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帖子主题:氧气和氮气的常温空气分离方法
楼主:wxycqp [2009/7/27 13:38:01]

氧气和氮气的常温空气分离方法
上海空气之星工业气体设备有限公司     潘广通      200949
摘要】本文介绍了常温空气分离的各自特点及相互联系。对膜分离制氮,制氧,PSA制氮,PSA和VPSA制氧等装置均作了较为详细的描述。
关键词  膜分离  PSA   VPSA  氧气  氮气  趋势

序言
常见的常温空气分离(注意:而不是气体分离,所以像甲烷,一氧化碳,二氧化碳,氢气等不在本文讨论范畴)方法有:膜分离制取氮气,氧气;变压吸附制取氮气;变压吸附制取氧气;真空变压吸附制取氧气。有报道称,日本已出现用变压吸附分离方法制取氦气。从工程实际讲,常温空气分离制取氧气和氮气的装置均会出现产量衰减。对于膜分离制氮而言,是由于膜材料的物理特性决定的;对于变压吸附装置而言,是由于分离的核心-吸附剂随着使用时间的增加总避免不了机械磨损。各种常温空气分离对于工艺空气质量要求的苛求程度依次为:膜装置,PSA制氧装置,PAS制氮装置,VPSA制氧装置。对于装置设计的技术难度从易到难的顺序依次为:膜装置,PSA制氮装置,PSA制氧装置,VPSA制氧装置。甚至可以这样说,VPSA真空变压吸附制氧装置是所有变压吸附气体分离设备在技术层面要求最高的,其主要原因有二:产品气在原料气的组分含量较低;相关配套部件的协调性。对于装置的寿命而言:膜装置—8年以上;PSA制氧装置—5年以上;VPSA制氧装置—8年以上;PSA制氮装置—8~15年。常温空气分离方法,已达到技术成熟阶段,正朝大型化的方向迈进。笔者认为,在氮气产量2000Nm3/h以下,氧气产量5000Nm3/h以下,常温空气分离方法在今后10年将呈现更强的竞争优势,特别是近年来用于氧气和氩气分离的吸附剂材料(ETS)被美国科学家研制成功,将更加巩固大型VPSA制氧装置对于深冷空分装置的竞争优势。
膜装置的性能
中空纤维膜装置,在一定的温度压力条件下,可将符合特定条件要求的原料空气分离出富氮产品气和富氧废气。膜装置制氮是一种稳定操作状态下分离制取氮气的设备,氮气和富氧废气呈现连续平衡的气流分离状态,原料空气经除油,除水,除尘且维持在恰当的温度。由于操作是连续的,所需的空气和氮气缓冲罐可以省掉。多数情况下,商用膜分离装置要求较高的操作压力约在1.0Mpa(表压)以达到适宜的分离效率。原料气经过膜件的压力降非常小,产品压力很容易达到1.0Mpa(表压)。较低的原料气压力将减少分离效率且因此降低产品氮的产量。对于给定的膜组,随着氮气纯度提高,则产品气将越来越少,且单位产品氮气所需的空气量也将越来越多,单位产品的能耗也就越来越大。各种气体穿透中空纤维膜材料的优先次序分别是:水→二氧化碳→氢气→氦气→氧气→氩气→氮气→甲烷。该装置的物料平衡可根据EXCEL表格得以计算。
在所有的常温空气分离中,膜装置制氮设备的技术特点最鲜明。和其他所有的常温空气分离方法一样,膜分离制氮装置的流程最为固定,最少缺乏变化。对膜组的应用主要把握两个方面的尺度。一是严格的原料空气品质;二是原料空气的温度上限控制。对于膜装置其关键部件在于膜件材料。国内常用的膜为帕米亚膜和捷能膜,两者各有优劣。而日本宇部膜件在国内还较少见到。通常应当注意的就是进入膜件的空气温度不能过高,因为膜纤维的温度达到52℃~55℃以上时就会导致膜纤维材料发生蠕变(极限温度一般为65℃),并且几乎不可能恢复其先前的渗透特性而致使膜组件失效而不再适合氧氮分离。关于膜装置的扩容性,只有当用户有了自己的空压站才有实现这一措施的可能,可通过并联冷干机和过滤器的方式实现,并且对于用户将来是否有装置扩容的必要,得事先就得考虑清楚,以便在气体管道和阀门的选型方面给予前期考虑。还有一点就是,每根膜件在一定的操作压力、温度条件下,其工作效能是一定的。如果碰到这样一种情况:用一根膜件,装置产量太小,用两根膜件装置产量又太大,造成装置成本增加,形成不必要的浪费,在这种情形下,可以考虑用不同型号的膜件组合,这是一种合理的办法。
PSA制氮及性能
变压吸附制氮装置使用碳分子筛吸附剂。PSA系统采用双床系统。当一只吸附床生产纯氮时,另一只吸附床则同时再生。每隔60秒两床经压力平衡并交换工作状态。在如此短的切换操作期间内,需要空气和氮气缓冲罐以满足氮气的连续供应和储存来自于空压机的压缩空气。通常的装置吸附压力为0.7Mpa(表压),产品气压力为0.58~0.6Mpa(表压)。当要求的产品气压力较高时,系统也可在更高的吸附压力条件下工作,由于分离的动力学特性可生产更多的氮气流量但会导致由于更高的产品气压力会消耗更高的能耗。对于分子筛量一定的吸附塔,提高产品氮气的纯度则会使得氮气的产量越来越少,也使得装置的收率降低。
采用碳分子筛的变压吸附制氮装置技术,国内发展较为成熟。装置技术性能的拓展空间已经很小,只可能依赖更高性能的吸附剂材料出现。无论是国内还是国外,变压吸附制氮装置的流程和工艺操作方式几乎是相同的。其步骤分别为吸附,均压,泄压清洗。无论是上对上,下对下的同时均压方式,还是上对中,中对下的交叉均压方式,其空气收率效果差别不大。但在高纯度产品生产设备交叉均压有一定优势。制氮装置清洗气用量比制氧装置要少很多,清洗气对吸附床的清洗不受程序的控制,而是依靠吸附塔之间的压差实现自动清洗。装置产品纯度越高,所消耗的清洗气量越大。采用变压吸附生产高纯度氮气的方法可分为两种:一步法,直接通过PSA制氮装置生产99.9995%纯度的氮气;两步法,首先用变压吸附装置生产出98~99.9%氮气纯度,再通过后级纯化达到99.9995%纯度,后级纯化可通过加氢脱氧或碳载型催化燃烧脱氧两种较常见的方式实现氮气纯化。前面PSA部分所生产的氮气纯度主要取决于氢气耗量和催化剂耗量等经济因素的制约,并且如果前面生产的氮气纯度越低,则设备的运行费用就越高,同时装置用户的设备投资较低,反之,亦然。通常为99%的氮气纯度。变压吸附制氮装置是唯一可直接生产高纯度产品气的常温空分装置。目前国内厂商可一步法生产99.999%甚至99.9995%纯度的变压吸附制氮装置不多,但一步法生产高纯度氮气产品的装置其单位产品能耗过高,因此仅限于产量大约在30Nm3/h以内的小规模装置。
真空变压吸附制氮装置,在国内仍是一个空白。在国内发展变压吸附制氮初期,曾用过沸石分子筛真空解吸流程制氮,但由于装置真空度对于纯度的影响异常敏感及系统操作复杂等多方面的原因而被淘汰。据笔者所知,台湾有一真空解吸制氮装置的生产厂家,其操作压力在3Bar.g,真空度在-40Kpa。真空解吸流程制氮装置,其原理与常压解吸制氮流程一样,所用的吸附剂仍为碳分子筛CMS,在吸附期间,氧气被吸附,吸附塔顶部汇集的气体作为产品氮气。其综合经济指标比常压PSA制氮装置略低。但由于配有真空泵而使系统在设备成本、占地面积、操作难易、设备维修等方面比常压解吸的PSA制氮装置存在不足。
常压解吸变压吸附制氧
变压吸附常压解吸流程可分为两大类:高压吸附流程(PSA)和低压吸附流程(LPSA)。两者的主要区别在于吸附压力不一样。常压再生的变压吸附制氧,其操作压力比较宽,通常为0.2~0.8Mpa.g。就笔者了解的国内外制氧装置所采用的吸附压力有0.2,0.3,0.55,0.7Mpa.g等。采用那一种流程主要取决于用户对氧气产品压力的要求和能耗要求。低压流程的能耗较高压流程要低~30%左右。但低压流程的分子筛用量较高压流程要多出40%以上。低压流程指吸附操作压力小于等于0.35Mpa.g,高压吸附操作压力一般为0.55~0.65Mpa.g。在工程实际中有一个有趣的现象就是:当设备首次使用高压流程以后再用低压流程来操作PSA氧氮分离装置时,装置会出现短时的“休眠”,表现为氧气纯度一直在35%左右而不再上升。会出现装置生产特性滞后的现象,一般要较长时间后才能恢复,如果首次使用低压流程接着再使用高压流程,则无明显滞后的现象(可能与分子筛种类有关)。估计这是由于分子筛吸附剂特有的吸附动力学效应作用所致:我们知道,分子筛动吸附容量是在吸附压力和解吸压力条件下吸附剂颗粒微孔内所保持的吸附容量差确定的,由于在高压条件下,分子筛吸附容量比低压条件下的吸附容量要大,在系统建立平衡物料吸附解吸之后,再建立另一个新的物料平衡状态则需一定的时间,并且高压状态时的物料平衡时间比低压状态时要短。影响PSA装置纯度的主要工艺步骤是均压。我们知道,对于所有变压吸附气体分离装置的共同特性:纯度升高,产量下降。但氧气产量对于纯度的影响, PSA常压解吸装置比起VPSA真空变压吸附装置要大些,表现出纯度受产量变化更加敏感。常压解吸变压吸附制氧装置,由于其操作压力较高,则在吸附剂的选择方面将更为苛刻,除强度要求外,该吸附剂应适于长周期操作,这对于吸附装置的使用寿命非常重要。吸附剂的传质动力学速度可决定固定床吸附工艺的周期时间的长短,而吸附剂的传质动力学主要取决于吸附剂颗粒内部的传质阻力。快速的吸附动力学特性表现在吸附床穿透曲线十分陡峭,而慢速的吸附动力学特性表现在吸附床穿透曲线相对平缓。为了弥补较为平缓的穿透曲线给装置带来的不利影响,可通过在吸附塔产品出口端增加吸附剂用量或者增加吸附循环时间加以解决。因此,为了缓解传质扩散较慢的缺陷,可选择颗粒更小的吸附剂,但这势必会造成吸附床压力降的增加
按照国内的装置配套,低压流程多选用L型和ZW型无油空压机,可省掉冷干机,但需后冷却过滤装置。空气缓冲罐的容积较高压流程要大,吸附剂用量除分子筛要多些以外,还必须有活性氧化铝用在吸附器的底部,以吸附空气中的水分,相对地讲,这种低压流程制氧装置所需要的清洗气量要大,空气收率要低。


常温空分制取高纯氧
1.PSA氧气装置和膜件联合生产高纯氧
连续的膜柱(CMC)结合PSA氧气发生器被用来生产高纯的氧气。先通过PSA生产93~94%浓度的富氧气体,然后送入三段聚合纤维膜组。各种实验参数:原料气流量,渗膜压力,级间分段,进气位置等均被检验以期获得99%以上较高纯度的氧气。(连续膜组)CMC也被用作双系列装置模式。根据试验结果显示CMC结合PSA可以连续生产超过99%浓度的高纯度氧气。
99%以上浓度的高纯氧是由传统的低温精馏技术生产。要求大规模装置。另一方面,也需要小规模的医用、研究等高纯氧。膜分离或变压吸附将是一种有前途的技术以达到高纯度氧气生产。
膜分离在气体分离研究领域引起了极大关注。膜分离技术在空气分离领域是一项有潜能的分离方法。集中研究表明聚合膜对于氧有较高的选择性和高的流通量。可是,由于聚合膜分离系数通常较低,通过单级系统所生产出的氧气浓度最大为50%左右。(Bhide and Stern,1991;Matson et al., 1986),对于生产高纯度氧是不够的。
膜分离的工程方法集中在设计膜组数量和它们的恰当配置以提高膜件性能。数个渗透器配置,它由几个具有相同的渗透性能膜件组成以用作气体分离:循环膜渗透器,两级渗透器串联(TTS),连续的膜柱等等(Hwang and Thorman, 1980年; Matson 等人,1983年;Stern 等人,1984年;McCandless, 1985年)。
图1a是一个连续膜柱(CMC)的示意图,有与蒸馏塔相类似的结构外形。在这里原料气从富积器和剥离器两者之间引入。容易渗透的气体能够在(膜)塔柱的顶部浓缩,同时不易渗透的气体汇集在(膜)塔柱的底部。连续的膜柱(CMC)表明浓缩更易渗透的组份要比无循环回收的传统渗透器多得多。理论上讲,再循环回收次数越多,级间组合越少,膜柱越长,膜面积越大,且不考虑氧气的选择性,则将产生较高浓度的氧气直至高达100%浓度的氧气(Hwang and Thorman, 1980年)。因此,连续的膜组将会是获得高纯氧气的一种方法。各种生活污水处理设备无阀过滤器,环保配件价格优惠,中国网站建设联盟之一的无锡网络公司提供专业无锡网站建设无锡网络推广焊管冷却器油缸缸筒液压油缸保护膜橡胶机械橡塑机械叉车喷塑汽车空调压缩机结晶器铜管总成护栏除尘设备金刚石钻头精密钢管无缝钢管土工格栅橡塑保温接线端子输送机保护防爆灯液压件耐腐泵抛丸机点焊机对焊机代理销售 油缸液压缸活塞杆电脑剥线机MBR膜生物反应器电子包装袋理论上研究了对于重复利用(再循环)方式的膜渗透器配置,比如CMC和TTS都做过广泛的研究以寻求恰当的分离方式。(Kao等人,1987,1989;Chen等人1986;Stern等人1984;Bhide和Stern于1991年;McCandless1985年)。但无论怎样,均没有实验数据文献可供查证。Hwang和Thorman(1980年)首先用CMC(连续膜柱)组件分离二元组分气体,CO2/O2,CO2/N2。此外,Hwang和Ghalchi于1981年也证明了从二元和三元气体组分混合物中分离甲烷的可行性试验。还有就是Kothe等人于1989年也对于通过不同的膜柱完成了三元气体组分分离的模型研究。
国外提出了一种新的气体分离系统,它采用CMC(连续膜柱)和PSA相结合的方法。其基本原理是这一系统之后通过PSA生产的富氧气引入CMC(continuous membrane column)以进一步富集氧气。PSA的操作条件维持恒定,而CMC的试验参数如供给气流量,渗透膜压力,级间组合分段以及进气的位置等如何获得高纯度氧气均进行了研究。这一工作的主要目的是利用膜分离制取高纯度氧气,为了达到这一目的,特提出下述的(目标)假设(条件):
1. 新系统由CMC和PSA组成;
2. CMC操作要素的参数研究,如原料气流量,渗透膜压力,级间组合分段等均进行系统地研究。
3. 实验数据和通过活塞流模型计算结果加以比较。
此外,国外提出了一种新的CMC配置,它结合传统的CMC且通过两段膜柱串联,如图1b。称这种配置叫“CMC in TSS mode (两段串联型连续膜柱).”在两段串联型连续膜柱内的第一级模块用作精馏塔那样的部分冷凝器一样。第一级膜柱的部分渗透气用作产品气,同时剩余部分气和另外膜柱的渗透气混合后再重复利用。产品气对于重复利用部分气的比例可通过阀门加以控制。

第1楼:游客1562 [2009/7/27 13:38:00]
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