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本文提出了一种新型紧凑结构四塔变压吸附空分制氧装置,每个吸附塔由具有片状构型的基本单元(称作“塔片”)组成,塔片的正面形状为圆形,塔片尺寸为Φ88×10×10mm。整个装置由四个这样的塔片上下叠放在一起,用法兰盖压紧密封而成。实验中以 5A 沸石分子筛为吸附剂,采用六步吸附工艺,即每个塔片都经历吸附、均压、逆向放空、逆向冲洗、均压和充压步骤。首先测定了在吸附压力0.6MPa,原料气流量分别为 110.58Sccm、163.62Sccm、216.66Sccm、269.70Sccm、322.74Sccm、375.78Sccm、428.82Sccm 条件下塔片的穿透曲线以及在原料气流量 216.66Sccm,吸附压力分别为 0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa 条件下塔片的穿透曲线,由此确定本装置最佳的吸附压力为 0.6MPa,最佳原料气流量为 269.7Sccm。其次分析了氧气浓度和回收率的影响因素,考察了环境温度对氧气浓度、回收率、单位质量吸附剂产氧量以及体系能耗的影响,指出环境温度对氧气的浓度、回收率、单位质量吸附剂产氧量和体系能耗影响比较大,由此规定实验温度为 18.5℃。然后在室温 18.5℃下,分别研究了进气口均压和出气口均压方式下吸附时间、均压时间、冲洗时间、冲洗气总量以及充压时间等各时间参数对氧气浓度和回收率的影响,结果表明,不管采用哪种均压方式,最优时间参数都一样,即均压时间为 5s、放空时间为 30s、冲洗气量比为 0.1、冲洗时间为 6s、充压时间随吸附时间变化,但需要满足一定关系式。在时间参数最优值下,对比了这两种均压方式下氧气的浓度和回收率,证明出气口均压方式优于进气口均压方式。最后在室温 18.5℃和最佳操作时序下,测量了不同吸附压力和吸附时间所对应的氧气的浓度、回收率、单位质量吸附剂的产氧量和体系能耗,得到的结果是氧气浓度为 40%～70%,回收率为 15%～30%,单位质量吸附 剂 产 氧 量 为 28.78 ～ 56.55 NL/[h kg(adsorbent)] , 能 耗 值 为 0.862 ～1.97kwh/(Nm3O2)。这些证明了本文设计的这种紧凑结构变压吸附空分制氧装置是可行的,为设计一种小型高能效制氧机提供了依据,这种制氧机可适用于燃料汽车、家庭用氧和国防建设。