制氧機，生產氮氣（或液氮）和氬、氖-氦、氪-氙等混合氣體的一種成套設備。在一般情況下，空氣分離設備多用來生產氧氣。
基本介紹
- 中文名：變壓吸附制氧機
- 原料：空氣
- 用途：生產氧氣（或液氧）等
- 習慣稱：“制氧機”
發展簡史,發展情況,工藝介紹,工藝特點,
發展簡史
世界上最早生產制氧機的國家是德國和法國。
1901年，德國的林德公司在慕尼黑市建立低溫設備製造車間，並在1903年生產出第一台10m3/h制氧機。
1902年，法國在巴黎建立空氣液化公司，繼德國之後，於1910年開始生產制氧機。
在三十年代以前，基本上只有德國和法國能生產制氧機。當時制氧機主要只能滿足焊接、切割用氧及化工所需的制氮設備。生產的制氧機為主要為中、小型，其容量為2m3/h~600m3/h，品種約200種。採用的制氧機流程為高壓和中壓流程。
1930~1950年，除德國、法國，尚有蘇聯、日本、美國、英國等國家也開始生產制氧機。在此期間，隨著生產的發展，制氧機使用領域不斷擴大，促進了大型制氧機的發展。由於大型制氧機每生產1m3氧氣所需電力、金屬材料都比中、小型底，故1930~1950年間，大型制氧機的品種增加較多，如西德的5000m3/h，蘇聯的3600m3/h，日本的3000m3/h等大型設備。當時所用的流程，除高、中壓外，開始採用高低壓流程。由於大型制氧機可製取廉價的氧氣，從而在冶金和合成氨工業中得到套用。1932年，德國第一次把制氧機用於冶金和合成氨工業。
1950年以後，除上述國家生產制氧機以外，還有中國、捷克、東德、匈牙利、義大利等（中國發展較晚，且都為深冷法）。
由於鋼鐵工業、氮肥工業、火箭技術的發展，氧、氮耗量迅猛增加，促使制氧機向大型化發展。1957年起，10000m3/h制氧機相繼問世。1967年起，據不 完全統計，20000m3/h以上的大型制氧機不斷出現，達87套之多，最大機組為50000m3/h，更大型的機組正在研製中。
20多年來，產品品種迅速增加，並逐步形成了系列，如西德林德公司大型制氧機有1000~40000m3/h典型產品；日本神鋼有OF系列；日本日立製作所有TO型；日本氧氣公司有NR型；英國全低壓有50~1500噸/天系列產品等。同時，大型制氧機基本上採用全低壓流程。
總之，制氧機的發展是一個不段完善的過程，設備由小型、中型向大型發展；流程由高壓（200大氣壓）、中壓（50大氣壓）、高低壓向全低壓（6大氣壓）方向發展，從而使制氧機的單位電耗、金屬材料消耗降低，運轉周期不斷延長。
發展情況
1891年，德國林德公司在冷凍機械製造公司的實驗室開始空氣液化工作。
1895年，林德教授利用焦耳--湯姆遜效應製成第一台液體空氣裝置。
1901年，林德公司在慕尼黑市建立低溫設備製造車間。
1902年，林德設計的第一台單級精餾塔的空分設備製成。法國克勞特發明了膨脹機，在巴黎建立空氣液化公司。
1903年，林德公司製成第一台工業性10m3/h的制氧機，採用高壓節流的高壓流程。
1910年，法國製成第一台採用中壓帶活塞膨脹機的中壓流程的50m3/h制氧機。
1920年，德國海蘭特發明了可生產液氧的高壓帶膨脹機的高壓流程。
1924年，法蘭克爾建議在大型空分設備是採用金屬填料的蓄冷器代替一般的熱交換器。
1926年，法蘭克爾提出普通形式蓄冷器。
1930年，林德公司製成第一台工業規模的林德--法蘭克爾裝置，產量為255m3/h，純度為99.5%O2 。
1932年，透平膨脹機第一次套用於林德--法蘭克爾裝置上。德國第一次在冶金和合成氨工業中用氧。
1939年，蘇聯創造了高效率的透平膨脹機，並開始研究全低壓空分設備。
1947年，林德公司致力於全底壓工業氧製造設備。蘇聯開始設計全低壓流程的大型工業氧裝置。
1949年，美國第一次在29000m3/h制氧機上套用板翹式換熱器。
1952年，奧地利首先使用純氧頂吹轉爐煉鋼，促使冶金用氧劇增。
1955年，美國大力發展飛彈，消耗大量液氧作為助燃劑。
1957年，第一台自動操作的120噸/天制氧機製成。
1960年，日本完成了10000m3/h99.6%O2和10000m3/h99.99%N2的雙高純度的大型全低壓設備。
1972年，法國製成世界上最大容量的純氧空分設備：1700噸/天O2和1500噸/天N2 。
目前正在研究更大型的機組。
1-2 變壓吸附制氧的發展歷史
變壓吸附分離技術被發明以來，廣泛地套用於氣體混合物的分離精製。
首先，1958 年，Skarstorm 申請專利並套用此技術分離空氣。同時，Gerin de Montgareuil 和Domine 也在法國申請專利。兩者的差別是，Skarstorm 循環在床層吸附飽和後，用部分低壓的輕產品組分沖洗解吸，而Gerin-Domine 循環採用抽真空的辦法解吸。
1960 年大型變壓吸附法空氣分離的工業化裝置建成。
1961 年用變壓吸附分離工藝從石腦油中回收高純度的正構烷溶劑，並命名為Isosiv 過程，1964年完善了從煤油餾分中回收正構烷烴的工藝。
1966 年利用變壓吸附技術提氫的四塔流程裝置建成，20 世紀70 年代後採用四塔以上的多塔操作，並向大規模、大型化發展。
1970 年又建成分離和回收氧的工業化裝置，用於環保工業污水處理生化的需要。同時被廣泛用於從石腦油中提取正構烷烴，再經異構化，將異構化產物加入汽油餾分中，以提高其辛烷的Hysomer過程。
1975 年試製成醫用富氧濃縮器，1976 年開發了用碳分子篩變壓吸附制氮的工藝並工業化，隨後採用5A沸石分子篩抽真空制氮工藝。到1983年德國推出性能優良的制氮用碳分子篩。到1979年為止，約有一半的空氣乾燥器採用Skarstrom 的變壓吸附工藝。變壓吸附用於空氣或工業氣體的乾燥比變溫吸附更為有效。1980年開發了快速變壓吸附工藝（又稱為參數泵變壓吸附）。
從20 世紀90年代起，由於電能緊張，變壓吸附制氧又在煉鋼等領域占有了一席之地。
1-2-1 我國對變壓吸附制氧技術的研究
我國對變壓吸附制氧技術的開發起步較早，從1966年開始研究沸石分子篩分離空氣制氧技術；20世紀70年代PSA分離空氣制氧在鋼鐵、冶煉和玻璃窯等工業領域已經得到了廣泛的套用。20多年來，由於技術力量分散，相互之間缺少聯絡，我國的變壓吸附制氧技術發展緩慢，同國外的差距越來越大。20世紀70年代是我國PSA分離空氣制氧技術發展的鼎盛時期，全國有十幾個單位相繼開展了變壓吸附制氧技術的實驗研究，建立了數套工業試驗設備。這個時期開發的變壓吸附制氧設備的共同點有以下幾個方面：
（1）大多採用高於大氣壓吸附、常壓解吸流程，吸附塔有兩個到四個；
（2）空氣進入吸附塔前，經過脫水預處理；
（3）設備可靠性差，不能連續穩定運行，導致大部分設備報廢；
（4）技術、經濟指標落後。
20世紀80年代，原來從事變壓吸附制氧裝備研製單位的開發項目相繼中止，我國變壓吸附制氧技術的開發再次進入低谷。
河南洛陽鋼鐵廠建成VSAO 1000Nm3/h制氧機，標誌著變壓吸附在我國正式進入工業領域，也標誌著變壓吸附在我國進入高速發展時期。
20世紀90年代是我國變壓吸附制氧技術突飛猛進向前發展的時期，變壓吸附制氧技術逐漸成熟，有些產品的綜合技術經濟指標已經接近國外先進水平。多年的實踐表明，我國變壓吸附制氧技術已經走出實驗室步入實用化階段。在近十年內，通過不斷地技術更新和研究開發，我國變壓吸附制氧技術日新月異，發展迅速，與世界先進水平之間的差距正在不斷縮小。但從整體水平上看，我國在很多方面與國際先進水平仍有一定的差距。如在新型高性能的吸附劑的研究，吸附流程的改進，理論分析研究和數學模型的建立，質量監控與自動化控制等許多方面。
工藝介紹
變壓吸附真空解吸制氧機(簡稱VPSA制氧機)，即穿透大氣壓 的條件下，利用VPSA專用分子篩選擇性吸附空氣中的氮氣、二氧化碳和水等雜質，在抽真空的條件下對分子篩進行解吸，從而循環製得純度較高的氧氣(90~94%)。VPSA能耗較低,設備越大其能耗越低。
◇ 工藝說明
變壓吸附制氧機主要由鼓風機、真空泵、切換閥、吸附器和氧氣平衡罐組成。原料空氣經吸入口過濾器除掉灰塵顆粒後,被羅茨鼓風機增壓至0.3-0.5barg而進入其中一隻吸附器內。吸附器內裝填吸附劑,其中水分、二氧化碳、及少量其它氣體組分在吸附器入口處被裝填於底部的活性氧化鋁所吸附,隨後氮氣被裝填於活性氧化鋁上部的沸石分子篩所吸附。而氧氣(包括氬氣)為非吸附組分從吸附器頂部出口處作為產品氣排至氧氣平衡罐。
當該吸附器吸附到一定程度,其中的吸附劑將達到飽和狀態,此時通過切換閥利用真空泵對之進行抽真空(與吸附方向相反),真空度為0.65-0.75barg。已吸附的水分、二氧化碳、氮氣及少量其它氣體組分被抽出並排至大氣,吸附劑得到再生。
變壓吸附制氧機的每個吸附器都交替執行以下步驟:
---吸附---解吸---衝壓
上述三個基本的工藝步驟由PLC和切換閥系統來實現自動控制。
工藝特點
1、 能耗比較低。產氧量越大，能耗也降低。
2、 維護成本低，動設備為羅茨鼓風機和羅茨真空泵，因其工作原理都為容積式，無油，極易維護。
3、 整套設備的自動化程度高，動設備與制氧機是同步控制，只需按一下啟動按鈕，整套設備即可正常運行。
4、適合於中大型產量。
