祝显强等：快速真空变压吸附制氧的排放气充压过程研究 ·1517· 90 92 84 88 84 72 66 76 0一原料气充压 0一排放气和原料气组合充压 72 6.4 6.8 7.27.68.08.488 130 140150160170180 循环周期 排放气充压前压力从Pa 图5循环周期对产品气氧含量的影响 图6充压前排放气压力对产品气氧含量的影响 Fig.5 Effect of cyclic time on oxygen concentration in the product Fig.6 Effect of raffinate pressure on oxygen concentration in the product 过早穿透而引起产品气氧含量下降.另外，通过充压 步骤使吸附塔内气体的压力逐渐上升，而采用原料气 上所述，充压前排放气缓冲罐中气体压力和氧含量是 充压会造成靠近吸附塔下端的制氧吸附剂较早地在较 影响提高组合充压的单塔快速真空变压吸附制氧过程 低的气体压力下与原料气接触，由于在较低的气体压 产品气氧含量的关键参数 力下吸附剂对氮气的吸附量较低，会造成氮气提前穿 92 透吸附床层，降低吸附剂的利用效率.而采用排放 88 气和原料气组合充压流程，先从吸附塔上端采用收集 的排放气充压，由于排放气中氧含量较高，不仅可以将 84 重组分氮气的传质区压缩并推回至吸附塔下端，而且 80 起到对吸附床层的清洗效果，减弱了较低压力下吸附 剂利用效率降低带来的不利影响.与原料气充压相 76 比，排放气和原料气组合充压后吸附床层内氮气的吸 72 附传质区更加远离产品端。当循环周期相同时，吸附 步骤中氮气的吸附传质区移动的最终位置更加远离产 68 4 485256606468 72 氧端，故产品气中氧含量也较高 排放气充压前气体中氧体积分数% 3.1.3充压前排放气缓冲罐气体压力和氧含量对产 图7充压前排放气中氧含量对产品气氧含量的影响 品气氧含量的影响 Fig.7 Effect oxygen concentration of raffinate on oxygen concentra- tion in the product 图6为充压前排放气缓冲罐内气体中氧体积分数 为70%时，充压前不同排放气压力对产品气氧含量的 3.2基于排放气和原料气组合充压的单塔真空变压 影响.由图6可以看出，随着充压前排放气压力的降 吸附循环性能 低，产品气氧含量先增大后减小，存在最大值.这可能 图8为吸附时间对产品气氧含量和氧气回收率的 是由于充压前排放气的压力较高时，充压过程气流速 影响.由图可以看出：吸附时间为0.6s时，产品气中 度很快，排放气与吸附剂接触时间较短，难以充分发挥 氧体积分数最高可达90.3%，随着吸附时间的增加， 对低压下吸附了氮气的吸附剂的清洗作用：充压前排 产品气氧含量逐渐下降；而氧气回收率随着吸附时间 放气的压力较低时，用于充压排放气量少，将传质区压 的增加逐渐增加，当产品气中氧体积分数为最高 缩并推回至吸附塔下端的距离较短，且充压过程气流 90.3%时氧气回收率为29.41%，当产品气中氧体积 速度很慢，对吸附剂的清洗作用不够 分数大于80%时氧气回收率大于40%.这是由于吸 图7为充压前排放气缓冲罐内气体压力为 附时间很短，吸附传质区还未到达吸附塔上端，产品气 l65kPa时，排放气缓冲罐中气体中氧含量对产品气氧 中氧含量较高，然而此时产氧量较小，因此氧气回收率 含量的影响.由图可以看出，随着充压前气体中氧含 较低.随着吸附时间的延长，吸附过程更加充分，虽然 量降低，产品气氧含量也降低。这是由于充压前排放 产品气中氧含量由于吸附传质区接近产品端而有所下 气缓冲罐中气体中氧含量越高，充压过程中更有利于 降，但产气量增加，故氧气回收率逐渐增高.之后吸附 降低靠近吸附塔上端床层中重组分氮气分压，将不纯 时间进一步增加，使吸附床层穿透，产品气中氧含量下 的气体组分更多的推向吸附塔下端，远离产品端.综 降较快，氧气回收率保持稳定祝显强等: 快速真空变压吸附制氧的排放气充压过程研究 图 5 循环周期对产品气氧含量的影响 Fig． 5 Effect of cyclic time on oxygen concentration in the product 过早穿透而引起产品气氧含量下降． 另外，通过充压 步骤使吸附塔内气体的压力逐渐上升，而采用原料气 充压会造成靠近吸附塔下端的制氧吸附剂较早地在较 低的气体压力下与原料气接触，由于在较低的气体压 力下吸附剂对氮气的吸附量较低，会造成氮气提前穿 透吸附床层，降低吸附剂的利用效率［26］． 而采用排放 气和原料气组合充压流程，先从吸附塔上端采用收集 的排放气充压，由于排放气中氧含量较高，不仅可以将 重组分氮气的传质区压缩并推回至吸附塔下端，而且 起到对吸附床层的清洗效果，减弱了较低压力下吸附 剂利用效率降低带来的不利影响． 与原料气充压相 比，排放气和原料气组合充压后吸附床层内氮气的吸 附传质区更加远离产品端． 当循环周期相同时，吸附 步骤中氮气的吸附传质区移动的最终位置更加远离产 氧端，故产品气中氧含量也较高． 3. 1. 3 充压前排放气缓冲罐气体压力和氧含量对产 品气氧含量的影响 图 6 为充压前排放气缓冲罐内气体中氧体积分数 为 70% 时，充压前不同排放气压力对产品气氧含量的 影响． 由图 6 可以看出，随着充压前排放气压力的降 低，产品气氧含量先增大后减小，存在最大值． 这可能 是由于充压前排放气的压力较高时，充压过程气流速 度很快，排放气与吸附剂接触时间较短，难以充分发挥 对低压下吸附了氮气的吸附剂的清洗作用; 充压前排 放气的压力较低时，用于充压排放气量少，将传质区压 缩并推回至吸附塔下端的距离较短，且充压过程气流 速度很慢，对吸附剂的清洗作用不够． 图 7 为充压前排放气缓冲罐内气体压力为 165 kPa时，排放气缓冲罐中气体中氧含量对产品气氧 含量的影响． 由图可以看出，随着充压前气体中氧含 量降低，产品气氧含量也降低． 这是由于充压前排放 气缓冲罐中气体中氧含量越高，充压过程中更有利于 降低靠近吸附塔上端床层中重组分氮气分压，将不纯 的气体组分更多的推向吸附塔下端，远离产品端． 综 图 6 充压前排放气压力对产品气氧含量的影响 Fig． 6 Effect of raffinate pressure on oxygen concentration in the product 上所述，充压前排放气缓冲罐中气体压力和氧含量是 影响提高组合充压的单塔快速真空变压吸附制氧过程 产品气氧含量的关键参数． 图 7 充压前排放气中氧含量对产品气氧含量的影响 Fig． 7 Effect oxygen concentration of raffinate on oxygen concentra￾tion in the product 3. 2 基于排放气和原料气组合充压的单塔真空变压 吸附循环性能 图 8 为吸附时间对产品气氧含量和氧气回收率的 影响． 由图可以看出: 吸附时间为 0. 6 s 时，产品气中 氧体积分数最高可达 90. 3% ，随着吸附时间的增加， 产品气氧含量逐渐下降; 而氧气回收率随着吸附时间 的增加 逐 渐 增 加，当 产 品 气 中 氧 体 积 分 数 为 最 高 90. 3% 时氧气回收率为 29. 41% ，当产品气中氧体积 分数大于 80% 时氧气回收率大于 40% ． 这是由于吸 附时间很短，吸附传质区还未到达吸附塔上端，产品气 中氧含量较高，然而此时产氧量较小，因此氧气回收率 较低． 随着吸附时间的延长，吸附过程更加充分，虽然 产品气中氧含量由于吸附传质区接近产品端而有所下 降，但产气量增加，故氧气回收率逐渐增高． 之后吸附 时间进一步增加，使吸附床层穿透，产品气中氧含量下 降较快，氧气回收率保持稳定． · 7151 ·