摘 要 介绍了变压吸附技术的基本原理及其开发与应用, 并对今后变压吸附空气分离技术的发展方向提出了看法。

关键词 空气分离 变压吸附 制氧 制氮 制氮装置

1 引言

传统的气体分离工艺有溶剂吸收法和低温分离法两大类。由于吸收法需耗用大量水、蒸汽等,低温蒸馏法虽技术水平日臻完善,但单位产量能耗较高, 所以这两种分离方法正逐渐地丧失它们的领地。

近 30 年来,变压吸附(简称PSA)技术作为非低温法的代表,与膜分离等新型分离方法一起迅猛发展,包括中小型空气分离装置在内,PSA 技术以独特的优点, 不断拓展了其工业应用领域, 并逐步走向大型化。

2 变压吸附基本原理

211 吸附的定义

当两相组成一个体系时, 两相界面处的成分与相内成分是不同的, 在两相界面处会产生积蓄(浓缩) , 这种现象称为吸附; 而被吸附的

原子或分子返回到液相或气相的过程, 称为解吸。在两相界面处, 被吸附的物质称为吸附质,吸附相称为吸附剂。

212 常用的吸附剂

主要有活性白土、硅胶、活性氧化铝、活性碳、碳分子筛、合成沸石分子筛等。吸附剂制造工艺的发展已能合成出孔径分布均一、微孔直径可按需确定的吸附剂,使分离某些分子、原子大小非常接近的一些介质成为现实。一些新型吸附剂和专用吸附剂的开发成功,使变压吸附工艺和应用领域不断向前发展。

213 吸附剂的再生

为使吸附分离法经济有效地应用, 除吸附剂要有良好的吸附选择性能外, 吸附剂的再生也很关键。吸附剂的再生程度直接影响着吸附

剂的吸附能力及产品的纯度。吸附剂的再生时间在一定程度上决定了吸附剂循环周期的长短,同时也决定了吸附剂的效率。因此,选择合适的再生方法, 对吸附分离法的工业化起着重要的作用。

21312 变压吸附法

利用不同压力下吸附剂对吸附质吸附容量和选择性的差异,即通过加压增大吸附容量,通过***解吸吸附的组分。该法的吸附循环周期一般较短, 吸附热不需移出床外, 因此变压吸附工况可看作在一等温吸附线上变化。

214 变压吸附基本工作过程

对于变压吸附法, 工业上一般都以固相作为吸附剂, 气相为吸附质, 采用固定床结构及两个以上的吸附床系统, 使吸附剂的吸附和再

生交替进行, 从而保证分离过程的循环和连续,一般包括以下三个基本过程:

(1)吸附:吸附床在较高吸附压力下,通入气体混合物,其中强吸附组分被吸附剂选择吸附,弱吸附组分作为流出相从吸附床的出口端流出。

(2) 解吸再生: 根据吸附组分的特点, 选择***、抽真空、产品冲洗和置换等方法使吸附剂解吸再生。

(3) 升压: 解吸剂再生完成后, 用弱吸附组分对吸附床进行逐步加压, 使之达到吸附压力值, 完成对下一次吸附的准备。

3 变压吸附制氮法相对低温分离法的优势

由于变压吸附操作一般在不太高的压力和常温下进行,比之于低温法具有流程简单、设备制造容易、操作和维修方便、自动化程度高、占地面积小、***少等特点。发达***已纷纷使用这种方法来实现氧氮分离, 并且已达到很高的技术水平。

311 启动快

由于深冷法分离氧氮的过程是在极低温度下进行的, 因此设备在正常运行之前必须有预冷启动这一过程, 启动时间一般都在 6 小时以

上, 甚至几天, 启动时间越长、启动次数越多,产品的单耗就越大。而 PSA 法一般在 30 分钟内便可获得合格产品。

312 可以随时停机

深冷法制氧氮设备不宜随时停机, 即使停机几小时, 也会影响运行工况。停机过长, 工况无法***正常, 就得解冻加温、吹除, 然后

重新启动。而变压吸附设备既可长期连续运转又可随时停机, 再启动时所需时间更短。

313 纯度调节方便

深冷法制氧氮的纯度调节,受多种因素制约,而PSA制氮法只受排出产品气量的影响,在其他条件不变的条件下,产品流量与纯度的变化关系是一连续曲线。

314 易实现无人操作

低温深冷法设备系统复杂、机组多, 且采用高速透平膨胀机, 易发生故障, 从而影响设备正常运行, 一般需配备操作维护人员。而

PSA 法由于设备简单和操作简易, 因而在设备运行正常后即可实现无人操作。