一种套筒式吸附器结构的变压吸附制氧装置 【技术领域】
本发明涉及气体分离领域内的一种套筒式吸附器结构的变压吸附制氧装置。
背景技术
变压吸附技术(英文简称PSA)是指利用分子筛在不同压力下对气体有不同吸附量的特性来完成对混合气体分离的技术。变压吸附技术最早出现于20世纪50年代末期，经过几十年的发展，正在不断趋向于成熟和完善。通常的变压吸附制氧装置是由空气过滤器、压缩机、冷却装置、电磁阀门、两个装填有沸石分子筛的吸附器、反吹清洗系统、稳压罐和流量调节计等部件构成。空气由过滤器去除杂质，经压缩机压缩后进入冷却盘管冷却，然后通过阀门的切换，进入其中一个装有沸石分子筛的吸附器，空气中的强吸附组分氮气被分子筛吸附，而弱吸附组分氧气则穿过吸附床从吸附器的出口排出。吸附器流出的氧气中，一部分进入稳压罐作为产品气，另一部分通过反吹清洗系统对处于解吸状态的另一个吸附床反吹，促进分子筛地解吸再生。当吸附床中的分子筛达到最大吸附量之前，通过电磁阀动作将空气切换到另一吸附器中进行吸附分离过程，同时对达到饱和状态的吸附器泄压解吸。这样，两个吸附器交替工作，就完成了生产的连续进行。
在目前的变压吸附装置中，吸附器均采用单筒结构，即分子筛以实体的方式装填在吸附器的内部。空气从吸附器底部流入，产品氧气从顶部流出。由于进气流速较快，吸附器内部气体压力分布并不均匀。从吸附器径向横截面来看，当靠近中轴线附近的分子筛达到吸附饱和状态的时候，由于壁面效应的影响，靠近壁面部分的分子筛尚未达到吸附饱和状态，此时由于吸附质前沿到达吸附床的末端，吸附过程被迫切换至另一吸附器中进行，否则将造成强吸附组分穿透吸附床层，降低产品气的浓度。因此靠近壁面的分子筛始终没有被完全利用，或者说分子筛装填量大于实际所需要。在这种单壁形式的吸附器结构下，位于壁面附近的分子筛则始终不能得到有效利用。并且由于分子筛装填量的过多，造成了吸附器的内部气体流动阻力较大，增加对压缩机的功率的需求，降低了整机的经济性。
【发明内容】
本发明目的在于解决变压吸附装置在吸附过程中吸附器内分子筛利用不充分的问题，并通过改进结构，能够保证在原有单筒式吸附器的氧气产量和纯度等前提之下，大大减小分子筛的用量，减少制氧机的体积和重量，降低成本。
一种套筒式吸附器结构的变压吸附制氧装置，该装置由过滤器1、压缩机2、冷却器3、电磁阀4、吸附器5，6、三通阀7、稳压罐8、流量调节计9等元件组成。其特征在于本发明的吸附器5、6的内部结构采用了套筒式结构，包括干燥剂10、吸附器外筒11、内筒12、分子筛13。空气经过滤器1过滤后，进入压缩机2，高压气体在冷却器3中冷却，通过电磁阀4的切换，进入吸附器5的内外两筒之间。进入吸附器内的空气先通过吸附器上端的空间完成气流的均匀一致的过程，然后向下流动，经干燥剂10去除水份后，进入吸附器外筒11和内筒12夹层之间的分子筛13中吸附。空气中的部分氮气被吸附在分子筛中，气流继续通过吸附器内筒12底部的通气孔进入内筒向上流动，在内筒的分子筛13中继续完成吸附分离过程，最后得到浓度93％以上氧气。产品气通过三通阀7的分离，一部分作为反吹气体吹扫处于解吸状态的另一个吸附器6，另一部分经过稳压罐8稳压后，通过流量调节器流出供用户需要。在吸附器5内的分子筛达到吸附饱和最大值之前，通过电磁阀4的切换，将空气送入吸附器6中进行相同过程的吸附分离。这样，通过两个吸附器的交替工作，就完成了连续生产。吸附器内部采用套筒式结构，使得吸附器内部结构更为紧凑，减小避免效应的产生，增加了吸附流程，充分发挥了分子筛的最大能力。
采用普通的吸附器结构，空气由吸附器底部流入，产品氧气由顶部流出，气体流速较大，由于边壁效应的影响，吸附过程在靠近壁面的附近进行得不够充分。采用套管式的吸附器布局紧凑合理，可以从根本上克服这个缺点。综上所述，采用套管式吸附器的变压吸附装置具有如下的优点：1、结构紧凑，体积小、重量轻。2、大大节省分子筛用量，降低成本。3、能够降低吸附器的高度同时减小空气压缩机的功率，结构优化。
吸附器的详细结构见图2，其中各尺寸的范围如下：
高度H1：200～800mm；高度H2：10～100mm；高度H3：10～40mm；高度H4：10～100mm；直径D1：30～300mm；直径D2：20～40mm；直径φ1：2～20mm
【附图说明】
图1为套筒式变压吸附制取氧气装置流程图
图中，1-过滤器，2-压缩机，3-冷却器，4-电磁阀，5、6-吸附器，7-三通阀，8-稳压罐，9-流量调节计
图2为吸附器的内部结构图
图中，10-干燥剂，11-吸附器外筒，12-吸附器内筒，13-分子筛
所标注的各尺寸的范围如下：
高度H1：200～800mm；高度H2：10～100mm；高度H3：10～40mm；高度H4：10～100mm；直径D1：30～300mm；直径D2：20～40mm；直径φ1：2～20mm
具体实施办法
参见图1，空气经过滤器1过滤后，进入压缩机2，高压气体在冷却器3中冷却，通过电磁阀4的切换，进入吸附器5内外两筒之间。空气先通过吸附器上端的空间完成气流的均匀一致的过程，然后向下流动，经干燥剂10去除水份后，进入吸附器外筒11和吸附器内筒12之间夹层中的分子筛13中吸附。空气中的部分氮气被吸附在分子筛中，气流通过吸附器内套筒12底部的通气孔进入内筒继续向上流动，在内筒的分子筛13中进一步完成吸附分离过程，最后得到浓度93％以上氧气。产品气通过三通阀7的分离，将一部分作为反吹气体吹扫处于解吸状态的另一个吸附器6，另一部分经过稳压罐8稳压后，通过流量调节计流出供用户需要。在吸附器5内的分子筛达到吸附饱和最大值之前，通过电磁阀4的切换，将空气送入吸附器6中进行相同过程的吸附分离。这样，通过两个吸附器的交替工作，就完成了连续生产。在整个连续的制取氧气的循环中，套管式吸附器的作用在于为吸附过程建立良好的环境，使得过程在压力均匀稳定的情况下进行，最大限度地使吸附器内部的分子筛发挥吸附能力。
采用本发明专利涉及的套筒式吸附器的小型变压吸附制氧装置，在产品产量在3L/min的情况下，其氧气的浓度可以达到93％以上。