VPSA和PSA制氧技术原理及支持系统详解

VPSA和PSA制氧技术原理及支持系统详解

VPSA（真空变压吸附）和PSA（变压吸附）制氧技术是目前先进的从空气中分离氧气的技术。本文将深入介绍这两种技术的原理、工艺流程及支持系统，帮助读者全面了解这一领域的专业知识。

VPSA制氧技术

真空变压吸附（VPSA）是一种先进的从空气中分离氧气的技术。它利用各种空气组分在吸附剂上的吸附能力差异，通过加压使吸附剂选择性吸附气体，减压至真空状态使气体解吸再生。

VPSA制氧设备以电为动力源，以空气为原料，利用分子筛在正压下增加氮气吸附容量、在负压下减少氮气吸附容量的特性，通过两个吸附塔的交替运行，实现空气中的氧气和氮气分离，连续生产工业用氧。

VPSA制氧过程是一个物理吸附过程，不涉及化学反应，也不会造成环境污染，是一种理想的供氧方式。与传统的低温制氧相比，VPSA工艺具有组成简单、操作方便、启动快速、常温低压安全可靠、能耗低、制氧成本显著降低等优势。

两塔VPSA制氧设备工艺

VPSA制氧设备以空气为原料，空气首先经过空气过滤器，进入罗茨鼓风机进行压缩，然后进入已完成再生并投入运行的吸附塔。

在吸附塔内，空气中的水分、二氧化碳等分子气体被优先吸附。干燥后的空气通过专用的制氧分子筛，氮气被吸附，使出口处的氧气得到富集。富氧气体通过控制阀调节压力后进入缓冲罐。在缓冲罐出口，氧气经氧气压缩机进一步压缩至所需压力。高压氧气经冷却后储存在氧气储罐中，最后供给用户使用。

为了确保持续稳定的氧气供应，VPSA制氧装置设计有两座吸附塔交替运行。当一座塔生产氧气时，另一座塔进行真空再生。再生过程中，吸附的富氮气体经降噪处理后排放到室外。

应用场景

VPSA制氧设备适用于各种规模的工业氧气生产，可提供纯度约为80%–93%的氧气。

VPSA制氧装置的基本组件

VPSA制氧装置主要由7个部分组成：径向吸附器系统、动力系统（鼓风机和真空泵）、仪表电气系统、氧气缓冲罐、氧气压缩系统（可选）、电气控制系统和水系统。

VPSA制氧工艺流程图

径向吸附器系统

氧氮分离单元是制氧设备的核心组件，主要由两个交替工作的吸附塔，以及气动切换蝶阀、气动调节蝶阀和手动蝶阀组成。在正压吸附和负压解吸过程中，基于氮气和氧气分子在高效专用制氧分子筛上的吸附能力差异，实现氧氮分离。

可编程逻辑控制器（PLC）控制电磁阀，通过设定的顺序调节气动阀门，实现氧气系统的自动运行，确保持续供氧。同时，真空泵对氮气等气体组分进行抽真空和排放。

吸附塔

双吸附塔结构确保持续供气，满足用户需求。吸附塔内填充脱水分子筛和LiX分子筛，有效分离空气组分，满足制氧要求。

气动切换蝶阀

控制系统通过电磁阀定期切换两个吸附塔的气流，确保制氧设备稳定运行。

气动调节蝶阀

在压力平衡和吹扫过程中，安装气动控制蝶阀以优化平衡和吹扫效果。该阀门具有等百分比调节、零泄漏和长寿命等特点。

动力系统 - 鼓风机

作为整个系统的进气动力组件，鼓风机为氧氮分离系统提供合适的正压气源，对确保系统稳定高效运行起着关键作用。鼓风系统包括进口气体过滤器、鼓风机及其配套电机、旁路气动切换蝶阀、手动蝶阀、热交换器、波纹管连接器（或柔性接头）等配套成套设备。

鼓风机单元及配套电机

罗茨鼓风机是一种容积式气体鼓风机。在机壳内，两个叶轮保持特定的啮合间隙，通过同步齿轮以相等速度反向旋转，将吸入的气体从入口推送到出口，克服出口侧高压气体的阻力实现强制排气。

在机壳内，安装一对相互垂直的“8”字形转子，转子由一对传动比为1:1的齿轮驱动，以相反方向同步旋转。转子之间以及转子与泵壳内壁之间保持一定的间隙。

罗茨鼓风机的关键部件是转子，转子的核心在于其轮廓。叶轮采用新型特殊轮廓设计，确保两个转子之间的啮合间隙均匀，减少内部泄漏，提高容积效率。此外，高精度、高性能的同步齿轮、轴承和聚四氟乙烯密封件确保设备运行平稳，振动小。

配套电机为三相异步电机，防护等级为IP23-IP54，绝缘等级为F。具有高效节能、低噪音、振动小、重量轻、性能可靠、安装维护方便等特点。

旁路气动切换蝶阀及手动蝶阀

为了提高VPSA和PSA过程中的产品气回收率，两个吸附塔需要在一定时间内进行平衡过程。在平衡阶段，鼓风机通过旁路排放多余的气体。此外，为防止鼓风机停机时的回流，需要旁路减压保护机制。因此，安装了旁路系统，其中气动切换蝶阀由程序控制进行外部排放。此外，还设置了一个手动蝶阀，有效调节鼓风机的出口压力。

该阀门是双偏心硬密封气动蝶阀，设计用于短周期频繁切换。具有零泄漏、长寿命和快速切换时间的特点。

热交换器

鼓风机加压后，出口空气温度可达约65°C，而分子筛的最佳工作条件在30-40°C之间。为了确保分子筛的高效利用，需要热交换器来冷却加热的空气。

波纹管连接器

在罗茨鼓风机运行过程中，不可避免地会产生显著振动。为了减少振动对后续设备的影响，降低振动产生的噪音，在鼓风机的进出口安装了成对的柔性连接器和波纹管连接器。

动力系统 - 真空泵

当分子筛在吸附过程中达到动态饱和时，需要进行解吸和再生。研究表明，分子筛在负压（真空）条件下再生效果更好。真空泵系统是整个系统不可或缺的组成部分，包括真空泵单元及其配套电机、旁路气动切换蝶阀、手动蝶阀、波纹管连接器（或柔性接头）等辅助设备。

真空泵单元及电机

罗茨真空泵是一种旋转容积式真空泵，结构上源自罗茨鼓风机，其工作原理与罗茨鼓风机相同。

旁路气动切换蝶阀及手动蝶阀

为了防止真空泵停机时的回流，需要提前释放压力，实现零压启动和停机。为此安装了旁路阀。此外，还设置了一个手动蝶阀，用于调节真空泵的吸气压力。

该阀门是软密封切换蝶阀，设计在长期切换条件下满足零泄漏要求。

波纹管连接器

在罗茨真空泵运行过程中，不可避免地会产生显著振动。为了减少振动对后续设备的影响，降低振动产生的噪音，在真空泵的进出口安装了柔性连接器或波纹管连接器。

仪表空气系统

气动蝶阀和气动调节蝶阀在自动控制切换时需要约0.5-0.7 MPa的仪表空气源作为执行机构的驱动力。系统包括空气源处理过滤器和空气储罐等组件。为了确保运行率，在需要频繁维护和保养的过滤单元上增加了旁路阀。

氧气缓冲罐

氧气缓冲罐系统主要由氧气缓冲罐、孔板流量计、氧气纯度分析仪、控制阀和压力传感器组成。

氧气缓冲罐是减轻吸附器压力波动、稳定产品氧压力和纯度的关键措施。

氧气压缩系统（可选）

氧气压缩系统包括氧气专用蝶阀、氧气压缩机等组件。其主要功能是将产品氧的压力提高到用户所需的水平，并将其输送到氧气储罐。

氧气储罐系统包括氧气储罐、阀门、压力表、安全阀等组件。其主要功能是储存部分产品氧，确保稳定的氧输出。此外，在意外停机时，它还能提供临时氧供应，防止氧供应系统失效。

电气和仪表控制系统

电气和仪表控制系统包括工业计算机、电气控制柜、仪表柜、可编程逻辑控制器（PLC）、电磁阀、指示灯、控制按钮等组件。

系统根据PLC中编辑的程序自动运行，控制电磁阀的通电和断电，通过气动控制系统打开和关闭气动阀门。它收集和处理各种信号，显示制氧设备的运行状态。用户可以在工业计算机上设置或修改控制参数，配置或检查设备的运行状态。

水系统

水系统通常包括两个部分：循环水系统和密封水系统。循环水系统主要包括冷却塔、水泵、过滤器、进出水管道和相关阀门，为整个制氧系统提供冷却循环水。密封水系统主要用于向真空泵叶轮供水，增强密封效果，从而在解吸过程中达到更高的真空度。通常使用软水或去离子水，其生产系统由专业制造商提供。