畢秋蕓

【摘要】本文介紹了冷凝法、吸收法、吸附法分離氛的原理、有關(guān)概念及氛吸收劑、吸附劑，對(duì)吸收劑、吸附劑的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行了分析；闡述了三種方法的發(fā)展及研究現(xiàn)狀，指出各種方法存在的突出問題和改進(jìn)及研究氛分離方法的必要性。

【關(guān)鍵詞】氨 分離 冷凝法 吸收法 吸附法

隨著合成氨工業(yè)的發(fā)展和各種節(jié)能型流程的推出，許多研究者對(duì)氨分離方法進(jìn)行了研究。典型的氨分離方法有冷凝法、吸收法和吸附法三種。

一、冷凝法

該法是通過冷卻合成循環(huán)氣，使氣相中的氨冷凝成液氨，從而達(dá)到與其它不凝性氣體（N2、H2、CH4、Ar）分離的目的。要使氣相中的氨分離并達(dá)到預(yù)定的效果，必須將合成循環(huán)氣冷卻到很低的溫度，所需的冷量一般采用壓縮制冷方法獲得。

當(dāng)合成壓力在20～30MPa范圍內(nèi)時(shí)，在夏季水冷僅能分出部分氨，氣相中其余部分的氨需進(jìn)一步通過氨冷使氣相中氨含量降至2～4%；當(dāng)壓力在15MPa以下時(shí)，在夏季水冷幾乎不能分離出液氨，整個(gè)氨冷凝過程放出的熱量幾乎全靠制冷方法移出，并且所需的冷凝溫度須達(dá)到.20"（2左右才能達(dá)到分離要求。如再進(jìn)一步降低合成壓力會(huì)對(duì)氨的分離造成很大的困難。因?yàn)闇囟鹊慕档秃屠淠陌绷坎⒉怀删€性關(guān)系，溫度越低，每降低1℃所冷凝的氨量就越小，氨分離也就越困難。由此可見，隨著合成壓力的降低，靠降低制冷溫度達(dá)到所需的分離效果是有很大限制的。

冷凝法分離氨是絕大多數(shù)合成氨廠采用的一種氨分離方法，但由于其能耗高、分離不徹底、且限制合成氨壓力的降低等原因，有必要開發(fā)新的氨分離技術(shù)。

二、吸收法

吸收法是化工生產(chǎn)過程中分離氣體混合物的重要方法之一。它根據(jù)混合物各組分在所選擇的溶劑中溶解度的不同而達(dá)到分離的目的。

1.吸收分離原理

氨吸收分離是用適當(dāng)?shù)奈談┨幚戆焙铣蓺怏w混合物，利用不同氣體組分（NH3、N2、H2、CH4、Ar）在吸收劑中溶解度的差異使氨從氣體混合物中分離出來。它是一種溶質(zhì)由氣相轉(zhuǎn)移到液相的傳質(zhì)過程。氨吸收操作的逆過程稱為解吸。

在此過程中，吸收劑的選擇對(duì)氨的吸收具有極其重要的影響，主要從以下三個(gè)方面考慮：（1）吸收劑對(duì)氨吸收選擇性好；（2）吸收劑具有較大的吸收容量；（3）選擇不會(huì)引起合成氨催化劑中毒的吸收劑。

2 氨吸收劑

氨吸收剎常見的有水、有機(jī)溶劑、無機(jī)鹽等。

（1）水

用水作吸收劑吸收氨的方法是利用氨在水中溶解度大，與溶液呈平衡的氣相氨分壓低的特點(diǎn)進(jìn)行的。用水吸收分離氨的效果良好，但氣相帶有水蒸氣會(huì)使催化劑活性降低；由于水同樣具有揮發(fā)性，當(dāng)吸收再生時(shí)須使用蒸餾塔蒸餾，因而需要消耗的熱量大大增加。

（2）有機(jī)溶劑

為克服水作吸收劑分離氨的不足，有人提出用對(duì)氨溶解度大的高沸點(diǎn)有機(jī)溶劑來代替水。常用來吸收氨的有機(jī)溶劑有乙二醇、丙三醇、聚乙烯醇及衍生物等。

近年來利用有機(jī)溶劑吸收氨的研究有所進(jìn)展，它的優(yōu)點(diǎn)是氨解吸時(shí)所需能耗少。缺點(diǎn)是動(dòng)力消耗大，操作復(fù)雜，且有機(jī)溶劑具有一定的毒性。

（3）無機(jī)鹽

關(guān)于無機(jī)鹽吸收分離氨的觀點(diǎn)并無人提及，但用無機(jī)鹽與氨組成吸收制冷工質(zhì)對(duì)的研究報(bào)道卻很多，常見的有NaSCN-NH3，LiNOs-NH3等。由于NaSCN具有毒性，在此選用LiNO3作吸收劑吸收分離氨，而LiNO3無揮發(fā)性，可取消蒸餾裝置，提高熱效率，節(jié)約能源。

盡管人們?yōu)檠芯繉?duì)氨吸收性好、選擇性優(yōu)良的吸收劑而努力，但由于吸收法采用高壓溶液循環(huán)泵等動(dòng)設(shè)備，動(dòng)力消耗較大。

三、吸附法

吸附法分離氨是利用吸附劑對(duì)混合氣體中各組分的吸附能力的差異而實(shí)現(xiàn)分離的。

1.吸附法分離原理

當(dāng)氨分子運(yùn)動(dòng)到固體吸附劑表面對(duì)，由于氨分子與固體表面之間的相互作用，氨分子便會(huì)附在固體表面，使其在固體表面上濃度增大，即發(fā)生氨分子被固體表面吸附的現(xiàn)象。對(duì)吸附氨后的吸附劑進(jìn)行脫附，即可將氨分離。

根據(jù)吸附劑再生方法的不同，可將吸附分離過程分為變壓吸附、變溫吸附及變溫變壓吸附分離。

（1）變壓吸附（PSA）

變壓吸附是在較高壓力下進(jìn)行吸附，在較低壓力（甚至真空）下使吸附的物質(zhì)脫附。由于吸附循環(huán)周期短，吸附熱來不及散失可供解吸用，因此吸附熱和脫附熱引起的吸附床層溫度變化很小，可近似看作等溫過程。變壓吸附工作狀態(tài)僅僅是在一條吸附等溫線上變化。

（2）變溫吸附（TSA）

變溫吸附是利用吸附劑在不同溫度下吸附量的不同來實(shí)現(xiàn)的，吸附劑在常溫或低溫下吸附吸附質(zhì)，通過提高溫度使吸附質(zhì)從吸附劑中解吸出來，吸附劑本身則同時(shí)被再生，然后再降到吸附溫度，進(jìn)入下一吸附循環(huán)。變溫吸附是在兩條不同溫度的吸附等溫線之間上下移動(dòng)進(jìn)行吸附和解吸的。

（3）變溫變壓吸附

變溫變壓吸附是溫度、壓力同時(shí)改變的吸附。吸附質(zhì)在低溫、高壓下被吸附后，逐漸降低壓力并同時(shí)升高溫度，使之達(dá)到所需的解吸溫度和解吸壓力，并在此條件下進(jìn)行解吸，吸附質(zhì)被解吸出來，吸附劑也可得到再生。它是在變壓、變溫吸附的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種吸附劑的再生方法。

本文提出的吸附法分離氮即是采用變溫變壓同時(shí)進(jìn)行的吸附分離方法。吸附劑在較低溫度、較高壓力下吸附氨，在較高溫度和冷卻永溫度對(duì)應(yīng)的氨飽和蒸氣壓下對(duì)氨進(jìn)行脫附，從而達(dá)到氨分離冷凝為液氨產(chǎn)品的目的。

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