XRN變壓吸附空分制氮設(shè)備工藝流程圖

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1．先進的工藝流程，設(shè)備采用了不等勢均壓流程，直接降低壓縮空氣的消耗；

2．公司與國外著名的分子篩廠家合作，可根據(jù)用戶工況選配最節(jié)能的產(chǎn)品；

3．先進的負荷適用技術(shù)，進一步實現(xiàn)節(jié)能；

4．先進的填裝技術(shù)，合碳分子篩裝填更加均勻密實，摩擦系數(shù)降到最低點；

5．最可靠的氣源處理方式，保證分子篩的吸附率與使用壽命；

6．選用著名品牌的切換閥門和元器件．是設(shè)備品質(zhì)的有效保證；

7．采用先進內(nèi)置壓緊技術(shù)；

8，遠離操作現(xiàn)場也可以隨時對設(shè)備進行實時監(jiān)控；

9．不合格氮氣自動放空裝置；

10．友好的人機界面。

任何一種吸附對于同一被吸附氣體（吸附質(zhì)）來說，在吸附平衡情況下，溫度越低，壓力越高，吸附最越大。反之，溫度越高，壓力越低，則吸附量越小。如果溫度不變，在加壓的情況下吸附，用減壓（抽真空）或常壓解吸的方法，稱為變壓吸附。可見，變壓吸附是通過改變壓力來吸附和解吸的。

如圖1所示，碳分子篩對氧和氮吸附量有很大的差異。碳分子篩是一種內(nèi)部有很多徽孔的物質(zhì)，用碳分子篩制氮主要是基于氧和氮在碳分子篩中的擴散速率不同，變壓吸附的原理就是在一定的壓力下，利用空氣中氧、氮在碳分子篩徽孔中的吸附量的差異，達到氧氮分離的目的，在壓力升高時，碳分子篩吸氧產(chǎn)氮，壓力降至常壓時，碳分子篩脫附氧氣再生。變壓吸附制氮設(shè)備通常有兩只吸附塔，其中一只吸氧產(chǎn)氮，另一只脫氧再生，如此交替循環(huán)不斷產(chǎn)出氮氣。

變壓吸附空分制氧始創(chuàng)于20世紀60年代初(Skarstrom, 1960; Guerin de Montgarenil & Domine, 1964)，并于70年代實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。在此之前,傳統(tǒng)的工業(yè)空分裝置大部分采用深冷精餾法(簡稱深冷法)

80年代以來至今CaX和LiX等高吸附分離性能的沸石分子篩的相繼開發(fā)利用和工藝流程的改進，使得變壓吸附空分技術(shù)得到迅速地發(fā)展，與深冷空分裝置相比，PSA過程具有啟動時間短和開停車方便、能耗較小和運行成本低、自動化程度高和維護簡單、占地面積小和土建費用低等特點。在不需要高純氧的中小規(guī)模(小于100噸/天，相當于3000Nm3/h )氧氣生產(chǎn)中比深冷法更具有競爭力。廣泛的應(yīng)用于電爐煉鋼、有色金屬冶煉、玻璃加工、甲醇生產(chǎn)、炭黑生產(chǎn)、化肥造氣、化學(xué)氧化過程、紙漿漂白、污水處理、生物發(fā)酵、水產(chǎn)養(yǎng)殖、醫(yī)療和軍事等諸多領(lǐng)域(楊，1991; Kumar, 1996; Jee, Park, Haam & Lee,2002)。

四十多年來變壓吸附空分制氧技術(shù)的研究進展主要表現(xiàn)在兩個方面:一是空分制氧吸附劑和其吸附理論的研究方面，二是空分制氧工藝循環(huán)過程的研究方面(Sircar,1994;Ruthven.Farooq&Knaebel, 1994)。國內(nèi)對這項技術(shù)的研究盡管起步較早，然而在較長的一段時間內(nèi)發(fā)展相對較緩。直至進入九十年代以來，變壓吸附制氧設(shè)備的優(yōu)越性才逐漸被國人認可，近幾年各種流程的設(shè)備相繼投產(chǎn)為各行各業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟效益。

自20世紀70年代基于吸附選擇性的空分體系商業(yè)化以來，PSA制氧技術(shù)在煉鋼、焊接、醫(yī)療、制藥、發(fā)酵、造紙、環(huán)保、水產(chǎn)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。變壓吸附氣體分離過程是一個動態(tài)過程，描述其動態(tài)過程的行為是偏微分方程組構(gòu)成的模型，操作性能和參數(shù)之間為復(fù)雜的非線性關(guān)系，實驗研究與數(shù)學(xué)模擬均不簡單，工作量大，所以變壓吸附氣體分離技術(shù)存在著商業(yè)開發(fā)領(lǐng)先于理論研究的問題。對它的理論研究遠不如變溫吸附過程深入，尤其對多組分、多吸附劑、非線性吸附等溫線、非等溫和非平衡吸附的變壓吸附過程的理論研究較為缺乏，不能適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用的要求。采用計算機數(shù)值模擬計算的方法，研究變壓吸附過程的動態(tài)行為，揭示操作參數(shù)和過程性能之間的關(guān)系對于指導(dǎo)試驗工作，進行過程優(yōu)化設(shè)計有著重要的意義。研究將采用非等溫模型的模擬計算來研究影響變壓吸附制氧過程性能的諸多因素，考慮所用模型及數(shù)值計算方法的通用性和高效性。模擬內(nèi)容反映吸附床層內(nèi)溫度和濃度的動態(tài)行為，以揭示變壓吸附過程操作參數(shù)清洗比P/F、吸附壓力、進氣流量、吸附時間與氧氣純度、回收率之間的關(guān)系，為變壓吸附制氧過程的優(yōu)化設(shè)計提供了基礎(chǔ)。

非等溫過程數(shù)學(xué)模型

變壓吸附過程選取經(jīng)典的二床六步驟循環(huán)，步驟及時間分配如表1所示。

吸附過程流程示意圖如圖1所示。

建立用于描述變壓吸附過程的數(shù)學(xué)模型采用如下假設(shè)：氣體為理想氣體;流體流動模型為軸向分散活塞流模型；軸向流速在床層內(nèi)可變化；忽略吸附時床層軸向壓降；傳質(zhì)速率方程可用線性推動力(LDF)模型描述；等溫線模型為負載比關(guān)聯(lián)(LRC)的Langmuir吸附模型；假設(shè)氣相和固相熱傳遞瞬時平衡，變壓吸附過程中變壓步驟的壓力呈指數(shù)型變化。

非等溫過程計算方法

用數(shù)值求解偏微分方程組，都需要首先將偏微分方程在空間變量上離散化，轉(zhuǎn)化為常微分方程組，然后再應(yīng)用常微分方程組的數(shù)值求解方法進行數(shù)值求解。上述模型中的偏微分方程組采用正交配置法在軸向上進行離散化，使之成為一系列常微分方程組。常微分方程組的數(shù)值積分采用三階半隱式Runge-Kutta法。采用正交配置的優(yōu)點在于在獲得同樣的準確度下只需要較少的變量離散點；而半隱式Runge-Kutta法既適合求解顯式RungeKutta不能有效求解或不能求解的陡峭常微分方程組體系，又可同時求解微分代數(shù)方程組體系，計算時間較少。計算程序用FORTRAN語言編寫。

任何復(fù)雜的PSA分離過程都可以分解為一系列相對簡單的步驟，而且每個床層都經(jīng)歷同樣的過程步驟，因此解一個吸附床層的模型方程并循環(huán)起來，就可以得到整個過程的解。這種方法不受床數(shù)的限制，可以用于任意床數(shù)的過程模擬。計算過程中每一步結(jié)束時保存床層軸向的組成和溫度分布作為下一個步驟的初始值。吸附和均降步驟中不同時間離開床層的氣體組成、溫度和流速以數(shù)組的形式保存，經(jīng)過線性插值作為清洗和均升階段的進氣條件。

非等溫過程結(jié)果與討論

模擬計算為跟蹤床層濃度及溫度的動態(tài)行為。模擬計算結(jié)果表明：床層中溫度從波動到達穩(wěn)態(tài)比濃度從波動到達穩(wěn)態(tài)慢，溫度一般要在15個循環(huán)后逐漸達到穩(wěn)定，而濃度在幾個循環(huán)就能達到穩(wěn)態(tài)。床層內(nèi)濃度的變化是很難測定的，因此模擬床層內(nèi)的濃度變化是有意義的工作。為考察清洗比(P/F)、吸附壓力、進氣流速、吸附時間等操作參數(shù)對過程性能的影響，即對回收率與純度的影響(氧氣純度為吸附過程出氣的體積平均值)，定義回收率與清洗比如下：

O₂回收率=(吸附過程產(chǎn)品氣氧氣總量-清洗過程耗氧總量)/(原料氣沖壓和吸附階段進氣氧氣量)×100%=R(O₂)

P/F=清洗過程耗氧量/吸附過程進氣氧總量

非等溫過程研究結(jié)論

應(yīng)用非等溫模型模擬計算空分制氧變壓吸附過程，研究過程的特征與性能，得到如下結(jié)論。

（1）模擬了變壓吸附過程床層中氧氣濃度與溫度的動態(tài)變化。濃度達到穩(wěn)態(tài)比溫度快，濃度達到穩(wěn)態(tài)大約需要10個循環(huán)，而溫度在15個循環(huán)后變化才減小；

（2）隨著清洗比(P/F)的增加，氧氣純度上升，回收率下降，在高清洗比(P/F)時純度變化很小，回收率持續(xù)下降；

（3）隨著壓力的增大，氧氣的純度升高而回收率降低。壓力在低清洗比(P/F)下的影響比在高清洗比(P/F)大，在壓力大于4×10⁵Pa后純度基本不變；

（4）氧氣的純度隨進氣流量增大而減小，回收率卻隨流速的增加而升高；

（5）純度隨吸附時間的增加而降低，回收率隨著吸附時間的延長而升高。 2100433B

用碳分子篩制氮主要是基于氧和氮在碳分子篩中的擴散速率不同，在0.7-1.0Mpa壓力下,即氧在碳分子篩表面的擴散速度大于氮的擴散速度，使碳分子篩優(yōu)先吸附氧，而氮大部分富集于不吸附相中。碳分子篩本身具有加壓時對氧的吸附容量增加，減壓時對氧的吸附量減少的特性。利用這種特性采用變壓吸附法進行氧、氮分離。從而得到99.99%的氮氣。