隨著變壓吸附技術(shù)的不斷成熟,制氮機的應用領域越來越寬闊,國際上對碳分子篩的需求也越來越大,歐美等發(fā)達國家的需求量每年都穩(wěn)步增長,近幾年發(fā)展中國家的需求量更是突飛猛進,每年以成倍的速度增長,保守估計,2013年國際上碳分子篩總需求量在數(shù)十萬噸以上。
碳分子篩(英文名carbon molecular sieves)是新型的非極性吸附劑,具有在常溫變壓下吸附空氣中氧分子的性能,因而可獲得富氮氣體。它分離空氣的能力取決于空氣中各種氣體在碳分子篩微孔中的不同擴散速度、或不同的吸附力、或兩種效應同時起作用,碳分子篩PSA空分制氮就是基于這一性能。
該產(chǎn)品屬于碳素吸附劑,是由碳組成的多孔物質(zhì),孔結(jié)構(gòu)模型為無序堆積碳素結(jié)構(gòu)。碳分子篩是非計量化合物,其重要性質(zhì)是基于它的微孔結(jié)構(gòu)。它分離空氣的能力,取決于空氣中各種氣體在碳分子篩微孔中的不同擴散速度,或不同的吸附力,或兩種效應同時起作用。在平衡條件下,碳分子篩對氧和氮的吸附量相當接近,但氧分子通過碳分子篩微孔系統(tǒng)的狹窄空隙的擴散速度要比氮分子快得多,碳分子篩空分制氮就是基于這一性能,在遠未達到平衡條件的時間之前,通過PSA工藝流程使氮氣從空氣中分離出來。
該裝置一般稱為制氮機。其工藝流程是采用在常溫下變壓吸附法(簡稱P.S.A法),變壓吸附為無熱源的吸附分離過程,碳分子篩對被吸附組份(主要是氧分子)的吸附容量因上述原理在充壓、產(chǎn)氣時吸附,在降壓排氣時解吸,使碳分子篩再生。同時,床層氣相富集的氮氣穿過床層成為產(chǎn)品氣,各步驟連為循環(huán)操作。
碳分子篩在動力學效應的同時,又具有平衡吸附效應,吸附質(zhì)分壓高,吸附容量也高,因此加壓吸附是有利的,但吸附壓力太高,對空壓機的選型要求也增高,另外常壓再生與真空再生兩個流程對吸附壓力要求也不同,綜合各項因素,建議常壓再生流程的吸附壓力選為5~8Kg/cm2為宜;真空再生流程的吸附壓力選擇為3~5Kg/cm2為宜。
PSA—N2精制裝置有混合器、催化反應器、后冷卻器、旋風分離器、過濾器、吸附式干燥器、氧分析儀、 流量計以及產(chǎn)品氮氣緩沖罐組成。流程簡圖。根據(jù)持續(xù)監(jiān)測出的實際氧含量,調(diào)節(jié)進入原料氣中的配氫量。為了使過量氫達到小值,采用經(jīng)特殊設計的混合裝置和具有的氫氣控制系統(tǒng)?;旌蠚馊缓筮M入一催化反應器,在反應器內(nèi)氫氣與氧氣發(fā)生放熱反應,轉(zhuǎn)化為水蒸氣。經(jīng)一后冷卻器可使大部分水蒸氣冷凝下來,并經(jīng)過水分離器除去冷凝水。隨后根據(jù)所需產(chǎn)品氣露點,由一冷干機或吸附式干燥器進行干燥。冷干機可獲得常壓露點為-25℃的產(chǎn)品氣,露點低于-40℃時需使用吸附式干燥器。產(chǎn)品氣純度通過氧分儀連續(xù)進行監(jiān)測。當產(chǎn)品氣純度低于客戶要求時放空。整套系統(tǒng)全部通過自控操作,無需操作人員。
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