20140514华西科技制氧VPSA-O2交流

成都华西化工科技股份有限公司范安平副总经理电话：[phone]大型真空变压吸附空分制氧技术的开发与应用（VPSA-O2)成都华西化工科技股份有限公司注册资本：2400万年产值：5亿成都华西工业气体有限公司成都华西工业气体有限公司集团总注册资本：1.2亿总固定资产：2.8亿上海华西化工科技有限公司上海华西化工科技有限公司成都华科阀门制造有限公司成都华科阀门制造有限公司成都华西气体化工有限公司成都华西气体化工有限公司成都亚联瑞兴催化剂有限公司成都亚联瑞兴催化剂有限公司人力资源结构—华西科技:176人(主要是工程技术员工)—上海华西:80人(主要是工程技术员工)—工业气体:30人(主要是工程技术员工)—华科阀门:130人(主要是生产技术员工)—气体化工:130人(主要是生产技术员工)—催化剂厂:80人(主要是生产技术员工)—总员工数:626人业务范围—工业气体：H2、N2、O2、CO、CO2、CH4、乙烯、丙稀、有机物尾气回收、气体干燥、离子液烟气脱硫、脱硝—H2：各种PSA氢气提纯、轻烃水蒸汽转化制氢、甲醇裂解制氢、煤气化制氢、氨分解制氢—纯度：98～99.9999%—N2：PSA制氮。纯度：95～99.9999%—O2：VPSA制氧。纯度：50～95%—CO：轻烃水蒸汽转化制CO、甲醇裂解制CO、煤气化制CO、PSA尾气提纯CO—纯度：96～99.0%—CH4：PSA、TSA法提纯，甲烷化制取—CO2：PSA法回收、脱出CO2；复合胺法回收、脱出CO2；纯度：90～食品级—气体干燥：TSA法干燥天然气、空气等—乙烯、丙稀尾气、氯乙烯尾气、环己酮尾气回收等：TSA、PSA技术—离子液烟气脱硫、脱硝：脱硫精度50mg/m3业务范围—环保装置：工艺气脱硫、烟气脱硫、盐酸再生—化工装置：硫酸、甲醇、乙烯回收—阀门：PSA专用程控阀门、特种阀门—化工产品：脱硫剂、吸附剂、催化剂大型真空变压吸附制氧技术（VPSA-O2)的开发与应用一、前言氧气作为人类活动和工业生产的一种重要的气体，广泛应用于钢铁冶炼、有色冶金、石油化工、玻璃熔炼、污水处理、医疗、造纸、隧道施工、高原作业等行业；目前氧气的生产方法主要有：深冷空气精馏法、真空变压吸附法（VPSA-O2）、膜分离法。深冷空气精馏法：其主要特点是氧气纯度高（≥99.5%O2），可同时生产高纯氮气和氩气副产品，其缺点是单位氧能耗高、建设投资大，氧气生产成本高；真空变压吸附制氧法（VPSA-O2）：具有工艺流程简单，制氧过程在常温常压下实现，装置运行安全可靠，建设投资省、单位氧气能耗低、自动化程度高、操作人员少、开停车时间短（一般在30min内能满足生产使用要求）、适应性强，氧气纯度可以在50%～95%之间任意调整，负荷可在30%～110%范围内随意变化，其缺点是产品单一，纯度不高。膜分离法制氧：是90年代初才发展起来的高分子聚合纤维材料分离技术，其处理量较小，氧气纯度在25%～45%左右，目前所使用的膜件主要靠进口，价格较高，寿命低，该技术还不太成熟。二、真空变压吸附空分制氧（VPSA-O2)的技术原理空气中的主要组份是氮（78%）和氧（21%），氮和氧都具有四极矩，但氮的四极矩（0.31Å）比氧的（0.10Å）大得多，因此氮气在LiX锂基制氧分子筛上的吸附能力比氧气强（氮与分子筛表面离子的作用力强，如图1所示）。因此，当空气在加压状态下通过装有LiX锂基制氧分子筛吸附剂的吸附塔时，氮气被分子筛优先吸附，氧气因吸附较少，在气相中得到富集并流出吸附塔，使氧气和氮气分离获得产品氧气。当LiX锂基制氧分子筛吸附氮气至接近饱和后，停止通空气并降低吸附塔的压力，LiX锂基制氧分子筛吸附的氮气可以解吸出来，LiX锂基制氧分子筛得到再生并重复利用。两个以上的吸附塔轮流切换工作，便可连续生产出产品氧气。由于氩气和氧气的沸点比较接近，两者很难分离，一起在气相及吸附塔出口得到富集。因此变压吸附制氧只能获得90-95%的氧气，相对于深冷99.5%的氧气，又称为富氧。图1变压吸附气体分离基本原理示意图PB2PA1qB2PA2ABqPPB1qB1qA2qA1氮气氧气三、大型真空变压吸附制氧技术的开发（1）工艺研究真空变压吸附空分制氧装置通常都采用两塔或两塔以上的超大气压吸附真空解吸工艺流程：全套设备由鼓风机、真空泵、驱动系统、仪表控制系统、电气控制系统、吸附分离系统等组成。原料空气经过空气过滤器除去空气中的机械杂质，经鼓风机升压后，从吸附塔下部进料口进入吸附塔（吸附塔内装填了吸附空气中水分、CO2、碳氢化物的吸附剂和用于吸附氮气的LiX锂基制氧分子筛），空气中的水分，CO2，氮气等被吸附，氧气作为产品从吸附塔顶部流出。吸附塔吸附饱和后，通过降低吸附塔内压力使被吸附组分解吸并流出吸附塔。每一循环，吸附塔都经历了吸附、顺向放压、真空解吸（真空冲洗）、均压、充压等工作步骤。吸附塔各工作步骤的转换是通过程控阀门的切换来实现的，程控阀门的切换动作由PLC控制系统根据设定好的程序，定期自动切换，周期性地重复操作。为了连续获得产品气，在变压吸附空分制氧装置中通常都设置两个或两个以上的吸附塔，并且从节能降耗和操作平稳的角度出发，另外设置一些必要的辅助步骤，如均压、氧气冲洗等。原则工艺流程如下图2：图2真空变压吸附制氧流程示意图原料气空气空气过滤器KV1BKV1A吸附塔AKV3吸附塔BKV4AKV4B罗茨真空泵出口消音器废气排放KV2AKV2B氧气缓冲罐罗茨鼓风机氧气增压机kv5KV6氧气储罐富氧气去界外（2）径向吸附塔的开发和轴向吸附塔的比较受到气流流过床层线速度（一般要求0.35m/s）的限制，采用传统的轴向吸附塔，在制取3000Nm3/h（纯氧）以上制氧装置时，采用两塔流程时传统轴向吸附塔直径近6米，而采用径向吸附塔直径不到4米，从封头和吸附塔制造及运输角度看，径向吸附塔具有明显优势，而且制氧规模越大优势越明显，采用两塔单系列制氧流程，径向吸附塔工艺目前规模可以达到15000Nm3/h（纯氧），而传统的轴向吸附塔工艺制取很难超过4000Nm3/h（纯氧）。（2）径向吸附塔的开发和轴向吸附塔的比较轴向吸附塔径向吸附塔表1轴向吸附塔和径向吸附塔的比较小大占地面积08都可以补充底层中层分子筛不能补充分子筛补充07大小分子筛与气体瞬时接触面积06高(95%以上)低分子筛利用率05慢(吸附充分)较快(不利于吸附)气流速度041～2KPa5～10KPa床层阻力(KPa)0310%～25%20%～30%死空间比例（%）02分布均匀分布较差气流分布01径向吸附塔传统轴向吸附塔项目序号（3）制氧锂基吸附剂的研制目前大型真空变压吸附制氧装置基本上都用LiX锂基分子筛作为吸附剂,由于Li+离子是半径昀小的阳离子,与N2的作用力更强，主要由于N2的四极矩大于O2,因此N2与骨架中的阳离子之间的作用力比O2强,使得氮气在LIX锂基分子筛的平衡吸附量比氧气大,高效锂基制氧分子筛的平衡吸附容量和分离系数是传统的富氧吸附剂2倍以上，吸附速率也远高于传统富氧吸附剂，常温常压下氮气吸附容量：≥24ml/g,选择吸附分离系数达到6.4，从而达到分离氮、氧的目的，目前国产的LiX锂基分子筛与进口的LiX锂基分子筛相比，各项指标均不相上下。（3）制氧锂基吸附剂的研制生产商粒径规格(mm)N2吸附速度N2(ml/g)O2(ml/g)N2/O2HX1.41-2.36~0.523.5-25.53.7-4.06.3-6.4TS1mm条0.351624.33963.85716.31Z1.0-1.80.318921.63073.47876.22C1.41-2.360.183321.88243.52896.20U1.0-2.00.328723.30613.69936.30J0.5-0.81.6-2.50.61120.175022.367822.17263.58463.56476.246.22TL1.8-3.00.133416.59722.66186.23B1/16’’条0.599314.28622.38905.98(4)大口径三偏心蝶阀的研制由于VPSA制氧装置必须要求程控蝶阀不仅要有高密封性能，同时要求开关速度很快（小于2秒），200万次开关无泄漏，一般小口径的气动蝶阀容易满足此要求，但是若口径较大（大于DN600）的程控蝶阀，一般的气动阀门很难满足VPSA制氧工艺要求，运行时程控阀门上的故障率较高，而且大口径的双偏心蝶阀，其软密封性能也很难在高频率的开关过程中长期得到保证。大口径蝶阀曾一度制约着我国大型变压吸附制氧装置的开发建设进度，大口径液压驱动三偏心全金属扭矩程控蝶阀的研制、生产和在VPSA工业装置上的成功投运，不仅解决了程控蝶阀的长周期密封性能，而且高压力的机械油驱动，为程控阀门的快速开关提供了有力的保证，目前国内已能提供口径为DN1600的快速开关程控蝶阀（开关速度＜2秒），这是我国实现大型变压吸附制氧装置大型化的关键技术，同时也大大降低了装置的投资成本。图3三偏心金属密封蝶阀结构示意图三偏心型蝶阀密封示意图密封原理：扭矩密封特点：±无机械摩擦磨损；±.冲刷磨损自动补偿；±.密封等级高，寿命长。三偏心蝶阀照片（4）大型真空变压吸附空分制氧（VPSA-O2)的优势和技术特点（4.1）VPSA-O2制氧装置启动快（≤30min）；（4.2）新型专用LiX锂基制氧吸附剂：在低压力条件下N2/O2分离系数更高、氮气吸附容量更大、强度更高。LiX制氧吸附剂性能先进，使用量少，使用寿命长；（4.3）大口径液压驱动三偏心全金属扭矩程控蝶阀：200万次开关无泄漏，开关时间≤2秒，昀大口径可达DN1600；（4.4）PLC自控系统：自动故障塔切除与故障塔自动寻优恢复技术，自适应随动压力调节技术；自动化程度高；可实现无人值守；（4.5）氧气收率高，鼓风机、真空泵负荷小；采用罗茨真空泵比水环真空泵节能20～30%；（4.6）单位制氧电耗低、冷却水消耗少；（4.7）两床工艺及组合，结构简单，造价低廉；（4.8）操作弹性较强，可在30-110%负荷调节；（4.9）纯度可调、能耗低。纯度：50～95%可调，能耗：0.26～0.38Kwh/Nm3O2；（5）大型真空变压吸附空分制氧和深冷精馏法的比较设备结构复杂、维护保养、难度大、费用高设备结构简单、维护保养、难度低、费用低设备特点及维护11流程复杂、设备多，-190～300℃运行流程简单、设备少，常温运行流程特点10～36小时0.5小时启动时间09～43t/h无蒸汽消耗08～4527t/h～450t/h冷却水量07VPSA-O2只有深冷的80%0.42～0.48元/Nm3O20.34～0.39元/Nm3O2制氧成本06～0.51KW·h/Nm3O2氧气出口压力1.2MPaG（加压）VPSA-O2只有深冷的85%～0.60KW·h/Nm3O2氧气出口压力1.2MPaG～0.36KW·h/Nm3O2氧气出口压力25KPaG制氧单位电耗100%纯氧05～12433KW～9500KW装机功率0499.5%80%～95%产品氧气纯度03纯氧19900Nm3/h16000～19000Nm3/h产品纯氧流量0220000Nm3/h20000Nm3/h产品氧气流量01备注深冷精馏法制氧大型真空变压吸附VPSA-02制氧方式项目序号（5）大型真空变压吸附空分制氧和深冷精馏法的比较VPSA-O2只有深冷的～75%投资情况18设备受压力容器规范控制。可造成碳氢化合物局部聚集，存在爆炸的可能性。操作压力低、无碳氢化合物的局部聚集，本质安全安全性17VPSA-O2只有深冷的30%维修费用16VPSA-O2只有深冷的50%管理费用15VPSA-O2只有深冷的50%操作人员14VPSA-O2只有深冷40～60%～6000㎡占地面积大，厂房和基础要求高，工程造价高～2588㎡占地面积小，厂房无特殊要求，安装费用低占地面积13安装周期长、难度大，安装费用高安装周期短，安装费用低安装12（6）大型真空变压吸附空分制氧的应用在工业生产中，许多场合的生产工艺并不需要纯