一、簡述
??? 氧氣在工業(yè)上和日常生活中有廣泛的用途：如黑色冶金的電爐煉鋼，吹富氧除可縮短熔化時(shí)間外，加強(qiáng)了脫除雜質(zhì)的反應(yīng)，并節(jié)約電能；高爐煉鐵中，采用“富氧噴煤”技術(shù)，可降低焦炭耗量和生產(chǎn)成本，提高高爐生產(chǎn)率；有色金屬冶煉（銅、鉛、鋅、鋁等）中的熔爐富氧燃燒，能有效提高生產(chǎn)率、節(jié)能降耗，并延長熔爐使用壽命，同時(shí)由于煙氣量大幅度減少，氮氧化物和其它有害物質(zhì)的排放量大大降低，有利于環(huán)境保護(hù)；化工生產(chǎn)中的粉煤富氧氣化、化工富氧造氣、輕工發(fā)酵、炭黑生產(chǎn)等，采用氧氣可改善品質(zhì)、提**率；此外，氧氣還廣泛用于金屬切割和焊接、水處理、魚類養(yǎng)殖、臭氧生產(chǎn)、造紙工業(yè)紙漿漂白、固體垃圾焚燒、玻璃制造以及醫(yī)療用氧和家庭保健等方面?？諝庵泻?1%（干態(tài)，體積濃度）的氧氣，是較廉價(jià)的制氧原料，因此氧氣一般都通過空氣分離制取?？辗种蒲豕に嚪譃閮深悾荷罾浞蛛x工藝和非低溫分離工藝。
深冷分離工藝是傳統(tǒng)的空氣分離制氧方法，世界上臺深冷空分制氧機(jī)誕生于1903年，由德國人卡爾?林德發(fā)明，距今已有100多年的歷史。在二十世紀(jì)七十年代以前，深冷分離工藝在空分制氧領(lǐng)域占據(jù)**壟斷地位，并且時(shí)至今日，深冷空分工藝因具有氧氣純度高、產(chǎn)品種類多的特點(diǎn)，在大型空分制氧裝置中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。 非低溫空氣分離制氧工藝包括變壓吸附法和膜分離法，膜分離法用于空氣分離制氧目前尚不成熟，基本上未得到工業(yè)應(yīng)用。變壓吸附空分制氧技術(shù)在近二十多年來得到了快速的發(fā)展，技術(shù)日趨成熟、應(yīng)用越來越廣泛、規(guī)模越來越大，在很多應(yīng)用場合可由變壓吸附制氧裝置替代深冷分離制氧裝置，是目前非低溫空分制氧工藝的主流。
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二、變壓吸附空氣分離制氧原理
??? 氮和氧都具有四極矩，但氮的四極矩（0.31?）比氧的（0.10 ?）大得多，因此氮?dú)庠诜惺肿雍Y上的吸附能力比氧氣強(qiáng)（氮與分子篩表面離子的作用力強(qiáng)，如圖1所示）。因此，當(dāng)空氣在加壓狀態(tài)下通過裝有沸石分子篩吸附劑的吸附床時(shí)，氮?dú)獗环肿雍Y吸附，氧氣因吸附較少，在氣相中得到富集并流出吸附床，使氧氣和氮?dú)夥蛛x獲得氧氣。當(dāng)分子篩吸附氮?dú)庵两咏柡秃螅Ｖ雇諝獠⒔档臀酱驳膲毫?，分子篩吸附的氮?dú)饪梢越馕鰜?，分子篩得到再生并重復(fù)利用。兩個(gè)以上的吸附床輪流切換工作，便可連續(xù)生產(chǎn)出氧氣。

氬氣和氧氣的沸點(diǎn)接近，兩者很難分離，一起在氣相得到富集。因此變壓吸附制氧裝置通常只能獲得濃度為90%～95%的氧氣（氧的極限濃度為95.6%，其余為氬氣），與深冷空分裝置的濃度99.5%以上的氧氣相比，又稱富氧。

三、變壓吸附空氣分離制氧技術(shù)發(fā)展過程
??? 變壓吸附空分制氧工藝是二十世紀(jì)七十年代初由美國聯(lián)碳公司和德國AG公司先后開發(fā)成功，并開始在日本應(yīng)用于污泥曝氣處理和煉鋼。1975年，美國空氣與化學(xué)品公司（APCI）開發(fā)成功真空解吸流程的變壓吸附制氧工藝（VSA或VPSA），使氧氮分離效率提高并降低了制氧能耗。因此，變壓吸附制氧工藝根據(jù)解吸方式的不同可以分為兩類：PSA工藝，即在較高壓力下吸附、在常壓下解吸的工藝；VSA或VPSA工藝，即在常壓或略高于常壓下吸附、抽真空解吸的工藝。在同等制氧規(guī)模下，PSA工藝比VSA（或VPSA）工藝設(shè)備簡單、投資少，但PSA工藝制氧能耗比VSA（或VPSA）工藝高。在產(chǎn)氧規(guī)模較小時(shí)，投資占主導(dǎo)地位，PSA工藝較為合適，而在產(chǎn)氧規(guī)模較大時(shí)，電耗導(dǎo)致的運(yùn)行費(fèi)用更加重要，采用VSA或VPSA工藝更為經(jīng)濟(jì)。
縱觀二十多年來變壓吸附空分制氧技術(shù)的發(fā)展，可以說始終圍繞兩個(gè)重點(diǎn)在做文章：一是新吸附劑的開發(fā)利用，二是工藝流程的改進(jìn)和完善。新型吸附劑的應(yīng)用和工藝流程的不斷改進(jìn)，使得變壓吸附空分制氧裝置的性能指標(biāo)不斷提高、裝置規(guī)模越來越大，目前在規(guī)模為6000～10000Nm³/h以下的大多數(shù)用氧場合，變壓吸附制氧裝置因具有能耗低、投資少、操作靈活的優(yōu)勢，比采用深冷工藝的制氧裝置更為經(jīng)濟(jì)適用，競爭力日漸增強(qiáng)，因而促使深冷空分工藝也不斷改進(jìn)，形成兩者互相促進(jìn)、競相發(fā)展的局面。
1、吸附劑的發(fā)展
??? 吸附劑的性能對變壓吸附制氧裝置至關(guān)重要，其性能水平?jīng)Q定了變壓吸附制氧裝置可達(dá)到的性能極限，變壓吸附制氧技術(shù)的每一次較大發(fā)展也總是與新吸附劑的應(yīng)用相關(guān)聯(lián)。
??? 這里所說的吸附劑是指制氧裝置中用于氮氧分離的主吸附劑，其吸附氮?dú)鈨?yōu)先于氧氣。早期用于VSA制氧裝置的吸附劑為NaX型沸石（至今為止，在PSA裝置中仍使用NaX型沸石），之后CaA型沸石成為較常使用的VSA-O₂的主吸附劑（國內(nèi)直到目前仍有一些變壓吸附制氧設(shè)備制造商在使用CaA型沸石），其后改進(jìn)的吸附劑品種是CaX型沸石，而近年來在VSA制氧工藝中，LiX型沸石由于性能優(yōu)異，得到越來越多的應(yīng)用。這幾種典型VSA制氧吸附劑的性能比較見表1數(shù)據(jù)。
??? 從數(shù)據(jù)的比較上可以看出，LiX的空氣處理能力較大、氧收率較高，而同樣抽空氣量下所需的真空泵能力則低于CaX，與CaA基本一樣，說明在同等產(chǎn)氧規(guī)模下，LiX的用量較少、所需的空氣量較少（鼓風(fēng)機(jī)負(fù)荷較小）、所需抽空的氣體量和真空泵負(fù)荷較小，因而其用于變壓吸附空分制氧的性能較佳。
??? 為了降低成本和進(jìn)一步提高制氧性能，一些公司曾嘗試混合離子型的LiX（如CaLiX、SrLiX以及三價(jià)離子部分交換的LiX）用于空分制氧，申請了專利并有工業(yè)應(yīng)用，但根據(jù)國外某公司的發(fā)明專利的評價(jià)結(jié)果，仍以LiX型性能較好。
??? 注a、對于所有情況，操作條件為：在抽真空開始時(shí)，P=101.3kPa，T=25℃，YN2=0.79。抽真空結(jié)束時(shí)，P=20.3kPa，T=25℃，YN₂=1。床層空隙率=0.37。
????? b、通常稱作“13X分子篩”
????? c、通常稱作“5A分子篩”

迄今為止，變壓吸附空分制氧裝置使用的吸附劑均為沸石分子篩，其中LiX幾乎可以說是先進(jìn)的制氧吸附劑，從沸石分子篩中研發(fā)出比LiX性能優(yōu)越很多的制氧吸附劑的可能性也基本上不存在。因此，今后制氧吸附劑的研發(fā)應(yīng)別辟途徑，據(jù)稱國外某公司在研發(fā)吸氧強(qiáng)于吸氮的新型吸附劑，但至今未見工業(yè)應(yīng)用報(bào)道。

2、工藝流程開發(fā)
??? 工藝流程的先進(jìn)性對于變壓吸附制氧裝置也非常重要，決定了制氧吸附劑的利用效率、裝置的投資、長期運(yùn)行的可靠性以及制氧電耗的實(shí)際水平。因此，工藝流程開發(fā)也始終貫穿于變壓吸附空分制氧技術(shù)的發(fā)展過程。
??? 從常壓解吸流程到真空解吸流程的轉(zhuǎn)變是變壓吸附制氧技術(shù)較重要的工藝創(chuàng)新，它使得變壓吸附制氧裝置的能耗得以降低、裝置的大型化成為可能。之后的工藝流程開發(fā)均是以真空解吸為基礎(chǔ)，在簡化流程、降低能耗、降低投資和擴(kuò)大產(chǎn)氧規(guī)模方面做了種種努力。主要進(jìn)展包括：
? ▲將預(yù)處理吸附床（脫除空氣中的CO₂和H₂O）與主吸附床合二為一，即將預(yù)處理吸附劑與主吸附劑混裝于同一個(gè)床內(nèi)，使得流程大幅度簡化，也有效地降低了投資。
? ▲在操作程序中引入均壓、真空清洗、空氣進(jìn)氣、均壓和抽空同時(shí)進(jìn)行等步驟，并發(fā)展淺層吸附床（降低吸附劑堆積高度，減少床層阻力），提高了鼓風(fēng)機(jī)、真空泵利用效率和氧氣收率，降低了制氧耗耗。
? ▲在可能的情況下，采用盡量少的吸附床數(shù)量，將四床和三床流程簡化為二床甚至單床流程，同時(shí)減少了閥門數(shù)量，而且兩床和單床流程可以采用較短的操作周期，吸附劑的利用頻率提高因而降低了吸附劑用量，使投資進(jìn)一步降低。
? ▲根據(jù)工藝流程特點(diǎn)選用較適合的動(dòng)力機(jī)組，以保證裝置長期運(yùn)行可靠性并降低能耗。例如采用兩床或單床流程的裝置，由于其進(jìn)氣壓力波動(dòng)幅度大、頻率高，羅茨鼓風(fēng)機(jī)耐沖擊和流量平穩(wěn)的特性可以有效降低進(jìn)氣對吸附劑的沖擊，對于裝置的長期穩(wěn)定操作特別有利。VPSA制氧裝置吸附床的真空度同樣是頻繁大幅度波動(dòng)的，采用羅茨式真空泵比采用水環(huán)式真空泵可使解吸能耗降低20～40%，因此除國內(nèi)極個(gè)別廠家外，目前國內(nèi)外均普遍采用羅茨式真空泵作為制氧裝置的解吸動(dòng)力設(shè)備。
? ▲通過適當(dāng)提高進(jìn)氣壓力、降低解吸真空度，降低了操作壓比（吸附壓力/解吸