空氣分離最新設備常溫變壓吸附制氮裝置

（杭州普菲科空分設備有限公司，浙江富陽 311400）

0.引言

由于氮在化工業中的廣泛使用和不斷增長，工業氣體成分一直在不斷改進氮的生產和供應方法，使其更加高效、經濟。對化學處理器來說也很方便。目前存在多種氮技術和供應模式，以滿足一系列規范，包括純度、使用模式、適應性、足跡和能源消耗。在供應選擇中做出選擇可能是一個挑戰。現場制氮設備，如變壓吸附法或膜系統，可以比傳統的低溫蒸餾或儲存液氮更具成本效益，特別是如果不需要極高的純度(e%，99.9999%)[1]。

1.空氣分離技術概述

氮的不同用途需要不同的純度和生產能力。主要的生產方式為低溫液化空氣的分餾、變壓吸附法和膜分離設備。這些技術都使用機械壓縮作為功的來源，從空氣中分離氮氣，但是壓縮后的過程是完全不同的。在低溫設備中，首先要從壓縮空氣中除去水分和CO2，然后使用體積膨脹和一系列非常有效的熱交換器來冷卻空氣直到它冷凝。然后將液態空氣送入蒸餾塔，從蒸餾塔頂部提供非常純凈的氮氣流。在變壓吸附系統中，壓縮空氣通過由吸附材料組成的填充床，例如碳分子篩，它比 N2更容易吸附O2、H2O和CO2。凈化后的 N2離開填充床，通過釋放解吸氣體的壓力(并將其泵入真空壓力)周期性地再生，連續操作需要兩個填充床。在膜系統中，氣體通過一大排中空纖維，這些中空纖維更容易滲透O2、H2O和CO2，因此更多的濃縮氮從纖維末端排出。氮的純度和流量要求會影響氮的成本高純度是要付出代價的，但更高的體積通常會降低氮的單位成本。為了最大限度的節約，使用氮純度不高于應用程序的要求[2]。

2.空氣分離常溫變壓吸附制氮技術分析

液化空氣低溫分餾或吸附滲透分離氣態空氣可以生產工業氮氣。德國工程師卡爾·馮·林德發明了空氣低溫蒸餾法，這是最古老的制氮方法。今天，低溫蒸餾仍在大型商業空氣分離工廠中使用，占總氮產量的近65%～70%。

倫納德·普爾(空氣制品公司的創始人)在20世紀40年代早期就提出了在現場產生工業氣體的概念。現場低溫工廠建在用戶現場或附近，產品通過管道輸送。該方法為工業氣體的大批量用戶提供了一種低成本、可靠的供氣方式。然而，由于與內陸造山植物相關的高資本和能源成本，小容量的用戶通常使用真空隔熱卡車運送液氮。將儲存的液氮進行汽化，并根據需要進行管道化處理[3]。

20世紀80年代，變壓吸附和膜分離等現場氣態氮生成的替代方法開始應用。最初，這些技術只適用于小批量、低純度的應用。然而，PSA 和薄膜系統是一種有效的供應模式，適用于各種數量、純度要求和使用模式。變壓吸附系統的工作原理是吸附，而膜系統分離的基礎上選擇滲透。

變壓吸附法分離技術是一種行之有效的氣體混合物分離技術。與傳統的分離工藝相比，它具有能耗相對較低、投資成本較低等優點，已廣泛應用于空氣分離、天然氣升級和氫氣凈化等工業過程。輕質回流變壓吸附(LR)工藝，又稱汽提變壓吸附(簡稱汽提法)，常用于生產高純度的輕質產品。該技術已應用于天然氣脫水、沸石分離空氣中的氧氣以及碳分子篩凈化氮氣。通過調整工藝壓力比，選擇合適的吸附劑，在系統中加入多層床，汽提變壓吸附也可以生產高純度的重質產品。但這無疑會增加設備投資和運行成本，同時重產品純度往往受到熱力學約束。相比之下，重回流(HR)變壓吸附(PSA)工藝常用于生產高濃度重質量產品，但對輕質產品純度有熱力學約束。它已經被用于氣態分離過程的分離，例如用沸石從空氣中分離出氮氣，從干燥煙氣中捕獲二氧化碳，以及從空氣中富集氙氣等痕量組分的濃度。但是，在較為嚴格的分離目標下，需要同時生產兩種高純度的產品，傳統的汽提、富集變壓吸附等工藝已不適用。

在變壓吸附過程中，壓縮空氣首先通過一組過濾器來除去夾帶的油和水。然后將凈化后的空氣導向兩個裝有碳分子篩(CMS)的吸附容器中的一個。其余的雜質，如二氧化碳和殘余水分吸附在吸附床的入口 CMS。在高壓下，CMS 選擇性地吸附氧氣，使氮氣以期望的純度通過，同時一個容器生產氮氣。第二個容器減壓以除去吸附的氧氣，然后氧氣排放到大氣中。兩層之間的自動吸附和解吸循環使得氮的連續生產成為可能。通過調整空氣壓縮機和含有 CMS 的吸附容器的尺寸，可以實現大范圍的流量和純度組合。PSAS 在流量小于5000m3到大于60000m3的范圍內，純度在95% ～99.9995%，能夠經濟地產生氮氣。

膜系統的工作原理是選擇性氣體滲透。一個典型的膜過程使用幾個膜模塊，每個包含數千中空纖維。每一個穿過纖維的分子都有一個特征性的滲透率，這是它在擴散中溶解的能力的函數。從中空纖維膜中溶解出來。滲透速率是氣體在膜中溶解度和不熔化率的乘積。當壓縮機通過纖維時，氧氣、水蒸氣和二氧化碳被選擇性地去除，形成富氮產品流。

膜系統通常產生的氮純度為95%～99.5%，有時甚至高于99.9% 的氮純度。產品純度取決于原料純度、可用的差壓和所需的回收率水平。

隨著多種氮供應選擇和技術的可用性，為特定應用選擇合適的系統可能看起來很復雜。但是。在選擇 PSA 現場滲透膜系統時應考慮的兩個最重要因素。低溫蒸餾和液體輸送是所需的氮純度和所需的氮流量。必須確定滿足應用安全和產品質量要求所必需的氮氣純度，以及工廠的日常氮氣流量要求。這兩個因素將有助于確定氮的最佳供應體系。氮為化學制造過程提供安全和質量。由于氮是一種化學氣體，因此它被用來保護敏化材料，防止火災和爆炸。確定最適宜的氮純度是一項挑戰。如果低純度的 PSA達到可以接受的程度，甚至純度達到一定范圍時，氮的成本也可以降低。純度越低，氮氣的單位成本越低。例如，一些植物油的質量可以通過覆蓋或噴灑99.50純度的氮來保持。這可以通過 PSA 來實現。

3.應用前景分析

由于變壓吸附法生成的氮氣通常含有少量的氧氣，某些類型的化學過程比其他化學過程更適合這種方式。

其一，生產壓敏膠粘劑。壓敏膠粘劑的生產涉及易燃溶劑和粉末，存在一些安全隱患。在這個過程中，在攪拌罐中的易燃有機溶劑中加入磨細的橡膠和填料，因為來自溶劑的蒸汽在空氣中通常是易燃的，粉末可以通過靜電反應產生明顯的火花，在有空氣(即20.90氧氣)的情況下，這些材料可能是危險的。首先，該公司安裝了靜電現象消除器。然而，由于這些設備不能提供完全的保護，偶爾觸發仍然是一個風險。因此，制造商安裝了氮氣凈化系統，將儲罐中的氧氣含量降低到不超過2.5% 的不可燃水平。將含氧2% 的變壓吸附制氮系統與顯示系統相結合，實現了安全的操作氣氛

其二，自由基聚合物單體的貯存和處理。在某些情況下。在惰性氮氣氛中存在少量的氧氣是可取的。對于這些應用，如果氮以液體形式傳遞，然后蒸發。必須將一定量的空氣與高純度的氮混合，以達到所需的氧濃度。但是。PSA 制氮機是一種更經濟、更方便的替代品，因為它提供的氧含量很低的脫氮劑。一個制造商的工藝是在自由基聚合之前對單體進行儲存和處理。單體蒸汽是高度易燃的，需要在存儲頂部空間的惰性氣體，以防止安全隱患。

該單體含有對苯二酚作為抑制劑，以防止貯存過程中的過早聚合。為了保持對苯二酚的活性和確保物料的安全處理，需要在惰性氮氣中加入少量氧氣。兩個選項可以提供24% 的氧氣惰化氣氛：使用液氮，連續混合氧氣，或安裝 PSA 單位提供氮產品與必要的氧水平。制造商選擇了 PSA 系統，該系統產生了所需的氣氛，并消除了額外的混合步驟。