毛 娜，朱繼宣

(渭南師范學院，陜西渭南 714099)

對分子篩變壓吸附制氮最適宜條件的初步探究

毛 娜，朱繼宣

(渭南師范學院，陜西渭南 714099)

本實驗主要運用單因子變量法探究分子篩變壓吸附制氮工藝中影響氮氣純度的因素，并最后得出該工藝的最佳工藝參數(shù)：進口溫度為-5℃、吸附壓力為0.7MPa、進料流量為200m3/h，此時氮氣純度最高可達99.99%。

氮氣，分子篩，制氮機，變壓吸附

分子篩吸附制氮是以空氣為原材料，以碳分子篩[1-2]作為吸附劑，運用變壓吸附原理[3-4]，利用碳分子篩對氧和氮的選擇性吸附而使氧和氮分離的方法，又稱PSA(Pressure Swing Adsorption)制氮。目前在制氮、制氧領(lǐng)域內(nèi)使用較多的是碳分子篩和沸石分子篩。分子篩對氧和氮的分離作用主要基于這兩種氣體在分子篩表面的擴散速率不同，碳分子篩是一種兼具活性炭和分子篩某些特性的碳基吸附劑。碳分子篩具有很小微孔組成，孔徑分布在0.3nm～1nm之間。較小直徑的氣體(氧氣)擴散較快，較多進入分子篩固相，這樣氣相中就可以得到氮的富集成分。一段時間后，分子篩對氧的吸附達到平衡，由于在不同壓力下碳分子篩對吸附氣體的吸附量有所不同，降低壓力可使碳分子篩解除對氧氣的吸附，這一過程又被稱之為再生。為了獲得連續(xù)的氮氣流，根據(jù)碳分子篩的這一特性，通常使用兩塔并聯(lián)，交替進行加壓吸附和解壓再生。

此法是在七十年代迅速發(fā)展起來的一種新的制氮技術(shù)。與傳統(tǒng)制氮法相比，它具有工藝流程簡單、自動化程度高、產(chǎn)氣快(15～3分鐘)、能耗低，產(chǎn)品純度可在較大范圍內(nèi)根據(jù)用戶需求進行調(diào)節(jié)，操作維護方便，運行成本較低、裝置適應性較強等特點，故在1000Nm3/h以下制氮設備中頗具競爭力，越來越得到中、小型氮氣用戶的歡迎，PSA制氮已成為中、小型氮氣用戶的首選方法。近年來，隨著對氮氣需求量的增加，人們對氮氣純度的要求也越來越注重，本文就是通過探究碳分子篩變壓吸附制氮過程中溫度、吸附壓力、進料量的變化對氮氣純度的影響，來獲得該工藝中最適宜氮氣生產(chǎn)的工藝參數(shù)。

1 實驗儀器和實驗原料

實驗儀器：空氣壓縮機，空氣緩沖罐，冷干機，碳分子篩，吸附塔，氮氣緩沖罐。

實驗原料：壓縮空氣(空氣中各種氣體的容積組分為：N2：78.084%、O2：20.9476%、氬氣：0.9364%、CO2：0.0314%，其它還有H2、CH4、N2O、O3、SO2、NO2等，但含量極少，分子量為28)

2 實驗原理及工藝簡介

2.1 實驗原理

PSA制氮機[5]是以碳分子篩作為吸附劑，利用加壓吸附、降壓解吸的原理從空氣中吸附和釋放氧氣，從而分離出氮氣的自動化設備。碳分子篩是一種以煤為主要原料，經(jīng)研磨、氧化、成型、碳化并經(jīng)過特殊的孔型處理工藝加工而成的，表面和內(nèi)部布滿微孔的柱形顆粒狀吸附劑，呈黑色，其孔徑在3?左右時孔徑分布最好，孔徑越大或越小時微孔分布越差。由于碳分子篩具有這樣的孔徑分布特性[6]，其孔徑分布可使不同的氣體在碳分子篩微孔中具有不同的擴散速率，且不會排斥混合氣(空氣)中的任何一種。從動力學直徑上來看，O2分子的動力學直徑較小，在碳分子篩微孔中的擴散速率較大；N2分子的動力學直徑較大，在碳分子篩微孔中擴散的較慢。壓縮空氣中的水和CO2在碳分子篩中的擴散速率與O2相當。隨著壓力的增加，O2、N2的吸附量也隨著增大，但O2的吸附量增幅要比N2大。變壓吸附周期短(3min～5min)，O2、N2的吸附量遠沒有達到平衡(最大值)，因此O2、N2擴散速率的差別使O2的吸附量在短時間內(nèi)大大超過N2的吸附量。變壓吸附制氮正是基于這種氣體動力學直徑上的微小差異，利用碳分子篩的這種選擇吸附特性，交替采用加壓吸附，減壓解吸，使壓縮空氣交替進入吸附塔(也可以單塔完成)來實現(xiàn)空氣分離，最終從吸附塔富集出來得到氮氣流，從而連續(xù)產(chǎn)出高純度的產(chǎn)品氮氣。

2.2 工藝簡介

圖1 制氮工藝流程簡圖Fig.1 The diagram of making process flow of Nitrogen

空氣經(jīng)除塵裝置初步除去其中雜質(zhì)進入空氣壓縮機，壓縮至所需壓力，為了確保吸附塔[7]內(nèi)分子篩的使用壽命，還需再經(jīng)嚴格的除油、除水、除塵凈化處理，然后輸出潔凈的壓縮空氣進入吸附塔使氮氣從中分離出來。裝有碳分子篩的吸附塔共有二個，一個塔加壓吸附，另一個塔減壓脫附。經(jīng)過除塵后的潔凈空氣進入工作吸附塔，流過分子篩時其中的氧、二氧化碳和水被分子篩吸附，流至出口端的氣體便是氮氣及少量惰性氣體氬[8]和氧。另一塔(脫附塔)減壓使已吸附的氧氣、二氧化碳和水從分子篩微孔中脫離排至大氣中或進入儀表空氣緩沖罐作為儀表空氣使用。這樣兩塔循環(huán)進行，完成氮氧分離，輸出連續(xù)的氮氣流。利用變壓吸附裝置制取的氮氣產(chǎn)品純度一般為95%～99.9%，如果對氮氣純度還有更高需求的話則需增加氮氣凈化設備。變壓吸附制氮機輸出的95%～99.9%氮氣進入氮氣凈化設備，通過一流量計向凈化設備內(nèi)添加適量的還原性氣體氫氣，氫氣進入凈化設備中的除氧塔和其中微量的氧進行催化反應從而除去其中的氧，然后再由冷干機裝置冷卻，汽水分離器除水，再通過干燥器深度干燥(兩個吸附塔交替使用：一個吸附干燥除水，另一個加熱脫附排水)，得到純度較高的氮氣產(chǎn)品，此時的氮氣純度可達99.9995%。目前海內(nèi)變壓吸附制氮最大的生產(chǎn)能力為3000m3/h。其流程圖如圖1所示。

3 過程與討論

3.1 吸附壓力對氮氣純度的影響

在裝置正常運行的情況下，將壓縮空氣進料流量控制在200m3/h，溫度控制在-5℃，調(diào)節(jié)吸附壓力0.5MPa，待裝置穩(wěn)定后，記錄此時出口氮氣的純度值，然后分別將吸附壓力控制在0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa時，依次記錄出口氮氣的純度。

由圖2可以看出，在保持溫度和進料量一定的情況下，隨著吸附壓力的逐漸增大氮氣純度也隨著增大，當壓力達到0.7MPa時氮氣純度達到最大，之后吸附壓力再增大氮氣純度逐漸降低。因此，可得出該工藝過程中的最佳吸附壓力為0.7MPa。

圖2 不同吸附壓力下的出口氮氣純度Fig.2 The different pressure adsorption of nitrogen purity

3.2 溫度對氮氣純度的影響

在裝置正常運行的情況下，將吸附壓力控制在0.7MPa，進料流量控制在200m3/h，調(diào)節(jié)進口溫度為-10℃，待裝置穩(wěn)定后，記錄此時出口氮氣的純度值，然后分別將進口溫度控制在-5℃、10℃、20℃時，依次記錄出口氮氣的純度。

由圖3可以看出，在保持吸附壓力和進料量一定的情況下，隨著進口溫度的逐漸升高氮氣純度也隨著增大，當溫度達到-5℃時氮氣純度達到最大，之后進口溫度再升高氮氣純度逐漸降低且下降幅度較大。因此，可得出該工藝過程中的最佳進口溫度為-5℃。

圖3 不同進口溫度下的出口氮氣純度Fig.3 The different inlet temperature of nitrogen purity

3.3 流量對氮氣純度的影響

在裝置正常運行的情況下，將吸附壓力控制在0.7MPa，溫度控制在-5℃，調(diào)節(jié)壓縮空氣進料流量為100m3/h，待裝置穩(wěn)定后，記錄此時出口氮氣的純度值，然后分別將壓縮空氣進料量控制在150m3/h、200m3/h、250m3/h時，依次記錄出口氮氣的純度。

由圖4可以看出，在保持溫度和吸附壓力一定的情況下，隨著進料流量的逐漸增大氮氣純度也隨著增大，當進料量達到200m3/h時氮氣純度達到最大，之后進料量再增大氮氣純度逐漸降低。因此，可得出該工藝過程中的最佳進料流量為200m3/h。

圖4 不同進料流量的出口氮氣純度Fig.4 The different feed flow rate of nitrogen purity

4 結(jié)論

(1)碳分子篩制氮過程中，體系壓力不宜過高或過低，在0.7MPa左右為最佳壓力值，此時制得的氮氣純度最高。

(2)碳分子篩制氮過程中，體系溫度同樣不宜過高或過低，在-5℃時為最佳溫度值，此時制得的氮氣純度最高。

(3)碳分子篩制氮過程中，進料流量不能過大，也不能太小，但考慮到實際生產(chǎn)的需要和能耗等因素，在實際生產(chǎn)中進料流量為200m3/h為適宜進料流量。

因此，在實際工藝控制過程中將吸附壓力、溫度和進料流量分別控制在0.7MPa，-5℃和200m3/h，在此工況下可得到純度最高的氮氣，是為最優(yōu)工藝參數(shù)。

[1] 李薇，陳學云，李清彪，等.PSA碳分子篩制氮技術(shù)的應用和發(fā)展[J].化工設計通訊，2000(02)：7-8.

[2] 曾來，劉克萬，辜敏，等.氣體分離用碳分子篩吸附劑的制備研究進展[J].炭素技術(shù)，2007，12(03)：26-31.

[3] 顧飛龍，張力鈞，陳棟.變壓吸附制氮技術(shù)及其應用[J].化工進展，2007，11(08)：135-142.

[4] 吳衛(wèi)，石紹軍.變壓吸附分離技術(shù)在氮氣生產(chǎn)中的應用[J].化工設計通訊，2010(03)：8-11.

[5] 劉克萬，辜敏，林文勝，等.碳分子篩的微結(jié)構(gòu)表征[J].材料科學與工程學報，2008(05)：2-3.

[6] 雷志華. PSA變壓吸附制氮和故障處理探討[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2009，12(17)：98-100.

[7] 唐曉為.碳分子篩制氮機吸附塔改進[J].設備管理與維修，2005，16(06)：79-82.

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Study of the Most Suitable Conditions of Molecular Sieve Pressure Swing Adsorption

MAO Na，ZHU Ji-xuan

(Weinan Teachers University，Weinan 714099，Shaanxi，China)

Single factor method was discussed in detail which affect the purity of the nitrogen in the nitrogen oxygen separation process in this experiment. Finally the results show that the temperature of optimum parameters is -5℃，the adsorption pressure of 0.7MPa，feed flow rate of 200m3/h when the nitrogen purity is as high as 99.99%.

nitrogen，molecular sieve，nitrogen making machine，pressure swing adsorption

O 658.62