變壓吸附(PSA)制氮原理及工藝基本知識(shí)

1、變壓吸附（PS）制氮原理及工藝基本知識(shí)變壓吸附（PS）制氮技術(shù)原理及工藝基本知識(shí)一、基礎(chǔ)知識(shí)氮?dú)庵R(shí)氮?dú)饣局R(shí)氮?dú)庾鳛榭諝庵泻孔钬S富的氣休，取之不竭，用之不盡。氮?dú)鉃殡p原子氣體，組成氮分子的兩個(gè)原子以共價(jià)三鍵相聯(lián)系，結(jié)合得相當(dāng)牢固，致使氮分子具有特別的穩(wěn)定性，在巳知的雙原子氣體中，氮?dú)饩影袷?。氮的離解能（氮分子分解為原子時(shí)需要汲取的能量）為941.69kJ?moL-1。氮的化學(xué)性質(zhì)不活潑，在一般狀態(tài)下表現(xiàn)為很大的惰性。在高溫下，氮能與某些金屬或非金屬化合生成氮化物，并能直接與氧和氫化合。在常溫、常壓下，氮是無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、不燃、不爆的氣體，使用上很安全。在常壓下，把氮?dú)饫渲?196將變成

2、無(wú)色、透明、易于流動(dòng)的液氮。液氮將凝聚成雪花狀的固體物質(zhì)。氮?dú)馐侵舷⑿詺怏w，能致生命體于死亡。氮?dú)猓∟2）在空氣中的含量為78.084%（空氣中各種氣休的容積組分為：N2：78.084%、2:20.9476%、氪氣：0.9364%、CO2:0.XX%、其它還有H2、CH4、N20、03、S02、N02等，但含量極少），分子量為28,沸點(diǎn)：195.8,冷凝點(diǎn)：210。1.2氮?dú)獾挠猛镜獨(dú)獾亩栊院鸵旱牡蜏乇粡V之用作保護(hù)氣體和冷源。以氮?dú)鉃榛境煞莸牡鶜夥諢崽幚?，是為了?jié)能和充分利用自然資源的一種新工藝新技術(shù)，它可節(jié)省有機(jī)原料消耗。氮還有“靈丹妙藥”之稱而受人XX睞，它和人的日常生活緊密相關(guān)。例

3、如，氮?dú)庥糜诩Z食防蛀貯XX時(shí)，糧庫(kù)內(nèi)充入氮?dú)?，蛀蟲在36h內(nèi)可 TOC o 1-5 h z 全部因缺氧窒息而死，殺滅1萬(wàn)斤糧食害蟲，約只需幾角錢。若用磷化鋅等劇海藥品黑殺，每萬(wàn)斤糧食需耗藥費(fèi)100多元，而且污染糧食，影響RM健康。又如充氮貯存的蘋果，8個(gè)月后仍香脆爽口，每斤蘋果的保鮮費(fèi)僅需幾分錢。茶葉充氮包裝，1年后茶質(zhì)新奇，茶湯清亮明亮，味道淳香。壓力知識(shí)變壓吸附（PS）制氮工藝是加壓吸附、常壓解吸，必須使用壓縮空氣?，F(xiàn)使用的吸附劑碳分子篩最佳吸附壓力為0.750.9MP,整個(gè)制氮系統(tǒng)中氣體均是帶壓的，具有沖擊能量。分子篩分子篩簡(jiǎn)介分子篩是具有均勻微孔，孔徑與流體分子直徑大小相當(dāng)?shù)奈絼?。?/p>

4、據(jù)其有效孔徑大小，可用來(lái)篩分離大小不同的流動(dòng)分子，能夠阻止直徑大于微孔孔徑的分子通過(guò)，同意直徑小于微孔孔徑的分子通過(guò)。這種作用叫分子篩的篩分作用，或稱位阻效應(yīng)。由于分子篩具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，使它有特定篩的性質(zhì)，從而構(gòu)成了獨(dú)特的吸附選擇性和伴化選擇性等物理化學(xué)性質(zhì)?；瘜W(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)和孔徑大小不同，工業(yè)用分子篩有許多類型。近年來(lái)，作為一種高效能的吸附劑、干燥劑和催化劑載體等，它已廣泛應(yīng)用于許多科學(xué)領(lǐng)域和工業(yè)部門。分子篩的種類具有分子篩作用的物質(zhì)有很多，如天然的和人工合成的沸石分子篩、碳分子篩、微孔玲璃、某些有機(jī)高聚合物、某些無(wú)機(jī)物薄漠、有機(jī)高分子薄膜等。其中，應(yīng)用最廣的是沸石分子篩和碳分子篩。在

5、分子篩空分制富氮工藝中，所使用的吸附劑就是這兩種分子篩。從目前的產(chǎn)品看，沸石分子篩已有近50種定型產(chǎn)品，不僅可用于氧氮分離，而且可用于除水干燥和用作催化劑載體；碳分子篩是新近出現(xiàn)的新型吸附劑，主要應(yīng)用于空分制富氮和氫的提純等。下面扼要介紹上述兩種常用分子篩。沸石分子篩沸石分子篩是一種人工合成的無(wú)機(jī)吸附劑，它的組成與天然沸石相近，具有多孔籠形骨架結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽化合物，簡(jiǎn)稱:ZMS化學(xué)組成沸石分子篩以SiOz和l2O為主要成份，并通過(guò)共同氧原子相連接，其一般的化學(xué)組成通式為(M2(I),M(n)?O3l3?nSiO2mH2O,式中，M(I)和M(n)分別為一價(jià)和二價(jià)金屬(通常為N、K、C、Sr、B

6、等);n為沸石的硅鋁比，一般n=210;m為結(jié)晶水的分子數(shù)，一般m=09。吸附特性沸石分子篩是一種高效的吸附劑，被廣泛應(yīng)用于分離與凈化上。它具有如下主要特性。?良好的吸附特性眾所周知，活性炭、活性氧化鋁、硅膠等吸附劑雖有較大的比表面積，但它們的微孔尺寸較大，分布不均勻，對(duì)于分子大小相差無(wú)幾的02(2.8?)、N2(3.0?)是不能進(jìn)行選擇性吸附的，即沒(méi)有篩分分子的本領(lǐng)，因而這3種吸附劑不能用于氧、氮分離工藝。然而。沸石分子篩則不同，它具有籠形孔洞骨架晶體結(jié)構(gòu)，其晶穴體積可占沸石晶體總體積的一半以上，而且其內(nèi)晶表面高度極化，晶穴內(nèi)有強(qiáng)的靜電場(chǎng)，微孔分布均勻，孔徑大小與一般分子相當(dāng)，巨大的比表面可

7、谷納相當(dāng)數(shù)量的氣體等吸附質(zhì)分子，并能按照氣體分子大小和形式進(jìn)行篩分。雖然，分子直徑比分子篩孔徑小的分子都能進(jìn)入孔穴內(nèi)，但仍可借助于不同的分子極性、不飽和度、極化率及空間構(gòu)型等所產(chǎn)生的吸附強(qiáng)弱和擴(kuò)散速度上的差異來(lái)分離分子。這是由于陽(yáng)離子和帶負(fù)電荷的硅鋁氧性架所構(gòu)成的沸石本身是一種極性物質(zhì)，可通過(guò)靜電誘導(dǎo)使分子極化，所以，凡極性越強(qiáng)，或越易能設(shè)化的分子，也就越容易被吸附。?高效的吸附能力在低吸附質(zhì)濃度（或高吸附溫度）下，沸石分子篩仍具有很強(qiáng)的吸附能力，而在同一情況下，一般吸附劑的吸附能力則很弱，甚至幾乎已經(jīng)喪失。佛石分子篩之所以具有高效的吸附能力，是因它的吸附力性質(zhì)不同于其它吸附劑。如活性炭的吸附

8、力是色散力的作用，而沸石分子篩不僅有色散力的作用，而且還有較大的靜電力的作用。由于沸石分子篩的晶穴中含有陽(yáng)離子，加上骨架氧帶有負(fù)電荷,這樣在陽(yáng)離子的周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的局部正電場(chǎng)。由于這種靜電力和色散力的共同作用，使得沸石分子篩獲得特別強(qiáng)的吸附力，從而在低分壓（或低濃度）及高溫的環(huán)境中仍具有較大的吸附能力。碳分子篩碳分子篩（簡(jiǎn)稱CMS）是世界，上70年代初進(jìn)展起來(lái)的吸附劑新品種，首先由聯(lián)邦德國(guó)亞琛B.F.(Bergbu-ForschungofEsen)礦業(yè)研究公司研究成功。20多年來(lái)，該公司生產(chǎn)的碳分子篩產(chǎn)品無(wú)論在性能、質(zhì)量方面，或在使用壽命方面(可達(dá)10年)都一直居于國(guó)際領(lǐng)先地位、并以產(chǎn)氮率高(約

9、達(dá)0.166m3?kg-1-CMS)，氧氮分離效果佳。產(chǎn)品氨氣純凈等聞名于世，故有B.F.碳分子篩之稱。?碳分子篩的制備碳分子篩是一種炭素吸附劑，通常以無(wú)煙煤為主要原料。無(wú)煙煤所含干鎦物較少，不致堵塞分子篩微孔，使產(chǎn)品的孔容、孔徑及灰分雜質(zhì)含量等都達(dá)到技術(shù)性能要求。將無(wú)煙煤粉碎后經(jīng)30目過(guò)篩，加入粘結(jié)劑調(diào)和成形，制成小23mm的半成品顆粒，再經(jīng)加熱氧化、通風(fēng)碳化、活化等干餾處理而制得碳分子篩成品。生產(chǎn)碳分子篩用的粘結(jié)劑，一般有煤焦油和紙漿廢液，前者粘結(jié)強(qiáng)度較高，但有污染。后者無(wú)污染，但粘結(jié)強(qiáng)度較差?；罨瘯r(shí)是去除分子篩中的水分，以提高它的吸附容量?；罨年P(guān)鍵是合理選擇并嚴(yán)格操縱活化溫度。?碳分子

10、篩的微孔結(jié)構(gòu)我們知道，一切物質(zhì)的物理性能都是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的。經(jīng)研究表明,碳分子篩是一種多孔性的固體物質(zhì)，在它的顆粒內(nèi)部有大孔和由大孔分支出來(lái)的微孔，見圖2。）往里榆送，并進(jìn)行擴(kuò)散，最后達(dá)到微孔或超微孔，從而產(chǎn)生吸大孔將吸附質(zhì)分子（如O2附分離作用。按照固體物理學(xué)中關(guān)于孔的分類，按照篩孔的孔徑（或?qū)挾龋┖妥饔貌煌?，可分為大孔（孔輕250?）、中孔（孔徑二25010?）、微孔（4?W孔徑V10?）和超微孔（孔徑V4?）。碳分子篩的微孔孔徑接近于超微孔的孔徑大小。然而、碳分子篩微孔孔徑對(duì)吸附量和分離效果都有很大的影響。微孔大，吸附量大，但分離效果差；反之，微孔小，吸附量小，卻分離效果好。雖然碳

11、分子篩和沸石分子篩的孔徑相差不大，但兩者吸附孔窗的形狀不同，前者為平板形，后者為墨水瓶瓶頸狀，所以，它們的吸附特性也截然不同。一般認(rèn)為，在變壓吸附氧氦分離過(guò)程中，CMS是吸氧分子篩，而ZMS是吸氮分子篩。如果從位阻效應(yīng)考慮，為為實(shí)現(xiàn)氧氮分離，分子篩的孔徑分布宜窄，并介于這兩種待分離的分子直徑之間，以便達(dá)到中意的分離效果。二、PS制氮工作原理變壓吸附制氮機(jī)是以碳分子篩（CMS）為吸附劑，利用加壓吸附，降壓解吸的原理從空氣中吸附和釋放氧氣，從而分離出氮?dú)獾淖詣?dòng)化設(shè)備。CMS是一種以煤為主要原料，經(jīng)過(guò)研磨、氧化、成型、碳化并經(jīng)過(guò)特別的孔型處理工藝加工而成的，表面和內(nèi)部布滿微孔的柱形顆粒狀吸附劑，呈黑

12、色，其孔徑分布如下圖所示：CMS的孔徑分布特性使其能夠?qū)崿F(xiàn)02、N2的動(dòng)力學(xué)分離。這樣的孔徑分布可使不同的氣休以不同的速率擴(kuò)散至分子篩的微孔之中，而不會(huì)排斥混合氣（空氣）中的任何一種氣休。碳分子篩對(duì)02、N2的分離作用是基于這兩種氣體的動(dòng)力學(xué)直徑的微小差別，02分子的動(dòng)力學(xué)直徑較小，因而在碳分子篩的微孔中有較快的擴(kuò)散速率，N2分子的動(dòng)力學(xué)直徑較大，因而擴(kuò)散速率較慢。壓縮空氣中的水和CO2的擴(kuò)散同氧相差不大，而氪擴(kuò)散較慢。最終從吸附塔富集出來(lái)的是N2和r2的混合氣。碳分子篩對(duì)02、N2的吸附特性可以以下吸附曲線直觀表現(xiàn)出來(lái)：從吸附曲線可以看出，吸附壓力的增加，可使02、N2的吸附量同時(shí)增大，且0

13、2的吸附星增加幅度要大一些。變壓吸附周期短。02、N2的吸附星遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到平衡（最大值），所以02、N2擴(kuò)散速率的差別使02的吸附量在短時(shí)間內(nèi)大大超過(guò)N2的吸附量。變壓吸附制氮正是利用碳分子篩的選擇吸附特性，采納加壓吸附，減壓解吸的循環(huán)周期，使壓縮空氣交替進(jìn)入吸附塔（也可以單塔完成）來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣分離，從而連續(xù)產(chǎn)出高純度的產(chǎn)品氮?dú)?。三、PS制氮基本工藝流程PS制氮機(jī)工藝流程變壓吸附制氮空氣經(jīng)空壓機(jī)壓縮后，經(jīng)過(guò)除塵、除油、干燥后，進(jìn)入空氣儲(chǔ)罐，經(jīng)過(guò)空氣進(jìn)氣閥、左吸進(jìn)氣閥進(jìn)入左吸附塔，塔壓力升高，壓縮空氣中的氧分子被碳分子篩吸附，未吸附的氮?dú)獯┻^(guò)吸附床，經(jīng)過(guò)左吸出氣閥、氮?dú)猱a(chǎn)氣閥進(jìn)入氮?dú)鈨?chǔ)罐，這個(gè)過(guò)程稱

14、之為左吸，持續(xù)時(shí)間為幾十秒。左吸過(guò)程結(jié)束后，左吸附塔與右吸附塔通過(guò)上、下均壓閥連通，使兩塔壓力達(dá)到均衡，這個(gè)過(guò)程稱之為均壓，持續(xù)時(shí)間為23秒。均壓結(jié)束后，壓縮空氣經(jīng)過(guò)空氣進(jìn)氣閥、右吸進(jìn)氣閥進(jìn)入右吸附塔，壓縮空氣中的氧分子被碳分子篩吸附，富集的氮?dú)饨?jīng)過(guò)右吸出氣閥、氮?dú)猱a(chǎn)氣閥進(jìn)入氮?dú)鈨?chǔ)罐，這個(gè)過(guò)程稱之為右吸，持續(xù)時(shí)間為幾十秒。同時(shí)左吸附塔中碳分子篩吸附的氧氣通過(guò)左排氣閥降壓釋放回大氣當(dāng)中，此過(guò)程稱之為解吸。反之左塔吸附時(shí)右塔同時(shí)也在解吸。為使分子篩中降壓釋放出的氧氣完全排放到大氣中，氮?dú)馔ㄟ^(guò)一個(gè)常開的反吹閥吹掃正在解吸的吸附塔，把塔內(nèi)的氧氣吹出吸附塔。這個(gè)過(guò)程稱之為反吹，它與解吸是同時(shí)進(jìn)行的。右吸

15、結(jié)束后，進(jìn)入均壓過(guò)程，再切換到左吸過(guò)程，一直循環(huán)進(jìn)行下去。制氮機(jī)的工作流程是由可編程操縱器操縱三個(gè)二位五通先導(dǎo)電磁閥，再由電磁閥分別操縱八個(gè)氣動(dòng)管道閥的開、閉來(lái)完成的。三個(gè)二位五通先導(dǎo)電磁閥分別操縱左吸、均壓、右吸狀態(tài)。左吸、均壓、右吸的時(shí)間流程已經(jīng)存儲(chǔ)在可編程操縱器，中在斷電狀態(tài)下，三個(gè)二位五通先導(dǎo)電磁閥的先導(dǎo)氣都接通氣動(dòng)管道閥的關(guān)閉口。當(dāng)流程處千左吸狀態(tài)時(shí)，操縱左吸的電磁閥通電，先導(dǎo)氣接通左吸進(jìn)氣閥、左吸產(chǎn)氣閥、右排氣閥開啟口，使得這三個(gè)閥門打開，完成左吸過(guò)程，同時(shí)右吸附塔解吸。當(dāng)流程處千均壓狀態(tài)時(shí)，操縱均壓的電磁閥通電，其它閥關(guān)閉；先導(dǎo)氣接通上均壓閥、下均壓閥開啟口，使得這兩個(gè)閥門打開，

16、完成均壓過(guò)程。當(dāng)流程處千右吸狀態(tài)時(shí)，操縱右吸的電磁閥通電，先導(dǎo)氣接通右吸進(jìn)氣閥、右吸產(chǎn)氣閥、左排氣閥開啟口，使得這三個(gè)閥門打開，完成右吸過(guò)程，同時(shí)左吸附塔解吸。每段流程中，除應(yīng)該打開的閥門外，其它閥門都應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)。PS制氮的吸附劑采納CMS，利用氧氮在CMS表面吸附噩的差異，即氧的擴(kuò)散速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大千氮的擴(kuò)散速度，吸附0而解吸N。通過(guò)PLC可編程序操縱器操縱程控閥的啟動(dòng)關(guān)閉，來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)吸附解吸循環(huán)過(guò)程，加壓吸附，減壓解吸，完成氧氮的分離，得到所需純度的氮。工藝流程說(shuō)明凈化通過(guò)螺桿壓縮機(jī)將空氣加壓，通過(guò)一級(jí)過(guò)濾器除去空氣中的塵埃和部分殘雜，經(jīng)過(guò)冷干機(jī)除水，將空氣露點(diǎn)降至常壓下的23,此時(shí)大部分的水

17、已經(jīng)被除去。然后通過(guò)三土三級(jí)過(guò)濾器，達(dá)到吸附裝置長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)所必須的條件：殘油含量0.003ppm，塵埃直徑O.01以m。吸附再生經(jīng)過(guò)凈化后的空氣進(jìn)入空氣緩沖罐，空氣緩沖罐主要用來(lái)保證制氮系統(tǒng)壓力的均衡。從空氣緩沖罐出來(lái)的凈化空氣從吸附塔底部進(jìn)入吸附塔，塔進(jìn)行吸附，CMS吸附2,N2從塔頂出來(lái)進(jìn)入N2產(chǎn)品緩沖罐。運(yùn)行一段時(shí)間，吸附塔中分子篩被02飽和，但氧的吸附前沿還沒(méi)有到達(dá)吸附塔的出口端，進(jìn)行再生，PLC自動(dòng)關(guān)閉塔進(jìn)氣閥，同時(shí)塔給剛好完成沖洗的B塔均壓升，其本身是均壓降解吸，接下來(lái)，用產(chǎn)品氣對(duì)B塔進(jìn)行終升壓達(dá)到吸附壓力，塔逆放解吸，02從塔底解吸出來(lái)釋放到大氣，B塔開始吸附，塔進(jìn)行沖洗。兩個(gè)吸附塔交替進(jìn)行吸附和再生，保證產(chǎn)品連續(xù)輸出。每個(gè)塔都經(jīng)歷以下步驟：吸附、降壓解吸、逆放、沖洗、升壓、終壓升，1-2分鐘內(nèi)完成一個(gè)循環(huán)。為了獲得連續(xù)穩(wěn)定的產(chǎn)品氮?dú)?，配置了產(chǎn)品氮?dú)饩彌_罐。氮?dú)廨敵鼋?jīng)緩沖罐后，氮?dú)庥烧{(diào)壓閥調(diào)節(jié)輸出壓力，并由調(diào)節(jié)閥結(jié)合流量計(jì)，調(diào)節(jié)輸出流量。當(dāng)?shù)獨(dú)饧兌却笄У惹гO(shè)定值時(shí)，氮分析儀發(fā)出信號(hào)，通過(guò)閥門調(diào)節(jié)，氮?dú)廨?/p>