空气中的主要成分是氮气和氧气。通过选择对氮和氧具有不同吸附选择性的吸附剂,并设计适当的工艺,便能将氮和氧分离。
氮原子和氧原子都具有电四极矩,但氮原子的电四极矩比氧原子要大很多,所以氮在沸石分子筛上的吸附能力强于氧。因此,当空气在压力下通过分子筛吸附床时,氮被分子筛吸附。由于氧气吸附较少,因此氧在气相中富集同时从吸附床中流出,从而氧氮分离获得氧气。在分子筛对氮的吸附趋于饱和时,停止气流流入并使压力下降,分子筛吸附的氮可以被解吸,分子筛得以再生和再利用。两个或多个吸附床交替轮流工作以连续产生氧气。
从上述原理可知,变压吸附空气分离制氧设备的吸附床必须至少包括两个操作步骤:吸附和解吸。因此,当只有一个吸附床时,产物氧的可用性是不连续的。为了连续获得产物气,通常在制氧机中通常安装两个以上的吸附床,并且从节能降耗和稳定运行的角度出发,还提供了一些必要的辅助步骤。
每个吸附床通常经历吸附、正向减压、抽空或减压再生、冲洗置换、压力均衡和增压的步骤,并且该操作周期性地重复。同时,每个吸附床处于不同的操作步骤。在计算机的控制下,有规律地切换吸附床,使多个吸附床协调运行,并按时间步长错开,使变压吸附装置能够平稳运行并连续获得产物气。