变压吸附空分制氧工艺技术应用与发展研究

引言：空分制氧工艺技术在现代工业发展中，提供了工艺支持和保障，变压吸附制氧技术在工业发展驱动下，技术水平也持续提升。通过变压吸附，在压力作用下，实现气体分离，在具体的应用场景中，发挥了重要的技术作用。为此，本课题有必要就变压吸附空分制氧工艺技术应用与发展展开深入的研究。

1 制氧吸附剂

制氧吸附剂的使用，会影响变压吸附制氧装置的产氧能力和氧气纯度，与单位耗能也密切相关。早期制氧装置使用的吸附剂，对氧分子作用较弱，对氮分子虽然有较高的作用力，但是选择性较差，无法达到理想的吸附容量。试验发现，NaX 型分子筛对氮分子的吸附容量较高，有研究指出，Lix 型分子筛比 NaX 型分子筛的吸附容量更高，在相同工况下，Lix 型分子筛氧吸收率超过了 60% 以上 [1]。诸多的学者积极参与到制氧吸附剂相关的研究中，一定程度上解决了相关技术局限性问题。最近几年，国产锂基吸附剂广泛应用在变压吸附制氧装置中，大大提升了装置性能，制氧技术水平也显著提升，为装置工艺流程持续改进也提供了助力。

2 制氧吸附塔

制氧吸附塔类型比较多，轴向吸附塔结构简单，方便制氧操作，但是制氧量较小，气流分布不均，单位能耗相对较高。卧式吸附塔气体处理能力强，但是也存在气流分布不均的问题，整体的生产效率较低，无法满足制氧纯度需求。径向吸附塔横截面积大，压降小，吸附效率高，能耗低，可以规避气流偏离等问题。径向吸附塔制氧装置能耗比轴向吸附塔低 15% 左右，在制氧过程中，能够促使空气与分子筛充分接触 [2]。并且，径向吸附塔比其他类型的吸附塔占地面积更小，能够适应不同规模的制氧加工需求。

3 变压吸附空分制氧工艺技术分析

变压吸附空分制氧工艺技术的实现，主要是依托分子筛，对氮气、氧气进行选择性的吸附，技术应用过程中，随着压力变化，促使空气分离。变压吸附空分制氧工艺技术应用，无需特定的低温条件，装置可快速启动，方便调整产氧量，能够达到产氧标准。深入分析变压吸附空分制氧工艺流程，有助于掌握变压吸附空分制氧工艺技术要点，还能加速推动变压吸附空分制氧工艺技术持续发展和创新。

3.1 工艺流程

变压吸附制氧装置，核心构成为空气压缩机、预处理单元、吸附塔组等，有完善的装置系统流程。空气压缩机负责进行空气加压后，进行冷却、过滤、干燥等预处理，为后续制氧操作提供保障。进行吸附分离时，在分子筛作用下，会选择性地吸附氮气、氧气，制氧纯度有保障。若是吸附塔趋于饱和，变压吸附制氧装置可自动切换其他吸附塔继续产氧，并且，随着压力变化，还能促使分子筛再生。变压吸附制氧装置配备有氧气储罐，能够保证连续供氧。经过改良后的真空变压吸附制氧装置，还能进一步提高分子筛的氧气回收率，能耗较低，能够满足氧气使用需求。通过计算分子筛选择吸附氮气的吸附量，还能进一步优化吸附塔组的吸附压力，吸附平衡与分离效率计算公式：

式中：q—实际吸附量， mol/g ；qm—最大吸附容量， mol/g ；b—吸附平衡常数；P—气体分压， MPa 。

3.2 装置性能指标

变压吸附制氧装置的制氧纯度较高，在 94% 左右；氧气回收率也较高，在 45～48% ，单位能耗较低，在 0.34～0.38kWh/Nm3 装置可在半小时内启动，为医疗、冶金领域制氧需要提供了保障 [3]。进行氧气回收率计算，可以进一步分析分子筛的最佳再生条件，进而在氧气回收率方面，形成闭环，进而持续提高变压吸附制氧装置的制氧纯度和产氧效率，为各行业氧气使用需求提供保障。在具体计算氧气回收率方面，结合实际的工况，以及吸附塔类型等要素进行计算。氧气回收率计算公式：

式 中： Q0_2.pord — 产 品 氧 流 量， Nm3/h ； — 产 品 氧 纯 度（93~95%）； ΔQ_air —处理空气流量， Nm3/h ；YO _2,uir —空气中氧含量。

4 变压吸附空分制氧工艺技术应用

4.1 钢铁冶金行业应用

钢铁冶金行业的氧气需求量大，一直以来，主要是依托深冷空分技术及相关设备获取高纯度氧气。基于变压吸附制氧装置系统的应用，钢铁冶金行业高度青睐此项技术。钢铁冶金行业生产过程中，对高炉富氧纯度要求较高，变压吸附制氧可以达到上述标准，还能降低成本费用，远期投资收益有保障。

4.2 医疗行业应用

在医疗领域中，变压吸附制氧装置系统，展现了显著的应用优越性，可以满足医疗用氧纯度需求，安全可靠，流量波动较小。变压吸附制氧还能满足高原供养需求，在海拔较高的地区，能够持续产出纯度稳定的氧气，从而满足用氧需求。

4.3 有色金属冶炼

有色金属冶炼对氧气纯度也提出了较高的要求，变压吸附制氧技术的应用，为富氧熔炼工艺的实施和实现提供了保障，切实提升了冶炼效率和产量。将变压吸附制氧装置应用在有色金属冶炼行业中，达到氧气纯度标准，支持压力灵活调整，通过锂基分子筛的应用，提高了产氧效率，还能实现智能控制，所以，此项技术广受有色金属冶炼行业的认可。

5 变压吸附空分制氧工艺技术发展

5.1 开发分析筛材料

近几年，在变压吸附空分制氧工艺中，广泛应用的是锂基分子筛，吸附容量效果满意，可选择性吸附氮气、氧气，节能效果显著，抗粉化性能比较好，在制氧装置应用过程中，受压力变化影响较小，结构稳定，可以延长使用周期，成本更可控。

未来，将大力开发新型吸附材料，进一步提高变压吸附空分制氧装置系统整体性能。吸附剂是变压吸附空分制氧工艺技术实现的核心和关键，开发新型吸附剂材料，可以进一步提高变压吸附空分制氧装置的分离效率，还能将单位能耗降低到最小。就新型吸附材料创新发展方向看，主要以高吸附容量、稳定性好的材料为主。

未来，变压吸附空分制氧工艺技术发展方向上，将引入和应用分层填装技术，先去除水分和二氧化碳后，再分离氮气和氧气，进而最大程度上提高氧气的回收率，切实延长装置系统的使用寿命。

5.2 创新系统控制方式

自动化、智能化是变压吸附空分制氧装置系统性能提升的重要推手，将智能控制技术应用到变压吸附空分制氧装置系统中，能够提高系统自动化程度，通过运用 AI 算法，可以模拟装置系统运行场景，从而更好调控吸附压力，持续降低制氧单位能耗。有研究指出，在变压吸附空分制氧装置系统中，融合变频调压技术，可以更好调节系统压力，有助于稳定压强，能够为分子筛创造良好的条件，可以最大程度上提高制氧纯度，产量也有保障。并且，在人工智能技术应用支持下，还能实现远程监控，动态化掌握变压吸附空分制氧装置系统的运行状态，减人为操作失误问题的发生，促使变压吸附空分制氧装置系统高效、稳定运行。

参考文献：

[1] 李战强, 单毅. 变压吸附空分制氧工艺技术研究现状及进展[J].化工设计通讯 ,2025,51(06):1-10.

[2] 史怡坤 . 真空变压吸附制氧径向流吸附器动态模拟 [D]. 华东理工大学 ,2020.

[3] 于 立 君 . 双 回 流 变 压 吸 附 空 分 工 艺 研 究 [J]. 流 程 工业 ,2025,(01):38-41.

作者简介：姓名：范文健；性别：男；出生年月：1968.08；籍贯：江西；民族 : 汉；最高学历：大学；目前职称：工程师；研究方向：制氧工艺