PSA变压吸附制氮的基本原理

变压吸附 (pressure swing adsorption，简称PSA)气体分离技术，作为非低温气体分离技术的重要分支，对于中、小型制氮装置，与深冷法相比，PSA技术具有显著的优越性。PSA技术具有工艺流程简单、自动化程度高、设备制造容易、占地小、启动快、开停车方便、操作维护简便、运行成本低、投资省等显著特点。对于小于3000～5000m3/h的制氮能力，PSA制氮技术经济效益优于传统深冷法。

40年来，从吸附剂的研究到工艺流程开发已取得很大进展，变压吸附气体分离技术已成为现代工业气体分离与净化的

碳分子筛PSA制氮工艺技术
1.1 基本原理
由于吸附剂对不同气体在吸附量、吸附速度、吸附力等方面的差异，以及吸附剂的吸附容量随压力的变化而变化，因此可在加压条件下完成混合气体的吸附分离过程，减低压力解吸所吸附的杂质组分，从而实现气体分离以及吸附剂的循环使用。变压吸附制氮技术，采用碳分子筛为吸附剂，碳分子筛对氧氮的吸附速度相差很大，在短时间内，氧的吸附速度大大超过氮的吸附速度，利用这一特性来完成氧氮分离。碳分子筛对氧的吸附容量随压力的降低而减少，减低压力，即可解吸，完成碳分子筛的再生。另外，碳分子筛对二氧化碳和水分也有吸附能力， 且较容易减压解吸。

1.2 设计原则
变压吸附制氮系统的设计要综合考虑氮气回收率、氮气产量及投资成本，而实际设计和操作受许多变量的影响，其中一个变量选择得不适当，都可能导致氮回收降低，影响氮气产量，单位能耗增加，装置尺寸增大，使得投资也增加。
(1) 压缩空气预处理 分子筛对压缩空气中油分的吸附是不能用减压方法再生的，为此压缩空气必须先经除油预处理，必须采用先进的精密油过滤器， 分离粒径范围为大于0.01µm，从而保证制氮装置的长期运行。
(2) 吸附剂的选定
主要考虑碳分子筛的吸附平衡、吸附速度、脱附速度、吸附选择性等特性，其他如形状、粒径、密度、空隙率、比热容以及压缩强度、 耐磨性等特性也在考虑的范围内。
(3) 吸附塔数
中小型PSA制氮设备一般从设备数量、配管、操作控制、投资等考虑，采用二塔循环设置为主。对于大型设备，从操作经济性考虑，更加注重氮回收率， 降低单位耗能， 可考虑三塔、四塔循环设置。
(4) 吸附塔高
平衡分离型的吸附塔的设计，传质速率和传质区的高度是必须考虑的。吸附塔的高度应控制在一定范围内，过低则实际吸附剂利用率低， 影响氮气回收率， 过高则空气流经吸附剂的线速度过高， 也要影响到物质扩散以及对吸附剂物理形态的影响。
(5) 吸附压力
吸附压力一般选定在0.6～0.8MPa为宜，碳分子筛在一定吸附压力范围内具有吸附压力增加产氮率相应增加的特性，但是产品氮的回收率一般相应降低， 因此要综合考虑到产氮率和氮回收率来选定吸附压力， 这两者实际上是一次性投资和长期操作费用如何合理确定的问题。
(6) PSA工艺步骤
若PSA制氮系统只以充压、吸附、减压等最基本的PSA步骤来操作，是难以满足高氮回收率和产氮率的要求。因此，在设计中须采用产品氮充压，产品氮冲洗等有利于提高氮回收率和氮产率的创造性设计。
(7) PSA自动控制系统
采用可编程序控制器(PLC) 和管道式气动阀门(切换寿命达100万次)保证了工艺切换的高可靠性，使PSA制氮装置适应连续性工艺要求。

1.3 产品特点
(1) 分子筛复合床结构，保护碳分子筛不受油分和水分的污染，确保碳分子筛长期使用；
(2) 科学的结构设计，特殊的气流扩散装置，避免了气流高速冲击造成碳分子筛粉化现象；
(3) 采用德国气动角座阀，使用寿命长达300万次以上，能满足设备长期连续运行；
(4) 先进工艺流程设计，利用了分子筛的吸附功能；
(5) 设备紧凑，占地面积小，空气净化组件和 PSA制氮装置可安装在同一底座上，组成一体化 结构；
(6) 自动化程度高，采用PLC自动程序控制，并可根据氮气纯度自动调节，而且预留接口以便于计算机远程控制；
(7) 采用内平衡式自动压紧装置和独特的分子筛填装技术提高了整机的长期运行的可靠性；
(8) 成本低，比购买钢瓶氮气或液氮费用低廉很多倍；
(9) 氮气自动排空系统纯度联锁。

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