變壓吸附制氮設(shè)備的控制運(yùn)行與分析

張代春， 朱付強(qiáng)， 張志勇

（山東恒業(yè)石油新技術(shù)應(yīng)用有限公司， 山東 東營(yíng) 257100）

引言

PN-5000 型變壓吸附制氮是當(dāng)前比較常用的一種變壓吸附制氮設(shè)備類型，在2000 年3 月試運(yùn)投產(chǎn)使用，該設(shè)備能夠生產(chǎn)出純度高達(dá)95%的粗氮與純度高達(dá)99%的純氮，其中粗氮大多是在低氧前提下進(jìn)行PTA 粉料輸送，而純氮?jiǎng)t可以給予下游氮?dú)鈨艋b置充足氣源，從而可以制造獲取出高純氮?dú)??；诖?，本文主要分析PN-5000 型變壓吸附制氮設(shè)備控制運(yùn)行情況。

1 工藝流程

空氣經(jīng)過離心機(jī)充分壓縮后，一旦壓力值滿足0.74～0.85MPa 水平線后，則會(huì)開始進(jìn)入到冷干機(jī)中進(jìn)行降溫，將大多數(shù)水分有效去除，這時(shí)已經(jīng)被除去水分的空氣可以在熱交換器管排出，在精密過濾器幫助下完成除塵工作，接著進(jìn)入空氣緩沖罐，成為變壓吸附制氮的主要原料氣[1]。通常情況下，空氣接收預(yù)處理后都需要裝置進(jìn)碳分子篩吸附筒中，并且空氣在該筒內(nèi)需要分別完成以下流程操作：吸附、制氣、放氣、沖洗、均壓、二次均壓、充氣過程，所有流程完成后則可以生產(chǎn)出氮?dú)?。氣?dòng)閥啟動(dòng)與關(guān)閉主要經(jīng)DCS 時(shí)間程序控制，如果四組變壓吸附系統(tǒng)一起運(yùn)行下，切換程序可以錯(cuò)開，以保持總管氮?dú)鈮毫εc流量穩(wěn)定，具體如圖1 所示。

2 運(yùn)行控制

PN-5000 型變壓吸附制氮設(shè)備運(yùn)行主要使用常壓解吸方法再生，每一組運(yùn)行循環(huán)過程如圖2 所示。

常壓解吸過程中主要涉及升壓、吸附、順放、逆放、沖洗等，而這一系列過程均需要經(jīng)過吸附筒快速啟動(dòng)閥門啟閉來完成。具體步驟如下：

第一步：0～1 s 時(shí)需要繼續(xù)升壓，吸附筒A 繼續(xù)升壓，打開閥ZA1，空氣可以順著吸附筒底部進(jìn)入到吸附筒中，當(dāng)閥ZA6、ZA8 打開后，吸附筒B 可以開始排氣降壓工作[2]。

第二步：第1～58 s 時(shí)，吸附筒A 吸附，閥ZA3 打開，氮?dú)膺M(jìn)行外送，當(dāng)適量氮?dú)膺M(jìn)入吸附筒B 后，ZA6、ZA8 逐漸打開，開始逆放與沖洗工作。

第三步：58～60 s 時(shí)，吸附筒A 保持均壓，閥ZA1、ZA3 關(guān)閉，ZA9、ZA10 打開，同時(shí)ZA6、ZA8 關(guān)閉；這時(shí)吸附筒A、B 上下端導(dǎo)通，A 筒中聚集氮?dú)饽軌蚧厥绽?，并給予B 筒升壓影響。

第四步：60～61 s 時(shí)，吸附筒A 進(jìn)行排氣降壓工作，閥ZA9、ZA10 關(guān)閉，ZA5、ZA7 打開，開始排氣工作，需要將碳分子篩氧氣與水分充分解吸后，B 筒開始吸附。

第五步：該步驟主要是逆向放壓與沖洗過程，促使碳分子篩可以進(jìn)行充分解吸再生，B 筒制氮外送。

第六步：118～120 s 時(shí)段，這時(shí)吸附筒A 升壓，吸附筒B 氣相中富氮緩慢導(dǎo)入至吸附筒A，造成筒A升壓，完成循環(huán)。

通常情況下，吸附筒循環(huán)周期主要就是升壓、吸附、順放、逆放與沖洗，但是在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行控制時(shí)，閥升壓與吸附屬于連續(xù)過程，順放、逆放與沖洗等又屬于另一個(gè)連續(xù)過程，所以不具有嚴(yán)格界限，只是可以看作是吸附筒內(nèi)部氣相、固相純度與壓力變化過程。

3 運(yùn)行控制分析

3.1 低壓小流量

當(dāng)離心機(jī)組中存在兩臺(tái)機(jī)器故障，并在未準(zhǔn)備備用機(jī)情況下，可以將冷凍站低壓氣源和生育離心機(jī)進(jìn)行并聯(lián)運(yùn)行，從而達(dá)到深冷制氮設(shè)備與PSA 制氮設(shè)備同時(shí)生產(chǎn)運(yùn)行目的，從而確?；w工業(yè)風(fēng)與儀表風(fēng)正常供給[3]。由于外引氣源壓力較低，導(dǎo)致吸附筒空氣量逐漸降低，所以可以采用降負(fù)荷方法，將一組吸附筒進(jìn)行停運(yùn)，就可以確保其他機(jī)器正常工作，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2 低壓大流量

在使用過程中，如果出現(xiàn)粗氮用量波動(dòng)范圍過大情況，則可能會(huì)出現(xiàn)氮?dú)鈮毫^低以及流量大等現(xiàn)象，這些都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量降低。為了防止上述情況發(fā)生，可以借助裝置控制閥，確保產(chǎn)量控制在彈性范圍內(nèi)。

3.3 低壓運(yùn)行

在設(shè)備試運(yùn)過程中，如果選擇單臺(tái)離心機(jī)為PSA制氮設(shè)備共計(jì)，且流量與壓力等嚴(yán)格根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，則產(chǎn)品質(zhì)量與粗氮流量等均可以滿足規(guī)定要求[4]。隨著技術(shù)進(jìn)步，在之后生產(chǎn)過程中，可以結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，選擇三臺(tái)離心機(jī)同時(shí)運(yùn)行方法，以保證設(shè)備用風(fēng)量變化。

3.4 碳分子篩性能分析

PN-5000 型變壓吸附制氮內(nèi)主要應(yīng)用BF 分子篩與武田分子篩共18 t，按照工藝規(guī)定要求，必須得到上下混裝，并且填充質(zhì)量比例嚴(yán)格按照7∶4 完成，當(dāng)處在變負(fù)荷運(yùn)行條件時(shí)，碳分子篩吸附性能具體情況如表1 所示。只有當(dāng)壓力條件滿足0.80～0.85 MPa時(shí)，碳分子篩性能才可以最大限度發(fā)揮，并且實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。而如果吸附壓力為0.72～0.75 MPa，氮?dú)饬髁靠刂苿t應(yīng)該保持在3 800～4 400 m3/h，這樣才能夠符合制粗氮要求，以發(fā)揮出碳分子篩性能，因此若是從生產(chǎn)與節(jié)能等方面考慮，0.72～0.75 MPa 吸附壓力工作更加合適，但是氮?dú)馓崛÷氏鄬?duì)較低。如果需要向下游提供流量3 200 m3/h 與純度99%氮?dú)猓瑒t應(yīng)該適當(dāng)提高壓縮空氣壓力。對(duì)于煉油廠或者是氮?dú)饧兌纫筝^低的生產(chǎn)條件，則可以選擇上述方法進(jìn)行氮?dú)庵迫。粌H可以滿足生產(chǎn)需求，質(zhì)量也能保障。

表1 不同負(fù)荷下碳分子篩吸附性能

4 結(jié)論

變壓吸附制氮設(shè)備近幾年在許多行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，且在安全生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，該設(shè)備具有較強(qiáng)專業(yè)性，工藝較為復(fù)雜，所以在運(yùn)行控制過程中必須進(jìn)行有效分析，同時(shí)為了保證氮?dú)馍a(chǎn)滿足條件，需要分析變壓吸附制氮設(shè)備工藝流程與運(yùn)行原理，以最大限度發(fā)揮出設(shè)備性能，以提高生產(chǎn)質(zhì)量，生產(chǎn)提取出更高純度氮?dú)?，供各行各業(yè)使用。