1引言
变压吸附（Pressure swing adsorption ，简写为PSA）被广泛应用于生产医用保健的微型制氧机。经过最近几十年来的技术进步和市场发展，微型PSA制氧机得到了极大发展。现有微型PSA 制氧机绝大多数都采用Skarstorm 循环，其特点是一塔加压吸附，另一塔同时减压解吸。部分富氧气体以逆流方向通入第二个吸附塔（反吹），以进一步除去上一次循环吸附的氮气。
影响制氧机性能的因素主要有三个方面：吸附剂的性能、工艺流程以及环境参数。有关文献对吸附剂和工艺流程的影响进行了数学模拟和实验研究，本文主要探究采用不同分子筛灌装工艺，制氧机在湿热环境工作时产品气浓度的变化情况，从而为改进分子筛灌装工艺、提高装置的性能提供技术上的支持和方向上的指导。
2实验研究
2.1湿热环境对变压吸附过程影响的机理
变压吸附制氧原理是利用沸石分子筛对空气中氧气氮气的吸附性不同，选择吸附空气中氮气和吸附氮气的能力随氮气分压提高而增大的特性，通过改变吸附操作压力，实现在较高压力下吸附，降低压力使其解吸，达到分离空气中氧、氮的目的。吸附是一个放热过程，而解吸是一个吸热过程，这样在变压吸附过程中，分子筛床层的温度会产生一定程度的波动。有关研究表明，对于床层直径较小的吸附分离过程，温度变化较小，可以近似认为是一个等温操作过程；而对于工业上的大型吸附装置，由于其近似一个绝热操作过程，必须考虑温度随床层和时间的变化。因此对于微型变压吸附过程而言，原料气的温度直接影响吸附和解吸过程中床层的操作温度。而在不同温度下，沸石分子筛吸附等温线的斜率是不一样的。温度增加，吸附等温线斜率减小，相应的饱和吸附量也随之减少。在同样的吸附和解吸压力情况下，实际变压吸附量的差值变小。这样原料气的温度变化就会对微型PSA 制氧系统的产品气量以及产品气浓度产生影响。
制氧用的沸石分子筛是一种强极性吸附剂，对空气中的极性分子，例如水分子和二氧化碳分子具有极强的吸附能力，而且一旦吸附了强极性分子，就很难彻底解吸。研究不同分子筛灌装工艺，制氧机在湿热环境的制氧性能变化，对确定吸附剂的用量以及其适用的环境具有十分重要的意义。
2.2实验内容及方法
实验平台采用典型两塔制氧流程的5升PSA分子筛制氧机，实验平台的分子筛根据产品气流量，按照灌装量工程经验推荐的上限、下限和进气端状态活性氧化铝分为三种不同灌装工艺，如图1。为减少实验平台对湿热环境的扰动，选择在约25平方米的房间内，通过两台中型工业加湿器（加湿量6L/h）为房间内加湿，并采用温湿度计，监测房间内温湿度数据，实验平台及实验环境示意如图2。
图1 三种分子筛灌装工艺示意图
图2 实验平台及实验环境示意图
实验的主要内容是考察产品气流量和浓度随分子筛灌装工艺的变化情况。
在温度15℃～25℃，湿度＜40%的环境中，灌装并测量每个分子筛塔组件重量和分子筛净重，调试出3种灌装工艺的初始制氧性能；自然环境温度，湿度90%±5%的环境条件每天工作10小时，每天在开机0.5小时和关机前采用智能氧分析仪CY688L和质量流量计PRTG-FS-02-0020测试2次制氧性能。
在实验过程中为避免试验测试过程所造成的实验误差，采用多次测试求平均值的方法处理数据，为了控制试验变量，实验中将产品气流量固定。实验平台参数见表1。
表1 试验平台参数
3结果及分析
不同灌装工艺下，制氧机在干燥环境（35%，26℃）的制氧性能见表2。
表2 不同灌装工艺初始性能.
图3为在相同温度条件下，产品气浓度与原料气湿度的关系曲线。从图中可以看出，产品气的氧浓度随原料气湿度的增加逐渐降低。其中灌装工艺C，进气湿度增加到一定值时，产品气浓度下降幅度增加很快达到3.39%，灌装工艺A的下降幅度则较缓慢，仅为0.52%。
其原因是，当含有水蒸气的空气进入吸附剂床层时，由于水分子是强极性分子，其首先被吸附塔前端的分子筛吸附，形成“吸附死区”，灌装工艺C的灌装量较小，随着原料气湿度增加，“吸附死区”增加，从而导致产品气浓度下降幅度迅速增加，而灌装工艺A，灌装量的增加，弥补了“吸附死区”对产品气浓度的大部分影响，仍有0.52%的下降，其原因是床层解吸再生时，吸附塔前端的分子筛得到部分再生，但仍然还有一部分水分子不能解吸，造成产品气浓度略有下降。
灌装工艺B产品气浓度下降1.18%，相对于灌装工艺C的3.39%，低了2.21%，同样的分子筛灌装量，产品气浓度下降有了明显的降低，其原因是活性氧化铝具有较强的吸水性，在分子筛塔进气端首先吸附水分，后端的分子筛充分被用于分离氧气所致。灌装工艺B相对于灌装工艺C，产品气浓度下降高了0.66%，原因一，灌装工艺B分子筛塔前端的活性氧化铝其极性弱于锂型分子筛，即锂型分子筛的吸水能力更强，为后端的分子筛提供更干燥的产品气，制氧能力更强，氧浓度更高；原因二，灌装工艺A全部是锂型分子筛，其产氧率高于灌装工艺B，制氧能力更强，氧浓度更高。
在达到一定的分子筛灌装量下，原料气的湿度变化对产品气的浓度影响不明显，但从长久运行的角度看，空气中的水分对吸附塔中的分子筛还是十分有害的，因为原料气的高湿度会使吸附剂床层逐渐失效，从而降低设备的使用寿命。
图3原料气湿度对分子筛制氧机产品气浓度的影响
图4中，由于水分子是强极性分子，故其首先被吸附床前端的分子筛吸附；而床层解吸再生时，随着水蒸气分压降低，吸附床前端的分子筛得到部分再生，但仍然还有一部分水分子不能解吸。下一次吸附时，空气中的水分子还是首先被吸附床前端的分子筛吸附，所以空气中的水蒸气在短时间内几乎不能对后面的床层造成影响。因此原料气的湿度变化对产品气的浓度影响不大，但从长久运行的角度看，空气中的水分对吸附床中的分子筛还是十分有害的，因为原料气的高湿度会使吸附剂床层逐渐失效，从而降低设备的使用寿命。
图4 实验平台在湿热环境工作23天氧浓度的影响
4结论
(1) 微型PSA制氧机产品气流量一定时，分子筛灌装量按照推荐值上限、下限、进气端增加活性氧化铝，在干燥的环境中短时间工作，产品气氧浓度差异较小；
(2) 微型PSA制氧机产品气氧浓度随分子筛灌装量增加，受湿热的影响程度越小，且在湿热环境的制氧性能寿命更长；
(3) 相同分子筛灌装量，在分子筛塔前端装填一定量的活性氧化铝，其产品气氧浓度受湿热的影响程度小于不装填的状态，且在湿热环境的制氧性能寿命更长。
参考文献
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