變壓吸附制氮技術(shù)的應(yīng)用

孫澤勝，王 欣

（沈陽化工股份有限公司，遼寧 沈陽 110026）

變壓吸附制氮技術(shù)的應(yīng)用

孫澤勝，王 欣

（沈陽化工股份有限公司，遼寧 沈陽 110026）

從變壓吸附制氮技術(shù)原理和沈陽化工公司變壓吸附制氮生產(chǎn)的實際情況，分析了變壓吸附制氮技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展前景。說明了變壓吸附制氮技術(shù)在化工生產(chǎn)中仍是較適宜的制氮方法。

變壓吸附；制氮技術(shù)；發(fā)展前景

近年來，一些發(fā)達國家對氮的需求量以大于10%的年速率增長。傳統(tǒng)獲得氮氣的深冷法，由于其投資大、操作復(fù)雜，尤其是能耗高，因此，沈陽化工公司早在2000年就淘汰了此法，而采用自動化程度相對較高、運行成本低、操作維護簡便及能耗較低的變壓吸附（PSA）制氮工藝。

該公司氮氣主要作為聚氯乙烯、鹽酸、燒堿生產(chǎn)及其開停車時的安全保護用氣。尤其是在大修開停車時，氮氣用量較大。在聚氯乙烯生產(chǎn)過程中還需要較高壓力的氮氣（0.6 MPa以上）。

變壓吸附制氮系統(tǒng)主要包括空氣壓縮機、冷干機、過濾器、空氣貯罐、吸附塔（A、B）、氮氣緩沖罐等設(shè)備和一些附屬器件如調(diào)節(jié)閥、節(jié)流閥、調(diào)壓閥等。10余年來，此系統(tǒng)較好地滿足了生產(chǎn)的需要。

1 變壓吸附（PSA）制氮技術(shù)的原理

PSA制氮是以空氣為原料，以碳分子篩為吸附劑，運用變壓吸附原理，使充滿微孔的碳分子篩對氣體分子有選擇性的吸附，獲得98.00%～99.99%氮氣的新型制氮技術(shù)。

碳分子篩系由硬煤磨細后，經(jīng)一系列加工成型燒結(jié)所得?；罨尚秃蟮奶挤肿雍Y其晶粒體分布著無數(shù)微孔孔穴。碳分子篩屬于速度分離型吸附劑，由于分子直徑小的氧分子比分子直徑稍大的氮分子在運動中的擴散速度快10倍，當(dāng)空氣進入碳分子篩床層時，分子直徑小的氧以較快的速度進入碳分子結(jié)晶微孔中，氧被富集在碳分子固相中，而氮氣則在氣相中富集，從而將氧氣和氮氣從空氣中分離開來。碳分子篩對氧的平衡吸附量隨吸附壓力升高而增加，隨壓力的降低而減少，即所謂變壓吸附。吸附時，空氣的壓力應(yīng)控制在適宜的壓力范圍內(nèi)，以得到較佳的吸附效果。當(dāng)進入碳分子篩床層的空氣壓力降低到常壓（0.1 MPa）時，碳分子篩微孔中吸附氧分子被釋放出來，即所謂常壓解析。變壓吸附制氮系統(tǒng)圖見圖1。

2 變壓吸附制氮系統(tǒng)主要設(shè)備運行要點

（1）空氣壓縮機一般為螺桿式空氣壓縮機，它是制氮系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。提供足夠的氣量和相對恒定的輸入壓力（0.70～0.80 MPa）的原料氣是系統(tǒng)正常工作的必備條件。因此，原料氣的含油、水、塵量需符合規(guī)定。否則，會影響碳分子篩使用效率及引起分子篩中毒失效。

（2）冷干機是空氣源凈化處理過程中除水除油的關(guān)鍵設(shè)備，要嚴(yán)格按照使用要求進行監(jiān)視和維護保養(yǎng)，確保經(jīng)冷干機干燥處理后的壓縮空氣的含水量和含油量達標(biāo)。

（3）各級過濾器是在空氣源凈化處理過程中為達到除水、除油、除固態(tài)粒子，使進入吸附系統(tǒng)空氣源質(zhì)量達到標(biāo)準(zhǔn)所必須的配套設(shè)備。設(shè)備正常運行時，要定期檢查自動排水器工作情況及過濾器進出氣兩端壓降，定期更換各濾芯，確保各級過濾器運行正常。

（4）變壓吸附分離系統(tǒng)是制氮系統(tǒng)的主體。系統(tǒng)運行時，廠操作工在巡檢時觀察A、B吸附塔工作過程中的吸附、均壓壓力、氣源壓力及氮氣輸出壓力等是否正常。

（5）電氣控制系統(tǒng)是制氮系統(tǒng)工作的指揮中心。系統(tǒng)正常生產(chǎn)過程中，均處于自動狀態(tài)工作。操作工在運行設(shè)備上可觀察到各程序的工作狀態(tài)，并可根據(jù)需要查詢各程序進行中的運行時間。

3 變壓吸附（PSA）制氮技術(shù)的應(yīng)用效果

該公司共有變壓吸附制氮機6臺，生產(chǎn)能力分別為600 m3/h和300 m3/h，其氮氣純度可達98%以上。經(jīng)過技術(shù)改進，氮氣壓力在0.60 MPa以上時，純度可達99%以上，很好地滿足了正常生產(chǎn)時所需氮氣壓力和純度，以及大修開停車氮氣高峰的用量。由于加強了制氮機的維護和保養(yǎng)，科學(xué)合理地運行設(shè)備，分子篩更換周期平均為6～7年。運行成本為0.45元/m3。相對傳統(tǒng)深冷法具有運行費用低、能耗低、設(shè)備占地面積少、操作安全系數(shù)高、自動化程度也較高等優(yōu)點。

4 變壓吸附制氮技術(shù)的發(fā)展方向

變壓吸附制氮技術(shù)對于氯堿化工企業(yè)仍是一種適宜的生產(chǎn)氮氣的好方法，雖然比較成熟，但也存在一些問題，如生產(chǎn)操作中使用不當(dāng)，極易造成吸附塔內(nèi)的分子篩中毒，且分子篩價格昂貴，還不能有效地控制分子篩的孔徑等，因此，今后研究方向主要有：（1）新型吸附劑的研制。對碳分子篩、沸石分子篩等吸附劑進行深入地研究，進一步提高吸附劑的分離性能及強度；（2）發(fā)展多種分離過程的集成技術(shù)。國內(nèi)有些公司已著手進行發(fā)展集成分離技術(shù)，如超細化中空纖維膜法、變壓吸附深冷聯(lián)合過程等；（3）提高控制水平，向智能型控制系統(tǒng)發(fā)展，最終實現(xiàn)全自動化操作；（4）開展基礎(chǔ)理論的研究，應(yīng)充分利用計算機技術(shù)進行吸附床數(shù)學(xué)模型及計算機模擬等基礎(chǔ)理論的研究，以及吸附脫附過程中的傳質(zhì)、傳熱規(guī)律的研究；（5）在保證氮氣純度的同時，減少吸附劑的用量，提高設(shè)備生產(chǎn)能力，增加氮氣回收率并降低能源消耗。

Application of PSA nitrogen making technology

SUN Ze-sheng,WANG Xin
(Shenyang Chemical Co.,Ltd.,Shenyang 110026,China)

The technical principles and PSA nitrogen production were introduced,and the application and development prospects of PSA were analysed.The PSA nitrogen technology in chemical production was still the more appropriate method of nitrogen.

PSA;nitrogen technology;development prospects

TQ126.2+1

B

1009－1785(2011)12-0045-02

2011-09-11