變壓吸附與膜分離制氮方式對(duì)比

張晶

（天津渤化工程有限公司，天津300193）

氮?dú)庾鳛槎栊詺怏w的一種，用于易燃、易爆、易腐蝕、易氧化物料的保護(hù)、輸送、密封等，以保障安全生產(chǎn)。一般采用空氣分離法制氮。

目前常用的空氣分離制氮方式有三種：低溫分離法、變壓吸附法和膜分離法。其中低溫分離法是先將空氣壓縮、冷卻，并使空氣液化，利用氧、氮組分沸點(diǎn)的不同（大氣壓下氧沸點(diǎn)為90K，氮沸點(diǎn)為77K），在精餾塔的塔板上使氣、液接觸，進(jìn)行質(zhì)、熱交換，高沸點(diǎn)的氧組分不斷從蒸氣中凝結(jié)成液體，低沸點(diǎn)的氮組分不斷轉(zhuǎn)入蒸氣中，使上升的蒸氣中含氮量不斷提高，從而下流液體中含氧量越來(lái)越高，達(dá)到氧、氮分離的目的。此法主要適用于生產(chǎn)量大、氮?dú)饧兌雀撸?9.9995%）的工況，主要用于用石化企業(yè)。該法流程復(fù)雜、操作彈性小、安裝周期長(zhǎng)、一次性投資多。對(duì)于石油、天然氣工程，氮?dú)庵饕糜谘b置置換、吹掃，氮?dú)庥昧亢图兌纫蟛桓撸蜏胤蛛x法從經(jīng)濟(jì)性和可操作性考慮不適用。下面主要介紹變壓吸附法和膜分離吸附法[1,2]。

1 變壓吸附法(PSA 法)

1.1 工作原理[3]

變壓吸附法是利用吸附劑對(duì)不同氣體的吸附特性，使氣體凈化。變壓吸附的操作循環(huán)是在兩個(gè)不同的壓力條件下進(jìn)行，高壓下吸附，低壓下解吸，中間沒(méi)有溫度變化，因此過(guò)程不需要熱量。此法具有流程簡(jiǎn)單、操作方便、無(wú)環(huán)境污染、投資低、消耗低等特點(diǎn)。

1.2 常用的吸附劑[4]

1.2.1 活性氧化鋁

活性氧化鋁是由 γ-Al2O3或它與 χ—、η—Al2O3的混合物組成，在600℃以下脫水制成。作為吸附劑的活性氧化鋁，具有吸水能力較強(qiáng)，表面積一般在300m2/g 左右，它的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性也較好。

1.2.2 硅膠

硅膠是無(wú)色、微黃色玻璃狀多孔結(jié)構(gòu)的固體，它具有很大的表面積約500m2/g 左右，親水性強(qiáng)，是一種很好的吸附劑。根據(jù)硅膠的內(nèi)孔徑大小，可分為粗孔和細(xì)孔兩種。粗孔硅膠的吸附性能較差，適用于流速較快的工況。細(xì)孔硅膠則在流速慢的工況下具有良好的吸附性。

1.2.3 分子篩

分子篩是由粉末狀多水合硅鋁酸晶體，加入粘合劑后塑合而成。它具有很強(qiáng)的吸附能力，能把比孔徑小的物質(zhì)吸收到孔內(nèi)，而不能吸附大于孔徑的分子，從而把大小不同的分子分離開(kāi)來(lái)，起到篩分分子的作用。分子篩可根據(jù)氣體分子的極性、不飽和度和極化率進(jìn)行選擇性吸附。

目前常用固體吸附劑物性見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)固體吸附劑物性

目前，常用變壓吸附制氮裝置是以壓縮空氣為原料，碳分子篩為吸附劑，利用氧和氮在碳分子篩上的吸附容量、吸附速率、吸附力等方面的差異及分子篩對(duì)氧和氮隨壓力不同具有不同的吸附容量的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)氧、氮分離。首先，空氣中的氧被碳分子篩優(yōu)先吸附，從而在氣相中富集氮?dú)狻檫B續(xù)獲得氮?dú)?，需兩個(gè)吸附塔交替工作。

1.3 工作流程[5]

1.3.1 吸附

凈化后一定壓力下的壓縮空氣進(jìn)入A 吸附塔底，經(jīng)過(guò)分子篩向塔頂流動(dòng)時(shí)，氧、水、二氧化碳均被吸附，產(chǎn)品氮?dú)鈴乃斄鞒觥?/p>

1.3.2 均壓

短時(shí)間后（約2min），A 塔內(nèi)的分子篩飽和，這時(shí)A 塔停止吸附，并通過(guò)旁路對(duì)B 塔進(jìn)行短暫的均壓過(guò)程，從而迅速提高B 塔內(nèi)的壓力，達(dá)到提高B 塔制氮效率的目的。

1.3.3 解吸

均壓完成后，A 塔通過(guò)底部的消音器向外排氣，壓力降至常壓從而脫除吸附的氧、水、二氧化碳等實(shí)現(xiàn)分子篩的再生。

1.3.4 吹掃

為使分子篩再生完全，用合格的氮?dú)鈱?duì)A 塔進(jìn)行逆向吹掃，使解吸更充分。

工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 變壓吸附制氮裝置工藝流程

2 膜分離法[6]

2.1 工作原理

膜分離技術(shù)是基于薄膜對(duì)氣體組分具有選擇性滲透和擴(kuò)散的特性，以達(dá)到氣體分離和純化的目的。氣體中各種組分透過(guò)膜的速度不同，每種組分透過(guò)膜的速度與該氣體的性質(zhì)、膜的特性和膜兩面的分壓差有關(guān)。透過(guò)膜的氣體組分不可能達(dá)到100%的純度。

2.2 分離膜的材料與結(jié)構(gòu)

氣體分離膜通?？煞譃槎嗫撞馁|(zhì)和非多孔材質(zhì)，它們無(wú)機(jī)物（多孔玻璃、陶瓷、金屬、電子導(dǎo)電性固體和鈀合金等）或有機(jī)高分子（微孔聚乙烯、多孔醋酸纖維、均質(zhì)醋酸纖維、聚硅氧烷橡膠和聚碳酸脂）組成。

2.3 工作流程

凈化后的壓縮空氣經(jīng)過(guò)緩沖罐，聯(lián)合過(guò)濾器后由膜組一端進(jìn)入，氣體分子在壓力作用下首先在膜的高壓側(cè)接觸?；旌蠚怏w在膜的高壓側(cè)表面以不同的溶解度溶于膜內(nèi)，然后在膜兩側(cè)壓力差的推動(dòng)下，混合氣體的分子以不同的速度向膜的低壓側(cè)擴(kuò)散。經(jīng)過(guò)溶解和擴(kuò)散兩個(gè)過(guò)程的選擇，最終混合氣體被分離成各個(gè)組分。例如：空氣、氧氣的透過(guò)速度大于氮?dú)?，?jīng)過(guò)膜分離之后，高壓側(cè)留下的氣體富氮，而透過(guò)去的氣體富氧[7]。

膜分離法流程示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 膜分離制氮裝置流程示意圖

3 工藝技術(shù)比較

表2 是變壓吸附和膜分離法制氮的主要參數(shù)對(duì)比。

4 結(jié)論

綜上所述，變壓吸附和膜分離兩種制氮方式在靈活、少量、多變的用氮場(chǎng)合中，各有自己的優(yōu)、缺點(diǎn)。我們可以根據(jù)工程的實(shí)際情況，選擇合適的制氮裝置，滿(mǎn)足不同工況的需求。

表2 變壓吸附法和膜分離法的參數(shù)對(duì)比