一种吸附真空解吸制氧设备及方法与流程

〖技术领域〗

本发明涉及制氧技术领域，尤其涉及一种吸附真空解吸制氧设备及方法。

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背景技术：
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加压吸附真空解吸(简称vpsa)制氧设备是目前使用最多的一种制氧工艺。vpsa制氧设备主要由鼓风机、真空泵、切换阀、吸附器和氧气平衡罐组成。

原料空气经吸入口过滤器除掉灰尘颗粒后，被鼓风机增压至0.3-0.5barg而进入其中一只吸附器内。吸附器内装填吸附剂，其中水分、二氧化碳、及少量其它气体组分在吸附器入口处被装填于底部的活性氧化铝所吸附，随后氮气被装填于活性氧化铝上部的沸石分子筛所吸附。而氧气(包括氩气)为非吸附组分从吸附器顶部出口处作为产品气排至氧气平衡罐。当该吸附器吸附到一定程度，其中的吸附剂将达到饱和状态，此时通过切换阀利用真空泵对之进行抽真空(与吸附方向相反)，真空度为0.65-0.75barg。已吸附的水分、二氧化碳、氮气及少量其它气体组分被抽出并排至大气，吸附剂得到再生。

vpsa制氧系统虽然可以实现连续制氧，但是由于常见的vpsa制氧系统均采用双塔交替吸附/解吸运行，运行能耗高(每生产1标准立方的氧气耗电约1.5度)，鼓风机壳体部分的温度都较高，通常情况下达到90℃以上，需要另外安装软水冷却系统，在不具备软水处理系统的情况下，直接采用自来水冷却，运行一段时间后，鼓风机冷却壳体内部结垢，从而导致空气温度升高，影响产氧效率。与此同时，空压机、冷干机、过滤器的维护保养费用较高，一次性设备投入大，占地面积也比较大，整个系统安装维护复杂，且故障率高。

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技术实现要素：
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本发明的第一个目的旨在提供一种常压吸附真空解吸制氧设备，通过单个氮气吸附及解吸单元实现吸附及解吸过程，占地面积小，运行能耗低，无需电磁阀即可实现吸附和解吸过程的切换，控制流程简单、操作方便。

为了实现本发明的第一个目的，本发明采用了如下技术方案：

一种吸附真空解吸制氧设备，包括：依次连接的气体净化单元、气体输送及抽取单元、氮气吸附及解吸单元、氧气缓冲单元以及氧气存储单元；所述氮气吸附及解吸单元的数量为单个；

所述气体净化单元用于将净化后的空气输送给气体输送及抽取单元；所述气体输送及抽取单元用于接收所述净化后的空气，输送加压后的空气给氮气吸附及解吸单元，或，对氮气吸附及解吸单元进行抽真空处理；所述氮气吸附及解吸单元用于对所述加压后的空气进行吸附氮气处理，或，在真空状态下解吸氮气；所述氧气缓冲单元用于对所述氮气吸附及解吸单元输送的氧气进行缓冲处理；所述氧气存储单元用于存储所述氧气缓冲单元输送的氧气。

进一步地，当所述氮气吸附及解吸单元吸附氮气达到饱和后，所述气体输送及抽取单元对所述氮气吸附及解吸单元进行抽真空处理；当所述氮气吸附及解吸单元完全解吸所吸附的氮气后，所述气体输送及抽取单元重新输送加压后的空气给所述氮气吸附及解吸单元。

作为具体的实施方式，所述气体输送及抽取单元包括罗茨风机；所述罗茨风机通过正转对空气进行加压，通过反转进行抽真空。

作为具体的实施方式，当所述氮气吸附及解吸单元吸附氮气达到饱和后，所述罗茨风机自动断电，并在所述氮气吸附及解吸单元内部气压和大气压的压差作用下自行反转；当所述氮气吸附及解吸单元完全解吸所吸附的氮气后，所述罗茨风机的电机电源自动恢复通电，罗茨风机重新开始正转，输送加压后的空气给所述氮气吸附及解吸单元。

进一步地，当所述氮气吸附及解吸单元内部气压与大气压达到平衡时，所述罗茨风机的风叶在惯性的作用下继续反转。

进一步地，所述吸附真空解吸制氧设备还包括双向换热单元；所述双向换热单元接入气体输送及抽取单元与氮气吸附及解吸单元之间，用于吸收所述加压后的空气的热量，降低所述加压后的空气的温度，或，将吸收的热量传递给所述气体输送及抽取单元抽取的气体。

进一步地，所述吸附真空解吸制氧设备还包括双向限流单元；所述双向限流单元连入氮气吸附及解吸单元与氧气缓冲单元之间，用于输送由所述氮气吸附及解吸单元流向所述氧气缓冲单元的气体，并对气体的流速进行限制，或，输送由所述氧气缓冲单元流向所述氮气吸附及解吸单元的气体，并对气体的流速进行限制。

进一步地，所述吸附真空解吸制氧设备还包括冷干机和消声器；所述冷干机连入氧气缓冲单元与氧气存储单元之间；所述消声器设置在连接气体输送及抽取单元与氮气吸附及解吸单元的管路上。

作为具体的实施方式，所述氮气吸附及解吸单元包括吸附塔；所述氧气缓冲单元包括氧气缓冲罐以及与所述氧气缓冲罐连接的氧气增压机。

进一步地，当所述气体输送及抽取单元对所述氮气吸附及解吸单元进行抽真空处理时，所述氧气缓冲单元缓冲的氧气进入所述氮气吸附及解吸单元内部进行冲洗。

作为具体的实施方式，所述气体输送及抽取单元将所述气体净化单元输出的空气加压至0.6kg/cm²-1.0kg/cm²。

本发明的第二个目的旨在提供一种吸附真空解吸制氧方法，通过单个氮气吸附及解吸单元实现吸附及解吸过程，占地面积小，运行能耗低，且无需电磁阀即可实现吸附和解吸过程的切换，控制流程简单、操作方便。

为了实现本发明的第二个目的，本发明采用了如下技术方案：

一种吸附真空解吸制氧方法，采用上述吸附真空解吸制氧设备，包括以下步骤：

大气中的空气经由气体净化单元净化处理后，进入气体输送及抽取单元；

气体输送及抽取单元对气体净化单元输出的空气进行加压后，输送给氮气吸附及解吸单元；

氮气吸附及解吸单元对加压后的空气进行氮气吸附处理，将提取的氧气输送给氧气缓冲单元，再由氧气缓冲单元输送给氧气存储单元；

当氮气吸附及解吸单元吸附氮气达到饱和后，氮气吸附过程结束，气体输送及抽取单元对氮气吸附及解吸单元进行抽真空；

氮气吸附及解吸单元在真空状态下解吸所吸附的氮气；

当氮气吸附及解吸单元吸附的氮气完全解吸后，氮气解吸过程结束；

周期性地重复上述步骤，实现持续制氧。

进一步地，所述吸附真空解吸制氧设备还包括双向换热单元；气体输送及抽取单元对气体净化单元输出的空气进行加压后，输送给双向换热单元，经由双向换热单元降温处理后，输送给氮气吸附及解吸单元；从氮气吸附及解吸单元中抽真空抽出的气体进入双向换热单元，吸收双向换热单元内的热量并排至大气中。

进一步地，当氮气吸附及解吸单元在真空状态下解吸所吸附的氮气时，氧气缓冲单元中的氧气进入氮气吸附及解吸单元，对氮气吸附及解吸单元进行冲洗。

作为具体的实施方式，所述气体输送及抽取单元将气体净化单元输出的空气加压至0.6kg/cm²-1.0kg/cm²。

本发明的有益效果：

本发明通过单个氮气吸附及解吸单元实现吸附及解吸过程，相比现有技术中采用两个氮气吸附及解吸单元分开进行吸附和解吸过程，占地面积更小，运行能耗更低，系统一次投入成本低，且无需电磁阀即可实现吸附和解吸过程的切换，控制流程简单、操作方便。进一步地，本发明通过罗茨电机正反转实现吸附和解吸的切换，控制流程简单、操作方便。进一步地，本发明通过罗茨电机在氮气吸附及解吸单元吸附氮气饱和时自动断电反转，实现氮气吸附及解吸单元加压到减压的转变，进而实现吸附到解吸的自动切换，控制流程简单、操作方便。进一步地，当氮气吸附及解吸单元内部气压与大气压达到平衡时，罗茨风机的风叶在惯性的作用下继续反转，便于达到抽真空的目的。进一步地，本发明通过双向换热单元吸收加压后的空气的热量，降低加压后的空气的温度，并在气体输送及抽取单元对氮气吸附及解吸单元抽真空时，将吸收的热量传递给从气体输送及抽取单元抽取的气体，使得双向换热单元吸收的热量能够有效排出，延长了双向换热单元的使用寿命。进一步地，本发明通过氧气增压机对氧气增压，便于将氧气输送给氧气终端用户。进一步地，本发明通过氧气缓冲单元在气体输送及抽取单元抽真空时，输送氧气到氮气吸附及解吸单元内部，对氮气吸附及解吸单元内部进行冲洗，便于氮气吸附及解吸单元吸附的氮气更充分的解吸出来。进一步地，本发明气体输送及抽取单元将空气加压至比低压更低的常压，对氮气吸附及解吸单元罐体的压力更小，使得氮气吸附及解吸单元的安全运行系数更高；与此同时，采用常压空气进行吸附，提取氧气的效率更高，氮气吸附及解吸单元的体积可以更小，进而缩小了设备的占地面积。

〖附图说明〗

为了更清楚地说明本发明实施例，下面对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明中的实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明实施例提供的吸附真空解吸制氧设备的总体结构示意图；

附图标记说明：100，气体净化单元；110，前级过滤器；120，后级过滤器；200，气体输送及抽取单元；300，双向换热单元；400，氮气吸附及解吸单元；500，双向限流单元；510，第一限流阀；520，第二限流阀；600，氧气缓冲单元；610，氧气缓冲罐；620，氧气增压机；700，氧气存储单元；800，消声器；900，冷干机。

〖具体实施方式〗

下面结合附图，对本发明进行详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案、优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图1所示，一种吸附真空解吸制氧设备，包括依次连接的气体净化单元100、气体输送及抽取单元200、双向换热单元300、氮气吸附及解吸单元400、双向限流单元500、氧气缓冲单元600以及氧气存储单元700。

在本实施例中，气体净化单元100用于对通过的气体进行净化处理，主要包括除水、除尘及除去部分co2。如图1所示，气体净化单元100包括前级过滤器110和后级过滤器120。在本实施例中，前级过滤器110和后级过滤器120均包括活性炭过滤器、除尘过滤器及二氧化碳过滤器中的一种或多种，且前级过滤器110和后级过滤器120加在一起需包括至少一组活性炭过滤器、除尘过滤器及二氧化碳过滤器。其中，活性炭过滤器主要用于除水，除尘过滤器主要用于除尘，二氧化碳过滤器主要用于除去部分co2。

在本实施例中，气体输送及抽取单元200用于输送加压后的空气或抽真空；氮气吸附及解吸单元400的数量为单个，用于吸附氮气或解吸氮气；气体输送及抽取单元200对气体净化单元100输出的空气进行加压处理后，将加压后的空气经由双向换热单元300输送给氮气吸附及解吸单元400，再由氮气吸附及解吸单元400选择性吸附空气中的氮气，从而提取氧气，当氮气吸附及解吸单元400吸附氮气达到饱和后，气体输送及抽取单元200经由双向换热单元300对氮气吸附及解吸单元400进行抽真空，氮气吸附及解吸单元400在真空状态下解吸所吸附的氮气。

在本实施例中，气体输送及抽取单元200包括罗茨风机，氮气吸附及解吸单元400包括吸附塔；罗茨风机具有正反转特性以及高速反转的惯性，通过正转进行加压制氧，通过反转进行负压抽真空；吸附塔内装填有分子筛，分子筛具有选择性吸附空气中氮气的特性以及在真空状态下解析出所吸附的氮气的特性；大气中的空气经由罗茨风机正转加压后输送给氮气吸附及解吸单元400进行氮气吸附处理，氮气吸附及解吸单元400吸附氮气达到饱和后，氮气吸附过程结束，罗茨风机的电机电源会自动断电，吸附塔内气压高于大气压，罗茨风机在吸附塔内气压和大气压的压差作用下会自行反转，当吸附塔内气压与大气压达到平衡时，罗茨风机的风叶在惯性作用下仍然继续反转，最终达到抽真空的目的。

在本实施例中，氮气吸附及解吸单元400输出的氧气经由双向限位单元输送给氧气缓冲单元600，氧气缓冲单元600用于对氮气吸附及解吸单元400输送的氧气进行缓冲处理，使氧气压力保持在一个较恒定的压力状态，从而保持氧气浓度的稳定性；如图1所示，氧气缓冲单元600包括氧气缓冲罐610以及与氧气缓冲罐连接的氧气增压机620，氧气增压机620用于给氧气缓冲罐610中的氧气增压；氧气增压机620采用变频增压机，将氧气缓冲罐610中的压力较低的氧气(最高约0.7kg/cm2)增压到约4.5kg/cm2，便于将氧气输送给氧气终端用户。与此同时，当氮气吸附及解吸单元400被气体输送及抽取单元200抽真空解吸氮气时，氧气缓冲罐610中的部分高浓度氧气((93：±3)％)经由双向限流单元500进入吸附塔的塔顶，对吸附塔内的分子筛进行冲洗，便于分子筛吸附的氮气更充分的解吸出来。

在本实施例中，吸附塔内的分子筛采用法国锂型医用型沸石分子筛。

在本实施例中，双向换热单元300包括换热器，换热器以水作为介质；当气体输送及抽取单元200向氮气吸附及解吸单元400充压时，气体输送及抽取单元200输送的加压后的空气(为高温气流)将热量传递给换热器中的水，换热器水温升高，降低气体输送及抽取单元200输送给氮气吸附及解吸单元400的加压后的空气的温度；当气体输送及抽取单元200对氮气吸附及解吸单元400进行抽真空时，氮气吸附及解吸单元400被抽出的低温气流将换热器中水的热量带出到大气中，降低换热器中的温度，使得换热器在氮气吸附及解吸单元400吸附过程吸收的热量能够有效排出，延长了换热器的使用寿命。

如图1所示，双向限流单元500包括第一限流阀510和第二限流阀520；第一限流阀510用于输送由吸附塔流向氧气缓冲罐610的气体，并对气体的流速进行限制；第二限流阀520用于输送由氧气缓冲罐610流向吸附塔的气体，并对气体的流速进行限制。

在本实施例中，氧气存储单元700包括储气罐，用于存储氧气缓冲罐610输送的氧气，并将存储的氧气输送给氧气用户终端。

如图1所示，吸附真空解吸制氧设备还包括消声器800以及冷干机900；消声器800连入气体输送及抽取单元200与双向换热单元300之间的管路上，用于进行消声处理，减少噪声；冷干机900连入氧气缓冲单元600与氧气存储单元700之间，用于对氧气缓冲单元600输出的氧气进行冷冻干燥处理后输送给氧气存储单元700。

在本实施例中，吸附真空解吸制氧设备的工艺流程如下：

大气中的空气经由气体净化单元100净化处理后，进入气体输送及抽取单元200；

气体输送及抽取单元200对气体净化单元100输出的空气进行加压处理后，将加压后的空气输送给双向换热单元300；

在本实施例中，罗茨风机通过正转将气体净化单元100输出的空气加压至0.75kg/cm²(小于1.0kg/cm²，属于常压范畴)；相比现有技术常采用的将空气加压至5.0kg/cm²(属于低压范畴)，本发明加压后的空气压力更小，对吸附塔罐体的压力更小，提高了安全性能；与此同时，采用常压空气进行吸附，提取氧气的效率更高，相比现有技术，制备相同体积的氧气所需的吸附塔的体积可以更小，进而缩小了设备的占地面积(相比现有技术中的吸附塔，体积可以缩小1/3-1/4)。

在其他实施例中，罗茨风机通过正转将气体净化单元100输出的空气加压至0.6kg/cm²-1.0kg/cm²。

在本实施例中，采用单塔常压工艺制得单位标准立方米的氧所耗电量约为0.75度，而现有技术采用双塔低压制氧工艺制得单位标准立方米的氧气所耗电量约为1.6度，即制备相同体积的氧气，单塔常压工艺只需双塔低压制氧工艺50％的耗电量，降低了设备的能耗。

双向换热单元300对加压后的空气进行降温处理后输送给氮气吸附及解吸单元400；

在本实施例中，换热器中的水吸收低压气体的热量，使低压气体降温至降温至35℃左右；

氮气吸附及解吸单元400对低压气体进行氮气吸附处理后，将提取的氧气通过双向限流单元500输送给氧气缓冲单元600，再由氧气缓冲单元600将氧气输送给氧气存储单元700；

在本实施例中，吸附塔中的分子筛选择性地吸附氮气，使氧气穿透分子筛流向吸附塔塔顶的出口，再经由第一限位阀510进入氧气缓冲罐610；该吸附过程持续时间约25秒钟；

当氮气吸附及解吸单元400吸附氮气达到饱和后，氮气吸附过程结束，气体输送及抽取单元200对氮气吸附及解吸单元400进行抽真空；

在本实施例中，当氮气吸附过程结束后，罗茨风机的电机电源自动断电，罗茨风机在吸附塔内气压与大气压之间的压差作用下开始反转，并在叶轮的惯性作用下将吸附塔内部抽成真空(真空压力-0.5kg/cm²)，从而使分子筛吸附的氮气充分解吸出来；

氮气吸附及解吸单元400在真空状态下解吸所吸附的氮气，氧气缓冲单元600中的部分氧气经由双向限流单元500进入氮气吸附及解吸单元400，对氮气吸附及解吸单元400进行冲洗；

在本实施例中，在罗茨风机反转，提供负压给吸附塔，使分子筛解吸氮气的同时，氧气缓冲罐610中的部分高浓度氧气经第二限流阀520进入吸附塔塔顶，对吸附塔内部的分子筛进行冲洗，使得分子筛吸附的氮气更充分的解吸出来；

从氮气吸附及解吸单元400中抽出的气体依次经过双向换热单元300、气体输送及抽取单元200以及气体净化单元100处理后，排放到大气中；

当氮气吸附及解吸单元400吸附的氮气完全解吸后，氮气解吸过程结束；

在本实施例中，当氮气解吸过程结束后，罗茨风机的电机电源自动恢复通电，罗茨风机重新开始正转，对气体净化单元100输出的空气进行加压；

周期性地重复上述步骤，实现持续制氧。

在本实施例中，制氧过程中的其他工艺参数为常用参数，在此不再赘述。

在本实施例中，当氮气吸附过程结束后，罗茨风机通过自动断电，在

吸附塔内气压与大气压之间的压差作用下开始反转，对吸附塔抽真空；当氮气解吸过程结束后，罗茨风机通过自动恢复通电，重新开始正转，输送加压后的空气给吸附塔，无需电磁阀切换，即可实现吸附和解吸的切换，控制流程简单、操作方便。

在本实施例中，吸附真空解吸制氧设备产生的氧气纯度可达到(93±3)％，与双塔吸附真空解吸制氧设备制出的氧气纯度一致，但是，运行能耗只有双塔吸附真空解吸制氧设备的50％左右，相应地，运行成本也只有双塔吸附真空解吸制氧设备的50％左右。

在本实施例中，不仅罗茨风机为无油风机，而且制氧设备运行过程为无油运行，减少了油过滤、油冷却、油气分离工艺及控制环节，设备更为简单，进一步降低了成本。以上所述仅是本发明的优选实施例，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。