[发明专利]一种提高吸附剂生产率的变压吸附制氧系统

说明书

一种提高吸附剂生产率的变压吸附制氧系统，是对现有两塔变压吸附制氧系统的改进，即同时采用多个吸附塔组和多通道气路控制阀使吸附循环的时间大幅度减少，提高单位时间内吸附剂利用率和降低操作压力，通过调整吸附塔组的个数来调节吸附循环时间，使循环时间≤8s，操作压力≤0.2Mpa，显著地提高吸附剂的生产率和系统的稳定性，降低设备成本。

技术领域

本发明涉及气体分离技术领域，具体为一种提高吸附剂生产率的变压吸附制氧系统。

背景技术

变压吸附（pressure swing adsorption, PSA）是一种重要的分离技术，已在气体分离、提纯等领域获得广泛应用，尤其在中小规模的空气分离制氧气方面。由于产氧浓度高、设备成本低等诸多优点，基于PSA原理的制氧设备在家庭医疗、医院供氧等领域获得更为广泛的应用。对于PSA制氧设备，产氧浓度、氧气回收率、能耗和吸附剂生产率是衡量系统性能的主要指标，其中吸附剂生产率的大小直接影响设备的成本和占地面积。然而，传统PSA制氧设备由于流程设计不足，单位产氧所用的吸附剂量较大，该指标通常由每天产单位吨氧需吸附剂量（即衡量吸附床大小）来表征，用床层因子BSF（Bed size factor）来表示。目前工业级PSA制氧设备的BSF约为300kg·TPD^-1（TPD，表示每天产单位吨氧），减小BSF而提高吸附剂生产率有利于获得更好地制氧性能。

为此，国内外通过改进吸附剂种类、流程优化等方式来提高吸附剂生产率。国内专利CN201611231238.0提出了单塔低压吸附真空解吸制备氧气的系统，通过简化吸附塔和多次均压，实现快速吸附和解吸过程，提高吸附剂生产率。然而，多次均压的实现需要多个缓冲罐，使系统组成变得复杂。国内专利CN104747756 B提出了一种应用旋转阀的五管吸附塔PSA制氧机实现4塔吸附分离过程，但由于吸附塔结构设计的不足和高度集成性，部分吸附剂未被充分利用，吸附剂生产率仍较低。

国外专利US20020112606A1 提出了采用细颗粒吸附剂提高单塔真空PSA制氧系统中吸附剂生产率的方法，细颗粒吸附剂中气体具有很高吸附速率，有利于缩短循环周期，获得较高的吸附剂生产率，但由于流程设计的不足，系统能耗较高。传统细颗粒制氧吸附剂利用可获得较高生产率，但会引起较大床层压降，专利EP 0139247 A1 而具有不同几何形状通道的整体吸附剂可有效提高生产率，但由于其流程的不足，吸附剂生产率仍不能达到理想值。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种提高吸附剂生产率的变压吸附制氧系统。

现有典型的PSA制氧系统，如图1所示，吸附塔组通常有A、B两个吸附塔组成，吸附塔内通常装填颗粒直径较大的锂型制氧吸附剂，由于大颗粒吸附剂添加了较多的添加剂，其产氧速率一般≤100NL/h.kg，吸附循环时间≥20s，较长的切换时间使吸附剂生产率较低，BSF约为300kg·TPD^-1，而对于产氧量≤30L/min的小型变压吸附制氧系统，装填了颗粒直径较小的锂型制氧吸附剂，细颗粒直径吸附剂使用有效提高了吸附剂生产率，其产氧速率一般≤200NL/h.kg，BSF约为120kg·TPD^-1，但由于流程设计的不足，吸附循环时间≥15s，吸附剂生产率仍较低。

本发明提出一种提高吸附剂生产率的变压吸附制氧系统，如图2所示，吸附塔组由2组4个 小吸附塔组成，即m=4，n=2，由于吸附塔数增加为8个，单个吸附塔比传统两塔制氧系统的吸附塔体积缩少约为原来的25%，吸附过程充压和吸附时间大大缩短，循环时间≤8s，吸附剂生产率得到很大的提高，单位产氧所需的吸附剂大大减少，BSF仅约为60kg·TPD^-1，同时，吸附塔体积的缩小使系统工作压力也进一步降低（吸附压力≤0.2 MPa），有效减弱高吸附压力对吸附剂的冲击，提高制氧系统的稳定性。