吳 衛(wèi) 石紹軍

(湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程系,湖南株洲 412004)

變壓吸附分離技術(shù)在氮氣生產(chǎn)中的應(yīng)用

吳 衛(wèi) 石紹軍

(湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程系,湖南株洲 412004)

分析了變壓吸附氣體分離技術(shù)制取氮氣的原理、工藝流程,比較了變壓吸附制氮與其他制氮方法的優(yōu)點,并且就變壓吸附制氮裝置選型時注意事項和裝備進(jìn)行了介紹,在2 000m3(標(biāo))/h能力范圍內(nèi),比深冷更具吸引力。

變壓吸附;氮氣;選型

1 概 述

氮氣在自然界中分布很廣,它的分子式為N2,是空氣的主要成分,氮氣在干燥空氣中體積占空氣的78.08%,氣源豐富,在生產(chǎn)中的應(yīng)用已日益廣泛。目前廣泛應(yīng)用于安全保護(hù)氣、置換氣、注氮三次采油、煤礦防火滅火、氮基氣氛熱處理、防腐防爆、電子工業(yè)、集成電路等。

工業(yè)用氮的制取方法主要有:低溫精餾法(深冷法):傳統(tǒng)的空氣分離是采用深冷法,利用空氣中氧氮等的沸點不同,使空氣深冷液化,進(jìn)行分離提純。雖然分離量大,純度高,但是工藝流程復(fù)雜,設(shè)備制造、安裝、調(diào)試要求高,投資大,占地面積大,低溫精餾法已有一百多年的歷史,工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)氧、氮以此法最為經(jīng)濟,但至今已難以在空氣分離領(lǐng)域中一統(tǒng)天下,不適宜應(yīng)用于中小氣量;變壓吸附法:20世紀(jì)70年代初,我國變壓吸附法制取N2的就地裝置開始在市場上出現(xiàn),經(jīng)過不斷完善和改進(jìn),促使中小型空分設(shè)備在制氮領(lǐng)域內(nèi)采用變壓吸附法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過低溫精餾法;薄膜滲透法;化學(xué)吸收法[1,3]。通過近30a來的摸索,變壓吸附制氮技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)完善。變壓吸附氣體分離技術(shù)(PSA)工藝過程簡單,設(shè)備制造容易,占地少,啟動時間短,設(shè)備維護(hù)簡便,適應(yīng)性強,自動化程度高,可隨時開停車不需采用特別措施。因此,近年來變壓吸附在中小規(guī)模裝置的應(yīng)用日益增加。目前國內(nèi)外供氮的方式,一般有以下幾種:①氮氣就地裝置供氮;②液氮貯槽汽化供氮;③管線供氮;④鋼瓶供氮。

我國在80年代前制氮裝置大多采用深冷法,深冷空分作為一種傳統(tǒng)的制氮方法為人類服務(wù)了幾十年,至今在大規(guī)模供氮時還是離不開深冷法。然而,深冷空分裝置復(fù)雜,設(shè)備投資、占地面積及基建費用等都比較大,操作、管理和維修也比較麻煩,因而70年代以來,國內(nèi)外積極運用變壓吸附分離理論,研究開發(fā)分子篩空分的制氮技術(shù),變壓吸附制氮設(shè)備簡單,裝置小巧,投資省,操作、維修方便,可實現(xiàn)自動和遠(yuǎn)程控制,所以,它倍受青睞。

2 變壓吸附分離原理及技術(shù)優(yōu)勢

2.1 變壓吸附分離原理[1-2,4]

變壓吸附制氮(簡稱PSA制氮)是一種先進(jìn)的氣體分離設(shè)備,以優(yōu)質(zhì)的碳分子篩(CMS)為吸附劑,采用常溫下變壓吸附原理(PSA)分離空氣制取高純度的氮氣。氧、氮兩種氣體在分子篩表面上的擴散速率不同,直徑較小的氣體分子(O2)擴散速率較快,較多的進(jìn)入碳分子篩微孔,直徑較大的分子N2擴散速率較慢,進(jìn)入碳分子篩微孔較少。利用碳分子篩對氮和氧的這種選擇吸附性差異,當(dāng)壓縮空氣通過碳分子篩吸附塔時,氧在吸附相富集,氮在氣體相富集,可使氧氮分離,在 PSA條件下連續(xù)制取氮氣。碳分子篩對氧的吸附容量隨壓力的降低而減少,減低壓力,即可解吸,完成碳分子篩的再生。另外,碳分子篩對二氧化碳和水分也有吸附能力,且較容易減壓解吸。碳分子篩對氧氮的吸附速度相差很大,(如圖1所示),在短時間內(nèi),氧的吸附速度大大超過氮的吸附速度,利用這一特性來完成氧氮分離。

圖1 碳分子篩對氧氮的吸附動力學(xué)曲線

2.2 變壓吸附制氮裝置流程簡述

變壓吸附制氮裝置采用常壓解吸雙塔流程,即環(huán)境空氣經(jīng)空氣壓縮機并吹除飽和水后,流經(jīng)冷凍干燥機組,除去大部分的冷凝水,除油后進(jìn)人分子篩吸附器,以保障碳分子篩的吸附效率和壽命。

吸附器共有兩個,凈化后的壓縮空氣進(jìn)人一個吸附器的底部向上流動,在經(jīng)過分子篩時,少量水份、二氧化碳和氧被其吸附,流至吸附器頂部的氣體,即為所獲得的產(chǎn)品氮?？諝庵醒?、氮的分離是在兩吸附器之間輪流進(jìn)行的,所設(shè)置的切換閥使一個吸附器處于加壓吸附狀態(tài),另一個吸附器則處于減壓解吸狀態(tài);如此交替,便可連續(xù)生產(chǎn)氮氣。所供氮氣的壓力一般為0.5～0.8MPa,氮純度可達(dá) 99.5%～99.99%。99.99%以上的純度一般配后級凈化裝置(小設(shè)備除外),使生產(chǎn)的氮氣純度達(dá)到99.995%～99.9995%的高純氮。變壓吸附制氮裝置后部加斯特林制冷機,可制得不同純度的液氮,斯特林制冷機單臺能力為8L/h和20L/h兩種規(guī)格。

2.3 變壓吸附制氮裝置優(yōu)勢[5-7]

(1)成本低:PSA是一種簡便的制氮方式,開機后幾分鐘產(chǎn)生氮氣,氮氣成本低于深冷法空分制氮。

(2)選用優(yōu)質(zhì)進(jìn)口碳分子篩:具有吸附容量大,抗壓性能高,使用壽命長。

(3)雄厚的技術(shù)力量和優(yōu)良的售后服務(wù):設(shè)備集裝箱化,現(xiàn)場安裝時,只需連接氣源,電源。

(4)優(yōu)良的電氣和機械裝配技術(shù),提供連續(xù)性技術(shù)服務(wù),負(fù)責(zé)現(xiàn)場調(diào)試及培訓(xùn)工作。

(5)低能耗:采用獨特的吸附塔、布?xì)庀到y(tǒng)、碳分子篩裝填工藝,并針對不同要求的制氮機選用不同工藝和不同型號的優(yōu)質(zhì)碳分子篩,使吸附塔體積縮小,空氣消耗量降低,從而合使能耗降低。

(6)智能化:采用人性化的人機界面,智能化控制,您所做的只是按一下按鈕,就能源源不斷的供應(yīng)所需的氮氣,解決您外購氮氣及搬運氣瓶的煩惱。

(7)個性化;為特殊客戶量身定做,無需氮氣純化裝置,也可直接制取純度為99.999%的高純氮氣。

(8)模塊化:采用獨有國家專利技術(shù)的模塊化結(jié)構(gòu),設(shè)備結(jié)構(gòu)清晰流暢,緊湊美觀,具有極大的靈活性,便于未來系統(tǒng)擴容,降低投資成本。

(9)長壽命:采用獨有的氣流控制技術(shù)和分子篩裝填技術(shù),最大限度的減小氣流對分子篩的沖擊,降低分子篩的磨損,壽命更長。

3 變壓吸附制氮裝置選型時注意事項

變壓吸附制氮裝置(簡稱:制氮機)的選用涉及問題較多,主要應(yīng)注意如下事項:

3.1 氣源系統(tǒng)配置應(yīng)合理

由于吸附劑是絕對不能被油或水污染的,否則吸附效果會幅度下降,因此氣源的清潔度是十分重要的。根據(jù)壓縮空氣中不可避免含有一定油蒸氣的實際情況,因此一般應(yīng)選用無油壓縮機。如果采用有油壓縮機,則系統(tǒng)必須配置嚴(yán)格除油的裝置,以確保分子篩不被污染。同時由于水對分子篩來講是第二個致命“殺手”,因此壓縮空氣需干燥除水,提高分子篩吸附能力和穩(wěn)定是需要十分重視的問題。

3.2 碳分子篩(CMS)質(zhì)量應(yīng)可靠

碳分子篩是變壓吸附制氮設(shè)備核心。碳分子篩的主要性能指標(biāo):硬度、最大產(chǎn)氮量、最大回收率、充填密度等都會直接影響CMS的吸附性能與使用壽命。

3.3 碳分子篩應(yīng)采用先進(jìn)的裝填方法

碳分子篩裝入吸附塔后,吸附塔的結(jié)構(gòu)必須保證碳分子篩在氣流沖擊下,位移最小,否則容易造成分子篩的粉化。但分子篩在塔內(nèi)是不可能“絕對緊密”,在使用一段時間后,分子篩間的空隙在減少,慢慢下沉,因此必須采用壓緊繃裝置,使碳分子篩處于壓縮狀態(tài),以免相互碰撞,發(fā)生移動,導(dǎo)致分子篩粉化。

3.4 控制閥門的使用壽命

閥門的使用壽命應(yīng)超過一百萬次。閥門必須具有以下性能:應(yīng)在接受動作信號后的0.5～1s內(nèi)完成開或關(guān)的動作;密封性能好;能承受頻繁的開、關(guān),保證百萬次的使用壽命;維修方便;易損件采購方便。

4 技術(shù)發(fā)展和展望[1,7]

變壓吸附制氮技術(shù)的發(fā)展主要是吸附劑技術(shù)的發(fā)展。1977年德國埃森礦業(yè)研究有限公司BergauForschung(B.F公司)研制開發(fā)了碳分子篩制氮技術(shù)以來,日本美國等都迅速發(fā)展起來。1981年吉林化工設(shè)計研究院研制的碳分子篩通過了省級鑒定,隨后中國船舶工業(yè)總公司也研制開發(fā)了碳分子篩。1986年浙江長興化工廠采用上海化工研究院技術(shù)生產(chǎn)的碳分子篩成為國內(nèi)主要碳分子篩生產(chǎn)力量。國外大批量生產(chǎn)碳分子篩的有德國BF公司、美國Calgon碳公司、日本 Takeda化學(xué)工業(yè)公司和 Kuraray化學(xué)品公司。國內(nèi)上?；ぴO(shè)計院、四川天一科技、溫州瑞氣空分設(shè)備有限公司等企業(yè)生產(chǎn)氮氣裝置規(guī)模和技術(shù)水平發(fā)展速度很快,接近世界先進(jìn)水平。通過對不同的分子篩比較,國內(nèi)碳分子篩的產(chǎn)氮率還遠(yuǎn)低于國外產(chǎn)品,主要原因是國產(chǎn)碳分子篩比表面積僅是BF公司的55%,微孔不夠發(fā)達(dá)。造成此狀況的原因是沒有完全掌握制作工藝條件和原料配比,檢測設(shè)備落后無法及時監(jiān)控生產(chǎn),原料煤雜質(zhì)高等。近年來國內(nèi)碳分子篩也有了長足進(jìn)步,以浙江長興化工廠的碳分子篩的產(chǎn)氮率也接近180m3(標(biāo))/h·t,但是性能不穩(wěn)定易粉化,使用超過3～6a產(chǎn)氣量明顯下降。

工藝流程的設(shè)計發(fā)展與七八十年相比也有了很大發(fā)展。用產(chǎn)品氮氣的充壓和沖洗等流程的采用,提高了氮氣回收率和產(chǎn)量。從二塔流程發(fā)展到三塔四塔流程,提高了裝置的經(jīng)濟性能。特別是不等勢均壓的應(yīng)用,使均壓后的2個吸附塔內(nèi)氮氣純度不同,從而降低排空氣體的含氮量,提高回收率。從變壓吸附制氮運行裝置來看,國內(nèi)主流流程為以國外碳分子篩為吸附劑,采用雙塔流程,在0.6～0.8MPa吸附壓力下,利用氮氣沖洗和常壓解吸流程,提取氮氣。這種配置能耗低,在0.3～0.4m3(標(biāo))/kW·h左右。最新碳分子篩研究技術(shù)是向碳分子篩中添加氧化鐵,以其磁性增加碳分子篩對氧氣的選擇吸附性。日本有過書面報道,大連理工大學(xué)也進(jìn)行了這方面的研究。在將來變壓吸附制氮技術(shù)生產(chǎn)的氮氣純度高于99.999%是極為可能的。從目前制氮技術(shù)應(yīng)用來看,碳分子篩技術(shù)成為主流技術(shù),沸石分子篩技術(shù)由于處理原料氣和真空解吸等繁雜步驟應(yīng)用較少。盡管沸石分子篩技術(shù)可以提取高純氮,不過能耗高規(guī)模也在200m3(標(biāo))以下。高純氮制取一般采用加氫脫氧技術(shù),在普氮中加入適量的氫氣,在加氫脫氧催化劑作用下,氫氣和氧氣反應(yīng)生成水,然后再除去殘余的氫或氧,最后通過干燥塔除去水分得到高純氮氣。

采用變壓吸附技術(shù)從空氣中提取氮氣,在中小規(guī)模用戶已經(jīng)廣泛普及。在2 000m3(標(biāo))/h能力范圍內(nèi),比深冷更具吸引力,已經(jīng)成為氮氣市場的主流,它不但生產(chǎn)過程簡單維護(hù)操作方便,產(chǎn)品純度在一定范圍內(nèi)可以任意調(diào)節(jié),而且規(guī)模從幾十到上千方規(guī)模可以任意選用。

[1] 陳運璞,張永春,郭敬杭,等.變壓吸附空分制氮吸附劑進(jìn)展[J].低溫與特氣,2002,(06).

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Application of PSA Separation Technique in Nitrogen Production

WU Wei,SHI Shao-jun
(Chemical Engineening Department of Hunan Chemical Vocational College,Zhuzhou412004,China)

This article describes the principle and processflow of nitrogen making by PSA separation technique.It also introduces the points for attention and equipment selection during design.

PSA;nitrogen;selection

TQ116.15

A

1003-6490(2010)03-0008-03

2010-09-15

吳 衛(wèi)(1967-),湖南安化人,高級工程師,主要從事氯甲苯及其下游產(chǎn)品的研究開發(fā)。聯(lián)系電話:13873326162