PSA變壓吸附制氮的基本原理

變壓吸附 (pressure swing adsorption，簡稱PSA)氣體分離技術(shù)，作為非低溫氣體分離技術(shù)的重要分支，對于中、小型制氮裝置，與深冷法相比，PSA技術(shù)具有顯著的優(yōu)越性。PSA技術(shù)具有工藝流程簡單、自動化程度高、設備制造容易、占地小、啟動快、開停車方便、操作維護簡便、運行成本低、投資省等顯著特點。對于小于3000～5000m3/h的制氮能力，PSA制氮技術(shù)經(jīng)濟效益優(yōu)于傳統(tǒng)深冷法。

40年來，從吸附劑的研究到工藝流程開發(fā)已取得很大進展，變壓吸附氣體分離技術(shù)已成為現(xiàn)代工業(yè)氣體分離與凈化的

碳分子篩PSA制氮工藝技術(shù)
1.1 基本原理
由于吸附劑對不同氣體在吸附量、吸附速度、吸附力等方面的差異，以及吸附劑的吸附容量隨壓力的變化而變化，因此可在加壓條件下完成混合氣體的吸附分離過程，減低壓力解吸所吸附的雜質(zhì)組分，從而實現(xiàn)氣體分離以及吸附劑的循環(huán)使用。變壓吸附制氮技術(shù)，采用碳分子篩為吸附劑，碳分子篩對氧氮的吸附速度相差很大，在短時間內(nèi)，氧的吸附速度大大超過氮的吸附速度，利用這一特性來完成氧氮分離。碳分子篩對氧的吸附容量隨壓力的降低而減少，減低壓力，即可解吸，完成碳分子篩的再生。另外，碳分子篩對二氧化碳和水分也有吸附能力， 且較容易減壓解吸。

1.2 設計原則
變壓吸附制氮系統(tǒng)的設計要綜合考慮氮氣回收率、氮氣產(chǎn)量及投資成本，而實際設計和操作受許多變量的影響，其中一個變量選擇得不適當，都可能導致氮回收降低，影響氮氣產(chǎn)量，單位能耗增加，裝置尺寸增大，使得投資也增加。
(1) 壓縮空氣預處理 分子篩對壓縮空氣中油分的吸附是不能用減壓方法再生的，為此壓縮空氣必須先經(jīng)除油預處理，必須采用先進的精密油過濾器， 分離粒徑范圍為大于0.01µm，從而保證制氮裝置的長期運行。
(2) 吸附劑的選定
主要考慮碳分子篩的吸附平衡、吸附速度、脫附速度、吸附選擇性等特性，其他如形狀、粒徑、密度、空隙率、比熱容以及壓縮強度、 耐磨性等特性也在考慮的范圍內(nèi)。
(3) 吸附塔數(shù)
中小型PSA制氮設備一般從設備數(shù)量、配管、操作控制、投資等考慮，采用二塔循環(huán)設置為主。對于大型設備，從操作經(jīng)濟性考慮，更加注重氮回收率， 降低單位耗能， 可考慮三塔、四塔循環(huán)設置。
(4) 吸附塔高
平衡分離型的吸附塔的設計，傳質(zhì)速率和傳質(zhì)區(qū)的高度是必須考慮的。吸附塔的高度應控制在一定范圍內(nèi)，過低則實際吸附劑利用率低， 影響氮氣回收率， 過高則空氣流經(jīng)吸附劑的線速度過高， 也要影響到物質(zhì)擴散以及對吸附劑物理形態(tài)的影響。
(5) 吸附壓力
吸附壓力一般選定在0.6～0.8MPa為宜，碳分子篩在一定吸附壓力范圍內(nèi)具有吸附壓力增加產(chǎn)氮率相應增加的特性，但是產(chǎn)品氮的回收率一般相應降低， 因此要綜合考慮到產(chǎn)氮率和氮回收率來選定吸附壓力， 這兩者實際上是一次性投資和長期操作費用如何合理確定的問題。
(6) PSA工藝步驟
若PSA制氮系統(tǒng)只以充壓、吸附、減壓等最基本的PSA步驟來操作，是難以滿足高氮回收率和產(chǎn)氮率的要求。因此，在設計中須采用產(chǎn)品氮充壓，產(chǎn)品氮沖洗等有利于提高氮回收率和氮產(chǎn)率的創(chuàng)造性設計。
(7) PSA自動控制系統(tǒng)
采用可編程序控制器(PLC) 和管道式氣動閥門(切換壽命達100萬次)保證了工藝切換的高可靠性，使PSA制氮裝置適應連續(xù)性工藝要求。

1.3 產(chǎn)品特點
(1) 分子篩復合床結(jié)構(gòu)，保護碳分子篩不受油分和水分的污染，確保碳分子篩長期使用；
(2) 科學的結(jié)構(gòu)設計，特殊的氣流擴散裝置，避免了氣流高速沖擊造成碳分子篩粉化現(xiàn)象；
(3) 采用德國氣動角座閥，使用壽命長達300萬次以上，能滿足設備長期連續(xù)運行；
(4) 先進工藝流程設計，利用了分子篩的吸附功能；
(5) 設備緊湊，占地面積小，空氣凈化組件和 PSA制氮裝置可安裝在同一底座上，組成一體化 結(jié)構(gòu)；
(6) 自動化程度高，采用PLC自動程序控制，并可根據(jù)氮氣純度自動調(diào)節(jié)，而且預留接口以便于計算機遠程控制；
(7) 采用內(nèi)平衡式自動壓緊裝置和獨特的分子篩填裝技術(shù)提高了整機的長期運行的可靠性；
(8) 成本低，比購買鋼瓶氮氣或液氮費用低廉很多倍；
(9) 氮氣自動排空系統(tǒng)純度聯(lián)鎖。

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