淺談變壓吸附(PSA)空分制氧中的關鍵問題

引 言

隨著我國經濟和現代化工業的發展，富氧空氣的使用越來越廣泛，深冷分離法大規模應用于工業已有百年的歷史，但深冷分離法所要求的系統復雜，投資大，能耗高，適用于大規模生產富氧領域，變壓吸附空分制氧于上個世紀50年代開發成功，是一種高科技含量的比較成熟的制氧技術，該制氧工藝具有流程簡單、安全、投資少、能耗低、自動化程度高、啟動時間短、適應性強，制氧過程在常溫下完成，氧氣純度適中(50%-95%)，負荷調節范圍較大(30%-110%)等優點，因此，在制氧規模適中，純度要求不高的場合，變壓吸附制氧具有較大優勢，隨著我國工業的持續高速發展，節能降耗技術的大力推廣以及環境保護要求的不斷提高，變壓吸附制氧的市場將不斷拓展。

1、變壓吸附空分制氧在化工領域的應用

用富氧來代替空氣造氣，可以達到節能和增產的目的，用富氧空氣代替普通空氣用于煤氣發生爐，不但能夠產生明顯的節煤效益，提高氣化強度，降低灰中碳含量，而且還能使一些煤質差的煤的利用，在化肥造氣中采用富氧連續加煤造氣，可以降低我國氮肥的生產成本，目前該行業有近20億立方米的氧氣需求量。

煤炭氣化被認為是優于直接燃燒且利于環保的工藝，其不僅可以減少SOx和NOx等廢氣的排放，而且還可以低成本回收二氧化碳，該工藝對于象中國這樣具有大量煤炭儲備的國家來說，是一種經濟合理的選擇，如果市場認可煤氣化所生產的二氧化碳副產品能夠等同干提高了石油回收率，那么煤氣化工藝的經濟性前景進一步提高，目前我國可持續發展戰略已將煤氣化工藝列為重點項目加以推廣。許多化學品都是通過催化氧化反應生產的，并且研究結果表明有十余種化工產品的生產都可以用富氧空氣代替空氣，以提高生產效率，另外煉油廠采用富氧再生工藝可增加催化裂化裝置和硫磺回收裝置的加工能力，同時還可以提高渣油的摻煉，減少Sox和NOx的產生。

2、變壓吸附空分制氧的關鍵問題

2.1 吸附劑

吸附劑是變壓吸附制氧的核心，吸附劑的吸附分離性能直接決定著制氧裝置的能耗、體積以及使用壽命等，因此研究高效的制氧吸附劑始終是變壓吸附制氧研究的核心方向。變壓吸附制氧常用的吸附劑主要是caA型分子篩，但是，該分子篩的吸附容量小，分離系數低，單位氧氣的能耗較高。因此，caA型分子篩限制了變壓吸附制氧裝置的生產規模。目前，吸附分離性能較好的是鋰分子篩，其吸附量大、高選擇性、低吸附壓力的特性可以提高裝置的氧收率和分子篩的產率，從而降低裝置的能耗、體積和吸附劑用量。Balkh等研究發現，LiX沸石的氮氣吸附容量比Nax提高約50%，分離系數13X從3倍提高到7倍，工業應用中PSA流程的能量消耗的決定性因素是操作壓力比，用5A沸石或13X沸石做吸附劑，工業上一般采用4及以上的壓力比，低于此值，氧氣的回收率急劇下降，同時產品氣純度很難保持在95%，而采用LiX分子篩，壓力可以降致2左右，較低的操作壓力比意味著解壓力的提高，從而降低了真空裝置的投資和操作費用，這一點對工業應用尤為有利。

LiLSX(低硅鋁比鋰x沸)對N2有很高的吸附量，并且對N2、02的選擇性比LiX(si/A1=12-13)高，Rege認為100%Li交換的LSX(Li100%LSX)吸附N2的量是LiX的15倍，是目前用于空分制氧最好的吸附劑，目前美國研制的新型沸石分子篩吸附劑具有高的吸附選擇性和吸附容量，使用真空解吸法就可以得到純度為99.95%的氮及99.5%的氧，而投資僅為目前變壓吸附法的1/3-1/2，能耗降低25%-30%，據此用吸附劑可以加速吸附氧氣，可分別制氮和制氧，也可以同時制氮、氧。

2.2 吸附器的結構

吸附器的結構是吸附劑效率發揮和吸附工藝得以實現的保障，變壓吸附空分制氧的吸附器空塔流速較高、高徑比較小，直徑較大，因此，吸附器結構中最重要的就是氣體分布問題。吸附器內的理想流動狀態是平推流動，但是，普通的氣體分布器很難達到同一截面的速度和壓力的均勻，并且徑向均勻度較差，這就使得吸附床的死體積大，產氧率低。因此。開發具有良好的均流速和均壓力的氣體分布器可以最大限度地發揮吸附劑的效率，并可以降低吸附器的高徑比。

以往對變壓吸附的研究主要依靠試驗手段，然而，對于流速相對較低，內部又裝有吸附劑的吸附器內的流場，采用試驗的手段無法研究，因此，可以采用數值分析的方法對吸附器內的三維流場進行研究，找到影響氣流分布的原因，并在此基礎上對吸附器的結構進行改進，使得氣體分布器有較好的布氣效果，為大型變壓吸附制氧裝置提供了保障。

然而，隨著工業用氧規模的逐漸增加，普通的軸向流吸附器受到吸附器直徑的限制，很難滿足制氧裝置大型化的需要，而解決這一問題的方法是采用徑向流的吸附器結構，在徑向流的情況下，吸附階段的流向是從外到里，而在解吸時流向是從里到外，這種吸附器結構的主要優點是:低的容器容積、低的死容積、低的壓力降、吸附和解吸時有利的流動方向、固定的吸附劑充填，有利的流動方向是在吸附和解吸時使氣體流量改變的結果:在吸附階段，氣體流量在從外向里流動時減少，而在解吸階段、氣體流量在從里向外流動時增加，這是吸附和解吸的結果，而徑向流吸附器的流動截面積正是從外到里逐步減少的，而采用徑向流吸附器是變壓吸附制氧裝置大型化的必然選擇。

2.3 工藝流程

不同的吸附劑具有不同的吸附性能，運行時需要不同的工藝條件，因此，根據吸附劑的特性，研究適合該吸附劑吸附分離的工藝條件，可以充分的挖掘吸附劑的吸附潛力，發揮裝置的最大效率，以最低的生產成本獲得最大的產品氧氣，另外，良好的變壓吸附工藝可以降低吸附的失效速度，保證吸附裝置的使用壽命。