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變壓吸附制氧技術原理

空氣中的主要組份是氮和氧，因此可選擇對氮和氧具有不同吸附選擇性的吸附劑，設計適當的工藝過程，使氮和氧分離制得氧氣。

氮和氧都具有四極矩，但氮的四極矩（0.31?）比氧的（0.10 ?）大得多，因此氮氣在沸石分子篩上的吸附能力比氧氣強（氮與分子篩表面離子的作用力強，如圖1所示）。因此，當空氣在加壓狀態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，分子篩吸附的氮氣可以解吸出來，分子篩得到再生并重復利用。兩個以上的吸附床輪流切換工作，便可連續生產出氧氣。

氬氣和氧氣的沸點接近，兩者很難分離，一起在氣相得到富集。因此變壓吸附制氧裝置通常只能獲得濃度為90%~95%的氧氣（氧的極限濃度為95.6%，其余為氬氣），與深冷空分裝置的濃度99.5%以上的氧氣相比，又稱富氧。

從上述原理可知，變壓吸附空分制氧裝置的吸附床必須至少包含兩個操作步驟：吸附（較高壓力下）和解吸（較低壓力下），周期性地重復操作。因此，當只有一個吸附床時，產品氧氣的獲得是間斷的。為了連續獲得產品氣，在制氧裝置中通常都設置兩個以上的吸附床，并且從節能降耗和操作平穩的角度出發，另外設置一些必要的輔助步驟，如均壓、氧氣沖洗等。

真空變壓吸附（VPSA）空分制氧技術發展至今已有30多年的歷史，其間國內外眾多研究單位投入了大量的人力和物力，尤其是以北大先鋒為代表的專研變壓吸附氣體分離技術的專業企業，積極進行研究開發和應用實踐，工藝流程的創新和新型吸附劑的開發應用層出不窮，使這項技術獲得了長足的進步和越來越廣泛的認可，制氧裝置性能指標不斷提高、產氧規模越來越大，成為一項在大多數中小規模用氧場合可以替代傳統的深冷分離空分制氧技術的成熟技術。

變壓吸附制氧技術進展

　　變壓吸附制氧技術開發始于20世紀60年代，20世紀80年代初美國和日本相繼實現工業化。近幾年，隨著永磁電動機的開發及制氧工藝的優化，國外變壓吸附制氧電耗已降到0.3kW·h/m3以下，雙塔制氧最大規模突破6000Nm3/h以上，變壓吸附制氧成本得到進一步降低，制氧規模逐年增大。

　　我國從20世紀80年代末期開始研究變壓吸附制氧技術，直到20世紀90年代初才有了小型工業化裝置。2000年初，以北京北大先鋒科技有限公司為代表的高效鋰基吸附劑生產及采用鋰基吸附劑的變壓吸附制氧工藝的工業化，使國內變壓吸附制氧技術有了快速的進步及廣泛的推廣。目前，北大先鋒建設的變壓吸附兩塔裝置規模已達到6000Nm3/h，純氧電耗也接近0.3kW·h/m3。

　　隨著變壓吸附制氧技術一些關鍵性問題，如高效鋰基吸附劑穩定生產、徑向床吸附器的研發、可靠的高頻率以及大口徑蝶閥開發等得以解決，國內變壓吸附制氧技術的產氧規模逐年增大，氧氣電耗逐漸降低，裝置的可靠性穩步提升。裝置規格也從最初的單套兩塔制氧裝置規模不足1000Nm3/h發展到了如今的6000Nm3/h，多塔并聯后規模達到30000Nm3/h以上，單位制氧電耗降低到0.32 kW·h/m3以下，制氧裝置的年開工率達到98%以上。鼓風機的噪聲已達到85dB以下的要求（通過消聲處理、廠房外1m噪聲可以達到70dB以下），分子篩壽命更是延長到了5年以上，讓用戶對國產變壓吸附制氧設備有了嶄新的認識，擴大了變壓吸附制氧設備的應用。僅2018年一年，國內規模超過1000Nm3/h以上變壓吸附制氧裝置建設就超過70套。

　　國內如北大先鋒等企業通過不斷努力，改變了變壓吸附制氧分子篩依賴進口的局面，同時在鋰分子篩等產品領域取得了突破，并實現新型分子篩產品的工業化應用。隨著變壓吸附制氧技術的發展與完善，相比深冷制氧技術，變壓吸附制氧技術逐漸形成許多優勢，進一步推動了該技術在國內眾多行業的應用。

變壓吸附制氧技術的發展展望

　　變壓吸附制氧技術作為近20年快速發展的制氧新技術，隨著其技術不斷的進步和應用領域的擴大，逐漸得到眾多用氧企業的認可。以降低制氧能耗為目的，開發新型吸附材料以及嘗試與膜分離或深冷工藝進行耦合，通過優勢互補，拓展更大的應用領域，是未來變壓吸附制氧技術的重要研發方向。例如變壓吸附制氧技術與膜分離技術耦合可以獲得純度大于99%的氧氣，在偏遠地區或一些需要移動式裝備的工況下可以替代低溫空分制氧。國內變壓吸附制氧生產企業如北大先鋒都十分注重研發工作，希望通過不斷加大投入爭取在未來的發展中搶占先機。隨著變壓吸附制氧技術日趨完善，變壓吸附制氧技術必將具備多種優勢和巨大的潛力，將擁有更廣闊的應用前景。