变压吸附技术问答

变压吸附技术问答（通用6篇）

变压吸附技术问答 篇1

1.什么叫吸附？

当气体分子运动到固体表面上时，由于固体表面原子剩余引力的作用，气体中的一些分子便会暂时停留在固体表面上，这些分子在固体表面上的浓度增大，这种现象称为气体分子在固体表面上的吸附。吸附物质的固体称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。按吸附质与吸附剂之间引力场的性质，吸附可分为化学吸附和物理吸附。

2．气体分离的原理是什么？

当气体是混合物时，由于固体表面对不同气体分子的引力差异，使吸附相的组成与气相组成不同，这种气相与吸附相在密度上和组成上的差别构成了气体吸附分离技术的基础。3.什么叫物理吸附？

物理吸附是指依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力（即范德华力）进行的吸附。其特点是：吸附过程中没有化学反应，吸附过程进行的极快，参与吸附的各相物质间的平衡在瞬间即可完成，并且这种吸附是完全可逆的。4.变压吸附常用吸附剂有哪几种？

变压吸附常用的吸附剂有：硅胶、活性氧化铝、活性炭、分子筛等，另外还有针对某种组分选择性吸附而研制的吸附材料。5.什么叫变压吸附？

在加压下进行吸附，减压下进行解吸。由于循环周期短，吸附热来不及散失，可供解吸之用，所以吸附热和解吸热引起的吸附床温度变化一般不大，波动范围仅在几度，可近似看作等温过程。变压吸附工作状态仅仅是在一条等吸附线上变化。

6.PSA进料中为什么要充分脱水？怎样防止进料带水？

由吸附剂对水的吸附性能可知，吸附剂极易吸水，而且脱附困难，同时吸附剂吸水之后，对其它分子的吸附能力下降。所以必须对进料气进行严格脱水，以防止损害吸附剂。为了防止进料带水，通常在进料线上增设进料气水分离器，同时，为防止冬季饱和气体在管线中发生冷凝，可视情况将水分离罐后的PSA进料管线进行伴热或保温。7.PSA装置最常用的吸附剂是什么？它们对一般气体的吸附顺序如何？

PSA最常用的吸附剂是分子筛和活性炭，通常两种吸附剂组合使用。

分子筛对一般气体的吸附顺序是： H2＜＜N2＜CH4＜CO＜CO2 活性炭对一般气体的吸附顺序是： H2＜＜N2＜CO＜CH4＜CO2 8.吸附器充分吸附杂质后，各杂质在吸附剂上如何分布？为什么？

当吸附器充分地吸附了杂质以后，杂质界面最前沿为氮气、一氧化碳，其次是甲烷，再次是二氧化碳，最底层是微量的水。

杂质在吸附剂中的分布规律与吸附剂对各杂质组分的吸附能力以及吸附剂的分布状况有关。在吸附器中，活性炭作为主要的吸附剂装填在下部，分子筛作为辅助吸附剂装填在上部。进料气由吸附器底部进入床层，首先接触活性炭，而活性炭对杂质的吸附能力的大小次序为：H2＜＜N2＜CO＜CH4＜CO2＜H2O，所以吸附过程H2O、CO2、CH4、CO、N2被依次吸附下来。剩余的杂质N2又被上部分子筛吸附，从而获得高纯度的氢气。9.均压过程和意义

被抽真空后的吸附器内吸附剂再生完成，但吸附器内压力很低，与进料压力的压差太大，不能直接进行吸附，需要先升压。而完成吸附步骤的吸附器压力较高，同时吸附剂颗粒之间，存留一部分氢气应当回收。均压过程即是吸附之后的高压吸附器与再生之后的低压吸附器进行压力均衡，高压吸附器内部的氢气流入低压吸附器。均压过程中，高压吸附器压力降低，部分杂质脱附，并随物流上移，又被上部吸附剂重新吸附，故杂质界面上移。

所以均压过程使得再生后低压吸附器的压力升高，并充分利用高压吸附器内部存留氢气，提高氢回收率。

10.为什么顺放卸压过程中吸附器内的杂质界面上移？

变压吸附是物理吸附，压力降低时，被吸附的杂质可以脱附，所以当吸附器顺放卸压时，随着压力的降低，部分杂质逐渐脱附，并随着物流上移，同时又被床层上部尚未吸附杂质的吸附剂重新吸附下来。因而顺放卸压过程中吸附器内杂质界面逐渐上移。11.逆放过程及其作用？

逆放是吸附器从供吹扫终止压力下降到废气压力的逆流卸压过程，排放位置在吸附器底部，随着压力的不断降低，杂质不断脱附并排入废气系统，杂质前沿界面逐渐下移，所以排放过程使吸附器内大部分杂质脱附排出。排放结束，用供吹扫吸附器提供的纯氢从上部进入进行逆流吹扫，使残留杂质不断脱附并随物流排入废气系统，从而使绝大多数的吸附剂实现再生。

所以，排放和被吹扫的作用就是排除吸附器内的杂质，使吸附剂实现再生。12.废气缓冲罐有什么作用？

PSA运转过程中产生的废气，其压力、流量和组成都发生周期性的变化。而作为加热炉的燃料气应当具有稳定的压力、流量和热值，故PSA装置设置了废气缓冲罐，其作用就是为加热炉提供流量、压力和组成接近均匀一致的燃料气。13.进料组成变化对PSA有何影响？

进料中氢含量增加时，产氢量和氢收率提高。当氢含量低于设计值时，进料中杂质增加，产氢量和氢收率降低。如进料中杂质浓度增高而未能及时缩短吸附时间（或者降低进料流量），则能造成杂质超载，使产品纯度下降，影响PSA的操作性能。14.进料温度变化对PSA有何影响？

变压吸附是物理吸附过程，进料温度的高低直接影响吸附剂的吸附性能。进料温度太高，吸附剂的吸附能力下降，因而造成氢收率下降，同时还影响产品纯度和吸附剂的使用寿命。而温度太低了再生困难，如果因此造成吸附剂再生不完全，则恶性循环的后果将导致杂质超载的现象而损害吸附剂。常温下，10-30℃范围内几乎有相等的氢收率，进料温度太高或太低，氢收率都有所下降。15.解吸压力是否越低越好？为什么？

解吸压力即废气压力，解吸压力越低，氢回收率越高，吸附剂再生越好。反之，吹扫压力越高，氢回收率越低。但考虑到废气要能直接送到转化炉做燃料，故废气缓冲罐出口保持一定压力。

16.为什么要根据进料流量的大小调整吸附时间？

每个吸附器在一定的产品规格要求和一定量吸附剂的条件下，吸附剂对杂质的允许吸附量是一定的。所以每个吸附步骤只能提纯一定量的进料气。在一定的进料流速下，如果吸附时间过长，则吸附剂过多地吸附了杂质造成杂质超载，不仅使产品纯度下降，而且使PSA操作性能变坏。若吸附时间太短，则不能充分利用吸附剂，达不到应有的氢收率，造成浪费。所以应根据实际进料流量的大小合理地调整吸附时间，充分利用吸附剂，在保证产品纯度和保护好吸附剂的前提下，获得高的氢收率。17.什么是吸附剂的比表面积？

比表面积即单位重量吸附剂所具有的面积，单位为m2/g，吸附剂的表 面积主要是微孔孔壁的表面积.18.在吸附过程中，吸附床分为哪几个区段？

吸附床可分为三个区段：(1)为吸附饱和区，在此区吸附剂不再吸 附，达到动态平衡状态；(2)为吸附传质区，传质区愈短，表示传质阻力愈小(即传质系数大)，床层中吸附剂的利用率越高；(3)为吸附床的尚未吸附区 20.什么叫吸附前沿(或传质前沿)？

在实际的吸附床，由于吸附剂传质阻力的存在，吸附质流体以一定的 速率进入吸附床时，总是先在吸附床入口处形成一个浓度梯度，以此绘成的曲 线便称为吸附前沿(或传质前沿)，随着吸附质流体的不断流入，使曲线沿吸附 床高度方向推进。21.什么叫吸附床流出曲线？

在吸附庆中，随着气体混合物不断流入，吸附前沿不断向床的出口端 推进，经过一段时间，吸附质出现在吸附床出口处，以出口浓度－－时间绘成 的曲线叫做吸附床流出曲线。

22.什么叫穿透浓度和穿透时间？

在吸附床流出曲线中，随着气体混合物不断流入，经过一段时间(tc)后，流出气体中杂质浓度达到一定值(Cc)出现揭点，开始突然上升，这时的杂 质浓度(C 0)称为穿透浓度，所对应的时间(tc)称为穿透时间。23.变压吸附中吸附剂的再生有哪些方法？

利用降压、抽真空、冲洗、置换等方法使吸附剂所吸附的 杂质析出。24.什么叫氢气回收率？

回收率是变压吸附装置主要考核指标之一，它的定义是从高压吸附装置获得的产品中氢气组分绝对量占进入变压吸附装置原料气中氢气绝对量的百分比。25.在变压吸附循环过程中分哪些基本步骤？

(1)压力下吸附：吸附床在过程的最高压力下通入气体混合物，其中杂质被吸附，需提纯物质（氢气）从吸附床另一端流出。(2)减压解吸：根据被吸附组分的性能，选用降压、抽真空、冲洗和置换等几种方法使吸附剂再生；(3)升 压：吸附剂再生完毕后，用产品气体对吸附床进行充压，直至吸附压力为止。26.什么叫循环周期？

对一台吸附塔来说，一个循环周期就是指该吸附塔从吸附杂质开始，经过降压再生以后，又到新的一次吸附杂质开始，完成这样大的工艺过程叫做循环周期。27.什么叫吸附时间？

指一个吸附塔在吸附步骤所经历的时间，其长短可以反映该吸附塔处理进料气的总量。在运转过程中，吸附时间是一个主要操作参数。28.什么叫做吸附剂的孔容？

变压吸附技术问答 篇2

1 径向流变压吸附分离技术的应用

径向流吸附器在变压吸附分离技术中的应用是随着径向流反应器在化学工业中的大规模应用逐渐发展起来的。有关径向流反应器的发展、应用和研究, 文献中有比较详细的回顾和讨论[7-18]。了解和分析径向流反应器的应用和研究历程对进一步拓宽径向流吸附器在变压吸附分离技术的应用范围以及加快和提高其研究进程和水平是非常有借鉴意义的。

径向流吸附器最早是用在深冷法空气分离系统的前端净化系统中, 用来吸附净化空气中的水分、二氧化碳及其他碳氢化合物, 该净化系统称为分子筛纯化器。早期的深冷空分系统由于空气处理量小, 故分子筛纯化器一般采用立式平面床结构, 但当处理空气量大时, 则采用卧式水平床吸附器。但卧式吸附器有很多缺点, 如床层厚、阻力大、能耗大、占地面积大, 一旦床层不平或气流不均就有可能造成气流短路, 使部分分子筛颗粒流化, 加速分子筛粉化[19]。针对卧式吸附器的缺点, 法液空经过多年研究, 于1979年首次在法国某公司的6400Nm3/h空分制氧系统上使用了立式双层径向流吸附器[20]。1995年, 由法液空计算、设计并提供内件, 四川空分设备厂联合制造生产的该类吸附器在提供给国内某化肥厂的40000Nm3/h空分制氧系统上获得成功应用[19]。1996年, 由法液空提供的国内某钢铁公司35000Nm3/h空分制氧系统上也使用了径向吸附器, 该套吸附器也是由法液空计算、设计并提供内件, 由杭氧液空公司制造[19]。截至2002年, 这种结构的空气纯化器制造和运行的总数量, 法液空已逾200台, 具有当今世界的设计先进水平[21]。2005年, 由中国空分设备公司自主设计、研制的立式双层床径向流分子筛吸附器首次成功应用于国内某钢厂的20000Nm3/h空分制氧系统[22]。2008年和2011年, 径向流分子筛纯化器相继在邯郸钢铁集团有限公司新区配套2*35000Nm3/h空分和法液空 (伊春) 35000Nm3/h空分工程中成功应用。2012年, 攀钢梅塞尔新建6号40000Nm3/h空分中也采用了径向流分子筛纯化器。

随着PSA制氧技术的日臻成熟, 在氧纯度小于95%的应用场合, 与深冷法制氧形成了激烈的市场竞争。为了进一步增加规模、降低能耗, 充分发挥PSA技术的优势, 采用立式径向流吸附器是一种好的选择。Linde公司的第一台采用径向流吸附器的真空变压吸附 (Vacuum Pressure Swing Adsorption, VPSA) 制氧装置于1997年成功投入运转[23]。2001年, 美国PRAXAIR公司为国内某钢铁厂提供了两套VPSA径向流PSA制氧装置, 用于2000m3高炉的富氧喷煤[24]。两套制氧装置总产氧量达到8888Nm3/h, 氧纯度为90%, 单位纯氧电耗仅为0.33kWh/Nm3, 制氧量可在0~100%负荷内调节。

可以看出, 目前径向流PSA技术的应用主要集中在大型深冷空分设备的空气预纯化和单机制氧量在1500~5000 Nm3/h的VPSA制氧领域, 且前者的应用更成熟, 设计水平也较高。因此, 径向流PSA技术的发展和应用前景是非常广阔的。

2 径向流变压吸附分离技术的研究进展

一方面, 径向流动设备的关键和首要在于流体的均匀分布, 即要求流体经分布器的侧壁小孔流入 (合流) 或流出 (分流) 时, 必须沿吸附器轴向均匀分布;为此, 必须通过正确合理的理论计算和实验验证来获得径向流吸附器各组件的合适结构参数。另一方面, 径向流变压吸附与传统的轴向流变压吸附过程相比, 由于吸附器结构形式的改变, 相关结构参数和过程操作参数对吸附过程的传热、传质规律和最终的吸附分离性能的影响势必不同;因此, 对径向流变压吸附分离过程开展理论与实验研究对设计和优化分离过程是必要的。

2.1 径向流吸附器结构形式研究

早期的径向流设备主要应用于空气预纯化器和催化反应器, 而且存在很多缺点, 如大的空隙容积、流体分布不均、设计未考虑流体的反向流动、结构复杂导致的分子筛装填困难以及高压降等。针对这些不足, 专门用于PSA或VPSA的径向流吸附器设计相继出现。两种典型的而且应用较多的径向流吸附器的结构形式如图1所示[25, 26]。

图1 (a) 所示的吸附器下部和上部分别装有吸附剂 (图中A, B所示) , 对于PSA制氧, A为氧化铝, B为5A、13X或LiX等分子筛。该设计的独特之处在于, 气流的轴向均匀分布是依靠吸附器中心合流流道内的一个锥形导流器实现的, 该导流器使得中心合流流道的横截面积从上到下基本呈线性增加。与该设计类似的径向流吸附器已经取得了成功应用[19, 20, 21, 22]。

Smolarek等[26]在其专利中提出了一种更为紧凑的径向流吸附器, 如图1 (b) 所示。该径向流吸附器外壁有一定的锥度, 目的是能够与吸附器内部的的多孔外分布器形成一个变截面的梯形流道, 以此来使流体沿轴向分布均匀。该梯形流道的下部横截面积较大, 降低了进气和逆流排气时的压力损失, 同时减少了不必要的空隙容积, 从而提高了吸附过程的效率。为了获得低压降、低空隙容积以及均匀的流体分布, 该专利对流道的宽度和容积进行了限定:外环梯形分流流道的下部宽度和中心环形合流流道的宽度通常为吸附剂装填高度的2%~8%和5%~13%;吸附器进气侧和产品侧的空隙容积分别与吸附剂床容积之比通常为10%~25%和3%~10%。Celik等[27]通过模拟计算发现, 当吸附剂床高度从2.54 m增加到5.08 m, 而其他几何尺寸不变时, 仅仅依靠Smolarek等[26]的梯形流道进行流体分布的不均匀度从2%~3%上升到10%~15%。为此, Celik等[27]采用内外分布筒不均匀开孔双边调节的方法来提高气流分布的均匀度, 推荐的开孔设置为:分布筒轴向靠近底部 (进气侧) 的1/3段开孔率为1%~10%, 中间1/3段开孔率为10%~25%, 上部1/3段开孔率为25%~50%。文献[24]中用到的吸附器与图1 (b) 中的结构类似。

径向流吸附器结构形式的研究与改进受益于对径向流反应器的研究成果。为了正确选择、设计径向流设备的气流分布气, 必须弄清分布器主流道内流体的静压分布规律和分、合流情况下流体穿孔阻力系数等问题。上海化工学院等[7]于1979年进行了径向反应器流体均布的研究, 测定了单孔板和喷嘴阻力系数, 分、合流情况下穿孔阻力系数和动量交换系数, 为后续研究打下了基础。张成芳等[8, 9]详细探讨了径向反应器流体均布的合理设计, 提出了流体均布的设计原则, 计算了主流道静压分布, 对流体分布型式和流道尺寸的选择进行了研究, 具体的阐述了流体均布的开孔调节问题, 提出了确定开孔率的设计方法。朱子彬等[10]针对动量交换型流道, 叙述了主流道静压的各种组合情况, 提供了最佳流道截面比的开孔参数和外分布流道截面较大时的开孔参数;指出为了获得开孔的均匀分布, 应使开孔控制流道的横截面积与分布筒开孔总面积比大于某一临界值, 并且提供了不同情况下此临界值的大小。

值得注意的是, 在张成芳等和朱子彬等的研究中提出一个最佳截面比的概念。在这种截面比的情况下, 分、合流主流道间各点的静压差的差别均可等于零。在推导该最佳截面比公式时, 由于研究对象是反应器, 在分、合流流道内流体的质量流量不变;而对于变压吸附就不同, 以VPSA制氧为例, 由于空气中体积比为79%的氮气绝大部分被分子筛吸附, 在合流流道中的产品氧气的质量肯定要比分流流道的进气流量小得多。因此对于径向流吸附器, 其最佳截面比不能直接采用推荐公式计算, 相应的开孔参数等数据的适用性也亟待验证。

卢明章等[20]对用于大中型深冷空分设备空气净化的立式径向流吸附器进行了气流均布实验, 在分流流道截面积及分流流道模型 (动量交换控制型) 保持不变的前提下, 通过改变合流流道的截面积、改变流道的组合型式 (型、Z型) 、改变中心集气管尺寸及其离底距离、是否采用测流开孔调节等方法来组合试验工况。结果显示, 立式径向流吸附器应优先选择向心型流道布置, 采用内分布筒开孔调节时, 气流不均匀度小于±5%;同时验证了朱子彬等提出的关于当分、合流流道截面积满足最佳截面比时, 只要使该截面比大于相应的均匀开孔临界管孔截面比, 分布筒均匀开孔即可保证气流沿轴向均布的设计方法的正确性。由此可以看出, 当分、合流流道中主流气体的质量变化不太大时, 张成芳等、朱子彬等提出的径向流反应器的相关设计方法还是适用的。

Heggs等[28]对一种具有多吸附层的径向流空气净化器, 采用数值计算和实验相结合的手段研究了吸附床内的流体分布情况和压降特性。结果显示, 实验值和计算值之间的差别较大, 尤其是分流流道内压力的分布, 导致误差过大的原因是气体进口的几何结构没有在模型中充分考虑。Kareeri等[18]建立了径向流反应器的计算流体力学数学模型, 并采用CFD软件模拟了Heggs等进行计算和实验的径向流空气净化器, 结果显示Kareer等[18]的CFD模拟结果更加接近实验值。洪若瑜[14]等通过比较分析各种径向流固定床数学模型, 也建议采用计算流体力学的方法来深入研究径向流反应器内的变质量流动。因此, 通过建立严格的流体力学模型来反应径向流吸附器内流体的流动特性, 采用实验研究或理论研究来精确测定模型参数, 封闭流体力学模型, 在此基础上进行径向流吸附器的设计和优化是一种好的途径。

2.2 径向流变压吸附分离理论与实验研究

从微观角度看, 径向流和轴向流变压吸附分离过程中气体在吸附剂颗粒中的扩散、传热、传质等规律是相同的;但从宏观来看, 由于径向流吸附器结构的不同, 整个吸附分离过程的传质规律和分离效果与轴向流变压吸附是不一样的。

吸附传质规律的研究常借助于吸附穿透曲线。有关轴向流吸附器穿透曲线的研究已经很多, 也比较成熟, 而径向流吸附器中, 流体流过的截面面积与主流速度都在不断变化, 穿透曲线如何变化, 则是个新的问题。郑德馨等[29]采用13X分子筛作吸附剂, CO2为吸附质, N2为惰性气体, 初步建立了单组分径向流吸附器的数学模型, 对穿透曲线进行了求解并作了实验验证。模型的建立、求解和实验装置均基于向心Z型径向流动吸附器。

该模型计算结果与实测穿透曲线基本一致, 但在穿透曲线拐弯处附近误差较大, 其原因可能是理论模型忽略了吸附热和床层径向扩散等。

Rota和Wankat[30]首先提出了径向流快速变压吸附 (Rapid Pressure Swing Adsorption, RPSA) 概念。Chiang和Hong[31]采用粒径为3μm的5A沸石分子筛在径向流吸附器上进行了RPSA制氧实验。研究发现, 离心操作获得的氧气纯度总是比向心操作获得的氧纯度要低;因为在径向流吸附器中, 流体流动阻力大部分存在于吸附器的中心部分, 而在外环进气侧的压力梯度较小, 因此向心操作使吸附剂能够得到更充分的利用。Huang和Chou[32]建立了轴向流和径向流RPSA数学模型, 通过Chiang和Hong[31]、Pitchard和Simpson[33]的实验数据进行了验证, 模拟结果与实验值吻合较好。。

Huang和Chou[32]通过模拟计算径向流RPSA制氧过程, 系统考察了径向流吸附器有效长度、进气方向 (向心或离心) 、吸附剂颗粒大小、进气压力、产品流量等参数对氧气回收率和纯度的影响;并且与轴向流RPSA的分离性能进行了比较, 结果显示在相同的产品流量时, 径向RPSA的氧气纯度要高, 单位重量吸附剂的气体产量也增加, 但是回收率有所降低。

杜雄伟[34]采用平衡理论, 对径向流吸附器空气吸附分离制氧动力学行为进行了分析研究, 考察了主要吸附质———氮气在吸附器中的浓度分布、传质区的移动以及穿透曲线等, 并与轴向流中的动力学行为进行了比较。借鉴径向反应器的设计理论, 设计出符合实验要求的半工业性立式双层径向流吸附器, 吸附器采用向心π型分布合流均匀开孔控制。在自行研制的两塔径向流VPSA制氧半工业性实验装置第一次系统地探讨了上述3种带有重叠步骤循环及其工艺参数对制氧性能的影响, 比较了不同循环优化工况下装置的制氧性能。实验比较了径向流与轴向流VPSA制氧效果, 在相同气源、相同分子筛量条件下, 对各自相应的最佳运行结果比较发现, 采用径向流吸附器和具有重叠步骤的短周期循环, 与轴向流系统相比, 可以有效降低吸附过程压比, 提高解吸压力, 减少吸附器压降, 在氧气回收率降低不太大的情况下, 增加分子筛氧气产率。

综上所述, 与轴向流PSA分离过程的理论和实验研究相比, 径向流PSA分离过程的研究显得相对匮乏, 相关报道也很少, 这种研究状况与径向流PSA技术的潜在应用需求是不适应的。

3 研究展望及建议

通过对径向流PSA技术应用趋势的分析不难推测其发展前景是非常广阔的, 由于竞争压力的增加, PSA设备制造企业不得不让其设备在高气体流速和短传质区条件下运行, 这样径向流吸附器的设计将越来越受到青睐。目前应用较多的径向流吸附器大多以专利的形式出现, 且为国外大型气体公司所有, 尤其是改善气流均匀分布的一些核心技术, 极大的限制了国产设备的开发和应用。此外, 关于径向流PSA分离过程的理论和实验研究较轴向流PSA也显得比较落后。因此, 建议今后主要在以下两方面积极开展研究工作: (1) 消化现有径向流吸附器的设计理念和技术, 充分借鉴径向流反应器的设计经验和理论, 采用先进的计算流体力学研究手段, 大力开展径向流吸附器结构研究; (2) 在径向流吸附器结构研究的基础上, 广泛吸纳轴向流PSA分离过程的研究手段和大量理论成果, 对径向流PSA分离过程进行系统深入研究, 开发与之适应的工艺流程, 寻找优化的过程参数, 努力提高分离设备的性能, 适应工业化需求。

4 结论

(1) 径向流变压吸附技术具有很好的应用前景;

(2) 径向流吸附器的应用有其自身特点, 针对径向流反应器提出的设计方法不能完全照搬;

(3) 径向流变压吸附分离过程的工艺流程、操作参数及优化策略有待深入研究。

摘要：径向流吸附器在变压吸附分离技术中的应用是随着径向流反应器在化学工业中的大规模应用逐渐发展起来的。本文回顾了径向流变压吸附技术的应用历程, 表明其应用前景是非常广阔的。详细讨论了径向流吸附器结构形式、相关理论和实验研究进展, 指出径向流反应器的设计方法不能完全直接应用于径向流吸附器的设计, 径向流变压吸附分离过程的工艺流程、操作参数及优化策略有待深入研究。

变压器基本知识问答 篇3

本章节内容是针对市场部新进厂销售人员了解变压器基本知识的读本。为便于销售人员尽快熟悉所销售产品的特性，本手册采用问答的形式，将目前电网的配套情况、配电变压器（尤其是干式变压器）的运行要求以及变压器的工作原理等基本概念做了简要的陈述。

变压器基本知识

变压器是如何分类的？

根据用途，变压器一般分为电力变压器和特种变压器两大类。

电力变压器又可分为升压变压器、降压变压器、配电变压器和联络变压器等。

※升压变压器：把电压升高，以便远距离输送电能。因为输送的电功率一定时，只有将电压升高，电流才可能减少，从而可以减少输电线路的能量消耗。

P = I2 R

——电流越小，能量损失就越少，线路损耗就越低

※降压变压器：变压器还能把电压降低，满足用户的需求。在用电的地方，建立一次和二次变电站，用降压变压器把传输来的高压电能降到合适的电压，最后用配电变压器把电能直接送给用户。

我国输变电线路的电压等级有哪些？ 我国输变电线路的电压等级有： 6、10、35、60、110、220等。

由于线路的始端（电源端）电压要比这些数据高。10kV以下的电压等级始端要高5％，10kV以上的电压等级要高10％。因此变压器的额定电压也相应提高，所以线路始端变压器的额定电压为

6.3、10.5（11）、38.5、66、121、242等。变压器的工作原理是怎样的？

变压器的基本工作原理就是电磁感应原理，及“电生磁，磁生电”的一种具体应用。干式变压器本体由哪些主要部分组成？

干式变压器主要由铁心、线圈和绝缘材料组成。铁心

铁心是变压器的基本部件，是变压器的磁路和器身安装的骨架。

※在原理上，铁心的磁导体是变压器的磁路，它把一次电路的电能转换为磁能，又将自己的磁能转换成二次电路的电能，是能量转换的媒介。※在结构上，铁心的夹紧装置不仅使磁导体成为一个机械上完整的结构，而且在其上面套有的带绝缘的线圈，支撑着引线，并几乎安装了变压器内部的所有部件。铁心的绝缘

铁心的绝缘与变压器其它绝缘一样，占有重要地位。铁心绝缘不良，将影响变压器的安全运行。铁心绝缘有两种：铁心间的绝缘和铁心与结构件间的绝缘。

※铁心间的绝缘：铁心片间要有一定的绝缘。通常，绝缘电阻应在60～105Ωcm2左右，现采用的冷轧取向硅钢片表面敷设厚δ＝0.0015～0.003的无机磷化膜以满足这一要求。

※铁心片与结构件间的绝缘：铁心片与结构件间的绝缘，包括与夹件、拉板、螺杆及垫脚间的绝缘应保持良好，绝缘电阻值应在2～3MΩ以上（2500V兆欧表）。

b）铁心的接地

铁心及其金属结构件在线圈地交变电场作用下，因所处位置不同，感应地电动势也不同，因而会产生放电现象。为防止铁心放电，铁心及其金属结构件必须可靠接地。铁心是由许多硅钢片叠压而成，如铁心有两点或两点以上接地，则铁心中磁通变化时就会在接地回路中产生感应环流。因此，铁心必须是一点接地。线圈

对线圈的要求： 绝缘强度要求

变压器在运行中既要承受大气过电压和操作过电压的冲击，又要受到运行电压的长时期作用，因此，绝缘强度很重要。这就要求线圈的设计和制造要有足够的裕度。常规产品10kV级 工频耐压

35kV 雷电冲击

75kV

b）动稳定要求 当发生短路故障时，变压器要求要承受强大的短路电流的冲击，故要求线圈有足够的机械强度能承受强大的电磁力的冲击而结构不发生损坏。通过突发短路试验给予验证。

c）散热能力要求

在绝缘加工中，均有由撑条、垫块等组成的满足电气强度的散热气道，以达到热稳定性能的要求。可通过温升试验给予验证。绝缘材料

绝缘材料在变压器中用以将导电部分彼此之间和导电部分对地（零电位）之间的绝缘隔离。用于各种支撑件时，应有良好的机械性能。对绝缘材料除了有电气性能和机械性能的要求外，耐热要求也十分重要。

变压器对绝缘材料的要求主要有：

a.良好的电气性能，电阻系数要大，耐电压值要高；

b.足够的机械强度，在一定力的作用下不发生变形和破坏；c.足够的耐温性能，极小的介电损耗，较高的导热系数； d.较小的收缩率。

变压器有哪些主要技术要求？ 变压器的额定容量

按8√10倍数增加的R10的优先系列，变压器的容量为： 10、20、30、50、63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1600、2000、2500kVA等等。

2）额定电压组合和联结组别 配电变压器常见的电压组合为： 高压：6（6.3、6.6）、10（10.5、11）、35（38.5）kV 低压：0.4kV 配电变压器通常联结组别有两种，即Yyn0和Dyn11。空载电流和空载损耗

二次绕组开路，一次绕组施加额定频率的额定电压时，所流通的电流即空载电流I0。常用额定电流的百分比表示：

i0 = I0 / In×100％

在额定频率与额定电压下所消耗的有功功率为空载损耗，也称铁耗。

P0 = k0 Pt Gt

k0 ——加工增大系数1.2～1.5

Pt ——硅钢片的单位损耗（W/kg）

Gt ——铁心重量（kg）阻抗电压和负载损耗

当二次绕组短路，一次绕组流通额定电流而施加的电压就称为阻抗电压。当额定电流流过以个绕组的线路端子而另一绕组短路时，变压器在额定频率下所吸收的有功功率称为负载损耗，也称铜耗。变压器空载合闸时为何有励磁涌流？ 当变压器空载投入线路时，励磁电流立即处于不正常状态而产生过渡现象，其峰值可能会超过额定负载电流的5倍，比正常的励磁电流，即变压器的空载电流大几百倍。该电流称励磁涌流。因此，变压器投运前常用此方法检验变压器的抗冲击能力。7）干式变压器规格型号的字母含义是什么？ 干式变压器型号中字母的含义

SCR9-1000/10 电压等级，10kV级 额定容量，1000kVA 性能等级，9型 包封式绕组外绝缘 相数，三相

若为有载调压变压器，则为SCRZ9-1000/10 若为高原型变压器，则为SCRZ9-1000/10 GY

SGB10-1000/10 低压为铜箔绕制 非包封型干式变压器

8）干式变压器的适用场所 在防火要求较高的场所、人员密集的重要建筑物内和企业主体车间的无油化配电装置中（如电厂、钢厂、石化等）。

随着城市规模的迅速发展，人口密度增加，高层建筑大量出现，城市用电量达幅度增长。为了减少电能损失，供电设备的设置越来越靠近人口密集的区域，如学校、医院、车站、机场、办公楼、购物中心、居民住宅区等。因此，对电气的安全性、环保性要求越来越高。而干式变压器具有运行安全可靠，维护简单，能满足环境保护地特殊性能，可深入负荷中心等优点，能较好地满足上述要求。

9）干式变压器的实行标准及其市场前景如何？ 符合现行国家标准，《干式电力变压器》GB/T6450、《干式电力变压器负载导则》GB/T17211、《干式电力变压器技术参数和要求》GB/T10228等规定及工程设计要求。

近年来，我国干式变压器发展迅速，由于其运行安全可靠，维护简单等特点，越来越受到广大用户地认可，新结构的干式变压器也不断问世，主要有环氧树脂浇注式、非包封缠绕浸渍式和缠绕包封式等结构，耐热等级有F级、H级、C级。目前，市场上仍以F级绝缘的环氧树脂浇注干式变压器占有率最高，但随着人们对环保要求的不断提高及新工艺、新材料的不断运用，H级和C级绝缘的干式变压器将具有广阔的市场前景。10）变压器的绝缘耐热等级及温升限值有哪些？

根据GB/T6450所规定的原则，变压器的绝缘耐热等级及温升限值如下表 温度限值表表1 绝缘耐热等级℃

105（A）

120（E）

130（B）155（F）

180（H）

220（C）

额定电流下绕组平均温升限值 60 75 80 100 125 150

参考温度℃

95 100 120 145 170

绕组热点温度℃

额定值

K

110 120 145 175 210

最高允许值

155 165 190 220 250

云南赛格迈变压器产品特点

11）Reliatran®包封式干式变压器有何技术特点？（云南赛格迈变压器产品特点）SCR系列干式变压器是1996年从法国Transfix公司引进的专利技术，经消化吸收而开发出来，代表国内先进水平的H级绝缘新型干式变压器。它的出现，大大提高了我国干式变压器的技术水平，同时，该产品也是国内第一家按欧洲标准在意大利CESI欧洲独立实验室顺利通过了三项特殊试验：防火等级达到F1级、承受热冲击能力达到C2级、环境适应能力达到E2级。产品特点

高技术水平采用的技术标准高，除符合国标外，还采用欧洲和法国标准。

高可靠性

SCR系列干式变压器主要绝缘材料为C级绝缘的 NOMEX纸，而产品的绝缘等级为H级，因此，具有较大的过载裕度。

安全性好变压器在运行中不会释放有害气体，不会助燃及爆炸，不会对环境和人造成危害。环保性好产品在制造、运输、储运和运行时都不会对环境造成污染。产品在使用寿命结束后，能回收，资源可以再利用。防护能力强变压器线圈采用专门的NOMEX材料和有机硅作外包封，具有良好的抗污秽能力和防潮防腐能力。运行与维护

一、结合SCR系列产品的特点，对干式变压器的运行作如下规定： 1.运行前检查

变压器器身和变压器的气道内无异物（特别是金属异物）。所有紧固件是否拧紧。特别是高压分接点进出线连接点。变压器各接地连线是否已可靠接地。

温控器接线是否完好，风机接线是否正确，器身表面是否清洁。

运行条件户内使用。运行环境应清洁、干燥，通风良好。如通风不畅或在地下室等潮湿的环境，需配备强制通风装置。

运行电压应不高于额定电压的105%，不低于额定电压的95%（无载调压）。变压器带电部分对地的安全距离应符合下表：表2 电压等级（kV）10 35

安全距离（mm）

≥150

≥300

≥500

有明显受潮或进水时，应先进行干燥处理，绝缘应满足下表要求： 表3 项目

高压对低压及地

低压对地

铁心对地

绝缘电阻（MΩ）≥200

≥200

≥5

现场工频耐压试验。其试验值为出厂试验值的85%。工频耐压试验时，温控器与传感电缆插头必须分离。

新产品投入运行，须进行5次冲击试验，以考核变压器的机械强度，同时考核励磁涌流衰减初期是否会造成继电保护误动作。第一次和第二次冲击应相隔5~8分钟。无异常情况后，空载运行24小时。

二、无人值班的配电室其检查周期和次数应符合现场运行规程的规定： 日常检查项目表4 检查项目

检查要点

措施

运行状况

电压、电流、负荷、频率、功率因数、环境温度有无异常。

及时记录各种上限值，发现异常要查明原因。

变压器温度

分别记录温控器的温度显示值。温度异常升高，不仅影响变压器的使用寿命，甚至终止运行。

温度异常时，检查测量仪器必须确保准确，发现温度计失灵，应及时修理或更换。

异常响声

外罩内有无共振音；

有无接地不良引起的放电声； 附件有无异常音及异常振动。

从外部能直接检测出共振或异常噪声时，应立即处置；变压器主体有放电声及异常响声时，应立即切换电源并进行检查。

风冷系统

除正常声音外，确认有无振动和异常温度。

附件有过热等异常情况时，应分解修理或与制造厂联系。

引线接头、电缆、母线

通过涂料变色情况或根据仪器判断引线接头、电缆、母线有无过热现象。

如发现异常，应退出运行并作检查。

线圈铁心等污染情况

绕组是否有附着脏物，铁心、套管上是否有污物。

有异常时应尽早清除、处置。

绝缘件、线圈外观等

绝缘件和线圈表面有无炭化或放电痕迹，绝缘件是否烧焦，发出臭味。

有异常时应尽早清除、处置。

有载分接开关、触点、丝杆

有无过热，电源指示有无不正常。

有异常时，应退出运行并作检查及修理。

外罩

检查是否有异物进入、雨水滴入和污染。

经常检查和清扫。

配电室

门窗、照明是否完好，温度是否正常。

有异常时，应修理。

定期检查隔3~5年检查一次。定期检查项目表5 检查部位

检查项目

检查要点和措施

线圈、铁心、风道等

有无尘埃堆积，有无生锈。

1.尘埃堆积明显时，用干燥的压缩空气吹拂，或用真空扫除机清扫。

2.铁心和套管表面应经常用布擦拭，但注意不要碰伤线圈和绝缘件表面。检查夹件及引线裸露部分有无腐蚀。

温控器

最高温度

记录曾出现的最高温度，持续时间。

引线、分接头及 其他导电部位

过热、紧固松弛

检查引线连接、分接头连接及其他导电部位有无过热，紧固部分有无松弛。

风冷系统

风冷装置

对冷却系统各部位进行检查，如使用断风报警装置时，应确认其动作。

线圈压紧

是否松动

查明紧固部分是否有松动，如有松动应立即紧固，重新加固防止转动的锁扣。

绝缘

绝缘老化判断

检查绝缘电阻，未达到要求时应进行干燥，或与制造厂联系。

SCR系列与SG系列技术方案的对比表6 产品种类 比较内容

SCR系列

SGB系列

产品型号

SCR包封型

SGB非包封型

绝缘等级

H级

C级

按欧洲标准测试情况

SCR系列产品是国内第一家已在意大利CESI独立实验室按欧洲标准HD464通过了如下特殊试验的干式变压器： SGB系列产品未按欧洲标准HD464作过三项特殊试验。

1．F1级耐火能力试验

2．C2级承受热冲击能力试验

3．E2级适应环境能力试验

工艺特点

以美国杜邦（DUPONT）公司独家生产的NOMEX（C级绝缘）纸为主绝缘材料，无需真空浇注。该工艺特点是对设备及环境要求不高，工艺简单，工艺装备成本低，人和环境对工艺稳定性的影响较小。

以美国杜邦（DUPONT）公司独家生产的NOMEX（C级绝缘）纸及其它绝缘材料构成产品整个绝缘系统。在真空状态下进行线圈浸渍，最后高温固化。

线圈材料

主绝缘材料：NOMEX纸（C级）

主绝缘材料：NOMEX纸（C级）

结构特点

1．线圈结构：低压线圈使用铜箔绕制，增强了线圈的稳定性，提高了抗短路能力。高压线圈使用NOMEX纸包铜导线绕制为分段层式，有效的降低了层间电压并增强了抗雷电冲击能力。

1．高压线圈为饼式，低压线圈为铜箔绕制，具有一定抗短路能力及抗雷电冲击能力，散热性能较好。

2．本产品所有的匝间、层间、段间绝缘以及绝缘筒都用NOMEX纸或成型件组成。高低压线圈也都用NOMEX纸进行包封。

2．由于该系列产品为非包封型，在线圈绕制完成后必须经过真空压力浸渍VPI高温固化工艺。

应用情况

在常规使用条件下，该系列产品为免维护产品，同时由于该系列产品的抗短路能力及抗雷电冲击能力都非常强，广泛使用于全国各大、中城市。

变压吸附制氮机的原理分析 篇4

川汇气体

变压吸附制氮机名词解释及工作原理分析

变压吸附（PSA）制氮技术，具有能耗低、低噪音、无污染、操作简便、性能稳定等优点。可满足各种用气需要，在冶炼、金属加工、石化工业、电子工业、食品行业、仓储运输、等众多领域得到广泛使用。

变压吸附制氮机是以空气为原料，利用分子筛吸附剂对空气中氮、氧不同的吸附性能，在常温下变压吸附(简称PSA)制取氮气。主要结构由空气净化系统，自动控制系统，制氮系统、氮气储罐等部分构成。

碳分子筛是由碳组成的多孔物质，孔结构模型为无序堆积碳素结构。它分离空气的能力，取决于空气中各种气体在碳分子筛微孔中的不同扩散速度或不同的吸附力。由于氧分子通过碳分子筛微孔系统的狭窄空隙的扩散速度比氮分子快得多。因此，当加压时它对氧优先吸附，而氮则被富集成高纯度气体。变压吸附制氮机正是利用这一特性，采用加压吸附、减压解吸的方式实现氮氧分离。变压吸附法通常使用两塔并联，交替进行加压吸附和解压再生，从而获得连续的氮气流。PSA制氮机工艺流程

压缩后的空气经空气贮存缓冲罐进入活性碳过滤器，除去油和水，然后经过冷干机干燥冷却卸压再经过T级和A级精密过滤后进入两个吸附塔。

PSA制氮工艺流程是采用在常温下变压吸附（即PSA）为无热源的吸附分离过程，碳分子筛对吸附组合（主要是氧分子）的吸附容量因其分压升高而增加，因其分压的下降而减少。这样，碳分子筛在加压时吸附，减压时解吸，放出被吸附的部分，使碳分子再生，形成循环操作。

变压吸附过程，循环操作包括：吸附、均压、降压、释放、冲洗，然后再充压、吸附几个工作阶段，形成循环操作过程。

变压吸附技术问答 篇5

新建一套变压吸附制氮装置

项目建议书

编

制

人：

单位分管领导：

报告单位（公章）：

2011年 8 月22 日

新建一套变压吸附制氮装置项目建议书

1.隐患基本情况

氮气站装置1997年建成，搁置了十年。因化肥装置开工的需要，2008年经过检修，2009年9月试运合格，运行一年多来，因装置老化，运行状况不稳定，可靠性差；设备故障率高，检维修工作量大，装置能耗较高。因装置间歇生产，开停频繁，放空噪音高，经常被周边居民所投诉。

2.编制的目的和范围

1）目的。为及时保证塔石化大化肥装置的检修、吹扫置换用氮气，保证化肥装置长周期安全平稳运行。

2）范围。为化肥装置配套新建一套变压吸附制氮装置。3.编制原则 3.1 研究目的；

1、目前的氮气站装置从运行一年多来情况看，因装置老化，运行状况不稳定，当化肥装置突发故障时，启动需要30小时以上，无法及时满足化肥用氮气需求，对化肥装置正常生产存在安全隐患。

2、氮气站装置为炼油所建，采用深冷技术，要求的纯度高，运行成本高，能耗较高。因装置间歇开停频繁，放空噪音高，对周边居民影响大。

3、新建变压吸附装置能有效降低运行成本，一次性投资成本较少； 产品质量稳定、性能可靠。

3.2 工程界限；

在炼油拆迁后的污水处理厂旁的空地上，新建一套变压吸附装置，保证化肥氮气需求。

3.3 工程内容。

新建一套变压吸附装置（含设备、阀门、仪表、电气、控制系统及存储设施）。具体由设计图纸定。管线可以接通原氮气站来的低压氮气管线，从而可以有效利用原有的氮气球罐进行氮气储存。

4.隐患监控责任分工

目前氮气站做好装置隐患及缺陷的消除，加强人员操作培训，做好装置检维修改造，提前做好准备。同时做好预防性维修工作。

5.治理方案

进行重新设计，新增一套变压吸附制氮气装置，提高对化肥装置运行的保障性。

5.1 总体布局；

考虑原氮气站装置在厂区的东北角，距离化肥装置远，需要人员单独值班看管，所以建议在污水处理厂旁的空地新增一套变压吸附制氮气装置，在目前人少高效的情况下，便于人员合理分配和集中管理。

5.2 建设规模；

新建一套变压吸附制氮装置。氮气产量2000 Nm3/h，氮气纯度≥99.9%，氮气压力：0.7Mpa(G)（1）、需要的压缩空气量约：170 m3/min，压力：0.8Mpa(G)，空压机采用离心式压缩机，空压机投资约：300万元

（2）、制氮系统投资（含净化过滤装置）约：600万元

总的设备投资约（包含空压机、）：900万元 具体要求：

（1）、成套设备系统交货周期（合同签订后）：约150天；（2）、装置完全停机后启动获得产品氮气的时间：约1小时；（3）、连续运行周期：12000小时，500天。（4）、吸附剂品牌：德国卡波（进口）CMS-F1.3型。（5）、吸附剂使用寿命：10年 5.3 工程概况；

新建一套变压吸附制氮气装置（含设备、阀门、仪表、电气、控制系统及存储设施）。具体由设计图纸定。

5.4 技术路线；

首先，请相关专业设计部门，根据分公司化肥装置氮气需求的实际情况，综合考虑进行重新合理设计。

其次，再根据设计图纸施工。5.5 主要工程量；

1）、新建一套变压吸附制氮装置（含设备、阀门、仪表、电气、控制系统及存储设施）。具体由设计图纸定。

2）、安装调试。5.6 投资估算及财务评价； 估算投资900万元。5.7 主要技术指标；

1）新建一套变压吸附制氮装置，氮气生产时间短，运行成本较低； 产品质量稳定，性能可靠，可以及时满足化肥氮气的供应。

2）可以有效的降低检维修成本和人工成本。5.8 结论。

变压吸附技术问答 篇6

关键词：变压吸附,氮气,选型

1 概 述

氮气在自然界中分布很广,它的分子式为N2,是空气的主要成分,氮气在干燥空气中体积占空气的78.08%,气源丰富,在生产中的应用已日益广泛。目前广泛应用于安全保护气、置换气、注氮三次采油、煤矿防火灭火、氮基气氛热处理、防腐防爆、电子工业、集成电路等。

工业用氮的制取方法主要有:低温精馏法(深冷法):传统的空气分离是采用深冷法,利用空气中氧氮等的沸点不同,使空气深冷液化,进行分离提纯。虽然分离量大,纯度高,但是工艺流程复杂,设备制造、安装、调试要求高,投资大,占地面积大,低温精馏法已有一百多年的历史,工业上大规模生产氧、氮以此法最为经济,但至今已难以在空气分离领域中一统天下,不适宜应用于中小气量;变压吸附法:20世纪70年代初,我国变压吸附法制取N2的就地装置开始在市场上出现,经过不断完善和改进,促使中小型空分设备在制氮领域内采用变压吸附法已远远超过低温精馏法;薄膜渗透法;化学吸收法[1,3]。通过近30a来的摸索,变压吸附制氮技术已经相当完善。变压吸附气体分离技术(PSA)工艺过程简单,设备制造容易,占地少,启动时间短,设备维护简便,适应性强,自动化程度高,可随时开停车不需采用特别措施。因此,近年来变压吸附在中小规模装置的应用日益增加。目前国内外供氮的方式,一般有以下几种:①氮气就地装置供氮;②液氮贮槽汽化供氮;③管线供氮;④钢瓶供氮。

我国在80年代前制氮装置大多采用深冷法,深冷空分作为一种传统的制氮方法为人类服务了几十年,至今在大规模供氮时还是离不开深冷法。然而,深冷空分装置复杂,设备投资、占地面积及基建费用等都比较大,操作、管理和维修也比较麻烦,因而70年代以来,国内外积极运用变压吸附分离理论,研究开发分子筛空分的制氮技术,变压吸附制氮设备简单,装置小巧,投资省,操作、维修方便,可实现自动和远程控制,所以,它倍受青睐。

2 变压吸附分离原理及技术优势

2.1 变压吸附分离原理[1,2,4]

变压吸附制氮(简称PSA制氮)是一种先进的气体分离设备,以优质的碳分子筛(CMS)为吸附剂,采用常温下变压吸附原理(PSA)分离空气制取高纯度的氮气。氧、氮两种气体在分子筛表面上的扩散速率不同,直径较小的气体分子(O2)扩散速率较快,较多的进入碳分子筛微孔,直径较大的分子N2扩散速率较慢,进入碳分子筛微孔较少。利用碳分子筛对氮和氧的这种选择吸附性差异,当压缩空气通过碳分子筛吸附塔时,氧在吸附相富集,氮在气体相富集,可使氧氮分离,在PSA条件下连续制取氮气。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。碳分子筛对氧氮的吸附速度相差很大,(如图1所示),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。

2.2 变压吸附制氮装置流程简述

变压吸附制氮装置采用常压解吸双塔流程,即环境空气经空气压缩机并吹除饱和水后,流经冷冻干燥机组,除去大部分的冷凝水,除油后进人分子筛吸附器,以保障碳分子筛的吸附效率和寿命。

吸附器共有两个,净化后的压缩空气进人一个吸附器的底部向上流动,在经过分子筛时,少量水份、二氧化碳和氧被其吸附,流至吸附器顶部的气体,即为所获得的产品氮。空气中氧、氮的分离是在两吸附器之间轮流进行的,所设置的切换阀使一个吸附器处于加压吸附状态,另一个吸附器则处于减压解吸状态;如此交替,便可连续生产氮气。所供氮气的压力一般为0.5~0.8MPa,氮纯度可达99.5%~99.99%。99.99%以上的纯度一般配后级净化装置(小设备除外),使生产的氮气纯度达到99.995%~99.9995%的高纯氮。变压吸附制氮装置后部加斯特林制冷机,可制得不同纯度的液氮,斯特林制冷机单台能力为8L/h和20L/h两种规格。

2.3 变压吸附制氮装置优势[5,6,7]

(1) 成本低:PSA是一种简便的制氮方式,开机后几分钟产生氮气,氮气成本低于深冷法空分制氮。

(2) 选用优质进口碳分子筛:具有吸附容量大,抗压性能高,使用寿命长。

(3) 雄厚的技术力量和优良的售后服务:设备集装箱化,现场安装时,只需连接气源,电源。

(4) 优良的电气和机械装配技术,提供连续性技术服务,负责现场调试及培训工作。

(5) 低能耗:采用独特的吸附塔、布气系统、碳分子筛装填工艺,并针对不同要求的制氮机选用不同工艺和不同型号的优质碳分子筛,使吸附塔体积缩小,空气消耗量降低,从而合使能耗降低。

(6) 智能化:采用人性化的人机界面,智能化控制,您所做的只是按一下按钮,就能源源不断的供应所需的氮气,解决您外购氮气及搬运气瓶的烦恼。

(7) 个性化;为特殊客户量身定做,无需氮气纯化装置,也可直接制取纯度为99.999%的高纯氮气。

(8) 模块化:采用独有国家专利技术的模块化结构,设备结构清晰流畅,紧凑美观,具有极大的灵活性,便于未来系统扩容,降低投资成本。

(9) 长寿命:采用独有的气流控制技术和分子筛装填技术,最大限度的减小气流对分子筛的冲击,降低分子筛的磨损,寿命更长。

3 变压吸附制氮装置选型时注意事项

变压吸附制氮装置(简称:制氮机)的选用涉及问题较多,主要应注意如下事项:

3.1 气源系统配置应合理

由于吸附剂是绝对不能被油或水污染的,否则吸附效果会幅度下降,因此气源的清洁度是十分重要的。根据压缩空气中不可避免含有一定油蒸气的实际情况,因此一般应选用无油压缩机。如果采用有油压缩机,则系统必须配置严格除油的装置,以确保分子筛不被污染。同时由于水对分子筛来讲是第二个致命“杀手”,因此压缩空气需干燥除水,提高分子筛吸附能力和稳定是需要十分重视的问题。

3.2 碳分子筛(CMS)质量应可靠

碳分子筛是变压吸附制氮设备核心。碳分子筛的主要性能指标:硬度、最大产氮量、最大回收率、充填密度等都会直接影响CMS的吸附性能与使用寿命。

3.3 碳分子筛应采用先进的装填方法

碳分子筛装入吸附塔后,吸附塔的结构必须保证碳分子筛在气流冲击下,位移最小,否则容易造成分子筛的粉化。但分子筛在塔内是不可能“绝对紧密”,在使用一段时间后,分子筛间的空隙在减少,慢慢下沉,因此必须采用压紧绷装置,使碳分子筛处于压缩状态,以免相互碰撞,发生移动,导致分子筛粉化。

3.4 控制阀门的使用寿命

阀门的使用寿命应超过一百万次。阀门必须具有以下性能:应在接受动作信号后的0.5~1s内完成开或关的动作;密封性能好;能承受频繁的开、关,保证百万次的使用寿命;维修方便;易损件采购方便。

4 技术发展和展望[1,7]

变压吸附制氮技术的发展主要是吸附剂技术的发展。1977年德国埃森矿业研究有限公司BergauForschung(B.F公司)研制开发了碳分子筛制氮技术以来,日本美国等都迅速发展起来。1981年吉林化工设计研究院研制的碳分子筛通过了省级鉴定,随后中国船舶工业总公司也研制开发了碳分子筛。1986年浙江长兴化工厂采用上海化工研究院技术生产的碳分子筛成为国内主要碳分子筛生产力量。国外大批量生产碳分子筛的有德国BF公司、美国Calgon碳公司、日本Takeda化学工业公司和Kuraray化学品公司。国内上海化工设计院、四川天一科技、温州瑞气空分设备有限公司等企业生产氮气装置规模和技术水平发展速度很快,接近世界先进水平。 通过对不同的分子筛比较,国内碳分子筛的产氮率还远低于国外产品,主要原因是国产碳分子筛比表面积仅是BF公司的55%,微孔不够发达。造成此状况的原因是没有完全掌握制作工艺条件和原料配比,检测设备落后无法及时监控生产,原料煤杂质高等。近年来国内碳分子筛也有了长足进步,以浙江长兴化工厂的碳分子筛的产氮率也接近180m3(标)/h·t,但是性能不稳定易粉化,使用超过3~6a产气量明显下降。

工艺流程的设计发展与七八十年相比也有了很大发展。用产品氮气的充压和冲洗等流程的采用,提高了氮气回收率和产量。从二塔流程发展到三塔四塔流程,提高了装置的经济性能。特别是不等势均压的应用,使均压后的2个吸附塔内氮气纯度不同,从而降低排空气体的含氮量,提高回收率。 从变压吸附制氮运行装置来看,国内主流流程为以国外碳分子筛为吸附剂,采用双塔流程,在0.6~0.8MPa吸附压力下,利用氮气冲洗和常压解吸流程,提取氮气。这种配置能耗低,在0.3~0.4m3(标)/kW·h左右。 最新碳分子筛研究技术是向碳分子筛中添加氧化铁,以其磁性增加碳分子筛对氧气的选择吸附性。日本有过书面报道,大连理工大学也进行了这方面的研究。在将来变压吸附制氮技术生产的氮气纯度高于99.999%是极为可能的。 从目前制氮技术应用来看,碳分子筛技术成为主流技术,沸石分子筛技术由于处理原料气和真空解吸等繁杂步骤应用较少。尽管沸石分子筛技术可以提取高纯氮,不过能耗高规模也在200m3(标)以下。高纯氮制取一般采用加氢脱氧技术,在普氮中加入适量的氢气,在加氢脱氧催化剂作用下,氢气和氧气反应生成水,然后再除去残余的氢或氧,最后通过干燥塔除去水分得到高纯氮气。

采用变压吸附技术从空气中提取氮气,在中小规模用户已经广泛普及。在2 000m3(标)/h能力范围内,比深冷更具吸引力,已经成为氮气市场的主流,它不但生产过程简单维护操作方便,产品纯度在一定范围内可以任意调节,而且规模从几十到上千方规模可以任意选用。

参考文献

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