VoL.26 No.1 刘应书等：SARS患者专用微型制氧机工艺参数实验研究 111 节流阀连接，每一个吸附塔均通过单向阀与稳压 持吸附塔内一定的吸附压力，减小产品气流量的 罐相连.吸附塔2的升压和吸附塔1的反吹同时 波动.PLC控制器控制两位五通电磁阀的切换时 进行，即使是升压过程中也有氧气流进稳压罐. 间，该控制器通过RS-232适配器与上位计算机 采用简单的两步循环代替传统的Skarstrom循环 连接，可以通过上位计算机改变吸附塔的切换时 可以显著减小系统的复杂性和体积，并提高设备 间m.原料气和产品气的流量由转子流量计测量 可靠性.影响变压吸附过程因素包括吸附剂的性 显示.产品气中氧气的浓度由YHL型智能测氧 质、吸附阶段和解吸阶段的时间、吸附塔的尺寸、 仪测量.由于反吹流量在一个循环周期内波动非 吸附和解吸压力、反吹量、原料气量和产品气量 常大，采用质量流量计对其进行测量，对于每一 以及原料气温度和湿度等.由于这些影响因素相 个实验，在变压吸附过程达到稳定状态后记录10 互之间强烈耦合，仅仅通过数值模拟的手段得到 个循环的实验数据求其平均值，以减少实验过程 合理最优的参数配置是非常困难的，因此，对 的随机误差 于微型变压吸附制氧过程，采用实验方法确定和 优化一些系统配置参数是非常必要的 2实验结果和讨论 1.2实验装置 实验中的因素和水平列于表1.在下面的讨 如图2所示，在实验室条件下建立了一个两 论中，产品回收率定义为产品气中氧气量与原 床的微型变压吸附制氧装置.为了实验需要，所 料气中氧气量之比，反吹比为一个循环周期内 建立的实验装置可以实现以下系统参数的变化： 平均反吹量与产品气量之比.在所有的实验中， 产品气流量、吸附时间（或循环周期）、反吹比.另 进入吸附塔原料气的进气量为70Lmin,温度为 外为了考察吸附塔尺寸以及分子筛性质对变压 25℃. 吸附过程的影响，笔者还设计了三种不同高径比 的吸附塔以及准备了三种小粒径5A沸石分子 表1实验因素水平表 Table 1 Experimental factors and levels of PSA process 筛.为了便于分析研究，三种分子筛的颗粒直径 范围均为0.5~1.0mm.图2中，采用针型流量调节 因素 水 产品气量 阀（标号为3）和四个单向阀（标号为8）代替节流 平高径比分子筛吸附时间s 反吹比 L'min 反吹孔，这样实验过程中可以通过调节阀门3的 13 VP800 1 0.1 开度调节反吹流量，并且可以通过质量流量计14 23.7 02-5 9 2 0.2 对其进行准确测量，图中，稳压阀9的作用是保 6 ZMS-2 10 3 0.3 2 4 0.4 86 5 0.5 6 ◇ 0.6 产品气 7 g 14 MFM 43 10 RS-232 2.1吸附时间的影响 11 图3为产品回收率和纯度与吸附时间的关 系，其中原料气量和产品气流量保持定值，吸附 CPMIA 13 剂采用VP800型5A沸石分子筛.由图3可知，随 着吸附时间的延长，产品气纯度和回收率先增 解吸气·一 ·解吸气 3© 空气 12 加，达到一个最大值后开始下降.对于徽型变压 吸附实验装置，最佳的吸附时间为12s,此时产品 1一空气压缩机，2一压力表，3一流量调节阀，4一冷却器， 回收率达到最大值19%，产品气纯度也达到最大 5一流量计，6一电磁阀，7一吸附床，8一单向阀，9一减压 值94%，实验结果表明，吸附时间的长短对变压 阀，10一储气罐，11一测氧仪，12一上位计算机，13一LC 吸附过程具有很大的影响.当吸附时间小于一定 控制器，14一质量流量计 值时，吸附床的吸附过程和解吸过程没有完成， 图2两床变压吸附实验装置 这将导致低的产品气纯度和回收率.这时，延长 Fig.2 Schematic diagram of the two-bed PSA experimental 吸附时间可以提高产品气纯度和回收率；随着吸 unitVb L2 6 N o . l 刘应 书 等 : S A R S 患 者专 用徽 型 制氧机工 艺参 数 实验 研 究 111 - 节流 阀连 接 , 每 一个 吸 附塔均 通 过单 向阀与稳 压 罐相 连 . 吸 附塔 2 的升 压和 吸 附塔 1 的反 吹 同时 进行 , 即使是升 压 过程 中也有氧 气 流进 稳 压罐 . 采 用 简单 的两 步循 环代 替传 统 的 S 加盯s tr o m 循 环 可 以显著 减小系统 的复杂 性和 体积 , 并提 高 设备 可靠 性 . 影 响变 压吸 附过 程 因素包 括 吸 附剂 的性 质 、 吸 附阶段 和解 吸阶 段 的时 间 、 吸 附塔 的尺寸 、 吸 附和解 吸 压 力 、 反吹 量 、 原料气 量 和 产 品气 量 以及 原料 气温 度和 湿度 等 . 由于这 些影 响因素 相 互之 间强 烈祸 合 , 仅仅 通 过数 值模拟 的手 段得 到 合理 最优 的参 数配 置 是 非常 困难 的问 . 因此 , 对 于微 型变 压吸 附制 氧过 程 , 采 用 实验方法 确定 和 优 化 一些 系 统 配置 参 数 是非 常 必要 的 . L Z 实 验 装置 如 图 2 所 示 , 在 实 验室 条 件下 建 立 了一 个 两 床 的微型 变 压 吸 附制氧装 置 . 为 了实验 需要 , 所 建立 的实验装 置可 以实现 以下 系统 参 数的变化 : 产 品气 流量 、 吸 附 时间 ( 或循环 周期 ) 、 反 吹 比 . 另 外 为了考 察吸 附塔 尺 寸 以及 分 子 筛性质对 变压 吸附过 程 的影 响 , 笔者 还 设计 了三 种 不 同高径 比 的吸 附塔 以及 准 备 了三 种 小 粒径 S A 沸 石 分 子 筛 . 为 了便于 分 析研究 , 三 种 分子 筛的 颗粒 直 径 范 围均 为 .0 5一 1 . 0 ~ . 图 2 中 , 采 用 针型 流 量调 节 阀 ( 标号 为 3) 和 四个 单 向阀 ( 标号 为 8) 代 替节 流 反吹 孔 , 这 样 实验 过程 中可 以通 过调 节 阀 门 3 的 开度调 节 反吹流 量 , 并 且可 以通 过质 量流 量计 14 对 其 进行 准 确测 量 , 图 中 , 稳压 阀 9 的 作用 是 保 持吸 附塔 内一 定 的吸 附压 力 , 减小产 品气 流量 的 波动 . P L C 控 制 器控 制 两 位 五通 电磁 阀 的切 换 时 间 , 该控 制 器 通 过 R S一2 3 2 适配 器 与 上位 计 算 机 连 接 , 可 以通 过 上位 计算 机改变 吸 附塔 的切 换 时 间 闭 . 原 料气 和 产 品气 的流量 由转 子流 量 计 测量 显示 . 产 品气 中氧 气 的浓度 由 Y H L 型 智 能测氧 仪 测量 . 由于反 吹流 量在 一 个循环周 期 内波 动 非 常大 , 采用 质 量 流量 计 对 其进 行 测量 . 对 于 每一 个 实验 , 在变 压 吸附过 程达 到 稳定 状态 后 记录 10 个循环 的实验 数据 求 其平 均值 , 以减 少 实验 过程 的随 机误 差 . 2 实 验 结果 和 讨 论 实 验 中 的 因素 和水 平 列 于表 1 . 在 下 面 的讨 论 中 , 产 品 回 收 率 定义 为 产 品气 中 氧 气量 与原 料 气 中氧气 量 之 比 . 反 吹 比为 一 个 循 环 周 期 内 平 均 反 吹量 与产 品气 量之 比 . 在 所有 的实 验中 , 进 入 吸 附塔 原 料气 的进气量 为 70 L加in , 温度 为 2 5 ℃ . 表 1 实验 因素水 平表 aT b l e I E邓e r im e n at l fa e ot sr a n d vle e肠 o f P S A P er e韶8 因素 平 高径 比 分子 筛 吸 附 时间 s/ 产 品气量 , ~ 二一 一 l 反吹 比 L . n l l n ’ ~ ~ , , 交子仁… 灭 二一 M f 厂 , 斗卜丈一 7 7 l 0 1 l C PM LA { 12 甲甲 … 1 3 V P 8 0 0 8 1 0 . 1 2 3 . 7 0 2一 5 9 2 0 . 2 3 6 Z M S 一 2 1 0 3 0 . 3 4 一 一 1 1 4 0 . 4 5 一 一 1 2 5 0 . 5 6 一 一 1 3 一 0 . 6 7 一 一 1 4 一 一 8 一 一 1 5 一 一 1一空气 压缩 机 , 2一压力 表 , 3一流量 调节 阀 , 4一冷却 器 , 5一流量 计 , 6一 电磁 阀 , 7一吸 附床 , 8一单 向阀 , 9一减压 阀 , 10 . 一 储气 罐 , 1 一测氧 仪 , 12 一上 位 计算机 , 13一P L C 控 制器 , 14一质 量流 量计 图 2 两床 变压 吸 附实验 装置 F咭 . 2 S e h e m a ict dis g ar . of t h e 俪。 一 b de P SA ex eP ir ln e n 加l U n it .2 1 吸 附 时 间的 影 响 图 3 为产 品 回 收率 和 纯 度 与 吸 附 时 间 的关 系 , 其 中原 料 气量和 产 品气 流 量 保持 定 值 , 吸 附 剂 采用 V P 8 0 型 SA 沸 石分 子 筛 . 由图 3 可 知 , 随 着吸 附 时 间 的 延 长 , 产 品气 纯 度和 回 收率 先 增 加 , 达 到一 个 最 大值 后 开始 下 降 . 对 于 微 型 变压 吸附 实验 装置 , 最 佳 的吸 附 时间为 12 5 , 此 时产 品 回收率 达 到最 大值 19 % , 产 品气 纯度 也 达到 最大 值 9 4 % . 实验 结 果表 明 , 吸 附时 间 的长 短 对 变压 吸附过 程 具有 很大 的影 响 . 当吸 附 时间 小于 一定 值时 , 吸 附床 的 吸 附过 程和 解 吸 过程没 有 完成 , 这 将 导致低 的 产 品气 纯度和 回 收率 . 这 时 , 延长 吸附时间 可 以提 高产品气纯度和 回收率 ; 随着吸