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真空變壓吸附制氧工藝設(shè)備選型及設(shè)計

2020-03-04 06:17
四川化工 2020年1期
關(guān)鍵詞:制氧羅茨蝶閥

(成都華西堂環(huán)??萍加邢薰?,四川成都,610031)

變壓吸附制氧技術(shù)有兩種方法:一種是采用高壓吸附和常壓解吸(PSA)的方法,此法多用于小型變壓吸附制氧項目上,主要用于醫(yī)療、小型臭氧項目和軍事等方面;另一種是采用低壓吸附和真空解吸(VPSA/VSA)的方法,此法主要用于工業(yè)冶煉鋼鐵、中大型臭氧項目和水泥行業(yè)等方面。相比于PSA制氧工藝,VPSA制氧工藝有兩個優(yōu)勢:一是可以提高產(chǎn)品氧氣的純度和回收率[1],二是能耗低,吸附劑用量更少。因此,在原料空氣壓力低和不需要高壓氧氣的情況下,選擇VPSA更為適用。

1 動力設(shè)備的選型

早期我國真空變壓吸附制氧技術(shù)采用的是離心式鼓風(fēng)機和水環(huán)式真空泵。隨著我國設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展和與國際技術(shù)的接軌,目前真空變壓吸附制氧技術(shù)都是采用羅茨鼓風(fēng)機和羅茨真空泵。羅茨鼓風(fēng)機和離心式鼓風(fēng)機的主要區(qū)別在于:羅茨鼓風(fēng)機為容積式鼓風(fēng)機,屬于恒流量風(fēng)機,輸出壓力變化時風(fēng)量變化很小,穩(wěn)定的風(fēng)量對吸附床層的沖擊比較小,有利于吸附劑的吸附;離心式鼓風(fēng)機屬于恒壓風(fēng)機,輸出的流量隨壓力的變化而不斷變化,雖然可以調(diào)節(jié)流量,但是調(diào)節(jié)之后,偏離設(shè)計的最佳工作點,效率會急劇下降[2],低于羅茨鼓風(fēng)機的效率。羅茨真空泵為容積式真空泵,具有啟動快,耗功少,運轉(zhuǎn)維護費用低,抽速大,效率高等特點;水環(huán)式真空泵是靠泵腔容積的變化來實現(xiàn)吸氣、壓縮和排氣的,屬于變?nèi)菔秸婵毡茫湮鼩饩鶆?,工作平穩(wěn)可靠,結(jié)構(gòu)緊湊,真空度低,效率也很低,一般在30%左右。

近幾年,國內(nèi)真空變壓吸附制氧裝置大多采用“一拖二”的羅茨設(shè)備機組,即一臺電機同時帶動一臺羅茨鼓風(fēng)機和一臺羅茨真空泵運轉(zhuǎn)。這種配置相對于單獨采用一臺羅茨鼓風(fēng)機和一臺羅茨真空泵,減少了一臺電機,節(jié)約占地面積,同時降低了能耗,主機的穩(wěn)定性也更好。

2 程控閥門的選型

真空變壓吸附制氧工藝是通過程控閥門的切換來實現(xiàn)工藝過程,程控閥門的可靠性和密封性是真空變壓吸附制氧技術(shù)中最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。真空變壓吸附制氧裝置的周期很短,約為30秒,要求程控閥能夠在很短的時間內(nèi)快開快關(guān)。因此,真空變壓吸附制氧裝置的程控蝶閥的一般要求為:

(1)關(guān)閉時間小于1.5秒;

(2)閥門運行可靠,無故障開關(guān)次數(shù)大于200萬次;

(3)閥門密封無泄漏。

目前,真空變壓吸附制氧裝置用的蝶閥主要為兩偏心蝶閥和三偏心蝶閥。兩偏心蝶閥采用位置密封原理;三偏心蝶閥為金屬硬密封,采用扭矩密封原理,比兩偏心蝶閥可承受的壓力更高,啟閉力矩更小,密封性能更好,價格也更高[3]。

對于程控閥門的驅(qū)動方式,目前主要有兩種方法,一種是采用氣動,即采用儀表氣來驅(qū)動程控閥門動作;另一種是采用液動,即通過液壓油來驅(qū)動程控閥門動作。一般對于公稱直徑大于DN600的程控閥最好是采用液動方式,因為氣動程控閥采用的儀表氣驅(qū)動壓力為5MPa左右,而且大口徑的閥門相應(yīng)氣缸的行程容積也變大,而儀表氣在排出氣缸的時候由于流通面積不夠,會造成閥門動作速度變慢[4],運行時故障率較高。液動程控閥采用的液壓油的壓力為8~9MPa,而且大口徑閥門相應(yīng)的氣缸尺寸也較小,能驅(qū)動大口徑的閥門動作。

3 吸附塔的選型設(shè)計

吸附塔是真空變壓吸附制氧裝置中非常重要的設(shè)備。吸附塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計會影響分子篩的使用效果,進而影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和純度的穩(wěn)定性。

3.1 軸向塔結(jié)構(gòu)

一般工業(yè)上對于小于2000Nm3/h的真空變壓吸附制氧裝置采用軸向塔結(jié)構(gòu)的氣體分離方式,如圖1所示。原料空氣由吸附塔底部進入吸附塔,經(jīng)吸附劑分離后,氧氣由吸附塔頂部流出。軸向塔結(jié)構(gòu)簡單,裝填料方便,制造費用低,床層中吸附劑機械磨損小,可在高溫高壓下操作;缺點是氣流分布較差,死空間較大,床層阻力較大,占地面積也較大。

圖1 軸向塔結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 徑向塔結(jié)構(gòu)

一般工業(yè)上對于大于2000Nm3/h的真空變壓吸附制氧裝置采用徑向吸附塔。立式徑向流吸附塔由一個外殼和三個帶有特殊開孔的中間圓柱體和中心筒組成[5],結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 徑向塔結(jié)構(gòu)圖

原料空氣從吸附塔的底部進入,通過氣體分布器進入最外層環(huán)形空間,然后通過13X吸附層,空氣中的水分被吸附后,進入分子篩吸附層,空氣中的氮氣被吸附后,氧氣通過中心筒絲網(wǎng)后由頂部流出。解吸時,氮氣通過中心筒、分子篩層和13X層后從吸附塔底部排出。

立式徑向流吸附塔與軸向吸附塔相比,優(yōu)點在于:氣流分布均勻,床層阻力小,死空間小,分子篩與氣體瞬時接觸面積大,分子篩利用率更高,占地面積小,能耗更低[6]。

4 吸附劑的選用

吸附劑是變壓吸附制氧裝置的核心,性能優(yōu)良的吸附劑是決定變壓吸附制氧裝置符合考核指標(biāo)的關(guān)鍵。一般軸向吸附塔中裝填的吸附劑為活性氧化鋁和鋰分子篩,徑向吸附塔中裝填的是13X分子篩和鋰分子篩。

4.1 活性氧化鋁

活性氧化鋁為一種多孔性、高分散度的固體材料,有很大的表面積,規(guī)格為Φ3~5mm,球狀,抗磨耗、抗破碎、無毒。物理化學(xué)性能極其穩(wěn)定,對幾乎所有的腐蝕性氣體和液體均不起化學(xué)反應(yīng)?;钚匝趸X裝填在吸附塔底部,主要用于脫除氣源中的水分。

4.2 13X分子篩

13X分子篩是一種鈉型的硅鋁酸鹽,其物理化學(xué)性能穩(wěn)定,規(guī)格為Φ1.6~2mm,球狀。13X分子篩裝填在吸附塔中,主要用于脫除氣源中的水分。

4.3 鋰分子篩

目前,工業(yè)制氧專用分子篩為鋰分子篩,這是由于Li+是半徑最小的金屬離子,具有很高的電荷密度和較高的極化率,與N2的作用力更強。鋰分子篩不僅有著發(fā)達的比表面積,而且有著非常均勻的空隙分布,在低壓狀況下對氮氣的吸附容量高,吸附速度快,選擇性強,強度高和磨損率低。鋰分子篩裝填于吸附塔中,用于吸附氣源中的氮氣。

5 應(yīng)用實例

某公司某工程項目需要4000Nm3/h,90%純度的富氧氣,由于存在開半負荷的可能性,因此選擇兩臺羅茨鼓風(fēng)機和羅茨真空泵一體化設(shè)備。

根據(jù)工藝計算出羅茨鼓風(fēng)機的鼓氣量和羅茨真空泵的抽氣量,然后選擇與計算出的氣量相適應(yīng)的滿足運行要求的羅茨鼓風(fēng)機和羅茨真空泵的型號。根據(jù)裝置規(guī)模選擇采用兩臺徑向流吸附塔,并在其內(nèi)裝填鋰分子篩和13X分子篩。根據(jù)鋰分子篩和13X分子篩的性能參數(shù)計算出相應(yīng)的用量,并對吸附塔進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。綜合經(jīng)濟實用等因素選擇氣動兩偏心程控蝶閥。工程應(yīng)用結(jié)果如表1。

表1 VPSA工程應(yīng)用結(jié)果

6 結(jié)論

(1)羅茨鼓風(fēng)機和羅茨真空泵作為國內(nèi)外主要用于真空變壓吸附制氧裝置的動力設(shè)備有其優(yōu)勢,在設(shè)計工作中要特別注意其噪音的處理,使整個裝置的噪音滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

(2)氣動程控閥的噪音較液動程控閥的噪音大,但是液動程控閥存在液壓油漏出的可能性,在程控閥門結(jié)構(gòu)型式和驅(qū)動方式的選擇上要綜合考慮。

(3)徑向吸附塔的結(jié)構(gòu)較軸向吸附塔的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在設(shè)計中要特別注意壓緊裝置和裝料方式,否則容易導(dǎo)致分子篩粉化和裝料不均勻等問題。

(4)分子篩的壽命一般需要與吸附塔設(shè)備壽命相同,所以選擇分子篩時必須要有一定的機械強度。

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