本發(fā)明涉及利用變壓吸附法制備氧氣的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種兩塔低壓吸附真空解吸制備氧氣的裝置和方法。
背景技術(shù)：
空氣中的主要成分是氮氣和氧氣，利用環(huán)境溫度下，空氣中氮氣和氧氣在分子篩上的吸附性能不同（氧氣能通過而氮氣被吸附），設(shè)計適當(dāng)?shù)墓に囘^程，可以使氮氣和氧氣分離制得氧氣。氮氣在分子篩上的吸附能力比氧氣強(qiáng)（氮與分子篩表面離子的作用力強(qiáng)），當(dāng)空氣在加壓狀態(tài)下通過裝有沸石分子篩吸附劑的吸附床時，氮氣被分子篩吸附，氧氣因吸附較少，在氣相中得到富集并流出吸附床，使氧氣和氮氣分離獲得氧氣。當(dāng)分子篩吸附氮氣至接近飽和后，停止通空氣并降低吸附床的壓力，分子篩吸附的氮氣便可以解吸出來，分子篩得到再生并可重復(fù)利用。
現(xiàn)在市場上小型制氧設(shè)備都采用變壓吸附法（PSA），其是一種利用多空固體吸附劑在一定壓力、溫度下，對混合氣體中不同組分具有選擇吸附的特性，實現(xiàn)混合氣體的分離技術(shù)。低壓吸附真空解吸（VPSA）法的吸附壓力高于大氣壓，一般在40～60Kpa，VPSA法是目前采用最多的一種制氧工藝，制氧電耗一般在0.15～0.2KWh/m3，裝置規(guī)模0～2000 m3/h。
目前，現(xiàn)有的變壓吸附制氧設(shè)備主要流程中的氧氣收率低，氧氣濃度在85%左右，產(chǎn)品壓力波動大，連續(xù)產(chǎn)氧時間間隔長，對于一些對氧氣濃度要求較高的設(shè)備來說，傳統(tǒng)的制氧設(shè)備已經(jīng)滿足不了現(xiàn)在市場的需求。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明實施例期望提供一種兩塔低壓吸附真空解吸制備氧氣的裝置和方法，能夠提高氧氣產(chǎn)量和收率。
本發(fā)明實施例的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：
一種兩塔低壓吸附真空解吸制備氧氣的裝置，包括鼓風(fēng)機(jī)、真空泵、第一吸附塔、第二吸附塔、第一均壓罐、第二均壓罐和氧氣緩沖罐，其中第一吸附塔的進(jìn)口與第二吸附塔的進(jìn)口相連，并連接到鼓風(fēng)機(jī)和真空泵，第一吸附塔的出口和第二吸附塔的出口相連，并連接到氧氣緩沖罐，第一吸附塔和第二吸附塔通過管道與第一均壓罐和第二均壓罐連接，其中，
鼓風(fēng)機(jī)用于將原料空氣壓縮后通過管道輸入第一吸附塔和第二吸附塔；
真空泵用于抽取第一吸附塔和第二吸附塔內(nèi)的氣體；
第一吸附塔和第二吸附塔用于吸附產(chǎn)氧、順向放壓、真空解吸、清洗和充壓，輸出富氧氣體到第一均壓罐，輸出貧氧氣體到第二均壓罐，輸出氧氣到氧氣緩沖罐；
第一均壓罐用于存儲從第一吸附塔和第二吸附塔輸入的富氧氣體，并輸出給第一吸附塔和第二吸附塔進(jìn)行充壓；
第二均壓罐用于存儲從第一吸附塔和第二吸附塔輸入的貧氧氣體，并輸出給第一吸附塔和第二吸附塔進(jìn)行充壓；
氧氣緩沖罐用于收集從第一吸附塔和第二吸附塔輸入的氧氣，并輸出給第一吸附塔和第二吸附塔進(jìn)行清洗。
優(yōu)選地，還包括17個閥門。
優(yōu)選地，所述17個閥門是氣動切換閥。
優(yōu)選地，還包括止回閥，止回閥一端連通第一吸附塔和第二吸附塔，另一端連通氧氣緩沖罐。
優(yōu)選地，還包括可編程邏輯控制器，可編程邏輯控制器用于輸出電信號控制閥門。
本發(fā)明的實施例還提供一種兩塔低壓吸附真空解吸制備氧氣的方法，包括以下步驟：
原料空氣經(jīng)過鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)入第一吸附塔，第一吸附塔進(jìn)行吸附，獲得氧氣輸送給氧氣緩沖罐，同階段真空泵對第二吸附塔進(jìn)行抽真空，進(jìn)行真空解吸；
當(dāng)?shù)谝晃剿奈絼┪降獨怙柡蜁r停止鼓風(fēng)機(jī)工作，第一吸附塔將其中的富氧氣體順放至第一均壓罐，同階段第二吸附塔繼續(xù)進(jìn)行真空解吸；
第一吸附塔將其中的貧氧氣體順放至第二均壓罐，同階段第二吸附塔從氧氣緩沖罐獲得氧氣進(jìn)行清洗；
真空泵對第一吸附塔進(jìn)行抽真空，進(jìn)行真空解吸，同階段第二吸附塔從第二均壓罐獲得貧氧氣體進(jìn)行充壓，并利用鼓風(fēng)機(jī)同時進(jìn)行充壓；
第一吸附塔繼續(xù)進(jìn)行真空解吸，同階段第二吸附塔從第一均壓罐獲得富氧氣體進(jìn)行充壓，并利用鼓風(fēng)機(jī)繼續(xù)進(jìn)行充壓；
第一吸附塔繼續(xù)進(jìn)行真空解吸，同階段第二吸附塔對原料空氣進(jìn)行吸附，獲得氧氣輸送給氧氣緩沖罐；
第一吸附塔繼續(xù)進(jìn)行真空解吸，同階段當(dāng)?shù)诙剿奈絼┪降獨怙柡蜁r停止鼓風(fēng)機(jī)工作，第二吸附塔將其中的富氧氣體順放至第一均壓罐；
第一吸附塔從氧氣緩沖罐獲得氧氣進(jìn)行清洗，同階段第二吸附塔將其中的貧氧氣體順放至第二均壓罐；
第一吸附塔從第二均壓罐獲得貧氧氣體進(jìn)行充壓，并利用鼓風(fēng)機(jī)同時進(jìn)行充壓，同階段真空泵對第二吸附塔進(jìn)行抽真空，進(jìn)行真空解吸；
第一吸附塔從第一均壓罐獲得富氧氣體進(jìn)行充壓，并利用鼓風(fēng)機(jī)繼續(xù)進(jìn)行充壓，同階段第二吸附塔繼續(xù)進(jìn)行真空解吸；
重復(fù)以上步驟。
優(yōu)選地，第一吸附塔和第二吸附塔進(jìn)行吸附時，氣壓范圍為40千帕到50千帕；第一吸附塔和第二吸附塔進(jìn)行真空解吸時，氣壓范圍為-40千帕到-50千帕。
優(yōu)選地，富氧氣體的氧氣濃度為80%到90%，貧氧氣體的氧氣濃度為60%到70%。
本發(fā)明實施例所提供的兩塔低壓吸附真空解吸制備氧氣的裝置和方法，可從空氣中分離純度為85%～93%（體積百分比）的氧氣，氧氣收率能達(dá)到70%～80%，產(chǎn)量規(guī)模低于5000Nm3/h的中大型制氧設(shè)備。解決了原有VPSA制氧工藝氧氣利用率低、單位產(chǎn)量吸附劑用量大（吸附劑利用率低）、設(shè)備造價高等影響VPSA技術(shù)應(yīng)用的缺點。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例提供的兩塔低壓吸附真空解吸制備氧氣的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例和技術(shù)方案，下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行更詳細(xì)的說明，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
本發(fā)明的技術(shù)方案是設(shè)計一種兩塔VPSA制備氧氣的裝置，包括兩個吸附塔、1個鼓風(fēng)機(jī)、1個真空泵、2個均壓罐和1個氧氣緩沖罐，將兩個吸附塔進(jìn)行聯(lián)用進(jìn)行變壓吸附，在一個周期內(nèi)，每個吸附塔都經(jīng)歷吸附、順向放壓、真空解吸、清洗、充壓等五個步驟，在同一時刻兩個吸附塔分別處于不同的操作階段。一個吸附塔進(jìn)行吸附產(chǎn)氧，另一個吸附塔再生，再生結(jié)束后，該吸附塔進(jìn)空氣吸附，另一個吸附塔再生。如無特別說明，本發(fā)明實施例中所用的壓力都為本領(lǐng)域常用的表壓。
圖1為本發(fā)明實施例提供的兩塔低壓吸附真空解吸制備氧氣的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該兩塔低壓吸附真空解吸制備氧氣的裝置包括鼓風(fēng)機(jī)G、真空泵Z、第一吸附塔A、第二吸附塔B、第一均壓罐V1、第二均壓罐V2、氧氣緩沖罐V3、止回閥J1和十七個閥門A1-A7、B1-B7、K1-K2、J2。其中這十七個閥門A1-A7、B1-B7、K1-K2、J2是氣動切換閥。本實施例中的兩個吸附塔直徑4700mm，高度4000mm，采用型號為350m3/h的鼓風(fēng)機(jī)和460m3/h的真空泵。
第一吸附塔A的進(jìn)口與第二吸附塔B的進(jìn)口相連，并連接到鼓風(fēng)機(jī)G和真空泵Z，第一吸附塔A的出口和第二吸附塔B的出口相連，并連接到氧氣緩沖罐V3，第一吸附塔A和第二吸附塔B通過管道與第一均壓罐V1和第二均壓罐V2連接。
鼓風(fēng)機(jī)G將原料空氣壓縮后通過管道輸入第一吸附塔A和第二吸附塔B。
真空泵Z能夠抽取第一吸附塔A和第二吸附塔B內(nèi)的氣體。
第一吸附塔A和第二吸附塔B分別完成吸附產(chǎn)氧、順向放壓、真空解吸、清洗和充壓，輸出富氧氣體到第一均壓罐V1，輸出貧氧氣體到第二均壓罐V2，輸出氧氣到氧氣緩沖罐V3。
第一均壓罐V1存儲從第一吸附塔A和第二吸附塔B輸入的富氧氣體，并輸出給第一吸附塔A和第二吸附塔B進(jìn)行充壓。
第二均壓罐V2存儲從第一吸附塔A和第二吸附塔B輸入的貧氧氣體，并輸出給第一吸附塔A和第二吸附塔B進(jìn)行充壓。
氧氣緩沖罐V3收集從第一吸附塔A和第二吸附塔B輸入的氧氣，并輸出給第一吸附塔A和第二吸附塔B進(jìn)行清洗。
止回閥J1一端連通第一吸附塔A和第二吸附塔B，另一端連通氧氣緩沖罐V3。
還包括可編程邏輯控制器（PLC），可編程邏輯控制器能夠輸出電信號控制各個閥門A1-A7、B1-B7、K1-K2、J2。兩個吸附塔各步驟的切換是靠程控閥門的開或關(guān)來實現(xiàn)的，將設(shè)計好的程序輸入PLC，PLC輸出電信號控制程控閥門，使程控閥門開或關(guān)，實現(xiàn)各步驟的切換。
下面具體描述利用上述實施例中的兩塔低壓吸附真空解吸制備氧氣裝置來制備氧氣的過程。該兩塔低壓吸附真空解吸（VPSA）制備氧氣的流程包括以下步驟：
閥門A1，A7，B2開啟，其余切換閥門關(guān)閉，原料空氣經(jīng)過鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)入第一吸附塔，第一吸附塔進(jìn)行吸附，獲得氧氣輸送給氧氣緩沖罐。
在這個階段，原料空氣經(jīng)過濾消音器除去機(jī)械雜質(zhì)，經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)增壓后從下部進(jìn)入第一吸附塔，其中氣壓范圍為40千帕到50千帕，空氣中的水分和二氧化碳優(yōu)先被吸附，然后氮氣也被吸附，氧氣則吸附很少，在氣相中得到富集，并從第一吸附塔頂端排出，使氧氣和氮氣分離獲得高純度的氧氣，此步驟稱為“吸附”。獲得的氧氣一部分作為產(chǎn)品氣，經(jīng)壓力調(diào)節(jié)后送往下游裝置。
同階段真空泵對第二吸附塔進(jìn)行抽真空，進(jìn)行真空解吸，其中氣壓范圍為-40千帕到-50千帕。
閥門A3，K1，A4，B2開啟，其余切換閥門關(guān)閉，當(dāng)?shù)谝晃剿奈絼┪降獨怙柡蜁r停止鼓風(fēng)機(jī)工作，第一吸附塔將其中的富氧氣體順放（即順向放壓）至第一均壓罐，其中富氧氣體的氧氣濃度為80%到90%。
同階段第二吸附塔繼續(xù)進(jìn)行真空解吸。
閥門K1，A3，B4，J2，B7，B2開啟，其余切換閥門關(guān)閉，第一吸附塔將其中的貧氧氣體順放至第二均壓罐，貧氧氣體的氧氣濃度為60%到70%。流出氣進(jìn)入均壓罐，回收帶壓的氣體的能量以及純度較高的氧氣，用來進(jìn)行充壓，使裝置的氧氣收率提高。
同階段第二吸附塔從氧氣緩沖罐獲得氧氣進(jìn)行清洗。在清洗階段時，利用氧氣緩沖罐中的產(chǎn)品氧來清洗，氧氣濃度高，清洗效果好。
閥門A2，B1，B5，B6開啟，其余切換閥門關(guān)閉，真空泵對第一吸附塔進(jìn)行抽真空，進(jìn)行真空解吸，解吸吸附劑上吸附的氮氣，使吸附劑得到再生。
同階段第二吸附塔從第二均壓罐獲得貧氧氣體進(jìn)行充壓，并利用鼓風(fēng)機(jī)同時進(jìn)行充壓。
閥門A5，B6，A2，B1開啟，其余切換閥門關(guān)閉，第一吸附塔繼續(xù)進(jìn)行真空解吸，同階段第二吸附塔從第一均壓罐獲得富氧氣體進(jìn)行充壓，并利用鼓風(fēng)機(jī)繼續(xù)進(jìn)行充壓。
在充壓階段時，第二均壓罐中的貧氧氣體首先被用來充壓，讓貧氧氣體在吸附塔底部進(jìn)行再次吸附，緊接著第一均壓罐中的富氧氣體在進(jìn)行充壓，回收這部分富氧氣體。
鼓風(fēng)機(jī)充壓之前，利用兩個均壓罐收集的順放氣體提對吸附塔進(jìn)行升壓，能夠減小對分子篩的沖擊力，延長分子篩的使用壽命，提高氧氣收率。
閥門A2，B7，B1開啟，其余切換閥門關(guān)閉，第一吸附塔繼續(xù)進(jìn)行真空解吸，同階段第二吸附塔對原料空氣進(jìn)行吸附，獲得氧氣輸送給氧氣緩沖罐。
閥門K1，A2，B3，A4開啟，其余切換閥門關(guān)閉，第一吸附塔繼續(xù)進(jìn)行真空解吸，同階段當(dāng)?shù)诙剿奈絼┪降獨怙柡蜁r停止鼓風(fēng)機(jī)工作，第二吸附塔將其中的富氧氣體順放至第一均壓罐。
閥門K1，B3，B4，J2，A7，A2開啟，其余切換閥門關(guān)閉，第一吸附塔從氧氣緩沖罐獲得氧氣進(jìn)行清洗，用部分純度較高的氧氣對其進(jìn)行清洗，置換吸附劑上吸附的氮氣，使氮氣的解吸更為徹底。
同階段第二吸附塔將其中的貧氧氣體順放至第二均壓罐。
閥門A5，Ｂ6，Ｂ2，Ａ1開啟，其余切換閥門關(guān)閉，第一吸附塔從第二均壓罐獲得貧氧氣體進(jìn)行充壓，并利用鼓風(fēng)機(jī)同時進(jìn)行充壓，同階段真空泵對第二吸附塔進(jìn)行抽真空，進(jìn)行真空解吸。
閥門A5，Ａ6，A2，B２開啟，其余切換閥門關(guān)閉，第一吸附塔從第一均壓罐獲得富氧氣體進(jìn)行充壓，并利用鼓風(fēng)機(jī)繼續(xù)進(jìn)行充壓，同階段第二吸附塔繼續(xù)進(jìn)行真空解吸。
重復(fù)以上步驟，周期性切換，使設(shè)備能夠平穩(wěn)產(chǎn)氧。制得合格產(chǎn)品氧氣，再經(jīng)氧氣壓縮機(jī)壓縮后，符合用戶要求的氧氣壓力即可送往用氣點。
上述兩塔低壓吸附真空解吸制備氧氣裝置，特點是在清洗步驟時，仍然在進(jìn)行抽真空，吸附床的壓力基本不變，另外氣源采用的是氧氣緩沖罐中的氣體，氣體純度高，清洗效果好，另外打破了傳統(tǒng)的兩塔變壓吸附制氧裝置的傳統(tǒng)工藝流程，兩個均壓罐對順向放壓的氣體進(jìn)行區(qū)分和收集，并且用于對吸附塔的充壓階段，將貧氧氣體再次鼓入吸附塔底部進(jìn)行二次吸附，再將富氧氣體鼓入吸附塔進(jìn)行回收利用，提高了氧氣收率和氧氣濃度，可適應(yīng)1～5000Nm3/h的不同產(chǎn)量的制氧設(shè)備，氧氣濃度能達(dá)到85%～93%（體積百分比），氧氣收率能達(dá)到70%~80%以上，實現(xiàn)10%~20%的氧氣生產(chǎn)率改進(jìn)。
上述兩塔低壓吸附真空解吸制備氧氣的流程不需要兩個吸附塔之間相互均壓，各塔相互獨立，對真空泵的利用率為100%，鼓風(fēng)機(jī)的利用率在90%，每個吸附塔只需要5個步驟，完成一個周期的時間較短，基本可以達(dá)到連續(xù)產(chǎn)氧的效果。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。