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1、 变压吸附制氮装置用于工业生产中的惰性保护顾飞龙 张力钧 张丽华上海化工研究院 200062摘要 本文简要介绍变压吸附制氮技术的基本原理及数学模型，变压吸附制氮装置用于工业生产中的惰性保护。关键词 变压吸附 数学模型 制氮装置 应用1、 概述工业生产过程中，有毒有害、易燃易爆、易挥发的物料需要惰性气体保护，而氮气作为惰性气体的一种，气源丰富，空气中含量79，在生产中的应用已日益广泛。目前广泛应用于安全保护气、置换气、注氮三次采油、煤矿防火灭火、氮基气氛热处理、防腐防爆、电子工业、集成电路等。例如化工助剂生产中采用封闭式循环干燥系统，采用氮气作惰性保护，可以防止由溶剂引起的爆炸和燃烧，防止溶剂和
2、粉末释放，同时防止干燥产品在干燥期间的过热氧化作用和降解。传统的空气分离是采用深冷法，利用空气中氧氮等的沸点不同，使空气深冷液化，进行分离提纯。虽然分离量大，纯度高，但是工艺流程复杂，设备制造、安装、调试要求高，投资大，占地面积大，不适宜应用于中小气量。通过近三十年来的摸索，变压吸附制氮技术已经相当完善。变压吸附气体分离技术（PSA）工艺过程简单，设备制造容易，占地少，启动时间短，设备维护简便，适应性强，自动化程度高，可随时开停车不需采用特别措施。因此，近年来变压吸附在中小规模装置的应用日益增加。2、 变压吸附制氮技术基本原理 由于吸附剂对不同气体在吸附量、吸附速度、吸附力等方面的差异，以及吸
3、附剂的吸附容量随压力的变化而变化，因此可在加压条件下完成混合气体的吸附分离过程，减低压力解吸所吸附的杂质组份，从而实现气体分离以及吸附剂的循环使用。 变压吸附制氮技术，一般采用碳分子筛为吸附剂，碳分子筛对氧氮的吸附速度相差很大，（如图1所示），在短时间内，氧的吸附速度大大超过氮的吸附速度，利用这一特性来完成氧氮分离。碳分子筛对氧的吸附容量随压力的降低而减少，减低压力，即可解吸，完成碳分子筛的再生。另外，碳分子筛对二氧化碳和水分也有吸附能力，且较容易减压解吸。 时间MIN 图1. 碳分子筛对氧氮的吸附动力学曲线3、 变压吸附制氮的数学模型PSA制氮过程的动态行为可以从以下几个方面来描述：3.1
4、吸附等温方程PSA制氮是基于恒温（一般为常温）下气体的压力升降相平衡的吸附剂吸附容量相应变化，过程消耗的能量是气体的压缩能；温度恒定，吸附剂的吸附量q和气相中组份的分压p的平衡关系用吸附等温方程来描述。PSA制氮，低温下以物理吸附为主，与Langmuir方程描述一致。Langmuir方程基本假设：吸附是单分子层；局部吸附，吸附剂的表面有一定数量的吸附中心，且各吸附中心相互独立，成为局部吸附；各吸附中心具有相等的吸附能，并在各中心均匀分布。在吸附平衡时，均匀表面的气体分子的吸附速率和解吸速率相等，推得基本吸附等温的Langmuir方程：式中： k1为常数，由实验测得， q表示气体压力为p的吸附浓
5、度3.2 物料衡算流动气相各组分质量衡算： A组分： B组分：3.3 吸附速率吸附由以下几步组成：吸附质从流体中向吸附剂表面的扩散；吸附质在吸附剂毛细孔中传递；吸附质在吸附剂表面上的附着。变压吸附制氮的吸附速率主要由吸附质在毛细孔内的扩散速度决定。因此其吸附速率方程为：式中： Dp为毛细孔内扩散系数；i为吸附剂粒子在毛细孔内的参数；r为制吸附剂粒子中心测量起的距离；为孔隙度。这些数学模型微分方程和边界条件的假设，对于我们从经验设计转向数学模型设计，以及在放大中必须注意的关键问题，提供了理论指导依据，工程设计人员在实践中使得PSA制氮工业规模由中小型逐步积极稳妥地向大型发展。4、 变压吸附制氮装
6、置4.1 变压吸附制氮工艺流程上海化工研究院研制的NGN型PSA制氮装置，原料空气压力为0.8MPa，环境温度20，相对湿度80，氮气产量从10Nm3/h到3000Nm3/h，氮气纯度从95到99.99。其工艺流程图如图4所示。1.压缩机 2.冷却器 3.过滤器 4A、4B.吸附塔 5.氮气缓冲罐 6.氧分析仪图4. NGN型PSA制氮装置工艺流程图原料空气经压缩机压缩至0.8MPa(或以上)，经冷却器冷却至常温，再经过滤器过滤油、水后，进入吸附塔（填充碳分子筛），空气中氧、二氧化碳和水分被吸附，其余组份（主要为氮气）则从出口端流出进入缓冲罐。吸附塔经均压、减压至常压，脱除所吸附的杂质组份，完
7、成碳分子筛的再生。两吸附塔循环交替操作，连续产出氮气。4.2 变压吸附制氮系统的设计原则变压吸附制氮系统的设计要综合考虑氮气回收率、氮气产量及投资成本，而实际设计和操作是受许多变量的影响。4.2.1 压缩空气预处理吸附剂对油份的吸附是不可逆的，不能使用减压再生的方法，空气中油份的含量会直接影响到吸附剂的寿命，因此，必须采用精密油过滤器，分离粒径范围为0.01m，保证制氮装置的长期运行。4.2.2 吸附剂的选定吸附剂的吸附平衡、吸附速度、脱附速度、吸附选择性等吸附特性，其它如形状、粒径、密度、空隙率、热容以及压缩强度、耐磨性等形状和机械特性也在考虑的范围内。4.2.3 吸附塔高平衡分离型的吸附塔
8、的设计必须考虑传质速率和传质区的高度。吸附塔的高度控制在一定范围内，过高空气的线速度过高，会影响到物质扩散，以及对吸附剂物理形态的影响；过低则实际吸附剂利用率低，影响氮气回收率。4.2.4 吸附压力综合考虑产氮率和氮气回收率来选定吸附压力，一般在0.60.8MPa为宜5、 应用与技术经济5.1. 应用上海化工研究院在八十年代初即率先在国内推出PSA工业制氮装置应用于工业生产。近二十年来，已推广PSA技术装置近三百余套，为工矿企业节能降耗取得经济效益提供了优良的设备和技术。化工、石油化工、精细化工生产中，氮气作为惰性保护气氛可用于反应、置换、吹扫、压力输送等工艺场合。如上海吴凇化肥厂用于双氧水工
9、艺生产；中外合资上海浦东联胜化工有限公司用于PEO生产，江苏汉光集团用于化工助剂生产的惰性干燥系统等。在一些新兴的材料行业、电子工业、集成电路、啤酒饮料等惰性气体的应用也在不断地拓展新的应用领域。如新型PSA制氮装置已用于手机锂电池生产的惰性保护，用于啤酒饮料等的氮气封装，有机硅生产中的氮气脱水干燥，休闲食品取代空气和脱氧剂进行氮气封装。氮气的应用使得这些企业的产品在工艺技术、产品质量上档次，赢得了竞争力。如新天国际葡萄酒业公司的NGN100制氮装置，用于酒的发酵后期和灌装的惰性保护，提高了酒的品味、延长保质期等。PSA制氮技术作为新兴的高新气体分离技术，应用的广度和深度还将进一步不断地拓展和
10、发展。5.2. 技术经济性采用PSA制氮装置，与一般的钢瓶氮气供应，液氮供应相比，优势明显。首先PSA法，省去了钢瓶、液氮的运输，减少了运输过程的不确定性，减少了工人搬运、下车等的体力劳动，改善了工人的劳动条件。PSA制氮装置经二十年的工业实践，已完全达到了全自动控制，连续开机等工业生产要求。其次，PSA制氮相对于采用购买氮气的方法，其技术经济性明显，以NGN100型制氮装置为例，PSA制氮装置每小时生产氮气100M3，成本为0.3元/ M3，购买钢瓶氮气的费用为3元，以一年计算，每年节约费用为：100 m3/h24h/天365天（30.3）元=2365200元一套NGN100型制氮装置的设备
11、价在50万元以内，其投资回报快，一般三六月即可收回投资，技术经济性是明显的。6. 结论 变压吸附气体分离技术作为一项新兴节能的高新气体分离技术，其用于空气干燥和空气分离制氮前景广阔，可应用于石油、化工、电子、化纤、电厂等各行业。上海化工研究院变压吸附制备氮气的装置已申请国家发明专利，并开发出系列产品，为用户提供技术服务和支持。符号：c ：气相浓度，molm-3Dp：扩散系数,cm2s-1 k1: 吸附等温线常数p: 吸附塔压力，Paq: 吸附浓度molm-3R：为制吸附剂粒子中心测量起的距离,cmz: 床层长度变量，cm：为孔隙率A：氧气B：氮气参考文献1 叶振华 吸着分离过程基础 1992.2 空气分离进展 郑丽碧译 深冷技术 1992，（2）3
