1真空变压吸附制氧技术原理

1.1 真空变压吸附制氧技术

真空变压吸附制氧技术是一种新型的从空气中分离制取氧气的技术，真空变压吸附（VACUUM PRESSURE SWING ADSORPTION，简称VPSA），它是利用空气中不同组分在吸附剂上的吸附容量不同而产生的气体分离，吸附剂在压力升高时进行选择性吸附，在压力降低至负压时得到脱附再生。

真空变压吸附制氧设备是以电力为动力、空气为原料，利用分子筛在加正压状态下对氮气的吸附容量增加，负压时对氮气的吸附容量减少的特性，通过对两组吸附器切换作用，形成正压吸附、负压脱附的循环过程，实现空气中氧气、氮气的分离，连续制取所需要的工业氧气。

真空变压吸附制氧过程为物理吸附过程，无化学反应，无环境污染，是一种理想的供氧方式。整个制氧过程相对于传统的深冷法制氧方式，具有结构简单、工艺流程简单、使用操作方便、设备启动迅速、常温低压运行、安全可靠、能耗低、制氧成本低等显著优点。

1.2两塔真空变压吸附制氧设备工作过程

真空变压吸附制氧设备是以空气为原料，经空气过滤器进入罗茨鼓风机，升压后进入已经再生完毕处于工作状态的吸附器。在吸附器内，空气中的水分、二氧化碳等分子气体优先被吸附，干燥空气再通过制氧专用分子筛后，空气组分中的氮气被分子筛吸附，氧气在吸附器出口富集，富氧通过调节阀稳压处理进入缓冲罐，缓冲罐出口富氧经过氧气压缩机升压达到所需的压力要求，高压富氧气冷却后，通过氧气储罐再送至用氧用户。为获得连续稳定的产品氧气，真空变压吸附制氧设备设置两组吸附器交替产氧，一组吸附器产出氧气时，另一组吸附器对吸附剂抽真空，处于再生状态，吸附器在真空泵作用下氮气脱附，排出的富氮组分经过消音处理排至室外。

1.3 适用范围

本设备为各种规模工业用氧气装置，提供纯度80%-93%左右富氧。

2 真空变压吸附制氧设备的基本组成

真空变压吸附制氧设备包括径向吸附器系统、动力系统(鼓风机、真空泵)、仪表电气系统、氧气缓冲罐、氧气增压系统（非必须）、电气控制系统、水系统等七大部分组成。（工艺流程图见附图1）

附图1

2.1 径向吸附器系统

氧氮分离装置是制氧设备的主要部件，主要由两个交替工作的吸附器和气动切换蝶阀、气动调节蝶阀、手动蝶阀等部件组成。根据高效专用制氧分子筛对空气中氮气、氧气分子的吸附容量不同，在正压吸附和负压脱附过程中实现氧氮分离，而正压吸附与负压脱附过程由可编程控制器按一定程序控制电磁阀并由电磁阀控制相应的气动阀自动运行，连续产出氧气，真空泵抽排出氮气和其它组分气体。

2.1.1吸附器组件

双吸附器结构满足客户连续用气需求，吸附器内部填装脱水分子筛、LiX分子筛，保证空气有效分离，满足产气需求。

2.1.2气动切换蝶阀

通过控制系统对电磁阀进行控制，周期性切换两塔进出气，保证设备正常稳定运行。

2.1.3气动调节蝶阀

设备均压/清洗过程中为了保证均压/清洗效果设置气动调节蝶阀，阀门据有等百分比可调节性，零泄漏，寿命长等优点。

2.2 动力系统-鼓风机

作为整套设备的进气动力部件鼓风机，为氧氮分离系统提供合适的正压气源气体将对之后的系统稳定有效工作起到重要作用。鼓风机系统包括入口空气滤清装置、鼓风机主体及配套电机、旁路气动切换蝶阀及手动蝶阀、换热器、波纹管接头（或弹性接头）等成套设备。

2.2.1鼓风机主体及配套电机

罗茨鼓风机是一种容积式气体鼓风机，机壳内两个叶轮彼此保持一定的啮合间隙，通过同步齿轮带动作等速反向旋转，达到把吸入气体从进口推移到出口，并克服出口侧高压气体阻力而强制排气的目的。

在机壳内，有两个“8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动做彼此反向的同步旋转运动。在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙。

罗茨风机的关键零件是转子，而转子的关键是它的型线，叶轮采用新型特殊型线，保证了两叶轮啮合间隙均匀，减少内泄漏，提高了容积效率。另外同步齿轮与轴承、四氟密封等高精度、高性能零部件确保设备稳定，低振动运行。

配套电机采用三相异步电动机，电动机防护等级IP23-IP54，绝缘等级F级。具有高效、节能、噪音低、振动小、重量轻、性能可靠、安装维修方便等优点。

2.2.2旁路气动切换蝶阀及手动蝶阀

变压吸附过程中为了提高产品气的回收率，两只吸附器存在一定时间的均压过程，均压过程鼓风机旁通排空，另在鼓风机停车时防止气流返流需要先行旁通泄压保护，故设置一旁路，气动切换蝶阀由程序控制进行对外排空操作，另外为了对鼓风机出口压力进行有效调节，设置一旁路手动蝶阀。

阀门采用双偏心硬密封气动蝶阀，可适应短周期频繁切换，阀体有无泄漏，寿命长，切换时间短等优点。

2.2.3换热器

空气经鼓风机升压后出口温度在65℃左右，分子筛的最佳工作状态在30~40℃，为了保证分子筛的有效利用，需对加热空气进行热交换。

2.2.4波纹管接头

罗茨鼓风机运行过程不可避免的产生较大的震动，为了减少震动跟后续设备带来的影响及减少震动带来噪音。在鼓风机进出口安装配对的弹性接头和波纹管接头。

2.3 动力系统-真空泵

分子筛吸附达到动态饱和状态之后必须进行解吸再生，制氧分子筛被证明在负压真空状态下有更好的解吸再生效果，真空泵系统是整套系统不可获缺的重要部分。真空泵系统包括真空泵主体及配套电机、旁路气动切换蝶阀及手动蝶阀、波纹管接头（或弹性接头）、成套设备。

2.3.1真空泵主体及配套电机

罗茨真空泵是一种旋转式容积真空泵。其结构形式是由罗茨鼓风机演变而来的。工作原理与罗茨鼓风机相同。

2.3.2旁路气动切换蝶阀及手动蝶阀

真空泵在停车时为了防止气流返流需要先行旁通泄压，做到零压启动，零压停机，设置一旁通阀进行控制，另外为了对真空泵抽气压力进行微量调节，设置一旁路手动蝶阀。

阀门采用软密封切换蝶阀，可适应长时间切换下的零泄漏要求。

2.3.3波纹管接头

罗茨真空泵运行过程不可避免的产生较大的震动，为了减少震动跟后续设备带来的影响及减少震动带来噪音。一般我们在真空泵进出口安装弹性接头或者波纹管接头。

2.4 仪表气系统

气动蝶阀，气动调节蝶阀在自动控制切换过程中均需要0.5-0.7MPa左右仪表气源作为气缸驱动力，本系统由气源处理过滤器、储气罐等部件构成；为了保证设备的开工率，对于需经常维护保养的过滤装置增设旁通阀。

2.5 氧气缓冲罐

氧气缓冲罐主要由氧气缓冲罐、孔板流量计、氧气纯度分析仪、调节阀、压力传感器等组成。

氧气缓冲罐是减缓吸附器压力波动过大和稳定产品气压和纯度的主要措施。

2.6 氧气增压系统（非必须）

氧气增压装置是由氧气专用蝶阀、氧压机等组成，其主要作用是对产品氧气进行增压达到用户用气压力并输送给氧气储罐。

氧气储罐组件由氧气储罐、阀门、压力表、安全阀等组成，其主要作用是贮存部分产品氧气，保证氧气的稳定输出，并当因意外情况造成设备停机时的短暂供氧，防止供氧系统瘫痪。

2.7 电气仪表控制系统

电气仪表控制系统包括工控机、电控柜、仪控柜、可编程控制器PLC、电磁阀、指示灯、控制按等。

设备按照可编程控制器PLC编辑的程序自动运行，控制电磁阀的得失电，通过气控系统控制气动阀的开和关。并采集和处理各种信号，显示设备各种运行状态。用户可以在工控机上设置或更改控制参数，并可设定、显示设备运行状态。

2.8 水系统

水系统通常由循环水系统和密封水系统两部分组成，循环水系统主要由冷却塔、水泵、过滤器、进回水管路及配套阀门组成，为整个系统提供冷却的循环水。密封水系统主要为了给真空泵叶轮提供水增加密封，从而使解吸过程获取更高真空度，通常采用软水或者除盐水，软水和除盐水制取系统由各配套厂家提供。