变压吸附制氧、制氮设备.pdf

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1、变压吸附制氧、 制氮设备 顾维娜裴红珍 ( 开封空分集团有限公司设计处， 开封公园路 1 1 号， 4 1 5 0 0 2 ) 一、 概述 随着我国国民经济的飞速发展， 工业气 体( 氧、 氮、 显等) 的用量不再局限于冶金、 化 工等少数行业， 电子、 医药、 食品、 造纸、 环保、 黄金生产等行业对氧、 氮的用量也越来越大。 空气分离技术也有了很大发展， 除传统的低 温分离法外， 变压吸附技术也日渐成熟。 低温 分离在大型空分装置中因其产品纯度高， 可 同时获得多种产品气体等特点， 仍占主导地 位。但在其它气体分离领域， 包括中、 小型空 分装置在内， 变压吸附分离法以其独特的优 点， 正

2、在迅速扩展工业应用领域， 并向大型化 发展。 变压吸附( P S A) 技术， 1 9 5 9 年由美国埃 索公司首次开发成功并应用于空气干操装 置。 在6 0 年代， 美国联合碳化物公司将P S A 装置用于氢气分离纯化方面， 达到了实用化。 7 。 年代初， 美国联碳公司和德国的A G公 司， 先后开发成功P S A制富氧装置。 1 9 7 2 年 联碳公司的P S A O 。 装置外梢到日 本， 用于环 保部门的污泥曝气处理。 不久. P S A O : 装置 进入日 本的炼钢厂， 为 炼钢供级0 1 9 7 5 年， 美 国空气制品公司( A P C I ) 推出真空解吸的 P S A

3、技术， 即V P S A， 又一次促进了P S A空 分装置的发展。 V P S A不但提高了分离效率， 在能耗上也有降低， 而且使P S A技术有可能 同时取得氮和富氧两个产品。 8 0 年代以来， 由于P S A和膜技术的飞 速发展. 促使大规模的低温空分装置也在不 断改进， 出现了以P S A和膜技术为主的非低 温现场供应空分产品( 主要是氮、 氧) 与低温 传统工艺竞相发展的局面。1 9 9 3 年， 日 本的 1 7 6 P S A制氧量约为 7 . 0 7 X 1 0 m ， 它在产氧总 量中所占比例达 3 3 %, 美国的P S A制氧所 占产氧总量的比例为1 1 . 8 %.

4、在我国， P S A装置的开发尚处于起步阶 段， 在空气产品中所占比例甚微， 但目前空分 设备生产厂家都在开发应用这一新技术， 其 所占比例会迅速增加。 二、 P S A设备的优点 1 . 装五的综合成本 P S A装置简单， 设备数量少， 占地面积 小， 安装方便， 小型装置可做成整体移动式。 而低温装置设备复杂， 安装要求高且周期长， 基建投资高。 综合设备、 安装及墓建等诸项因 素， 3 5 0 0 m V h 以下设备， 相同规格的P S A装 置的投资规模， 要比深冷装置低约2 0 %- 5 0 写。 2操作人员的要求 P S A装置可无人操作， 而深冷法空分装 置在运转时需配备拥有

5、专业知识的熟练操作 人员。 3 . 运行工况的调节 P S A装置能自动、 无负荷的运转， 只需 简单的调节产品气量， 即可改变纯度， 起动及 停车只须按钮操作。而深冷分离装置的操作 就比 较复杂， 不是简单的起动、 停车。 4 . 装呈的维修保养 P S A装置本身很简单， 运转机器的数最 少， 因此， 它的维修保养工作量少; 而深冷分 离装置在低温下工作， 运转机器较复杂， 所以 维修费用及 保养时间 均比P S A装置多。 P S A装置相当于深冷空分的一个净化 系统。 它操作简单、 过程稳定、 可靠性高、 适应 性强， 运行成本很低。如产品纯度要求不太 高， 产量低于3 5 0 0 m

6、3 / h , P S A空分装置是理 想的选择。 三、 P S A制级、 制氮 1 . P S A制乳、 氮原理 P S A制氧是利用沸石分子筛对气体混 合物中各组分的吸附能力的差别. 以及吸附 容量随压力的变化而变化的特性。在平衡状 态下， 分子筛优先吸附氮气组分( 见图1 ) ， 在 提高压力状态时氮的吸附容量高于低压时的 吸附容量。分子筛的脱附再生是靠改变操作 压力来实现， 即加压吸附， 减压脱附， 从而达 到分离的目的。 时间 . 汤 4 W从力日 圈压力. . H a 圈1 暇和氮在沸石分子偏上的吸附能力 同样P S A制氮则利用氧、 氮分子在碳分 子筛上的动力扩散速度不同， 氧分

7、子的扩散 速度较大， 从而对氧、 氮分子的吸附速度产生 差异( 见图2 ) ， 使氧、 氮分离。由于碳分子筛 的分离作用基于氧和氮的扩散速率不同， 所 以它的微孔直径就有很大的关系。碳分子筛 微孔大小对吸附量和分离效果的影响较大， 微孔大， 吸附量大， 但吸附选择性差， 分离效 果差; 反之， 微孔小， 吸附量小， 但吸附选择性 好， 分离效果佳。通常， 对氧、 氮分离来说， 碳 分子筛的 孔径最好能控制在3 人 左右。 2 . P S A制乳设各 P S A制氧装置用分子筛为改型5 A沸石 分子筛， 其孔径约5 人， 对空气中氮气的吸附 量远远高于对氧气和显气的吸附量， 对氧和 氮的吸附量几

8、乎相等。 因此， 氮也是作为不易 图 2 舰、 氮分子的吸附沈度差异 被吸附的组分和氧一起在产品侧得到。因空 气中含有 0 . 9 3 2 %的氢、 2 0 . 9 5 %的氧， 故产 品氧的极限纯度约为9 5 . 5 ， 其余4 . 5 写为 显和不大于 l 0 0 p p m的氮。 目前， P S A制氧装置通常采用两种方 法， 一种是高压下吸附， 大气压下再生， 即常 压 再生法。 吸附 压力为0 . 2 - 0 . 4 M P a 。 另 一 种是在稍高于大气压下吸附， 抽真空再生， 也 就是真空再生法。 从提取率及能耗角度考虑， 真空再生法 的性能优于常压再生法的性能。 因为P S

9、A装 置能耗的主要因素， 对常压再生法来说是空 压机， 对真空再生法来说主要是真空泵。 虽然 这两种方法的气体压缩比大约都为3 ， 但由 于真空泵是在空气被抽空到最后阶段才达到 这一压缩比， 在整个空气抽空期间以较小的 压缩比进行较长时间动转。而空压机是在恒 负载下运转， 并且必须压缩约1 0 倍于产品氧 量的空气， 所以真空再生法比常压再生法能 耗少。 但是， 真空再生法流程较复杂， 除鼓风机 外增加了一台真空机组， 一般还要配一台氧 压机， 且一般豁三只吸附塔， 设备成本高， 维 修工作量也相对较大。而常压再生法只需两 只吸附塔， 且除空压机外没有其它动转机械， 一次性投资低， 装置可靠性

10、也相对较高。 对于氧产量不大的小型装置来说， 能耗 已不是首先考虑的间题， 设备价格及可靠性 成为用户首先考虑的因素。 故1 0 0 m 3 / h以下 1 7 7 的P S A的制氧装置采用常压再生法。 四、 公司生产的制氛制氮设备 1 . 小型 P S A制载设备( 双塔常压解吸 ) 1 9 9 4 年， 我公司为东 坪金矿设 计制造了 两套型号为P S A O , - 2 0 型制氧设备， 采用双 塔常压再生流程。 其主要设计参数为: 氧气产 量2 0 m 勺 h ( 标准状态) ， 氧气纯度9 3 %, 氧气 压力)0 . 2 MP a ， 吸附压力0 . 3 MP a , ( 1 )

11、 设备配置 2 WZ - 4 . 5 / 4 型无油润滑压缩机一台， 排 气量 4 . 5 m / m i n ， 额定排气压力0 . 4 MP a ; 空 气缓冲罐一台， G Y L - 6 / 8 型高效除油过滤器 一台， 立式三层床吸附器两台， 氧气贮罐一 台， 消音器一台; 自动切换阀门一组， 自动控 制系统一套。分子筛选用美国U O P公司生 产的P S A O z -H P型制氧专用分子筛， 切换 阀采用管道式气动切换阀， 电磁阀为德国进 口 产品， 程控器选用日 本产可编程控器。 ( 2 ) 吸附流程( 见图 3 ) 图3 两塔常压解吸制砚沈程 空气经空压机压缩加压后进人缓冲端缓

12、 冲稳压， 然后通过高效除油过撼器除去可能 夹带的油污及冷凝水后由下部进入A : 吸附 器。 吸附器的下部装填的是活 性氧化铝， 上部 为分子筛。空气首先经过活性氧化铝层除去 大部分水分， 然后进入分子筛床层， 由 分子筛 吸附掉空气中所含的氮. C O z , 碳氢化合物及 剩余的水分。 氧气和氨气穿过床层富集于吸 附器的上部， 通过管道引入氧气贮雄。当A , 1 7 8 塔吸附时， A , 塔通过消音器通大气降压再 生， 再生时由上 部引入一股氧气进行反吹， 反 吹的目的一是将存留于死空间的Nz 赶出吸 附器， 二是降低吸附器内N : 的分压， 以利吸 附于分子筛内的N : 尽可能多的解吸

13、出来。 当A ， 塔内的分子筛吸附饱和时， A : 塔也再 生完毕， 此时停止进气和出氧， 将A , A z 两 塔连通进行均压， 以回收部分能量， 减少能 耗。这样， 两只吸附器循环交替工作， 即可连 续地得到产品氧气。 ( 3 ) 设备特点 选用高品质分子筛， 吸附性能好， 产氧 率高， 整套设备的各项指标均高于使用一般 分子筛的情况， 且分子筛颗粒均匀， 强度高、 耐磨性强。开箱后很少发现有破碎现象及粉 末， 其使用寿命要高于国产分子筛。 选用进口电磁阀及程控器， 使动作的 可靠性高， 设备投入运行至今电磁阀几乎没 有故障; 程控器也役出现过误操作， 这大大提 高了整套设备的运转可靠性。

14、 吸附器采用立式三层床结构， 将空气 干燥装置与吸附器合二为一， 省掉了一组运 转部件， 使装置运转更加可靠， 同时也使设备 更紧凑， 减少了占地面积， 在无油润滑空压机后又增加了一台高 效除油过滤器， 这样即使压缩机因刮油环磨 损使空气带油， 油也不会进人吸附器而污染 分子筛， 可以提高设备的使用寿命。 ( 4 ) 设备实际运行参数 经实际运行考核测试， 设备各项运行参 数为: 氧气产量2 5 . 8 m / h , 氧气纯度9 3 %, 氧气平均压力0 . 2 MP a ， 吸附压力0 . 2 5 MP a , 单位能耗1 . O k Wh / m O z , 提取率4 0 写。 从以上数

15、据可看出， 氧气产量大于设计 值， 这主要得益于分子筛良好的吸附性能及 合理的运行程序。 同时， 提取率及单位能耗也 都是国内 最好水平。 继东坪金矿之后， 我公司已向各地金矿 销售近十套小型P S A制氧设备， 每天2 4 小 时不间断运行。 除每班记录两次运行参数外， 不须专人看管。 设备运行稳定， 不管是夏天气 温较高还是冬天气温很低， 各项运行参数都 没有多少变化。故障率很低， 维修简便， 为用 户带来了可观的经济效益。仅东坪金矿应用 纯氧浸出 工艺当年就带来经济效益达3 6 6 . 8 万元， 设备投资仅 6 0 万元。 此项产品已 获得开封市优秀新产品一等 奖， 河南省机械工业科学

16、技术进步一等奖。 2大型P S A制乳设各( 三塔真空解吸) 1 9 9 5 年我公司与日 本酸素公司合作生 产了目 前为我国最大的二套V P S A -1 2 0 0 型制氧设备。 采用三塔真空解吸流程， 其主要 设计参数为氧产量: 1 2 0 0 . 1 / h ( 标准状态) ， 氧气纯度: 9 3 0 o , 氧气出N压力: 。 . 9 MP a , 吸 附 压力5 0 0 m m H z 0 , ( 1 ) 合作范围 日 方提供设备有真空泵、 氧压机、 切换 阀及仪表控制部分。 我公司主要做的工作为: 流程设计、 关 键设备吸附器的设计制造， 电器控制部分的 设计及订货， 各种容器的设计制造， 消音器的 设计制造( 排气噪声6 0 d B ) , 整套设备的配 管、 安装( 包括电控设备、 仪控设备线路的连 接安装) 等。 ( 2 ) 设备配里 离心鼓风机一台( 排气量 9 9 0 0 . 1 / h 、 排 气压力5 0 0 m m H 刀) ， 蒸汽加热器一台， 卧式 三层床吸附器三台， 氧压机一台， 真空泵一 台， 氧气贮姚两台， 消