1 前 言
由于变压吸附技术能耗小、操作简单、自动化程度高、无环境污染，因此，该技术是气体分离最理想的方法 ,并正以其独特的优点而被广泛应用于干燥、富氢、富氮、富氧、二氧化碳回收等气体分离过程中。国外许多发达国家早在 70 年代就在许多领域中应用了这一技术,并取得了显著的经济效益。变压吸附分离空气制氮与传统的深冷法分离空气相比具有自动化程度高、开停方便、操作费用低、适应性强等显著优点,大有逐步代替深冷精馏法制氮的趋势。洛阳石化总厂为化纤配套的 PN —5000制氮设备就是变压吸附分离空气技术的应用。本文将重点阐述变压吸附制氮的基本原理、工艺过程 ,并从安全生产的角度对影响装置运行的因素逐一分析,为确保化纤空分一次开车成功提供理论依据。
2 基本原理和工艺过程
2.1 PSA基本原理
采用变压吸附分离气体混合物的基本原理是：利用吸附剂对不同气体在吸附量、吸附力等方面的差异，以及吸附剂的吸附容量随压力变化而变化的特性,在加压时完成混合气体的吸附分离,在降压条件下完成吸附剂的再生 ,从而实现气体分离和吸附剂循环使用的目的。变压吸附空分制氮是利用碳分子筛为吸附剂,其分离空气的原理如下：用碳分子筛作吸附剂时,在同一压力下,氧的吸附量比氮高。如图 1 (a) 。而从负荷因子(吸附量与平衡吸附量之比)和达到平衡时间的关系曲线图 1 (b)来看,在负荷因子相同的条件下 ,氮可迅速达到平衡值,而氧则较迟缓。这是因为氧在碳分子筛上的细孔扩散系数比氮的要大数百倍之多,碳分子筛从空气中变压吸附制氮就是利用氧和氮在碳分子筛上细孔扩散系数不同而制取的。
2.2 PSA制氮的工艺流程如图 2 所示。
3 影响变压吸附制氮的因素
3.1 微量油累积和灰尘在实际操作中,要特别注意压缩后的原料气中,不能含有或尽可能减少使吸附剂中毒的组分或气体 ,如油滴、油雾、水滴、酸雾或硫化物等。原料气在进入吸附筒前需仔细过滤并加以预处理。本装置采用三组精密过滤器对空气进行处理，即在冷干机前设一组C型过滤器，在冷干机后和吸附筒前设置T型过滤器、A型过滤器各一组，确保进入吸附筒的原料气中油、尘含量小于1cm3/ m3,保证变压吸附长期安全运行的需要。
3.2 工作压力
吸附剂的吸附容量是温度与压力的函数G =f ( P , T) , G随压力的提高而增加，但达到一定程度就饱和见图3。所以一般情况下希望提高压力来增加吸附容量。由于变压吸附是一个瞬时升压过程，压力过高会延长一个微循环单位过程，减少单位时间内的循环次数，反而不利于与混合气体的分离;空气的分离随工作压力提高，其分离指数降低。而且，气体压力提高需要增加吸附筒的机械强度、增加设备费用的投入，从图4、图5也可看出，工作压力对气体回收率和能耗影响很明显。因此，在操作上要保证变压吸附的最佳工作压力。而洛阳石化总厂 PN5000 制氮设备是在0185MPa压力下的工作 ,在运行过程中 ,通过设置压力调节阀来保证装置在该压力下运行。
3.3 进气温度
空气压缩后,一般为饱和或过饱和湿空气由表1可知 ,在同等压力下,温度每升高5 ℃,饱和水含量增加30 %左右 ,即吸附筒的水份负荷增加30 % ,此外,碳分子筛的吸附容量也随温度的升高而降低。该装置采用冷干机干燥气体使进气压力露点在15 ℃以下,除去大部分水份 ,减轻碳分子筛的负担。
3.4 进气流量对氧吸附影响
进气流量与产品纯度的关系是,流量越大,产品纯度越低。这是因为流量增大,气体流速增加,影响气体中氧气向吸附剂内孔扩散 ,导致产品气液度降低。本装置有两种工况：当纯度 ≥95 %时，产品V ≥5 000m3/ h (标准体积 ,下同) ;当纯度 ≥99 % , V ≥3 200m3/ h。在实际生产中 ,可根据需要通过调节氮气缓冲罐出口阀门的开度调节流量 ,获得不同纯度的氮气。
3.5 碳分子筛的堆积密度、 压碎强度和耐蚀能力吸附剂最重要的特征是它的高孔隙率 ,其次还有堆积密度、压碎强度和耐蚀能力。孔隙率越高 ,被吸附越快 ,堆积密度越大、碳分子筛分布越均匀 ,它的压碎强度和耐蚀能力越强 ,氮纯度越高。因此 ,在填装碳分子筛时要尽量装均匀、填实 ,运行一段时间后,再次补足碳分子筛,杜绝碳
分子筛低中位运行。
4 与深冷制氮的比较
两种制氮技术比较见表 2。
从以上比较可看出 ,变压吸附制氮在生产成本费用、 日常维修费用、 自动化程度、 劳动强度等方面都比深冷制氮有明显的优越性。
5 结 论
从根本上理解变压吸附制氮技术的基础理论和工艺原理、正确分析和掌握影响装置运行的几个因素,使装置在良好的工作条件下长周期安全运行,取得良好的经济效益。
