D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.04.026 第27卷第4期 北京科技大学学。报 Vol.27 No.4 2005年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2005 碳分子筛分离氧氩过程的实验研究 崔红社12)刘应书》刘文海”乐恺)张德鑫) 1)北京科技大学院机械工程学院，北京1000832)青岛建筑工程学院，青岛266033 摘要基于碳分子筛动态吸附机理，建立了分离氧氩的实验装置，实验研究了流程形式、清 洗比、吸附时间对碳分子筛分离氧氩过程性能的影响，结果表明，循环过程中增加产品气清 洗阶段可以显著提高解吸气的纯度，为了得到质量分数为99.0%以上的氧气，循环过程中清 洗比应控制在0.4左右，最佳吸附时间为60s.以95%氧、5%氯的混合气作为原料气，实验装置 的产品气纯度可以达到99.4%，氧气回收率为42%. 关键词碳分子筛：氧氩分离：变压吸附：清洗比：高浓度氧 分类号TQ028.15:TQ028.16 氧氩分子的大小以及极性强弱非常接近，在 内，同时限制大直径分子的进入⑦.氧、氩分子在 沸石分子筛(ZMS)上表现出十分相似的平衡吸 尺寸及形状上存在一定差异，从而导致氧分子在 附性能.利用变压吸附(PSA)的平衡分离不能实 CMS微孔内的扩散速率远远大于氩分子的扩散 现空气中氧、氩组分的有效分离.因此以ZMS作 速率，氧氩组分在CMS上的特性参数见表1).当 为吸附剂分离空气获得的氧气浓度最高只能达 氧氩分子扩散速率常数已知的条件下，可以通过 到95%左右，其中的不纯组分主要为氩气.氧、氩 求解单个吸附剂颗粒上的扩散方程确定组分在 组分的分离是PSA制高浓度氧的关键和难点所 CMS上的吸附速率曲线.假设一个吸附剂颗粒表 在.朱学军等人，利用碳分子筛(CMS)作为吸 面浓度发生阶跃变化，其初始条件和边界条件 附剂对ZMS吸附装置产生质量分数为95%的氧 为： 气进行提纯，得到了质量分数为984%的氧气. t<0,q=c=0 (1) Rege等人利用数值模拟手段研究发现，利用氧 ,c=co;qls.=Kco (2) 气和氩气分子在CMS上的扩散速率的差异，有 式中，t为时间，9为吸附相的质量分数，c为气相 可能实现氧氩组分的分离，获得质量分数达到 的质量分数，R,为吸附剂颗粒半径，K为吸附等温 99%以上的氧气.本文在分析CMS对氧氩组分动 线斜率，当吸附质分子扩散速率不随气相质量分 态吸附特性的基础上，建立了PSA分离氧氩实验 数发生改变时，微孔扩散的控制方程为： 装置.以95%氧、5%氩混合气作为原料气，研究 器品 (3) 各种工艺参数对产品气纯度和回收率的影响，旨 其中，”为吸附剂颗粒径向尺寸.求解方程(3)可得 在探索CMS分离氧氩制高浓度氧的工艺流程参 氧氩分子在CMS上的吸附速率表达式： 数，为PSA制取高浓度氧技术的实际应用提供依 (4) 据 9=1-6 Sexp(-nDir 元21 其中，D广为气相组分扩散速率常数 1CMS动态分离氧氩机理 根据表达式(4)可以给出气相组分在CMS上 的吸附速率曲线见图】.由图可见，氧分子在 CMS内部包含有大量的微孔，其孔径主要分 CMS上的吸附速率远远大于氩气分子的吸附速 布在0.30.5nm之间.气体分子直径和微孔尺寸 率，因此，利用氧氩分子在CMS上动态扩散速率 很接近，这些微孔允许尺寸小的分子扩散到微孔 的差异，有可能实现这两种组分的有效分离，从 收稿日期：20040406修回日期：200409-20 而得到高浓度氧气9.另外从图中还可以看出，当 作者简介：崔红社(1970一)，男，博士研究生 吸附时间为100s左右时，氧气分子在CMS上的
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 碳分子筛分离氧氨过程 的实验研究 崔红社 ‘， 刘 应 书 ” 刘 文 海 ‘， 乐 恺 ” 张德 鑫 ” 北 京科技 大 学 院机 械工 程 学 院 ， 北 京 青 岛建筑工 程 学 院 ， 青 岛 摘 要 基 于 碳 分 子 筛 动 态 吸 附机 理 ， 建 立 了分 离氧 氢 的 实验 装 置 实验研 究 了流程 形 式 、 清 洗 比 、 吸 附 时 间对 碳分 子 筛 分 离氧 氨 过 一 程 性 能 的影 响 结 果 表 明 ， 循 环 过 程 中增加 产 品气清 洗 阶段 可 以显 著提 高解 吸 气 的纯 度 为 了得 到质 量 分 数 为 以上 的氧气 ， 循 环 过 程 中清 洗 比应 控 制 在 左右 ， 最佳 吸 附 时 间 为 以 氧 、 氨 的混 合 气 作 为原 料 气 ， 实验 装 置 的产 品 气 纯 度 可 以达 到 ， 氧 气 回 收率 为 关键 词 碳 分 子 筛 氧 氨分 离 变 压 吸 附 清 洗 比 高 浓度 氧 分 类号 氧 氢 分 子 的大 小 以及 极 性 强 弱 非 常接 近 ， 在 沸 石 分 子 筛 上 表 现 出十 分 相 似 的平 衡 吸 附性 能 利 用 变 压 吸 附 的平 衡 分 离 不 能 实 现 空 气 中氧 、 氢 组 分 的有 效 分 离 因 此 以 作 为 吸 附剂 分 离 空气 获 得 的氧 气 浓 度 最 高 只 能达 到 左 右 ， 其 中 的不 纯 组 分 主 要 为氢 气 氧 、 氢 组 分 的分 离 是 制 高浓 度 氧 的关 键 和 难 点所 在 ‘，， 朱 学 军 等 人 ‘， 利 用 碳 分 子 筛 作 为 吸 附剂对 吸 附装 置 产 生质 量 分 数 为 的氧 气 进 行 提 纯 ， 得 到 了质 量 分 数 为 的氧 气 等 人 ‘ ，利 用 数 值 模 拟 手 段 研 究 发 现 ， 利 用 氧 气 和 氢 气 分 子 在 上 的扩 散 速 率 的差 异 ， 有 可 能 实 现 氧 氨 组 分 的分 离 ， 获 得 质 量 分 数 达 到 以上 的氧 气 本 文 在 分 析 对 氧 氢 组 分 动 态 吸 附特 性 的基 础 上 ， 建 立 了 分 离氧 氢 实验 装 置 以 氧 、 氢 混 合 气 作 为 原料 气 ， 研 究 各 种 工 艺参 数 对 产 品气 纯 度 和 回收 率 的影 响 ， 旨 在 探 索 分 离 氧 氢 制 高浓 度 氧 的工 艺 流 程 参 数 ， 为 制 取 高浓 度 氧 技 术 的实 际 应 用 提 供 依 据 内 ， 同 时 限制 大 直 径 分 子 的进 入 ‘刀 氧 、 氢 分 子 在 尺 寸及 形 状 上 存 在 一 定 差 异 ， 从 而 导 致 氧 分 子 在 微 孔 内的扩 散速 率 远 远 大 于 氢 分 子 的扩 散 速 率 ， 氧 氢 组 分 在 上 的特 性 参 数 见 表 「 当 氧氢 分 子扩 散速 率 常数 已 知 的条 件 下 ， 可 以通 过 求 解 单 个 吸 附 剂 颗 粒 上 的扩 散 方 程 确 定 组 分 在 上 的吸 附速 率 曲线 假 设一个 吸 附剂颗粒 表 面 浓 度 发 生 阶 跃 变 化 ， 其 初 始 条 件 和 边 界 条 件 为 ， ， ， 孕。 午无扁 式 中 ， 为 时 间 ， 为 吸 附相 的质 量 分 数 ， 。 为气 相 的质 量 分 数 ， 为 吸 附剂颗 粒 半径 ， 为 吸 附等温 线 斜率 当吸 附质 分 子扩 散速 率 不 随气 相 质 量 分 数 发 生 改变 时 ， 微 孔 扩 散 的控 制 方 程 为 ‘ 鲁刁铃奈韶 其 中 ， 为吸 附剂颗 粒 径 向尺 寸 求解 方程 可得 氧 氮 分 子 在 上 的吸 附速 率表 达 式 ‘ 至。 曰‘ 二矛 丫 昌 动 态 分 离氧 氨 机 理 内部 包 含有 大量 的微 孔 ， 其 孔 径 主 要 分 布 在 一 之 间 ‘ 气 体 分 子 直 径 和 微 孔 尺 寸 很接 近 ， 这 些 微 孔 允许 尺 寸 小 的分 子扩 散 到微 孔 收稿 日期 修 回 日期 一 作 者 简介 崔 红 社 一 ， 男 ， 博 士 研 究 生 其 中 ， 仄 为气 相 组 分 扩 散 速 率 常 数 根 据 表 达 式 可 以给 出气 相 组 分 在 上 的 吸 附速 率 曲线 见 图 由 图可 见 ， 氧 分 子 在 上 的吸 附速 率远 远 大 于 氢 气 分 子 的吸 附速 率 因 此 ， 利 用 氧 氢 分 子 在 上 动 态 扩 散速 率 的差 异 ， 有 可 能 实现 这 两种 组 分 的有 效 分 离 ， 从 而得 到 高浓 度 氧 气‘习 另外 从 图 中还 可 以看 出 ， 当 吸 附 时 间 为 左 右 时 ， 氧 气 分 子 在 上 的 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2005．04．026
…494· 北京科技大学学报 2005年第4期 吸附接近平衡状态 气.原料气由前级的ZMS制氧装置产生，其组成 表1CMS吸附等温线常数和扩散速率常数(30C) 为95%氧气、5%氩气.CMS吸附床由壁厚为4mm Table 1 Langmuir isotherm parameter and diffusivity constants 的钢管制作，高径比为52，内装德国BF碳分子 for adsorption of oxygen and argon in CMS at 30C 筛，利用电磁阀的切换实现实验设定的变压吸附 饱和吸附量，吸附等温线常数，扩散速率常数， 组分 循环，为提高解吸气的纯度，装置中增加了产品 g。/(mokg) b/MPa" (D/ra/s 气高压清洗系统，从吸附床解吸的产品气首先进 02 1.62 2.62 5.2×103 入解吸气罐，然后经清洗气压缩机升压后进入清 Ar 1.66 1.91 1.7×10 洗气储气罐，作为吸附床的清洗气，达到饱和的 1.0 吸附床在解吸之前，利用清洗气罐储存的产品气 出 氧气 0.9 对床层进行吹扫.实验过程中，氧气的质量分数 采用铜铵溶液法检测，当被测气体的质量分数超 0.8 过99%以上时，其精度可以达到0.1%， 0.7 2.2实验内容 0.6 氩气 实验中首先考察了两种流程条件下装置的 0.5 性能.流程1，不带清洗阶段的PSA循环，循环中 0.4 包括升压、吸附、解吸三个阶段.流程2，带有清洗 0 100 200300400 500600 阶段的PSA流程，循环中包括升压、吸附、高压顺 吸附时间s 图1氧复组分在CMS上的吸附速率曲线(30C) 流清洗和解吸四个阶段，该循环过程中，吸附阶 Fig.1 Adsorption rate curves ofoxygen and argon on CMS(30C) 段结束后，利用高压的产品气对床层进行顺流清 洗，目的是将床层气相中的不纯组分吹出床层， 2 实验装置及内容 从而提高解吸气中的氧气含量.在PSA流程 确定的条件下，本文实验研究了吸附时间、清洗 2.1实验装置 比等关键参数对装置性能的影响.表2为CMS 根据氧氩组分在CMS上的吸附特性，即氧气 分离氧氩过程的实验因素及水平.其中，清洗比 属于强吸附组分，氩气属于弱吸附组分，建立了 是指清洗阶段用去的气量与吸附阶段产生的气 如图2所示的实验装置，在加压的条件下氧气被 量之比.产品气纯度指的是氧气的质量分数.产 CMS吸附床吸附，而氩气穿过床层，从吸附床出 品回收率是指产品气中的氧气量与进气中的氧 口排出.床层解吸可以得到不含氩气的高浓度氧 气量之比. 测氧仪 流量调节阀 测氧仪☐ 流量调节倒 排放气 O可与排放气 测氧仪 转子流计 一单向阀· 转子流量计 转子流量计 ·电磁阀→ @可少高浓度氧气 压力表O 一压力表一 Q压力表 名 附床 压力表日 日压力表 电磁阀 好 测氧仪 清洗气增压机 氧氩混合气 o 转子流量计 无油压缩机 图2CMS分离氟氢实验装置 Fig.2 Experimental apparatus of CMS
一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 吸 附接 近 平 衡 状 态 表 吸 附等温线 常数和 扩散速 率常数 ℃ 几 抚 咖 ， 组 分 饱和 吸 附量 ， 扩 散速 率常 数 ， 宁 · 地 一 ， 吸 附等温线 常数 ， 一 ， 《 岁代 一 ， 一 〕 一 了份乙尹 ， ‘ 婿藉 ” ’ 住 ‘ ” ” ’ ， ， · 卜 尹 尹 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ， ‘ 尹 氢气 霸刊斧沂咽友卜喇捆兰彭督 叫占 甲 一 一 一一一 习一 一 一 ‘ 习 吸 附 时间 图 氛扭组分 在 上 的吸 附速率 曲线 ℃ 飞 ℃ 实验 装 置 及 内容 实验 装置 根据 氧氢 组 分在 上 的吸 附特 性 ， 即氧气 属 于 强 吸 附组 分 ， 氢 气 属 于 弱 吸 附组 分 ， 建立 了 如 图 所 示 的实验 装 置 在 加 压 的条件 下氧 气 被 吸 附床 吸 附 ， 而 氢 气 穿过 床 层 ， 从 吸 附床 出 口 排 出 ， 床 层解 吸 可 以得 到不 含氢 气 的 高浓度 氧 气 原料 气 由前级 的 制 氧 装 置产 生 ， 其 组成 为 氧气 、 氢气 吸 附床 由壁 厚 为 的钢 管制 作 ， 高径 比 为 ， 内装 德 国 碳 分 子 筛 利用 电磁 阀的切 换 实现 实验 设 定 的变压 吸 附 循 环 为提 高解 吸 气 的纯度 ， 装 置 中增加 了产 品 气 高压清洗 系统 从 吸 附床 解 吸 的产 品气 首先进 入解 吸气罐 ， 然 后经 清洗 气压缩 机 升压 后进 入清 洗 气 储 气 罐 ， 作 为吸 附床 的清 洗 气 达 到饱 和 的 吸 附床在 解 吸之前 ， 利用 清洗气 罐储 存 的产 品气 对床层 进 行 吹扫 实 验 过程 中 ， 氧 气 的质 量 分数 采用铜钱溶液法 检测 ， 当被测 气 体 的质 量 分数超 过 以上 时 ， 其 精 度 可 以达 到 实验 内容 实验 中首 先 考 察 了两 种 流 程 条 件 下 装 置 的 性 能 流程 ， 不 带 清 洗 阶段 的 循环 ， 循 环 中 包括 升压 、 吸 附 、 解吸三个 阶段 流程 ， 带有清洗 阶段 的 流程 ， 循环 中包 括 升压 、 吸 附 、 高压顺 流 清 洗 和解 吸 四个 阶段 该 循环 过 程 中 ， 吸 附阶 段 结束后 ， 利 用 高压 的产 品气 对 床层 进 行顺 流清 洗 ， 目的是将床 层 气 相 中 的不 纯 组 分 吹 出床 层 ， 从而 提 高解 吸气 中 的氧 气 含 量 ‘ 在 流程 确 定 的条 件 下 ， 本 文 实验 研 究 了 吸 附时 间 、 清 洗 比等 关键 参 数 对 装 置 性 能 的影 响 表 为 分 离氧氨 过程 的实验 因素 及 水 平 其 中 ， 清 洗 比 是 指 清 洗 阶 段 用 去 的气 量 与 吸 附 阶 段 产 生 的气 量 之 比 产 品气 纯 度 指 的是 氧 气 的质 量 分 数 产 品 回收 率 是 指 产 品气 中 的氧 气 量 与进 气 中 的氧 气 量 之 比 高浓度氧气 压力表 氧氢混合气 无油压缩机 图 分 离氛氮实验 装， ·
Vol.27 No.4 崔红社等：碳分子筛分离氧氩过程的实验研究 ·495· 表2实验因素及水平 比的关系，实验条件：采用带高压顺流清洗阶段 Table 2 Experimental factors and levels 的PSA流程，吸附时间60s.由图可见，随清洗比 影响因素 水平 增加，氧气的质量分数呈增加趋势，当清洗比大 流程形式 吸附时间s 清洗比 于0.4时，产品气的纯度达到了99.0%以上.在此 带清洗阶段循环 40 0.2 2 不带清洗阶段循环 50 0.4 基础上继续增加清洗比，氧气的质量分数增加趋 一 60 0.6 势变缓.其原因可能在于：增加清洗比表示用于 4 70 0.8 清洗CMS床层的气量增加，这样有助于将气相 3 实验结果及分析 中的氩气组分吹出吸附床，从而可以有效提高解 吸气中氧气的含量m.清洗比增加到一定程度，清 3.1流程形式的影响 洗气已经能够将吸附床气相的氩气组分吹扫干 图3给出了两种PSA流程条件下产品气纯 净，同时，由于CMS分离氧氩属于动态吸附过 度与吸附时间的关系.实验中清洗比为02.由图 程，吸附和解吸速率较慢，在清洗阶段的短时间 可见，两种流程条件下，产品气中氧气的质量分 内，吸附相氧气的含量变化很小，因此清洗比超 数差别非常明显，其中带清洗阶段循环得到的产 过一定程度，只能导致氧气回收率下降，而对提 品气纯度明显高于不带清洗阶段的PSA循环：并 高产品气纯度作用不甚明显.由以上分析可以得 且带有清洗阶段PSA循环获得的产品气纯度均 出，为了得到质量分数为99.0%以上的高纯度氧 大于98%，而不带清洗阶段的循环得到的产品气 气，循环过程中清洗比应控制在0.4左右，清洗比 最高为97.5%.产生这种现象的原因可能在于： 小于0.4，氧气的质量分数达不到99.0%，而清洗 (I)对于不带清洗阶段的PSA循环，解吸阶段 比高于0.4又会造成产品回收率太低.另外，由图 开始之前没有对床层进行清洗，这样解吸开始后 可以看出，随清洗比增加，氧气回收率呈线性下 床层气相中的氩气组分和吸附于分子筛内部的 降 氧气一起回到了产品气中，从而降低了产品气中 100.0 60 的氧气含量. 99.5 氧气的质量分数 50 (2)对于带有清洗阶段的PSA循环，解吸阶段 开始前利用高压的产品气对吸附床进行吹扫.床 40 层气相中的不纯组分被高压的清洗气吹出吸附 99.0 床.因此，解吸得到的产品气纯度较高.由以上分 回收率 30 析及实验结果可以得出，对于CMS分离氧氩过 98.5 30 程，增加产品气高压清洗阶段可以显著提高解吸 气中强吸附组分的质量分数， 98.0 10 0.2 0.3 0.40.50.60.70.5 3.2清洗比影响 清洗比 图4给出了氧气的质量分数和回收率与清洗 图4额气的质量分数和产品回收率与清洗比的关系 Fig.4 Effect of rinse-ratio on product purity and recovery 100 33吸附时间的影响 899 有清洗阶段 图5为氧气的质量分数和回收率与循环过程 98 的 中吸附时间的关系.实验过程中，清洗比为0.4. 由图可见，随吸附时间增加，氧气的质量分数先 无清洗阶段 增加然后下降，呈现倒V形变化.在清洗比为0.4 96 条件下，最佳的吸附时间为60s左右，过长和过 95 短的吸附时间都可能导致氧气质量分数下降.并 40 506070 0 且，当吸附时间为60s时，产品气的纯度可以达 吸附时间s 图3不同流程条件下氧气质量分数与吸附时间的关系 到99.4%.其原因在于，氧氩组分在CMS上的吸 Fig.3 Product purity as a function of adsorption duration under 附属于动态吸附分离过程，传质速率较慢.氧气 different PSA cycles 分子扩散到吸附剂内部需要较长时间.并且从图
即 】 一 一 崔 红 社 等 碳 分 子 筛 分 离 氧 氦 过 程 的 实验研 究 一 表 实验 因 素 及 水平 肠 水平 影 响 因 素 流 程 形 式 吸 附 时 间 清洗 比 带清 洗 阶段 ︺ ，︸ 循环 不 带 清洗 阶段循环 一 石 一 名 实验 结 果 及 分 析 流 程 形 式 的影 响 图 给 出 了两 种 流 程 条 件 下 产 品气 纯 度 与 吸 附 时 间 的关 系 实验 中清 洗 比 为 由 图 可 见 ， 两 种 流 程 条件 下 ， 产 品气 中氧 气 的质 量 分 数 差 别 非 常 明显 其 中带 清 洗 阶段 循 环 得 到 的产 品气 纯 度 明显 高于 不 带 清 洗 阶段 的 循 环 并 且 带 有清 洗 阶 段 循环 获 得 的产 品气 纯 度 均 大 于 ， 而 不 带清 洗 阶 段 的循 环 得 到 的产 品气 最 高 为 产 生 这 种 现 象 的原 因可 能在 于 对 于 不 带清 洗 阶段 的 循环 ， 解 吸 阶段 开 始 之 前 没 有对 床 层 进 行清 洗 ， 这 样解 吸 开 始 后 床 层 气 相 中 的氢 气 组 分 和 吸 附于 分 子 筛 内部 的 氧气 一起 回到 了产 品气 中 ， 从 而 降低 了产 品气 中 的氧 气 含 量 对 于 带有 清 洗 阶段 的 循环 ， 解 吸 阶段 开 始 前利 用 高压 的产 品气 对 吸 附床 进 行 吹扫 床 层 气 相 中 的 不 纯 组 分 被 高压 的清 洗 气 吹 出吸 附 床 因 此 ， 解 吸得 到 的产 品气 纯度 较 高 由 以上 分 析 及 实验 结果 可 以得 出 ， 对 于 分 离氧 氢 过 程 ， 增 加产 品气 高压清洗 阶段 可 以显 著 提 高解 吸 气 中强 吸 附组 分 的质 量 分 数 ， 清 洗 比影 响 图 给 出 了氧 气 的质量 分 数和 回收 率 与清 洗 比 的关 系 实验 条件 采 用 带 高压 顺 流 清 洗 阶段 的 流 程 ， 吸 附 时 间 由 图可 见 ， 随清 洗 比 增 加 ， 氧 气 的质 量 分 数 呈 增 加 趋 势 当清 洗 比 大 于 时 ， 产 品气 的纯 度 达 到 了 以上 在 此 基 础 上 继 续 增 加 清 洗 比 ， 氧气 的质 量 分数 增加 趋 势 变 缓 其 原 因可 能在 于 增 加清 洗 比 表 示 用 于 清 洗 床 层 的气 量 增 加 ， 这 样 有 助 于 将 气 相 中 的氮 气 组 分 吹 出吸 附床 ， 从 而 可 以有效提 高解 吸气 中氧 气 的含 量 〔 清 洗 比增 加 到一 定程度 ， 清 洗 气 已 经 能够 将 吸 附床 气 相 的氢 气 组 分 吹扫 干 净 同 时 ， 由于 分 离氧 氢 属 于 动 态 吸 附过 程 ， 吸 附和解 吸 速 率 较 慢 在清 洗 阶 段 的短 时 间 内 ， 吸 附相氧 气 的含 量 变 化 很 小 因此清 洗 比超 过 一 定程 度 ， 只 能 导致 氧 气 回收 率 下 降 而 对 提 高产 品气 纯度 作用 不甚 明显 由 以上 分析 可 以得 出 ， 为 了得 到质 量 分 数 为 以上 的高纯度 氧 气 ， 循 环 过 程 中清洗 比应 控 制在 左 右 ， 清 洗 比 小 于 ， 氧 气 的质 量 分 数 达 不 到 ， 而清 洗 比 高于 又会造 成产 品 回收率太 低 另外 ， 由图 可 以 看 出 ， 随清 洗 比增 加 ， 氧 气 回收 率 呈 线 性 下 降 斗︸气八” 了崛开邻回芝 岁 男 了嘛咧馒燕佘、 上一 一一 上 一 一一 万 万 清洗 比 图 氧 气 的 质 量 分 数 和 产 品 回 收 率 与清 洗 比 的 关 系 ， 价 一 代 丫 有清洗阶段 一 卜一 吸 附 时 间 的影 响 图 为氧 气 的质 量 分 数和 回收 率 与循 环 过程 中吸 附 时 间 的关 系 实验 过 程 中 ， 清 洗 比 为 由 图可 见 ， 随 吸 附 时 间增 加 ， 氧 气 的质 量 分 数 先 增 加 然 后 下 降 ， 呈 现 倒 形 变 化 ， 在 清 洗 比 为 条 件 下 ， 最 佳 的吸 附 时 间 为 左 右 过 长 和 过 短 的吸 附 时 间都 可 能 导致 氧 气质 量 分 数 下 降 并 且 ， 当吸 附 时 间 为 时 ， 产 品气 的纯度 可 以达 到 其 原 因在 于 ， 氧 氢 组 分 在 上 的吸 附属 于 动 态 吸 附 分 离过 程 ， 传质 速 率 较 慢 氧 气 分 子扩 散 到 吸 附剂 内部 需要较 长 时 间 并且 从 图 了嘛名酬妈粼余鉴 匕一一上一一一一一一 一一 一 吸 附时 间 图 不 同流程 条件 下 氧气 质量分 数 与吸 附时间的关 系 代
·496- 北京科技大学学报 2005年第4期 99.6 48 加产品气高压清洗阶段可以显著提高吸附床解 99.4 吸气中强吸附组分的含量， 氧气的质量分数 44 (3)为了得到99.0%以上的高浓度氧气，循环 99.2 回收率 过程中清洗比应控制在0.4左右，最佳吸附时间 99.0 为60s. 36 96.8 (4)以氧95%、氩5%为进气，建立的实验装置 的产品气纯度可以达到99.4%，回收率为42%. 32 96.6 455055606570 758085 参考文献 吸附时间/s [1]Hayashi S,Kawai M,Kaneko T.Dynamics ofhigh purity oxygen 图5氧气的质量分数和产品回收率与吸附时间的关系 PSA.Gas Sep Purif,1996,10 (1):19 Fig.5 Effect of adsorption duration on product purity and recovery [2)乐恺，余谦虚，刘应书，等.基于PLC的变压吸附制高纯 1中可以看出，当吸附时间为60s左右时，氧氩组 氧系统.北京科技大学学报，2003,25(2)：185 [3)朱学军，郭彤，蓝德田。一种从空气中变压吸附制取高浓 分吸附速率相差最大.另外由图中还可以看出， 度氧气的方法.中国专利，CN1221642A. 随吸附时间延长，产品回收率呈逐渐下降趋势， [4朱学军，郭形.变压吸附制高纯医用氧流程的研究，军用 但变化幅度不大.对于CMS动态分离氧氩过程， 医学科学院院刊，1999,23(2)：81 为了获得最佳的氧氩分离效果，吸附时间应选择 [5]Salil UR,Yang RT.Kinetic separation of oxygen and argon using molecular sieve carbon.Adsorption,2000(6):15 在60$左右，另外由图中还可以看出，在清洗比 [6]Hu Z H,Vansant E F.Carbon molecular sieves produced from 为0.4、吸附时间为60s条件下，实验装置的性能 walnut shell.Carbon,1995,33(5):561 达到最佳水平，即产品气的纯度为994%，产品回 [刀朱学军，郭形。提高碳分子筛氧氩分离特性的技术方法 低温与特气，19994)：21 收率为42%. (8]Ruthven D M,Farooq S,Knaebel K S.Pressure Swing Adsorp- tion.USA:VCH Publishers Inc,1993.72 4结论 [9]Sun L M,Levan M D.Numerical solution of diffusion equations by the finite difference method:efficiency improvement by iso- (I)基于CMS动态吸附机理，建立了利用 volumetric spatial discretization.Chem Eng Sci,1995,50 (1): CMS作为吸附剂分离氧氩的PSA实验装置. 163 (2)对于CMS分离氧氩过程，循环过程中增 [10]杨RT.吸附法气体分离.北京：化学工业出版社，1991.250 Experimental study on separation of oxygen and argon by carbon molecular sieves CUI Hongshe,LIU Yingshu,LIU Wenhai,YUE Kai,ZHANG Dexin 1)Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Qingdao Institute of Architecture and Engineering,Qingdao 266033,China ABSTRACT The experimental apparatus for the separation of oxygen and argon was established based on the kinetic adsorption of carbon molecular sieves.The effects of PSA cycle,rinse-ratio and adsorption duration on the performance of adsorption processes were investigated.The experimental results show that to incorporate the rinse step can increase greatly the concentration of oxygen in desorbed gas.For producing high purity oxygen,the opti- mum values of the rinse-ratio and adsorption duration should be about 0.4 and 60 s respectively.Under this condi- tion,the oxygen purity up to 99.4%is obtained for the 42%recovery with the feed gas mixture of 95%oxygen and 5%argon. KEY WORDS carbon molecular sieve;separation of oxygen and argon;PSA;rinse-ratio;high purity oxygen
北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 加 产 品气 高压 清 洗 阶 段 可 以显 著提 高吸 附床 解 吸气 中强 吸 附组 分 的含 量 为 了得 到 以上 的高浓 度 氧 气 ， 循环 过 程 中清 洗 比应 控 制 在 左 右 ， 最佳 吸 附 时 间 为 以氧 、 氨 为进 气 ， 建 立 的实验 装 置 的产 品气纯度 可 以达 到 ， 回 收率 为 嫉犷余喇馒撅芝 哈板哥邻回芝 吸 附时 间 图 氛气 的质 分 数和 产品 回 收率 与吸 附时间的关 系 幻陌 对 溉 叮 中可 以看 出 ， 当吸 附时 间为 左 右 时 ， 氧氢 组 分 吸 附速 率相 差 最 大 另 外 由图 中还 可 以看 出 ， 随吸 附时 间延 长 ， 产 品 回收率 呈逐渐 下 降趋 势 ， 但 变化 幅度 不 大 对 于 动 态 分 离氧氢 过 程 ， 为 了获得 最佳 的氧氢 分离 效 果 ， 吸 附时 间应 选 择 在 左 右 另外 由 图 中还 可 以看 出 ， 在 清 洗 比 为 、 吸 附 时 间为 条件 下 ， 实验 装 置 的性 能 达 到最佳 水平 ， 即产 品气 的纯度 为 ， 产 品回 收率 为 结论 基 于 动 态 吸 附机 理 ， 建 立 了利 用 作 为 吸 附剂 分 离氧 氢 的 实验 装 置 对 于 分 离氧 氢 过 程 ， 循 环 过 程 中增 参 考 文 献 盯 ， 即 城 工 功 材 ， ， 乐 恺 ， 余谦虚 ， 刘应 书 ， 等 基 于 的变压 吸 附 制 高纯 氧 系统 北 京科技 大学 学 报 ， ， 朱 学 军 ， 郭彤 ， 蓝 德 田 一 种 从 空 气 中变压 吸 附制取 高 浓 度氧气的方法 中国专 利 ， 砰 朱学 军 ， 郭彤 变压 吸 附制高纯 医用 氧 流 程 的研究 军 用 医学科学 院院 刊 ， ， 【 吐 加 印田，石佣 出召 吐， ， 、 刀 助 如 】 比 ， ， 〔 朱 学军 ， 郭彤 提 高碳 分子 筛氧氢分 离特性 的技术方 法 低温 与特气 ， 〔 ， ， 力朗 ， 从 叨 肋 贻 ， ， 【 杨 吸 附法气体分离 北 京 化学工 业 出版社 ， 双 ， ， ，，毛 万刊笋 ，， 环乞 ，， ‘， 月义刀 ，， 即 川 ， 饰 工沈 留 ， ， 户 ， ， 姚 七 ， 一 ， 一 ， 面 奴叮 田嗯。 一