PSA全稱:Pressure Swing Adsorption,中文意(yi)思為:變壓吸附(fu).PSA是一種新的氣體分(fen)離(li)技術(shu),自60年代末70年代初在國外已經得到迅速的發展,其原理是利用分子篩對不同氣體分子"吸附"性能的差異而將氣體混合物分開,它是以空氣為原料,利用一種高效能、高選擇的固體吸附劑對氮和氧的選擇性吸附的性能把空氣中的氮和氧分離出來.
工程概述
在制氮(dan)、制氧(yang)領域內使用較多的(de)是(shi)(shi)碳(tan)分(fen)子(zi)(zi)篩和沸石分(fen)子(zi)(zi)篩.分(fen)子(zi)(zi)篩對(dui)氧(yang)和氮(dan)的(de)分(fen)離作用主要是(shi)(shi)基于這兩種氣體(ti)在分(fen)子(zi)(zi)篩表(biao)面的(de)擴散速率不同,碳(tan)分(fen)子(zi)(zi)篩是(shi)(shi)一種兼具(ju)(ju)活性(xing)炭和分(fen)子(zi)(zi)篩某些(xie)特(te)性(xing)的(de)碳(tan)基吸附劑.碳(tan)分(fen)子(zi)(zi)篩具(ju)(ju)有很小微(wei)孔(kong)組(zu)成,孔(kong)徑分(fen)布在 ~ 1nm之間.較(jiao)小(xiao)直徑的(de)氣(qi)(qi)體(氧(yang)氣(qi)(qi))擴散較(jiao)快,較(jiao)多進入分(fen)子篩固相,這樣氣(qi)(qi)相中就可以得到(dao)氮的(de)富集(ji)成分(fen).一段時間后,分(fen)子篩對(dui)氧(yang)的(de)吸(xi)附(fu)達到(dao)平衡(heng),根據碳分(fen)子篩在不同壓(ya)(ya)力下對(dui)吸(xi)附(fu)氣(qi)(qi)體的(de)吸(xi)附(fu)量不同的(de)特性,降(jiang)低(di)壓(ya)(ya)力使(shi)碳分(fen)子篩解除對(dui)氧(yang)的(de)吸(xi)附(fu),這一過程(cheng)稱為再(zai)(zai)生.變壓(ya)(ya)吸(xi)附(fu)法通常使(shi)用(yong)兩(liang)塔并聯(lian),交替進行加壓(ya)(ya)吸(xi)附(fu)和解壓(ya)(ya)再(zai)(zai)生,從而獲(huo)得連續的(de)氮氣(qi)(qi)流.
作用范圍
以(yi)空(kong)氣為原料,以(yi)碳分(fen)(fen)子(zi)篩作為吸(xi)附(fu)劑,運(yun)用變壓吸(xi)附(fu)原理(li),利用碳分(fen)(fen)子(zi)篩對氧和(he)氮的選擇性吸(xi)附(fu)而使氮和(he)氧分(fen)(fen)離(li)的方法(fa),通稱PSA制氮.此法是七十年代迅速發展起來的一種新的制氮技術.與傳統制氮法相比,它具有工藝流程簡單、自動化程度高、產氣快(15～30分鐘)、能耗(hao)低,產(chan)品純(chun)度可在較大范(fan)圍內根(gen)據用戶需要進行調(diao)節,操作維護方便、運行成(cheng)本較低、裝置適(shi)應性(xing)較強(qiang)等特點,故在1000Nm3/h以下制氮設備中頗具競爭力,越來越得到中、小型氮氣用戶的歡迎,PSA制氮已成為(wei)中、小(xiao)型氮氣用戶的首(shou)選方法.
比(bi)較(jiao)
隨著工業的迅速發展,氮氣在化工、電子、冶金、食品、機械等領域獲得了廣泛的應用,我國對氮氣的需求量每年以大于8%的(de)(de)速度增加. 氮(dan)氣(qi)的(de)(de)化學(xue)性質不(bu)活潑,在尋(xun)常的(de)(de)狀態(tai)下(xia)表(biao)現為很(hen)大的(de)(de)惰性,不(bu)易與-物質發生化學(xue)反應.因此(ci),氮(dan)氣(qi)在冶金工(gong)業、電子(zi)工(gong)業、化工(gong)工(gong)業中廣泛的(de)(de)用來作為保護氣(qi)和(he)密封氣(qi),一般(ban)保護氣(qi)的(de)(de)純度要(yao)求為%,有的要求%以上的(de)高純氮.液(ye)氮是一個較(jiao)方(fang)(fang)便的(de)冷源,在(zai)食品工業、醫療事業以及畜牧業的(de)-貯(zhu)藏等(deng)方(fang)(fang)面得(de)到越來越普遍(bian)的(de)應用.在(zai)化(hua)肥工業生產合成氨時,合成氨的(de)原(yuan)料氣—氫(qing)、氮混合氣若(ruo)用純液(ye)氮洗滌精制,可使惰(duo)**氣體的(de)含量(liang)極(ji)微(wei)小,一(yi)氧化硫和氧的(de)含量(liang)不超過20ppm.
純凈的氮(dan)氣無法(fa)(fa)從自然界直接汲(ji)取(qu),主要采用空(kong)氣分離法(fa)(fa).空(kong)氣分離法(fa)(fa)中包括:深冷法(fa)(fa)、變壓吸附(fu)法(fa)(fa)(PSA)、膜分離法.
二、PSA制氮機的工藝流程和設備簡介
1、工藝(yi)流程簡介
空氣經空氣過濾器清除灰塵和機械雜質后進入空氣壓縮機,壓縮至所需壓力,經嚴格的除油、除水、除塵凈化處理,輸出潔凈的壓縮空氣,目的是確保吸附塔內分子篩的使用壽命.裝有碳分子篩的吸附塔共有二個,一個塔工作時,另一個塔則減壓脫附.潔凈空氣進入工作吸附塔,經過分子篩時氧、二氧化碳和水被其吸附,流至出口端的氣體便是氮氣及微量的氬和氧.另一塔(脫附塔)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.這樣兩塔輪流進行,完成氮氧分離,連續輸出氮氣,見圖-2.變壓(_bian4 ya1)吸(xi)附制取的(de)氮氣(qi)純度為95%-%,假如需要更高純度的氮氣需增加氮氣凈化設備.變壓吸附制氮機輸出的95%-%氮氣進入氮氣凈化設備,同時通過一流量計添加適量的氫氣,在凈化設備的除氧塔中氫和氮氣中的微量氧進行催化反應,以除去氧然后經水冷凝器冷卻,汽水分離器除水,再通過干燥器深度干燥(兩個吸附干燥塔交替使用:一個吸附干燥除水,另一個加熱脫附排水),得到高純氮氣,此時的氮氣純度可達%,見圖(tu)-3.海內(nei)變(bian)壓吸附制(zhi)氮較大的生產(chan)能(neng)力(li)為3000m3n/h.
三、深冷(leng)制氮的工藝(yi)流程和設(she)備簡介
1、深冷制氮的(de)典型工藝流程:
整個流程由空氣壓縮及凈化、空氣分離(li)、液氮汽化組成(cheng).
⑴ 空氣(qi)壓(ya)縮及凈化
空氣經空氣過濾器清除灰塵和機械雜質后進入空氣壓縮機,壓縮至所需壓力,然后送入空氣冷卻器,降低空氣溫度.再進入空氣干燥凈化器,除去空氣中的水份、二氧化碳、乙炔及其它碳氫化合物.
⑵ 空氣分離:
凈化后的空氣進入空分塔中的主換熱器,被返流氣體(產品氮氣、廢氣)冷卻至飽和溫度,送入精餾塔底部,在塔頂部得到氮氣,液空經節流后送入冷凝蒸發器蒸發,同時冷凝由精餾塔送來的部分氮氣,冷凝后的液氮一部分作為精餾塔的回流液,另一部分作為液氮產品出空分塔.
由冷(leng)凝蒸發器(qi)出來的廢氣經主(zhu)換熱(re)器(qi)復熱(re)到(dao)約130K進(jin)膨(peng)脹(zhang)(zhang)機膨(peng)脹(zhang)(zhang)制冷為空分(fen)塔提供冷量,膨(peng)脹(zhang)(zhang)后的氣體一部(bu)分(fen)作為分(fen)子(zi)篩(shai)的再生和(he)吹冷用,然后經消音器(qi)排入大氣.
⑶ 液氮汽化
由空分塔出來的液氮進液氮貯槽貯存,當空分設備檢修時,貯槽內的液氮進入汽化器被加熱后,送入產品氮氣管道.
深冷制(zhi)氮可(ke)制(zhi)取純(chun)度≧%的氮氣.
四、深冷制氮與(yu)變壓吸(xi)附制氮的技術經(jing)濟(ji)比較
1、流程比較
從以上的論述中我們可以發現:變壓吸附制氮流程簡樸,設備數量少,主要設備僅有空壓機、空氣干燥器、吸附制氮機和儲氣罐等.而深冷制氮流程復雜,設備數量多,主要設備有空壓機、空冷器、空氣凈化干燥器、換熱器、膨脹機和精流塔等.
制氮(dan)機
2、產(chan)品種類(lei)和(he)純度比較
深冷制氮(dan)不僅可(ke)(ke)以(yi)生產氮(dan)氣(qi)而(er)且可(ke)(ke)以(yi)生產液(ye)(ye)氮(dan),滿(man)意需要液(ye)(ye)氮(dan)的(de)(de)工藝(yi)要求(qiu),并且可(ke)(ke)在液(ye)(ye)氮(dan)貯(zhu)槽內(nei)貯(zhu)存,當出現氮(dan)氣(qi)間(jian)斷負荷或空分設備小修時,貯(zhu)槽內(nei)的(de)(de)液(ye)(ye)氮(dan)進(jin)入(ru)汽化器被(bei)加熱后(hou),送入(ru)產品氮(dan)氣(qi)管道滿(man)意工藝(yi)裝(zhuang)置(zhi)對氮(dan)氣(qi)的(de)(de)需求(qiu).深冷制氮(dan)的(de)(de)運轉周期(qi)(指兩次大加溫之間(jian)的(de)(de)間(jian)隔(ge)期(qi))一般為1年以(yi)上,因此,深冷制(zhi)氮一般不考慮備(bei)用.而變壓吸(xi)附制(zhi)氮只(zhi)能生產氮氣,無備(bei)用手段(duan),單套設備(bei)不能保證(zheng)連(lian)續長周(zhou)期(qi)運行.
深冷制氮可制取純度≧%的氮氣.氮氣純度受到(de dan i _dan i chun du shou dao)氮(dan)(dan)氣負荷、塔(ta)板數(shu)量、塔(ta)板效率(lv)和液空中氧純度等(deng)的(de)(de)-,調節范圍很(hen)小.因此(ci),對于一(yi)套深冷制(zhi)氮(dan)(dan)設備其產品純度基本(ben)是一(yi)定的(de)(de),不便調節.變壓(ya)吸附制(zhi)氮(dan)(dan)制(zhi)取的(de)(de)氮(dan)(dan)氣純度一(yi)般在95%-%范(fan)圍內,假(jia)如需要(yao)更高(gao)純度(du)的(de)氮氣(qi)(qi)(qi)需增加氮氣(qi)(qi)(qi)凈化設備(bei).氮氣(qi)(qi)(qi)純度(du)只受產(chan)品氮氣(qi)(qi)(qi)負荷的(de)影響,在-條件不(bu)變情況下,氮氣(qi)(qi)(qi)排(pai)出量越(yue)大,氮氣(qi)(qi)(qi)的(de)純度(du)就越(yue)低;反(fan)之則(ze)越(yue)高(gao).因此(ci),對于一套變壓(ya)吸附(fu)制(zhi)氮設備(bei)只要(yao)負荷答(da)應其產(chan)品純度(du)可以在90-%之間任(ren)意調節.
3、運行控制比較
深冷法由于(yu)(yu)是在極低溫度下進行(xing)的,設(she)備在投入正(zheng)常運行(xing)之前,必(bi)須有一個預冷啟動過程,啟動時(shi)間即從膨脹機啟動至氮氣(qi)純度達(da)到要(yao)求的時(shi)間一般不(bu)小于(yu)(yu)12h;設備(bei)在進(jin)入大修之(zhi)前,必須有(you)一段加溫解凍的時間(jian),一般為24h.因(yin)此,深冷法制氮(dan)設(she)備不宜常常起、停,宜長時(shi)(shi)間連續(xu)運行.變壓吸附法啟動時(shi)(shi),只(zhi)要按一下(xia)按鈕,啟動30分鐘內便(bian)可以(yi)獲(huo)得合格的氮(dan)氣產(chan)品,假如(ru)需要高純的氮(dan)氣,那么經過氮(dan)氣凈(jing)化裝(zhuang)置,大約再(zai)用30分鐘便可獲(huo)得%-%的高純氮氣(qi).停(ting)機時也只需按(an)一下按(an)鈕便可.因此,變壓吸(xi)附制(zhi)氮特殊適用于間斷運行的情況.
現在深冷(leng)法(fa)制氮一般均(jun)采用(yong)先進的DCS(或PLC)計算機控制(zhi)技(ji)術(shu),實現(xian)中控、機旁、就地一體(ti)化(hua)的控制(zhi),可(ke)有(you)效的監(jian)控整套(tao)設備的生(sheng)產過程(cheng).變壓(ya)吸(xi)附制(zhi)氮采用智能化(hua)全自動控制(zhi),按(an)鈕即(ji)可(ke)進行氮氣生(sheng)產,無需(xu)專人(ren)治理.
五(wu)、結論
對于石油化工裝置,所需氮氣純度大多為%,從以(yi)上對(dui)深冷(leng)制氮和變壓吸附(fu)制氮的簡(jian)介及比較中(zhong),我們可(ke)以(yi)得出以(yi)下結論:
a)當氮氣連續負荷大于600 m3n/h,間斷負(fu)荷(he)用量不(bu)太(tai)大,可(ke)以通過液氮汽(qi)化滿(man)意(yi)要求(qiu)時,應采用深冷制氮.
b)當(dang)氮氣(qi)連(lian)續負荷大于600 m3n/h,間斷(duan)(duan)負荷用(yong)(yong)(yong)量大,液氮汽化已(yi)不能(neng)滿(man)意其用(yong)(yong)(yong)量時,可(ke)采用(yong)(yong)(yong)以(yi)深冷制氮為主,變(bian)壓吸(xi)附間斷(duan)(duan)供氣的方(fang)式.
c)當氮(dan)氣連續(xu)負荷(he)小于600 m3n/h,可采用變壓吸附制氮.
d)變壓吸(xi)附制氮(dan)特殊適用于氮(dan)氣負荷小(xiao)于3000 m3n/h,氮氣純(chun)度為95%,并(bing)且是間斷運(yun)行工況(kuang).
e)當(dang)工藝(yi)裝(zhuang)置需要(yao)液氮(dan)時,除非有外部供給液氮(dan)的(de)可能,否則均應采用深(shen)冷(leng)制(zhi)氮(dan).
石(shi)(shi)油(you)(you)天然氣(qi)行業專用(yong)制氮(dan)機(ji)適用(yong)于-石(shi)(shi)油(you)(you)及天然氣(qi)開采、沿海及深海石(shi)(shi)油(you)(you)及天然氣(qi)開采中的氮(dan)氣(qi)保護、輸(shu)送、覆蓋、置(zhi)換、搶險、維修、注(zhu)氮(dan)采油(you)(you)等領(ling)域.具有安全性(xing)高、適應強、連續性(xing)生(sheng)產待特點(dian).
化(hua)(hua)工(gong)行業(ye)專(zhuan)用(yong)制氮(dan)機適用(yong)于石油化(hua)(hua)工(gong)、煤化(hua)(hua)工(gong)、鹽化(hua)(hua)工(gong)、天然氣化(hua)(hua)工(gong)、精細化(hua)(hua)工(gong)、新材料等(deng)及其衍伸化(hua)(hua)工(gong)產品(pin)加工(gong)行業(ye),氮(dan)氣主(zhu)要用(yong)于覆蓋、吹(chui)掃、置換、清(qing)洗、壓(ya)力輸送、化(hua)(hua)學反應攪動、化(hua)(hua)纖生產保(bao)護、充(chong)氮(dan)保(bao)護等(deng)領域.
冶金行業專用制氮肥機適用于熱處理、光亮退火、保護加熱、粉末冶金、銅材鋁材加工、磁性材料燒結、貴金屬加工、軸承生產等領域.具有純度高、連續生產、部分工藝要求氮氣含一定量的氫以增加光亮度等特點.
煤礦行業專用專用制氮機適用于煤炭開采中的防火滅火、瓦斯及煤氣稀釋等領域,具有地固定式、地面移動式、井下移動式三種規格,充分滿足不同工況下的氮氣需求.
橡膠輪胎行業專用制氮機適用于橡膠及輪胎生產硫化過程中的氮氣保護、成型等領域.特別是在全鋼子午線輪胎生產中,用氮氣硫化新工藝已逐步取代蒸汽硫化工藝.具有氮氣純度高、連續性生產、氮氣壓力較高等特點.
食(shi)(shi)品行(xing)業專(zhuan)用(yong)制氮機適用(yong)于糧食(shi)(shi)綠(lv)色倉(cang)儲(chu)、食(shi)(shi)品充(chong)氮包裝、蔬(shu)菜保鮮、酒(jiu)類(lei)封(罐(guan))裝和保存等.
防爆型制氮機適用于化工、石油天然氣等對設備(bei)有防爆要求的(de)場所.
制藥行業(ye)專用制氮機主要用于藥品生(sheng)產、儲存、封裝、包(bao)裝待領域.
電子行業專用制氮機適用于半導體生產封裝、電子元器件生產、LED、LCD液晶顯示器、鋰電池生產等領域.制氮機具有純度高、體積小、噪聲低、能耗低等特點.
集(ji)裝箱(xiang)式制(zhi)氮機(ji)適(shi)(shi)用(yong)于石油、天(tian)然氣、化工及(ji)其它相關領域,即有適(shi)(shi)應性強、可移動(dong)作業等特(te)點.
車載移動式制氮車適用于石油天(tian)然氣行業的開采、管(guan)道吹掃(sao)、置換、應急搶險、易(yi)燃氣體、液體的稀釋等領域、分為低壓(ya)、中壓(ya)、高壓(ya)系列,具有機動性強(qiang)、可移動作業等特點(dian).
汽車輪胎沖氮氮氣機,主要用于汽車4S店、汽車維(wei)修廠的汽車輪胎沖氮(dan),可延長輪胎使用壽命,降低(di)噪音和油耗.
