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  • PSA 變壓吸附制氮制氧工藝

    更新日期:2017-01-04
    摘要:

    變壓吸附(Pressure Swing Adsorption.簡(jiǎn)稱(chēng)PSA),是一種新型氣體吸附分離技術(shù),它有如下優(yōu)點(diǎn):⑴產(chǎn)品純度高。⑵一般可在室溫和不高的壓力下工作,床層再生時(shí)不用加熱,節能經(jīng)濟。⑶設備簡(jiǎn)單,操作、維護簡(jiǎn)便。⑷連續循環(huán)操作,可完全達到自動(dòng)化。因此,當這種新技術(shù)問(wèn)世后,就受到各國工業(yè)界的關(guān)注,競相開(kāi)發(fā)和研究,發(fā)展迅速,并日益成熟。

    變壓吸附(Pressure Swing Adsorption.簡(jiǎn)稱(chēng)PSA),是一種新型氣體吸附分離技術(shù),它有如下優(yōu)點(diǎn):⑴產(chǎn)品純度高。⑵一般可在室溫和不高的壓力下工作,床層再生時(shí)不用加熱,節能經(jīng)濟。⑶設備簡(jiǎn)單,操作、維護簡(jiǎn)便。⑷連續循環(huán)操作,可完全達到自動(dòng)化。因此,當這種新技術(shù)問(wèn)世后,就受到各國工業(yè)界的關(guān)注,競相開(kāi)發(fā)和研究,發(fā)展迅速,并日益成熟。
     
     
    利用吸附劑的平衡吸附量隨組分分壓升高而增加的特性,進(jìn)行加壓吸附、減壓脫附的操作方法。吸附是放熱過(guò)程,脫附是吸熱過(guò)程,但只要吸附質(zhì)濃度不大,吸附熱和脫附熱都不大,因此變壓吸附仍可視作等溫過(guò)程。變壓吸附一般是常溫操作,不須供熱,故循環(huán)周期短,易于實(shí)現自動(dòng)化,對大型化氣體分離生產(chǎn)過(guò)程尤為適用。變壓吸附的工業(yè)應用有:①空氣和工業(yè)氣體的減濕;②高純氫的制備;③空氣分離制富氧或富氮空氣(見(jiàn)彩圖);④混合氣體的分離,如烷烴、烯烴的分離。⑤生物降解洗滌劑中間物,石腦油高純度正構烷烴熔劑和異構體的分離;6,制取高純度一氧化碳,回收利用工業(yè)尾氣。
    變壓吸附
    變壓吸附
      我們現在主要使用的吸附劑有變壓吸附硅膠、活性氧化鋁、高效Cu系吸附劑(PU-1)、鋰基制氧吸附劑(PU-8)等。其中山東辛化生產(chǎn)的變壓吸附硅膠是針對變壓吸附氣體分離技術(shù)開(kāi)、研究的脫炭、提純專(zhuān)用吸附劑。第三代(SIN-03)同過(guò)特殊的吸附劑生產(chǎn)工藝,控制吸附劑的孔徑分布及孔容,改變吸附劑的表面物理化學(xué)性質(zhì),使其具有吸附容量大,吸附、脫炭速度快,吸附選擇性強,分離系數高,使用壽命長(cháng)等特點(diǎn)。
    2 概況
      1960年Skarstrom提出PSA專(zhuān)利,他以5A沸石分子篩為吸附劑,用一個(gè)兩床PSA裝置,變壓吸附制氮
      從空氣中分離出富氧,該過(guò)程經(jīng)過(guò)改進(jìn),于60年代投入了工業(yè)生產(chǎn)。80年代,變壓吸附技術(shù)的工業(yè)應用取得了突破性的進(jìn)展,主要應用在氧氮分離、空氣干燥與凈化以及氫氣凈化等。其中,氧氮分離的技術(shù)進(jìn)展是把新型吸附劑碳分子篩與變壓吸附結合起來(lái),將空氣中的O2和N2加以分離,從而獲得氮氣。隨著(zhù)分子篩性能改進(jìn)和質(zhì)量提高,以及變壓吸附工藝的不斷改進(jìn),使產(chǎn)品純度和回收率不斷提高,這又促使變壓吸附在經(jīng)濟上立足和工業(yè)化的實(shí)現。
    3 原理
      任何一種吸附對于同一被吸附氣體(吸附質(zhì))來(lái)說(shuō),在吸附平衡情況下,溫度越低,壓力越高,吸附量越大。反之,溫度越高,壓力越低,則吸附量越小。因此,氣體的吸附分離方法,通常采用變溫吸附或變壓吸附兩種循環(huán)過(guò)程。
      
    3.1 壓力不變
    如果壓力不變,在常溫或低溫的情況下吸附,用高溫解吸的方法,稱(chēng)為變溫吸附(簡(jiǎn)稱(chēng)TSA)。顯然,變溫吸附是通過(guò)改變溫度來(lái)進(jìn)行吸附和解吸的。變溫吸附操作是在低溫(常溫)吸附等溫線(xiàn)和高溫吸附等溫線(xiàn)之間的垂線(xiàn)進(jìn)行,由于吸附劑的比熱容較大,熱導率(導熱系數)較小,升溫和降溫都需要較長(cháng)的時(shí)間,操作上比較麻煩,因此變溫吸附主要用于含吸附質(zhì)較少的氣體凈化方面。
      
    3.2 溫度不變
    如果溫度不變,在加壓的情況下吸附,用減壓(抽真空)或常壓解吸的方法,稱(chēng)為變壓吸附??梢?jiàn),變壓吸附是通過(guò)改變壓力來(lái)吸附和解吸的。變壓吸附操作由于吸附劑的熱導率較小,吸附熱和解吸熱所引起的吸附劑床層溫度變化不大,故可將其看成等溫過(guò)程,它的工況近似地沿著(zhù)常溫吸附等溫線(xiàn)進(jìn)行,在較高壓力(P2)下吸附,在較低壓力(P1)下解吸。變壓吸附既然沿著(zhù)吸附等溫線(xiàn)進(jìn)行,從靜態(tài)吸附平衡來(lái)看,吸附等溫線(xiàn)的斜率對它的是影響很大的,在溫度不變的情況下,壓力和吸附量之間的關(guān)系,如圖示所示,圖中PH表示吸附壓力,PL表示解吸(減壓后)壓力,這時(shí)PH與PL所應的吸附量的差,實(shí)質(zhì)上是有效吸附量,以Ve表示之。顯然,直線(xiàn)型吸附等溫線(xiàn)的有效吸附量比曲線(xiàn)型(Langmuir型)的要來(lái)得大。吸附常常是在壓力環(huán)境下進(jìn)行的,變壓吸附提出了加壓和減壓相結合的方法,它通常是由加壓吸附、減壓再組成的吸附一解吸系統。在等溫的情況下,利用加壓吸附和減壓解吸組合成吸附操作循環(huán)過(guò)程。吸附劑對吸附質(zhì)的吸附量隨著(zhù)壓力的升高而增加,并隨著(zhù)壓力的降低而減少,同時(shí)在減壓(降至常壓或抽真空)過(guò)程中,放出被吸附的氣體,使吸附劑再生,外界不需要供給熱量便可進(jìn)行吸附劑的再生。因此,變壓吸附既稱(chēng)等溫吸附,又稱(chēng)無(wú)熱再生吸附。
      
    3.3 變壓吸附,吸附,PSA
    變壓吸附,吸附,PSA來(lái)自空氣壓縮機的壓縮空氣,首先進(jìn)入冷干機脫除水分,然后進(jìn)入由兩臺吸附塔組成的PSA制氮裝置,利用塔中裝填的專(zhuān)用碳分子篩吸附劑選擇性地吸附掉O2、CO2等雜質(zhì)氣體組分,而作為產(chǎn)品氣N2將以99%的純度由塔頂排出。
      
    3.4 降壓
    在降壓時(shí),吸附劑吸附的氧氣解吸出來(lái),通過(guò)塔底逆放排出,經(jīng)吹洗后,吸附劑得以再生。完成再生后的吸附劑經(jīng)均壓升壓和產(chǎn)品升壓后又可轉入吸附。兩塔交替使用,達到連續分離空氣制氮的目的。用碳分子篩制氮主要是基于氧和氮在碳分子篩中的擴散速率不同,在0.7-1.0Mpa壓力下,即氧在碳分子篩表面的擴散速度大于氮的擴散速度,使碳分子篩優(yōu)先吸附氧,而氮大部分富集于不吸附相中。碳分子篩本身具有加壓時(shí)對氧的吸附容量增加,減壓時(shí)對氧的吸附量減少的特性。利用這種特性采用變壓吸附法進(jìn)行氧、氮分離。從而得到99.99%的氮氣。
    4 變壓吸附發(fā)展史
      變壓吸附空分制氧始創(chuàng )于20世紀60年代初(Skarstrom,1960;GuerindeMontgarenil&Domine,1964),并于70年代實(shí)現工業(yè)化生產(chǎn)。在此之前,傳統的工業(yè)空分裝置大部分采用深冷精餾法(簡(jiǎn)稱(chēng)深冷法)80年代以來(lái)至今CaX和LiX等高吸附分離性能的沸石分子篩的相繼開(kāi)發(fā)利用和工藝流程的改進(jìn),使得變壓吸附空分技術(shù)得到迅速地發(fā)展,與深冷空分裝置相比,PSA過(guò)程具有啟動(dòng)時(shí)間短和開(kāi)停車(chē)方便、能耗較小和運行成本低、自動(dòng)化程度高和維護簡(jiǎn)單、占地面積小和土建費用低等特點(diǎn)。在不需要高純氧的中小規模(小于100噸/天,相當于3000Nm3/h)氧氣生產(chǎn)中比深冷法更具有競爭力。廣泛的應用于電爐煉鋼、有色金屬冶煉、玻璃加工、甲醇生產(chǎn)、碳黑生產(chǎn)、化肥造氣、化學(xué)氧化過(guò)程、紙漿漂白、污水處理、生物發(fā)酵、水產(chǎn)養殖、醫療和軍事等諸多領(lǐng)域(楊,1991;Kumar,1996;Jee,Park,Haam&Lee,2002)。四十多年來(lái)變壓吸附空分制氧技術(shù)的研究進(jìn)展主要表現在兩個(gè)方面:一是空分制氧吸附劑和其吸附理論的研究方面,二是空分制氧工藝循環(huán)過(guò)程的研究方面(Sircar,1994;Ruthven.Farooq&Knaebel,1994)。國內對這項技術(shù)的研究盡管起步較早,然而在較長(cháng)的一段時(shí)間內發(fā)展相對較緩。直至進(jìn)入九十年代以來(lái),變壓吸附制氧設備的優(yōu)越性才逐漸被國人認可,近幾年各種流程的設備相繼投產(chǎn)為各行各業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟效益。
    5 變壓吸附法 (PSA)
      近期發(fā)展起來(lái)的新工藝。Skarstrome等人于1960年發(fā)明,最初在工業(yè)上主要用于空氣干燥和氫氣純化。1970年后才開(kāi)發(fā)用于空氣制氧或制氮,1976年后逐漸開(kāi)發(fā)成功用碳分子篩,或用沸石分子篩的真空變壓吸附法,從空氣中制氧或氮,1980年實(shí)現了用單床PSA法吸附制取醫用氧。
      吸附分離是利用吸附劑只對特定氣體吸附和解析能力上的差異進(jìn)行分離的。為了促進(jìn)這個(gè)過(guò)程的進(jìn)行,常用的有加壓法和真空法等。分子篩變壓吸附分離空氣制取氧的機理,一是利用分子篩對氮的吸附親和能力大于對氧的吸附親和能力以分離氧,氮;二是利用氧在碳分子篩微孔系統狹窄空隙中的擴散速度大于氮的擴散速度,使在遠離平衡的條件下可分離氧氮。
      變壓吸附法制氧,氮在常溫下進(jìn)行,其工藝有加壓吸附/常壓解析或常壓吸附/真空解析兩種,通常選用沸石分子篩制氧,碳分子篩制氮。1991年,日本三菱重工制成世界上最大的PSA制氧設備,其氧產(chǎn)量可達8650m3/h。進(jìn)入90年代以來(lái),我國的PSA/VPSA制氧設備逐漸系列化,近年來(lái)鋰基分子篩因其性能更為穩定、高效,被越來(lái)越多的大規模應用,實(shí)現裝置大型化生產(chǎn),單套變壓吸附裝置產(chǎn)量最高可達40700m3/h,氧純度≥90%,產(chǎn)品氧能耗可達0.32~0.37kw.h/m3。
     
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