接上篇

3. VPSA 制氧装置工艺技术

3.1 制氧工艺原理

加压空气通过装有锂基吸附剂的吸附器时，因吸附剂对 N₂ 的吸附能力比对 O₂ 大很多， N₂ 被优先吸附， O₂ 由于四极矩小，吸附量相对较小，从而在流出的气相中浓缩，最终得到氧气产品。当锂基吸附剂达到吸附终点时， N₂ 饱和吸附，此时停止空气进入并降低吸附塔内的压力，使得 N₂ 从吸附剂内解吸出来，解吸气通过真空泵排出，吸附剂则完成再生，进入下一个吸附周期，实现 N₂ 和 O₂ 的连续操作。采用两个吸附器交替吸附和解吸，可以实现 O₂ 持续稳定输出。

3.2 制氧工艺流程

单个吸附塔进行产氧操作时需要经历吸附、均压降、解吸、冲洗、均压升等主要步骤 。当双塔工作时，其中一个吸附塔处于吸附产氧状态，另一个吸附塔处于真空解吸状态。通过程序控制阀门切换，实现双塔工艺步骤的交替循环，进行连续供氧。双塔时序状态及工艺循环步骤示意图见表 2 及图 8。

Air Liquide 专利（US Patent 3155468）提出用真空解吸步骤代替冲洗再生步骤，在此时序下与Skarstrom 循环相比较，纯度相同的情况下，该工艺提高了氧气产量，收率可达 51%。压力比（吸附压力与解吸压力之比）是影响变压吸附工艺参数（如纯度和收率）的主要因素之一，控制压力比可有效降低生产能耗 。

周理等提出设置中间均压罐的新型变压吸附流程，主要特征是避免吸附塔之间的均压关联，解除了吸附塔之间的耦联，使得循环中每个步骤延续时间拥有较大的自由度，在低吸附压力下具有良好的吸附分离效果。

在 VPSA 制氧流程中，分子筛抽真空解吸完成后，仍会存在部分分子筛再生不完全的现象，通过清洗可提高分子筛再生效率。刘应书等研究对比了 VPSA 制氧有清洗步骤与无清洗步骤对氧气浓度的影响，表明有清洗时氧气浓度可提高 10% 左右。另外，清洗次数及时间对氧气收率的影响较大，当间歇式清洗2次、间歇时间约 0.3 s 时，收率可提高约 5%。

程兆光研究了变压吸附制氧技术在生产运行中的参数变化，采用 Power 模型的预测结果与实际运行数据相比偏差较小（约 3%），其数据回归模型具有良好的实用性。

田涛等研究了清洗孔径大小对氧气纯度和收率的影响。清洗气量可通过清洗管道的孔径大小来调节，增大孔径可以提高氧气纯度，但孔径过大会导致氧气收率下降，选择合适的孔径可以在保持氧气纯度的前提下尽量减小对收率的影响。

马帅等研究了高原环境下低气压和低温度对制氧工艺的影响，结果表明最优吸附时间和均压时间随着海拔上升而增大。通过统计分析，揭示了进气量、吸附时间和均压时间三因素之间的作用对制氧工艺的影响。

张全立等研究了不同海拔高度下制氧工艺参数影响因素，海拔增加气压越低越有利于解吸，回收率升高；在同一海拔下，参数优化后回收率提升幅度大于 32%。实验证明，产氧效率随海拔高度变化的曲线与环境气压比变化曲线基本吻合。

祝显强等对比研究了高原环境下 VPSA 与PSA 性能差异性，在海拔为 3800 m、氧气纯度为93% 的条件下， VPSA 能耗为 0.68 kW/m³（标）（纯氧），PSA 能耗为 1.21 kW/m³（标）（纯氧）； VPSA 氧气回收率较高，约为 54%，但噪声相对较高； VPSA 相较于 PSA 更适用于高海拔地区大型制氧装置。

Cynthia 等介绍了 PSA-O₂ 在军用飞机及城市固废领域上的最新成果，采用沸石结构吸附剂与碳分子筛复合床层构造产出的氧气纯度可达 99.7%，且微型压缩机运行功能均符合军用飞机的相关要求，具备替代飞机上的液氧系统的潜力。 PSA 富氧固废焚烧技术可以有效降低 CO₂ 浓度，提高燃烧效率，且运行成本较低。

R.R. Vemula 等研究了单塔快速变压吸附制氧实验装置（图 9），在相同空气进气压力和相同吸附剂含量下，与常规装置相比，单塔快速实验装置可提高氧气产量 55.7%，且该装置循环时间缩短至 6～8 s。在结构设计上，该装置简单、易于维护，可应用于医疗中心、轮船、军机等领域。

Tian T. 等研究了旋转分配阀与六床变压吸附耦合工艺（图 10），其相比于两床或四床工艺，具有提高了生产效率、节约空间等优点。研究通过数学模型模拟求解最佳的工艺参数，并经中试验证了工艺参数的准确性，最终氧气回收率超过 57%，纯度大于93%。

综上所述，通过对现有运行装置的探索改进，分析各时序步骤之间的关联因素，可进一步提高制氧工艺性能。其中，清洗对吸附剂的再生影响较大。另外，在高原环境下制氧装置运行参数得到进一步积累，为开发适应高原环境的大型制氧装置提供了丰富的实践数据支持。

3.3 新型制氧工艺研发及模拟

VPSA 制氧过程是一个动态过程，吸附塔交替循环产氧。但在制氧装置稳定运行后，相应的参数不一定处于最优状态，需要经过调试及实验等摸索得出最佳工艺参数。而变压吸附数值模拟可以提供有效的调试方向，进而减少人力和物力的投入，同时为新型变压吸附制氧工艺的研发奠定坚实的基础。模拟计算主要由两部分构成，即建立模型和求解模型。表 3 和表4 对常用模型及求解方法进行了汇总统计。

Yang 等在总结了自己实践成果的基础上逐步建立了数学流程模型，为分离过程的优化奠定了基础。Luberti 等研究了吸附塔内能量守恒变化规律，提升了吸附塔动态变化计算的准确性。 Ko 等研究了吸附过程质量守恒定律变化规律，阐释了不同流速时对吸附塔内各组分的温压的影响规律。偏微分方程组的计算是对求解模型的主要方法之一，而求解方程组的过程主要涉及离散形式和离散方法的选择。其中离散形式可分为部分离散与全离散，离散方法主要包括有限元法、有限差分法及有限体积法。对于变压吸附工艺函数的优化，可采用单一变量或多个变量线性组合的目标函数，或进行多目标函数的优化计算。

Biegler 等人研究了有限差分法、有限体积法和有限元法在变压吸附模拟中计算精度的差异性。有限体积法在真空变压吸附工艺过程中相对准确；对于二维或三维的流体计算，有限元法准确度相对较高；而有限差分法在计算过程中收敛性表现较好。Ding 等研究了变压吸附和变温吸附循环稳态模拟计算的优化算法。 Cruz 等研究了基于自适应计算方法模拟真空变压吸附流程，利用精细化网格和网格自适应策略，减小了计算过程中的误差 。IvWesterberg 以能耗最小为目标，利用非线性规划模型进行计算，通过对吸附塔数量、吸附压力以及均压时间等多目标函数的模拟计算，得出综合能耗可减小约25%。Sankararao 和 Gupta 等研究了多目标优化模型，得出最优条件下的吸附（解吸）压力、吸附与清洗时间，以及吸附过程中各步骤的最佳质量流量。

汪亚燕等通过 Aspen Adsorption 模拟了双回流变压吸附分离轻重组分工艺，计算了轻重组分回流量对氧气和氮气纯度和回收率的影响（图 11）。在轻组分回流 0.1 L/min 和重组分回流 5.22 L/min 条件下，能够得到纯度为 95.67% 的氧气和纯度为 98.25% 的氮气。

丁兆阳等通过 Aspen Adsorption 模拟了变压吸附中动态传质系数的变化。随着温度和气速的升高，传质系数与塔内气速呈现出一致的上升趋势。Benkirane 等研究了使用 Aspen 模拟仿真 PSA 制氧过程（图 12），介绍了锂基吸附剂相比于其他结构吸附剂具有较高的氧气纯度，产量稳定且波动范围较小。氧气纯度高于 90% 即可满足医疗用氧要求，而在 29 mol/min 的流量下，该系统可有效满足医院的现场制气需求，相比于液氧低温设备具有成本优势 。

邢瑞等研究了使用 gPROMS 软件模型设计MPC 控制器，用来预测 VPSA 动态过程的纯度扰动因素。加入 MPC 控制后，系统仅需约 25 个周期便可使氧气纯度达到 92%。这表明 MPC 控制器可有效减少制氧过程中的外部因素对纯度的影响。

Gabriel J. 等采用 gPROMS 软件建立了变压吸附分离过程模拟模型，该模型能够计算单组分和多组分吸附动力学行为，并分析了吸附塔内的死区对纯度、生产率和回收率的影响。模型和 PSA 实验数据相吻合。该模型数据可优化操作条件，指导不同氧气纯度需求下的工业设计。

Mykhailo B.K. 等研究了变压吸附的波动吸附模型，波动方程可以把 PSA 运行过程做整体考虑，从而简化模拟方程组的求解计算，在机理上解释了PSA工业装置在回收率＞40% 条件下获取高纯度氧气的运行过程。

综上所述，选择变压吸附制氧工艺模型及工艺目标求解方法是研发新工艺的最佳途径，可有效减少资金投入，提高新工艺的成功率。对模拟数据的分析可以有效指导搭建实验装置的方案，进一步验证模拟数据的有效性。

4 结论

文章综述了变压吸附制氧吸附剂最新研究成果，介绍了制氧工艺核心设备吸附塔的应用和研究进展，同时论述了 VPSA 制氧装置工艺流程的优化及新工艺的研发和模拟。吸附剂制备工艺的优化、吸附塔的优化设计及工艺流程的优化是提高变压吸附制氧装置性能的最佳途径之一，未来新型制氧装置工艺技术研究可以从以下几方面拓展。

1）进一步解决 Li⁺ 离子利用率低、生产成本高等问题，开发新型锂基吸附剂在制氧装置上的应用前景。同时，碳分子筛的发展也为变压吸附制氧装置工艺流程优化提供了广阔的空间。

2）通过对吸附塔的模拟数据分析，研究吸附剂的粒径分布及塔内件结构差异对氧气浓度和塔内流场的影响，利用计算结果推动径向吸附塔实验装置的优化。

3）进一步完善优化设计流程以解决氧气回收率、能耗、投资、智能化等方面的问题。积极分析研究新工艺模拟数据，利用优化结果探索制氧实验装置，得出相关实验工艺参数，为进一步推动工业化验证装置的优化奠定基础。

4）随着科学技术的发展，氧气产品的应用领域在不断拓展，大型制氧和超大型制氧装置在高原地区具有广阔的应用前景。