動作時，采集周期定為50 ms.

1.3試驗內(nèi)容與方法

分別研究了第一步均壓時間、第二步均壓時間、第一步均壓前保壓時間(第一次保壓時間)和第一步均壓與第二步均壓間的保壓時間(第二次保壓時間)對氧氣濃度的影響；兩步均壓方式對氧氣回收率的影響以及對氧氣濃度波的影響.

首先研究傳統(tǒng)的產(chǎn)品端均壓，確定好最優(yōu)的產(chǎn)品端均壓時間后，在此基礎(chǔ)上先拆分均壓時間，拆分均壓時間時，先保持第一步產(chǎn)品端均壓時間和第二步產(chǎn)品端與進(jìn)氣端均壓時間的總和與先前單純的產(chǎn)品端均壓的時間相等，在此基礎(chǔ)上固定一段均壓時間不變，改變另外一段均壓時間(此時總時間也跟著改變)，如此反復(fù)，找到最佳參數(shù).最后研究每步均壓前的保壓時間對各種參數(shù)的影響，并在保壓時間初步定好后，再次調(diào)試均壓時間.

對不同溫度，不同濕度，不同季節(jié)(考慮到實際大氣壓隨季節(jié)有細(xì)微的區(qū)別)均進(jìn)行了相關(guān)試驗，雖然具體參數(shù)略有區(qū)別，但規(guī)律相同.本文所有試驗數(shù)據(jù)為在如下條件下獲得：溫度26～28 ℃；濕度50%～55%.

2試驗結(jié)果及分析

2.1保壓時間對氧氣濃度的影響

當(dāng)系統(tǒng)氧氣流量為6.0 Nm3/h時，保壓時間對氧氣濃度的影響如圖2所示.從圖2可知，合適的保壓時間能使氧氣濃度達(dá)到較為理想的值.其可能的原因如下：(1)氣體分子在分子篩內(nèi)達(dá)到平衡需要一定時間；(2)氣體在流經(jīng)分子篩時有一定阻力且閥門在關(guān)閉與開啟時急劇地改變了氣流的速度，壓力平衡也需要一定的時間.從圖2還可看出：第二次保壓時間遠(yuǎn)比第一次保壓時間長.這是因為：(1)第一次保壓過程前為吸附階段，氣體在高壓吸附塔中流動較為平緩，而第二次保壓過程前為第一次均壓，氣流速度較快，震蕩幅度較大，因此平衡的時間也較長；(2)最為主要的是，第一次保壓過程后為產(chǎn)品端均壓，需要高壓吸附塔產(chǎn)品端氧氣純度較高，過長的保壓時間將會導(dǎo)致氮氣通過分子篩之間的間隙和吸附塔邊壁流向產(chǎn)品端，在均壓后導(dǎo)致低壓吸附塔產(chǎn)品端的氧氣濃度較低，這也解釋了第一次保壓時間在0.3 s后氧氣濃度急劇下降的現(xiàn)象.而第二次保壓過程后為高壓吸附塔產(chǎn)品端與低壓吸附塔進(jìn)氣端均壓，這個過程主要是使富氧氣體盡量多地從高壓吸附塔進(jìn)入低壓吸附塔.

圖2　兩次保壓時間對氧氣濃度的影響Fig.2　The effect of two-stage dwell time on oxygen concentration

2.2均壓時間對氧氣濃度的影響

當(dāng)系統(tǒng)氧氣流量為6.0 Nm3/h時，兩步均壓時間對氧氣濃度的影響如圖2所示.從圖3可知，兩步均壓時間對氧氣濃度均有較大的影響，對于本文的實驗設(shè)備，第一步均壓時間為0.5 s，第二步均壓時間為2.4 s較為理想.實際上，由于產(chǎn)品端均壓容易導(dǎo)致不純氧氣進(jìn)入低壓吸附塔，因此在需要保持氧氣濃度穩(wěn)定性的情況下，第一步均壓時間不宜太長.但通過實驗也發(fā)現(xiàn)，兩步均壓時間的長短與氧氣濃度的穩(wěn)定性，氧氣緩沖罐的大小，以及分子篩的用量等都有關(guān)系，只研究兩步均壓的基本方式，對此不作專門述說.

圖3　兩步均壓時間對氧氣濃度的影響Fig.3　The effect of two-stage pressure equalization time on oxygen concentration

2.3兩步均壓對氧氣回收率的影響

氧氣回收率根據(jù)如下公式計算：

(1)

式中N1與C1表示產(chǎn)品氣(文中所述氧氣，以下同)流量和產(chǎn)品氣中氧氣濃度，而N2與C2表示空氣流量和空氣中氧氣濃度.

表1列出了氧氣流量為6.8 Nm3/h時兩步均壓與產(chǎn)品端均壓時儲氧罐中的氧氣濃度.表2列出了高濃度區(qū)兩步均壓與產(chǎn)品端均壓時的氧氣流量和氧氣濃度.

在計算氧氣回收率時，空氣流量視為空壓機(jī)的標(biāo)稱流量，即66 Nm3/h.根據(jù)表1和表2以及公式(1)，即可算出氧氣回收率.

表1　氧氣流量為6.8 Nm3/h時不同均壓方式下的氧氣回收率

表2　氧氣濃度約93.5%時不同均壓方式下的氧氣回收率

通過計算可知，當(dāng)流量為6.8 Nm3/h時，兩步均壓比產(chǎn)品端均壓的氧氣回收率多了2.5%，而當(dāng)氧氣濃度維持在93.5%左右時，兩步均壓比產(chǎn)品端均壓的氧氣回收率多了4.9%.

2.4氧氣濃度類激波的形成

許多實際工業(yè)應(yīng)用中，對氧氣濃度的穩(wěn)定性有很高要求，需要維持在90%甚至93%以上.在吸附階段，吸附塔頂部的高純氧氣進(jìn)入氧氣緩沖罐，因此在吸附過程中吸附塔接近產(chǎn)品端區(qū)域的氧氣濃度維持在一個較為恒定的值(本文稱為類激波)非常關(guān)鍵，否則會拉低氧氣緩沖罐中的氧氣濃度值.圖4(a)～(d)為采取兩步均壓時A吸附塔頂部探測口氧氣濃度與氧氣緩沖罐中氧氣濃度隨運行時間的關(guān)系，對應(yīng)的氧氣流量分別為7.2，6.8，6.4和6.0 Nm3/h.圖4(e)為圖4(d)的局部放大圖，而圖4(f)為單純產(chǎn)品端均壓時吸附塔頂部氧氣濃度隨運行時間的關(guān)系，此時產(chǎn)品氧氣流量為5.3 Nm3/h.圖4(d)和(e)以及圖4(f)的采集周期為50 ms，其余采集周期為1 s.從圖4(a)～(d)可看出，當(dāng)氧氣流量較大時，吸附塔產(chǎn)品端的氧氣濃度隨時間先急劇增加再急劇減少，即在吸附階段吸附塔近產(chǎn)品端區(qū)域從產(chǎn)品端開始氧氣濃度先急劇增加再急劇減少，直接影響到氧氣緩沖罐中氧氣濃度的穩(wěn)定與高低.隨著氧氣流量逐漸減少，氧氣濃度變化越平緩，儲氧罐中的氧氣濃度越接近濃度峰值.當(dāng)氧氣流量等于6.0 Nm3/h，吸附塔近產(chǎn)品端的氧氣濃度隨運行時間變化非常緩慢，氧氣濃度從最高的93.79%到均壓前的93.18%，在約27 s的時間里僅緩慢下降0.61%，氧氣濃度基本保持不變，接近于激波的形成，本文稱該現(xiàn)象為類激波.

而圖4(f)可知，當(dāng)采取單純的產(chǎn)品端均壓，氧氣為5.3 Nm3/h時，雖然產(chǎn)品端在吸附階段的氧氣濃度峰值達(dá)到93.71%，與兩次均壓6.0 Nm3/h時相差無幾，但在吸附階段，氧氣濃度先增加而后減少，且減少的速度較快，減少的幅度也大為增加，從最高的93.71%降低到92.79%，差值接近達(dá)0.92%.結(jié)合表2，采取可知，采取單純的上均壓，最終產(chǎn)品氧氣的濃度與最高值的差值明顯大于采取兩步均壓時的差值.

圖4　氧氣濃度隨運行時間的關(guān)系Fig.4　The relationship between the oxygen concentration and the running time

這充分說明，采用兩次均壓的方式，能有效地從根本上控制吸附塔內(nèi)氧氣濃度的波動.實際上，由于第一次均壓時間短，僅有少部分不純氣體流入低壓吸附塔的頂部，且這部分氣體在升壓過程中最先進(jìn)入了低壓吸附塔吹掃氮氣，由于這部分氣體為吹掃氣體的最前端，隨著吹掃的進(jìn)行，接近被吹掃吸附塔進(jìn)氣端而不會影響被吹掃吸附塔頂部的氧氣濃度(不完全反吹并不需要反吹完成后進(jìn)氣端氧氣濃度非常高).我們知道，真正進(jìn)入氧氣緩沖罐中的氣體為吸附壓力升高并基本穩(wěn)定后的高純氧氣.第二次均壓為高壓吸附塔的產(chǎn)品端與進(jìn)氣端均壓，雖然氧氣純度不高，但由于是進(jìn)入了進(jìn)氣端，且遠(yuǎn)高于空氣中的氧氣純度，因此第二次均壓也不會影響產(chǎn)品端的氧氣純度.而如果采用單純的產(chǎn)品端均壓，很容易使一些純度不純的氣體帶入低壓吸附塔，從而在吸附階段，吸附塔頂端的氧氣濃度很難形成一個類激波，導(dǎo)致濃度波動較大.

形成類激波或激波在工業(yè)上有著重要意義，因為只有形成激波或者類激波才能確保產(chǎn)品氣的濃度達(dá)到或接近吸附塔中的最高濃度值；此外吸附塔頂部的濃度本身非常穩(wěn)定時，不需要一個較大的氧氣緩沖罐去平衡氧氣濃度，從而可以對氧氣緩沖罐進(jìn)行小體積設(shè)計，這樣會大大降低開機(jī)時間并節(jié)省能耗.

3結(jié)論

(1) 兩步均壓方式中，第二段保壓時間遠(yuǎn)長于第一段保壓時間，第二段均壓時間遠(yuǎn)長于第一段均壓時間.

(2) 當(dāng)氧氣濃度在93.5%左右時，采取兩步均壓時的氧氣回收率比單純的產(chǎn)品端均壓高出4.9%.

(3) 采取兩步均壓更利于吸附塔中氧氣濃度的穩(wěn)定，當(dāng)溫度濕度等基本不變時，吸附塔頂部氧氣濃度在27 s的時間內(nèi)僅下降0.61%左右，且下降趨勢平穩(wěn).而采取單純的產(chǎn)品端均壓時，氧氣濃度先上升后下降，最高值與最低值相差0.92%.因而采取兩步均壓既可以使氧氣濃度維持在高濃度區(qū)，又可以減少設(shè)備的開機(jī)時間和有效地降低開機(jī)能耗.

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(編輯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

中圖分類號TQ028 15

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1000-2537(2016)02-0053-06

*通訊作者,E-mail：13852924680@163.com

基金項目：科技型中小型企業(yè)創(chuàng)新基金項目(12C26215406526)；西藏自治區(qū)科技計劃項目(藏科發(fā)[2014178])

收稿日期：2016-01-19

DOI:10.7612/j.issn.1000-2537.2016.02.009