1.1 制氧机的发展简史

制氧机是以空气做原料，生产氧气（或液氧）、氮气（或液氮）和氩、氖-氦、氪-氙等混合气体的一种成套设备。在一般情况下，由于空气分离设备多用来生产氧气，故人们习惯地称“制氧机”。

世界上最早生产制氧机的国家是德国和法国。

1901年，德国的林德公司在慕尼黑市建立低温设备制造车间，并在1903年生产出第一台10m3/h制氧机。

1902年，法国在巴黎建立空气液化公司，继德国之后，于1910年开始生产制氧机。

在三十年代以前，基本上只有德国和法国能生产制氧机。当时制氧机主要只能满足焊接、切割用氧及化工所需的制氮设备。生产的制氧机为主要为中、小型，其容量为2m3/h~600m3/h，品种约200种。采用的制氧机流程为高压和中压流程。

1930~1950年，除德国、法国，尚有苏联、日本、美国、英国等国家也开始生产制氧机。在此期间，随着生产的发展，制氧机使用领域不断扩大，促进了大型制氧机的发展。由于大型制氧机每生产1m3氧气所需电力、金属材料都比中、小型底，故1930~1950年间，大型制氧机的品种增加较多，如西德的5000m3/h，苏联的3600m3/h，日本的3000m3/h等大型设备。当时所用的流程，除高、中压外，开始采用高低压流程。由于大型制氧机可制取廉价的氧气，从而在冶金和合成氨工业中得到应用。1932年，德国第一次把制氧机用于冶金和合成氨工业。

1950年以后，除上述国家生产制氧机以外，还有中国、捷克、东德、匈牙利、意大利等（中国发展较晚，且都为深冷法）。

由于钢铁工业、氮肥工业、火箭技术的发展，氧、氮耗量迅猛增加，促使制氧机向大型化发展。1957年起，10000m3/h制氧机相继问世。1967年起，据不 完全统计，20000m3/h以上的大型制氧机不断出现，达87套之多，最大机组为50000m3/h，更大型的机组正在研制中。

20多年来，产品品种迅速增加，并逐步形成了系列，如西德林德公司大型制氧机有1000~40000m3/h典型产品；日本神钢有OF系列；日本日立制作所有TO型；日本氧气公司有NR型；英国全低压有50~1500吨/天系列产品等。同时，大型制氧机基本上采用全低压流程。

总之，制氧机的发展是一个不段完善的过程，设备由小型、中型向大型发展；流程由高压（200大气压）、中压（50大气压）、高低压向全低压（6大气压）方向发展，从而使制氧机的单位电耗、金属材料消耗降低，运转周期不断延长。

制氧机的发展情况如下：

1891年，德国林德公司在冷冻机械制造公司的实验室开始空气液化工作。

1895年，林德教授利用焦耳--汤姆逊效应制成第一台液体空气装置。

1901年，林德公司在慕尼黑市建立低温设备制造车间。

1902年，林德设计的第一台单级精馏塔的空分设备制成。法国克劳特发明了膨胀机，在巴黎建立空气液化公司。

1903年，林德公司制成第一台工业性10m3/h的制氧机，采用高压节流的高压流程。

1910年，法国制成第一台采用中压带活塞膨胀机的中压流程的50m3/h制氧机。

1920年，德国海兰特发明了可生产液氧的高压带膨胀机的高压流程。

1924年，法兰克尔建议在大型空分设备是采用金属填料的蓄冷器代替一般的热交换器。

1926年，法兰克尔提出普通形式蓄冷器。

1930年，林德公司制成第一台工业规模的林德--法兰克尔装置，产量为255m3/h，纯度为99.5%O2 。

1932年，透平膨胀机第一次应用于林德--法兰克尔装置上。德国第一次在冶金和合成氨工业中用氧。

1939年，苏联创造了高效率的透平膨胀机，并开始研究全低压空分设备。

1947年，林德公司致力于全底压工业氧制造设备。苏联开始设计全低压流程的大型工业氧装置。

1949年，美国第一次在29000m3/h制氧机上应用板翘式换热器。

1952年，奥地利首先使用纯氧顶吹转炉炼钢，促使冶金用氧剧增。

1955年，美国大力发展导弹，消耗大量液氧作为助燃剂。

1957年，第一台自动操作的120吨/天制氧机制成。

1960年，日本完成了10000m3/h99.6%O2和10000m3/h99.99%N2的双高纯度的大型全低压设备。

1972年，法国制成世界上最大容量的纯氧空分设备：1700吨/天O2和1500吨/天N2 。

目前正在研究更大型的机组。

1-2 变压吸附制样的发展历史

变压吸附分离技术被发明以来，广泛地应用于气体混合物的分离精制。

首先，1958 年，Skarstorm 申请专利并应用此技术分离空气。同时，Gerin de Montgareuil 和Domine 也在法国申请专利。两者的差别是，Skarstorm 循环在床层吸附饱和后，用部分低压的轻产品组分冲洗解吸，而Gerin-Domine 循环采用抽真空的办法解吸。

1960 年大型变压吸附法空气分离的工业化装置建成。

1961 年用变压吸附分离工艺从石脑油中回收高纯度的正构烷溶剂，并命名为Isosiv 过程，1964年完善了从煤油馏分中回收正构烷烃的工艺。

1966 年利用变压吸附技术提氢的四塔流程装置建成，20 世纪70 年代后采用四塔以上的多塔操作，并向大规模、大型化发展。

1970 年又建成分离和回收氧的工业化装置，用于环保工业污水处理生化的需要。同时被广泛用于从石脑油中提取正构烷烃，再经异构化，将异构化产物加入汽油馏分中，以提高其辛烷的Hysomer过程。

1975 年试制成医用富氧浓缩器，1976 年开发了用碳分子筛变压吸附制氮的工艺并工业化，随后采用5A沸石分子筛抽真空制氮工艺。到1983年德国推出性能优良的制氮用碳分子筛。到1979年为止，约有一半的空气干燥器采用Skarstrom 的变压吸附工艺。变压吸附用于空气或工业气体的干燥比变温吸附更为有效。1980年开发了快速变压吸附工艺（又称为参数泵变压吸附）。

从20 世纪90年代起，由于电能紧张，变压吸附制氧又在炼钢等领域占有了一席之地。

1-2-1 我国对变压吸附制氧技术的研究

我国对变压吸附制氧技术的开发起步较早，从1966年开始研究沸石分子筛分离空气制氧技术；20世纪70年代PSA分离空气制氧在钢铁、冶炼和玻璃窑等工业领域已经得到了广泛的应用。20多年来，由于技术力量分散，相互之间缺少联络，我国的变压吸附制氧技术发展缓慢，同国外的差距越来越大。20世纪70年代是我国PSA分离空气制氧技术发展的鼎盛时期，全国有十几个单位相继开展了变压吸附制氧技术的实验研究，建立了数套工业试验设备。这个时期开发的变压吸附制氧设备的共同点有以下几个方面：

（1）大多采用高于大气压吸附、常压解吸流程，吸附塔有两个到四个；

（2）空气进入吸附塔前，经过脱水预处理；

（3）设备可靠性差，不能连续稳定运行，导致大部分设备报废；

（4）技术、经济指标落后。

20世纪80年代，原来从事变压吸附制氧装备研制单位的开发项目相继中止，我国变压吸附制氧技术的开发再次进入低谷。

1995年，昆山锦沪机械有限公司在河南洛阳钢铁厂建成VSAO 1000Nm3/h制氧机，标志着变压吸附在我国正式进入工业领域，也标志着变压吸附在我国进入高速发展时期。

20世纪90年代是我国变压吸附制氧技术突飞猛进向前发展的时期，变压吸附制氧技术逐渐成熟，有些产品的综合技术经济指标已经接近国外先进水平。多年的实践表明，我国变压吸附制氧技术已经走出实验室步入实用化阶段。在近十年内，通过不断地技术更新和研究开发，我国变压吸附制氧技术日新月异，发展迅速，与世界先进水平之间的差距正在不断缩小。但从整体水平上看，我国在很多方面与国际先进水平仍有一定的差距。如在新型高性能的吸附剂的研究，吸附流程的改进，理论分析研究和数学模型的建立，质量监控与自动化控制等许多方面。

2.1工艺介绍

变压吸附真空解吸制氧机(简称VPSA制氧机)，即穿透大气压 的条件下，利用VPSA专用分子筛选择性吸附空气中的氮气、二氧化碳和水等杂质，在抽真空的条件下对分子筛进行解吸，从而循环制得纯度较高的氧气(90~94%)。VPSA能耗较低,设备越大其能耗越低。

◇ 工艺说明

变压吸附制氧机主要由鼓风机、真空泵、切换阀、吸附器和氧气平衡罐组成。原料空气经吸入口过滤器除掉灰尘颗粒后,被罗茨鼓风机增压至0.3-0.5barg而进入其中一只吸附器内。吸附器内装填吸附剂,其中水分、二氧化碳、及少量其它气体组分在吸附器入口处被装填于底部的活性氧化铝所吸附,随后氮气被装填于活性氧化铝上部的沸石分子筛所吸附。而氧气(包括氩气)为非吸附组分从吸附器顶部出口处作为产品气排至氧气平衡罐。

当该吸附器吸附到一定程度,其中的吸附剂将达到饱和状态,此时通过切换阀利用真空泵对之进行抽真空(与吸附方向相反),真空度为0.65-0.75barg。已吸附的水分、二氧化碳、氮气及少量其它气体组分被抽出并排至大气,吸附剂得到再生。

变压吸附制氧机的每个吸附器都交替执行以下步骤:

---吸附---解吸---冲压

上述三个基本的工艺步骤由PLC和切换阀系统来实现自动控制。

◇ 工艺特点

1、 能耗比较低。产氧量越大，能耗也降低。

2、 维护成本低，动设备为罗茨鼓风机和罗茨真空泵，因其工作原理都为容积式，无油，极易维护。

3、 整套设备的自动化程度高，动设备与制氧机是同步控制，只需按一下启动按钮，整套设备即可正常运行。

4、适合于中大型产量。