制氧分子篩的使用

1、第 頁共6頁摘要：高效鋰低硅制氧分子篩的應(yīng)用為大型制氧裝置的發(fā)展提供了條件。在利用高效鋰低硅分子篩進行裝置設(shè)計時應(yīng)注意溫度、吸附速率、吸附壓力的選擇，通過實驗，選擇合適的修正系數(shù)，可以充分的發(fā)揮鋰低硅制氧分子篩的高吸附容量、高分離系數(shù)的特性。關(guān)鍵詞：高效鋰低硅制氧分子篩，吸附速率，吸附溫度，吸附壓力一、綜述近年來，由于制氧分子篩吸附劑的開發(fā)利用和工藝流程的不斷改進，使創(chuàng)始于20世紀(jì)60年代的變壓吸附空分制氧技術(shù)得到快速發(fā)展，與深冷空分裝置相比，變壓吸附空分制氧過程具有啟動時間短和開停車方便、能耗較小和運行成本低、自動化程度高和維護簡單、占地面積小和土建費用低等特點，因而，變壓吸附制氧占據(jù)越來越

2、多的市場份額，尤其是在節(jié)能降耗的富氧燃燒領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用越來越廣。變壓吸附氣體分離技術(shù)的關(guān)鍵是吸附劑的選擇，吸附劑的性能直接影響最終分離效果，甚至影響工藝步驟的選擇和變壓吸附的生命力。通常變壓吸附空分制氧使用A型和X型分子篩，但因其分離選擇性較低，對氮氣吸附量小，束縛了PSA制氧技術(shù)的發(fā)展。基于這種情況,國內(nèi)外許多公司都在積極進行新型富氧吸附劑的研究開發(fā)和推廣。鋰低硅系列制氧分子篩就是目前國內(nèi)外許多公司都在積極開發(fā)和推廣新一代制氧分子篩。洛陽建龍化工有限公司對LiLSX分子篩的研發(fā)始于2005,歷經(jīng)6年,經(jīng)過大量的實驗,采用多層移動床固相交換法進行Li+交換，交換率大于99%,Li+的利用率100%

3、，同時自行研發(fā)設(shè)計的特殊結(jié)構(gòu)的焙燒爐試機成功并應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，解決了LiLSX分子篩焙燒結(jié)構(gòu)極易被破壞的難題，生產(chǎn)出的吸附劑不僅保持了高的氮吸附性能，同時具有良好的機械強度和極低水含量。2010年，JLOX系列制氧分子篩從新建的生產(chǎn)線上很快的走向國內(nèi)并進入國際市場。2011年1月，JL0X-100制氧分子篩在湖南冷水江閃星銻業(yè)有限公司制氧站的改造項目中被采用，這個改造項目是一次意義非同尋常的改造。湖南閃星銻業(yè)公司在原礦冶煉爐上采用富氧燃燒技術(shù)，運行效果顯著，決定擴大應(yīng)用范圍，然而，2008年制作的VPSA制氧裝置產(chǎn)氧量卻制約著富氧燃燒應(yīng)用范圍的擴大。2010年12月13日閃星銻業(yè)公司發(fā)出了制

4、氧站改造招標(biāo)書，12月19日與承標(biāo)方簽訂了對制氧裝置進行提高產(chǎn)能的改造的協(xié)議，產(chǎn)能由原1200Nm3/h（100%O）改為1500Nm3/h（100%O）。改造要求：一是制氧裝置不改動，或者是少22動；二是設(shè)備不增加，即動力負(fù)荷不改變；三是只給15天的時間，原因是已在運行的富氧燃燒冶煉爐不能停，只能在年終停產(chǎn)檢修的時間內(nèi)改造完。改造方案經(jīng)甲方和乙方充分評估，決定采用我公司制造的鋰低硅制氧分子篩，把原填裝的47噸Ca5A分子篩換為20噸LiLSX分子篩。2011年1月7日改造更換分子篩完畢，1月8日，十分順利的啟動了改造后的制氧裝置，氧氣流量達到了1500Nm3/h（100%O）以上，所有冶煉爐

5、并入富氧燃燒工藝流程，氧氣站2輸出的氧氣完全滿足了富氧燃燒的要求，超出了改造設(shè)計要求。使冶煉爐日處理礦石量比給改造前提高了20%以上。這個改造令人鼓舞，閃星銻業(yè)公司對我公司鋰低硅制氧分子篩給予高度的評價。這個改造使人們認(rèn)識到技術(shù)進步的意義LiLSX制氧分子篩在節(jié)能降耗上的的作用！大家知道，變壓吸附制氧的基礎(chǔ)是分子篩。高效鋰低硅制氧分子篩的平衡吸附容量和分離系數(shù)是傳統(tǒng)的富氧吸附劑2倍以上（見表1），吸附速率也遠高于傳統(tǒng)富氧吸附劑，這就為高效制氧設(shè)備的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)，為制氧裝置大型化的發(fā)展提供了技術(shù)支持。隨著制氧裝置大型化工藝流程和操作條件的進步，我國大型變壓吸附空分制氧技術(shù)接近國際先進水平

6、，目前，國內(nèi)制造的變壓吸附制氧吸附塔直徑已高達6米，單套裝置的最大產(chǎn)氧能力已大于10000Nm3/h。表1鋰低硅制氧分子篩與傳統(tǒng)制氧分子篩技術(shù)指標(biāo)的比較實測指標(biāo)JLOXIOOGa-5A顆粒尺寸，mm1.6-2.50.4-0.81.6-2.50.6-0.9氮平衡吸附里，ml/g222310.810.8N2/02選擇系數(shù)，a6.236.393.023.20抗壓強度，N/顆3040堆積密度，g/ml0.630.630.720.74大型制氧裝置，對穩(wěn)定和提高制氧裝置的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)提出了更高的要求。眾所周知變壓吸附制氧的核心是分子篩，了解和掌握不同的廠家的鋰低硅分子篩的特性對提高變壓吸附制氧裝置的效率，

7、降低能耗是值得關(guān)注的事情。二、LiLSX分子篩在PSA裝置上的應(yīng)用以下結(jié)合本公司JLOX系列LiLSX制氧分子篩以及同行業(yè)內(nèi)其他公司LiLSX分子篩的性能比較，從吸附速率、吸附壓力和溫度三個方面闡述在PSA制氧裝置設(shè)計過程中對吸附劑的選擇和使用，以及PSA工藝流程參數(shù)的確定。變壓吸附的基本參數(shù)是吸附壓力、解析壓力、傳質(zhì)速率，吸附壓力影響著傳質(zhì)速率，傳質(zhì)速率影響著傳質(zhì)區(qū)的大小，傳質(zhì)區(qū)的大小又決定著吸附床的吸附劑是否被有效的利用，因而，吸附劑的傳質(zhì)速率決定著變壓吸附制氧裝置的效率與產(chǎn)率。1、傳質(zhì)速率與產(chǎn)率ceccabedb流出曲線通過對分子篩的測試，可以得到圖1所示曲線，即吸附前沿曲線和流出曲線，

8、這是每一個變壓吸附設(shè)計者熟悉和關(guān)心的圖形，根據(jù)曲線可以了解吸附劑的性能。我們希望得到的曲線波幅小一些，波幅愈小，吸附床內(nèi)吸附劑有效利用率就愈高。上圖W是吸附飽和區(qū)，V+U是傳質(zhì)區(qū)，V是傳質(zhì)區(qū)已吸附區(qū)，U傳質(zhì)區(qū)未吸附區(qū)，g點是穿透點，Z是吸附床總高。從圖中可以看到傳質(zhì)區(qū)愈大，流出曲線波幅愈大，反之，傳質(zhì)區(qū)愈小，流出曲線的波幅也愈小。在極端理想的情況下，即吸附速度無限大的時候，吸附曲線和流出曲線成垂線，床內(nèi)吸附劑都被有效利用。很顯然，我們希望傳質(zhì)區(qū)短，不僅吸附劑最大限度的有效利用，而且整個裝置切換周期短，產(chǎn)率得到最大值，這樣可以使單位能耗更加理想。傳質(zhì)區(qū)的長度為：Z=Z0A(t+1)(1一k)0其

9、中k是傳質(zhì)區(qū)未飽和分率，k=U/(U+V)從上式可以看出，吸附速率是關(guān)系到傳質(zhì)區(qū)大小的關(guān)鍵因素。吸附過程的吸附速率由內(nèi)擴散的擴散速率決定，而內(nèi)擴散的過程是分子擴散過程，就變壓吸附制氧系統(tǒng)來講，氮氣分子擴散到沸石分子篩中的過程是Knudsen型擴散，顯然與孔隙率有關(guān)?？紫堵适怯绊懳剿俾实闹匾蛩刂弧２捎孟嗤腘2吸附容量、相同的LiLSX原粉，以不同的成型工藝，得到不同堆集密度(反映不同孔隙率)的相同尺寸的分子篩球，在同一臺動態(tài)評價裝上測得結(jié)果如下表：表2堆積密度(g/ml)吸附壓力(KPa)解吸壓力(KPa)氧濃度(%)產(chǎn)率(L/kgh)回收率(%)0.6255-6093.1136.661

10、,190.6755-6093.1293.154.8反映孔隙率不同的堆比重相差0.05(g/ml),產(chǎn)率卻相差31.84%。數(shù)據(jù)清楚地顯示了孔隙率對產(chǎn)率的影響，從所測試得到的流出曲線圖上看，波幅增長，說明吸附速率隨堆比重的增加而下降。解決辦法就是提高孔隙率。作為制氧裝置設(shè)計者，在分子篩吸附容量、顆粒直徑相同的條件下，要注意對孔隙率的選擇。2、吸附壓力與產(chǎn)率吸附壓力是影響傳質(zhì)速度的一個重要因素。吸附壓力高，雖然可以增加分子篩吸附速度，但是由于解吸是吸熱過程，因相對壓力高，解吸過程會造成解吸塔床層“冷凍”現(xiàn)象，解吸塔溫度降低，反過來影響吸附動力學(xué)，吸附平衡將會變得非常慢，致使傳質(zhì)速度慢，這樣只能使吸

11、附前沿曲線波幅加長，吸附劑利用率大幅下降。因而，吸附壓力不能過高，吸附壓力與解吸壓力差盡可能的低一些。經(jīng)測試，JLOX鋰低硅制氧分子篩低分壓條件下吸附性能十分良好(見表3)，這就有可能采用高真空度解吸、低吸附壓力工藝來降低壓差，降低傳質(zhì)層的高度，提高吸附劑的利用率，提高產(chǎn)率。國內(nèi)某公司在大型鋰分子篩制氧裝置上采用-70KPa的解吸壓力、40KPa的吸附壓力操作工藝，吸附劑的利用率非常高，能耗可控制在0.35Nm3/KWh。表3解吸壓力(KPa)吸附壓力(KPa)o2濃度(%)產(chǎn)率NL/kgh相對前一個吸附條件提高百分?jǐn)?shù)相對第一個吸附條件提高百分?jǐn)?shù)-502593.1986.23093.0495.

12、410.67%10.67%3593.16100.14.93%16.13%-552493.3995.72793.3998.12.51%2.51%3093.13101.02.96%5.54%4093.08125.624.36%31.24%5093.16144.414.97%50.89%-602493.08113.12793.27113.30.12%0.12%3093.47122.27.86%8.05%3593.10128.04.7513.17%4093.28135.05.47%19.36%4593.35139.73.48%23.52&5093.25158.113.17%39.79%-652593.

13、42120.13093.26137.614.57%14.57%3593.28139.91.67%16.49%4093.23149.26.65%24.23%4593.00153.52.88%27.81%-702493.62133.42793.36140.04.95%4.95%3093.47144.83.43%8.55%3593.34158.79.60%18.97%4093.30160.91.39%20.61%4593.25170.25.78%27.59%-722493.63140.42793.46149.06.13%6.13%3093.16165.411.01%17.81%3、溫度與產(chǎn)率我公司J

14、LOX-103制氧分子篩在美國麥克儀器公司制造的GEMINIW2390型全自動比表面積及孔隙度分析儀上進行不同溫度下的n2平衡吸附量測試，與國外產(chǎn)品在相同的設(shè)備上以相同的測試條件測得數(shù)據(jù)比較，如下表：表4吸附溫度15C20C25C30C相對25C衰減OX-100，(ml/g)26.2124.0222.0720.427.48%UOP,(ml/g)25.6223.5721.6919.579.77%東曹，（ml/g）29.8627.5525.5522.9910.02%由上表可以看出，不同的工藝生產(chǎn)的鋰低硅分子篩吸附劑對溫度的敏感性不一樣，鋰低硅制氧分子篩隨著吸附溫度的增高，吸附容量下降。氣體分子的擴散速率與溫度的平方根成正比，因而溫度升高，吸附速率和解吸速率升高但是，吸附容量卻隨著溫度的升高而減小，如果吸附周期不變，則吸附床層的吸附質(zhì)流速一定，勢必將在吸附周期內(nèi)出現(xiàn)吸附質(zhì)穿透的現(xiàn)象，從而產(chǎn)品純度降低。當(dāng)吸附溫度在一定的范圍內(nèi)降低時，吸附速率減小，吸附容量雖然增加，但是在吸附床的吸附質(zhì)流速一定的條件下，會導(dǎo)致氮氣還未被充分吸附就流到床層的出口，也使得產(chǎn)品純度下降。同時解吸速度因溫度降低而變慢，解吸不充分，這樣產(chǎn)率與純度自然下降。這兩種情況都會嚴(yán)重的影響產(chǎn)率，因而，在設(shè)計制氧裝置時，應(yīng)選擇對溫度敏感性小一點的分子篩，在計算時