淺談變壓吸附與深冷制氮工藝的選擇

劉 碩

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

淺談變壓吸附與深冷制氮工藝的選擇

劉 碩

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

對(duì)于某項(xiàng)目的制氮工藝技術(shù)的選擇，本文提供兩種工藝流程進(jìn)行比較，即變壓吸附技術(shù)和深冷分離技術(shù)。從而選擇更經(jīng)濟(jì)合理的方案。

制氮工藝；變壓吸附；深冷分離；比較

1 制氮工藝流程的簡(jiǎn)介

1.1 變壓吸附制氮原理、特點(diǎn)及流程簡(jiǎn)介

圖1 氧氮?jiǎng)恿W(xué)吸附曲線

變壓吸附制氮(簡(jiǎn)稱PSA制氮)，是一種先進(jìn)的氣體分離設(shè)備，以優(yōu)質(zhì)的碳分子篩(CMS)為吸附劑，采用常溫下變壓吸附原理(PSA)分離空氣制取高純度的氮?dú)狻Ｓ捎谘醯獌煞N氣體在分子篩上的擴(kuò)散速率不同，直徑較小的氧氣分子(O2)擴(kuò)散速率較快，較多的進(jìn)入碳分子篩孔，直徑較大的氮分子(N2)擴(kuò)散速率較慢，進(jìn)入碳分子篩孔較少。利用碳分子篩對(duì)氧氮選擇吸附性的差異很大，當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入碳分子篩吸附塔時(shí)，氧在吸附相富集，氮在氣體相富集，因此，利用碳分子篩對(duì)氧和氮在某一時(shí)間內(nèi)吸附量的差別這一特性，結(jié)合加壓吸附，減壓脫附的快速循環(huán)過程，完成氮?dú)夥蛛x。主要體現(xiàn)在較高壓力下進(jìn)行吸附，在較低壓力下(常溫或真空)使吸附的組分解吸出來，完成分子篩的再生。(如圖1所示)在PSA條件下連續(xù)制取氮?dú)猓谖胶?0s左右時(shí)，氧的吸附量達(dá)到80%，而氮的吸附量只有5%，隨著時(shí)間的推移，氧的吸附量在120s左右逐漸趨于飽和，氮吸附量逐漸升高，此時(shí)氮分子開始進(jìn)入碳分子篩微孔中把氧分子陸續(xù)置換出來，因此在變壓吸附制氮工藝中，吸附時(shí)間要控制在60s。另外碳分子篩對(duì)二氧化碳和水分也有吸附能力，且較容易減壓解吸[1]。

變壓吸附(PSA制氮)工藝流程簡(jiǎn)單，無需復(fù)雜的預(yù)處理系統(tǒng)，設(shè)備數(shù)量少，占地面積小。它的設(shè)備開停車便捷，通常情況下，開車十分鐘左右可按要求獲得合格的氮?dú)狻ＥR時(shí)停車后重新啟動(dòng)即可迅速恢復(fù)供給合格氮?dú)?。PSA制氮采用智能化全自動(dòng)控制，按鈕即可進(jìn)行氮?dú)馍a(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)無人操作。能耗低，裝置的消耗僅用在照明、儀表用電及儀表空氣消耗。分子篩壽命長(zhǎng)，在正常操作情況下一般可使用8～10年，無環(huán)境污染。但是它的切換時(shí)間太短，因此切換閥及繼電器的壽命太短，故障率高，可靠性較差。

空氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮至0.85MPa并被壓縮機(jī)后冷卻器冷卻至約40℃后，進(jìn)入空氣凈化單元除去壓縮空氣中的塵、水及油霧，然后進(jìn)入PSA變壓吸附單元。該單元設(shè)置2個(gè)吸附塔，一個(gè)吸附塔產(chǎn)氮?dú)?，另一個(gè)脫附再生，通過PLC控制切換閥的開關(guān)，使2個(gè)塔循環(huán)交替。吸附、均壓、解吸、吹掃4個(gè)工作過程如下[2]。

1)吸附。當(dāng)潔凈的壓縮空氣進(jìn)入A塔經(jīng)分子篩向出口流動(dòng)時(shí)，A塔壓力逐漸上升至約0.8MPa，空氣中的氧氣、二氧化碳和水等被分子篩吸附，未被吸附的氮?dú)鈴奈剿隹诹鞒鲞M(jìn)入氮?dú)饩彌_罐，吸附持續(xù)時(shí)間約為60s。

2)均壓。A塔內(nèi)的分子篩吸附飽和后，停止吸附，并對(duì)B塔進(jìn)行一個(gè)短暫的均壓過程；2個(gè)塔的進(jìn)出口閥關(guān)閉，均壓閥打開，氣體分別從吸附塔的進(jìn)出口通過均壓閥均壓到解吸塔，使2個(gè)塔的壓力達(dá)到平衡，持續(xù)時(shí)間約為2s。均壓可減少反吹氣體對(duì)分子篩的沖擊。

3)解吸。均壓完成后，A塔通過出氣口繼續(xù)排氣，將吸附塔壓力迅速降至常壓，從而脫出已吸附的氧氣、二氧化碳和水實(shí)現(xiàn)分子篩的解吸再生。

4)吹掃。為了使分子篩徹底再生，引出一股產(chǎn)品氮?dú)鈱?duì)A塔進(jìn)行逆流吹掃。解吸和吹掃持續(xù)時(shí)間共60s。

在一個(gè)塔進(jìn)行吸附產(chǎn)氮的同時(shí)，另一個(gè)塔進(jìn)行再生(即解吸和吹掃)過程，A塔B塔交替進(jìn)行吸附、均壓和再生，完成氧氮分離，連續(xù)輸出氮?dú)?如圖2所示)。

圖2 變壓吸附制氮流程

1.2 深冷分離制氮原理、特點(diǎn)及流程簡(jiǎn)介

深冷分離法是利用深度冷凍原理液化空氣，根據(jù)氮?dú)?、氧氣及其組分的沸點(diǎn)不同(在大氣壓下氧沸點(diǎn)為90K，氮沸點(diǎn)為77K)，在精餾塔進(jìn)行精餾獲得氮?dú)夂脱鯕獾犬a(chǎn)品。原料空氣經(jīng)空氣過濾器吸入，去除其中的塵埃及機(jī)械雜質(zhì)后進(jìn)入空壓機(jī)，壓縮后進(jìn)入后冷卻器及預(yù)冷系統(tǒng)，之后進(jìn)入切換使用的分子篩純化器，在此除去空氣中的水分、二氧化碳和碳?xì)浠衔锏入s質(zhì)。凈化后的空氣進(jìn)入主換熱器，被反流的富氧空氣冷卻至飽和溫度約-168℃后進(jìn)入精餾塔底部參與精餾，在塔頂?shù)玫郊兌雀哌_(dá)99.99%的氮?dú)?。一部分氮?dú)饨?jīng)主換熱器復(fù)熱后作為產(chǎn)品送出，其余進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器被冷凝為液氮。大部分液氮作為回流液返回精餾塔參與精餾，少量液氮送液氮儲(chǔ)槽貯存作為備用。精餾塔底得到含氧量約為30%的富氧液空經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)，用以冷凝氣氮。從冷凝蒸發(fā)器頂部抽出的富氧空氣大部分直接進(jìn)入主換熱器復(fù)熱，并從主換熱器中部抽出，溫度-153℃進(jìn)入透平膨脹機(jī)絕熱膨脹到0.03MPa，溫度約為-183℃，為深冷分離提供冷量。膨脹后的富氧空氣與另外一股節(jié)流后的富氧空氣混合后進(jìn)入主換熱器，與正流空氣換熱，復(fù)熱至常溫后一部分用作分子篩的再生氣，其余放空[3]。

深冷分離技術(shù)工藝可靠，可同時(shí)制取氮?dú)夂脱鯕?，氮?dú)饧兌瓤蛇_(dá)99.99%，并且產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定，一般適用于用氣量≥5000 m3/h，所需氣體露點(diǎn)較低，純度較高的場(chǎng)所。但是深冷分離制氮設(shè)備復(fù)雜、占地面積大，安裝周期長(zhǎng)，基建投資高。產(chǎn)氣慢12～24 h，適用于用氣穩(wěn)定、長(zhǎng)期用氣的生產(chǎn)中。

原料空氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，經(jīng)空氣預(yù)冷及純化系統(tǒng)后除去空氣中的水分、二氧化碳和乙炔。在精餾塔內(nèi)進(jìn)行分離，制取高純度的氮?dú)?。富余氣氮轉(zhuǎn)化為液態(tài)充裝貯槽備用，流程見圖3。

圖3 深冷制氮工藝流程

2 裝置規(guī)模及產(chǎn)品規(guī)格

以下是某項(xiàng)目的空分裝置的產(chǎn)品規(guī)模及規(guī)格。

2.1 空分制氮裝置的規(guī)模

空分制氮裝置正常氮?dú)馍a(chǎn)能力：5033 Nm3/h N2；裝置公稱能力：7000Nm3/h N2。

2.2 氮?dú)猱a(chǎn)品規(guī)格(制氮裝置界區(qū)處)

純度：99.9% (V %)；氧含量：<10 ppm；二氧化碳含量：<1 ppm；一氧化碳含量：<1 ppm；水含量：<5 ppm；常壓露點(diǎn)：-65℃。

表 1 氮?dú)馍a(chǎn)能力(裝置界區(qū)處)

3 兩種制氮工藝技術(shù)比較

本文主要根據(jù)兩種工藝技術(shù)的設(shè)備性能、公用工程消耗、設(shè)備費(fèi)用及裝置的安全性等幾方面進(jìn)行比較。

3.1 純度與產(chǎn)量對(duì)比

表2 深冷分離與變壓吸附制氮?dú)獾募兌扰c產(chǎn)量對(duì)比表

由表2可以看出，深冷分離技術(shù)產(chǎn)品質(zhì)量高，產(chǎn)量大，對(duì)于本項(xiàng)目公稱制氮能力為7000 Nm3/h，純度99.9%采用深冷技術(shù)可適用。對(duì)于變壓吸附技術(shù)，氮?dú)饧兌仍礁?，氮?dú)猱a(chǎn)量越低，國產(chǎn)單套變壓吸附制氮裝置產(chǎn)出純度為99.9%的氮?dú)猱a(chǎn)品的最大產(chǎn)氣量可達(dá)到2400 Nm3/h，因此要采用多套PSA并聯(lián)也可滿足本套制氮裝置的要求。

3.2 性能比較

表3 深冷分離與變壓吸附制氮?dú)獾男阅鼙容^表

由表3可以看出兩種工藝技術(shù)各有優(yōu)劣，PSA工藝流程簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，可隨時(shí)開停機(jī)，產(chǎn)氣所需時(shí)間短，維護(hù)簡(jiǎn)便。深冷制氮不僅工藝流程復(fù)雜，設(shè)備數(shù)量多，且主要設(shè)備要再低溫狀態(tài)下運(yùn)行，預(yù)冷啟動(dòng)過程不少于12h，產(chǎn)氣時(shí)間較長(zhǎng)。但深冷產(chǎn)氣連續(xù)，穩(wěn)定，氮的提取率相對(duì)較高，所需壓縮空氣量少，并可同時(shí)獲得氮?dú)馀c液氮兩種產(chǎn)品。

3.3 設(shè)備的費(fèi)用

受項(xiàng)目本身的限制，本套制氮裝置在設(shè)備選型方面只考慮進(jìn)口設(shè)備，故以下比較僅針對(duì)進(jìn)口設(shè)備來進(jìn)行。

1)深冷制氮技術(shù)設(shè)備費(fèi)用估算：

針對(duì)本套制氮裝置的要求，氮?dú)庖?guī)模7000 Nm3/h，氮?dú)馓崛÷试?0%，單臺(tái)壓縮機(jī)空氣量18000 Nm3/h。

表4 深冷制氮技術(shù)設(shè)備費(fèi)用估算表

2)變壓吸附制氮技術(shù)設(shè)備費(fèi)用估算：

針對(duì)本套制氮裝置的要求，氮?dú)猱a(chǎn)量的調(diào)節(jié)范圍在3000～7000 Nm3/h，選用變壓吸附技術(shù)，采用進(jìn)口單套PSA產(chǎn)出純度為99.9%的氮?dú)猱a(chǎn)品的最大產(chǎn)氣量可達(dá)到2400 Nm3/h，故至少要考慮3開1備的原則來保證安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。

表5 變壓吸附技術(shù)設(shè)備費(fèi)用估算

3.4 公用工程消耗

公稱制氮能力為7000 Nm3/h，純度99.9%，表6列出了兩種工藝技術(shù)的公用工程消耗對(duì)比。

表6 深冷技術(shù)與變壓吸附技術(shù)能耗對(duì)比表

3.5 裝置運(yùn)行安全性

深冷分離制氮技術(shù)成熟，已有幾十年的歷史，雖然維修操作人員多，但可靠性尚好，運(yùn)行成本較低，受外界制約因素少，產(chǎn)品質(zhì)量高。變壓吸附制氮技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)較快，啟動(dòng)約30min內(nèi)便可以獲得合格的氮?dú)猱a(chǎn)品，操作簡(jiǎn)單采用智能化全自動(dòng)控制，無需專人管理。但是實(shí)際運(yùn)行中氮?dú)庳?fù)荷的變化范圍較大，深冷制氮裝置具有一定的液體/氣體負(fù)荷變化能力，既可以生產(chǎn)出氮?dú)膺€可以生產(chǎn)液氮，液氮貯存在液氮貯槽內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)氮?dú)忾g斷負(fù)荷或空分設(shè)備檢修時(shí)，貯槽內(nèi)的液氮進(jìn)入汽化器被加熱后，進(jìn)入產(chǎn)品氮?dú)夤艿缹?shí)現(xiàn)全廠正常工況時(shí)至少40h的氣量。在一定程度上可以避免因臨時(shí)停車而造成對(duì)下游裝置供氣的中斷，將有助于裝置在不同的氮?dú)庑枨髸r(shí)保持較好的操作彈性和經(jīng)濟(jì)性。

而變壓吸附制氮只能生產(chǎn)出氮?dú)猓瑹o備用手段，不能保證事故工況下長(zhǎng)周期運(yùn)行。并且變壓吸附電磁膈膜閥的閥片由于頻繁開關(guān)，不斷切換，每年開關(guān)需要幾萬次到幾十萬次，閥片經(jīng)常損壞，影響產(chǎn)氣。吸附劑要定期檢查添加，吸附塔在運(yùn)行過程中，塔內(nèi)壓力周期性波動(dòng)，氣體在極短時(shí)間內(nèi)排出或進(jìn)入吸附塔，吸附劑受氣流的沖擊，易破碎磨損，吹出塔外，應(yīng)定期檢查吸附劑的高度。

深冷制氮雖然流程較復(fù)雜，有一定的操作難度，但是工藝技術(shù)成熟，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，開車成功，既可以連續(xù)供出高純度的產(chǎn)品。

4 結(jié)論

深冷分離與變壓吸附制氮技術(shù)都是比較成熟的工藝，由于對(duì)氮?dú)獾馁|(zhì)量和規(guī)模要求不同，深冷分離和變壓吸附各有優(yōu)劣，但對(duì)于本套制氮裝置要求，通過以上分析可以看出：

(1)對(duì)于公稱制氮能力在7000 Nm3/h，通過對(duì)比無論是在公用工程消耗及設(shè)備的投資上選擇深冷制氮技術(shù)費(fèi)用較低。

(2)當(dāng)?shù)獨(dú)饧兌润w積分?jǐn)?shù)在99.9%時(shí)，采用深冷分離制氮的提取率是變壓吸附的兩倍，消耗壓縮空氣量較少。同時(shí)制取相同壓力的氮?dú)?，變壓吸附制氮空氣壓縮機(jī)出口壓力要高于深冷制氮，兩種制氮工藝能耗主要在空氣壓縮機(jī)，故當(dāng)制取氮?dú)饧兌容^高時(shí)，變壓吸附工藝所需空氣壓縮機(jī)規(guī)模較大，功率高，總能耗最高。

(3)制氮裝置必須要考慮長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，選擇深冷制氮技術(shù)后備系統(tǒng)在檢修期間可至少提供40 h的氣量來提供下游裝置的供氣，可保證工藝裝置對(duì)氮?dú)獾倪B續(xù)性需求。

[1] 王永靈，黃艷麗，唐啟祥.變壓吸附制氮技術(shù)[J].中國氯堿，2003(2):39-41.

[2] 吳 衛(wèi)，石紹軍.變壓吸附制氮技術(shù)及其設(shè)備選型[J].化工技術(shù)與開發(fā)，2010,39(12):56-58.

[3] 李化治.制氧技術(shù)[M]北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

(本文文獻(xiàn)格式：劉 碩.淺談變壓吸附與深冷制氮工藝的選擇[J].山東化工,2017,46(7):145-147,150.)

The Choice to Nitrogen Process on PSA and Cryogenic Separation

LiuShuo

(Sinopec Ningbo Engineering Company Ltd.,Ningbo 315103,China)

For this nitrogen process choice, provides two kinds of process, PSA and cryogenic separation.Choose the more economic and reasonable plan.

nitrogen process;PSA;cryogenic separation;compare

2017-02-06

劉 碩(1984—)，女，工程師，2007年畢業(yè)于遼寧工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)就任中石化寧波工程公司負(fù)責(zé)工藝設(shè)計(jì)工作。

TQ116.15

B

1008-021X(2017)07-0145-03