进气温度与湿度对微型PSA制氧机产品气浓度影响的实验研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 《工业加热》２ｏ０２年第５期　文章编号－１００２－１６３９（２００２）０５．００４４－０８　进号温度与湿度对微型ＰＳＡ制霸和产品号浓度影响的实验研究　刘应书，崔红社，李洪利，乐　恺，冯俊小，侯庆文，余谦虚　（北京科技大学，北京１０００８３）　摘要：通过实验的方法研究了进气温度和湿度对微型变压吸附制氧机性能的影响。实验结果表明：在我们实验范围内，当原料　气的湿度或温度上升时，制氧机产品气浓度逐渐下降，且当原料气温度大于一定值时，其下降幅度迅速增加。　关键词－ＰＳＡ；制氧；进气温度；湿度　中图分类号：ＴＱＯＥＳ．１４；Ｉ＂（；１５５．６　文献标识码－Ａ　Ｅｘｐｅｔｉｎｍａｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｏｆ　Ｆｅｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｆｏｒ　ａ　Ｓｍａｌｌ—ｓ　ＰＳＡ　Ｏｘｙｇｅｎ　Ｕｎｉｔ　ＬＩＵ　Ｙｉｎｇ－ｓｈｕ，ＣＵｔ　Ｈｏｎｇ－ｓｈｅ，ＬＩ　Ｈｏｎｇ－ｌｉ，ＬＥ　Ｋａｉ，ＦＥＮＧ　Ｊｕｎ—ｘｉａｏ，ＨＯＵ　Ｑｉｎｇ－ｗｅｎ，ＹＵ　Ｑｉａｎ—ＸＵ　（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＢｅｉｊｉＩｌｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ）　Ａ　出　ｃｔ：Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｆｅｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｙ　ｏｎ　ｐｅｒｔｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ａ　ｓｍａｌｌ—ｓｃａｌｅ　ｍｅｄｉｃａｌ　ＰＳＡ　ｏｘｙｇｅｎ　ｕｎｉｔ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ，ｗｉｔｈｉｎ　ｏｕｒ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒａｎｇｅ，ｏｘｙｇｅｎ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｐｕｒｉｔ）ｒ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ｗｈｅｎ　ｆｅｅｄ　ｔｅｒｎ－　ｅｒｐａｔｕｒｅ　ｏｒ　ｈｕｍｉｉｔｄｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ａｎｄ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ｒａｐｉｄｌｙ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｆｅｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｓ　ｏｖｅｒ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｖａｌｕｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄ：ＰＳＡ；ｏｘｙｇｅｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ；ｆｅｅｄ　ｔｅｎｇ￣ｍｔｕｒｅ；ｈｕｍｉｉｔｄｙ　１引言　变压吸附（ＰＩｌｅｓｓｕｒｅ　ｓｗｉｎｇ　ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ，简写为ＶＳＡ）　最初由Ｇｕｅｒｉｎ　ｄｅ　Ｍｏｎｔｇａｒｅｕｉ和Ｓｋａｒｓｔｒｏｍ分别在其专　利中提出，后来被广泛应用于各种工业分离过程。而　应用ＰＳＡ技术生产用于医用保健的微型制氧机，始于　２０世纪７０年代ｎ］。经过最近几十年来的技术进步和　市场培育，微型ＰＳＡ制氧机得到了极大发展。现有微　持。　２实验研究　２．１温度、湿度对变压吸附过程影响的机理　变压吸附制氧原理是利用沸石分子筛对空气中　氧气氮气的吸附性不同，选择吸附空气中氮气和吸附　氮气的能力随氮气分压提高而增大的特性，通过改变　吸附操作压力，实现在较高压力下吸附，降低压力使　其解吸，达到分离空气中氧、氮的目的。吸附是一个　放热过程，而解吸是一个吸热过程，这样在变压吸附　过程中，分子筛床层的温度会产生一定程度的波动。　有关研究表明，对于床层直径较小的吸附分离过程，　温度变化较小，可以近似认为是一个等温操作过程；　而对于工业上的大型吸附装置，由于其近似一个绝热　操作过程，必须考虑温度随床层和时间的变化。因此　对于微型变压吸附过程而言，原料气的温度直接影响　吸附和解吸过程中床层的操作温度。而在不同温度　下，沸石分子筛吸附等温线的斜率是不一样的。温度　增加，吸附等温线斜率减小，相应的饱和吸附量也随　之减少。在同样的吸附和解吸压力情况下，实际变压　吸附量的差值变小。这样原料气的温度变化就会对　微型ＰＳＡ制氧系统的产品气量以及产品气浓度产生　影响。　型ＰＳＡ制氧机绝大多数都采用Ｓｋａｒｓｔｏｒｍ循环，其特　点是一塔加压吸附，另一塔同时减压解吸。部分富氧　气体以逆流方向通人第二个吸附塔（反吹），以进一步　除去上一次循环吸附的氮气。研制可靠性高、价格适　中、体积小、噪音低、适应性广的高性能微型ＰＳＡ医用　制氧机一直是各国技术人员的追求目标。影响制氧　机性能的因素主要有三个方面：吸附剂的性能、工艺　流程以及环境参数。有关文献［２—４］对吸附剂和工　艺流程的影响进行了实验和数学模拟方面的讨论，本　文主要针对环境参数，即进气温度、湿度对微型ＰＳＡ　制氧机产品气浓度的影响进行实验研究，从而为进一　步改进工艺流程、提高装置的性能提供技术上的支　收稿日期：２∞２．潞１２　作者简介－刘应书（１９６ｏ－），男，湖南人，教授，研究方向为气体　分离设备与工程，人工气氛环境技术．　４４　制氧用的沸石分子筛是一种强极性吸附剂，对空　维普资讯 http://www.cqvip.com 《工业加热）２００２年第５期　气中的极性分子，例如水分子和二氧化碳分子具有极　强的吸附能力，而且一旦吸附了强极性分子。就很难　实验装置如图１所示，恒温恒湿仪中的空气经过　过滤、压缩、冷却后分别进入吸附分离塔分离，富氮空　气经消声后排出，产品气由流量计计量流量以及测氧　仪检测氧气浓度。流量计采用玻璃转子氧气流量计；　彻底解吸。研究进气湿度对微型ＰＳＡ制氧系统性能　的影响对确定吸水剂的用量以及其适用的环境具有　十分重要的意义。　２．２实验内容及实验方法　测氧仪为ＹＨＬ一２智能测氧仪，可以连续显示、记录　氧气的浓度。　图１温度、湿度试验装置示意图　实验的主要内容是考察产品气流量和浓度随进　气温度、湿度的变化情况。在实验过程中为避免氧气　３．１原料气温度的影响　根据表１所示工况，得到了图２－５　所示实验结果。　由图可知，在空气湿度一定时，随着进气温度的　逐渐增加，产品气浓度的变化趋势是：先经过一个上　升阶段，在３０—３２℃温度范围内达到最高值，然后开　始逐渐下降。这是因为随着原料气温度的增加，一方　面，吸附等温线斜率减小，吸附剂的饱和吸附量降低，　浓度的波动和取值的随机性所造成的实验误差，将一　组实验数据的平均数作为处理数据。实验中的一些　参数见表１。　表１实验运行参数　吸附塔内径／ｍｍ　吸附塔高度／ｍｍ　分子筛装填量，ｋｇ　循环时间，ｓ　吸附剂　吸附压力／ｋＰａ　解吸压力／ｋＰａ　产品气流量，Ｌ・ａｒｉｎ　７０　４００　９３０　２４　其结果是在产氧量不变的情况下，产品气浓度有降低　的趋势；另一方面，分子筛床层以及气相流体的温度　增加，氧气分子热运动速度加快，从而使分子扩散速　Ｕ０Ｐ　５Ａ　ｚｅｏｌｉｔｅ　ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｓｉｅｖｅ　３０８　１０１　率提高，其结果是吸附和解吸的速度加快，进而影响　产品气的浓度，有提高氧气浓度的趋势。这两种因素　影响的最终结果是原料气进气温度有一个最佳值，处　于该温度范围，产品气的浓度达到最高值。　另外，在图２中也可以看出，在温度为３６℃以下　时，随进气温度的升高，产品气浓度下降的速度并不　快，当进气温度超过３６℃时，继续升高原料气的温　３　７０　原料气流量，Ｌ・ｒａｉｎ　压缩机功率，ｗ　４００　３结果及分析　通过上述实验，得到了产品气浓度随原料气温度　和湿度等因素变化的结果。为了便于分析比较，实验　中将产品气流量固定。　度，产品气浓度下降的速度很快。这是因为，沸石分　子筛的吸附等温线斜率随温度变化不是线性关系，当　超过一定温度时，斜率下降较快，从而使吸附剂的饱　和吸附量下降速率加快。　３．２原料气湿度的影响　４５　维普资讯 http://www.cqvip.com 《工业加热）２ｏｏ２年第５期　９３．０　＾　９１．５　、／　＼　进气温度／。Ｃ　（ａ）进气湿度６０％　９３、０　９１、５　９０、０　穗８８．５　赵　婚　８７．Ｏ　∞　０　２８　鸥　５　３０　盯　０３２　　３４　３６　３８　４０　进气温度／。Ｃ　进气温度／￣Ｃ　（Ｃ）进气湿度８０９６　（ｄ）进气湿度９０％　图２原料气温度对微型ＰＳＡ制氧机产品气浓度的影响　图３［６　分别为在不同温度条件下，产品气浓度与　分子筛得到部分再生，但仍然还有一部分水分子不能　原料气湿度的关系曲线。从图中可以看出，产品气的　解吸。下一次吸附时，空气中的水分子还是首先被吸　氧浓度随原料气湿度的增加逐渐降低，但降低的幅度　附床前端的分子筛吸附，所以空气中的水蒸气在短时　并不明显。但当进气温度增加到一定值时（如图３ｄ），　间内几乎不能对后面的床层造成影响。因此原料气　产品气浓度下降幅度则增加很快。其原因是，当含有　的湿度变化对产品气的浓度影响不大，但从长久运行　水蒸气的空气进入吸附剂床层时，由于水分子是强极　的角度看，空气中的水分对吸附床中的分子筛还是十　性分子，故其首先被吸附床前端的分子筛吸附；而床　分有害的，因为原料气的高湿度会使吸附剂床层逐渐　层解吸再生时，随着水蒸气分压降低，吸附床前端的　失效，从而降低设备的使用寿命。　９４．５　，、９３．０　———～　．　墓　９ｌ・５　誊９０．０　燃　８８．５『　实验数据　多项式拟合曲线　８７．０　５５　６０　６５　７０　７５　８０　８５　９０　９５　１００　０　进气湿度（％）　进气湿度（％）　（ａ）进气温度２８。Ｃ　（ｂ）进气温度３２。Ｃ　９４．５　，、９３　０　更　蹦９１　５　——　—、　、　９０．０　８８．５　８７．０　５５　６０　６５　７０　７５　８０　８５　９０　９５　１００　进气湿度（％）　进气湿度（％）　（ｃ）进气温度３６。Ｃ　（ｄ）进气温度４０。Ｃ　图３原料气湿度对微型变压吸附制氧机产品气浓度的影响　（下转第４９页）　维普资讯 http://www.cqvip.com 《工业加热）２００２年第５期　３．２实际应用　［陈留根摘］　本研究的目的是为循环流化床锅炉提供一种独　ＷＺ００２８７０碳含量对镁碳砖特性的影响——《耐火物》，　立完成锅炉点火任务、易于现场布置的小体积床下　１９９９，５１（１０），５６～５７（日）　点火装置。高温烟气发生装置首先被用到按照２ｔ／ｈ　镁碳砖的碳含量对其抗氧化特性、耐浸蚀性和热强度等　锅炉容量设计的流化床试验对象上ｌ２】。床料是流化　特性有一定影响。利用碳含量为５～３０％的镁碳砖研究探讨　床冷渣和烟煤，过量空气系数变化范围为２．１　５．　了不同碳含量对其镁碳砖抗氧化特性、耐浸蚀性等特性的影　２２（图５），床温变化用埋在流化床床料中的热电偶　响及其机理。指出，碳含量在１５％以下有助于提高镁碳砖　的抗氧化性能；渣线区用镁碳砖的碳含量控制在２ｏ％最佳，　测量。烟气温度用活动热电偶测量。改变油压和空　烧损最小。图３表１参４　气供应量，可以任意调节热烟气温度和流量，达到任　［陈留根摘］　意调节锅炉启动速度的目的。　ＷＺ００２８７１高生产率热压机的发展动向与展望——《工案　加熟》，２０００，３７（２），２７～３６（日）　１２００　ｒ　最近，市场导向迫切要求热压设备高压力化，实现这一　目的压模材料——碳素复合材料已开始进入实用阶段。大　９００　型工件的均等加压已经实现。简述了碳素复合材质压模的　６００　研究开发与存在问题。扼要介绍了实现高速加热、均匀加　热、均等加压以及高速冷却的技术措施。对多室型热压炉作　３００　了说明。给出了多轴热压机的技术参数。照２图６表２　［陈留根摘］　０　ｌ０　２０　３０　４０　时间／ｒａｉｎ　图５锅炉启动曲线　（上接第４６页）　４结论　４结论　（１）气膜冷却原理成功地用到高温烟器发生装　（１）微型ＰＳＡ制氧机产品气的浓度随原料气　置上，有效保护了高温火焰接触的金属表面。　温度的增加，先升后降，存在一个最佳值；　（２）气膜冷却高温烟气发生器具有热强度高、体　（２）微型ＰＳＡ制氧机产品气的浓度随原料气湿　积小、系统简单、操作方便等优点，是迄今为止最便　度的增加逐渐降低，但变化幅度不大；　于锅炉房内布置的装置。　（３）当进气温度大于一定值时，产品气浓度随　（３）工业应用表明，该系统简单实用、性能优越、　温度和湿度的增加而下降幅度迅速增大。　操作维护十分方便。　参考文献：　参考文献：　［１］Ｄ　Ｍ　ＲＵＴＩ－ＩＶＥＮ，Ｓ　ＦａＲＯＯＱ，Ｋ　Ｓ　ＫＮＡＥＢＥＬ．　ｕ陀　［１］毛健雄，毛健全，赵树民．煤的清洁燃烧［Ｍ］．北京：科　ＳｗｉｎｇＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ【ＭＪ．ＶＣＨ　Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，１９９３．　学出版社，２０００．３５７．　［２］Ｇ　ＫＥＮＮＥＴＨ，Ｊ　ＴＥＡＧＵＥ，Ｆ　Ｅ　ＴＨＯＭＡＳ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　Ｄｒ－　［２］　葛绍岩．器膜冷却［Ｍ］．北京：科学出版社，１９８５．　ｎａｍｉｃ　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ａ　Ｓｍａｌｌ　Ｐｉ＇ｅ８８ｔｌｌ￣Ｓ　ｗｉｎｇ　Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　Ａｉｒ　Ｓｅｐａ－　ｒａｔｉｏｎ　Ｕｎｉｔ［Ｊ］．Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｆ￣ｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，　１９９９，３８：３７６１－３７７５．　ＷＺ００２８６９　ＰＩＳＲ型陶瓷耐火纤维发热体　工案加热》，　［３］Ａ　Ｍ　ＭＥＮＤＳ，Ａ　Ｖ　ＣＡＲＩＤＳ，Ｅ　Ｒ　ＡＬＩＮＩＯ．Ｏｘｙｇｅｎ　Ｓｅｐａｒａ－　２０００，３７（１），５７～６４（日）　ｉｔｏｎ　ｆｒｏｍ　Ａｉｒ　ｂｙ　ＰｓＡ：ｍｏｄｅｌｉｇｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　Ｐａｒｔ　陶瓷耐火纤维金属发热体具有重量轻、节能效果好等特　Ｉ：ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ　ｏｐｅｍｔｉｎｏ［Ｊ］．Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｐｕｒｉｉｆｃａｔｉｎｏ　Ｔｅｅｈ－　点，近年来在电阻加热炉上获得了广泛的应用。但由于其自　ｎｏｌｏｇｙ，２００１，２４：１７３－１８８．　身结构上的原因，其性能也受到一定制约。为了有效发挥上　［４］Ｓ　ＦＡａＯＯＱ，Ｄ　Ｍ　ＲＵＴＨＶＥＮ，Ｈ　Ａ　ＢＯＮＷＡＣＥ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　述加热器所长，改善其不足，日本贞德舍公司对上述加热器　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　０ｆ　ａ　Ｐｉ＇ｅ８８ｔｌｌ￣Ｓｗｉｎｇ　Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　Ｏｘｙｇｅｎ　Ｕｎｉｔ［ＪＪ．　的结构、特点、性能参数进行了研究改进。概述了耐火纤维　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ＥｒｌｇｉｎｅｅＩｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９８９，４４（１２）：２８０９－２８１６．　加热器的历史与发展历程。探讨了其今后的发展与课题。　［５］李洪利．微型变压吸附工艺及其应用研究［Ｄ］，北京：　照４图６　北京科技大学，２Ｏ０２．　４９