基于PLC控制的碳分子篩變壓吸附制氧工藝設計

王興鵬 ，朱孟府 ，鄧 橙 ，陳 平 ，苑英海 ，劉志猛

（1.天津工業(yè)大學環(huán)境與化工學院，天津 300387；2.軍事醫(yī)學科學院衛(wèi)生裝備研究所，天津 300161）

基于PLC控制的碳分子篩變壓吸附制氧工藝設計

王興鵬1，2，朱孟府1，2，鄧 橙2，陳 平2，苑英海2，劉志猛2

（1.天津工業(yè)大學環(huán)境與化工學院，天津 300387；2.軍事醫(yī)學科學院衛(wèi)生裝備研究所，天津 300161）

設計了一種碳分子篩（CMS）變壓吸附制氧工藝.以碳分子篩為吸附劑，以富氧氣體為原料氣，基于PLC控制系統(tǒng)，建立變壓吸附制氧工藝.由預處理單元、吸附單元、控制單元、動力及管路系統(tǒng)組成的變壓吸附制氧工藝可對富氧氣體中氧氣進行分離.實驗表明：所設計的基于PLC控制的CMS變壓吸附制氧工藝，實現(xiàn)了變壓吸附制氧工藝參數(shù)的在線監(jiān)測、調(diào)整與優(yōu)化，可提高產(chǎn)品氣氧氣的濃度，用于高純氧的制備.

碳分子篩；變壓吸附；制氧工藝；PLC

變壓吸附（PSA）空分制氧技術是利用空氣中氮氣、氧氣和氬氣組分在吸附劑上的吸附量、吸附速率、吸附力等方面的差異及吸附劑對氣體在不同壓力下吸附量不同的原理進行的相互分離.由于空氣中氧、氬分子的大小以及極性強弱非常接近，在沸石分子篩（ZMS）上無法實現(xiàn)兩組分的有效分離，因此，僅以ZMS作為吸附劑的一級變壓吸附過程無法直接從空氣中分離出氧濃度達到99%以上的高濃度氧氣.目前，變壓吸附制備高純氧的工藝是以兩級PSA分離法為主，對氧、氬起分離作用的吸附劑為碳分子篩（CMS）[1].CMS內(nèi)部包含有孔徑分布在0.3～0.5 nm之間的大量微孔，與ZMS的平衡吸附分離過程不同，CMS分離氧、氬過程屬于速率吸附分離過程，氧、氬分子在CMS微孔內(nèi)的傳質(zhì)速率大小是實現(xiàn)組分分離的關鍵，利用它們在CMS內(nèi)部擴散速率的差異，可以實現(xiàn)氧氬兩組分的有效分離[2-3].PLC以其可靠性高、能耗低、環(huán)境適應性好、抗干擾能力強、功能齊全及使用方便等優(yōu)點[4]，在制氧控制系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位.本文選用CMS為吸附劑，以一級ZMS變壓吸附工藝制備的富氧氣體為原料氣，對基于PLC控制的變壓吸附制氧工藝進行了設計，通過對工藝參數(shù)的實時控制與在線調(diào)節(jié)，實現(xiàn)富氧氣體中的氧、氬組分的有效分離，用于制備高純氧.

1CMS制氧工藝設計

1.1 工藝流程

CMS變壓吸附制氧流程采用Guerin-Domine五步兩床循環(huán)流程，加壓吸附，真空解吸[5].該工藝流程符合CMS吸附劑工作特性，具有結(jié)構(gòu)簡單、設備緊湊、便于控制的特點.設計的CMS變壓吸附制氧工藝流程如圖1所示.

圖1 CMS變壓吸附制氧工藝流程圖Tab.1 Flow chart of oxygen production by PSA using CMS

由圖1可見，該流程主要由預處理單元、吸附單元、動力及管路系統(tǒng)組成.預處理單元包括冷凝、干燥、緩沖；吸附單元包括吸附、解吸、沖洗；動力系統(tǒng)包括空壓機、真空泵、增壓泵；管路系統(tǒng)主要包括管件、閥門、壓力表、流量計等.富氧氣體經(jīng)過空壓機加壓后溫度升高，會影響分子篩吸附性能，因此，工藝中設計了冷凝器對富氧氣體進行溫度控制.經(jīng)冷凝器降溫后的富氧氣體進入干燥罐，罐內(nèi)填充活性Al2O3顆粒，以除去水蒸氣.由于富氧氣體進入CMS吸附罐的壓力波動較大，因此設計了緩沖罐對其進行穩(wěn)壓操作.緩沖后的氣體由氣路控制系統(tǒng)進入CMS吸附罐，通過CMS的吸附作用使原料氣中的氧氣吸附于分子篩內(nèi)，富氧氣體中的氬氣以及氮氣最終由吸附罐上端的消音器處排出，吸附的氧氣通過真空泵解吸后，貯存于氧氣儲罐內(nèi)，一部分經(jīng)增壓泵加壓后對吸附罐進行沖洗，一部分作為產(chǎn)品氣進行收集利用.

1.2 吸附罐結(jié)構(gòu)

CMS吸附罐的結(jié)構(gòu)對變壓吸附有很大影響[6].根據(jù)工藝設計要求，設計的吸附罐結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 CMS吸附罐結(jié)構(gòu)示意圖Tab.2 Schematic diagram of adsorption tank filling CMS

吸附罐總高為300 mm、內(nèi)徑為53 mm，吸附罐上下兩端均設計有分流板，中間填充CMS分子篩，下端填充活性Al2O3顆粒，CMS與活性Al2O3的質(zhì)量比為18:1.上端出氣口設計有彈簧，將分子篩顆粒壓緊，防止因填充不實而加劇分子篩的粉化，以延長分子篩壽命，提高吸附效率.富氧氣體由吸附罐底部進入，通過分流板將氣體均勻分布于罐內(nèi)，進入吸附罐內(nèi)的富氧氣體首先通過活性Al2O3層，以吸附去除可能存在的水分，然后，充分干燥后的富氧氣體進入CMS層進行吸附分離.

1.3 材料及設備

材料：CMS，型號 CMS-240，粒度為 1.2～2.0 mm，堆積密度為630～680 g/L，微孔孔徑為0.25～0.36 nm，吸附壓力為 0.7～0.8 MPa；Al2O3，粒徑為 2～3 mm，比表面積大于300 m2/g，威海華泰分子篩有限公司生產(chǎn).

設備：空壓機，型號RT-910，流量為65 L/min，壓力為0.5～0.8 MPa，淄博潤通電機有限公司生產(chǎn)；真空泵，型號JY30V-2，流量為12 L/min，真空度為82.6 kPa（620 mmHg），東莞嘉運電機有限公司生產(chǎn)；增壓泵，型號 YQCS602-12，流量為 10 L/min，壓力為 0.2 MPa，濟南賽思特流體系統(tǒng)設備有限公司生產(chǎn)；閥1—閥8，型號225B-1-1-BA，24V DC/6.0W二通常閉電磁閥；閥 9—閥 10：型號 117B-501BAAA，24V DC/6.0W分配器，美國MAC公司生產(chǎn).

1.4 主要工藝參數(shù)

在CMS變壓吸附制氧工藝中，進氣壓力、進氣流量、進氣溫度不同，吸附與解吸方式和時間差異及塔內(nèi)氣流方向不同，電磁閥的開閉順序與時間長短等均對氧氣濃度產(chǎn)生很大影響，因此準確控制工藝參數(shù)成為制備高純氧的關鍵[7-9].本工藝的主要工藝參數(shù)：進氣壓力為0.75 MPa，進氣流量為25 L/min，進氣溫度為25℃，產(chǎn)品氣流量為3 L/min，沖洗氣流量為1 L/min，通過編譯好的程序?qū)鶋簳r間、吸附時間、解吸時間、沖洗時間進行設定和監(jiān)控.

2 PLC控制系統(tǒng)設計

2.1 工藝時序

工藝時序?qū)Ξa(chǎn)生氧氣濃度有很大影響[10-12].選用歐姆龍公司的可編程控制器PC1E作為核心部分對整個工藝流程進行控制，通過開關量控制電機和電磁閥開關.通過工藝時序確定每步時序的控制時間，達到維持氣路通斷、電機啟停的目的，從而使整個工藝流程有序正常運行.工藝時序圖如圖3所示.

圖3中：T1代表A、B兩罐均壓時間；T2代表B罐排氮時間；T3代表B罐解吸以及A罐充壓時間；T4代表A罐吸附時間；T5代表B罐沖洗時間；T6代表A、B兩罐均壓時間；T7代表A罐排氮時間；T8代表A罐解吸以及B罐充壓時間；T9代表B罐吸附時間；T10代表A罐沖洗時間.具體操作步驟為：

步驟1：閥3、閥6同時開啟，A、B罐均壓操作；

步驟2：閥9開啟，B罐進行排氮操作；

步驟3：閥6、閥7同時開啟，真空泵對B罐進行解吸，同時閥1、閥9開啟，空壓機對A罐進行充壓操作；

步驟4：閥1、閥9繼續(xù)開啟，A罐內(nèi)分子篩進行吸附操作；

步驟5：閥5開啟，閥10關閉，增壓泵對B罐進行沖洗，同時閥8開啟，管路內(nèi)壓力降低，為空壓機啟動做準備；

步驟6：閥3、閥6開啟，A、B罐再次進行均壓操作；

圖3 工藝時序圖Tab.3 Timing diagram of solenoid valve and pump

步驟7：閥10開啟，A罐排氮；

步驟8：閥3、閥6同時開啟，啟動真空泵對A罐進行解吸，同時閥4、閥10打開，啟動空壓機對B罐進行充壓操作；

步驟9：閥4、閥10繼續(xù)開啟，B罐內(nèi)分子篩進行吸附操作；

步驟10：閥2開啟，閥9關閉，增壓泵對A罐進行沖洗，同時閥8開啟，管路壓力降低，為空壓機啟動做好準備.

按此操作步驟對A、B罐進行循環(huán)操作，電磁閥與電機工作狀態(tài)如表1.

表1 電磁閥及電機工作狀態(tài)Tab.1 Work status of solenoid valves and pump in process flow

2.2 PLC程序

采用CX-Programmer軟件對PLC進行編程、設定，按確定的時序進行程序編譯，通過專用USB通訊電纜將其由PC機下載到PLC中，實現(xiàn)PC機對工藝進行精準控制及整個制氧過程的在線監(jiān)控，并隨時對各時間參數(shù)進行調(diào)整.PLC控制流程圖如圖4所示.

圖4 PLC控制流程圖Tab.4 Chart of PLC control flow

3 結(jié)束語

依據(jù)分子篩動態(tài)吸附機理，以富氧氣體作為原料氣，以CMS為吸附劑，建立了CMS變壓吸附制氧工藝流程；運用PLC控制系統(tǒng)設計了電磁閥及電機的開閉時序，可保證制氧工藝的正常運行，并實現(xiàn)工藝參數(shù)的在線監(jiān)測、調(diào)整與優(yōu)化，為CMS制氧工藝的優(yōu)化設計以及進一步開展變壓吸附高純氧制備工藝技術研究提供了依據(jù).

[1]李軍，盧英華.化工分離前沿[M].廈門：廈門大學出版社，2011：40-41.

[2]蔚龍，李化治.兩種PSA制純氧工藝過程的探討[J].低溫與特氣，2004，22（4）：14-16.

[3]崔紅社，劉應書，劉文海，等.碳分子篩分離氧氬過程的實驗研究[J].北京科技大學學報，2005，27（4）：493-496.

[4]劉新星，趙連玉，陳平，等.急救車氧氣灌充系統(tǒng)設計[J].軍事醫(yī)學，2012，36（11）：858-861.

[5]張陽，王湛，紀樹蘭，等.富氧技術及其應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005：88-105.

[6]張輝，劉應書，劉文海，等.變壓吸附制氧機吸附器結(jié)構(gòu)研究進展[J].化工進展，2007，26（11）：1602-1609.

[7]KIM Min-Bae，JEE Jeong-Geun，BAE Youn-Sang，et al.Parametric study of pressure swing adsorption process to purify oxygen using carbon molecular sieve[J].Ind Eng Chem Res，2005，44（18）：7208-7217.

[8]JEE Jeong-Geun，KIM Min-Bae，LEE Chang-Ha.Pressure swing adsorption processes to purify oxygen using a carbon molecular sieve[J].Chem Eng，2005，60（3）：869-882.

[9]JIN Xu，MALEK A，F(xiàn)AROOQ S.Production of argon from an oxygen-argon mixture by pressure swing adsorption[J].Ind Eng Chem Res，2006，45（16）：5775-5787.

[10]樂愷，余謙虛，劉應書，等.基于PLC的變壓吸附制高純氧系統(tǒng)[J].北京科技大學學報，2003，25（2）：185-188.

[11]寧青松，朱孟府，陳平，等.基于C8051F的小型變壓吸附制氧機控制系統(tǒng)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2011，32（10）：169-171.

[12]陳平，朱孟府，寧青松，等.PSA-10A型制氧機的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2011，32（10）：200-201.

Process design of oxygen production by PSA using CMS based on PLC

WANG Xing-peng1，2，ZHU Meng-fu1，2，DENG Cheng2，CHEN Ping2，YUAN Ying-hai2，LIU Zhi-meng2
（1.School of Environment and Chemical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Institute of Medical Equipment，Academy of Military Medical Sciences，Tianjin 300161，China）

The process for oxygen production by PSA using a carbon molecular sieve （CMS） is designed.The PSA oxygen process is established based on CMS as an adsorbent，oxygen-rich as a raw material gas and PLC control system.The oxygen process， including pre-processing unit， adsorption unit， control unit， power and pipeline systems，could separate oxygen out from the oxygen-enriched gas well.The oxygen generating process based on PSA using CMS and the PLC control system could achieve the on-line monitoring and adjustment of PSA process parameters to improve the product gas concentration for the preparation of high purity oxygen.

carbon molecular sieve（CMS）；pressure swing adsorption（PSA）；process of oxygen production；PLC

TQ116.14；TQ028.15

A

1671-024X（2014）03-0040-04

2013-09-09

國家科技支撐計劃資助項目（2012BAI20B01）

王興鵬（1987—），男，碩士研究生.

朱孟府（1965—）,男，博士，研究員，碩士生導師.E-mail:zmf323@163.com