变压吸附(PSA )空气分离工艺技术进展
韩跃斌,王一平,边守军,郭翠梨,张金利
(天津大学化工学院 300072)
摘要:论述了PSA 法空分的工艺技术,为提供产品气纯度和回收率而对工艺流程作出的改进,并提出了PSA 法空分工艺流程下一步的研究方向。
关键词:PSA ;空分;工艺流程
中图分类号:TQ02811 文献标识码:A 文章编号:100129219(1999)06236207
收稿日期:1999201213
0 前言
O 2和N 2是化学工业中重要的原料,在冶
金、电子、环保以及医疗等领域都有广泛的用途。O 2和N 2都由空气分离得到,以前主要采用低温精馏法(即深冷法)制取,变压吸附(PSA )分离法出现后,开始应用于空分领域,并且技术日益成熟,首先在中小规模空气分离领域,尤其是供应富氧或富氮时,PSA 法空分工艺建立了自己的优势。与深冷法相比,PSA 法的优点在于,常温操作,启动时间短,投资少,自动化程度高,占地面积少,产品纯度调节方便,工艺设备简单等。目前,新发展的膜分离法为世人所瞩目,有设备紧凑、简单、处理量大和投资费用较低等优点,但也存在薄膜易于损坏、对原料气净化要求高、操作压力大、维修费用高、可靠性差等弱点,制膜技术有待不断改进,与之相比,PSA 法空分已经比较成熟。
一段时间以来,在保持PSA 法经济性的前提下,人们把提高产品气的纯度和回收率作为目标,深入研究了PSA 法空分流程的各个步骤和影响纯度及回收率的因素,改进了操作时序和管路流向,开发了一些新工艺,使PSA 法生产的O 2纯度可达到9915%,N 2的纯度更高达9919%甚至99199%以上,回收率也可达到60%。本文主要概括了人们为了提高产品纯度
和回收率而对传统PSA 工艺所作的改进,以及
另外一些有创新的工艺,并总结了影响产品气纯度和回收率的一些因素。
1 真空变压吸附(VSA )
PSA 法空分操作压力是根据装置规模、产
品纯度和用途,分别使用由大气压至014×105Pa 的吸附压力,和由真空至大气压的解吸压力。一般来讲,若提高吸附压力,则吸附剂的吸附容量会增加,因此可以减少吸附剂用量,但是由于解吸排出的废气量增加,致使收率降低。可采用真空再生法将吸附压力降低至接近大气压,抽真空解吸,这种方法简称为VSA ,已经成为变压吸附的主流,早在1993年前后,日本已经有大约200台大、中型VSA 流程装置(解吸压力变动范围为(01013～0105)×105Pa 表压)在运行[1]。VSA 提高产品气纯度和收率的效果很明显。日本专利报道[2],同样以CMS 作吸附剂制氮,常压再生法N 2纯度为9910%,而真空再生时N 2纯度可达到9919%。这是因为,真空再生使得吸附相解吸更彻底。如图1[3]所示是PSA 制氮分别用真空解吸和大气压解吸时氮收率的比较。与高压吸附的PSA 流程相比,VSA 另一个优点是能耗降低。高压吸附流程能耗主要在原料气的压缩能耗,而采用真空解吸时,抽真空的负载仅是吸附相组分,只是原料气的一部分,而且抽真空过程中床的真
空度是逐渐提高的,到了最后阶段才达到较高
的压力比。因此负载小、处于高压力比的时间短使得VSA 的能耗比常压解吸的PSA 有较大的降低
。
图1 两种再生法的效果对比
2 高浓度制氧装置
现在
PSA 制氧一般采用真空再生法
(VSA ),是依据Bayer (西德)申请的专利进行的,随后申请的许多专利,都是在流程中增设一些装置,或改变操作时序,来提高O 2的纯度和收率,其中之一是压力平衡法。这种流程包括在吸附的最后阶段,回收空气中残留的接近出口产品浓度的O 2,把它送入真空再生塔,可使O 2的收率达到60%以上。如图2所示是日本酸素开发[3]
的用压力平衡法回收O 2的流程切换程序。
图2 日本酸素株式会社开发的
PSA 制氧工艺示意图
第一步是进行压力平衡,分别在塔上部回
收高浓度的氧气,在塔下部回收空气组成的气体。用这种方法既充分回收了床内的余留气体,又不致引起再生后床层产品端的污染。第二步是进行正常抽空。第三步是在抽空期间用一部分产品气吹洗再生塔。吹洗可加速吸附剂对氮的脱附。日本酸素的工艺可制取浓度达
93%～9515%的高浓度氧,且回收率高。
由于Ar 与O 2在沸石分子筛上的吸附性能极其相近,用沸石分子筛制氧时,Ar 与
O 2一起被浓缩,即使将N 2脱除至110×10-4,产品气中O 2的含量也只能是9512%,其它多达418%是Ar 。因此,单纯用沸石分子筛PSA 制O 2工艺,不可能将O 2浓缩至9512%以上,而在实际应用中,例如炼钢过程,需要用大量的高纯度O 2。日本住友精化公司[4]已经研制成功一种新的PSA 制O 2装置,该装置在沸石分子筛的基础上,使用了优先吸附O 2的碳分子筛来脱除Ar ,脱完Ar 的富氧气体再通过沸石分子筛吸附柱除去氮气,结果能将O 2浓缩至9915%,其流程如图3所示。
图3 高浓度制氧装置
3 高浓度制氮装置
沸石分子筛和碳分子筛(CMS )都可以用
作吸附剂制取氮气,前者是在解吸过程中从吸附相得到氮,后者是在吸附过程中从气相中获得氮。从工艺流程来分析,CMS 制氮的流程比较简单,产品氮的纯度较高,氮的回收率也高。但是,因制氮用的CMS 是凭其吸附速率不同而分离氮和氧的,对吸附剂的孔径要求很严格,世界上能够用CMS 工业化生产高性能氮的只
有四家公司[3],它们是德国的BF 公司,美国的Calgoh 碳公司,日本的Takeda 化学工业有限公
司和Kuraray 化学品有限公司。国产CMS 的性能欠佳,而沸石分子筛的生产工艺成熟,供应充足,因此国内使用沸石分子筛制氮较多。311 沸石分子筛制氮
O 2和N 2在沸石分子筛上都具有明显的共
吸附,O 2共吸附量达到22%以上[5],用沸石分子筛制N 2是将吸附相解吸得到产品N 2,因此,
