变压吸附制氧一般性技术原理
1 变压吸附制氧技术发展概况
变压吸附空分制氧始创于20世纪60年代初(Skarstrom, 1960; Guerin de Montgarenil & Domine, 1964)，并于70年代实现工业化生产。在此之前,传统的工业空分装置大部分采用深冷精馏法(简称深冷法)。
80年代以来至今，随着CaX和LiX等高效吸附剂（沸石分子筛）的相继开发利用以及工艺流程的改进，变压吸附空分技术得到迅速地发展，与深冷空分装置相比，PSA过程具有启动时间短和开停车方便、能耗较小和运行成本低、自动化程度高和维护简单、占地面积小和土建费用低等特点。在一些不需要同时具备氧、氮应用条件的中小规模(小于200TPD，相当于6000 Nm3/hr. )氧气生产中比深冷法更具有竞争力。广泛的应用于电炉炼钢、有色金属冶炼、玻璃加工、甲醇生产、碳黑生产、化肥造气、化学氧化过程、纸浆漂白、污水处理、生物发酵、水产养殖、医疗和军事等诸多领域(杨，1991; Kumar, 1996; Jee, Park, Haam & Lee,2002)。
四十多年来变压吸附空分制氧技术的研究进展主要表现在两个方面:一是空分制氧吸附剂和其吸附理论的研究方面，二是空分制氧工艺循环过程的研究方面
(Sircar,1994;Ruthven.Farooq&Knaebel, 1994)。在国内，尽管对这项技术的研究起步较早，然而在较长的一段时间内发展相对较缓。直至进入九十年代以来，变压吸附制氧设备的优越性才逐渐被国人认可，近几年各种流程的设备相继投产为各行各业带来了巨大的经济效益
SSS实业及其控股公司在多年VSA/PSA制氧系统设计制造经验的基础上，依托具有十余年从事吸附分离的军工技术研发团队，展开了自新材料、新工艺、新构件直至工装模具等全方位的开发，其中：
核心分离材料方面：开发了低硅系列Ca-LSX、Li-LSX、RELSX沸石，可广泛应用于变压
吸附 PSA/VSA制氧过程，可获得30～99.5%的氧气;
吸附分离工艺流程方面：开发了循环有价值气体的分离工艺、非对称吸附分离工艺、氧
氩分离工艺、多循环常温空分工艺以及氧氮一体化联合分离工艺，几乎涵盖空气分离所有技术领域;
分离工艺构件方面：开发了适用变压吸附工艺的特种控制阀门、附件，并将变压吸附装
置的生产实现了完全的模块化，使得变压吸附装置真正意义上可以像家电一样，即装即用。
由SSS 实业及其控股公司提供的PSA/VSA制氧系统是目前世界上技术先进的PSA制氧系统，SSS实业是为数不多的自分离材料、分离系统（膜分离、吸附分离以及两种分离技术耦合的分离系统）直至分离技术应用的全产业链解决方案提供商!
在产品技术性能、单位能耗、装备制造规模、模块化等方面，针对氧气、氮气、甲烷、二氧化碳等多种气体的吸附分离工艺过程中，SSS实业在常温空分领域具有独特的技术优势，其制氧产品范围：
PSA/VPSA/VSA纯度范围：23～99.5%
流量范围：1～10000 Nm3/hr.
尤其，SSS实业是国内唯一可以常温空分技术手段直接自空气中制取99.5%以上氧气的专业气体分离系统制造商，SSS实业在下列方面具有竞争的领导地位:
1) 核心分离材料（吸附剂、分子筛）制造商
2) 专利制氧工艺技术
3) 模块化吸附分离技术
模块化吸附分离系统及标准化组件
4) 吸附分离模拟设计软件 5) 一流的吸附分离工程设计团队 6) 丰富的吸附分离工程应用经验
工业制氧，中大型常规VSA/PSA变压吸附制氧系统
2 变压吸附制氧一般性技术原理介绍
2.1 基本概念与吸附分离机理
吸附分离
是一种由多组分流体(气体或液体)混合物与吸附剂固体表面充分接触，
且混合物组分与吸附剂表面之间存在着不同的作用力，从而使作用力较强的组分在吸附剂表面吸附富集并与作用力较弱的组分产生分离的过程。
变压吸附（Pressure Swing Adsorption，简称PSA）技术是通过压力的变化而使混合气体在吸附剂中吸附和脱附交替进行的循环过程，是一种先进的气体分离技术，目前己广泛地应用于空气干燥和氮/氧分离、氢气的回收和纯化、碳氢化合物的分离和纯化、合成氨的水煤气中CO2等杂质的脱除以及CO2和CO的纯化等工业过程(Sircar, 1994; Ruthven, Farooq&Knaebel, 1994)。
吸附剂(分子筛)：吸附剂对物质的吸附通常分为物理吸附和化学吸附，物理吸附的作用力主要是范德华作用力和静电场力;它比化学键弱得多，一般低于10-15kca1/mol，所以其过程可以是可逆的(杨，1991)。变压吸附空分制氧过程中氮和氧的分离是利用吸附剂的物理吸附分离特性，即利用不同吸附组分在吸附剂孔隙中吸附作用力或吸附速率的不同而达到分离目的，而且这种吸附能力随气体的压力(或浓度)的变化而有明显变化。
吸附分离机理
根据变压吸附过程对气体组分的分离机理，吸附剂可分为动力学选择性吸附剂和平衡选择性吸附剂两种。动力学选择性吸附剂(如炭分子筛)是利用吸附质分子在吸附剂微孔中扩散速率的差别进行分离，空分中主要应用于制氮，而平衡选择性吸附剂(如氟石分子筛)则是利用吸附质分子在其孔隙中作用力大小来进行分离，空分中主要应用于制氧(Ruthven, Farooq & Knaebel, 1994;杨，1991)
自20世纪40年代末UCC首次成功的合成了沸石分子筛以来，到1956年真正实现工业化氧气生产至今，应用于变压吸附空分制氧过程所用的吸附剂一般为沸石分子筛，其氮、氧的吸分子筛 陶瓷球
附平衡属于平衡控制(杨，1991; Ruthven, Farooq & Knaebel, 1994)，包括有A型沸石(CaA)和X型沸石(NaX, CaX, LiX)，这类吸附材料的分离作用依赖于其对氮的优先吸附作用，与O2相比，N2有较强的四极矩，即沸石分子筛中氮的四极矩的作用力约为氧的四倍，同时N2的极化率也较大 (Rasmus & Hall, 1991; Baksh & Yang, 1992)。
吸附剂的质量评价标准
与A型沸石相比，X型具有更大的孔容和孔直径，对氮的吸附量更大，所以对X型沸石的改性更具潜力。在对X沸石的改性中主要是降低沸石中硅铝比和通过碱金属或碱土金属离子与其中的Na+离子进行离子交换生成较高吸附分离性能的吸附剂。X沸石中的硅铝比一般在1.0-1.25范围(A型沸石Si/A1～1)，研究表明Si/A1～1的低硅沸石(LSX )比一般的X沸石(Si/Al=1.25)具有更高的吸附分离性能(Mortier & Bosmams , 1971; Mortier, Bosmams & Uytterhoeven, 1972;雷晓钧，胡克季，薛志元等，1999)。这是由于硅铝比越小，沸石骨架中铝含量越高，负电荷也越多，骨架中电中性所需的阳离子数越多，这样会有更多的阳离子对气体分子产生作用力(Mullhaupt & Stephenson,1993 )。因CaX沸石具有较高的氮、氧分离系数(即平衡选择性)和氮吸附容量，使其在常压冲洗过程中不能有效脱附，只能适合于抽真空解吸的VSA空分制氧过程，同时也使VSA空分制氧的生产规模进一步增大，到1988年VSA空气制氧的氧产量可达到100吨/天(Ruthven, Farooq&Knaebel,1994)。
评价一种吸附剂对某种混合气吸附分离性能的优劣主要是考察其对强吸附组分的吸附量大小和强弱组分的吸附选择性(即分离系数的大小)。选择吸附剂主要根据是吸附平衡等温线(简称吸附等温线)，吸附等温线是描述一定温度下，随着吸附压力增加吸附组分在吸附剂中吸附平衡吸附量的变化曲线;对多组分混合气体的吸附等温线，一种最简单的近似方法是把纯气体的吸附平衡关系认为是具有加和性而得到混合气的吸附等温线(杨，1991);而更合理的方法是通过对混合气进行动态穿透实验来测定出各组分的吸附等温线
(Malek&Farooq,1996;Wang,Farooq&Tien,1999)。
在变压吸附空分制氧过程中，气体的压力和流速会随循环步骤的变化而变化，吸附剂床层中气-固和固-固之间会产生摩擦，对吸附剂使用寿命会有影响;同时，吸附过程会释放出热量，而床层温度的升高会降低吸附剂的吸附分离性能，所以床层中吸附剂吸附产生的热量希望能较多被吸附剂吸收或迅速的传递，减少温度的波动。要保证吸附剂在变压吸附空分制氧工业应用中有稳定和良好的吸附分离性能，需具备以下特性:1)高的强度，2)良好的耐磨性，3)较大的体积密度，4)较低的晶体间空隙率，5)较高的热容，6)较大的热传导，7)较低的O2吸附容
量，8)较小的颗粒尺寸(Watson, Agrawal, Webley & Wehrman, 1997)
2.2 吸附循环理论
变压吸附循环：变压吸附空分制氧包括PSA和VSA循环过程，
两种循环过程是由一系列基本步骤组成，而且不同空分制氧过程可能有不同的循环步骤，这些步骤使不同吸附塔之间相互关联，使床层得到有效的吸附和再生。
变压吸附过程中吸附气体的脱附有常压冲洗解吸和抽真空负压解吸两种方式;按照脱附方式的不同，变压吸附空分制氧可分为PSA过程和VSA过程。PSA(Pressure Swing Adsorption)是在较高于常压下吸附和接近常压下冲洗解吸的循环过程，循环过程进料空气需用压缩机压缩，常应用于医用氧的生产和规模较小的场合，所用的吸附剂一般为5A和13X沸石。VSA(Vacuum Swing Adsorption)是在接近常压下（或者说超大气压）吸附而在抽真空负压再生的过程，循环过程通过鼓风机提供进料空气，适合于应用高性能吸附剂(如CaX和LiX沸石)，常压下难于冲洗解吸的空分制氧的场合(Ruthven,Farooq&Knaebel, 1994; Rege&}Yang, 1997)。
沸石分子筛对空气中各气体组分的吸附有其自身的特殊性质：在一定时间内，其对空气中氮分子的吸附容量远远大于氧分子的吸附容量（图1所示）。即沸石分子筛是选择型的吸附剂，沸石分子筛因为具有选择吸附空气中氮气这一特性，因而被广泛应用于空气分离制取氧气。在吸附平衡情况下，气体压力越高，则吸附剂的吸附量越大。反之，压力越低，则吸附量越小（图2所示），吸附分离正是遵循这一基本原理而进行有效的气体分离：
PSA循环：最典型的变压吸附空分制氧循环过程是两塔四步的Skarstrom循环，Skarstrom循环最早应用于两塔变压吸附空分制氧过程。循环过程由充压、吸附、逆向放空和逆向冲洗四步
组成，它是设计更复杂PSA过程的基础(Ruthven, Farooq&Knaebel, 1994; Zeng & Guan, 2002)。
如图所示的Skarstrom循环是变压吸附制氧技术最简单应用单元，它由两只装满沸石分子筛的吸附塔、进气管路和阀门、出气管路和阀门组成。如左图所示，当空气从进气端进入，流经吸附塔内的吸附剂（沸石分子筛）时，空气中的氮分子被吸附，而未被吸附的氧分子则被富集起来，由出气端流出；当沸石分子筛吸附饱和后，关闭进气阀和出气阀，打开排气阀，就可以对吸附剂进行解吸再生（如右图所示）；再生完全后用于下一个吸附周期。
由于Skarstrom循环的放空和冲洗步骤中吸附塔内气体(富含强吸附组分和部分弱吸附组分)通常是直接排空，所以放空和冲洗对整个出口产品气损失的相对贡献程度依赖于吸附压力的大小。当吸附和冲洗之间的高低压力比大时，由于是高压下的产品气对接近常压的床层进行冲洗，冲洗所用的产品气的比例十分小，通常可以忽略冲洗量对产品气收率的影响;但空分制氧过程的吸附和冲洗高低压比通常不大(3.0-6.0)，要达到吸附剂再生的目的所需的冲洗量较多，所以冲洗量对产品气损失影响较大;在另一方面，随着吸附压力的增加放空损失(床层死空间中的氧量)的贡献也增加，而且在较高的吸附压力下放空气中氧的损失占主要部分
(Ruthven, Farooq & Knaebel, 1994)。因此大多数PSA循环的改进是减少放空中的损失，这种改进的方式主要是在Skarstrom循环中增加均压步骤
Skarstrom循环的改进主要目的是减少放空气体和冲洗气中产品气组分的损失，在保证一定产品气纯度的要求下提高产品气收率和床层的使用效率
改进Skarstrom循环的方法首选是在循环中引入均压步骤，实际过程中均压步骤可以是吸附塔之间的均压和吸附塔与罐之间的均压。Marsh等人首先提出了在两个床层之间增加一个空罐作均压罐以减少放空损失的方法(Marsh, Hoke&Pramuk, et al., 1964);这种方法是在吸附步骤没有穿透前停止进气，使产品气端与均压罐相连进行均压，这样富含产品气的部分压缩气就储存下来，这些储存的气体用于冲洗床层，这样可以减少产品气的冲洗量，相应地增加收率
。Berlin首次在Skarstrom循环中提出吸附塔之间引入均压步骤(Berlin, 1966)。均压步骤中压缩气从高压床层对低压床层部分充压，从而可以保存压缩能，同时均压气体可以去除另一床层出口端的部分强吸附组分，这样放空损失减少了近一半，从而明显地提高了出口产品气的收率和降低了能耗。
设备一般包含有压缩机、空气预处理、吸附分离塔、控制系统等：
另外，使用多塔体系与一系列均压等步骤相结合可以进一步提高产品气的收率。多塔体系中还可使用顺放气来冲洗其它床层，这样可以减少产品气冲洗的用量而增加收率:在多塔变压吸附体系中通过均压等改进步骤可以保存更多的压缩能，但需要更复杂的吸附塔之间工艺组合，从而增加装置的投入成本;所以目前变压吸附空分制氧工业应用中通常使用2-4个床层。
其次是用产品气代替进料气进行充压。用产品气充压的观念是首次出现在Wagner的氢气纯化的专利(Wagner, 1974)中提出。充压步骤中进料气是从进口端进入进行充压，而空分制氧过程中用产品气氧充压是从产品气出口端进入，充压过程使吸附柱中强吸附氮气组分驱赶到吸附塔的进料端，从而可以提高了产品气的纯度。
VSA循环
由于采用真空脱附的VSA过程通常可用鼓风机提供气源而不需进行空气压缩，所以在生产规模和能耗等方面应该优于PSA过程
同时高性能空分吸附剂(如CaX和LiX)用常压冲洗难于得到满意的脱附效果而需要在真空状态进行脱附(Baksh,Kikkinides&Yang,1992; Rege&Yang, 1997 )。
传统的VSA循环一般由充压、吸附、抽真空解吸等步骤组成，设备包含有鼓风机、真空泵、吸附分离塔、控制系统等：
其基本流程如下：
随着氧生产规模的扩大和能耗降低的要求使VSA制氧过程在不断改进和完善，其主要表现在以下一些方面:
(1)采用多次均压步骤。Hirooka和Miyoshi使用NaX沸石生产95%氧纯度的过程发现在VSA循环中一次均压优于两次均压(Hirooka&Miyoshi, 1985)。另外，Haruna等把均压的概念扩展到三床的VSA过程，强调了均压时间应该缩短，这样氮气量从一个床层进入另一个床层的量就减少;缩短均压时间的一种有效方法就是同时进行均压降和逆放步骤，Haruna等在循环中使用同时压降和逆放排空的方法，从而使每吨产品氧气 (93%)所需吸附剂(CaA沸石)的用量大幅度减少，收率则大幅增加(Haruna, Kanji&Uno, 1987).
(2)抽真空后采用冲洗步骤。真空冲洗的气体包括产品气和均压降的气体。Armond和Ray提出了在抽空后用产品气冲洗床层的方法，它利用了低压时冲洗再生更有效的事实
(Armond&Ray, 1979). Reiss通过应用均压降的气体对床层进行冲洗来减少产品气氧的冲洗量，扩展了真空冲洗的理念;而且冲洗步骤后由于是用产品气氧来充压，所以含有少量杂质均压降气体在真空状态下对床层进行冲洗并不影响VSA过程的表现。
此外，在围绕VSA变压吸附循环过程的诸多方面，众多学者、研究机关、企业都进行过各种尝试，但无非围绕：
在流程改良上提高吸附剂的利用效率，增加单位吸附剂的氧气生产量，以降低一次装填量，直接降低成本，同时，压缩系统体积；
在流程改良上提高氧气回收率，较为有效的方法是多塔、多均以及改良的均压，循环有价值气体的工艺措施；
经过多年的改良尝试、发展以及实践检验，逐步的，以浅床层、多塔、多均、短的循环周期，尤其是循环有价值气体的吸附分离工艺措施，已经成为VSA循环的主流技术。
2.3 变压吸附一般性技术优点
传统的制氧方法需将空气冷至液态(约-180℃)，通过精馏制取氧气。VSA制氧机在常温、常压下进行工作，有以下先进性：
制氧成本低。尤其VSA氧气系统，选择低硅CaX沸石分子筛(ZMS)和循环有价值气体的吸
附分离工艺，使得制氧系统能耗低，具有较高的性价比；
工艺流程简单，设备少，自动化水平高，操作方便。
与深冷法相比，占地面积小、结构紧凑、节省空间，可用于室内、外操作。
起动迅速，起动约30分钟可正常供氧，停机方便，可间断运行。系统全自动控制，无需
多人看管。
常温低压下工作，再生过程无须加热，无任何危险性。
产品纯度及产量易于调整，适应能力强。氧气纯度(21%～93%)和流量可控调节，当用氧量
或用氧纯度降低时极大节能。
超级过滤保护系统减少沸石分子筛被污染; 先进的沸石分子筛压紧技术减小沸石分子筛
的粉化和床层下降而降低性能。
VSA系统经过实践经验证明了它的耐久性，沸石分子筛的设计使用寿命通常超过5年 尤其是SSS实业开发的模块化吸附分离系统，因可任意扩展成任何基于单塔、2塔、3塔
、多塔体系的分离系统，大大方便不同需氧量的客户选择，而且，通过事先明确需要的分离介质，可通过简单的更新吸附剂以取得多种气体的联合分离，几乎适用一切基于变压吸附制氧、制氮、干燥等应用领域。
2.4变压吸附制氧与深冷空分制氧以及与膜制氧的比较 分离工艺
比较项目
流程
占地面积
投资 深冷空分制氧 复杂 最大 投资最大 膜法制氧 简单 最小 投资最省 变压吸附制氧（PSA/VPSA） 简单 较膜法大，较深冷小 投资大
使用寿命 主体设备10年以上 （膜的使用寿命10年以上主体设备10年以上 主体设备10年以上（分子，10年后性能将下降（分子筛一般更换周期筛一般更换周期5-10年）10-15%，可通过模块化重5-10年）
新组合达到使用要求）
大
大 基本免维护 小 中等 大 维护费用 相对投资
能耗指标 能耗较低，尤其VSA，因为采用负压工艺而能耗更低适用于低纯度氧气分离，，接近膜制氧能耗，塔器大气量高纯度能耗最低，在低于30%以下的纯度范较大时因运输不便需现场中小气量能耗高于PSA 围内，其能耗最低。 制作，适用于中小型氧氮
分离，可自空气中分离高
达90-95%的氧气
操作复杂，无法随用随开
，操作人员需要长时间专
业技术培训（2个月），并操作简单，即开即用，开且具有丰富的实践操作经机5分钟达到指标，可随验才能上岗，启动一般在时停机，停机多长时间都操作难易程度 10小时以上，甚至更长。不会影响工况，可立即投即使停机时间几个小时，入使用，简单培训就可上也会影响运行工况，停机岗操作 时间过长，工况无法恢复
正常，需解冻、加温、吹
除等，然后重新启动。 操作较为简单，即开即用，开机40分钟达到指标，可随时停机，停机后再次使用30分钟可投入使用，简单培训就可上岗操作
安装 设备简单，模块化，安置设备复杂，需考虑安装成设备较为复杂，需要一定在平整的空地上即可，简本，一般的，与设备造价的基础与专用厂房，须考单连接管路就可，无须考相当 虑安装成本 虑安装成本
大 静态运行，无噪音 大
需要配套专门厂房，建筑无须配套专门厂房，安置须配套专门厂房 成本高，占地大 在平整的空地上即可
一般不可移动，固定式安可设计成集装箱型、撬装固定安装，固定使用 装，移动式机型很小，而式，安放在汽车上进行流噪音 厂房要求 撬装移动
分离工艺
比较项目 深冷空分制氧
动作业 膜法制氧 变压吸附制氧（PSA/VPSA） 且需要特别设计
安全性 氧氮分离在常温低压下进氧氮分离在超低温下进行行，无相变过程，简单的，有相变过程，有安全隐“过滤形式“，本安型设
患，需培训持证上岗 备，无安全隐患，简单培
训就可上岗操作
1）、空压机
2）、空气预冷系统
3）、空气纯化系统
4）、热交换器
5）、冷凝蒸汽器
6）、活塞式膨胀机
7）、过冷器
8）、分馏塔
9）、高纯氧塔
10）、氧气压缩机，灌充
器 1）、真空泵（组） 2）、富氧膜组件 3）、低压氧气贮罐（常压容器） 简单到甚至可以无须电器控制，接上真空泵就可以从膜组件抽取氧气； 氧氮分离在常温低压下进行，无相变过程，本安型设备，无安全隐患，经培训可上岗操作 主要装置 1）、压缩机（真空泵） 2）、缓冲罐（压力容器）3）、空气预处理 4）、 PSA/VPSA分离装置（压力容器） 5）消音器 6）、氧气贮罐（压力容器） 7）、控制系统
3 SSS PSA/VSA变压吸附制氧技术特点与优势
众多先进的物质分离过程技术大都来自美国，而联碳公司（UCC）则是美国物质分离过程应用研究的开路先锋，在石油、化工、稀有物质、军事目的分离等广泛背景题材的驱动下，其强大的开发力量突破了众多技术领域的难题，为各行各业的分离过程做出了很多开创性的工作，至今，大部分化工领域的物质分离过程技术均来自于联碳的技术专利。
在20世纪40年代末，联碳（UCC）公司成功合成了沸石分子筛，并于1956年首先在全世界实现了第一台真正意义上的变压吸附工业化氧气生产装置，开创了PSA/VSA氧氮分离的新纪元， C.W.Skarstrom于1960年获得了变压吸附分子筛制氧的专利权，其后，在PSA技术的开发及应用方面，联碳长期处于领先位置，PSA/VSA也开始向工业化迈进；大半个世纪美国的工业化进程为PSA/VSA的推广带来了良好的契机，英、德、日等国相继进行的大量试验研究工作为变压吸附吸附剂的改性，循环流程改良做出了巨大贡献，随着能耗降低，产量增大，深冷法分离一统天下的局面得以改变，八十年代PSA空分装置以中、小型为主，产量从医用0.1Nm3/hr到工业用1500Nm3/hr。进入九十年代，日本三菱重工更是制造了世界上最大的PSA制氧装置，其产量为8650Nm3/hr.期间，石油、化工以及众多需要现场供氧的场合均有PSA分离技术的
身影，类似以前不可想象的机载氧气分离也以前所未有的推广速度进入各国空军以强化其适航保障能力；
SSS实业及其控股公司在多年VSA/PSA制氧系统设计制造经验的基础上，自上世纪90年代开始，依托具有十余年从事吸附分离的军工技术研发团队，展开了自新材料、新工艺、新构件直至工装模具等全方位的开发，经过长时间对核心分离材料（吸附剂、分子筛）的反复改良、筛选、定型，以及对循环流程、工艺方法、装置构建的改进，形成了独特的自有技术，其中：
1) 核心分离材料的研发
开发了一种低硅CaX分子筛（Ca-LSX沸石），可应用于低成本工业制氧；
开发了一种低硅LiX分子筛（Li-LSX沸石），可应用于高效分离氧气；
开发了一种低硅稀土LiX型分子筛（RELSX沸石），具备高效的氧氮氩分离能力，可直接自空气中获得纯度达99%以上的高纯度氧气；
研制了一种特种吸附剂，通过装填该吸附剂至分离系统的缓冲罐可在同等容积条件下大大增强缓冲能力，通过这一有益的改良，可大大降低装置缓冲容积的需求，大幅减少装置体积；
并由此获得进入实质性审查发明专利5项
一种X型沸石分离材料及其制备方法
一种中空纤维分子筛吸附剂材料的制备方法
一种窄粒度分布的ρ型分子筛的合成方法
一种双复合非对称结构中空纤维陶瓷透氧膜及其制备方法
舰船仪表空气就地供给系统及方法
众所周知，以平衡控制理论为基础的吸附过程中，评价一种吸附剂对某种混合气吸附分离性能的优劣主要是考察其对强吸附组分的吸附量大小和强弱组分的吸附选择性(即分离系数的大小)，其次，1)高的强度，2)良好的耐磨性，3)较大的体积密度，4)较低的晶体间空隙率，
5)较高的热容，6)较大的热传导，7)较低的O2吸附容量，8)较小的颗粒尺寸等等，都是工业氧氮分离吸附剂必不可少的元素，X型沸石具有更大的孔容和孔直径，对氮更高吸附量，比常规吸附剂有着更优异的性能，以此吸附剂为基础的平衡吸附使得本公司氧气分离装置：更加耐用，吸附剂使用寿命更长，单位吸附剂产氧量高，氧气回收率高于同行20%以上，采用稀土LiX型分子筛（RELSX沸石）的装置更突破了变压吸附技术不能提取95%以上纯度的氧气的技术瓶
颈，可使氧气纯度达到99%以上。而且，量身定制的专用吸附剂在受到意外污染后有简单可行的再生方法，可低成本再生，从而使得系统真正贴近工业化生产
2) 吸附分离工艺的研发
开发了一种循环有价值气体的分离工艺，提高系统分离效率；
开发了一种氧氩分离工艺，可实现氧氩分离，可以常温空分方法获得纯度达99.5%以上的高纯度氧气；
开创性的开发了一种非对称变压吸附分离工艺；
开发了一种多循环常温空气分离方法，获得了多循环分离体系的联合分离工艺方法； 开发了一种变压吸附的氧氮联合分离的方法，为耦合分离工艺同时制取高纯度氧气与高纯度氮气创造了条件；
并由此获得了发明专利授权2项：
循环有价值气体的变压吸附方法
一种从空气中提取高纯度氮气的方法与装置
实用新型专利授权3项：
高纯度氮气制取装置
氧氩混合气非深冷变压吸附分离装置
多循环常温空气分离系统
以及进入实质性审查发明专利4项：
一种变压吸附的氧氮联合分离的方法与装置
多循环常温空气分离系统和方法
高纯度氮气制取方法与装置
一种舰船供氧保障系统和方法
Skarstrom循环是变压吸附循环的基础，众多学者、研究机关都进行过深入的研究，其过程涵盖包括动力学、热力学、流体、机械等等专业学科，是项非常复杂的过程。工业氧气制造的大部分研究集中在以减少放空气体和冲洗气中产品气组分的损失，以保证一定产品气纯度的要求下提高产品气回收率和床层的使用效率，SSS实业针对流程工艺开发了循环有价值气体
的分离工艺、非对称吸附分离工艺、氧氩分离工艺、多循环常温空分工艺以及氧氮一体化联合分离工艺，几乎涵盖空气分离所有技术领域，通过对流程工艺技术的改良，以及对床层稳定性方面进行的卓有成效的改善，使得SSS 实业氧气制造系统更稳定、也更有效率；
3) 特种控制阀门、附件的研制
研制了一种可高度集成的管道流向控制阀，以提高系统可靠性
研制了一种可高度集成的流体灌充控制方法及其装置，以提高气体灌充效率及可靠性 并由此获得了发明专利授权2项：
一种集成化管道流向控制阀
一种集成的流体灌充控制方法及其装置
为系统流程构建提供了简便、必要的扩展保障
4) 工装、模具，系列模块化吸附分离组件
研制开发了系列模块化通用变压/变温吸附分离组件，为吸附分离系统标准化生产奠定了基础；
4 SSS 实业常规PSA/VSA变压吸附制氧技术特点与优势
由SSS实业提供的制氧系统是专门为满足低成本现场供氧需要开发的产品,它可方便、快捷、低成本的现场制氧，无须原料，接上电源即可供氧，可广泛的应用于各种需要现场供氧的工业场合. SSS实业可向客户提供氧气纯度23%-99.6%的各种制氧系统：
变压吸附制氧系统是利用变压吸附技术采用专用吸附剂在常温下将空气中的氧气富集出来的现场供气设备，SSS实业为炉窑助燃、化肥工业、玻璃加工、水产养 殖、污水处理、垃圾焚烧、发酵、金属切割等等应用领域提供各种变压吸附制氧系统，由SSS实业提供的变压吸附制氧系统具有极高的可靠性以及较低的运行成本，系统结构简化，体积小，仅只需要简单连接安装，便可连续工作，使用方便，由SSS实业提供的变压吸附制氧系统具有如下特点：
1）、 技术领先、工艺先进：
系统以空气为原料，不需任何辅料，以物理形式在常温下分离氧气，过程无污染废物，环保制氧；吸附塔结构设计摆脱传统“径高比”的束缚，吸附塔的尺寸大小依 据所用吸附剂的用量确定；独到的吸附剂惯性力装填方式，使吸附剂的装填密度达 到堆积密度的1.08倍，装填紧实，防止吸附剂床层流化、蠕动，有效的保证了床层 的稳定、可靠；始终如一的吸附塔空气流向，吸附剂无须机械力压紧，依靠吸附床层压力梯度（气体流阻限定）避免吸附剂在高频率的切换周期中受到疲劳磨损、流化，确保吸附剂使用寿命；吸附塔气流分布均匀，防止了短路、沟流，使塔内传质 区气体活塞流，提高了吸附剂的吸附效率；创新设计的非对称氧气提取系统可直接 自空气中分离纯度高达98%的高纯度氧气；创新设计的PSA技术与膜分离技术
的联 合分离系统更可将氧气纯度轻松提取到99.6%，也可以采用这种方法进行特种气体的高效分离、节约能源消耗；
2）、流程简单、系统构建简便、可增容扩展：
工艺流程简单，结构简便，设备总体安装布置合理，人性化设计，开停机仅需一个 控制按钮；创新设计的ATF单元模块化技术、标准接口，可方便的满足客户构建自 己需要的富氧提取系统，节约了安装空间：常压解吸PSA制氧系统采用两床工艺， 可依据小型分离器规格按照两床工艺、三床工艺进行系统构建以及围绕产量、使用压力等方面的扩展；真空解吸VPSA/VSA制氧系统专门设计成独立的单床分离器，可按单床、两床、三床等工艺形式进行系统构建以及围绕产量、使用压力等方面的 扩展；SSS实业生产的oxylead变压吸附制氧系统是可完全模块化的产品，可通过简 单的分离器扩展以达成自己的设计意图；特别的，也可通过调整分离器的分离性能以实现（比如调整吸附剂性能与装填量）；
3）、系统稳定可靠，维护简便：
SSS实业生产的oxylead变压吸附制氧系统具有极高的可靠性，采用的沸石分子筛具 有10年超长的使用寿命，精心设计的流程，高可靠性的元器件，自动程序控制，辅 以报警，运行安全可靠；简单的TES维护原则，设备维护只需要：10个月更换氧电极；8个月更换第三级过滤器滤芯，6个月更换第一、二级过滤器滤芯；
4）、能源消耗低、纯度高：
系统采用高性能沸石分子筛，它具有极高的动态吸附容量与良好的解吸性能，氧氮 分离效率高；精心设计的流程，采取了多种能量、物质回收措施，不仅提高了氧气纯度，也降低了能源消耗，较同类产品节约能源消耗20%以上；创新设计的非对称氧气提取系统可获得宽广纯度范围的同时，更可将系统能源消耗降低创新设计的膜与吸附分离技术的联合分离系统充分利用了两种技术的优势，应用于氧气提取，可 取得更高的纯度，更低的能源消耗，为同业首创
5 SSS 实业模块化PSA变压吸附制氧技术特点与优势
模块化变压吸附制氧是采用SSS实业及其控股公司研制的可模块化、标准化生产的变压/变温吸附装置通用组件构建的制氧系统；
传统的变压吸附制氧系统大都基于双塔、多塔结构，单独设计、单独制造，交付周期长，同时，基于各种工艺流程的吸附工艺采用了大量的程控阀门，也因此带来了各种复杂的管线连接作业，这些，都使得系统变得更为复杂，难以维护，需要专业人员跟随系统交付直到安装调试，甚至维护作业也离不开专业厂家的技术支撑，如何使得制氧装置自设计、制造、直至安装
维护变得大众化，如家电一样即买即用？SSS实业的模块化变压/变温吸附装置通用组件正是基于此的一种良好解决方案！
模块化变压吸附制氧主要技术特点：
采用优质高强铝合金材料制成的全套标准吸附分离结构组件，组装后设备外形美观大方； 专门设计开发的“与非门程控阀”完全按照控制逻辑编程实现各种分离工艺流程；
“与非门程控阀”与吸附分离装置融为一体，没有了复杂的管线连接，机身结构紧凑，体
积小，维护方便；
全系列产品模具，标准化、模块化生产制造，一周内可交付任何吸附分离为基础的吸附分
离制氧系统
技术规格与系统扩展方法简单可行：模块化吸附分离组件的扩展可完全按照客户所需制氧
量计算获得所需装填的分子筛数量来安排吸附分离单元构件，如一台需要装填240kg 吸附剂的分离单元，可选择标准内直径160mm 的吸附塔组件以及缓冲罐体套件来实现，经校核空速后定型生产，并可随时进行模块化扩展
循环有价值气体的变压吸附分离技术，氧气纯度高，能源消耗低，为同业首创；
模块化变压吸附制氧系统基本组成（以一个含空气及氧气缓冲罐的模块化变压吸附制氧单元为例）
SSS 实业技术中心 2012年11月宣
变压吸附制氧一般性技术原理 大型V/PSA制氧工艺流程图
（液氧罐以及汽化器等为紧急供氧采用的扩展备用配置—液氧备用，可选） 15KPa 『2011-2015 上海穗杉 版权所有』 『 2012年11月12日 』 『 第 19 页 共 19 页 』
变压吸附制氧一般性技术原理
1 变压吸附制氧技术发展概况
变压吸附空分制氧始创于20世纪60年代初(Skarstrom, 1960; Guerin de Montgarenil & Domine, 1964)，并于70年代实现工业化生产。在此之前,传统的工业空分装置大部分采用深冷精馏法(简称深冷法)。
80年代以来至今，随着CaX和LiX等高效吸附剂（沸石分子筛）的相继开发利用以及工艺流程的改进，变压吸附空分技术得到迅速地发展，与深冷空分装置相比，PSA过程具有启动时间短和开停车方便、能耗较小和运行成本低、自动化程度高和维护简单、占地面积小和土建费用低等特点。在一些不需要同时具备氧、氮应用条件的中小规模(小于200TPD，相当于6000 Nm3/hr. )氧气生产中比深冷法更具有竞争力。广泛的应用于电炉炼钢、有色金属冶炼、玻璃加工、甲醇生产、碳黑生产、化肥造气、化学氧化过程、纸浆漂白、污水处理、生物发酵、水产养殖、医疗和军事等诸多领域(杨，1991; Kumar, 1996; Jee, Park, Haam & Lee,2002)。
四十多年来变压吸附空分制氧技术的研究进展主要表现在两个方面:一是空分制氧吸附剂和其吸附理论的研究方面，二是空分制氧工艺循环过程的研究方面
(Sircar,1994;Ruthven.Farooq&Knaebel, 1994)。在国内，尽管对这项技术的研究起步较早，然而在较长的一段时间内发展相对较缓。直至进入九十年代以来，变压吸附制氧设备的优越性才逐渐被国人认可，近几年各种流程的设备相继投产为各行各业带来了巨大的经济效益
SSS实业及其控股公司在多年VSA/PSA制氧系统设计制造经验的基础上，依托具有十余年从事吸附分离的军工技术研发团队，展开了自新材料、新工艺、新构件直至工装模具等全方位的开发，其中：
核心分离材料方面：开发了低硅系列Ca-LSX、Li-LSX、RELSX沸石，可广泛应用于变压
吸附 PSA/VSA制氧过程，可获得30～99.5%的氧气;
吸附分离工艺流程方面：开发了循环有价值气体的分离工艺、非对称吸附分离工艺、氧
氩分离工艺、多循环常温空分工艺以及氧氮一体化联合分离工艺，几乎涵盖空气分离所有技术领域;
分离工艺构件方面：开发了适用变压吸附工艺的特种控制阀门、附件，并将变压吸附装
置的生产实现了完全的模块化，使得变压吸附装置真正意义上可以像家电一样，即装即用。
由SSS 实业及其控股公司提供的PSA/VSA制氧系统是目前世界上技术先进的PSA制氧系统，SSS实业是为数不多的自分离材料、分离系统（膜分离、吸附分离以及两种分离技术耦合的分离系统）直至分离技术应用的全产业链解决方案提供商!
在产品技术性能、单位能耗、装备制造规模、模块化等方面，针对氧气、氮气、甲烷、二氧化碳等多种气体的吸附分离工艺过程中，SSS实业在常温空分领域具有独特的技术优势，其制氧产品范围：
PSA/VPSA/VSA纯度范围：23～99.5%
流量范围：1～10000 Nm3/hr.
尤其，SSS实业是国内唯一可以常温空分技术手段直接自空气中制取99.5%以上氧气的专业气体分离系统制造商，SSS实业在下列方面具有竞争的领导地位:
1) 核心分离材料（吸附剂、分子筛）制造商
2) 专利制氧工艺技术
3) 模块化吸附分离技术
模块化吸附分离系统及标准化组件
4) 吸附分离模拟设计软件 5) 一流的吸附分离工程设计团队 6) 丰富的吸附分离工程应用经验
工业制氧，中大型常规VSA/PSA变压吸附制氧系统
2 变压吸附制氧一般性技术原理介绍
2.1 基本概念与吸附分离机理
吸附分离
是一种由多组分流体(气体或液体)混合物与吸附剂固体表面充分接触，
且混合物组分与吸附剂表面之间存在着不同的作用力，从而使作用力较强的组分在吸附剂表面吸附富集并与作用力较弱的组分产生分离的过程。
变压吸附（Pressure Swing Adsorption，简称PSA）技术是通过压力的变化而使混合气体在吸附剂中吸附和脱附交替进行的循环过程，是一种先进的气体分离技术，目前己广泛地应用于空气干燥和氮/氧分离、氢气的回收和纯化、碳氢化合物的分离和纯化、合成氨的水煤气中CO2等杂质的脱除以及CO2和CO的纯化等工业过程(Sircar, 1994; Ruthven, Farooq&Knaebel, 1994)。
吸附剂(分子筛)：吸附剂对物质的吸附通常分为物理吸附和化学吸附，物理吸附的作用力主要是范德华作用力和静电场力;它比化学键弱得多，一般低于10-15kca1/mol，所以其过程可以是可逆的(杨，1991)。变压吸附空分制氧过程中氮和氧的分离是利用吸附剂的物理吸附分离特性，即利用不同吸附组分在吸附剂孔隙中吸附作用力或吸附速率的不同而达到分离目的，而且这种吸附能力随气体的压力(或浓度)的变化而有明显变化。
吸附分离机理
根据变压吸附过程对气体组分的分离机理，吸附剂可分为动力学选择性吸附剂和平衡选择性吸附剂两种。动力学选择性吸附剂(如炭分子筛)是利用吸附质分子在吸附剂微孔中扩散速率的差别进行分离，空分中主要应用于制氮，而平衡选择性吸附剂(如氟石分子筛)则是利用吸附质分子在其孔隙中作用力大小来进行分离，空分中主要应用于制氧(Ruthven, Farooq & Knaebel, 1994;杨，1991)
自20世纪40年代末UCC首次成功的合成了沸石分子筛以来，到1956年真正实现工业化氧气生产至今，应用于变压吸附空分制氧过程所用的吸附剂一般为沸石分子筛，其氮、氧的吸分子筛 陶瓷球
附平衡属于平衡控制(杨，1991; Ruthven, Farooq & Knaebel, 1994)，包括有A型沸石(CaA)和X型沸石(NaX, CaX, LiX)，这类吸附材料的分离作用依赖于其对氮的优先吸附作用，与O2相比，N2有较强的四极矩，即沸石分子筛中氮的四极矩的作用力约为氧的四倍，同时N2的极化率也较大 (Rasmus & Hall, 1991; Baksh & Yang, 1992)。
吸附剂的质量评价标准
与A型沸石相比，X型具有更大的孔容和孔直径，对氮的吸附量更大，所以对X型沸石的改性更具潜力。在对X沸石的改性中主要是降低沸石中硅铝比和通过碱金属或碱土金属离子与其中的Na+离子进行离子交换生成较高吸附分离性能的吸附剂。X沸石中的硅铝比一般在1.0-1.25范围(A型沸石Si/A1～1)，研究表明Si/A1～1的低硅沸石(LSX )比一般的X沸石(Si/Al=1.25)具有更高的吸附分离性能(Mortier & Bosmams , 1971; Mortier, Bosmams & Uytterhoeven, 1972;雷晓钧，胡克季，薛志元等，1999)。这是由于硅铝比越小，沸石骨架中铝含量越高，负电荷也越多，骨架中电中性所需的阳离子数越多，这样会有更多的阳离子对气体分子产生作用力(Mullhaupt & Stephenson,1993 )。因CaX沸石具有较高的氮、氧分离系数(即平衡选择性)和氮吸附容量，使其在常压冲洗过程中不能有效脱附，只能适合于抽真空解吸的VSA空分制氧过程，同时也使VSA空分制氧的生产规模进一步增大，到1988年VSA空气制氧的氧产量可达到100吨/天(Ruthven, Farooq&Knaebel,1994)。
评价一种吸附剂对某种混合气吸附分离性能的优劣主要是考察其对强吸附组分的吸附量大小和强弱组分的吸附选择性(即分离系数的大小)。选择吸附剂主要根据是吸附平衡等温线(简称吸附等温线)，吸附等温线是描述一定温度下，随着吸附压力增加吸附组分在吸附剂中吸附平衡吸附量的变化曲线;对多组分混合气体的吸附等温线，一种最简单的近似方法是把纯气体的吸附平衡关系认为是具有加和性而得到混合气的吸附等温线(杨，1991);而更合理的方法是通过对混合气进行动态穿透实验来测定出各组分的吸附等温线
(Malek&Farooq,1996;Wang,Farooq&Tien,1999)。
在变压吸附空分制氧过程中，气体的压力和流速会随循环步骤的变化而变化，吸附剂床层中气-固和固-固之间会产生摩擦，对吸附剂使用寿命会有影响;同时，吸附过程会释放出热量，而床层温度的升高会降低吸附剂的吸附分离性能，所以床层中吸附剂吸附产生的热量希望能较多被吸附剂吸收或迅速的传递，减少温度的波动。要保证吸附剂在变压吸附空分制氧工业应用中有稳定和良好的吸附分离性能，需具备以下特性:1)高的强度，2)良好的耐磨性，3)较大的体积密度，4)较低的晶体间空隙率，5)较高的热容，6)较大的热传导，7)较低的O2吸附容
量，8)较小的颗粒尺寸(Watson, Agrawal, Webley & Wehrman, 1997)
2.2 吸附循环理论
变压吸附循环：变压吸附空分制氧包括PSA和VSA循环过程，
两种循环过程是由一系列基本步骤组成，而且不同空分制氧过程可能有不同的循环步骤，这些步骤使不同吸附塔之间相互关联，使床层得到有效的吸附和再生。
变压吸附过程中吸附气体的脱附有常压冲洗解吸和抽真空负压解吸两种方式;按照脱附方式的不同，变压吸附空分制氧可分为PSA过程和VSA过程。PSA(Pressure Swing Adsorption)是在较高于常压下吸附和接近常压下冲洗解吸的循环过程，循环过程进料空气需用压缩机压缩，常应用于医用氧的生产和规模较小的场合，所用的吸附剂一般为5A和13X沸石。VSA(Vacuum Swing Adsorption)是在接近常压下（或者说超大气压）吸附而在抽真空负压再生的过程，循环过程通过鼓风机提供进料空气，适合于应用高性能吸附剂(如CaX和LiX沸石)，常压下难于冲洗解吸的空分制氧的场合(Ruthven,Farooq&Knaebel, 1994; Rege&}Yang, 1997)。
沸石分子筛对空气中各气体组分的吸附有其自身的特殊性质：在一定时间内，其对空气中氮分子的吸附容量远远大于氧分子的吸附容量（图1所示）。即沸石分子筛是选择型的吸附剂，沸石分子筛因为具有选择吸附空气中氮气这一特性，因而被广泛应用于空气分离制取氧气。在吸附平衡情况下，气体压力越高，则吸附剂的吸附量越大。反之，压力越低，则吸附量越小（图2所示），吸附分离正是遵循这一基本原理而进行有效的气体分离：
PSA循环：最典型的变压吸附空分制氧循环过程是两塔四步的Skarstrom循环，Skarstrom循环最早应用于两塔变压吸附空分制氧过程。循环过程由充压、吸附、逆向放空和逆向冲洗四步
组成，它是设计更复杂PSA过程的基础(Ruthven, Farooq&Knaebel, 1994; Zeng & Guan, 2002)。
如图所示的Skarstrom循环是变压吸附制氧技术最简单应用单元，它由两只装满沸石分子筛的吸附塔、进气管路和阀门、出气管路和阀门组成。如左图所示，当空气从进气端进入，流经吸附塔内的吸附剂（沸石分子筛）时，空气中的氮分子被吸附，而未被吸附的氧分子则被富集起来，由出气端流出；当沸石分子筛吸附饱和后，关闭进气阀和出气阀，打开排气阀，就可以对吸附剂进行解吸再生（如右图所示）；再生完全后用于下一个吸附周期。
由于Skarstrom循环的放空和冲洗步骤中吸附塔内气体(富含强吸附组分和部分弱吸附组分)通常是直接排空，所以放空和冲洗对整个出口产品气损失的相对贡献程度依赖于吸附压力的大小。当吸附和冲洗之间的高低压力比大时，由于是高压下的产品气对接近常压的床层进行冲洗，冲洗所用的产品气的比例十分小，通常可以忽略冲洗量对产品气收率的影响;但空分制氧过程的吸附和冲洗高低压比通常不大(3.0-6.0)，要达到吸附剂再生的目的所需的冲洗量较多，所以冲洗量对产品气损失影响较大;在另一方面，随着吸附压力的增加放空损失(床层死空间中的氧量)的贡献也增加，而且在较高的吸附压力下放空气中氧的损失占主要部分
(Ruthven, Farooq & Knaebel, 1994)。因此大多数PSA循环的改进是减少放空中的损失，这种改进的方式主要是在Skarstrom循环中增加均压步骤
Skarstrom循环的改进主要目的是减少放空气体和冲洗气中产品气组分的损失，在保证一定产品气纯度的要求下提高产品气收率和床层的使用效率
改进Skarstrom循环的方法首选是在循环中引入均压步骤，实际过程中均压步骤可以是吸附塔之间的均压和吸附塔与罐之间的均压。Marsh等人首先提出了在两个床层之间增加一个空罐作均压罐以减少放空损失的方法(Marsh, Hoke&Pramuk, et al., 1964);这种方法是在吸附步骤没有穿透前停止进气，使产品气端与均压罐相连进行均压，这样富含产品气的部分压缩气就储存下来，这些储存的气体用于冲洗床层，这样可以减少产品气的冲洗量，相应地增加收率
。Berlin首次在Skarstrom循环中提出吸附塔之间引入均压步骤(Berlin, 1966)。均压步骤中压缩气从高压床层对低压床层部分充压，从而可以保存压缩能，同时均压气体可以去除另一床层出口端的部分强吸附组分，这样放空损失减少了近一半，从而明显地提高了出口产品气的收率和降低了能耗。
设备一般包含有压缩机、空气预处理、吸附分离塔、控制系统等：
另外，使用多塔体系与一系列均压等步骤相结合可以进一步提高产品气的收率。多塔体系中还可使用顺放气来冲洗其它床层，这样可以减少产品气冲洗的用量而增加收率:在多塔变压吸附体系中通过均压等改进步骤可以保存更多的压缩能，但需要更复杂的吸附塔之间工艺组合，从而增加装置的投入成本;所以目前变压吸附空分制氧工业应用中通常使用2-4个床层。
其次是用产品气代替进料气进行充压。用产品气充压的观念是首次出现在Wagner的氢气纯化的专利(Wagner, 1974)中提出。充压步骤中进料气是从进口端进入进行充压，而空分制氧过程中用产品气氧充压是从产品气出口端进入，充压过程使吸附柱中强吸附氮气组分驱赶到吸附塔的进料端，从而可以提高了产品气的纯度。
VSA循环
由于采用真空脱附的VSA过程通常可用鼓风机提供气源而不需进行空气压缩，所以在生产规模和能耗等方面应该优于PSA过程
同时高性能空分吸附剂(如CaX和LiX)用常压冲洗难于得到满意的脱附效果而需要在真空状态进行脱附(Baksh,Kikkinides&Yang,1992; Rege&Yang, 1997 )。
传统的VSA循环一般由充压、吸附、抽真空解吸等步骤组成，设备包含有鼓风机、真空泵、吸附分离塔、控制系统等：
其基本流程如下：
随着氧生产规模的扩大和能耗降低的要求使VSA制氧过程在不断改进和完善，其主要表现在以下一些方面:
(1)采用多次均压步骤。Hirooka和Miyoshi使用NaX沸石生产95%氧纯度的过程发现在VSA循环中一次均压优于两次均压(Hirooka&Miyoshi, 1985)。另外，Haruna等把均压的概念扩展到三床的VSA过程，强调了均压时间应该缩短，这样氮气量从一个床层进入另一个床层的量就减少;缩短均压时间的一种有效方法就是同时进行均压降和逆放步骤，Haruna等在循环中使用同时压降和逆放排空的方法，从而使每吨产品氧气 (93%)所需吸附剂(CaA沸石)的用量大幅度减少，收率则大幅增加(Haruna, Kanji&Uno, 1987).
(2)抽真空后采用冲洗步骤。真空冲洗的气体包括产品气和均压降的气体。Armond和Ray提出了在抽空后用产品气冲洗床层的方法，它利用了低压时冲洗再生更有效的事实
(Armond&Ray, 1979). Reiss通过应用均压降的气体对床层进行冲洗来减少产品气氧的冲洗量，扩展了真空冲洗的理念;而且冲洗步骤后由于是用产品气氧来充压，所以含有少量杂质均压降气体在真空状态下对床层进行冲洗并不影响VSA过程的表现。
此外，在围绕VSA变压吸附循环过程的诸多方面，众多学者、研究机关、企业都进行过各种尝试，但无非围绕：
在流程改良上提高吸附剂的利用效率，增加单位吸附剂的氧气生产量，以降低一次装填量，直接降低成本，同时，压缩系统体积；
在流程改良上提高氧气回收率，较为有效的方法是多塔、多均以及改良的均压，循环有价值气体的工艺措施；
经过多年的改良尝试、发展以及实践检验，逐步的，以浅床层、多塔、多均、短的循环周期，尤其是循环有价值气体的吸附分离工艺措施，已经成为VSA循环的主流技术。
2.3 变压吸附一般性技术优点
传统的制氧方法需将空气冷至液态(约-180℃)，通过精馏制取氧气。VSA制氧机在常温、常压下进行工作，有以下先进性：
制氧成本低。尤其VSA氧气系统，选择低硅CaX沸石分子筛(ZMS)和循环有价值气体的吸
附分离工艺，使得制氧系统能耗低，具有较高的性价比；
工艺流程简单，设备少，自动化水平高，操作方便。
与深冷法相比，占地面积小、结构紧凑、节省空间，可用于室内、外操作。
起动迅速，起动约30分钟可正常供氧，停机方便，可间断运行。系统全自动控制，无需
多人看管。
常温低压下工作，再生过程无须加热，无任何危险性。
产品纯度及产量易于调整，适应能力强。氧气纯度(21%～93%)和流量可控调节，当用氧量
或用氧纯度降低时极大节能。
超级过滤保护系统减少沸石分子筛被污染; 先进的沸石分子筛压紧技术减小沸石分子筛
的粉化和床层下降而降低性能。
VSA系统经过实践经验证明了它的耐久性，沸石分子筛的设计使用寿命通常超过5年 尤其是SSS实业开发的模块化吸附分离系统，因可任意扩展成任何基于单塔、2塔、3塔
、多塔体系的分离系统，大大方便不同需氧量的客户选择，而且，通过事先明确需要的分离介质，可通过简单的更新吸附剂以取得多种气体的联合分离，几乎适用一切基于变压吸附制氧、制氮、干燥等应用领域。
2.4变压吸附制氧与深冷空分制氧以及与膜制氧的比较 分离工艺
比较项目
流程
占地面积
投资 深冷空分制氧 复杂 最大 投资最大 膜法制氧 简单 最小 投资最省 变压吸附制氧（PSA/VPSA） 简单 较膜法大，较深冷小 投资大
使用寿命 主体设备10年以上 （膜的使用寿命10年以上主体设备10年以上 主体设备10年以上（分子，10年后性能将下降（分子筛一般更换周期筛一般更换周期5-10年）10-15%，可通过模块化重5-10年）
新组合达到使用要求）
大
大 基本免维护 小 中等 大 维护费用 相对投资
能耗指标 能耗较低，尤其VSA，因为采用负压工艺而能耗更低适用于低纯度氧气分离，，接近膜制氧能耗，塔器大气量高纯度能耗最低，在低于30%以下的纯度范较大时因运输不便需现场中小气量能耗高于PSA 围内，其能耗最低。 制作，适用于中小型氧氮
分离，可自空气中分离高
达90-95%的氧气
操作复杂，无法随用随开
，操作人员需要长时间专
业技术培训（2个月），并操作简单，即开即用，开且具有丰富的实践操作经机5分钟达到指标，可随验才能上岗，启动一般在时停机，停机多长时间都操作难易程度 10小时以上，甚至更长。不会影响工况，可立即投即使停机时间几个小时，入使用，简单培训就可上也会影响运行工况，停机岗操作 时间过长，工况无法恢复
正常，需解冻、加温、吹
除等，然后重新启动。 操作较为简单，即开即用，开机40分钟达到指标，可随时停机，停机后再次使用30分钟可投入使用，简单培训就可上岗操作
安装 设备简单，模块化，安置设备复杂，需考虑安装成设备较为复杂，需要一定在平整的空地上即可，简本，一般的，与设备造价的基础与专用厂房，须考单连接管路就可，无须考相当 虑安装成本 虑安装成本
大 静态运行，无噪音 大
需要配套专门厂房，建筑无须配套专门厂房，安置须配套专门厂房 成本高，占地大 在平整的空地上即可
一般不可移动，固定式安可设计成集装箱型、撬装固定安装，固定使用 装，移动式机型很小，而式，安放在汽车上进行流噪音 厂房要求 撬装移动
分离工艺
比较项目 深冷空分制氧
动作业 膜法制氧 变压吸附制氧（PSA/VPSA） 且需要特别设计
安全性 氧氮分离在常温低压下进氧氮分离在超低温下进行行，无相变过程，简单的，有相变过程，有安全隐“过滤形式“，本安型设
患，需培训持证上岗 备，无安全隐患，简单培
训就可上岗操作
1）、空压机
2）、空气预冷系统
3）、空气纯化系统
4）、热交换器
5）、冷凝蒸汽器
6）、活塞式膨胀机
7）、过冷器
8）、分馏塔
9）、高纯氧塔
10）、氧气压缩机，灌充
器 1）、真空泵（组） 2）、富氧膜组件 3）、低压氧气贮罐（常压容器） 简单到甚至可以无须电器控制，接上真空泵就可以从膜组件抽取氧气； 氧氮分离在常温低压下进行，无相变过程，本安型设备，无安全隐患，经培训可上岗操作 主要装置 1）、压缩机（真空泵） 2）、缓冲罐（压力容器）3）、空气预处理 4）、 PSA/VPSA分离装置（压力容器） 5）消音器 6）、氧气贮罐（压力容器） 7）、控制系统
3 SSS PSA/VSA变压吸附制氧技术特点与优势
众多先进的物质分离过程技术大都来自美国，而联碳公司（UCC）则是美国物质分离过程应用研究的开路先锋，在石油、化工、稀有物质、军事目的分离等广泛背景题材的驱动下，其强大的开发力量突破了众多技术领域的难题，为各行各业的分离过程做出了很多开创性的工作，至今，大部分化工领域的物质分离过程技术均来自于联碳的技术专利。
在20世纪40年代末，联碳（UCC）公司成功合成了沸石分子筛，并于1956年首先在全世界实现了第一台真正意义上的变压吸附工业化氧气生产装置，开创了PSA/VSA氧氮分离的新纪元， C.W.Skarstrom于1960年获得了变压吸附分子筛制氧的专利权，其后，在PSA技术的开发及应用方面，联碳长期处于领先位置，PSA/VSA也开始向工业化迈进；大半个世纪美国的工业化进程为PSA/VSA的推广带来了良好的契机，英、德、日等国相继进行的大量试验研究工作为变压吸附吸附剂的改性，循环流程改良做出了巨大贡献，随着能耗降低，产量增大，深冷法分离一统天下的局面得以改变，八十年代PSA空分装置以中、小型为主，产量从医用0.1Nm3/hr到工业用1500Nm3/hr。进入九十年代，日本三菱重工更是制造了世界上最大的PSA制氧装置，其产量为8650Nm3/hr.期间，石油、化工以及众多需要现场供氧的场合均有PSA分离技术的
身影，类似以前不可想象的机载氧气分离也以前所未有的推广速度进入各国空军以强化其适航保障能力；
SSS实业及其控股公司在多年VSA/PSA制氧系统设计制造经验的基础上，自上世纪90年代开始，依托具有十余年从事吸附分离的军工技术研发团队，展开了自新材料、新工艺、新构件直至工装模具等全方位的开发，经过长时间对核心分离材料（吸附剂、分子筛）的反复改良、筛选、定型，以及对循环流程、工艺方法、装置构建的改进，形成了独特的自有技术，其中：
1) 核心分离材料的研发
开发了一种低硅CaX分子筛（Ca-LSX沸石），可应用于低成本工业制氧；
开发了一种低硅LiX分子筛（Li-LSX沸石），可应用于高效分离氧气；
开发了一种低硅稀土LiX型分子筛（RELSX沸石），具备高效的氧氮氩分离能力，可直接自空气中获得纯度达99%以上的高纯度氧气；
研制了一种特种吸附剂，通过装填该吸附剂至分离系统的缓冲罐可在同等容积条件下大大增强缓冲能力，通过这一有益的改良，可大大降低装置缓冲容积的需求，大幅减少装置体积；
并由此获得进入实质性审查发明专利5项
一种X型沸石分离材料及其制备方法
一种中空纤维分子筛吸附剂材料的制备方法
一种窄粒度分布的ρ型分子筛的合成方法
一种双复合非对称结构中空纤维陶瓷透氧膜及其制备方法
舰船仪表空气就地供给系统及方法
众所周知，以平衡控制理论为基础的吸附过程中，评价一种吸附剂对某种混合气吸附分离性能的优劣主要是考察其对强吸附组分的吸附量大小和强弱组分的吸附选择性(即分离系数的大小)，其次，1)高的强度，2)良好的耐磨性，3)较大的体积密度，4)较低的晶体间空隙率，
5)较高的热容，6)较大的热传导，7)较低的O2吸附容量，8)较小的颗粒尺寸等等，都是工业氧氮分离吸附剂必不可少的元素，X型沸石具有更大的孔容和孔直径，对氮更高吸附量，比常规吸附剂有着更优异的性能，以此吸附剂为基础的平衡吸附使得本公司氧气分离装置：更加耐用，吸附剂使用寿命更长，单位吸附剂产氧量高，氧气回收率高于同行20%以上，采用稀土LiX型分子筛（RELSX沸石）的装置更突破了变压吸附技术不能提取95%以上纯度的氧气的技术瓶
颈，可使氧气纯度达到99%以上。而且，量身定制的专用吸附剂在受到意外污染后有简单可行的再生方法，可低成本再生，从而使得系统真正贴近工业化生产
2) 吸附分离工艺的研发
开发了一种循环有价值气体的分离工艺，提高系统分离效率；
开发了一种氧氩分离工艺，可实现氧氩分离，可以常温空分方法获得纯度达99.5%以上的高纯度氧气；
开创性的开发了一种非对称变压吸附分离工艺；
开发了一种多循环常温空气分离方法，获得了多循环分离体系的联合分离工艺方法； 开发了一种变压吸附的氧氮联合分离的方法，为耦合分离工艺同时制取高纯度氧气与高纯度氮气创造了条件；
并由此获得了发明专利授权2项：
循环有价值气体的变压吸附方法
一种从空气中提取高纯度氮气的方法与装置
实用新型专利授权3项：
高纯度氮气制取装置
氧氩混合气非深冷变压吸附分离装置
多循环常温空气分离系统
以及进入实质性审查发明专利4项：
一种变压吸附的氧氮联合分离的方法与装置
多循环常温空气分离系统和方法
高纯度氮气制取方法与装置
一种舰船供氧保障系统和方法
Skarstrom循环是变压吸附循环的基础，众多学者、研究机关都进行过深入的研究，其过程涵盖包括动力学、热力学、流体、机械等等专业学科，是项非常复杂的过程。工业氧气制造的大部分研究集中在以减少放空气体和冲洗气中产品气组分的损失，以保证一定产品气纯度的要求下提高产品气回收率和床层的使用效率，SSS实业针对流程工艺开发了循环有价值气体
的分离工艺、非对称吸附分离工艺、氧氩分离工艺、多循环常温空分工艺以及氧氮一体化联合分离工艺，几乎涵盖空气分离所有技术领域，通过对流程工艺技术的改良，以及对床层稳定性方面进行的卓有成效的改善，使得SSS 实业氧气制造系统更稳定、也更有效率；
3) 特种控制阀门、附件的研制
研制了一种可高度集成的管道流向控制阀，以提高系统可靠性
研制了一种可高度集成的流体灌充控制方法及其装置，以提高气体灌充效率及可靠性 并由此获得了发明专利授权2项：
一种集成化管道流向控制阀
一种集成的流体灌充控制方法及其装置
为系统流程构建提供了简便、必要的扩展保障
4) 工装、模具，系列模块化吸附分离组件
研制开发了系列模块化通用变压/变温吸附分离组件，为吸附分离系统标准化生产奠定了基础；
4 SSS 实业常规PSA/VSA变压吸附制氧技术特点与优势
由SSS实业提供的制氧系统是专门为满足低成本现场供氧需要开发的产品,它可方便、快捷、低成本的现场制氧，无须原料，接上电源即可供氧，可广泛的应用于各种需要现场供氧的工业场合. SSS实业可向客户提供氧气纯度23%-99.6%的各种制氧系统：
变压吸附制氧系统是利用变压吸附技术采用专用吸附剂在常温下将空气中的氧气富集出来的现场供气设备，SSS实业为炉窑助燃、化肥工业、玻璃加工、水产养 殖、污水处理、垃圾焚烧、发酵、金属切割等等应用领域提供各种变压吸附制氧系统，由SSS实业提供的变压吸附制氧系统具有极高的可靠性以及较低的运行成本，系统结构简化，体积小，仅只需要简单连接安装，便可连续工作，使用方便，由SSS实业提供的变压吸附制氧系统具有如下特点：
1）、 技术领先、工艺先进：
系统以空气为原料，不需任何辅料，以物理形式在常温下分离氧气，过程无污染废物，环保制氧；吸附塔结构设计摆脱传统“径高比”的束缚，吸附塔的尺寸大小依 据所用吸附剂的用量确定；独到的吸附剂惯性力装填方式，使吸附剂的装填密度达 到堆积密度的1.08倍，装填紧实，防止吸附剂床层流化、蠕动，有效的保证了床层 的稳定、可靠；始终如一的吸附塔空气流向，吸附剂无须机械力压紧，依靠吸附床层压力梯度（气体流阻限定）避免吸附剂在高频率的切换周期中受到疲劳磨损、流化，确保吸附剂使用寿命；吸附塔气流分布均匀，防止了短路、沟流，使塔内传质 区气体活塞流，提高了吸附剂的吸附效率；创新设计的非对称氧气提取系统可直接 自空气中分离纯度高达98%的高纯度氧气；创新设计的PSA技术与膜分离技术
的联 合分离系统更可将氧气纯度轻松提取到99.6%，也可以采用这种方法进行特种气体的高效分离、节约能源消耗；
2）、流程简单、系统构建简便、可增容扩展：
工艺流程简单，结构简便，设备总体安装布置合理，人性化设计，开停机仅需一个 控制按钮；创新设计的ATF单元模块化技术、标准接口，可方便的满足客户构建自 己需要的富氧提取系统，节约了安装空间：常压解吸PSA制氧系统采用两床工艺， 可依据小型分离器规格按照两床工艺、三床工艺进行系统构建以及围绕产量、使用压力等方面的扩展；真空解吸VPSA/VSA制氧系统专门设计成独立的单床分离器，可按单床、两床、三床等工艺形式进行系统构建以及围绕产量、使用压力等方面的 扩展；SSS实业生产的oxylead变压吸附制氧系统是可完全模块化的产品，可通过简 单的分离器扩展以达成自己的设计意图；特别的，也可通过调整分离器的分离性能以实现（比如调整吸附剂性能与装填量）；
3）、系统稳定可靠，维护简便：
SSS实业生产的oxylead变压吸附制氧系统具有极高的可靠性，采用的沸石分子筛具 有10年超长的使用寿命，精心设计的流程，高可靠性的元器件，自动程序控制，辅 以报警，运行安全可靠；简单的TES维护原则，设备维护只需要：10个月更换氧电极；8个月更换第三级过滤器滤芯，6个月更换第一、二级过滤器滤芯；
4）、能源消耗低、纯度高：
系统采用高性能沸石分子筛，它具有极高的动态吸附容量与良好的解吸性能，氧氮 分离效率高；精心设计的流程，采取了多种能量、物质回收措施，不仅提高了氧气纯度，也降低了能源消耗，较同类产品节约能源消耗20%以上；创新设计的非对称氧气提取系统可获得宽广纯度范围的同时，更可将系统能源消耗降低创新设计的膜与吸附分离技术的联合分离系统充分利用了两种技术的优势，应用于氧气提取，可 取得更高的纯度，更低的能源消耗，为同业首创
5 SSS 实业模块化PSA变压吸附制氧技术特点与优势
模块化变压吸附制氧是采用SSS实业及其控股公司研制的可模块化、标准化生产的变压/变温吸附装置通用组件构建的制氧系统；
传统的变压吸附制氧系统大都基于双塔、多塔结构，单独设计、单独制造，交付周期长，同时，基于各种工艺流程的吸附工艺采用了大量的程控阀门，也因此带来了各种复杂的管线连接作业，这些，都使得系统变得更为复杂，难以维护，需要专业人员跟随系统交付直到安装调试，甚至维护作业也离不开专业厂家的技术支撑，如何使得制氧装置自设计、制造、直至安装
维护变得大众化，如家电一样即买即用？SSS实业的模块化变压/变温吸附装置通用组件正是基于此的一种良好解决方案！
模块化变压吸附制氧主要技术特点：
采用优质高强铝合金材料制成的全套标准吸附分离结构组件，组装后设备外形美观大方； 专门设计开发的“与非门程控阀”完全按照控制逻辑编程实现各种分离工艺流程；
“与非门程控阀”与吸附分离装置融为一体，没有了复杂的管线连接，机身结构紧凑，体
积小，维护方便；
全系列产品模具，标准化、模块化生产制造，一周内可交付任何吸附分离为基础的吸附分
离制氧系统
技术规格与系统扩展方法简单可行：模块化吸附分离组件的扩展可完全按照客户所需制氧
量计算获得所需装填的分子筛数量来安排吸附分离单元构件，如一台需要装填240kg 吸附剂的分离单元，可选择标准内直径160mm 的吸附塔组件以及缓冲罐体套件来实现，经校核空速后定型生产，并可随时进行模块化扩展
循环有价值气体的变压吸附分离技术，氧气纯度高，能源消耗低，为同业首创；
模块化变压吸附制氧系统基本组成（以一个含空气及氧气缓冲罐的模块化变压吸附制氧单元为例）
SSS 实业技术中心 2012年11月宣
变压吸附制氧一般性技术原理 大型V/PSA制氧工艺流程图
（液氧罐以及汽化器等为紧急供氧采用的扩展备用配置—液氧备用，可选） 15KPa 『2011-2015 上海穗杉 版权所有』 『 2012年11月12日 』 『 第 19 页 共 19 页 』