空氣分離最新設(shè)備常溫變壓吸附制氮裝置

（杭州普菲科空分設(shè)備有限公司，浙江富陽(yáng) 311400）

0.引言

由于氮在化工業(yè)中的廣泛使用和不斷增長(zhǎng)，工業(yè)氣體成分一直在不斷改進(jìn)氮的生產(chǎn)和供應(yīng)方法，使其更加高效、經(jīng)濟(jì)。對(duì)化學(xué)處理器來(lái)說(shuō)也很方便。目前存在多種氮技術(shù)和供應(yīng)模式，以滿足一系列規(guī)范，包括純度、使用模式、適應(yīng)性、足跡和能源消耗。在供應(yīng)選擇中做出選擇可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。現(xiàn)場(chǎng)制氮設(shè)備，如變壓吸附法或膜系統(tǒng)，可以比傳統(tǒng)的低溫蒸餾或儲(chǔ)存液氮更具成本效益，特別是如果不需要極高的純度(e%，99.9999%)[1]。

1.空氣分離技術(shù)概述

氮的不同用途需要不同的純度和生產(chǎn)能力。主要的生產(chǎn)方式為低溫液化空氣的分餾、變壓吸附法和膜分離設(shè)備。這些技術(shù)都使用機(jī)械壓縮作為功的來(lái)源，從空氣中分離氮?dú)?，但是壓縮后的過(guò)程是完全不同的。在低溫設(shè)備中，首先要從壓縮空氣中除去水分和CO2，然后使用體積膨脹和一系列非常有效的熱交換器來(lái)冷卻空氣直到它冷凝。然后將液態(tài)空氣送入蒸餾塔，從蒸餾塔頂部提供非常純凈的氮?dú)饬鳌Ｔ谧儔何较到y(tǒng)中，壓縮空氣通過(guò)由吸附材料組成的填充床，例如碳分子篩，它比 N2更容易吸附O2、H2O和CO2。凈化后的 N2離開(kāi)填充床，通過(guò)釋放解吸氣體的壓力(并將其泵入真空壓力)周期性地再生，連續(xù)操作需要兩個(gè)填充床。在膜系統(tǒng)中，氣體通過(guò)一大排中空纖維，這些中空纖維更容易滲透O2、H2O和CO2，因此更多的濃縮氮從纖維末端排出。氮的純度和流量要求會(huì)影響氮的成本高純度是要付出代價(jià)的，但更高的體積通常會(huì)降低氮的單位成本。為了最大限度的節(jié)約，使用氮純度不高于應(yīng)用程序的要求[2]。

2.空氣分離常溫變壓吸附制氮技術(shù)分析

液化空氣低溫分餾或吸附滲透分離氣態(tài)空氣可以生產(chǎn)工業(yè)氮?dú)狻５聡?guó)工程師卡爾·馮·林德發(fā)明了空氣低溫蒸餾法，這是最古老的制氮方法。今天，低溫蒸餾仍在大型商業(yè)空氣分離工廠中使用，占總氮產(chǎn)量的近65%～70%。

倫納德·普爾(空氣制品公司的創(chuàng)始人)在20世紀(jì)40年代早期就提出了在現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生工業(yè)氣體的概念。現(xiàn)場(chǎng)低溫工廠建在用戶現(xiàn)場(chǎng)或附近，產(chǎn)品通過(guò)管道輸送。該方法為工業(yè)氣體的大批量用戶提供了一種低成本、可靠的供氣方式。然而，由于與內(nèi)陸造山植物相關(guān)的高資本和能源成本，小容量的用戶通常使用真空隔熱卡車運(yùn)送液氮。將儲(chǔ)存的液氮進(jìn)行汽化，并根據(jù)需要進(jìn)行管道化處理[3]。

20世紀(jì)80年代，變壓吸附和膜分離等現(xiàn)場(chǎng)氣態(tài)氮生成的替代方法開(kāi)始應(yīng)用。最初，這些技術(shù)只適用于小批量、低純度的應(yīng)用。然而，PSA 和薄膜系統(tǒng)是一種有效的供應(yīng)模式，適用于各種數(shù)量、純度要求和使用模式。變壓吸附系統(tǒng)的工作原理是吸附，而膜系統(tǒng)分離的基礎(chǔ)上選擇滲透。

變壓吸附法分離技術(shù)是一種行之有效的氣體混合物分離技術(shù)。與傳統(tǒng)的分離工藝相比，它具有能耗相對(duì)較低、投資成本較低等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于空氣分離、天然氣升級(jí)和氫氣凈化等工業(yè)過(guò)程。輕質(zhì)回流變壓吸附(LR)工藝，又稱汽提變壓吸附(簡(jiǎn)稱汽提法)，常用于生產(chǎn)高純度的輕質(zhì)產(chǎn)品。該技術(shù)已應(yīng)用于天然氣脫水、沸石分離空氣中的氧氣以及碳分子篩凈化氮?dú)?。通過(guò)調(diào)整工藝壓力比，選擇合適的吸附劑，在系統(tǒng)中加入多層床，汽提變壓吸附也可以生產(chǎn)高純度的重質(zhì)產(chǎn)品。但這無(wú)疑會(huì)增加設(shè)備投資和運(yùn)行成本，同時(shí)重產(chǎn)品純度往往受到熱力學(xué)約束。相比之下，重回流(HR)變壓吸附(PSA)工藝常用于生產(chǎn)高濃度重質(zhì)量產(chǎn)品，但對(duì)輕質(zhì)產(chǎn)品純度有熱力學(xué)約束。它已經(jīng)被用于氣態(tài)分離過(guò)程的分離，例如用沸石從空氣中分離出氮?dú)?，從干燥煙氣中捕獲二氧化碳，以及從空氣中富集氙氣等痕量組分的濃度。但是，在較為嚴(yán)格的分離目標(biāo)下，需要同時(shí)生產(chǎn)兩種高純度的產(chǎn)品，傳統(tǒng)的汽提、富集變壓吸附等工藝已不適用。

在變壓吸附過(guò)程中，壓縮空氣首先通過(guò)一組過(guò)濾器來(lái)除去夾帶的油和水。然后將凈化后的空氣導(dǎo)向兩個(gè)裝有碳分子篩(CMS)的吸附容器中的一個(gè)。其余的雜質(zhì)，如二氧化碳和殘余水分吸附在吸附床的入口 CMS。在高壓下，CMS 選擇性地吸附氧氣，使氮?dú)庖云谕募兌韧ㄟ^(guò)，同時(shí)一個(gè)容器生產(chǎn)氮?dú)?。第二個(gè)容器減壓以除去吸附的氧氣，然后氧氣排放到大氣中。兩層之間的自動(dòng)吸附和解吸循環(huán)使得氮的連續(xù)生產(chǎn)成為可能。通過(guò)調(diào)整空氣壓縮機(jī)和含有 CMS 的吸附容器的尺寸，可以實(shí)現(xiàn)大范圍的流量和純度組合。PSAS 在流量小于5000m3到大于60000m3的范圍內(nèi)，純度在95% ～99.9995%，能夠經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)生氮?dú)狻?/p>

膜系統(tǒng)的工作原理是選擇性氣體滲透。一個(gè)典型的膜過(guò)程使用幾個(gè)膜模塊，每個(gè)包含數(shù)千中空纖維。每一個(gè)穿過(guò)纖維的分子都有一個(gè)特征性的滲透率，這是它在擴(kuò)散中溶解的能力的函數(shù)。從中空纖維膜中溶解出來(lái)。滲透速率是氣體在膜中溶解度和不熔化率的乘積。當(dāng)壓縮機(jī)通過(guò)纖維時(shí)，氧氣、水蒸氣和二氧化碳被選擇性地去除，形成富氮產(chǎn)品流。

膜系統(tǒng)通常產(chǎn)生的氮純度為95%～99.5%，有時(shí)甚至高于99.9% 的氮純度。產(chǎn)品純度取決于原料純度、可用的差壓和所需的回收率水平。

隨著多種氮供應(yīng)選擇和技術(shù)的可用性，為特定應(yīng)用選擇合適的系統(tǒng)可能看起來(lái)很復(fù)雜。但是。在選擇 PSA 現(xiàn)場(chǎng)滲透膜系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮的兩個(gè)最重要因素。低溫蒸餾和液體輸送是所需的氮純度和所需的氮流量。必須確定滿足應(yīng)用安全和產(chǎn)品質(zhì)量要求所必需的氮?dú)饧兌?，以及工廠的日常氮?dú)饬髁恳?。這兩個(gè)因素將有助于確定氮的最佳供應(yīng)體系。氮為化學(xué)制造過(guò)程提供安全和質(zhì)量。由于氮是一種化學(xué)氣體，因此它被用來(lái)保護(hù)敏化材料，防止火災(zāi)和爆炸。確定最適宜的氮純度是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。如果低純度的 PSA達(dá)到可以接受的程度，甚至純度達(dá)到一定范圍時(shí)，氮的成本也可以降低。純度越低，氮?dú)獾膯挝怀杀驹降?。例如，一些植物油的質(zhì)量可以通過(guò)覆蓋或噴灑99.50純度的氮來(lái)保持。這可以通過(guò) PSA 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.應(yīng)用前景分析

由于變壓吸附法生成的氮?dú)馔ǔ：猩倭康难鯕?，某些類型的化學(xué)過(guò)程比其他化學(xué)過(guò)程更適合這種方式。

其一，生產(chǎn)壓敏膠粘劑。壓敏膠粘劑的生產(chǎn)涉及易燃溶劑和粉末，存在一些安全隱患。在這個(gè)過(guò)程中，在攪拌罐中的易燃有機(jī)溶劑中加入磨細(xì)的橡膠和填料，因?yàn)閬?lái)自溶劑的蒸汽在空氣中通常是易燃的，粉末可以通過(guò)靜電反應(yīng)產(chǎn)生明顯的火花，在有空氣(即20.90氧氣)的情況下，這些材料可能是危險(xiǎn)的。首先，該公司安裝了靜電現(xiàn)象消除器。然而，由于這些設(shè)備不能提供完全的保護(hù)，偶爾觸發(fā)仍然是一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)。因此，制造商安裝了氮?dú)鈨艋到y(tǒng)，將儲(chǔ)罐中的氧氣含量降低到不超過(guò)2.5% 的不可燃水平。將含氧2% 的變壓吸附制氮系統(tǒng)與顯示系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了安全的操作氣氛

其二，自由基聚合物單體的貯存和處理。在某些情況下。在惰性氮?dú)夥罩写嬖谏倭康难鯕馐强扇〉?。?duì)于這些應(yīng)用，如果氮以液體形式傳遞，然后蒸發(fā)。必須將一定量的空氣與高純度的氮混合，以達(dá)到所需的氧濃度。但是。PSA 制氮機(jī)是一種更經(jīng)濟(jì)、更方便的替代品，因?yàn)樗峁┑难鹾亢艿偷拿摰獎(jiǎng)?。一個(gè)制造商的工藝是在自由基聚合之前對(duì)單體進(jìn)行儲(chǔ)存和處理。單體蒸汽是高度易燃的，需要在存儲(chǔ)頂部空間的惰性氣體，以防止安全隱患。

該單體含有對(duì)苯二酚作為抑制劑，以防止貯存過(guò)程中的過(guò)早聚合。為了保持對(duì)苯二酚的活性和確保物料的安全處理，需要在惰性氮?dú)庵屑尤肷倭垦鯕?。兩個(gè)選項(xiàng)可以提供24% 的氧氣惰化氣氛：使用液氮，連續(xù)混合氧氣，或安裝 PSA 單位提供氮產(chǎn)品與必要的氧水平。制造商選擇了 PSA 系統(tǒng)，該系統(tǒng)產(chǎn)生了所需的氣氛，并消除了額外的混合步驟。