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.簡稱PSA),是一種新型氣體吸附分離技術,它有如下優點:⑴產品純度高。⑵一般可在室溫和不高的壓力下工作,床層再生時不用加熱,節能經濟。⑶設備簡單,操作、維護簡便。⑷連續循環操作,可完全達到自動化。因此,當這種新技術問世后,就受到各國工業界的關注,競相開發和研究,發展迅速,并日益成熟。

變壓吸附(Pressure Swing Adsorption.簡稱PSA),是一種新型氣體吸附分離技術,它有如下優點:⑴產品純度高。⑵一般可在室溫和不高的壓力下工作,床層再生時不用加熱,節能經濟。⑶設備簡單,操作、維護簡便。⑷連續循環操作,可完全達到自動化。因此,當這種新技術問世后,就受到各國工業界的關注,競相開發和研究,發展迅速,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,進行加壓吸附、減壓脫附的操作方法。吸附是放熱過程,脫附是吸熱過程,但只要吸附質濃度不大,吸附熱和脫附熱都不大,因此變壓吸附仍可視作等溫過程。變壓吸附一般是常溫操作,不須供熱,故循環周期短,易于實現自動化,對大型化氣體分離生產過程尤為適用。變壓吸附的工業應用有:①空氣和工業氣體的減濕;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。其中山東辛化生產的變壓吸附硅膠是針對變壓吸附氣體分離技術開、研究的脫炭、提純專用吸附劑。第三代(SIN-03)同過特殊的吸附劑生產工藝,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性質,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,使用壽命長等特點。
2 概況
  1960年Skarstrom提出PSA專利,他以5A沸石分子篩為吸附劑,用一個兩床PSA裝置,變壓吸附制氮
  從空氣中分離出富氧,該過程經過改進,于60年代投入了工業生產。80年代,變壓吸附技術的工業應用取得了突破性的進展,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,氧氮分離的技術進展是把新型吸附劑碳分子篩與變壓吸附結合起來,將空氣中的O2和N2加以分離,從而獲得氮氣。隨著分子篩性能改進和質量提高,以及變壓吸附工藝的不斷改進,使產品純度和回收率不斷提高,這又促使變壓吸附在經濟上立足和工業化的實現。
3 原理
  任何一種吸附對于同一被吸附氣體(吸附質)來說,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過程。
  
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,稱為變溫吸附(簡稱TSA)。顯然,變溫吸附是通過改變溫度來進行吸附和解吸的。變溫吸附操作是在低溫(常溫)吸附等溫線和高溫吸附等溫線之間的垂線進行,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的時間,操作上比較麻煩,因此變溫吸附主要用于含吸附質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,稱為變壓吸附??梢?,變壓吸附是通過改變壓力來吸附和解吸的。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程,它的工況近似地沿著常溫吸附等溫線進行,在較高壓力(P2)下吸附,在較低壓力(P1)下解吸。變壓吸附既然沿著吸附等溫線進行,從靜態吸附平衡來看,吸附等溫線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PH與PL所應的吸附量的差,實質上是有效吸附量,以Ve表示之。顯然,直線型吸附等溫線的有效吸附量比曲線型(Langmuir型)的要來得大。吸附常常是在壓力環境下進行的,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過程。吸附劑對吸附質的吸附量隨著壓力的升高而增加,并隨著壓力的降低而減少,同時在減壓(降至常壓或抽真空)過程中,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行吸附劑的再生。因此,變壓吸附既稱等溫吸附,又稱無熱再生吸附。
  
3.3 變壓吸附,吸附,PSA
變壓吸附,吸附,PSA來自空氣壓縮機的壓縮空氣,首先進入冷干機脫除水分,然后進入由兩臺吸附塔組成的PSA制氮裝置,利用塔中裝填的專用碳分子篩吸附劑選擇性地吸附掉O2、CO2等雜質氣體組分,而作為產品氣N2將以99%的純度由塔頂排出。
  
3.4 降壓
在降壓時,吸附劑吸附的氧氣解吸出來,通過塔底逆放排出,經吹洗后,吸附劑得以再生。完成再生后的吸附劑經均壓升壓和產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對氧的吸附容量增加,減壓時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行氧、氮分離。從而得到99.99%的氮氣。
4 變壓吸附發展史
  變壓吸附空分制氧始創于20世紀60年代初(Skarstrom,1960;GuerindeMontgarenil&Domine,1964),并于70年代實現工業化生產。在此之前,傳統的工業空分裝置大部分采用深冷精餾法(簡稱深冷法)80年代以來至今CaX和LiX等高吸附分離性能的沸石分子篩的相繼開發利用和工藝流程的改進,使得變壓吸附空分技術得到迅速地發展,與深冷空分裝置相比,PSA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。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、碳黑生產、化肥造氣、化學氧化過程、紙漿漂白、污水處理、生物發酵、水產養殖、醫療和軍事等諸多領域(楊,1991;Kumar,1996;Jee,Park,Haam&Lee,2002)。四十多年來變壓吸附空分制氧技術的研究進展主要表現在兩個方面: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過程的研究方面(Sircar,1994;Ruthven.Farooq&Knaebel,1994)。國內對這項技術的研究盡管起步較早,然而在較長的一段時間內發展相對較緩。直至進入九十年代以來,變壓吸附制氧設備的優越性才逐漸被國人認可,近幾年各種流程的設備相繼投產為各行各業帶來了巨大的經濟效益。
5 變壓吸附法 (PSA)
  近期發展起來的新工藝。Skarstrome等人于1960年發明,最初在工業上主要用于空氣干燥和氫氣純化。1970年后才開發用于空氣制氧或制氮,1976年后逐漸開發成功用碳分子篩,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行分離的。為了促進這個過程的進行,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,其氧產量可達8650m3/h。進入90年代以來,我國的PSA/VPSA制氧設備逐漸系列化,近年來鋰基分子篩因其性能更為穩定、高效,被越來越多的大規模應用,實現裝置大型化生產,單套變壓吸附裝置產量最高可達40700m3/h,氧純度≥90%,產品氧能耗可達0.32~0.37kw.h/m3。
 
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