變壓吸附分離技術在氮氣生產中的應用

吳 衛 石紹軍

(湖南化工職業技術學院化學工程系,湖南株洲 412004)

變壓吸附分離技術在氮氣生產中的應用

吳 衛 石紹軍

(湖南化工職業技術學院化學工程系,湖南株洲 412004)

分析了變壓吸附氣體分離技術制取氮氣的原理、工藝流程,比較了變壓吸附制氮與其他制氮方法的優點,并且就變壓吸附制氮裝置選型時注意事項和裝備進行了介紹,在2 000m3(標)/h能力范圍內,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,在生產中的應用已日益廣泛。目前廣泛應用于安全保護氣、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、集成電路等。

工業用氮的制取方法主要有:低溫精餾法(深冷法):傳統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,進行分離提純。雖然分離量大,純度高,但是工藝流程復雜,設備制造、安裝、調試要求高,投資大,占地面積大,低溫精餾法已有一百多年的歷史,工業上大規模生產氧、氮以此法最為經濟,但至今已難以在空氣分離領域中一統天下,不適宜應用于中小氣量;變壓吸附法:20世紀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,經過不斷完善和改進,促使中小型空分設備在制氮領域內采用變壓吸附法已遠遠超過低溫精餾法;薄膜滲透法;化學吸收法[1,3]。通過近30a來的摸索,變壓吸附制氮技術已經相當完善。變壓吸附氣體分離技術(PSA)工藝過程簡單,設備制造容易,占地少,啟動時間短,設備維護簡便,適應性強,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模裝置的應用日益增加。目前國內外供氮的方式,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的制氮方法為人類服務了幾十年,至今在大規模供氮時還是離不開深冷法。然而,深冷空分裝置復雜,設備投資、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,國內外積極運用變壓吸附分離理論,研究開發分子篩空分的制氮技術,變壓吸附制氮設備簡單,裝置小巧,投資省,操作、維修方便,可實現自動和遠程控制,所以,它倍受青睞。

2 變壓吸附分離原理及技術優勢

2.1 變壓吸附分離原理[1-2,4]

變壓吸附制氮(簡稱PSA制氮)是一種先進的氣體分離設備,以優質的碳分子篩(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,較多的進入碳分子篩微孔,直徑較大的分子N2擴散速率較慢,進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,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,即環境空氣經空氣壓縮機并吹除飽和水后,流經冷凍干燥機組,除去大部分的冷凝水,除油后進人分子篩吸附器,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人一個吸附器的底部向上流動,在經過分子篩時,少量水份、二氧化碳和氧被其吸附,流至吸附器頂部的氣體,即為所獲得的產品氮。空氣中氧、氮的分離是在兩吸附器之間輪流進行的,所設置的切換閥使一個吸附器處于加壓吸附狀態,另一個吸附器則處于減壓解吸狀態;如此交替,便可連續生產氮氣。所供氮氣的壓力一般為0.5～0.8MPa,氮純度可達 99.5%～99.99%。99.99%以上的純度一般配后級凈化裝置(小設備除外),使生產的氮氣純度達到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兩種規格。

2.3 變壓吸附制氮裝置優勢[5-7]

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

(2)選用優質進口碳分子篩:具有吸附容量大,抗壓性能高,使用壽命長。

(3)雄厚的技術力量和優良的售后服務:設備集裝箱化,現場安裝時,只需連接氣源,電源。

(4)優良的電氣和機械裝配技術,提供連續性技術服務,負責現場調試及培訓工作。

(5)低能耗:采用獨特的吸附塔、布氣系統、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質碳分子篩,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的模塊化結構,設備結構清晰流暢,緊湊美觀,具有極大的靈活性,便于未來系統擴容,降低投資成本。

(9)長壽命:采用獨有的氣流控制技術和分子篩裝填技術,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,主要應注意如下事項:

3.1 氣源系統配置應合理

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,因此一般應選用無油壓縮機。如果采用有油壓縮機,則系統必須配置嚴格除油的裝置,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定是需要十分重視的問題。

3.2 碳分子篩(CMS)質量應可靠

碳分子篩是變壓吸附制氮設備核心。碳分子篩的主要性能指標:硬度、最大產氮量、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 碳分子篩應采用先進的裝填方法

碳分子篩裝入吸附塔后,吸附塔的結構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,以免相互碰撞,發生移動,導致分子篩粉化。

3.4 控制閥門的使用壽命

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

4 技術發展和展望[1,7]

變壓吸附制氮技術的發展主要是吸附劑技術的發展。1977年德國埃森礦業研究有限公司BergauForschung(B.F公司)研制開發了碳分子篩制氮技術以來,日本美國等都迅速發展起來。1981年吉林化工設計研究院研制的碳分子篩通過了省級鑒定,隨后中國船舶工業總公司也研制開發了碳分子篩。1986年浙江長興化工廠采用上海化工研究院技術生產的碳分子篩成為國內主要碳分子篩生產力量。國外大批量生產碳分子篩的有德國BF公司、美國Calgon碳公司、日本 Takeda化學工業公司和 Kuraray化學品公司。國內上海化工設計院、四川天一科技、溫州瑞氣空分設備有限公司等企業生產氮氣裝置規模和技術水平發展速度很快,接近世界先進水平。通過對不同的分子篩比較,國內碳分子篩的產氮率還遠低于國外產品,主要原因是國產碳分子篩比表面積僅是BF公司的55%,微孔不夠發達。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,檢測設備落后無法及時監控生產,原料煤雜質高等。近年來國內碳分子篩也有了長足進步,以浙江長興化工廠的碳分子篩的產氮率也接近180m3(標)/h·t,但是性能不穩定易粉化,使用超過3～6a產氣量明顯下降。

工藝流程的設計發展與七八十年相比也有了很大發展。用產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量。從二塔流程發展到三塔四塔流程,提高了裝置的經濟性能。特別是不等勢均壓的應用,使均壓后的2個吸附塔內氮氣純度不同,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)/kW·h左右。最新碳分子篩研究技術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,大連理工大學也進行了這方面的研究。在將來變壓吸附制氮技術生產的氮氣純度高于99.999%是極為可能的。從目前制氮技術應用來看,碳分子篩技術成為主流技術,沸石分子篩技術由于處理原料氣和真空解吸等繁雜步驟應用較少。盡管沸石分子篩技術可以提取高純氮,不過能耗高規模也在200m3(標)以下。高純氮制取一般采用加氫脫氧技術,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。

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

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

[2] 朱銀在.氮氣純化工藝技術應用進展[J].低溫與特氣,2006,(01).

[3] 盧洪,李成岳.變壓吸附空分制氮過程的研究[J].化工學報,2000,(05).

[4] 楊英俠.一種新型制氮技術——變壓吸附[J].石油化工設計,2000,(02).

[5] 朱文魁,張雙全,唐志紅.PSA用煤基炭分子篩及其制備方法與工藝[J].煤炭技術,2004,(04).

[6] 李薇,陳學云,李清彪,等.PSA碳分子篩制氮技術的應用和發展[J].化工設計通訊,2000,(01).

[7] 顧飛龍,張力鈞,陳棟.變壓吸附制氮技術及其應用[J].化工進展,2007,(09).

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(1967-),湖南安化人,高級工程師,主要從事氯甲苯及其下游產品的研究開發。聯系電話:13873326162