浅谈变压吸附制氮技术及其应用

浅谈变压吸附制氮技术及其应用

邓堃

天津市新天钢冷轧板业有限公司 天津 300457

摘要：随着科学技术的发展，变压吸附技术逐步引入制氮过程，并发挥着越来越重要的作用。本文重点阐述了变压吸附制氮技术要点和应用，并结合工作经验对其发展方向进行了分析，希望能为同行研究人士带来参考价值。

关键词：变压吸附；制氮技术；应用

引言

氮气在化工生产中的应用越来越普遍，如易燃易爆物料的惰性保护、特殊物料的防氧化、储罐及容器的冲氮排氧、化纤、精细化工、石油化工等过程，氮气浓度要求一般在98%以上。工业上大规模制氮装置一般是利用传统的深冷法。该法是把空气深冷液化，利用氧和氮的沸点不同，进行精馏分离提取，特点是制氮量大，氮气纯度高，但工艺流程较复杂，设备制造、安装、调试等要求高，投资多，设备占地面积大，适用于大规模集中制氮的场合。

一、变压吸附制氮技术的原理

变压吸附技术，简称PSA。变压吸附制氮技术的原理，简单来说，就是利用吸附剂于不同压力的吸附容量不同而实现不同气体的吸附，从而实现氮、氧分离。也就是说利用吸附剂对于气体分子的物理吸附作用，通过调节压力大小从而实现对物系的有效分离。当气体分子经过固体表面时，因固体表面分子作用，气体分子会聚集于固体表面，致使固体表面气体分子浓度加大，此为吸附过程；若将压力减小，固体表面气体分子就会得到释放，重新返回气体当中，此时吸附剂就得到重生，可实现持续吸附作用。

二、变压吸附制氮技术的类型

变压吸附制氮技术的分型主要以吸附剂为标准，主要有碳分子筛制氮技术和沸石分子筛制氮技术。碳分子筛，简称CMS，是一种非极性速度分离性吸附材料，其生产原料为煤，并利用纸张进行粘结，通过一定加工而形成活性炭。活性炭表面拥有大量微孔晶体，可作为一种半永久吸附剂来使用。在利用活性炭作为制氮过程的吸附剂时，因碳分子筛上的氧气其扩散速度相比于氮气来说要快得多，因此碳分子筛可吸收大量氧气，最终留下多数氮气通过碳分子筛自吸附塔流出，从而得到所需高浓度气体——氮气。沸石，简称ZMS，是一种硅铝酸盐晶体，具普通晶体结构及特征。在利用沸石作为制氮过程的吸附剂时，其吸附作用不同于碳分子筛，发挥吸附功能的并不是沸石表面，而是沸石内部的空穴，各空穴以孔道相互连接，利用孔道可将气体分子进行吸附。同时，因沸石空穴具普通晶体性质，其孔径分布相对均匀。不同大小的分子经过沸石孔穴时，孔穴对于分子的吸收力度也不同，如孔穴无法吸附较大分子，却可吸收极性分子和不饱和键分子。利用这一原理，在进行制氮的过程当中，氧气和氮气都为非极性分子，受极化作用，其都会产生偶极，在偶极的作用下，沸石分子筛会有选择地与固定偶极发生吸附作用，氮气的偶极诱导力明显大于氧气，这就使得氮气的吸附力也大于氧气，利用吸附力的差异就可实现氮、氧分离。

三、变压吸附制氮系统主要设备运行要点

第一，空气压缩机一般为螺杆式空气压缩机或离心式空压机，它是制氮系统的关键设备。提供足够的气量和相对恒定的输入压力（0.70-0.80MPa）的原料气是系统正常工作的必备条件。因此，原料气的含油、水、尘量需符合规定。否则，会影响碳分子筛使用效率及引起分子筛中毒失效。第二，冷干机是空气源净化处理过程中除水除油的关键设备，要严格按照使用要求进行监视和维护保养，确保经冷干机干燥处理后的压缩空气的含水量和含油量达标。第三，冷干机是空气源净化处理过程中除水除油的关键设备，要严格按照使用要求进行监视和维护保养，确保经冷干机干燥处理后的压缩空气的含水量和含油量达标。第四，变压吸附分离系统是制氮系统的主体。系统运行时，厂操作工在巡检时观察吸附塔工作过程中的吸附、均压力、气源压力及氮气输出压力等是否正常。第五电气控制系统是制氮系统工作的指挥中心。系统正常生产过程中，均处于自动状态工作。操作工在运行设备上可观察到各程序的工作状态，并可根据需要查询各程序进行中的运行时间。

四、变压吸附制氮技术的发展方向

变压吸附制氮技术对于氯碱化工企业仍是一种适宜的生产氮气的好方法，虽然比较成熟，但也存在一些问题，如生产操作中使用不当，极易造成吸附塔内的分子筛中毒，且分子筛价格昂贵，还不能有效地控制分子筛的孔径等，因此，今后研究方向主要有：(1）新型吸附剂的研制。对碳分子筛、沸石分子筛等吸附剂进行深入地研究，进一步提高吸附剂的分离性能及强度；（2）发展多种分离过程的集成技术。国内有些公司已着手进行发展集成分离技术，如超细化中空纤维膜法、变压吸附深冷联合过程等；(3）提高控制水平，向智能型控制系统发展，最终实现全自动化操作；（4）开展基础理论的研究，应充分利用计算机技术进行吸附床数学模型及计算机模拟等基础理论的研究，以及吸附脱附过程中的传质、传热规律的研究；(5）在保证氮气纯度的同时，减少吸附剂的用量，提高设备生产能力，增加氮气回收率并降低能源消耗。

五、碳分子筛PSA制氮工艺技术产品特点

第一，独创的分子筛复合床结构，保护碳分子筛不受油分和水分的污染，确保碳分子筛长期使用；第二，科学的结构设计，特殊的气流扩散装置，避免了气流高速冲击造成碳分子筛粉化现象；第三，采用德国气动角座阀，使用寿命长达300万次以上，能满足设备长期连续运行；第四，先进工艺流程设计，最大程度利用了分子筛的吸附功能；第五，设备紧凑，占地面积小，空气净化组件和PSA制氮装置可安装在同一底座上，组成一体化结构；第六，自动化程度高，采用PLC自动程序控制，并可根据氮气纯度自动调节，而且预留接口以便于计算机远程控制；第七，采用内平衡式自动压紧装置和独特的分子筛填装技术提高了整机的长期运行的可靠性；第八，成本低，比购买钢瓶氮气或液氮费用低廉很多倍；第九氮气自动排空系统纯度联锁。

六、变压吸附制氮技术的应用

以某化工公司变压吸附制氮生产实际情况为例。该公司共使用6台变压吸附制氮装置，生产能力有600m³/h和300m³/h的，所生产氮气其纯度超过98%。经技术改进，当氮气压力超过0.6Mpa时，氮气纯度可达99%以上，更好地满足了生产所需氮气压力及纯度，同时在大修开停时，因有备用机，还可有效避开氮气用量高峰。因平时较注重制氮装置的维护和保养，且严格依相关规范进行操作，因此分子筛可用6-7年再进行更换。经计算，制氮机的运行成本仅0.27-0.3元/m³。相比于传统的深冷法，利用变压吸附制氮技术后，企业生产制氮的运行费用降低了，能耗减少了，同时设备不占大面积用地，操作简便且安全系数较高，可实现生产的自动化控制，同时还可依用户自定义来控制生产时氮气的纯度和输出量。另据实践表明，变压吸附制氮装置不仅可用于工业生产当中，而且还可应用于电子、化纤、金属热处理、食品等行业，且投资少、见效快，可于短期内收回装置购买成本，具很高的经济效益。

结束语

变压吸附制氮技术的应用不但有效提高了氮气的生产效率，而且也基本实现了工业生产的自动化控制，同时还可实时监测和控制氮气的纯度及流量，这在很大程度上降低了企业的生产成本，提高了企业的经济效益。但就我国现变压吸附制氮技术而言，其水平相对较低，且存在一定问题，因此，在未来的发展当中，相关科研人员还应深入研究，以不断提高我国变压吸附制氮技术水平。

参考文献

[1]张晶.变压吸附与膜分离制氮方式对比[J].天津化工,2019(4):10-12.

[2]张海磊,孙镜凯.高温环境条件下制氮机适应性改造[J].石化技术,2020,v.27(05):22+31.