提高變壓吸附制氮氣體純度的技術(shù)分析

任慧婷

(晉能控股煤業(yè)集團大斗溝煤業(yè)公司機電部，山西 大同 037000)

0 引言

氮氣具有較強的化學(xué)惰性，在企業(yè)安全防滅火中作為絕緣氣體具有廣泛的應(yīng)用，對用電設(shè)備的安全具有較好的保護作用。隨著用電設(shè)備容量的增加，企業(yè)對氮氣的使用量及使用純度具有較高的需求[1]。采用變壓吸附(PSA)進行氮氣的制備是廣泛使用的制氮方式，這種制備方式實現(xiàn)了較高的自動化制備生產(chǎn)，具有工藝簡單、能耗低及氮氣純度可調(diào)的特點，在電廠等中小型用氮單位具有較多的應(yīng)用[2]。隨著對氮氣使用量的增加，提高變壓吸附產(chǎn)生的氮氣的純度成為人們研究的重點[3]。本文針對變壓吸附制氮過程中的影響因素進行實驗分析，從而為選取合適的生產(chǎn)參數(shù)提供參考，以提高氮氣的純度，更好地為電廠等用氮單位服務(wù)。

1 變壓吸附制氮的工藝及實驗系統(tǒng)搭建

1.1 實驗過程

變壓吸附制氮(PSA)以空氣為介質(zhì)，利用吸附劑在不同的壓力作用下對氧分子及氮分子不同的吸附容量實現(xiàn)氧及氮的分離，從而得到一定純度的氮氣。在吸附過程中多采用碳分子篩及沸石分子篩作為吸附劑[4]，通過氧氣及氮氣在分子篩中的擴散率的不同實現(xiàn)對氣體的分離提純。碳分子吸附劑分子篩具有較多的微小孔洞結(jié)構(gòu)[5]。氧氣的分子直徑要小于氮氣，在氣體進入吸附劑中后，氧氣的擴散速度較快而進入分子篩的固相中，而擴散速度較慢的氮氣則較多地進入氣相中[6]，由此實現(xiàn)對氧氣及氮氣的分離。在不同的壓力作用下，分子篩吸附劑對氣體的吸附量不同，從而可以通過改變壓力實現(xiàn)對分子篩中氣體的再生，從而得到所需的氮氣氣體。

圖1 變壓吸附制氮的工藝示意圖

變壓吸附制氮機采用碳分子篩作為原料，通過加壓吸附及降壓再生的方式從空氣中吸附及再生出氧氣，從而得到分離后的氮氣氣體[7]。變壓吸附制氮的工藝流程如圖1所示。制氮過程中，需要對空氣介質(zhì)進行一定的過濾除塵，并通過空壓機進行一定的壓縮，進而對進入吸附塔內(nèi)的空氣進行凈化[8]，從而提高吸附設(shè)備的壽命，保證得到的氮氣具有較高的清潔性。為保證加壓吸附及降壓再生過程的持續(xù)性，研究員應(yīng)采用左右兩個吸附塔并聯(lián)聯(lián)結(jié)，而吸附塔內(nèi)則采用碳分子篩進行吸附。當(dāng)凈化后的空氣進入吸附塔后，左右兩個吸附塔交替進行加壓及降壓作業(yè)，流經(jīng)其中的氧氣、水分及二氧化碳等進入分子篩中吸附[9]，剩余的氮氣及少量氬氣經(jīng)過出口進入氮氣罐。另一個吸附塔中進行降壓作業(yè)使得吸附的氧氣等再生并排出到大氣中，由此即可完成對氮氣的變壓吸附[10]。采用左右雙塔的設(shè)置，可以實現(xiàn)循環(huán)連續(xù)的氮氣輸出，并可對氮氣進行一定的凈化提純，得到純度較高的氮氣氣體。

依據(jù)氮氣變壓吸附的工藝進行實驗系統(tǒng)的搭建，主要的設(shè)備包括空壓機、緩沖罐、風(fēng)干機、吸附塔及氮氣罐，采用碳分子篩對控制進行吸附制氮。在進行變壓吸附的過程中，吸附塔內(nèi)的吸附壓力、進口處的氣體溫度及流量對吸附及再生的過程具有直接的影響[11]，從而影響到產(chǎn)生的氮氣的純度，通過實驗的方式對三種影響因素進行分析，能夠提高得到的氮氣的純度。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附壓力對氮氣純度的影響實驗分析

吸附制氮的過程中，吸附壓力對碳分子篩吸附劑的容量具有直接的影響。采用實驗的方式對吸附壓力的影響作用進行分析，設(shè)定壓縮空氣進口處的溫度為-5 ℃，流量為200 m3/h，初始的壓力設(shè)定為0.5 MPa，待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，吸附壓力分別調(diào)整為0.6 MPa、0.7 MPa及0.8 MPa，分別對出口位置處的氮氣純度進行測定[12]，從而得到不同的吸附壓力對氮氣純度的變化影響(如圖2所示)。

圖2 吸附壓力對氮氣純度的影響曲線

從圖2可以看出，在其他影響因素保持不變的情況下，氮氣純度將隨著吸附壓力的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在吸附壓力，為0.7 MPa時氮氣純度達到最大值，若再增加吸附壓力則獲得的氮氣純度有所下降。這說明，在進行變壓吸附的過程中存在著最優(yōu)的吸附壓力，為0.7 MPa，此時獲得的氮氣純度最高。

2.2 進口溫度對氮氣純度的影響實驗分析

吸附制氮的過程中，溫度對氣體的體積及容量具有直接的影響，從而影響吸附過程。采用實驗的方式對進口溫度的影響作用進行分析，設(shè)定吸附塔內(nèi)的吸附壓力為0.7 MPa，流量為200 m3/h，設(shè)定進口處的初始溫度值為-10 ℃，待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，調(diào)整進口溫度分別為-5 ℃、10 ℃及20 ℃，分別對出口位置處的氮氣純度進行測定，從而得到不同的進口溫度對氮氣純度的變化影響(如圖3所示)。

從圖3可以看出，在其他影響因素保持不變的條件下，氮氣純度隨著進口溫度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在進口溫度為-5 ℃時，氮氣的純度達到最大值，若進一步提高進口溫度，則獲得的氮氣純度呈明顯的下降趨勢。這說明，在進行變壓吸附制氮的過程中，存在著最佳的溫度設(shè)置，即-5 ℃，此時獲得的氮氣純度最高。

圖3 進口溫度對氮氣純度的影響曲線

2.3 氣體流量對氮氣純度的影響實驗分析

吸附制氮的過程中，氣體流量將影響空氣作用在吸附劑上的時間，從而影響吸附過程的進行。采用實驗的方式對氣體流量的影響作用進行分析，設(shè)定吸附塔內(nèi)的吸附壓力為0.7MPa，進口溫度為-5 ℃，設(shè)定壓縮空氣的初始流量為100 m3/h，待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，流量分別調(diào)整為150 m3/h、200 m3/h及250 m3/h，并分別對出口位置處的氮氣純度進行測定，從而得到不同的氣體流量對氮氣純度的變化影響(如圖4所示)。

圖4 氣體流量對氮氣純度的影響曲線

從圖4可以看出，在其他影響因素保持不變的條件下，氮氣純度隨著氣體流量的增加同樣呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在氣體流量為200 m3/h時氮氣的純度達到最大值，若進一步提高氣體流量，則獲得的氮氣純度呈下降趨勢。這說明，在進行變壓吸附制氮的過程中，存在著最佳的氣體流量為200 m3/h，此時獲得的氮氣純度最高。

3 結(jié)論

變壓吸附制氮是企業(yè)進行氮氣生產(chǎn)的主要方式，氮氣的純度絕緣性對用電設(shè)備的安全具有重要影響。采用實驗的方式針對變壓吸附制氮過程中不同的工藝參數(shù)對產(chǎn)生的氮氣的純度影響作用進行分析。結(jié)果表明，在變壓吸附過程中，吸附壓力、進口溫度及氣體流量對獲得的氮氣的純度均具有明顯的影響。隨著參數(shù)的增加，氮氣的純度均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。為提高所獲得的氮氣的純度，企業(yè)在生產(chǎn)過程中應(yīng)選擇合理的工藝參數(shù)，設(shè)定吸附壓力為0.7 MPa，進口溫度為-5 ℃，氣體流量為200 m3/h，此時可獲得較高的氮氣純度，保證企業(yè)用電絕緣性的安全。