制氮工藝流程的優(yōu)化及效果評測

王穎丹

（晉能控股煤業(yè)集團大斗溝煤業(yè)公司，山西 大同 037000）

0 引言

氮氣為空氣中占比（體積分數(shù)）超過70%的氣體，該氣體化學性質(zhì)相對穩(wěn)定，在工業(yè)中的應用較為廣泛。目前，碳分子篩變壓吸附制氮技術(shù)為制備氮氣的核心技術(shù)；但是，該技術(shù)在實際制氮應用中還存在氮氣產(chǎn)量低、氮氣純度不高以及氮氣回收率低等問題[1-3]。為此，本文將結(jié)合碳分子篩變壓吸附制氮技術(shù)所存在的問題對其工藝流程進行改進，重點提高氮氣的純度和產(chǎn)量兩項指標，并對優(yōu)化后制氮工藝的效果進行評測，具體闡述如下。

1 變壓吸附分離空氣制氮概述

本文將重點從變壓吸附分離空氣制氮技術(shù)的基本工作原理和工藝流程展開研究，為后續(xù)通過實驗手段對其工藝流程的優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)。

1.1 變壓吸附分離空氣制氮技術(shù)原理

眾所周知，空氣中氮氣的體積占比高達78%，如果從空氣中提純得到所需的氮氣可行的話，此方法為首選。變壓吸附分離空氣制氮技術(shù)的基本工作原理如下：對于不同的吸附劑而言其對空氣中不同氣體的吸附能力不同，而且隨著壓力的變化對應吸附劑的最大吸附容量也處于動態(tài)變化狀態(tài)。因此，可以對吸附壓力進行不斷轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)高壓吸附、低壓再生功能，進而可對吸附劑進行多次循環(huán)使用[4-5]。

對于變壓吸附分離空氣制氮技術(shù)而言，所采用的吸附劑為碳分子篩，主要原因為：碳分子篩對氧氣和氮氣的吸附速度存在較大的差異，具體表現(xiàn)為碳分子篩對氧氣的吸附速度明顯大于氮氣[6-7]。因此，在相同的時間內(nèi)可采用碳分子篩對空氣中的氧氣進行充分吸收，剩余的即為氮氣；同時，當吸附壓力減少時，已經(jīng)吸附氧氣的碳分子篩會將氧氣釋放出來，從而實現(xiàn)了碳分子篩的再生利用功能。

1.2 變壓吸附分離空氣制氮工藝流程

一般地，在實際生產(chǎn)中采用變壓吸附分離空氣制備氮氣的工藝流程如圖1 所示。

圖1 變壓吸附分離空氣制氮工藝流程

由圖1 可知，待分離空氣在壓縮機的作用下將壓力設(shè)定為0.8 MPa，經(jīng)冷干機和過濾器進行降溫、過濾雜質(zhì)等操作后在吸附塔中實現(xiàn)空氣的分離。其中，吸附塔分為高壓和常壓，高壓塔主要實現(xiàn)對空氣中的氧氣、二氧化碳以及其他雜質(zhì)進行吸附；常壓塔主要將吸附劑中的氧氣、二氧化碳以及其他雜質(zhì)釋放后具備再利用的功能。

2 實驗裝置的設(shè)計

本文通過實驗方式對制氮工藝流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，最終達到提高氮氣產(chǎn)量、純度等目的。結(jié)合變壓吸附分離空氣制氮工藝流程，所設(shè)計的實驗裝置包括了核心的氣源系統(tǒng)和碳分子篩吸附系統(tǒng)外，還需具備對實驗裝置控制和對實驗過程中的數(shù)據(jù)進行采集的功能。

2.1 氣源系統(tǒng)的設(shè)計

氣源系統(tǒng)主要包括有圖1 中的壓縮機、冷卻干燥機和過濾器，各級設(shè)備的選型結(jié)果如表1 所示。

表1 氣源系統(tǒng)各級設(shè)備選型結(jié)果

2.2 變壓吸附分離空氣制氮系統(tǒng)的設(shè)計

變壓吸附分離空氣制氮系統(tǒng)由空氣緩沖罐、碳分子篩變壓吸附系統(tǒng)和氮氣緩沖罐組成，各級設(shè)備的選型結(jié)果如表2 所示。

表2 變壓吸附分離空氣制氮系統(tǒng)各級設(shè)備選型結(jié)果

3 工藝條件的優(yōu)化及效果評測

在上述實驗裝置構(gòu)建的基礎(chǔ)上，分別對變壓吸附分離空氣制氮工藝流程中PSA 流程工藝流程進行優(yōu)化。

3.1 PSA 工藝流程的優(yōu)化

目前，PAS 流程為常規(guī)均壓工藝流程如圖2 所示，該工藝流程中吸附塔A 中上部的氮氣純度已經(jīng)初步接近產(chǎn)品氮氣的純度；但是，A 塔中下部氣體的主要成分為接近空氣比例的氮氧混合氣體；總的來講，上述工藝流程會使A 塔下部純度不高的氣體成分進入B 塔中，從而整體上降低最終產(chǎn)品氮氣的純度[8]。針對上述問題，將常規(guī)均壓工藝流程改進為新型不對稱中部均壓工藝流程，具體如圖3 所示。

圖2 常規(guī)均壓工藝流程

圖3 新型不對稱中部均壓工藝流程

由圖3 可知，新型不對稱中部均壓工藝流程的主要優(yōu)化點為將進入吸附塔B 中的氣體從吸附塔A 中下部的氣體改為吸附塔A 中部的氣體，從一定程度上減小了進入吸附塔B 中氧氣的含量，從而提升了最終氮氣產(chǎn)品的純度和產(chǎn)量。

3.2 PSA 流程優(yōu)化效果評測

采用所設(shè)計的實驗裝置對常規(guī)均壓工藝流程和新型不對稱中部均壓工藝流程制氮的效果進行對比，主要對最終所得氮氣產(chǎn)品的純度、產(chǎn)率和回收率等指標進行比較，比較結(jié)果如表3 所示。

表3 PSA 工藝流程優(yōu)化效果對比

由表3 可知，對PSA 工藝流程進行優(yōu)化后，最終所得氮氣產(chǎn)品的純度仍然為最高純度；不同的是，采用新型不對稱中部均壓工藝流程后氮氣的產(chǎn)率提高3.1%，氮氣回收率提升2.3%。即采用新型不對稱中部均壓工藝流程后可提高氮氣的產(chǎn)量，保證氮氣產(chǎn)品的純度。

4 結(jié)語

氮氣由于其相對穩(wěn)定的化學性質(zhì)被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。本文針對基于變壓吸附分離空氣制備氮氣技術(shù)為研究主線，重點對基于該技術(shù)的工藝流程進行優(yōu)化，并對優(yōu)化效果進行測評，總結(jié)如下：

1）變壓吸附分離空氣制氮技術(shù)可根據(jù)吸附劑對氧氣和氮氣的吸附速度不同實現(xiàn)空氣的分離，從而制得所需的氮氣；同時，可通過對吸附壓力的調(diào)整，將吸附劑中的氧氣排出實現(xiàn)吸附劑的重復循環(huán)利用。

2）根據(jù)變壓吸附分離空氣制氮技術(shù)的工藝流程構(gòu)建包含氣源系統(tǒng)和變壓吸附系統(tǒng)的實驗裝置，對最終工藝流程的優(yōu)化效果進行測評。

3）將傳統(tǒng)的常規(guī)均壓PSA 工藝流程改進為新型不對稱中部均壓工藝流程，實驗表明，優(yōu)化后氮氣的產(chǎn)率提高3.1%，氮氣回收率提升2.3%。