一种高效利用吸附剂的VPSA制氧系统的制作方法

一种高效利用吸附剂的vpsa制氧系统
技术领域
1.本实用新型涉及工业制氧技术领域，具体涉及一种高效利用吸附剂的vpsa制氧系统。


背景技术：

2.变压吸附法富氧具有投资少、能耗低、设备简单、操作灵活等优点，特别是在中小规模制氧系统上，大大降低了生产能耗，广泛应用于化工、医药和环保(垃圾焚烧、工业富氧燃烧和废水处理等)领域。其中真空变压吸附系统(vpsa)运用抽真空方式对吸附剂进行再生，再生效果较好，同时有效减少了冲洗气量，降低了能耗。
3.vpsa系统是以空气为原料，在吸附器内，空气中的水分、二氧化碳和氮气等组分经过下部的分子筛吸附，未被吸附的氧气在吸附塔顶部富积作为产品气输出。现有的吸附塔均压操作是通过塔顶的均压阀门进行的，在这段时间内，吸附塔不能产氧，利用率低，因此，通常设置两个吸附塔，当一只吸附塔产出氧气时，另一只吸附塔处于抽真空再生状态，两只吸附塔交替重复产氧和再生，实现连续抽取氧气，往往工作效率还是不高，吸附剂利用率只有40％。
4.实用新型专利cn202011054083.4公开了一种高效利用吸附剂的vpsa制氧系统，包括均压罐、鼓风机、真空泵、富氧罐和至少3台吸附塔；所述制氧周期中的吸附时间长于抽真空解吸的时间，所有吸附塔按顺序依次与所述均压罐连通顺放均压或连通均压升压，实现吸附塔从吸附到解吸的转换和吸附塔从解吸到吸附的转换。由于该专利的吸附塔与均压罐的压差过小，无法在均压过程中完成对吸附塔内剩余气体的充分回收和压力平衡，导致在每一个吸附周期内均会浪费一部分氧气，降低了装置的生产效率。


技术实现要素：

5.针对上述技术问题，本实用新型提供了一种高效利用吸附剂的vpsa制氧系统。该系统能显著提高设备工作效率和吸附剂的利用率。
6.为了实现实用新型目的，本实用新型采用的技术方案是：
7.一种高效利用吸附剂的vpsa制氧系统，包括鼓风机、真空泵、富氧罐、富氧管道、均压管道、送风管道、真空管道和至少3台吸附塔，所述吸附塔分别通过程控阀一连接所述送风管道，所述送风管道的进风口连接所述鼓风机，所述吸附塔分别通过程控阀二连接所述富氧管道，所述富氧管道的出气口连接所述富氧罐，所述吸附塔分别通过程控阀三连接所述均压管道，所述吸附塔分别通过程控阀四连接所述真空管道，所述真空管道的出风口连接所述真空泵，所述送风管道上设置有空气缓冲罐，所述真空管道通过分管连接真空缓冲罐，所述分管上设置有程控阀五。
8.本实用新型所述真空缓冲罐和空气缓冲罐的体积均不小于吸附塔的体积。
9.优选地，所述真空缓冲罐和空气缓冲罐的体积为吸附塔体积的3倍。
10.本实用新型所述鼓风机的进风口设置有过滤器，鼓风机的出风口设置有换热器。
11.本实用新型所述真空泵的进风口设置有过滤器。
12.本实用新型的有益效果在于：
13.1、本实用新型的系统中不含均压罐，在吸附结束完成后，将完成吸附的吸附塔一与完成抽真空解析的吸附塔二通过均压管道连通，同时将吸附塔二与正在抽真空的真空管道连通，利用吸附塔与真空管道之间的高压差对吸附塔进行快速充分的冲洗，以达到对吸附塔一内剩余气体的回收和吸附塔二的杂质冲洗，从而提高装置的生产效率。
14.2、本实用新型在系统流程中同时考虑了设备效率的利用，因装置的能耗主要为鼓风机和真空泵的电耗，通过设置真空缓冲罐和空气缓冲罐有效减小真空泵入口压力和鼓风机出口压力波动。利用空气缓冲罐在吸附初期与吸附塔的快速平衡，无需在均压升压外另外加设升压步骤，减少均压升压过程花费的时间；减少了因为程序控制另外设置的程控阀和调节阀的设置；通过在鼓风机出口设置空气缓冲罐进行压力缓冲，避免吸附塔在进入吸附时，吸附塔压力过低，对系统压力造成的波动。有效提高鼓风机和真空泵的工作效率，降低系统能耗。
附图说明
15.图1为本实用新型3塔vpsa制氧系统结构图。
16.图2为本实用新型4塔vpsa制氧系统结构图。
17.图3为本实用新型5塔vpsa制氧系统结构图。
18.图4为本实用新型6塔vpsa制氧系统结构图。
19.图5为本实用新型7塔vpsa制氧系统结构图。
20.图6为本实用新型8塔vpsa制氧系统结构图。
21.附图标记为：t1～t8：吸附塔1～吸附塔8；a1～a4：程控阀一～程控阀四；v1：空气缓冲罐；v2：真空缓冲罐；v3：富氧罐；c1：鼓风机；p1：真空泵；h1：程控阀五；l1：送风管道；l2：富氧管道；l3：均压管道；l4：真空管道；l41：分管；u1：过滤器；e1：换热器。
具体实施方式
22.为了更加清楚、详细地说明本实用新型的目的技术方案，下面通过相关实施例对本实用新型进行进一步描述。以下实施例仅为具体说明本实用新型的实施方法，并不限定本实用新型的保护范围。
23.实施例1
24.如图1所示，一种高效利用吸附剂的vpsa制氧系统，包括鼓风机、真空泵、富氧罐、富氧管道、均压管道、送风管道、真空管道和3台吸附塔，所述吸附塔分别通过程控阀一连接所述送风管道，所述送风管道的进风口连接所述鼓风机，所述吸附塔分别通过程控阀二连接所述富氧管道，所述富氧管道的出气口连接所述富氧罐，所述吸附塔分别通过程控阀三连接所述均压管道，所述吸附塔分别通过程控阀四连接所述真空管道，所述真空管道的出风口连接所述真空泵，所述送风管道上设置有空气缓冲罐，所述真空管道通过分管连接真空缓冲罐，所述分管上设置有程控阀五。
25.本系统的工作原理：各个吸附塔顺序循环处于吸附、一次均压降、二次均压降、抽真空解吸和均压升压的状态，各状态具体为：
26.a、吸附(a)：鼓风机将空气经空气缓冲罐送入吸附塔制取氧气并送入富氧罐；
27.b、一次均压降(ed1)：吸附塔完成吸附后，停止进气送氧，将本吸附塔剩余气体放入抽真空解吸完成后进入冲洗升压的吸附塔，使本吸附塔内气压降低至0～5kpa；
28.c、二次均压降(ed2)：吸附塔与真空缓冲罐连通进行二次均压，使吸附塔压力快速降低至
‑
25～
‑
30kpa；
29.d、抽真空解吸(v)：对吸附塔抽真空；
30.e、冲洗升压(er)：回收处于一次均压降的吸附塔内剩余气体，实现本吸附塔压力升高至
‑
5～0kpa。
31.所述真空缓冲罐在每次进行二次均压降之前已被抽真空。
32.根据真空泵设备效率曲线，当真空泵入口压力波动范围变小时，真空泵的利用效率越高，当真空泵入口压力波动范围变大时，真空泵的利用效率越低，设备电耗越高。真空缓冲罐在二次均压降之前已被抽真空，为二次均压降作好准备，吸附塔内压力可被快速均压至
‑
25～
‑
30kpa，使抽真空吸附塔内初始压力起点更低，真空入口压力波动越小，真空泵的利用效率越高，设备电耗小，更加节能。
33.表1为本实用新型vpsa制氧系统的3塔工艺程序时序表。
34.时间段t1t2t3t1t2t3t1t2t3步序123456789t1aaaaaed1ed2vert2ed2veraaaaaed1t3aaed1ed2veraaah1on onon onon on
35.t1:二次均压降时间；t2:吸附塔抽真空时间；t3:一次均压降/冲洗升压时间；通过对t1/t2/t3时间的设置，可以使各个步序在该状态时达到最优状态。吸附塔的个数为3，将所述制氧周期的步骤依序划分为t1/t2/t3循环的9个阶段。
36.每个制氧周期的吸附塔包含五种循环状态，分别为：a、ed1、ed2、v、er；其中a分配有5个时间段，为t1/t2/t3/t1/t2，ed2为t1时间，v为t2时间，ed1/er为t3时间。
37.在除去吸附塔的均压时间外，在其它时间都是同时有2塔吸附一个塔抽真空，且每次均压时间都只有1～5s，也就是说，只乎所有时间都是2个塔在同时吸附，仅一塔在抽真空，分子筛的利用率达55％。
38.本工艺设计的ed1/ed2两次均压降压，一次均压降(ed1)：打开吸附完成后的吸附塔t1(压力为50kpa)的程控阀三、打开抽真空解析完成后的吸附塔t2(压力为
‑
50kpa)的程控阀三，同时打开吸附塔t2的程控阀四通过真空管道的压差来加速均压，控制附塔t2的程控阀四开度时间，将一次均压降后吸附塔t1压力控制在0～5kpa；吸附塔t2通过回收吸附塔t1的气体将压力从
‑
50kpa升到
‑
5～0kpa，在吸附塔t1完成一次均压降的同时，吸附塔t2完成了冲洗升压的过程。
39.此时真空缓冲罐入口程控阀五h1开启，真空缓冲罐同时被真空泵抽真空，为二次均压降(ed2)的压力做准备。由于真空缓冲罐刚结束上一轮的二次均压降(ed2)的压力(
‑
25～
‑
30kpa)是大于吸附塔压力的(吸附塔刚抽真空结束，压力为
‑
45～50kpa)，所以在均压的初始，吸附塔的气体不会进入真空缓冲罐。通过快速控制程控阀四的开度时间，可使ed1状
态的吸附塔气体全部回收到er状态吸附塔中，能保证氧气最大限度被回收，又能保证回收的氧气没有被真空泵抽走，程控阀四的开度时间小于均压时间，具体设置时间可在实际使用过程中通过调试获取参数。
40.二次均压降(ed2)：吸附塔t1在一次均压降结束后压力为0～5kpa，真空缓冲罐在经历ed1抽真空后的压力已经降到
‑
45～
‑
50kpa，当系统进入ed2状态时，真空缓冲罐入口程控阀五h1打开，吸附塔的程控阀四打开，这时吸附塔、真空缓冲罐及真空泵通过真空管线连通，吸附塔内的气体会因为压力差，并且真空缓冲罐体积不小于吸附塔，一部分气体被快速均压到真空缓冲罐，一部分气体被真空泵抽走；待真空缓冲罐和吸附塔压力达到
‑
25～
‑
30kpa，关闭程控阀五h1，则可以降低真空泵入口压力的波动，这就是设置真空缓冲罐的目的，如果没有真空缓冲罐，吸附塔的气体将只能由真空泵抽走，会导致真空泵入口压力增高，波动变大，设置真空缓冲罐后，大大降低真空泵入口压力的波动。
41.真空缓冲罐需要在不同时间阶段通过控制程控阀五h1的开关来参与整个真空系统的压力调节，状态为：抽真空
‑
升压
‑
等待
‑
抽真空
‑
升压
‑
等待
……
的不断循环，故通过分管与真空管道连接，而不是直接设置在真空管道上。
42.对真空缓冲罐来说：在第6步，打开程控阀五h1，对真空缓冲罐抽真空，压力降至
‑
45～
‑
50kpa；在第7步，打开程控阀五h1，打开吸附塔t1的程控阀四，进行二次均压降，真空缓冲罐压力升至
‑
25～
‑
30kpa；在第8步，关闭程控阀五h1，等待；在第9步，打开程控阀五h1，对真空缓冲罐抽真空，压力降至
‑
45～
‑
50kpa；在第1步，打开真空缓冲罐入口程控阀五h1，打开吸附塔t2的程控阀四，吸附塔t2进行二次均压降，真空缓冲罐压力降升至
‑
25～
‑
30kpa；在第2步，关闭程控阀五h1，等待；在第3步，打开真空缓冲罐入口程控阀h1，对真空缓冲罐抽真空，压力降至
‑
45～
‑
50kpa；在第4步，打开程控阀五h1，打开吸附塔t3四号程控阀，进行二次均压降，真空缓冲罐压力升至
‑
25～
‑
30kpa。在第5步，关闭程控阀五h1，等待。
43.本发明的各设备均设置有压力传感器。
44.实施例2
45.如图2所示，一种高效利用吸附剂的vpsa制氧系统，包括鼓风机、真空泵、富氧罐、富氧管道、均压管道、送风管道、真空管道和4台吸附塔，所述吸附塔分别通过程控阀一连接所述送风管道，所述送风管道的进风口连接所述鼓风机，所述吸附塔分别通过程控阀二连接所述富氧管道，所述富氧管道的出气口连接所述富氧罐，所述吸附塔分别通过程控阀三连接所述均压管道，所述吸附塔分别通过程控阀四连接所述真空管道，所述真空管道的出风口连接所述真空泵，所述送风管道上设置有空气缓冲罐，所述真空管道通过分管连接真空缓冲罐，所述分管上设置有程控阀五。
46.所述真空缓冲罐和空气缓冲罐的体积均不小于吸附塔的体积。
47.表2为本实用新型vpsa制氧系统的4塔系统程序时序表。
48.时间段t1t2t3t1t2t3t1t2t3t1t2t3步序123456789101112t1aaaaaaaaed1ed2vert2ed2veraaaaaaaaed1t3aaed1ed2veraaaaaat4aaaaaed1ed2veraaa
h1on onon onon onon on
49.t1:二次均压降时间；t2:吸附塔抽真空时间；t3:一次均压降/冲洗升压时间；通过对t1/t2/t3时间的设置，可以使各个步序在该状态时达到最优状态。吸附塔的个数为4，将所述制氧周期的步骤依序划分为t1/t2/t3循环的12个阶段。
50.每个制氧周期的吸附塔包含五种循环状态，分别为：a、ed1、ed2、v、er；其中a分配有8个时间段，为t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2，ed2为t1时间，v为t2时间，ed1/er为t3时间。
51.本实施例的系统控制原理同实施例5，在除去吸附塔的均压时间外，在其它时间都是同时有3塔吸附一个塔抽真空，且每次均压时间都只有1～5s，也就是说，只乎所有时间都是3个塔在同时吸附，仅一塔在抽真空，分子筛的利用率达66％。
52.实施例3
53.如图3所示，一种高效利用吸附剂的vpsa制氧系统，包括鼓风机、真空泵、富氧罐、富氧管道、均压管道、送风管道、真空管道和5台吸附塔，所述吸附塔分别通过程控阀一连接所述送风管道，所述送风管道的进风口连接所述鼓风机，所述吸附塔分别通过程控阀二连接所述富氧管道，所述富氧管道的出气口连接所述富氧罐，所述吸附塔分别通过程控阀三连接所述均压管道，所述吸附塔分别通过程控阀四连接所述真空管道，所述真空管道的出风口连接所述真空泵，所述送风管道上设置有空气缓冲罐，所述真空管道通过分管连接真空缓冲罐，所述分管上设置有程控阀五。
54.所述真空缓冲罐和空气缓冲罐的体积为吸附塔体积的3倍。
55.表3为本实用新型vpsa制氧系统的5塔系统程序时序表。
56.时间段t1t2t3t1t2t3t1t2t3t1t2t3t1t2t3步序123456789101112131415t1aaaaaaaaaaaed1ed2vert2ed2veraaaaaaaaaaaed1t3aaed1ed2veraaaaaaaaat4aaaaaed1ed2veraaaaaat5aaaaaaaaed1ed2veraaah1on onon onon onon onon on
57.t1:二次均压降时间；t2:吸附塔抽真空时间；t3:一次均压降/冲洗升压时间；通过对t1/t2/t3时间的设置，可以使各个步序在该状态时达到最优状态。吸附塔的个数为5，将所述制氧周期的步骤依序划分为t1/t2/t3循环的15个阶段。
58.每个制氧周期的吸附塔包含五种循环状态，分别为：a、ed1、ed2、v、er；其中a分配有11个时间段，为t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2，ed2为t1时间，v为t2时间，ed1/er为t3时间。
59.在除去吸附塔的均压时间外，在其它时间都是同时有4塔吸附一个塔抽真空，且每次均压时间都只有1～5s，也就是说，只乎所有时间都是4个塔在同时吸附，仅一塔在抽真空，分子筛的利用率达73％。
60.实施例4
61.如图4所示，一种高效利用吸附剂的vpsa制氧系统，包括鼓风机、真空泵、富氧罐、富氧管道、均压管道、送风管道、真空管道和6台吸附塔，所述吸附塔分别通过程控阀一连接
所述送风管道，所述送风管道的进风口连接所述鼓风机，所述吸附塔分别通过程控阀二连接所述富氧管道，所述富氧管道的出气口连接所述富氧罐，所述吸附塔分别通过程控阀三连接所述均压管道，所述吸附塔分别通过程控阀四连接所述真空管道，所述真空管道的出风口连接所述真空泵，所述送风管道上设置有空气缓冲罐，所述真空管道通过分管连接真空缓冲罐，所述分管上设置有程控阀五。
62.所述真空缓冲罐和空气缓冲罐的体积为吸附塔体积的3倍。
63.表4为本实用新型vpsa制氧系统的6塔系统程序时序表。
64.时间段t1t2t3t1t2t3t1t2t3t1t2t3t1t2t3t1t2t3步序123456789101112131415161718t1aaaaaaaaaaaaaaed1ed2vert2ed2veraaaaaaaaaaaaaaed1t3aaed1ed2veraaaaaaaaaaaat4aaaaaed1ed2veraaaaaaaaat5aaaaaaaaed1ed2veraaaaaat6aaaaaaaaaaaed1ed2veraaah1on onon onon onon onon onon on
65.t1:二次均压降时间；t2:吸附塔抽真空时间；t3:一次均压降/冲洗升压时间；通过对t1/t2/t3时间的设置，可以使各个步序在该状态时达到最优状态。吸附塔的个数为6，将所述制氧周期的步骤依序划分为t1/t2/t3循环的18个阶段。
66.每个制氧周期的吸附塔包含五种循环状态，分别为：a、ed1、ed2、v、er；其中a分配有14个时间段，为t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2，ed2为t1时间，v为t2时间，ed1/er为t3时间。
67.在除去吸附塔的均压时间外，在其它时间都是同时有5塔吸附一个塔抽真空，且每次均压时间都只有1～5s，也就是说，只乎所有时间都是5个塔在同时吸附，仅一塔在抽真空，分子筛的利用率达77％。
68.实施例5
69.如图5所示，一种高效利用吸附剂的vpsa制氧系统，包括鼓风机、真空泵、富氧罐、富氧管道、均压管道、送风管道、真空管道和7台吸附塔，所述吸附塔分别通过程控阀一连接所述送风管道，所述送风管道的进风口连接所述鼓风机，所述吸附塔分别通过程控阀二连接所述富氧管道，所述富氧管道的出气口连接所述富氧罐，所述吸附塔分别通过程控阀三连接所述均压管道，所述吸附塔分别通过程控阀四连接所述真空管道，所述真空管道的出风口连接所述真空泵，所述送风管道上设置有空气缓冲罐，所述真空管道通过分管连接真空缓冲罐，所述分管上设置有程控阀五。
70.所述真空缓冲罐和空气缓冲罐的体积为吸附塔体积的3倍。
71.表5为本实用新型vpsa制氧系统的7塔系统程序时序表。
[0072][0073]
t1:二次均压降时间；t2:吸附塔抽真空时间；t3:一次均压降/冲洗升压时间；通过对t1/t2/t3时间的设置，可以使各个步序在该状态时达到最优状态。吸附塔的个数为7，将所述制氧周期的步骤依序划分为t1/t2/t3循环的21个阶段。
[0074]
每个制氧周期的吸附塔包含五种循环状态，分别为：a、ed1、ed2、v、er；其中a分配有17个时间段，为t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2，ed2为t1时间，v为t2时间，ed1/er为t3时间。
[0075]
在除去吸附塔的均压时间外，在其它时间都是同时有6塔吸附一个塔抽真空，且每次均压时间都只有1～5s，也就是说，只乎所有时间都是6个塔在同时吸附，仅一塔在抽真空，分子筛的利用率达80％。
[0076]
实施例6
[0077]
如图6所示，一种高效利用吸附剂的vpsa制氧系统，包括鼓风机、真空泵、富氧罐、富氧管道、均压管道、送风管道、真空管道和8台吸附塔，所述吸附塔分别通过程控阀一连接所述送风管道，所述送风管道的进风口连接所述鼓风机，所述吸附塔分别通过程控阀二连接所述富氧管道，所述富氧管道的出气口连接所述富氧罐，所述吸附塔分别通过程控阀三连接所述均压管道，所述吸附塔分别通过程控阀四连接所述真空管道，所述真空管道的出风口连接所述真空泵，所述送风管道上设置有空气缓冲罐，所述真空管道通过分管连接真空缓冲罐，所述分管上设置有程控阀五。
[0078]
所述真空缓冲罐和空气缓冲罐的体积为吸附塔体积的3倍。
[0079]
表6本实用新型vpsa制氧系统的8塔系统程序时序表。
[0080]
时间段t1t2t3t1t2t3t1t2t3t1t2t3t1t2t3t1t2t3t1t2t3t1t2t3步序123456789101112131415161718192021222324t1aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaed1ed2vert2ed2veraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaed1t3aaed1ed2veraaaaaaaaaaaaaaaaaat4aaaaaed1ed2veraaaaaaaaaaaaaaat5aaaaaaaaed1ed2veraaaaaaaaaaaat6aaaaaaaaaaaed1ed2veraaaaaaaaat7aaaaaaaaaaaaaaed1ed2veraaaaaat8aaaaaaaaaaaaaaaaaed1ed2veraaah1on onon onon onon onon onon onon onon on
[0081]
t1：二次均压降时间；t2：吸附塔抽真空时间；t3：一次均压降/冲洗升压时间；通过
对t1/t2/t3时间的设置，可以使各个步序在该状态时达到最优状态。吸附塔的个数为8，将所述制氧周期的步骤依序划分为t1/t2/t3循环的24个阶段。
[0082]
每个制氧周期的吸附塔包含五种循环状态，分别为：a、ed1、ed2、v、er；其中a分配有20个时间段，为t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2，ed2为t1时间，v为t2时间，ed1/er为t3时间。
[0083]
在除去吸附塔的均压时间外，在其它时间都是同时有7塔吸附一个塔抽真空，且每次均压时间都只有1～5s，也就是说，只乎所有时间都是7个塔在同时吸附，仅一塔在抽真空，分子筛的利用率达83％。
[0084]
本实用新型中所述鼓风机的进风口设置有过滤器，鼓风机的出风口设置有换热器。进入吸附塔的空气，先经过滤，以洁净空气为原料，进入鼓风机，升压后经换热器降温，使温度降到分子筛最佳吸附性能温度状态，再进入已经再生完毕处于工作状态的吸附塔。
[0085]
所述真空泵的进风口设置有过滤器。
[0086]
本实用新型采用的鼓风机可为罗茨鼓风机、离心鼓风机或者水环鼓风机；换热器为水冷式空气冷却器，过滤器为自洁式空气过滤器，程控阀型号为气动/液动蝶阀。具体规格型号由装置规模和用户需求选定。
[0087]
以上所述实施例仅表达了本实用新型的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。