PSA制氮性能主要影响参数的研究
变压吸附是一项非常有效的气体分离新技术，与深冷分离法一样，已经成为现代工业气体分离与净化的独立的化工操作单元，被广泛应用于空气分离、气体干燥和氢气分离精制等领域氮气是空气中的主要成分，其化学性质非常不活泼，在大气压力和室温下为无色、无味、无毒的不可燃气体。氮气除了用于合成氨以外，通常被作为保护气而广泛用于化工、冶金、煤炭、医药、食品、航空电子等行业展，各国对氮气的需求量也逐渐增加。传统获取氮气的方法主要是深冷分离法，其特点是投资大、能耗高、操作复杂等。目前，常用的制氮方法主要有膜分离法、深冷分离法、变压吸附法(PSA)。其中变压吸附具有投资小、自动化程度高、操作维护简单、常温运行等优点。因此，当PSA制氮问世后，就受到各国工业界的竞相开发和研究。在实际工程项目中，具体制氮方案的选取应该根据用氮量、用氮纯度、现场操作条件等，以及通过经济技术比较，来选择最合适、经济高效的制氮方案。本文中主要通过PSA制氮实验，探讨影响氮气体积分数和氮气回收率的关键工艺参数，得到PSA制氮装置的最佳工艺条件。实验装置及分析测试方法实验原理PSA制氮技术是以碳分子筛(CMS)为吸附剂，在常温下以空气为原料，利用氮气与氧气在CMS的吸附速率的差异和吸附容量的不同，采用加压吸附、减压解吸的原理从空气中吸附和释放氧气，从而分离出氮气CMS是一种以煤为主要原料，经过研磨、氧化、成型、碳化并经过特殊的孔型处理工艺加工而成的，表面和内部布满微孔的柱形颗粒状吸附剂，是一种半永久的吸附剂。碳分子筛的孔径分布特性使其能够实现分子的动力学直径较小，在碳分子筛的微孔中有较快的扩散速率，而分子的动力学直径较大，扩散速率较慢。压缩空气中的相差不大，而Ar的扩散速率较慢，不同的气体以不同的速率扩散至分子筛的微孔之中，而不会排斥空气中的任何一种气体，N最终从吸附塔富集出来PSA制氮工艺的主要循环操作步骤为:升压吸附、均压、降压解吸、冲洗，然后再充压吸附。升压吸附:装有CMS的吸附塔共有101A底端经CMS向出口端流动时，OCMS吸附，产品氮气由吸附塔出口流出。min左右)，吸附塔CMS吸附饱和。这时，吸附塔－101A自动停止吸附，并对吸附塔－101B进行一个短暂的均压过程，从而迅速提高吸附塔－101B压力以达到提高制氮效率的目的。所谓均压，就是将两塔连通，使一只吸附塔(待解吸塔)的气体流向另一只吸附塔(待吸附塔)，最终达到两塔的气体压力基本相等。降压解吸:均压完成后，吸附塔－101A通过底端出气口继续排气，将吸附塔内压力迅速降至常压，以解吸已吸附在CMS，实现CMS再生。冲洗:为了使CMS再生彻底，通过两塔之间常开的反吹阀对吸附塔－101A进行逆流吹扫。PSA制氮实验装置的正常运行是通过PLC实验计算方法利用气相色谱仪，采用面积归一化法对实验数据进行处理。实验装置由空气净化系统(空气压缩机、高效除油器、冷冻干燥机、各级过滤器及空气缓冲罐)、PLC控制系统、氮气纯度检测系统(气相色谱等部分组成。吸附剂及原料选用国产的220分析方法采用上海海欣色谱仪器有限公司的GC950相色谱仪(带六通阀)，南京加诺仪表仪器有限公司的空气分析柱。气相色谱仪操作条件见表气相色谱仪操作条件检测mL载气流量mA方式TCD7050100氢气30工艺流程原料空气经过空气压缩机后进入高效除油器，除去空气中绝大部分的水分和油雾，然后进入管线过滤器除去的微粒及大部分的水，保障冷冻干燥机和后级过滤器的正常使用;经冷冻干燥机使之强制冷却到左右，使空气中的水汽凝结成水，由排污阀排出，使压缩空气的露点达到的微粒及油、水;再进入超精过滤器过滤油、水，过滤精度最后经活性炭除油器中的活性炭(圆柱形15吸附压缩空气中微量的油雾，得到的洁净压缩空气通过管道进入氮氧分离系统，从吸附塔底进入，由吸附塔的上部排出产品氮气，被吸附的氧气被直接解吸释放至大气，实现CMS的再生。本装置的实验流程及主要设备见图结果与讨论吸附解吸时间对制氮性能的影响本实验为了考察吸附解吸时间对制氮装置性能的影响，首先对吸附解吸时间进行了研究，在吸附压h，选择吸附解吸时间分别为48、50、52、5456、58、60s，以便得到不同吸附解吸时间的产品氮气体积分数和氮气回收率，来确定最佳吸附解吸时间。实验结果见图可以看出，随着吸附解吸时间的延长，产品氮气体积分数开始基本不变，当变压吸附时间时，氮气体积分数逐渐降低;氮气回收率逐渐升高。这说明吸附解吸时间的长短对PSA很大的影响。吸附解吸时间较短时，碳分子筛利用率高，因此氮气体积分数较高;当吸附解吸时间过长时，氧气穿透碳分子筛床层，使得氮气体积分数降低。另一方面，吸附解吸时间越长，碳分子筛吸附的氮气越多，氮气回收率越高。为了使得氮气体积分－103—精密过滤器;－105—活性炭除油器;实验流程及主要设备图2014变压吸附制氮性能主要影响参数的研究1271—氮气体积分数;2—氮气回收率氮气体积分数和氮气回收率随产品流量的变化曲线1—氮气体积分数;2—氮气回收率氮气体积分数和氮气回收率随吸附解吸时间的变化曲线数和氮气回收率均较高，取54作为最适宜的吸附解吸时间。塔内的气流速率增大，气流在吸附床层中的停留时间变短，氧气未被吸附就穿透吸附床层进入产品氮气，因此产品氮气体积分数降低。另一方面，产品流量的增大也使得大量的氮气未被吸附就进入产品中，因此氮气回收率升高。本制氮实验装置在吸附压力为MPa，吸附解吸时间为54s，均压时间为s，最终确定产品氮气流量为较好。吸附压力对制氮性能的影响为了考察吸附压力对制氮装置性能的影响，在吸附解吸时间为54s，均压时间为MPa，得到不同吸附压力下的氮气体积分数和氮气回收率。实验结果见图研究了不同工艺条件对PSA制氮产品体积分数的影响，最终确定了本实验装置的最佳工艺条MPa，吸附解吸时间为54h。此时，所制得的产品氮气体积分数最稳定，氮气平均体积分数为98%以上，回收率在40%左右。MPa范围内，压强越高，产氮率越高;压强越低，产氮率越低。所以在选择空气压缩机时，一定要选择满足工艺条件的空气压缩机，气源压力需保证至少在MPa以上，并且供气量充足，产品氮气体积分数和氮气产量才能达到指标。实验过程中，碳分子筛装填均匀密实可有效地防止隧道效应，不仅可避免碳分子筛颗粒之间的相互碰撞和摩擦而造成粉化，而且有效减少了吸附塔的无效空间，从而提高了氮气产量并延长碳分子筛的使用寿命。