對分子篩變壓吸附制氮最適宜條件的初步探究

毛 娜，朱繼宣

(渭南師范學(xué)院，陜西渭南 714099)

對分子篩變壓吸附制氮最適宜條件的初步探究

毛 娜，朱繼宣

(渭南師范學(xué)院，陜西渭南 714099)

本實(shí)驗(yàn)主要運(yùn)用單因子變量法探究分子篩變壓吸附制氮工藝中影響氮?dú)饧兌鹊囊蛩兀⒆詈蟮贸鲈摴に嚨淖罴压に噮?shù)：進(jìn)口溫度為-5℃、吸附壓力為0.7MPa、進(jìn)料流量為200m3/h，此時(shí)氮?dú)饧兌茸罡呖蛇_(dá)99.99%。

氮?dú)猓肿雍Y，制氮機(jī)，變壓吸附

分子篩吸附制氮是以空氣為原材料，以碳分子篩[1-2]作為吸附劑，運(yùn)用變壓吸附原理[3-4]，利用碳分子篩對氧和氮的選擇性吸附而使氧和氮分離的方法，又稱PSA(Pressure Swing Adsorption)制氮。目前在制氮、制氧領(lǐng)域內(nèi)使用較多的是碳分子篩和沸石分子篩。分子篩對氧和氮的分離作用主要基于這兩種氣體在分子篩表面的擴(kuò)散速率不同，碳分子篩是一種兼具活性炭和分子篩某些特性的碳基吸附劑。碳分子篩具有很小微孔組成，孔徑分布在0.3nm～1nm之間。較小直徑的氣體(氧氣)擴(kuò)散較快，較多進(jìn)入分子篩固相，這樣氣相中就可以得到氮的富集成分。一段時(shí)間后，分子篩對氧的吸附達(dá)到平衡，由于在不同壓力下碳分子篩對吸附氣體的吸附量有所不同，降低壓力可使碳分子篩解除對氧氣的吸附，這一過程又被稱之為再生。為了獲得連續(xù)的氮?dú)饬鳎鶕?jù)碳分子篩的這一特性，通常使用兩塔并聯(lián)，交替進(jìn)行加壓吸附和解壓再生。

此法是在七十年代迅速發(fā)展起來的一種新的制氮技術(shù)。與傳統(tǒng)制氮法相比，它具有工藝流程簡單、自動化程度高、產(chǎn)氣快(15～3分鐘)、能耗低，產(chǎn)品純度可在較大范圍內(nèi)根據(jù)用戶需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，操作維護(hù)方便，運(yùn)行成本較低、裝置適應(yīng)性較強(qiáng)等特點(diǎn)，故在1000Nm3/h以下制氮設(shè)備中頗具競爭力，越來越得到中、小型氮?dú)庥脩舻臍g迎，PSA制氮已成為中、小型氮?dú)庥脩舻氖走x方法。近年來，隨著對氮?dú)庑枨罅康脑黾樱藗儗Φ獨(dú)饧兌鹊囊笠苍絹碓阶⒅兀疚木褪峭ㄟ^探究碳分子篩變壓吸附制氮過程中溫度、吸附壓力、進(jìn)料量的變化對氮?dú)饧兌鹊挠绊懀瑏慝@得該工藝中最適宜氮?dú)馍a(chǎn)的工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)儀器：空氣壓縮機(jī)，空氣緩沖罐，冷干機(jī)，碳分子篩，吸附塔，氮?dú)饩彌_罐。

實(shí)驗(yàn)原料：壓縮空氣(空氣中各種氣體的容積組分為：N2：78.084%、O2：20.9476%、氬氣：0.9364%、CO2：0.0314%，其它還有H2、CH4、N2O、O3、SO2、NO2等，但含量極少，分子量為28)

2 實(shí)驗(yàn)原理及工藝簡介

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

PSA制氮機(jī)[5]是以碳分子篩作為吸附劑，利用加壓吸附、降壓解吸的原理從空氣中吸附和釋放氧氣，從而分離出氮?dú)獾淖詣踊O(shè)備。碳分子篩是一種以煤為主要原料，經(jīng)研磨、氧化、成型、碳化并經(jīng)過特殊的孔型處理工藝加工而成的，表面和內(nèi)部布滿微孔的柱形顆粒狀吸附劑，呈黑色，其孔徑在3?左右時(shí)孔徑分布最好，孔徑越大或越小時(shí)微孔分布越差。由于碳分子篩具有這樣的孔徑分布特性[6]，其孔徑分布可使不同的氣體在碳分子篩微孔中具有不同的擴(kuò)散速率，且不會排斥混合氣(空氣)中的任何一種。從動力學(xué)直徑上來看，O2分子的動力學(xué)直徑較小，在碳分子篩微孔中的擴(kuò)散速率較大；N2分子的動力學(xué)直徑較大，在碳分子篩微孔中擴(kuò)散的較慢。壓縮空氣中的水和CO2在碳分子篩中的擴(kuò)散速率與O2相當(dāng)。隨著壓力的增加，O2、N2的吸附量也隨著增大，但O2的吸附量增幅要比N2大。變壓吸附周期短(3min～5min)，O2、N2的吸附量遠(yuǎn)沒有達(dá)到平衡(最大值)，因此O2、N2擴(kuò)散速率的差別使O2的吸附量在短時(shí)間內(nèi)大大超過N2的吸附量。變壓吸附制氮正是基于這種氣體動力學(xué)直徑上的微小差異，利用碳分子篩的這種選擇吸附特性，交替采用加壓吸附，減壓解吸，使壓縮空氣交替進(jìn)入吸附塔(也可以單塔完成)來實(shí)現(xiàn)空氣分離，最終從吸附塔富集出來得到氮?dú)饬鳎瑥亩B續(xù)產(chǎn)出高純度的產(chǎn)品氮?dú)狻?/p>

2.2 工藝簡介

圖1 制氮工藝流程簡圖Fig.1 The diagram of making process flow of Nitrogen

空氣經(jīng)除塵裝置初步除去其中雜質(zhì)進(jìn)入空氣壓縮機(jī)，壓縮至所需壓力，為了確保吸附塔[7]內(nèi)分子篩的使用壽命，還需再經(jīng)嚴(yán)格的除油、除水、除塵凈化處理，然后輸出潔凈的壓縮空氣進(jìn)入吸附塔使氮?dú)鈴闹蟹蛛x出來。裝有碳分子篩的吸附塔共有二個(gè)，一個(gè)塔加壓吸附，另一個(gè)塔減壓脫附。經(jīng)過除塵后的潔凈空氣進(jìn)入工作吸附塔，流過分子篩時(shí)其中的氧、二氧化碳和水被分子篩吸附，流至出口端的氣體便是氮?dú)饧吧倭慷栊詺怏w氬[8]和氧。另一塔(脫附塔)減壓使已吸附的氧氣、二氧化碳和水從分子篩微孔中脫離排至大氣中或進(jìn)入儀表空氣緩沖罐作為儀表空氣使用。這樣兩塔循環(huán)進(jìn)行，完成氮氧分離，輸出連續(xù)的氮?dú)饬鳌＠米儔何窖b置制取的氮?dú)猱a(chǎn)品純度一般為95%～99.9%，如果對氮?dú)饧兌冗€有更高需求的話則需增加氮?dú)鈨艋O(shè)備。變壓吸附制氮機(jī)輸出的95%～99.9%氮?dú)膺M(jìn)入氮?dú)鈨艋O(shè)備，通過一流量計(jì)向凈化設(shè)備內(nèi)添加適量的還原性氣體氫氣，氫氣進(jìn)入凈化設(shè)備中的除氧塔和其中微量的氧進(jìn)行催化反應(yīng)從而除去其中的氧，然后再由冷干機(jī)裝置冷卻，汽水分離器除水，再通過干燥器深度干燥(兩個(gè)吸附塔交替使用：一個(gè)吸附干燥除水，另一個(gè)加熱脫附排水)，得到純度較高的氮?dú)猱a(chǎn)品，此時(shí)的氮?dú)饧兌瓤蛇_(dá)99.9995%。目前海內(nèi)變壓吸附制氮最大的生產(chǎn)能力為3000m3/h。其流程圖如圖1所示。

3 過程與討論

3.1 吸附壓力對氮?dú)饧兌鹊挠绊?/p>

在裝置正常運(yùn)行的情況下，將壓縮空氣進(jìn)料流量控制在200m3/h，溫度控制在-5℃，調(diào)節(jié)吸附壓力0.5MPa，待裝置穩(wěn)定后，記錄此時(shí)出口氮?dú)獾募兌戎担缓蠓謩e將吸附壓力控制在0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa時(shí)，依次記錄出口氮?dú)獾募兌取?/p>

由圖2可以看出，在保持溫度和進(jìn)料量一定的情況下，隨著吸附壓力的逐漸增大氮?dú)饧兌纫搽S著增大，當(dāng)壓力達(dá)到0.7MPa時(shí)氮?dú)饧兌冗_(dá)到最大，之后吸附壓力再增大氮?dú)饧兌戎饾u降低。因此，可得出該工藝過程中的最佳吸附壓力為0.7MPa。

圖2 不同吸附壓力下的出口氮?dú)饧兌菷ig.2 The different pressure adsorption of nitrogen purity

3.2 溫度對氮?dú)饧兌鹊挠绊?/p>

在裝置正常運(yùn)行的情況下，將吸附壓力控制在0.7MPa，進(jìn)料流量控制在200m3/h，調(diào)節(jié)進(jìn)口溫度為-10℃，待裝置穩(wěn)定后，記錄此時(shí)出口氮?dú)獾募兌戎担缓蠓謩e將進(jìn)口溫度控制在-5℃、10℃、20℃時(shí)，依次記錄出口氮?dú)獾募兌取?/p>

由圖3可以看出，在保持吸附壓力和進(jìn)料量一定的情況下，隨著進(jìn)口溫度的逐漸升高氮?dú)饧兌纫搽S著增大，當(dāng)溫度達(dá)到-5℃時(shí)氮?dú)饧兌冗_(dá)到最大，之后進(jìn)口溫度再升高氮?dú)饧兌戎饾u降低且下降幅度較大。因此，可得出該工藝過程中的最佳進(jìn)口溫度為-5℃。

圖3 不同進(jìn)口溫度下的出口氮?dú)饧兌菷ig.3 The different inlet temperature of nitrogen purity

3.3 流量對氮?dú)饧兌鹊挠绊?/p>

在裝置正常運(yùn)行的情況下，將吸附壓力控制在0.7MPa，溫度控制在-5℃，調(diào)節(jié)壓縮空氣進(jìn)料流量為100m3/h，待裝置穩(wěn)定后，記錄此時(shí)出口氮?dú)獾募兌戎担缓蠓謩e將壓縮空氣進(jìn)料量控制在150m3/h、200m3/h、250m3/h時(shí)，依次記錄出口氮?dú)獾募兌取?/p>

由圖4可以看出，在保持溫度和吸附壓力一定的情況下，隨著進(jìn)料流量的逐漸增大氮?dú)饧兌纫搽S著增大，當(dāng)進(jìn)料量達(dá)到200m3/h時(shí)氮?dú)饧兌冗_(dá)到最大，之后進(jìn)料量再增大氮?dú)饧兌戎饾u降低。因此，可得出該工藝過程中的最佳進(jìn)料流量為200m3/h。

圖4 不同進(jìn)料流量的出口氮?dú)饧兌菷ig.4 The different feed flow rate of nitrogen purity

4 結(jié)論

(1)碳分子篩制氮過程中，體系壓力不宜過高或過低，在0.7MPa左右為最佳壓力值，此時(shí)制得的氮?dú)饧兌茸罡摺?/p>

(2)碳分子篩制氮過程中，體系溫度同樣不宜過高或過低，在-5℃時(shí)為最佳溫度值，此時(shí)制得的氮?dú)饧兌茸罡摺?/p>

(3)碳分子篩制氮過程中，進(jìn)料流量不能過大，也不能太小，但考慮到實(shí)際生產(chǎn)的需要和能耗等因素，在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)料流量為200m3/h為適宜進(jìn)料流量。

因此，在實(shí)際工藝控制過程中將吸附壓力、溫度和進(jìn)料流量分別控制在0.7MPa，-5℃和200m3/h，在此工況下可得到純度最高的氮?dú)猓菫樽顑?yōu)工藝參數(shù)。

[1] 李薇，陳學(xué)云，李清彪，等.PSA碳分子篩制氮技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2000(02)：7-8.

[2] 曾來，劉克萬，辜敏，等.氣體分離用碳分子篩吸附劑的制備研究進(jìn)展[J].炭素技術(shù)，2007，12(03)：26-31.

[3] 顧飛龍，張力鈞，陳棟.變壓吸附制氮技術(shù)及其應(yīng)用[J].化工進(jìn)展，2007，11(08)：135-142.

[4] 吳衛(wèi)，石紹軍.變壓吸附分離技術(shù)在氮?dú)馍a(chǎn)中的應(yīng)用[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2010(03)：8-11.

[5] 劉克萬，辜敏，林文勝，等.碳分子篩的微結(jié)構(gòu)表征[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008(05)：2-3.

[6] 雷志華. PSA變壓吸附制氮和故障處理探討[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2009，12(17)：98-100.

[7] 唐曉為.碳分子篩制氮機(jī)吸附塔改進(jìn)[J].設(shè)備管理與維修，2005，16(06)：79-82.

[8] 顧飛龍，張力鈞，張麗華.變壓吸附制氮裝置用于工業(yè)生產(chǎn)中的惰性保護(hù)[J].化工機(jī)械，2002，11(02)：265-271.

Study of the Most Suitable Conditions of Molecular Sieve Pressure Swing Adsorption

MAO Na，ZHU Ji-xuan

(Weinan Teachers University，Weinan 714099，Shaanxi，China)

Single factor method was discussed in detail which affect the purity of the nitrogen in the nitrogen oxygen separation process in this experiment. Finally the results show that the temperature of optimum parameters is -5℃，the adsorption pressure of 0.7MPa，feed flow rate of 200m3/h when the nitrogen purity is as high as 99.99%.

nitrogen，molecular sieve，nitrogen making machine，pressure swing adsorption

O 658.62