变压吸附制氮装置

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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

2、剂和粉末释放，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

3、力等方面的差异，以及吸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41、变压吸附制氮的数学模型PSA制氮过程的动态行

4、为可以从以下几个方面来描述：3.1．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：①吸附是单分子层；②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；③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

5、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：①吸附质从流体中向吸附剂表面的扩散；②吸附质在吸附剂毛细孔中传递；③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②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；ε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

6、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。2、变压吸附制氮装置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。41.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

7、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。4.1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0.01µm，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