一、簡述
??? 氧氣在工業(yè)上和日常生活中有廣泛的用途：如黑色冶金的電爐煉鋼，吹富氧除可縮短熔化時間外，加強了脫除雜質的反應，并節(jié)約電能；高爐煉鐵中，采用“富氧噴煤”技術，可降低焦炭耗量和生產成本，提高高爐生產率；有色金屬冶煉（銅、鉛、鋅、鋁等）中的熔爐富氧燃燒，能有效提高生產率、節(jié)能降耗，并延長熔爐使用壽命，同時由于煙氣量大幅度減少，氮氧化物和其它有害物質的排放量大大降低，有利于環(huán)境保護；化工生產中的粉煤富氧氣化、化工富氧造氣、輕工發(fā)酵、炭黑生產等，采用氧氣可改善品質、提**率；此外，氧氣還廣泛用于金屬切割和焊接、水處理、魚類養(yǎng)殖、臭氧生產、造紙工業(yè)紙漿漂白、固體垃圾焚燒、玻璃制造以及醫(yī)療用氧和家庭保健等方面。空氣中含有21%（干態(tài)，體積濃度）的氧氣，是較廉價的制氧原料，因此氧氣一般都通過空氣分離制取?？辗种蒲豕に嚪譃閮深悾荷罾浞蛛x工藝和非低溫分離工藝。
深冷分離工藝是傳統(tǒng)的空氣分離制氧方法，世界上臺深冷空分制氧機誕生于1903年，由德國人卡爾?林德發(fā)明，距今已有100多年的歷史。在二十世紀七十年代以前，深冷分離工藝在空分制氧領域占據**壟斷地位，并且時至今日，深冷空分工藝因具有氧氣純度高、產品種類多的特點，在大型空分制氧裝置中仍占據主導地位。 非低溫空氣分離制氧工藝包括變壓吸附法和膜分離法，膜分離法用于空氣分離制氧目前尚不成熟，基本上未得到工業(yè)應用。變壓吸附空分制氧技術在近二十多年來得到了快速的發(fā)展，技術日趨成熟、應用越來越廣泛、規(guī)模越來越大，在很多應用場合可由變壓吸附制氧裝置替代深冷分離制氧裝置，是目前非低溫空分制氧工藝的主流。
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二、變壓吸附空氣分離制氧原理
??? 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(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(xù)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。

三、變壓吸附空氣分離制氧技術發(fā)展過程
??? 變壓吸附空分制氧工藝是二十世紀七十年代初由美國聯(lián)碳公司和德國AG公司先后開發(fā)成功，并開始在日本應用于污泥曝氣處理和煉鋼。1975年，美國空氣與化學品公司（APCI）開發(fā)成功真空解吸流程的變壓吸附制氧工藝（VSA或VPSA），使氧氮分離效率提高并降低了制氧能耗。因此，變壓吸附制氧工藝根據解吸方式的不同可以分為兩類：PSA工藝，即在較高壓力下吸附、在常壓下解吸的工藝；VSA或VPSA工藝，即在常壓或略高于常壓下吸附、抽真空解吸的工藝。在同等制氧規(guī)模下，PSA工藝比VSA（或VPSA）工藝設備簡單、投資少，但PSA工藝制氧能耗比VSA（或VPSA）工藝高。在產氧規(guī)模較小時，投資占主導地位，PSA工藝較為合適，而在產氧規(guī)模較大時，電耗導致的運行費用更加重要，采用VSA或VPSA工藝更為經濟。
縱觀二十多年來變壓吸附空分制氧技術的發(fā)展，可以說始終圍繞兩個重點在做文章：一是新吸附劑的開發(fā)利用，二是工藝流程的改進和完善。新型吸附劑的應用和工藝流程的不斷改進，使得變壓吸附空分制氧裝置的性能指標不斷提高、裝置規(guī)模越來越大，目前在規(guī)模為6000～10000Nm³/h以下的大多數(shù)用氧場合，變壓吸附制氧裝置因具有能耗低、投資少、操作靈活的優(yōu)勢，比采用深冷工藝的制氧裝置更為經濟適用，競爭力日漸增強，因而促使深冷空分工藝也不斷改進，形成兩者互相促進、競相發(fā)展的局面。
1、吸附劑的發(fā)展
??? 吸附劑的性能對變壓吸附制氧裝置至關重要，其性能水平決定了變壓吸附制氧裝置可達到的性能極限，變壓吸附制氧技術的每一次較大發(fā)展也總是與新吸附劑的應用相關聯(lián)。
??? 這里所說的吸附劑是指制氧裝置中用于氮氧分離的主吸附劑，其吸附氮氣優(yōu)先于氧氣。早期用于VSA制氧裝置的吸附劑為NaX型沸石（至今為止，在PSA裝置中仍使用NaX型沸石），之后CaA型沸石成為較常使用的VSA-O₂的主吸附劑（國內直到目前仍有一些變壓吸附制氧設備制造商在使用CaA型沸石），其后改進的吸附劑品種是CaX型沸石，而近年來在VSA制氧工藝中，LiX型沸石由于性能優(yōu)異，得到越來越多的應用。這幾種典型VSA制氧吸附劑的性能比較見表1數(shù)據。
??? 從數(shù)據的比較上可以看出，LiX的空氣處理能力較大、氧收率較高，而同樣抽空氣量下所需的真空泵能力則低于CaX，與CaA基本一樣，說明在同等產氧規(guī)模下，LiX的用量較少、所需的空氣量較少（鼓風機負荷較?。?、所需抽空的氣體量和真空泵負荷較小，因而其用于變壓吸附空分制氧的性能較佳。
??? 為了降低成本和進一步提高制氧性能，一些公司曾嘗試混合離子型的LiX（如CaLiX、SrLiX以及三價離子部分交換的LiX）用于空分制氧，申請了專利并有工業(yè)應用，但根據國外某公司的發(fā)明專利的評價結果，仍以LiX型性能較好。
??? 注a、對于所有情況，操作條件為：在抽真空開始時，P=101.3kPa，T=25℃，YN2=0.79。抽真空結束時，P=20.3kPa，T=25℃，YN₂=1。床層空隙率=0.37。
????? b、通常稱作“13X分子篩”
????? c、通常稱作“5A分子篩”

迄今為止，變壓吸附空分制氧裝置使用的吸附劑均為沸石分子篩，其中LiX幾乎可以說是先進的制氧吸附劑，從沸石分子篩中研發(fā)出比LiX性能優(yōu)越很多的制氧吸附劑的可能性也基本上不存在。因此，今后制氧吸附劑的研發(fā)應別辟途徑，據稱國外某公司在研發(fā)吸氧強于吸氮的新型吸附劑，但至今未見工業(yè)應用報道。

2、工藝流程開發(fā)
??? 工藝流程的先進性對于變壓吸附制氧裝置也非常重要，決定了制氧吸附劑的利用效率、裝置的投資、長期運行的可靠性以及制氧電耗的實際水平。因此，工藝流程開發(fā)也始終貫穿于變壓吸附空分制氧技術的發(fā)展過程。
??? 從常壓解吸流程到真空解吸流程的轉變是變壓吸附制氧技術較重要的工藝創(chuàng)新，它使得變壓吸附制氧裝置的能耗得以降低、裝置的大型化成為可能。之后的工藝流程開發(fā)均是以真空解吸為基礎，在簡化流程、降低能耗、降低投資和擴大產氧規(guī)模方面做了種種努力。主要進展包括：
? ▲將預處理吸附床（脫除空氣中的CO₂和H₂O）與主吸附床合二為一，即將預處理吸附劑與主吸附劑混裝于同一個床內，使得流程大幅度簡化，也有效地降低了投資。
? ▲在操作程序中引入均壓、真空清洗、空氣進氣、均壓和抽空同時進行等步驟，并發(fā)展淺層吸附床（降低吸附劑堆積高度，減少床層阻力），提高了鼓風機、真空泵利用效率和氧氣收率，降低了制氧耗耗。
? ▲在可能的情況下，采用盡量少的吸附床數(shù)量，將四床和三床流程簡化為二床甚至單床流程，同時減少了閥門數(shù)量，而且兩床和單床流程可以采用較短的操作周期，吸附劑的利用頻率提高因而降低了吸附劑用量，使投資進一步降低。
? ▲根據工藝流程特點選用較適合的動力機組，以保證裝置長期運行可靠性并降低能耗。例如采用兩床或單床流程的裝置，由于其進氣壓力波動幅度大、頻率高，羅茨鼓風機耐沖擊和流量平穩(wěn)的特性可以有效降低進氣對吸附劑的沖擊，對于裝置的長期穩(wěn)定操作特別有利。VPSA制氧裝置吸附床的真空度同樣是頻繁大幅度波動的，采用羅茨式真空泵比采用水環(huán)式真空泵可使解吸能耗降低20～40%，因此除國內極個別廠家外，目前國內外均普遍采用羅茨式真空泵作為制氧裝置的解吸動力設備。
? ▲通過適當提高進氣壓力、降低解吸真空度，降低了操作壓比（吸附壓力/解吸