PSA變壓吸附制氮的基本原理

變壓吸附 (pressure swing adsorption，簡(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、設(shè)備制造容易、占地小、啟動(dòng)快、開停車方便、操作維護(hù)簡(jiǎn)便、運(yùn)行成本低、投資省等顯著特點(diǎn)。對(duì)于小于3000～5000m3/h的制氮能力，PSA制氮技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于傳統(tǒng)深冷法。

PSA技術(shù)作為一門新興節(jié)能氣體分離技術(shù)，它首先是由skarstrom和GuerDeMontgrareuil分別在1958年于兩項(xiàng)不同的專利中提出。40年來(lái)，從吸附劑的研究到工藝流程開發(fā)已取得很大進(jìn)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(duì)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(shí)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(duì)氧氮的吸附速度相差很大，在短時(shí)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(lái)完成氧氮分離。碳分子篩對(duì)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(duì)二氧化碳和水分也有吸附能力， 且較容易減壓解吸。

1.2 設(shè)計(jì)原則

變壓吸附制氮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要綜合考慮氮?dú)饣厥章?、氮?dú)猱a(chǎn)量及投資成本，而實(shí)際設(shè)計(jì)和操作受許多變量的影響，其中任何一個(gè)變量選擇得不適當(dāng)，都可能導(dǎo)致氮回收降低，影響氮?dú)猱a(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(yù)處理 分子篩對(duì)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(yù)處理，必須采用先進(jìn)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(zhǎng)期運(yùn)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(qiáng)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(shè)備一般從設(shè)備數(shù)量、配管、操作控制、投資等考慮，采用二塔循環(huán)設(shè)置為主。對(duì)于大型設(shè)備，從操作經(jīng)濟(jì)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(shè)置。 

(4) 吸附塔高

平衡分離型的吸附塔的設(shè)計(jì)，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(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，過低則實(shí)際吸附劑利用率低， 影響氮?dú)饣厥章剩?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(kuò)散以及對(duì)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(yīng)增加的特性，但是產(chǎn)品氮的回收率一般相應(yīng)降低， 因此要綜合考慮到產(chǎn)氮率和氮回收率來(lái)選定吸附壓力， 這兩者實(shí)際上是一次性投資和長(zhǎng)期操作費(fèi)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(lái)操作，是難以滿足高氮回收率和產(chǎn)氮率的要求。因此，在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。 

(7) PSA自動(dòng)控制系統(tǒng)

采用可編程序控制器(PLC) 和管道式氣動(dòng)閥門(切換壽命達(dá)100萬(wàn)次)保證了工藝切換的高可靠性，使PSA制氮裝置適應(yīng)連續(xù)性工藝要求。

1.3 產(chǎn)品特點(diǎn)

(1) 獨(dú)創(chuàng)的分子篩復(fù)合床結(jié)構(gòu)，保護(hù)碳分子篩不受油分和水分的污染，確保碳分子篩長(zhǎng)期使用； 

(2) 科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特殊的氣流擴(kuò)散裝置，避免了氣流高速?zèng)_擊造成碳分子篩粉化現(xiàn)象； 

(3) 采用德國(guó)氣動(dòng)角座閥，使用壽命長(zhǎng)達(dá)300萬(wàn)次以上，能滿足設(shè)備長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行； 

(4) 先進(jìn)工藝流程設(shè)計(jì)，最大程度利用了分子篩的吸附功能； 

(5) 設(shè)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(dòng)化程度高，采用PLC自動(dòng)程序控制，并可根據(jù)氮?dú)饧兌茸詣?dòng)調(diào)節(jié)，而且預(yù)留接口以便于計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制； 

(7) 采用內(nèi)平衡式自動(dòng)壓緊裝置和獨(dú)特的分子篩填裝技術(shù)提高了整機(jī)的長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性； 

(8) 成本低，比購(gòu)買鋼瓶氮?dú)饣蛞旱M(fèi)用低廉很多倍； 

(9) 氮?dú)庾詣?dòng)排空系統(tǒng)純度聯(lián)鎖。