制氮工藝流程的優(yōu)化及效果評(píng)測(cè)

王穎丹

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大斗溝煤業(yè)公司，山西 大同 037000）

0 引言

氮?dú)鉃榭諝庵姓急龋w積分?jǐn)?shù)）超過(guò)70%的氣體，該氣體化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，在工業(yè)中的應(yīng)用較為廣泛。目前，碳分子篩變壓吸附制氮技術(shù)為制備氮?dú)獾暮诵募夹g(shù)；但是，該技術(shù)在實(shí)際制氮應(yīng)用中還存在氮?dú)猱a(chǎn)量低、氮?dú)饧兌炔桓咭约暗獨(dú)饣厥章实偷葐?wèn)題[1-3]。為此，本文將結(jié)合碳分子篩變壓吸附制氮技術(shù)所存在的問(wèn)題對(duì)其工藝流程進(jìn)行改進(jìn)，重點(diǎn)提高氮?dú)獾募兌群彤a(chǎn)量?jī)身?xiàng)指標(biāo)，并對(duì)優(yōu)化后制氮工藝的效果進(jìn)行評(píng)測(cè)，具體闡述如下。

1 變壓吸附分離空氣制氮概述

本文將重點(diǎn)從變壓吸附分離空氣制氮技術(shù)的基本工作原理和工藝流程展開研究，為后續(xù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段對(duì)其工藝流程的優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)。

1.1 變壓吸附分離空氣制氮技術(shù)原理

眾所周知，空氣中氮?dú)獾捏w積占比高達(dá)78%，如果從空氣中提純得到所需的氮?dú)饪尚械脑?，此方法為首選。變壓吸附分離空氣制氮技術(shù)的基本工作原理如下：對(duì)于不同的吸附劑而言其對(duì)空氣中不同氣體的吸附能力不同，而且隨著壓力的變化對(duì)應(yīng)吸附劑的最大吸附容量也處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)。因此，可以對(duì)吸附壓力進(jìn)行不斷轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)高壓吸附、低壓再生功能，進(jìn)而可對(duì)吸附劑進(jìn)行多次循環(huán)使用[4-5]。

對(duì)于變壓吸附分離空氣制氮技術(shù)而言，所采用的吸附劑為碳分子篩，主要原因?yàn)椋禾挤肿雍Y對(duì)氧氣和氮?dú)獾奈剿俣却嬖谳^大的差異，具體表現(xiàn)為碳分子篩對(duì)氧氣的吸附速度明顯大于氮?dú)鈁6-7]。因此，在相同的時(shí)間內(nèi)可采用碳分子篩對(duì)空氣中的氧氣進(jìn)行充分吸收，剩余的即為氮?dú)猓煌瑫r(shí)，當(dāng)吸附壓力減少時(shí)，已經(jīng)吸附氧氣的碳分子篩會(huì)將氧氣釋放出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)了碳分子篩的再生利用功能。

1.2 變壓吸附分離空氣制氮工藝流程

一般地，在實(shí)際生產(chǎn)中采用變壓吸附分離空氣制備氮?dú)獾墓に嚵鞒倘鐖D1 所示。

圖1 變壓吸附分離空氣制氮工藝流程

由圖1 可知，待分離空氣在壓縮機(jī)的作用下將壓力設(shè)定為0.8 MPa，經(jīng)冷干機(jī)和過(guò)濾器進(jìn)行降溫、過(guò)濾雜質(zhì)等操作后在吸附塔中實(shí)現(xiàn)空氣的分離。其中，吸附塔分為高壓和常壓，高壓塔主要實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中的氧氣、二氧化碳以及其他雜質(zhì)進(jìn)行吸附；常壓塔主要將吸附劑中的氧氣、二氧化碳以及其他雜質(zhì)釋放后具備再利用的功能。

2 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式對(duì)制氮工藝流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，最終達(dá)到提高氮?dú)猱a(chǎn)量、純度等目的。結(jié)合變壓吸附分離空氣制氮工藝流程，所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置包括了核心的氣源系統(tǒng)和碳分子篩吸附系統(tǒng)外，還需具備對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置控制和對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的功能。

2.1 氣源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣源系統(tǒng)主要包括有圖1 中的壓縮機(jī)、冷卻干燥機(jī)和過(guò)濾器，各級(jí)設(shè)備的選型結(jié)果如表1 所示。

表1 氣源系統(tǒng)各級(jí)設(shè)備選型結(jié)果

2.2 變壓吸附分離空氣制氮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

變壓吸附分離空氣制氮系統(tǒng)由空氣緩沖罐、碳分子篩變壓吸附系統(tǒng)和氮?dú)饩彌_罐組成，各級(jí)設(shè)備的選型結(jié)果如表2 所示。

表2 變壓吸附分離空氣制氮系統(tǒng)各級(jí)設(shè)備選型結(jié)果

3 工藝條件的優(yōu)化及效果評(píng)測(cè)

在上述實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)建的基礎(chǔ)上，分別對(duì)變壓吸附分離空氣制氮工藝流程中PSA 流程工藝流程進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 PSA 工藝流程的優(yōu)化

目前，PAS 流程為常規(guī)均壓工藝流程如圖2 所示，該工藝流程中吸附塔A 中上部的氮?dú)饧兌纫呀?jīng)初步接近產(chǎn)品氮?dú)獾募兌?；但是，A 塔中下部氣體的主要成分為接近空氣比例的氮氧混合氣體；總的來(lái)講，上述工藝流程會(huì)使A 塔下部純度不高的氣體成分進(jìn)入B 塔中，從而整體上降低最終產(chǎn)品氮?dú)獾募兌萚8]。針對(duì)上述問(wèn)題，將常規(guī)均壓工藝流程改進(jìn)為新型不對(duì)稱中部均壓工藝流程，具體如圖3 所示。

圖2 常規(guī)均壓工藝流程

圖3 新型不對(duì)稱中部均壓工藝流程

由圖3 可知，新型不對(duì)稱中部均壓工藝流程的主要優(yōu)化點(diǎn)為將進(jìn)入吸附塔B 中的氣體從吸附塔A 中下部的氣體改為吸附塔A 中部的氣體，從一定程度上減小了進(jìn)入吸附塔B 中氧氣的含量，從而提升了最終氮?dú)猱a(chǎn)品的純度和產(chǎn)量。

3.2 PSA 流程優(yōu)化效果評(píng)測(cè)

采用所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)常規(guī)均壓工藝流程和新型不對(duì)稱中部均壓工藝流程制氮的效果進(jìn)行對(duì)比，主要對(duì)最終所得氮?dú)猱a(chǎn)品的純度、產(chǎn)率和回收率等指標(biāo)進(jìn)行比較，比較結(jié)果如表3 所示。

表3 PSA 工藝流程優(yōu)化效果對(duì)比

由表3 可知，對(duì)PSA 工藝流程進(jìn)行優(yōu)化后，最終所得氮?dú)猱a(chǎn)品的純度仍然為最高純度；不同的是，采用新型不對(duì)稱中部均壓工藝流程后氮?dú)獾漠a(chǎn)率提高3.1%，氮?dú)饣厥章侍嵘?.3%。即采用新型不對(duì)稱中部均壓工藝流程后可提高氮?dú)獾漠a(chǎn)量，保證氮?dú)猱a(chǎn)品的純度。

4 結(jié)語(yǔ)

氮?dú)庥捎谄湎鄬?duì)穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。本文針對(duì)基于變壓吸附分離空氣制備氮?dú)饧夹g(shù)為研究主線，重點(diǎn)對(duì)基于該技術(shù)的工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行測(cè)評(píng)，總結(jié)如下：

1）變壓吸附分離空氣制氮技術(shù)可根據(jù)吸附劑對(duì)氧氣和氮?dú)獾奈剿俣炔煌瑢?shí)現(xiàn)空氣的分離，從而制得所需的氮?dú)猓煌瑫r(shí)，可通過(guò)對(duì)吸附壓力的調(diào)整，將吸附劑中的氧氣排出實(shí)現(xiàn)吸附劑的重復(fù)循環(huán)利用。

2）根據(jù)變壓吸附分離空氣制氮技術(shù)的工藝流程構(gòu)建包含氣源系統(tǒng)和變壓吸附系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)最終工藝流程的優(yōu)化效果進(jìn)行測(cè)評(píng)。

3）將傳統(tǒng)的常規(guī)均壓PSA 工藝流程改進(jìn)為新型不對(duì)稱中部均壓工藝流程，實(shí)驗(yàn)表明，優(yōu)化后氮?dú)獾漠a(chǎn)率提高3.1%，氮?dú)饣厥章侍嵘?.3%。