微型PSA制氧技术试验研究

D0I:10.13374j.issn1001-053x.2001.06.019 第23卷第6期 北京科技大学学报 VoL23 No.6 2001年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2001 微型PSA制氧技术试验研究 刘应书”乐恺》冯俊小》侯庆文) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832H北京科技大学信息工程学院，北京100083 摘要研究了微型变压吸附PSA)制氧时空气量、分子筛、吸附时间、吸附塔高径比等因素 对产品气浓度和流量的影响.产氧量与空气量之比约为15~18，氧气收得率约为25%~30%.分 子筛品种对制氧效率有重要影响，分子筛量与产氧量基本成线性关系.对于给定的条件，存在 最佳的吸附时间.高径比对产品气浓度的影响与产氧量有关，浓度随高径比增加而增加 关键词PSA;制氧；气浓度 分类号TQ116.14 变压吸附(PSA)技术自60年代开发应用以 剂及其数量、吸附与解吸时间、吸附器结构、吸 来，发展非常迅速，已经在空气分离制氧制氮、 附与解吸压力以及空气的流量、温度与湿度等. 氢气提纯、二氧化碳提纯、一氧化碳提纯、天然 12试验内容及试验方法 气净化、煤矿瓦斯气处置等方面得到广泛的应 以产氧量、氧气含量作为研究对象，考察其 用四.在制氧方面，目前主要向大容量技术、微型 随表1所示参数以及吸附压力、吸附时间、压缩 制氧技术、高浓度制氧技术三大方向发展四.微 空气温度、环境温度与湿度等因素的变化与产 型PSA制氧技术在医疗保健、家庭氧疗、室内 氧量和氧含量之间的关系.为了便于讨论，所涉 环境、高原补氧、科研氧源以及养殖业用氧等方 及的有关参数都作了量纲为一化处理.试验装 面有着广泛应用前景，并越来越得到重视，成为 置如图1所示，空气经过滤、压缩、冷却后分配 研究开发的活跃领域).由于微型PSA制氧技 进入吸附塔分离，富氮空气经消声后排出，产品 术主要面对民用市场，广泛用于家庭、办公室等 气体由流量计计量并用测氧仪检测其含量.流 场所，除了应满足制氧含量和流量的基本要求 量计是玻璃转子氧气流量计.测氧仪为YHL-2 外，还要受到设备体积、成本、噪声等方面的严 智能测氧仪. 格限制.因此，以氧流量和氧含量为中心的传统 的变压吸附技术已经不能满足要求，必须研究 更高效、更紧凑、更先进的技术 1试验研究 1.1变压吸附原理 PSA制氧是根据吸附剂对空气中氧、氨等 不同气体在吸附量、吸附力、吸附速度等方面的 差异，以及吸附容量随压力变化而变化的特性， 在加压条件下，吸附氮气、二氧化碳、水蒸气等 气体，并从中分离氧气（吸附）；然后在降压条件 下脱附各种组分，实现吸附剂的再生（解吸）.微 1过滤器，2压缩机，3限压阀，4冷却器，5,11,14压力表， 型PSA制氧就是按照这个原理在一定的工艺技 6,10,15流量计，7控制阀，8,9吸附塔，12储氧罐，13减压阀， 术条件下以空气为原料连续不断制取氧气.影 16测氧仪，17消声器 响微型PSA制氧工艺的参数较多，主要有吸附 图1试验流程 收稿日期200106-15刘应书男，41岁，教授，博士后 Fig.1 The work flow of expriments

DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2001. 06. 019

·550· 北京科技大学学报 2001年第6期 表1试险参数及其变化值 小时，氧质量分数随着产氧量的增加而迅速下 Table 1 Experimental parameters and their variant value 降，因此，要获得一定流量和质量分数的产品 水平空气量/min)高径比分子筛类型分子筛量g 气，选择相当流量的空气压缩机是很重要的. 0.8 2.98 FZSI 0.8 2.2分子筛的影响 1.1 3.73 FZS2 12 图4是分子筛品种对氧质量分数和氧产量 1.4 5.97 FZS3 1.86 的影响曲线.由此可见，这3种分子筛都可以用 4 2.3 于微型变压吸附制氧，但在制氧效果上有较大 2结果和分析 的差别.在本实验条件下，FZS3效果最好，FZS2 次之，FZS1不能获得氧质量分数大于90%以上 通过上述试验，得到了氧气流量和氧气质 的产品气.对于同品牌的分子筛，其量一定时， 量分数随空气流量、分子筛种类及其质量、吸附 产氧量增加，产品气的质量分数降低.其中FZS1 时间、吸附器高径比、吸附压力、空气温度、湿度 和FZS2在相对产氧量小于3的范围内，氧质量 等因素变化的结果.限于篇幅，这里给出前4种 分数下降梯度较小，而当产氧量大于3后，氧质 参数的结果并进行讨论，其他结果与分析将另 量分数几平成线性递减.这说明使用一定量的 文报道 分子筛，可以获得一个最大的产氧量.图5给出 2.1空气量对氧质量分数的影响 了最大产氧量与分子筛量的关系.可见，在微型 图2为产氧量随空气量的变化关系.由图 变压吸附制氧条件下，最大产氧量与分子筛量 可知，产氧量随空气量增加而呈线性增加.进一 基本成线性关系 步的分析可知，其增加的比例，即产氧量与空气 量之比为15~18，氧气收得率约为25%一30%.图 100 FZS3 3是不同产氧量下氧质量分数与空气量的关系. g0 FZS2 可以看出，氧质量分数与空气量也有重要的联 FZS1 80 系，在相同的产氧量下空气量大，氧质量分数 高，空气量小，氧质量分数则低.而且当空气量 7 60 3 2 相对产氧量 2 图43种分子筛的影响 Fig.4 Effects of 3 species of molecular sieve 0 0.8 1.0 1.2 1.4 相对空气量 图2产氧量与空气量的关系 Fig.2 The relation between relative oxygen content and 礼 relative air rate 100 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 90 相对吸附剂量 80 相对空气量 2 图5分子筛量对产氧量的影响 10.8 Fig.5 Effects of the amount of molecular sieve on the rate 2-1.1 of oxygen generation 60 3-1.4 50 2.3吸附时间的影响 3 确定合适的吸附时间是很重要的.由图6 相对产氧量 图3不同产氧量下复与空气量的关系 可以看出，氧质量分数随着吸附时间的增加先 Fig.3 Relation between oxygen and air flow rate under dif- 增加后减小，中间存在一峰值.这是因为吸附时 ferent orygen generation rate 间短，吸附尚未完成，解吸也没有进行完全，产

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 1 年 第 6 期 衰 1 试 脸 . 傲及其变 化值 几b l e 1 E x eP r im e . t a l件 r a m e t e几 a n d t h e泛r v a 血 . t v a l u e 水平 空气量l(/ · m i n 一 ’ ) 高径比 分子筛类 型 分子筛量g/ 1 0 . 8 2 . 9 8 F Z S I 0 . 8 2 1 . 1 3 . 7 3 F Z S 2 1 . 2 3 1 . 4 5 . 9 7 F Z S 3 1 . 8 6 4 一 一 一 .2 3 2 结果和分析 通 过上述试验 , 得到 了氧气流 量 和 氧气质 量分数 随空 气流量 、 分子筛种类及其质量 、 吸附 时间 、 吸 附器高径 比 、 吸附压力 、 空气温度 、 湿度 等因 素变化 的结果 . 限 于篇幅 , 这里给 出前 4 种 参数 的结果并进行讨论 , 其他结果 与分析将另 文 报道 . 2 . 1 空气 , 对权质 , 分数的影 响 图 2 为产氧量 随空气量 的变化关 系 . 由图 可 知 , 产氧量随空 气量增加而 呈线性增加 . 进一 步的分析可知 , 其增加的比例 , 即产氧量与空气 量之 比为 1 5一 1 8 , 氧气收得率约为 25 % 一 3 0 % . 图 3 是不 同产氧量下 氧质量分数与空气量 的关系 . 可 以 看 出 , 氧质量分数与 空 气量 也有 重要 的联 系 , 在相 同的 产氧量下空 气量 大 , 氧质量分数 高 , 空 气量 小 , 氧质量分数则低 . 而 且 当空 气量 小 时 , 氧质量分数随着产氧量的增加而迅速下 降 . 因此 , 要获得一 定流量和质量分数 的产品 气 , 选择相 当流量 的空 气压缩机是很 重要 的 . 2 . 2 分子筛的影响 图 4 是分子筛品种对氧质量分数 和氧产量 的影 响曲线 . 由此 可见 , 这 3 种分 子筛都可 以用 于 微型 变 压吸 附制 氧 , 但在制氧效果上 有较大 的差别 . 在本实验条件下 , F Z s3 效果最好 , F z sZ 次之 , F Z sl 不 能获得氧质量分数 大于 90 % 以上 的产品气 . 对于 同品牌的分子筛 , 其量一 定时 , 产氧量增加 , 产品气的质量分数降低 . 其中 F Z SI 和 F Z SZ 在相对产氧量小于 3 的范围 内 , 氧质量 分数下降梯度较小 , 而 当产氧量大于 3 后 , 氧质 量分数几乎成线性 递减 . 这说 明使用一定量 的 分子 筛 , 可 以 获得一个最大 的产 氧量 . 图 5 给出 了 最大产 氧量与分子 筛量的关系 . 可见 , 在微型 变压吸 附制氧条件下 , 最 大产氧量 与分子筛量 基 本成线性关系 . 弃子 相 对产氧 飞 量 圈 4 3 种分子 筛的影 响 F ig · 4 E l云沈扭 o f 3 5声c 妞 5 o f m o l ec u la r s i ve e / 肉ù、`, , 几. 咽嘛忆友奥 嘛忆咽友罕 0 1 1 1 1 ! 0 . 8 1 . 0 1 . 2 1 . 4 相对 空 气 t 圈 2 产 权. 与 空 气 , 的关 系 Fig . 2 Th e er al ti o . be wt e n 邝 l a ivt e o x y g e n e o n t e n t a n d er 加 ti v e a i r r日 t e 10 0奋一~ 一一一` l 相对 空气量 ! 一刊〕 . 8 2一 1 . 1 3一 1 . 4 丈 \ \ 相对吸附剂量 圈 5 分 子筛 , 对产 权 . 的 影响 Fi g . S E们阳e t , o f t h e a m o u n t o f m o l e e u al r , le v e o n t h e ar t e o f o x y g e n g e n e r a 如 n 相对产氧量 圈 3 不 同产 权 . 下叙与 空气t 的关 系 F地 · 3 R e la ti o o b eWt e e n 0 x y ge n a n d a i r n o w r a t e u n d e r d i -f fe 代 n t o x y g e n g e n e r a ot n r a t e 2 .3 吸附时间 的影响 确定 合适 的 吸 附时间 是很重要 的 . 由图 6 可 以 看出 , 氧 质 量分数随 着 吸 附 时 间 的增加 先 增 加后减 小 , 中间存 在一 峰值 . 这是因 为 吸 附时 间短 , 吸 附 尚未完成 , 解吸也没 有进行完全 , 产 日ǎ 9Rn0o 126 亡、ù 岁\沁

VoL23 刘应书等：微型PSA制氧技术试验研究 551 品气含量不高.此时，增加时间有利于增加产品 越大，高径比的影响越显著.而当产量较小时， 气含量.吸附时间增加到一定值后，吸附达到饱 高径比增大，氧质量分数的变化不明显.因此， 和，氨气逐渐穿透吸附层，产品气中氨气逐渐增 在设计更为微小的制氧机时，可以尽量地降低 加，因而氧质量分数随着吸附时间的增加而下 吸附器高度.这对减小制氧装置的体积具有重 降，氧质量分数的最高点所对应的吸附时间，应 要意义. 是该条件下最佳的吸附时间.不同条件下，最佳 吸附时间还需要由试验确定 3结论 66 (I)在微型PSA制氧条件下，产氧量与空气 量之比约为15~18，氧气收得率约为25%-30%. 在相同的产氧量下空气量大，氧质量分数高，空 气量小，氧质量分数则低.而且当空气量小时， 氧质量分数随着产氧量的增加而迅速下降. 50 (2)所研究的3种分子筛都可以用于微型 0.6 0.81.01.2 1.4 PSA制氧，但制氧效果有较大的差别.FZS3效 相对吸咐时间 图6氧质量分数随吸附时间的变化 果最好，FSZ2次之，FZS1不能获得氧质量分数 Flg.6 Changes of oxygen content with adsorption times 大于90%以上.的产品气.产氧量与分子筛量基 本线性关系. 2.4吸附播高径比的影响 图7是氧质量分数以及产氧量与高径比的 (3)氧质量分数随着吸附时间的增加先增加 后减小，中间存在一峰值，所对应的吸附时间， 变化关系.其中曲线分别是相对产氧量为1,2,3 应是最佳的吸附时间.不同条件下，最佳吸附时 时氧质量分数随高径比的变化曲线.高径比对 由试验确定. 氧质量分数的影响与产氧量相关.产氧量一定 (4)高径比对氧质量分数的影响与氧产量有 时，氧质量分数随高径比增加而增加.在不同的 关.产氧量一定时，氧质量分数随高径比增加而 产氧量下，高径比的影响程度也不一样.产氧量 增加.在不同的产氧量下，高径比的影响程度也 100 不一样，产氧量越大，高径比的影响越显著，而 95 当产量较小时，高径比增大，氧质量分数的变化 90 不明显 85 相对产氧量 80 参考文献 75 1陈健.我国变压吸附技术的工业应用现状及展望.化 70 工进展，1998(1)：14 2.5 3.5 4.5 5.5 65 2 Ruthven D M,Farooq S,Knaebel K S.Pressure Swing Ad- 高径比 sorption.USA:VCH Publishre,1993 图7氧质量分敏髓吸附塔高径比的变化 3刘应书.中国发展微型变压吸附制氧机的机遇与桃 Fig.7 Changes of oxygen concentration with the ratio of 战.见：中国工业气体工业协会2000年年会论文汇 helght to diameter of adsorption cylinder 编.杭州，2000 Experimental Study on PSA Air Separation for Miniature Oxygen Concentrator LIU Yingshu",LE Kai,FENG Junxiao".HOU Qingwen? 1)Mechanical School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Information Engfineering School.UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The effects of some main factors on the process of PSA air separation for miniature oxygen concentrator are studied experimentally.Under the experimental conditions,the ratio of oxygen generation rate to air flow rate is about 15 tol8,the recovery about 25%to 30%.The relationship between the amount of molecular sieve and the rate of oxygen generation is linear basically.There is an optimal adsorption time for a given system.The oxygen content increases as the ratio of height to diameter of adsorption cylinder in- creases. KEY WORDS PSA;oxygen generation

V目 . 2 3 刘应 书等 : 微型 P S A制 氧技 术试验研 究 品气含量不 高 . 此时 , 增加 时间有利于增加 产品 气含量 . 吸附 时间增加到一定值后 , 吸附达到饱 和 , 氮气逐渐穿透吸附层 , 产品 气中氮气逐渐增 加 , 因而 氧质量分数随着吸附时间的增加而下 降 , 氧质量分数的最高点所对应的 吸 附时间 , 应 是该条件下最佳的吸附时间 . 不 同条件下 , 最佳 吸附时间还需要 由试验确定 . 越大 , 高径 比 的影响越显 著 . 而 当产量较小时 , 高径 比增大 , 氧质量分数 的变化不 明显 . 因此 , 在设计更为微小 的制氧机时 , 可 以尽量地降低 吸附器高度 . 这对减小制氧装置 的体积具有重 要意义 . … / \ 、界 。 , 相对吸 咐时间 圈 ` 权质 . 分傲 随吸咐 时间的 变化 F场` C如 n g . o f o x y g . e o . t e . t 初 t血 a ds o印 iot . it m se .2 4 吸 附器离径比的影响 图 7 是 氧质量分数以 及 产氧量与高径 比的 变化关 系 . 其 中曲线 分别是相对 产氧量 为 1 , 2, 3 时氧质量分数随高径 比 的变化曲线 . 高径 比对 氧质量分数 的影响与产氧量相关 . 产氧量一 定 时 , 氧质量分数随高径 比增加而增加 . 在不 同的 产氧量下 , 高径比 的影响程度也不一样 . 产氧量 3 一 厂… 口 . 1 . 罗、淤。 高径 比 圈 , 舰成 . 分橄 随吸咐塔离径比的变化 F址 . 7 C h二g e s o f o材价. e o . e e . t .r ot 。 初 t h t h e ar d o o f h e细七t t o d i . m e et r o f . d的印如 n yC 加 d e r 3 结论 (l )在微 型 Ps A 制 氧条件下 , 产氧量与空气 量之 比约为 15一 18 , 氧气收得率约 为 25 % 一 30 % . 在相同的产氧量下空 气量大 , 氧质量分数高 , 空 气量小 , 氧质量分数则低 . 而 且 当空 气量小时 , 氧质量分数随着产氧量的增 加而迅 速下 降 . (2 ) 所研 究 的 3 种分子筛都 可 以 用 于微 型 P S A 制 氧 , 但制氧效果 有较大 的差别 . F Z s3 效 果 最好 , F S Z Z 次之 , F Z sl 不 能获得氧质量分数 大于 90 % 以 卜的产 品气 . 产氧量与分子筛量基 本线性 关系 . (3 )氧质量分数随着吸 附时间的增加先增加 后减小 , 中间存在一峰值 , 所对应 的吸 附时间 , 应是最佳的吸 附时间 . 不 同条件下 , 最佳吸附时 由试验确定 . (4 )高径 比对氧质量 分数的影 响与氧产量 有 关 . 产 氧量 一定时 , 氧质量分数随高径 比增加而 增加 . 在不 同的产氧量下 , 高径比 的影响程度也 不 一样 . 产 氧量越大 , 高 径 比的 影 响越 显 著 , 而 当产量较小时 , 高径 比增大 , 氧质量分数的变化 不 明 显 . 参 考 文 献 1 陈健 . 我 国变压吸 附技术 的工业应用 现状 及展望 . 化 工进 展 , l 9 9 8( 一) : 一4 2 R u ht v e n D M , F aor o q S , nK ae b e l K S . Per s s uer s w in g A d - s o prt i o n . U S A : V C H P u bli s hr e , 19 9 3 3 刘 应书 . 中国发展微 型变压 吸附制氧机 的机 遇与挑 战 . 见 : 中国工业气 体工 业协会 20 0 年年会论 文汇 编 . 杭 州 , 2 0 0 0 E xP e ir m e n t a l S ut dy o n P S A A i r S e P ar at i o n fo r M i n l a t ur e O x y g e n C o n e e n tr a t o r L I U 竹刀梦h u , , , L E aK i , ), F百 N G uJ xn ia o , , . 万口 U Qi n g w e n , , l ) M e e h. l i e 目 S e h o L U s T B e ij ign . B e ij ign 10 0 0 8 3 , C h ina Z ) I n fo rm at i o n E ng if ne r l n g S c h o l . U S T B o ij in g , B e ij in g l 0() 0 8 3 , C h她 A B S T R A C T Th e e fe e t s o f s om e m a in fac to r s o n hte Pr o e e s s o f PS A a i r s e Par at i o n fo r m i n i a t ur e o Xy g e n e onc e “ tr a t o r ar e s tud i e d e x Pe ir m e nt a ll y . U nd er ht e e x Pe r如e nta l e o n d i t i o n s , ht e r at i o o f o x y g e n g e n e r at ion r a t e t o a ir if o w art e 1 5 a b o Ut 15 t o 1 8 , het er e o v e yr ab o ut 2 5% t o 3 0% . hT e er l at i o n sh iP b e wt e e n het am o u n t o f m o l e cu lar s i e v e an d ht e r at e o f o x y g e n g e n e art i o n 1 5 line ar b a s i e a lly . T h e r e 1 5 an o tP im a l a d s o prt ion t im e for a g i v en s y s t em . Th e o x y g en e o n te in i n e r e a s e s a s ht e r at i o o f h e i ght t o d i am e t e r o f a d s o pr t i o n e y l idn e r i n - C r e a s e S . K E Y W O R D S P S A ; o x y g e n g en e art i o n