變壓吸附制氮設備的控制運行與分析

張代春， 朱付強， 張志勇

（山東恒業石油新技術應用有限公司， 山東 東營 257100）

引言

PN-5000 型變壓吸附制氮是當前比較常用的一種變壓吸附制氮設備類型，在2000 年3 月試運投產使用，該設備能夠生產出純度高達95%的粗氮與純度高達99%的純氮，其中粗氮大多是在低氧前提下進行PTA 粉料輸送，而純氮則可以給予下游氮氣凈化裝置充足氣源，從而可以制造獲取出高純氮氣。基于此，本文主要分析PN-5000 型變壓吸附制氮設備控制運行情況。

1 工藝流程

空氣經過離心機充分壓縮后，一旦壓力值滿足0.74～0.85MPa 水平線后，則會開始進入到冷干機中進行降溫，將大多數水分有效去除，這時已經被除去水分的空氣可以在熱交換器管排出，在精密過濾器幫助下完成除塵工作，接著進入空氣緩沖罐，成為變壓吸附制氮的主要原料氣[1]。通常情況下，空氣接收預處理后都需要裝置進碳分子篩吸附筒中，并且空氣在該筒內需要分別完成以下流程操作：吸附、制氣、放氣、沖洗、均壓、二次均壓、充氣過程，所有流程完成后則可以生產出氮氣。氣動閥啟動與關閉主要經DCS 時間程序控制，如果四組變壓吸附系統一起運行下，切換程序可以錯開，以保持總管氮氣壓力與流量穩定，具體如圖1 所示。

2 運行控制

PN-5000 型變壓吸附制氮設備運行主要使用常壓解吸方法再生，每一組運行循環過程如圖2 所示。

常壓解吸過程中主要涉及升壓、吸附、順放、逆放、沖洗等，而這一系列過程均需要經過吸附筒快速啟動閥門啟閉來完成。具體步驟如下：

第一步：0～1 s 時需要繼續升壓，吸附筒A 繼續升壓，打開閥ZA1，空氣可以順著吸附筒底部進入到吸附筒中，當閥ZA6、ZA8 打開后，吸附筒B 可以開始排氣降壓工作[2]。

第二步：第1～58 s 時，吸附筒A 吸附，閥ZA3 打開，氮氣進行外送，當適量氮氣進入吸附筒B 后，ZA6、ZA8 逐漸打開，開始逆放與沖洗工作。

第三步：58～60 s 時，吸附筒A 保持均壓，閥ZA1、ZA3 關閉，ZA9、ZA10 打開，同時ZA6、ZA8 關閉；這時吸附筒A、B 上下端導通，A 筒中聚集氮氣能夠回收利用，并給予B 筒升壓影響。

第四步：60～61 s 時，吸附筒A 進行排氣降壓工作，閥ZA9、ZA10 關閉，ZA5、ZA7 打開，開始排氣工作，需要將碳分子篩氧氣與水分充分解吸后，B 筒開始吸附。

第五步：該步驟主要是逆向放壓與沖洗過程，促使碳分子篩可以進行充分解吸再生，B 筒制氮外送。

第六步：118～120 s 時段，這時吸附筒A 升壓，吸附筒B 氣相中富氮緩慢導入至吸附筒A，造成筒A升壓，完成循環。

通常情況下，吸附筒循環周期主要就是升壓、吸附、順放、逆放與沖洗，但是在設備實際運行控制時，閥升壓與吸附屬于連續過程，順放、逆放與沖洗等又屬于另一個連續過程，所以不具有嚴格界限，只是可以看作是吸附筒內部氣相、固相純度與壓力變化過程。

3 運行控制分析

3.1 低壓小流量

當離心機組中存在兩臺機器故障，并在未準備備用機情況下，可以將冷凍站低壓氣源和生育離心機進行并聯運行，從而達到深冷制氮設備與PSA 制氮設備同時生產運行目的，從而確保化纖工業風與儀表風正常供給[3]。由于外引氣源壓力較低，導致吸附筒空氣量逐漸降低，所以可以采用降負荷方法，將一組吸附筒進行停運，就可以確保其他機器正常工作，以提高產品質量。

3.2 低壓大流量

在使用過程中，如果出現粗氮用量波動范圍過大情況，則可能會出現氮氣壓力過低以及流量大等現象，這些都會導致產品質量降低。為了防止上述情況發生，可以借助裝置控制閥，確保產量控制在彈性范圍內。

3.3 低壓運行

在設備試運過程中，如果選擇單臺離心機為PSA制氮設備共計，且流量與壓力等嚴格根據要求進行設計，則產品質量與粗氮流量等均可以滿足規定要求[4]。隨著技術進步，在之后生產過程中，可以結合實際生產情況，選擇三臺離心機同時運行方法，以保證設備用風量變化。

3.4 碳分子篩性能分析

PN-5000 型變壓吸附制氮內主要應用BF 分子篩與武田分子篩共18 t，按照工藝規定要求，必須得到上下混裝，并且填充質量比例嚴格按照7∶4 完成，當處在變負荷運行條件時，碳分子篩吸附性能具體情況如表1 所示。只有當壓力條件滿足0.80～0.85 MPa時，碳分子篩性能才可以最大限度發揮，并且實現設計要求。而如果吸附壓力為0.72～0.75 MPa，氮氣流量控制則應該保持在3 800～4 400 m3/h，這樣才能夠符合制粗氮要求，以發揮出碳分子篩性能，因此若是從生產與節能等方面考慮，0.72～0.75 MPa 吸附壓力工作更加合適，但是氮氣提取率相對較低。如果需要向下游提供流量3 200 m3/h 與純度99%氮氣，則應該適當提高壓縮空氣壓力。對于煉油廠或者是氮氣純度要求較低的生產條件，則可以選擇上述方法進行氮氣制取，不僅可以滿足生產需求，質量也能保障。

表1 不同負荷下碳分子篩吸附性能

4 結論

變壓吸附制氮設備近幾年在許多行業中被廣泛應用，且在安全生產中發揮著重要作用，該設備具有較強專業性，工藝較為復雜，所以在運行控制過程中必須進行有效分析，同時為了保證氮氣生產滿足條件，需要分析變壓吸附制氮設備工藝流程與運行原理，以最大限度發揮出設備性能，以提高生產質量，生產提取出更高純度氮氣，供各行各業使用。