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1998年第6期低温工程No.61998
总第106期CRYOGENICSSumNo.106

空气分离变压吸附装置分析及其设计

邵皓平梁其煜

(浙江大学低温实验室杭州310027)

摘要探讨了空气分离变压吸附制氧、制氮过程中工作压力、吸附塔的高径比
以及工艺流程中塔数对该方法的气体回收率、降低能耗的关系,还讨论了切换时间、
冲洗压力、床层温度对产品气氧、气氮的影响。

主题词变压吸附空气分离装置分析

空气分离在60年代以前一直采用深冷分离法,只因过程复杂、设备庞大、能耗高,具有

一定规模的装置才具有较好的经济效益。后来有人发现空气中N2比O2在沸石上有更强的吸
附力,以及开发合成沸石分子筛,激发人们在本世纪50年代末,60年代初研究应用变压吸附

方法分离空气中的氧氮。它是利用空气中N2和O2在吸附剂上的吸附量、吸附速度、吸附力等
方面的差异及吸附剂对氧氮随压力不同具有不同的吸附量的特性,即加压时完成一组份的吸
附,降压下解吸所吸附组份,以实现空气分离制取氧氮,而吸附剂则再生循环使用。

在1958年,Skarstorm首先申请变压吸附分离空气制O2和N2的专利,同时GuerindeMon2
teagareind和Domirine也申请同样的专利。只是前者采用降压实现吸附剂再生,后者使用抽
真空解吸再生。1959年美国Skarstorm应用5A分子筛的两床分离空气制氧,1960年进一步完
善投入工业生产;1975年试制成功医用富氧变压吸附装置;1977年德国研制成碳分子筛变压

吸附制N2;1979年国际上大部分制氧机的空气干燥净化采用变压吸附工艺;1980年开发成功

快速变压吸附装置;1992年日本制造了生产能力为300töd的PSA法制O2设备。
一套变压吸附装置的性能及效率,除了同吸附剂的性能、被分离混合物气体的性质有关
外,还决定於吸附塔有关参数,如工作压力、温度、切换时间、吸附塔高径比等。

1工作压力的确定

当选定某种吸附剂后,吸附剂的吸附容量是温度与压力的函数,G=F(p,T)。G随压力
的提高而增加,但达到一定程度就饱和(见图1)。所以,一般情况下希望提高压力来增加吸附
剂容量。由于变压吸附是一个瞬时升压降压过程,压力过高会延长一个微循环单位过程,减少

本文于1998年9月2日收到。
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单位时间内的循环次数,不利于混合气体的分离;空气分离随工作压力提高,其分离系数反
而降低,而且气体压力提高后要增加吸附塔的机械强度,增加设备费的投入。从图2和3看出,

工作压力对气体回收率与能耗影响很明显。因此,无论是提氢或空气分离生产O2,N2,变压吸
附装置应选择最佳压力。应用变压吸附方法从空气分离

O2,N2时工作压力一般在018～0125MPa范围内操作,有
时甚至可在超大气压条件下运行。而应用PSA法从工业尾
气制氢,工作压力可高些,工作压力可选择116～2MPa。

2塔的高径比的确定

若将一个吸附剂再生好的吸附塔通入所要分离的混合
气体,并不断从吸附塔出口处取出气体进行分析,以出口处
气体浓度对时间做曲线,可获得吸附塔转效曲线,如图4所

示。在转效点之前吸附塔出口气体是符合分离要求的纯气图1G=f(p,T)
体,而转效点以后出口气体含有杂质。为了保证在转效点之
前吸附塔正常工作,这就要求气体不能出现返混现象,因此对吸附塔高径比与气体流速有严
格要求。

图2氮气回收率与吸附压力关系曲线图3单位能耗与氮气纯度关系曲线
(进气温度40℃切换时间40s)
1—N297%2—N298%3—N299%

吸附塔高径比过小,吸附塔径过大,易引起返混现象。一般吸附塔高径比>5,但混合气

体中各组分含量不同对塔高径比要求有差异。空气中O2含量为21%,比N2含量78%低得多,

分离O2更加不容易进行。因此,其吸附塔的高径比>10。有关文献报道,日本有些装置高径比
甚至可以达到20以上。因此用变压吸附分离空气时,在压力降允许条件下,高径比可放大一些,
但在设计时要考虑吸附塔稳定性。对空气分离制氮的变压吸附装置,其吸附塔高径比范围用4
～7。而从工业尾气制氢,由于工业尾气中含氢一般比较高,它的吸附塔的高径比一般取2～4。

3吸附塔数的确定

首先应考虑生产能力,并同时要从气体回收率、降低能耗等因素决定吸附塔数。小容量空

气分离制取O2,N2的变压吸附装置可采用单塔或双塔工艺流程。单塔装置一般采用非等压型
快速变压吸附。双塔吸附法空气分离装置流程见图5,但这种工艺流程不适于生产容量较大的
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图4吸附转效曲线

装置。虽然设备简单,投资少,但存在于死空间产品组分损失较大,因降压时将这些气体排放,
这不仅减少气体回收量,而且损失一