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变压吸附制氮装置的设计

【论文摘要】简要介绍变压吸附制氮装置的工作原理；详细阐述了200m3／h变压吸附制氮装置的吸附器系统的设计，产品气缓冲罐的设计及产量测定系统的选用，过滤系统的设计和控制系统的设计；最后分析了调试过程中常见故障及主要原因，并指出用户使用中应注意的方面。
近五六年来，随着国内变压吸附制氮技术的不断成熟，其使用领域也不断扩大，从开始的煤炭系统的井下氮封灭火、机电系统的氮氛气热处理、化工系统的原料加工提纯氮封保护，到食品工业的食品果品保鲜、啤酒业的替补二氧化碳气的不足等，并皆受到了用户的欢迎。为了让更多的用户了解变压吸附制氮技术并使用变压吸附制氮装置，本篇就变压吸附制氮装置的设计、调试中出现的故障及使用中须注意的问题作一简述。
1变压吸附制氮装置的工作原理
变压吸附制氮装置的设计依据是变压吸附理论。吸附的基体为各类吸附剂，如：铝胶、硅胶、活性炭及分子筛。在变压吸附制氮装置当中，吸附剂大多采用各类分子筛(沸石分子筛、碳分子筛)，各类分子筛有其吸附的特定选择性，如制氮吸氧常采用3A碳分子筛，而吸附H20、C02多选用13X沸石分子筛。变压吸附制氮装置的工作原理：洁净的带压空气(氧氮混合气)通过某种碳分子筛，其中的大部分氧气及剩余的微量水分被分子筛吸附，氮气则未能被吸附而排放出来，此为吸附制氮阶段。而在压力减低为大气压或负压下，分子筛吸附氧的能力下降则解析出其在受压状态下所吸附的氧、水，此为解析再生(制氧)阶段。解析后的分子筛又可以进行下一周期的吸附制氮阶段，循环反复，从而得到一定纯度氮气，同时得到一定纯度的富氧空气。其装置模块图见图1。

2设计
根据变压吸附技术，按照不同用户的不同需要，设计制造出多种不同技术性能参数的变压吸附制氮装置。下面以石化系统某厂用于加氢白油工程的200m3／h、纯度99.9％的制氮装置为例(工艺流程见图2)，对有关方面进行简单论述。
2．1装置主要技术参数

氮气产鱼：200m3／h(20℃、0．1MPa绝压)；氮气纯度：99．9％(含氧量小于0．1％)；氮气供应压力：0．6MPa。
2．2分子筛的选择及量的确定\

根据以往的经验、各分子筛的实验数据及装置所要求的技术参数，该装置选用德国BP公司的最新185型碳分子筛，其某工况下的性能数据：(1)整体密度：610~630g／1；(2)平均颗粒直径：2．3~2．5mm；(3)PSA产氮量：99．9％N2时，大于115m3／h·t；(4)PSA提取率：大于27％N2／空气。

以上几个方面的数据对加工空气的压力、露点、含油量皆有一定的要求。选用BF分子筛的理由为：如采用国产分子筛则所需分子筛量相应较大，所配置的吸附筒容积也相应增大，而且单级吸附也较难达到所需纯度要求。参照分子筛的有关参数，通过比照就可以确定在所需压力0．6MPa、纯度99．9％N2时所配备的分子筛量Q1。

2．3空气压缩系统、冷干机系统的确定

由于分子筛对加工空气的压力、露点、含油量皆有较高的要求，因此常选用无油润滑空压机或油润滑空压机加多级油雾过滤器来保证对含油量的要求；选用冷干机来保证其对空气的露点要求。在该装置中，采用无油润滑空压机，其技术数据：加工空气量10m3／h(Q2)、出口压力0．8MPa。而冷干机所要求达到的压力露点不大于5℃。

2．4吸附器系统的参数、结构设计

吸附器系统是整套装置的核心，其设计、制造质量直接影响到整套装置的性能和寿命。而吸附器不同的参数、结构设计方法，也有着其各自的优缺点。如何达到最佳设计，制造商务有不同的看法。

2．4．1吸附器的参数设计

①吸附器最小直径D0的确定

吸附器的设计首先考虑的是吸附器的空塔速度V0，不同性能的吸附剂其允许的空塔速也各有差别。根据加工空气量Q2与空塔速度V0就可以计算出吸附器最小直径D0。

②吸附器容积V的确定

吸附器容积V由三部分组成：装填分子筛Q1所需的容积V1，相关结构件所占的容积V2以及其它缓冲、均布稳定气流所需的容积V3；即V=V1+V2+V3；其中V，由参数设计确定，V2、V3由结构设计确定。
2．4．2吸附器的结构设计
①吸附器高径比的确定
吸附器高径比决定了吸附器是矮胖型还是细长型。采用矮胖型低床层设计，分子筛利用率高，吸阻小，压损少，而器体制造相对困难。采用细长型高床层设计，吸阻大，但能使气流沿吸附器轴向均匀扩散达到等温吸附，以及较高的纯度吸附要求。

②吸附器数量的确定
吸附系统按吸附器的数量可分为单塔、双塔及多塔系统，考虑到整个装置的实际情况，如压缩机供气的经济性、排气的连续性、所需设备的复杂程度以及制造成本的高低，常取双塔和三塔流程，而双塔流程在制氮装置中尤为多见，其整个装置包括两只吸附器和一只缓冲容器。
③吸附器内部结构的设计
吸附器内部结构的设计包