空气分离最新设备常温变压吸附制氮装置

（杭州普菲科空分设备有限公司，浙江富阳 311400）

0.引言

由于氮在化工业中的广泛使用和不断增长，工业气体成分一直在不断改进氮的生产和供应方法，使其更加高效、经济。对化学处理器来说也很方便。目前存在多种氮技术和供应模式，以满足一系列规范，包括纯度、使用模式、适应性、足迹和能源消耗。在供应选择中做出选择可能是一个挑战。现场制氮设备，如变压吸附法或膜系统，可以比传统的低温蒸馏或储存液氮更具成本效益，特别是如果不需要极高的纯度(e%，99.9999%)[1]。

1.空气分离技术概述

氮的不同用途需要不同的纯度和生产能力。主要的生产方式为低温液化空气的分馏、变压吸附法和膜分离设备。这些技术都使用机械压缩作为功的来源，从空气中分离氮气，但是压缩后的过程是完全不同的。在低温设备中，首先要从压缩空气中除去水分和CO2，然后使用体积膨胀和一系列非常有效的热交换器来冷却空气直到它冷凝。然后将液态空气送入蒸馏塔，从蒸馏塔顶部提供非常纯净的氮气流。在变压吸附系统中，压缩空气通过由吸附材料组成的填充床，例如碳分子筛，它比 N2更容易吸附O2、H2O和CO2。净化后的 N2离开填充床，通过释放解吸气体的压力(并将其泵入真空压力)周期性地再生，连续操作需要两个填充床。在膜系统中，气体通过一大排中空纤维，这些中空纤维更容易渗透O2、H2O和CO2，因此更多的浓缩氮从纤维末端排出。氮的纯度和流量要求会影响氮的成本高纯度是要付出代价的，但更高的体积通常会降低氮的单位成本。为了最大限度的节约，使用氮纯度不高于应用程序的要求[2]。

2.空气分离常温变压吸附制氮技术分析

液化空气低温分馏或吸附渗透分离气态空气可以生产工业氮气。德国工程师卡尔·冯·林德发明了空气低温蒸馏法，这是最古老的制氮方法。今天，低温蒸馏仍在大型商业空气分离工厂中使用，占总氮产量的近65%～70%。

伦纳德·普尔(空气制品公司的创始人)在20世纪40年代早期就提出了在现场产生工业气体的概念。现场低温工厂建在用户现场或附近，产品通过管道输送。该方法为工业气体的大批量用户提供了一种低成本、可靠的供气方式。然而，由于与内陆造山植物相关的高资本和能源成本，小容量的用户通常使用真空隔热卡车运送液氮。将储存的液氮进行汽化，并根据需要进行管道化处理[3]。

20世纪80年代，变压吸附和膜分离等现场气态氮生成的替代方法开始应用。最初，这些技术只适用于小批量、低纯度的应用。然而，PSA 和薄膜系统是一种有效的供应模式，适用于各种数量、纯度要求和使用模式。变压吸附系统的工作原理是吸附，而膜系统分离的基础上选择渗透。

变压吸附法分离技术是一种行之有效的气体混合物分离技术。与传统的分离工艺相比，它具有能耗相对较低、投资成本较低等优点，已广泛应用于空气分离、天然气升级和氢气净化等工业过程。轻质回流变压吸附(LR)工艺，又称汽提变压吸附(简称汽提法)，常用于生产高纯度的轻质产品。该技术已应用于天然气脱水、沸石分离空气中的氧气以及碳分子筛净化氮气。通过调整工艺压力比，选择合适的吸附剂，在系统中加入多层床，汽提变压吸附也可以生产高纯度的重质产品。但这无疑会增加设备投资和运行成本，同时重产品纯度往往受到热力学约束。相比之下，重回流(HR)变压吸附(PSA)工艺常用于生产高浓度重质量产品，但对轻质产品纯度有热力学约束。它已经被用于气态分离过程的分离，例如用沸石从空气中分离出氮气，从干燥烟气中捕获二氧化碳，以及从空气中富集氙气等痕量组分的浓度。但是，在较为严格的分离目标下，需要同时生产两种高纯度的产品，传统的汽提、富集变压吸附等工艺已不适用。

在变压吸附过程中，压缩空气首先通过一组过滤器来除去夹带的油和水。然后将净化后的空气导向两个装有碳分子筛(CMS)的吸附容器中的一个。其余的杂质，如二氧化碳和残余水分吸附在吸附床的入口 CMS。在高压下，CMS 选择性地吸附氧气，使氮气以期望的纯度通过，同时一个容器生产氮气。第二个容器减压以除去吸附的氧气，然后氧气排放到大气中。两层之间的自动吸附和解吸循环使得氮的连续生产成为可能。通过调整空气压缩机和含有 CMS 的吸附容器的尺寸，可以实现大范围的流量和纯度组合。PSAS 在流量小于5000m3到大于60000m3的范围内，纯度在95% ～99.9995%，能够经济地产生氮气。

膜系统的工作原理是选择性气体渗透。一个典型的膜过程使用几个膜模块，每个包含数千中空纤维。每一个穿过纤维的分子都有一个特征性的渗透率，这是它在扩散中溶解的能力的函数。从中空纤维膜中溶解出来。渗透速率是气体在膜中溶解度和不熔化率的乘积。当压缩机通过纤维时，氧气、水蒸气和二氧化碳被选择性地去除，形成富氮产品流。

膜系统通常产生的氮纯度为95%～99.5%，有时甚至高于99.9% 的氮纯度。产品纯度取决于原料纯度、可用的差压和所需的回收率水平。

随着多种氮供应选择和技术的可用性，为特定应用选择合适的系统可能看起来很复杂。但是。在选择 PSA 现场渗透膜系统时应考虑的两个最重要因素。低温蒸馏和液体输送是所需的氮纯度和所需的氮流量。必须确定满足应用安全和产品质量要求所必需的氮气纯度，以及工厂的日常氮气流量要求。这两个因素将有助于确定氮的最佳供应体系。氮为化学制造过程提供安全和质量。由于氮是一种化学气体，因此它被用来保护敏化材料，防止火灾和爆炸。确定最适宜的氮纯度是一项挑战。如果低纯度的 PSA达到可以接受的程度，甚至纯度达到一定范围时，氮的成本也可以降低。纯度越低，氮气的单位成本越低。例如，一些植物油的质量可以通过覆盖或喷洒99.50纯度的氮来保持。这可以通过 PSA 来实现。

3.应用前景分析

由于变压吸附法生成的氮气通常含有少量的氧气，某些类型的化学过程比其他化学过程更适合这种方式。

其一，生产压敏胶粘剂。压敏胶粘剂的生产涉及易燃溶剂和粉末，存在一些安全隐患。在这个过程中，在搅拌罐中的易燃有机溶剂中加入磨细的橡胶和填料，因为来自溶剂的蒸汽在空气中通常是易燃的，粉末可以通过静电反应产生明显的火花，在有空气(即20.90氧气)的情况下，这些材料可能是危险的。首先，该公司安装了静电现象消除器。然而，由于这些设备不能提供完全的保护，偶尔触发仍然是一个风险。因此，制造商安装了氮气净化系统，将储罐中的氧气含量降低到不超过2.5% 的不可燃水平。将含氧2% 的变压吸附制氮系统与显示系统相结合，实现了安全的操作气氛

其二，自由基聚合物单体的贮存和处理。在某些情况下。在惰性氮气氛中存在少量的氧气是可取的。对于这些应用，如果氮以液体形式传递，然后蒸发。必须将一定量的空气与高纯度的氮混合，以达到所需的氧浓度。但是。PSA 制氮机是一种更经济、更方便的替代品，因为它提供的氧含量很低的脱氮剂。一个制造商的工艺是在自由基聚合之前对单体进行储存和处理。单体蒸汽是高度易燃的，需要在存储顶部空间的惰性气体，以防止安全隐患。

该单体含有对苯二酚作为抑制剂，以防止贮存过程中的过早聚合。为了保持对苯二酚的活性和确保物料的安全处理，需要在惰性氮气中加入少量氧气。两个选项可以提供24% 的氧气惰化气氛：使用液氮，连续混合氧气，或安装 PSA 单位提供氮产品与必要的氧水平。制造商选择了 PSA 系统，该系统产生了所需的气氛，并消除了额外的混合步骤。