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比较变压吸附制氧法与深冷法

2023/12/28

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摘要:近几年来,伴随着我国社会经济的飞速发展,工业对氧需求量日益剧增。如:煤化工、煤化工相关产业等行业均需要大量氧气。当前,工业制氧方法主要有变压吸附法及深冷法,该两种方法各有千秋,难以选择。本文则对变压吸附法、深冷法进行综合比较。


我国自改革开放以来,工业作业支撑我国支柱产业的作用不断凸显。氧作为工业生产中不可或缺的原材料,随着工业的发展,其需求量也不断增加。煤化工企业相对于其它企业而言,对氧气的需求量更大。从钢铁到有色金属、贵重金属及稀有金属的冶炼,依靠富氧来代替空气鼓来冶炼,最大限度提高冶金炉的金属产量,減少能源损耗,缩短冶炼时间,提高冶炼效率。下面首先分析变压吸附制氧法、深冷法的工作原理,然后探讨变压吸附制氧法与深冷法的具体不同。


一、深冷法与变压吸附制氧法的工作原理


深冷法:深冷制氧设备包括空气压缩机组、分子筛净化系统、空气冷却系统及透平膨胀机、分馏塔、换热器等。在工作中,如果需要回收稀有气体,还需要增加稀有气体分馏设备。空气经过制氧机组分离后,可获得纯氧及纯氮等纯净稀有气体。


变压吸附制氧法:变压吸附法是当前新兴的制氧法,其装置包括鼓风机及若干个吸附塔、缓冲容器罐及储存罐自己真空泵等,采用的系统为计算机自动化控制系统。在自动化控制系统下,整套装置可通过变压吸附制氧并贮存[1] 。在自动化系统控制下,首先,空气需除尘;然后除尘后的空气需经过鼓风机吹到吸附塔中,而吸附塔中有多种吸附剂,使得空气中的大部分吸附剂被吸附在塔内分离出去。通过此种方法,得到富氧产品,并储藏在罐里。但吸附剂具有一定期间,在饱和后,应停止空气进入,通过真空泵抽离,可使杂质与吸附剂有效分离开来。当吸附剂再次进入到不饱和状态下,可为下一轮吸附做准备,确保制氧的连续性,整个过程不再受到人工干扰,有着较高准确性及安全性。


二、比较深冷法与变压吸附制氧法的不同


1、安全性


深冷制氧法需经过低温环节,在低温环境下,深冷制氧法需要填充绝热的材料减少冷损。若低温保持不到位,极易引起液体受热气的影响,使得容器压力升高,超过设备所承受的范围,最终导致设备损坏。因此,采用深冷法制氧时,对低温设备的材料提出了较高要求,必须具备一定的强度及韧性。若焊接不合格,极易导致低温液体流出,从而冻坏基础设备。而真空变压吸附制氧则需要在常温常压下进行,整个工艺过程并不涉及低温环节,有效避免了低温带来的危害性,从而具有较高安全性。


一般情况下,深冷制氧法具有爆炸风险性,原料空气中的乙炔并不会随着产品液态氧的蒸发而积累,而是更多的沉积在液态氧当中。实际上,乙炔的量超过液氧溶解范围时,就会出现溢出现象,可能会引起爆炸事故。而深冷制氧法工艺中生产的液态氧在弱电条件下会产生一定化学反应,产生臭氧物质,从而增加爆炸风险性。而真空变压吸附制氧法在制氧工业过程中处于常温或者接近常温环境下,但爆炸需要高温,这样一来,可有效防止爆炸发生。一方面,真空变压吸附制氧法工业中使用的分子筛可去除原料气中的乙炔碳氢化合物[2] 。尽管不能达到完全去除程度,但残留量并不会引起爆炸,从而降低爆炸发生率。另一方面,真空变压吸附法制氧工艺中并没有形成液氧,也就不会发生与液氧相关的爆炸风险。但若产品在储藏备用时,对液体进行压缩,可能增加爆炸风险。但只要在储藏罐上配备相应的监测设备,就能够安全使用。


富氧多体现在氧中毒事故中,已有研究明确表明:常压下氧气浓度超过40%则会发生氧中毒。一旦人体吸入高浓度的氧气,容易出现呼吸困难及胸闷等,严重则出现肌肉抽搐、眩晕等,甚至发生呼吸衰竭。若长时间处于较高氧分压的环境下,将损伤眼部结构,也有可能发生失明。深冷制氧工艺中,,液态氧的浓度较高,甚至为纯氧,且氧分压较大,若发生氧气泄露,液态氧的体积将迅速膨胀,提高工作条件下的氧气浓度及氧分压,最终发生氧中毒事故。而真空变压吸附制氧工艺中产生的氧气浓度较低,且以气态形式存在,不容易发生泄露,提高了安全性。


2、经济性


无论哪一种工艺都需要一定的经济费用,包括电费、维修费、人工费、折旧费等。其中电费是两种制氧工艺所耗费最大的经济费用。就拿电费来讲,通过实际数据分析,其它数量不变的条件下,深冷法制氧需耗费0.5千瓦,而真空变压吸附制氧法仅需要消耗0.35千瓦的电费。此外,真空变压吸附法制氧所需要的维修费、折旧费相对于深冷法而言,所耗费的费用较低。


3、连续性


深冷法制氧时并不具备连续供氧的条件,大部分的生产多为一台设备,若其中的一个环节出现故障,整个供氧过程将停止工作。而停止工作的机器在重新启动后往往需要36小时才能够再次产出氧。真空变压吸附制氧法采取的2-3个吸附塔共同工作,有效解决连续性问题。若某个吸附塔出现故障,可单独切断故障设备进行维修,但并不影响制氧整体性。并且,真空变压吸附制氧装置在重启后,正常产氧的时间仅仅有30分钟,可保证供氧连续性性。


4、简便性


深冷法制氧工艺与真空变压吸附制氧法在设备运行简便性进行对比,发现真空变压吸附制氧操作更简单。深冷制氧技术有较长发展历史,所生产的氧产品具有较高纯度,且种类较多,适用于高浓度氧源工业生产[3] 。而真空变压吸附制氧工艺是新型工艺,适用于对氧气浓度不高的工业使用。并且真空吸氧制氧工艺在设备重启后短时间内可再次生产生产,设备数量较少,容易压力较低,投资相对较小。更为重要的是分子筛的使用寿命较长,维修次数少,对周围环境几乎没有影响。


三、结束语


总而言之,真空变压吸附制氧现对于深冷制氧具有较高安全性、经济性及连续性、简便性,加上自动化程度高,但所得到的氧气并非纯氧,适用于对氧气浓度低的工业用户。而深冷制氧法与其相反,在现实工业制氧中应根据实际情况合理选择制氧方法,提高经济效益。