变压吸附制氧装置部分概述 [复制链接]

在最近10年，变压吸附制氧制氮技术已成熟运用于各行各业。对于中小规模的PSA制氮设备，
，可完全取代深冷法。但对于运用变压吸附技术制氧，当氧气纯度在95％以上时，目前几乎只能靠低温法生产。从前虽有日本能够用变压吸附法生产99.5％O2的报道，但实际的工业化装置，笔者还未确知。西梅卡亚洲气体系统成都有限公司，仅在装置容量很小(<15NMa3／H)的情况下，采用意大利Ttalfilo技术生产99％氧纯度的分子筛制氧装置。笔者在此仅主要说明针对不同变压吸附制氧装置容量采用何种流程配置及经济尺度的量化做一简要说明。
运用变压吸附技术，可采用三种不同的工艺流程制取氧气。它们的主要区别在于吸附循环周期的安排，吸附器数量多少和吸附压力的高低等，从用户的角度来看，不同的投资费用，单位产品能耗，冷却水用量，到底选择哪


一种流程应视用户现场的使用条件来选择。西梅卡公司制氧依靠德国EVT--Mahler技术可提供如下装置：
一、(L)PSA--O2--PLANT[(低压)变压吸附]
吸附床数量 2床工艺
氧气纯度 85~94．9％(by vol.)
装置容量 ≤500NMa3／H
工作压力 ~2Bar．A[5~8Bag．A]
二、VPSA--O2--PLANT(真空压力变压吸附)
吸附床数量 3床工艺
氧气纯度 85~94．9％(by vol.)
装置容量 ≤1500NMa3／H
工作压力 ~1．1Bar．A
三、VSA--O2--PLANT(真空变压吸附)
吸附床数量 3床工艺
氧气纯度 85-94．9％(byv01．)
装置容量 ≤4000NMa3／H
工作压力 ~1．05Bar．A


比较项目
PSA
VPSA
VSA
装置容量
低
中
高
投资费用
低
中
高
单位能耗
高
中
低
占地面积
低
高
高
排放噪声
中
高
高
吸附压力
中
低
非常低
冷却水耗 (不含氧压机)
高
中
中
湿式真空泵用水
不需要
低
低
产品氧气的组成
组分含量
产品纯度
Ar
N2
90％
3．97％
6．03％
93％
4．51％
2．49％
95％
4．86％
0．14％
装置产量与纯度的关系

96% 98%100%102%104%106%108% 110%

国外变压吸附制氧装置总成费用分布
分类项
电气
仪表
增压机
阀门
吸附剂
真空泵
容器
预制 部分
其它★
资金 比例
8％
5％
7％
4％
24％
17％
11％
5％
19％
★注：其它费用(19％)包括：8％的土建费；6％的安装费；3％的运输费；2％的监理费。
一套优秀的变压吸附制氧装置取决于：
——恰当的工艺参数
——新的吸附器结构
——先进的控制系统
——标准系数化设计
——先进的负荷调节
在过去15年间，PSA制氧工艺获得了巨大发展。表现在装置能耗和投资费用持续降低。早期碱A制氧能耗在1KWH／NM3，近期装置对于93％02采用VSA可达到<0．4KWH／NM3，这都取决于吸附剂性能改善和工艺过程的完善。三床工艺多用真空解吸，每只吸附床均经过吸附、抽真空、增压等步骤。整个工艺过程为“准连续”，在每一时刻总有一只吸附床处于吸附步骤以确保有连续的氧气输出。可以不需要增加额外的氧气产品缓冲罐，并且真空泵连续工作，吸附床充压全部或部分由产品02完成。操作连续，能耗降低，吸附剂机械磨损小是三床工艺的主要优点。当然，双床工艺也用于02生产。双床工艺不能连续操作，由于吸附床解吸后在开始下个吸附步骤之前，必须由产品氧气缓冲罐以确保连续供气。双床工艺系统亢压主要是由两吸附床均压来实现的。双床工艺每一个吸附器经过的步骤：吸附，均压降压，抽真空，均压充压。通常情况下，吸附压力为超大气压而解吸压力倾向于略高出三床工艺系统。采用两床或三床并无明确的经济界限可以比较，三床工艺的能耗要低点，但两床工艺可以期望投资费用低于三床工艺，主要是节省了吸附剂用量。它的采用取决于每一个用户项目的实际经济条件和使用条件。
VSA装置的能耗和容量取决于下列这些参数：
——吸附压力
——解吸压力
——吸附温度
——循环时间
——清洗气用量
——吸附床几何结构
——吸附剂质量(选择性>吸附容量>机械强度)
——吸附剂颗粒尺寸
当然，要想在实验装置或工业装置上来验证上述关联因素是可能的。但这是一项耗时巨大的系统工程。最难于研究的是温度对于吸附／解吸的影响。尽管绝大多数工艺装置工作在环境温度上下，或者说是原料气温度，工作温度应该视为一个重要的决定参数：温度影响吸附剂的平衡吸附容量，吸附等温线的形状，不同组分之间的吸附选择性，解吸动力学。例如，选择相对高的工作温度使个别组分的吸附相对忽略，因此容易使该组分回收后作为纯净产品。对于吸附的组分，如在操作范围内吸附等温线更趋于线性等温线，将有利于解吸，提高了分离过程动力学。整个操作过程对于质量传递可以是轻微的不可逆过程，但通常会导致低回流比。另一方面，吸附床的有效吸附容量将变小，即每个循环处理的原料气减少，并且这不必要用较短的循环时间来补偿。因为压缩和将压步骤的时间期并不受到明显的影响。只有当分离稀有气体如氖和氦时才使用非常低的循环操作温度(如液化操作温度)。有的工艺包括诸如氮气，氧气，氩气，氪气等气体吸附，可以优先选择在环境温度以下操作。
其次讲一下吸附床的结构：通常，工业装置中常用立式吸附器，主要优点在于它能较好地满足气体均匀流过吸附层，能够最大程度地利用吸附剂。然而，立式吸附器受到以下两种额外制约因素的限制：
——跨越整个吸附剂层的压降
——提升速度(局部压降)
为降低鼓风机和真空泵能量消耗，在吸附和解吸期间应力求压降最小，这就要求吸附剂装填高度不能超出2．5米，并要考虑到吸附剂颗粒尺寸，对于较大装置，这一制约因素会导致吸附器直径过大而不现实。立式吸附器垂直流向因而限制了装置的02产量在1500NM3／H以下。
关于径向流吸附器，国内在5年前就曾有 过报道，笔者以前在设计中也曾接触过径向流吸附器和卧式吸附器(变温吸附)，虽不能直接用于变压吸附装置，但我们可以从中获得借鉴。典型的像BOC卧式吸附器。只不同的是变压吸附系统所用吸附器由于工艺时间要求很短，影响床层几何容积特性的结构设计较变温吸附系统中的吸附器要严格许多。对于卧式吸附器，气流分布是一个尤为棘手的难题。国外巳成功解决了这一难题。德国MahlerAGS在变压吸附工艺中应用卧式吸附器取得了巨大成功，典型的装置有1999年供给土耳其一家钢厂的单列分子筛制氧装置，采用三床VSA工艺，装置产量4300NM3／H，氧产品纯度为93％。对于较大装置，(>2000NM3／H)用立式吸附器也可较好地代替卧式吸附器，如果是径向流吸附器，则在吸附期间，气体由外流向内，在解吸期间，气体由内流向外，这种吸附器结构的主要优点在于：
——降低吸附器容积
——降低死空间容积
——降低压降
——在吸附、解吸期间有良好的气流分布
——确保吸附剂填料不跳动
变压吸附制氧用径向流吸附器能有优良的气流分布是由于在吸附、解吸期间能够改变气体流量的结果。在吸附期间，气体由外部流向内部，气流降低；在解吸期间气体由内部流向外部，气流升高。因为被吸附和解吸的气体都是氮气。既然气体流过径向流吸附器的横截面从外向内同样降低气流，那么更为均匀的气体流速比起卧式或立式吸附器就更容易实现。这就提高了吸附剂床层的利用率同时降低了压降。
径向流吸附器的先进性是和较为昂贵的吸附器结构制造联系在一起的。因此，应当谨慎考虑其经济量度并根据整个氧气装置费用来加以选择。
至于单床制氧工艺，笔者在以前的文章中讲得较为详细，这里就不再赘述。其主要不足之处在于：进料压气札填空抽气机具有有限的差压能力并且在高压比的情况下效率低。因此，需使该操作循环尽可能降低操作真空度水平，以缩小该压差。这样操作可使进料压气扎填空抽气机在更为有效的范围内操作，并且也形成高抽吸压力，从而提高该机器在高效率下的工作容量。而且，也需要高分离效率和高吸附剂使用效率，以保持能耗最低和在给定投资的情况下达到最大的生产能力。单床工艺具有投资省，占地少，装置配套组件少，操作维护简单；但对吸附剂的性能要求更高。国外德国Mahler AGS和美国普莱克斯等公司都有运行的工业化装置。
参考资料：
1．西梅卡亚洲气体系统成都有限公司内部资料
2．林德AG M．Grab博士和P．Leigeb博士《变压吸附的氧气生产》
3．《变压吸附法用于气体纯化》作者：Daniel TONDEUR和Phillip C．WANKAT
4．《林德科技》54／1994作者：Dr．Ulrich Von Gemmingen．