基于PLC控制的碳分子筛变压吸附制氧工艺设计

王兴鹏 ，朱孟府 ，邓 橙 ，陈 平 ，苑英海 ，刘志猛

（1.天津工业大学环境与化工学院，天津 300387；2.军事医学科学院卫生装备研究所，天津 300161）

基于PLC控制的碳分子筛变压吸附制氧工艺设计

王兴鹏1，2，朱孟府1，2，邓 橙2，陈 平2，苑英海2，刘志猛2

（1.天津工业大学环境与化工学院，天津 300387；2.军事医学科学院卫生装备研究所，天津 300161）

设计了一种碳分子筛（CMS）变压吸附制氧工艺.以碳分子筛为吸附剂，以富氧气体为原料气，基于PLC控制系统，建立变压吸附制氧工艺.由预处理单元、吸附单元、控制单元、动力及管路系统组成的变压吸附制氧工艺可对富氧气体中氧气进行分离.实验表明：所设计的基于PLC控制的CMS变压吸附制氧工艺，实现了变压吸附制氧工艺参数的在线监测、调整与优化，可提高产品气氧气的浓度，用于高纯氧的制备.

碳分子筛；变压吸附；制氧工艺；PLC

变压吸附（PSA）空分制氧技术是利用空气中氮气、氧气和氩气组分在吸附剂上的吸附量、吸附速率、吸附力等方面的差异及吸附剂对气体在不同压力下吸附量不同的原理进行的相互分离.由于空气中氧、氩分子的大小以及极性强弱非常接近，在沸石分子筛（ZMS）上无法实现两组分的有效分离，因此，仅以ZMS作为吸附剂的一级变压吸附过程无法直接从空气中分离出氧浓度达到99%以上的高浓度氧气.目前，变压吸附制备高纯氧的工艺是以两级PSA分离法为主，对氧、氩起分离作用的吸附剂为碳分子筛（CMS）[1].CMS内部包含有孔径分布在0.3～0.5 nm之间的大量微孔，与ZMS的平衡吸附分离过程不同，CMS分离氧、氩过程属于速率吸附分离过程，氧、氩分子在CMS微孔内的传质速率大小是实现组分分离的关键，利用它们在CMS内部扩散速率的差异，可以实现氧氩两组分的有效分离[2-3].PLC以其可靠性高、能耗低、环境适应性好、抗干扰能力强、功能齐全及使用方便等优点[4]，在制氧控制系统中占据着重要地位.本文选用CMS为吸附剂，以一级ZMS变压吸附工艺制备的富氧气体为原料气，对基于PLC控制的变压吸附制氧工艺进行了设计，通过对工艺参数的实时控制与在线调节，实现富氧气体中的氧、氩组分的有效分离，用于制备高纯氧.

1CMS制氧工艺设计

1.1 工艺流程

CMS变压吸附制氧流程采用Guerin-Domine五步两床循环流程，加压吸附，真空解吸[5].该工艺流程符合CMS吸附剂工作特性，具有结构简单、设备紧凑、便于控制的特点.设计的CMS变压吸附制氧工艺流程如图1所示.

图1 CMS变压吸附制氧工艺流程图Tab.1 Flow chart of oxygen production by PSA using CMS

由图1可见，该流程主要由预处理单元、吸附单元、动力及管路系统组成.预处理单元包括冷凝、干燥、缓冲；吸附单元包括吸附、解吸、冲洗；动力系统包括空压机、真空泵、增压泵；管路系统主要包括管件、阀门、压力表、流量计等.富氧气体经过空压机加压后温度升高，会影响分子筛吸附性能，因此，工艺中设计了冷凝器对富氧气体进行温度控制.经冷凝器降温后的富氧气体进入干燥罐，罐内填充活性Al2O3颗粒，以除去水蒸气.由于富氧气体进入CMS吸附罐的压力波动较大，因此设计了缓冲罐对其进行稳压操作.缓冲后的气体由气路控制系统进入CMS吸附罐，通过CMS的吸附作用使原料气中的氧气吸附于分子筛内，富氧气体中的氩气以及氮气最终由吸附罐上端的消音器处排出，吸附的氧气通过真空泵解吸后，贮存于氧气储罐内，一部分经增压泵加压后对吸附罐进行冲洗，一部分作为产品气进行收集利用.

1.2 吸附罐结构

CMS吸附罐的结构对变压吸附有很大影响[6].根据工艺设计要求，设计的吸附罐结构如图2所示.

图2 CMS吸附罐结构示意图Tab.2 Schematic diagram of adsorption tank filling CMS

吸附罐总高为300 mm、内径为53 mm，吸附罐上下两端均设计有分流板，中间填充CMS分子筛，下端填充活性Al2O3颗粒，CMS与活性Al2O3的质量比为18:1.上端出气口设计有弹簧，将分子筛颗粒压紧，防止因填充不实而加剧分子筛的粉化，以延长分子筛寿命，提高吸附效率.富氧气体由吸附罐底部进入，通过分流板将气体均匀分布于罐内，进入吸附罐内的富氧气体首先通过活性Al2O3层，以吸附去除可能存在的水分，然后，充分干燥后的富氧气体进入CMS层进行吸附分离.

1.3 材料及设备

材料：CMS，型号 CMS-240，粒度为 1.2～2.0 mm，堆积密度为630～680 g/L，微孔孔径为0.25～0.36 nm，吸附压力为 0.7～0.8 MPa；Al2O3，粒径为 2～3 mm，比表面积大于300 m2/g，威海华泰分子筛有限公司生产.

设备：空压机，型号RT-910，流量为65 L/min，压力为0.5～0.8 MPa，淄博润通电机有限公司生产；真空泵，型号JY30V-2，流量为12 L/min，真空度为82.6 kPa（620 mmHg），东莞嘉运电机有限公司生产；增压泵，型号 YQCS602-12，流量为 10 L/min，压力为 0.2 MPa，济南赛思特流体系统设备有限公司生产；阀1—阀8，型号225B-1-1-BA，24V DC/6.0W二通常闭电磁阀；阀 9—阀 10：型号 117B-501BAAA，24V DC/6.0W分配器，美国MAC公司生产.

1.4 主要工艺参数

在CMS变压吸附制氧工艺中，进气压力、进气流量、进气温度不同，吸附与解吸方式和时间差异及塔内气流方向不同，电磁阀的开闭顺序与时间长短等均对氧气浓度产生很大影响，因此准确控制工艺参数成为制备高纯氧的关键[7-9].本工艺的主要工艺参数：进气压力为0.75 MPa，进气流量为25 L/min，进气温度为25℃，产品气流量为3 L/min，冲洗气流量为1 L/min，通过编译好的程序对均压时间、吸附时间、解吸时间、冲洗时间进行设定和监控.

2 PLC控制系统设计

2.1 工艺时序

工艺时序对产生氧气浓度有很大影响[10-12].选用欧姆龙公司的可编程控制器PC1E作为核心部分对整个工艺流程进行控制，通过开关量控制电机和电磁阀开关.通过工艺时序确定每步时序的控制时间，达到维持气路通断、电机启停的目的，从而使整个工艺流程有序正常运行.工艺时序图如图3所示.

图3中：T1代表A、B两罐均压时间；T2代表B罐排氮时间；T3代表B罐解吸以及A罐充压时间；T4代表A罐吸附时间；T5代表B罐冲洗时间；T6代表A、B两罐均压时间；T7代表A罐排氮时间；T8代表A罐解吸以及B罐充压时间；T9代表B罐吸附时间；T10代表A罐冲洗时间.具体操作步骤为：

步骤1：阀3、阀6同时开启，A、B罐均压操作；

步骤2：阀9开启，B罐进行排氮操作；

步骤3：阀6、阀7同时开启，真空泵对B罐进行解吸，同时阀1、阀9开启，空压机对A罐进行充压操作；

步骤4：阀1、阀9继续开启，A罐内分子筛进行吸附操作；

步骤5：阀5开启，阀10关闭，增压泵对B罐进行冲洗，同时阀8开启，管路内压力降低，为空压机启动做准备；

步骤6：阀3、阀6开启，A、B罐再次进行均压操作；

图3 工艺时序图Tab.3 Timing diagram of solenoid valve and pump

步骤7：阀10开启，A罐排氮；

步骤8：阀3、阀6同时开启，启动真空泵对A罐进行解吸，同时阀4、阀10打开，启动空压机对B罐进行充压操作；

步骤9：阀4、阀10继续开启，B罐内分子筛进行吸附操作；

步骤10：阀2开启，阀9关闭，增压泵对A罐进行冲洗，同时阀8开启，管路压力降低，为空压机启动做好准备.

按此操作步骤对A、B罐进行循环操作，电磁阀与电机工作状态如表1.

表1 电磁阀及电机工作状态Tab.1 Work status of solenoid valves and pump in process flow

2.2 PLC程序

采用CX-Programmer软件对PLC进行编程、设定，按确定的时序进行程序编译，通过专用USB通讯电缆将其由PC机下载到PLC中，实现PC机对工艺进行精准控制及整个制氧过程的在线监控，并随时对各时间参数进行调整.PLC控制流程图如图4所示.

图4 PLC控制流程图Tab.4 Chart of PLC control flow

3 结束语

依据分子筛动态吸附机理，以富氧气体作为原料气，以CMS为吸附剂，建立了CMS变压吸附制氧工艺流程；运用PLC控制系统设计了电磁阀及电机的开闭时序，可保证制氧工艺的正常运行，并实现工艺参数的在线监测、调整与优化，为CMS制氧工艺的优化设计以及进一步开展变压吸附高纯氧制备工艺技术研究提供了依据.

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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

国家科技支撑计划资助项目（2012BAI20B01）

王兴鹏（1987—），男，硕士研究生.

朱孟府（1965—）,男，博士，研究员，硕士生导师.E-mail:zmf323@163.com