变压吸附制氧一般性技术原理

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    1 变压吸附制氧技术发展概况  变压吸附空分制氧始创于20世纪60年代初(Skarstrom, 1960; Guerin de Montgarenil & Domine, 1964)，并于70年代实现工业化生产。在此之前,传统的工业空分装置大部分采用深冷精馏法(简称深冷法)。  80年代以来至今，随着CaX和LiX等高效吸附剂（沸石分子筛）的相继开发利用以及工艺流程的改进，变压吸附空分技术得到迅速地发展，与深冷空分装置相比，PSA过程具有启动时间短和开停车方便、能耗较小和运行成本低、自动化程度高和维护简单、占地面积小和土建费用低等特点。在一些不需要同时具备氧、氮应用条件的中小规模(小于200TPD，相当于6000 Nm3/hr. )氧气生产中比深冷法更具有竞争力。广泛的应用于电炉炼钢、有色金属冶炼、玻璃加工、甲醇生产、碳黑生产、化肥造气、化学氧化过程、纸浆漂白、污水处理、生物发酵、水产养殖、医疗和军事等诸多领域(杨，1991; Kumar, 1996; Jee, Park, Haam & Lee,2002)。  四十多年来变压吸附空分制氧技术的研究进展主要表现在两个方面:一是空分制氧吸附剂和其吸附理论的研究方面，二是空分制氧工艺循环过程的研究方面 (Sircar,1994;Ruthven.Farooq&Knaebel, 1994)。在国内，尽管对这项技术的研究起步较早，然而在较长的一段时间内发展相对较缓。直至进入九十年代以来，变压吸附制氧设备的优越性才逐渐被国人认可，近几年各种流程的设备相继投产为各行各业带来了巨大的经济效益  SSS®实业及其控股公司在多年VSA/PSA制氧系统设计制造经验的基础上，依托具有十余年从事吸附分离的军工技术研发团队，展开了自新材料、新工艺、新构件直至工装模具等全方位的开发，其中：  󰂋 核心分离材料方面：开发了低硅系列Ca-LSX、Li-LSX、RELSX沸石，可广泛应用于变压 吸附  PSA/VSA制氧过程，可获得30～99.5%的氧气;  󰂋 吸附分离工艺流程方面：开发了循环有价值气体的分离工艺、非对称吸附分离工艺、氧 氩分离工艺、多循环常温空分工艺以及氧氮一体化联合分离工艺，几乎涵盖空气分离所有技术领域;  󰂋 分离工艺构件方面：开发了适用变压吸附工艺的特种控制阀门、附件，并将变压吸附装 置的生产实现了完全的模块化，使得变压吸附装置真正意义上可以像家电一样，即装即用。

youjifei

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关于变压吸附（PSA）制氧技术的核心要点，我结合工程实践总结如下：

=== 技术原理 ===
1. **吸附选择**  
基于沸石分子筛（如Li-LSX）对氮气的高选择性吸附能力（优先吸附氮气，氧气因动力学直径更小穿透床层）。

2. **压力循环**  
通过周期性压力变化实现吸附-解吸：  
- 加压阶段：压缩空气（0.2-0.6MPa）进入吸附塔，氮气被吸附  
- 降压阶段：降低压力使吸附剂再生，释放富氮废气  
- 典型循环周期：30秒-3分钟（视设备规模调整）

3. **产品输出**  
穿透相（氧气为主）经缓冲罐稳压后输出，纯度可通过多塔串并联或回流设计调控（30%-95%范围可调）

=== 发展里程碑 ===
- **材料突破**（关键转折点）  
早期使用CaA型沸石（氮氧分离系数约3），后升级为Li-LSX（分离系数达8-10），同等规模设备产能提升40%以上

- **工艺革新**  
从传统Skrastrom双塔流程演进到带均压回收的六塔流程（如UOP的Polybed系统），氧气回收率从50%提升至75%

- **国内进展**  
SSS公司开发的模块化PSA单元实现即插即用设计（类似集装箱式布局），现场安装周期缩短70%

=== 工程优势对比 ===
| 指标       | PSA制氧       | 深冷法         |
|------------|---------------|---------------|
| 启动时间   | 15-30分钟     | 8-12小时      |
| 能耗       | 0.32-0.45kWh/Nm | 0.5-0.7kWh/Nm |
| 最小经济规模| 50Nm/h       | 1500Nm/h     |
| 氧纯度     | 90-95%        | 99.5%+        |

=== 技术难点突破 ===
1. **吸附剂粉化控制**  
通过粘结剂配方优化（添加纳米级黏土）使分子筛抗压强度＞50N/颗

2. **阀门可靠性**  
开发金属硬密封蝶阀（动作寿命＞500万次），适应每分钟2-4次的高频切换

3. **脉冲流抑制**  
采用双缓冲罐+PID动态调节（响应时间＜50ms），确保出口压力波动＜±1%

=== 典型应用选型 ===
- 钢铁冶炼：1000-5000Nm/h级设备，纯度要求90-93%  
- 污水处理：50-200Nm/h级，搭配膜法提纯至＞95%  
- 医用氧源：带终端精制单元（催化除CO/CO），满足YY/T 0298标准

目前PSA制氧在＜6000Nm/h的中小规模场景已形成对深冷法的替代优势，但在超高纯度（＞99%）或超大规模（＞200TPD）场景仍存在技术瓶颈。未来发展方向聚焦于吸附剂寿命延长（目标＞10年）和智能化控制（AI预测吸附穿透点）。   

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