空气分离变压吸附装置分析及其设计.pdf

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1、1998年第6期低温工程No.61998总第106期CRYOGEN ICSSumNo.106本文于1998年9月2日收到。空气分离变压吸附装置分析及其设计邵皓平梁其煜(浙江大学低温实验室杭州310027)摘要探讨了空气分离变压吸附制氧、制氮过程中工作压力、吸附塔的高径比以及工艺流程中塔数对该方法的气体回收率、降低能耗的关系,还讨论了切换时间、冲洗压力、床层温度对产品气氧、气氮的影响。主题词变压吸附空气分离装置分析空气分离在60年代以前一直采用深冷分离法,只因过程复杂、设备庞大、能耗高,具有一定规模的装置才具有较好的经济效益。后来有人发现空气中N2比O2在沸石上有更强的吸附力,以及开发合成沸石分

2、子筛,激发人们在本世纪50年代末,60年代初研究应用变压吸附方法分离空气中的氧氮。它是利用空气中N2和O2在吸附剂上的吸附量、吸附速度、吸附力等方面的差异及吸附剂对氧氮随压力不同具有不同的吸附量的特性,即加压时完成一组份的吸附,降压下解吸所吸附组份,以实现空气分离制取氧氮,而吸附剂则再生循环使用。在1958年,Skarstorm首先申请变压吸附分离空气制O2和N2的专利,同时Guerin deM on2teagareind和Dom irine也申请同样的专利。只是前者采用降压实现吸附剂再生,后者使用抽真空解吸再生。1959年美国Skarstorm应用5A分子筛的两床分离空气制氧,1960年进一

3、步完善投入工业生产;1975年试制成功医用富氧变压吸附装置;1977年德国研制成碳分子筛变压吸附制N2;1979年国际上大部分制氧机的空气干燥净化采用变压吸附工艺;1980年开发成功快速变压吸附装置;1992年日本制造了生产能力为300 t?d的PSA法制O2设备。一套变压吸附装置的性能及效率,除了同吸附剂的性能、被分离混合物气体的性质有关外,还决定於吸附塔有关参数,如工作压力、温度、切换时间、吸附塔高径比等。1工作压力的确定当选定某种吸附剂后,吸附剂的吸附容量是温度与压力的函数,G=F(p,T)。G随压力的提高而增加,但达到一定程度就饱和(见图1)。所以,一般情况下希望提高压力来增加吸附剂容

4、量。由于变压吸附是一个瞬时升压降压过程,压力过高会延长一个微循环单位过程,减少单位时间内的循环次数,不利于混合气体的分离;空气分离随工作压力提高,其分离系数反而降低,而且气体压力提高后要增加吸附塔的机械强度,增加设备费的投入。从图2和3看出,工作压力对气体回收率与能耗影响很明显。因此,无论是提氢或空气分离生产O2,N2,变压吸图1G=f(p,T)附装置应选择最佳压力。应用变压吸附方法从空气分离O2,N2时工作压力一般在0180125M Pa范围内操作,有时甚至可在超大气压条件下运行。而应用PSA法从工业尾气制氢,工作压力可高些,工作压力可选择1162M Pa。2塔的高径比的确定若将一个吸附剂再

5、生好的吸附塔通入所要分离的混合气体,并不断从吸附塔出口处取出气体进行分析,以出口处气体浓度对时间做曲线,可获得吸附塔转效曲线,如图4所示。在转效点之前吸附塔出口气体是符合分离要求的纯气体,而转效点以后出口气体含有杂质。为了保证在转效点之前吸附塔正常工作,这就要求气体不能出现返混现象,因此对吸附塔高径比与气体流速有严格要求。图2氮气回收率与吸附压力关系曲线1N297%2N298%3N299%图3单位能耗与氮气纯度关系曲线(进气温度40切换时间40 s)吸附塔高径比过小,吸附塔径过大,易引起返混现象。一般吸附塔高径比 5,但混合气体中各组分含量不同对塔高径比要求有差异。空气中O2含量为21%,比N

6、2含量78%低得多,分离O2更加不容易进行。因此,其吸附塔的高径比 10。有关文献报道,日本有些装置高径比甚至可以达到20以上。因此用变压吸附分离空气时,在压力降允许条件下,高径比可放大一些,但在设计时要考虑吸附塔稳定性。对空气分离制氮的变压吸附装置,其吸附塔高径比范围用47。而从工业尾气制氢,由于工业尾气中含氢一般比较高,它的吸附塔的高径比一般取24。3吸附塔数的确定首先应考虑生产能力,并同时要从气体回收率、降低能耗等因素决定吸附塔数。小容量空气分离制取O2,N2的变压吸附装置可采用单塔或双塔工艺流程。单塔装置一般采用非等压型快速变压吸附。双塔吸附法空气分离装置流程见图5,但这种工艺流程不适

7、于生产容量较大的63低温工程1998年图4吸附转效曲线装置。虽然设备简单,投资少,但存在于死空间产品组分损失较大,因降压时将这些气体排放,这不仅减少气体回收量,而且损失一部分动能。压力越高损失就越大,所以对生产能力 100m3?h的变压吸附空气分离制O2,N2装置,采用三四塔工艺流程为宜。多塔工作,可保证产品气的平稳供给。图6为三塔PSA制氧工艺流程。图5PSA法空分装置流程161自动切换阀71节流阀图6PSA制氧装置工艺流程根据吸附特性,将吸附操作在转效点之前结束,使该吸附塔与已再生好的并准备升压的吸附床连通进行两塔均压,回收吸附塔余隙空间中一部分产品气与一部分能量。增加一次均压73第6期空

8、气分离变压吸附装置分析及其设计可提高气体回收率5%7%。变压吸附一个循环中,均压次数越多,产品回收率越高(如图图7周期压力变化比较7)。从图7可看出,两步均压法比一步均压优越,充压所需产品气量少,吸附塔再生时间少,有利于提高气体回收率,降低压力能损失,均压时间一般为13 s。采用多塔工艺流程时,同时考虑工艺流程复杂程序与设备费增加情况。因此,在变压吸附工艺中采用合理塔数,既可以增加气体回收率,降低能耗,又可以保证适宜投资费用。除上述变压吸附有关因素以外,影响变压吸附法分离空气效率的还有切换时间、冲洗压力、工作温度等。若吸附剂对O2或N2吸附很快达到饱和,如碳分子筛吸附O2速率很快,切换时间很短

9、,但又考虑阀门开关频率,提高装置的稳定性,吸附剂使用寿命,希望切换时间长些。切换时间在4590 s范围选取。又如冲洗压力,随冲洗压力升高,引起气体损失增加,降低回收率。一般冲洗压力为113105Pa(绝对压力)。吸附床的温度也是重要参数,从理论上分析,吸附应是绝热过程。吸附放出热量刚好供给吸附剂再生解吸之用,但实际上进口端易形成一段冷区,影响吸附效率。因此进口气体要维持一定温度(30)。宁夏一个钢厂购进一台ZY600I型变压吸附制氧机,配套电炉炼钢使用。每天其产量520530m3?h,最高时为550m3?h,纯度为90%93%。而到冬天,该设备产量260320m3?h,纯度为75%85%,明显

10、低于原定指标。这说明吸附床温度或进口气体温度对装置产量、产品气体纯度影响明显。参考文献1陈志远,陈孝通新型制氮技术.北京:机械工业出版社,19922徐继鲁.变压吸附制氧机冬季产量下降等分析与对策.深冷技术,1997;(6)THE DESIGN AND ANALYSISOF THE DEVICE OF A IRSEPARATON BY PRESSURE S W ING ADSORPTI ONZhao Haoping L iang Q iyu(Croyegnic Lab1,Zhejiang U niversity,Hangzhou 310027)ABSTRACTThe relationship o

11、f the pressure,the ratio of the length to the diameter,and tow er numbersw ith the gas recovery and cost is described,This paper also discusses theeffect of the exchange ti me,the desorption pressure and the layer temperature on PSA airseparation to produce O2and N2。KEYWORDpressure sw ing adsorption;air separation;device analysis83低温工程1998年