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氮气在化工生产中的应用越来越普遍，如易燃易爆物料的惰性保护、特殊物料的防氧化、储罐及容器的冲氮排氧、化纤、精细化工、石油化工等过程，氮气浓度要求一般在98%以上。工业上大规模制氮装置一般是利用传统的深冷法。该法是把空气深冷液化，利用氧和氮的沸点不同，进行精馏分离提取，特点是制氮量大，氮气纯度高，但工艺流程较复杂，设备制造、安装、调试等要求高，投资多，设备占地面积大，适用于大规模集中制氮的场合。变压吸附气体分离技术，作为非低温气体分离技术的重要分支，对于中、小型制氮装置，与深冷法相比，PSA技术具有显著的优越性。PSA技术具有工艺流程简单、自动化程度高、设备制造容易、占地小、启动快、开停车方便、操作维护简便、运行成本低、投资省等显著特点。对于小于3000～5000氮能力，PSA制氮技术经济效益优于传统深冷法。变压吸附与深冷法制氮设备性能参数比较见表1。PSA技术作为一门新兴节能气体分离技术，它首先是由skarstrom和GuerDeMontgrareuil分别在1958年于两项不同的专利中提出。40年来，从吸附剂的研究到工艺流程开发已取得很大进展，变压吸附气体分离技术已成为现代工业气体分离与净化的变压吸附与深冷法制氮设备性能参数项目变压吸附（PSA）基本原理加压吸附，减压脱附低温精馏分离工作温度常温－180工艺流程简单复杂氮气产量中小型10～5000启动时间十几分钟数十小时开停车随意开停车一般不停车（启动困难）氮气纯度98%～99.9%99.99%以上维修维护维修量少，简便专门深冷技术工人操作基本全自动，无人操作须深冷操作证设备投资较小较大土建要求地面平整即可土建费接近设备费操作成本1m氮气0.3元1m氮气0.5～0.7元回收投资时间0.5～1年独立化工操作单元。化工部上海化工研究院20世纪70年代初即对该技术进行研究开发，从小试、模试到工业性试验装置，并在沸石分子筛、碳分子筛制备技术方面对我国的吸附剂生产企业作出了重要贡献。1357代初，首套PSA制氮工业装置应用于粮食保护，近20年来，已先后有近300套采用上海化工研究院技术的PSA制氮装置应用在化工、冶金、食品等行业。1.1基本原理由于吸附剂对不同气体在吸附量、吸附速度、吸附力等方面的差异，以及吸附剂的吸附容量随压力的变化而变化，因此可在加压条件下完成混合气体的吸附分离过程，减低压力解吸所吸附的杂质组分，从而实现气体分离以及吸附剂的循环使用。变压吸附制氮技术，采用碳分子筛为吸附剂，碳分子筛对氧氮的吸附速度相差很大，（如图示），在短时间内，氧的吸附速度大大超过氮的吸附速度，利用这一特性来完成氧氮分离。碳分子筛对氧的吸附容量随压力的降低而减少，减低压力，即可解吸，完成碳分子筛的再生。另外，碳分子筛对二氧化碳和水分也有吸附能力，且较容易减压解吸。1.3设计原则变压吸附制氮系统的设计要综合考虑氮气回收率、氮气产量及投资成本，而实际设计和操作受许多变量的影响，其中任何一个变量选择得不适当，都可能导致氮回收降低，影响氮气产量，单位能耗增加，装置尺寸增大，使得投资也增加。（1）压缩空气预处理分子筛对压缩空气中油分的吸附是不能用减压方法再生的，为此压缩空气必须先经除油预处理，必须采用先进的精密油过滤器，分离粒径范围为大于0.01m，从而保证制氮装置的长期运行。（2）吸附剂的选定主要考虑碳分子筛的吸附平衡、吸附速度、脱附速度、吸附选择性等特性，其他如形状、粒径、密度、空隙率、比热容以及压缩强度、耐磨性等特性也在考虑的范围内。（3）吸附塔数中小型PSA制氮设备一般从设备数量、配管、操作控制、投资等考虑，采用二塔循环设置为主。对于大型设备，从操作经济性考虑，更加注重氮回收率，降低单位耗能，可考虑三塔、四塔循环设置。（4）吸附塔高平衡分离型的吸附塔的设计，传质速率和传质区的高度是必须考虑的。吸附塔的高度应控制在一定范围内，过低则实际吸附剂利用率低，影响氮气回收率，过高则空气流经吸附剂的线速度过高，也要影响到物质扩散以及对吸附剂物理形态的影响。（5）吸附压力吸附压力一般选定在0.6～0.8MPa为宜，碳分子筛在一定吸附压力范围内具有吸附压力增加产氮率相应增加的特性，但是产品氮的回收率一般相应降低，因此要综合考虑到产氮率和氮回收率来选定吸附压力，这两者实际上是一次性投资和长期操作费用如何合理确定的问题。（6）PSA工艺步骤压、吸附、减压等最基本的PSA步骤来操作，是难以满足高氮回收率和产氮率的要求。因此，在设计中须采用产品氮充压，产品氮冲洗等有利于提高氮回收率和氮产率的创造性设计。（7）PSA自动控制系统采用可编程序控制器（PLC）和管道式气动阀门（切换寿命达100万次）保证了工艺切换的高可靠性，使PSA制氮装置适应连续性工艺要求。 |