变压吸附制氮设备设计.doc

毕业设计(论文)成果材料 （2010 届） 题题 目目 变压吸附制氮设备设计变压吸附制氮设备设计 实习岗位实习岗位 项目工程师助理项目工程师助理 2010 年 04 月 25 日 目目 录录 文本成果 摘要.2 引言.2 1 任务分析.2 2 方案的初步选定.3 2.1 两个制氮方案拟定.3 2.2 两个方案的比较.3 3 方案的详细设计.3 1 3.1 设计参数的确定.4 3.2 干燥及净化设备简单介绍.5 3.3 变压吸附的制氮原理.7 3.4 影响纯度和流量因素的控制 .8 3.5 调试与改进.12 4 总结评价.13 致谢.13 参考文献.14 实际成果 一、实物（照片）.15 二、附录（图片）.17 变压吸附制氮设备设计变压吸附制氮设备设计 章琦君 摘要摘要：PSA 新型变压吸附制氮装置是一种在常温下从空气中直接制取氮气的高新、 节能分离技术。利用压缩空气经除水、除油、除尘一系列的净化后在变压吸附作用下，由 于动力学效应，氧在碳分子筛上的扩散速率明显高于氮，在吸附未达到平衡时，氮在气相 中被富集起来，采用西门子 PLC 自动控制技术，实现连续生产高品质的氮气。具有设备紧 凑、占地面积小、全自动操作、运行可靠、起停车快、运行成本低、常温生产和维修方便 等优点，且氮气的纯度和产量可适当调节，无污染，是一种高效的现场制氮装置。 关键词：关键词：变压吸附，碳分子筛，制氮装置 引言引言 2 制氮装置一般有三种形式：深冷式空分装置、膜分离空分设置、变压吸附 空分设置。深冷式空分是将压缩空气采用极低温度把空气液化，并通过分馏塔 上的分布，根据不同种类气体密度不同来分离气体的一种装置。膜分离空分装 置是利用压缩空气在膜组上的渗透速率来分离提取气体的一种手段通常需要空 气源压力在 1.3Mpa 以上，其主要的优势是结构简单，适用于小量和低纯度氮气 的使用。变压吸附空分装置是在一定压力下，由于动力学效应，氮氧在碳分子 筛上的扩张速率的差异，利用压力变化来制取氮气。该形式的设备，现已经入 成熟期，其技术已经非常成熟，生产成本已经达到客户所愿意接受的价格空间， 所以现在各行业中使用非常广泛，氮气纯度也可以在 95%-99.9995%的空间中 选择。并适合于几十到几千立方的氮气使用量，所以其经济效益非常明显。相 比较这三种制氮装置，选择变压吸附式的优势在于不需把空气液化，氮气纯度 的选择范围也广泛。 1 1 任务分析任务分析 根据客户对氮气的纯度和流量的要求，确定制氮设备的型号，计算有效耗 气量选择其他设备的型号。根据客户对所需氮气的要求选择相应型号的净化设 备及干燥设备。如果有必要，还需要将制氮分为两步：第一步，制取普氮；第 二步，将符合设计标准的普氮纯化。 2 2 方案的初步选定方案的初步选定 根据客户对氮气的纯度和流量的要求，确定制氮机的型号为 PFN120D， 制氮机流量为 120 Nm/h，纯度为 99.9% 2.12.1 两个制氮方案拟定两个制氮方案拟定 方案一：制氮吸附筒采用直径 700mm 筒体方案设计 方案二：制氮吸附筒采用直径 750mm 筒体方案设计 2.22.2 两个方案的比较两个方案的比较 由于最终所需氮气的流量和纯度是固定的。故所需要的碳分子筛的量是固 定的，制氮机吸附筒的容积是固定的，区别在于根据制氮机吸附筒直径的不同， 筒体的高度是不同的。而直径和高度又影响到碳分子筛的产氮率和使用寿命。 3 设备高度过低，影响产氮率和使用寿命；设备高度过高，则不便于运输和安装 使用，所以需要选择合适的筒体直径，设计合适的筒体高度。 3 3 方案的详细设计方案的详细设计 根据分子筛性能，制取纯度为 99.9%的氮气，分子筛产氮量120Nm/ht 1、按分子筛产氮量 120 Nm/ht 计算： 分子筛用量：120/1201T 采用 2 筒体方案 单筒分子筛用量 1/2=0.5T 填装分子筛所用容积：0.5T/0.68=0.735M （堆积密度：0.68/L） 方案一：采用筒体直径 700 方案计算 0.735=3.140.70.7h/4 h=1911mm 取筒体中间高度 1700mm 筒体高度：1700+（350+50+20）+450+30+20=2620mm 气缸高度约为 500mm 设备总高度：2780+500=3280mm 制氮机外形尺寸（长 X 宽 X 高）约：1800X1000X3280 货车底盘高度 1200mm 由于货物重量，货车底盘下降约 100mm 运输时候高度：2620+160（机架高度）+1200-100=3880mm 不会超过货物运输高度要求 方案二：采用筒体直径 750 方案计算 0.735=3.140.750.75h/4 h=1664mm 取筒体中间高度 1460mm 筒体高度：1460+（375+50+20）+450+30+25=2410mm 气缸 500mm 设备总高度：2570+500=3070mm 制氮机外形尺寸（长 X 宽 X 高）约：1900X1050X3070 4 货车底盘高度 1200mm 由于货物重量，货车底盘下降约 100mm 运输时候高度：2570+160（机架高度）+1200-100=3830mm 不会超过货物运输高度要求 3.13.1 设计参数的确定设计参数的确定 1.两个方案比较： 方案一设计的制氮机在运输高度为 3880mm， 方案二设计的制氮机在运输高度为 3830mm， 两个方案均不超过交通运输限高 4200mm，所以高度都符合运输要求。 根据流体力学原理，气体流程越远，气体流向越近似平行，所以高度越 高， ，气体流向越平行，压缩空气与分子筛接触面积越大，碳分子筛利用率越高， 使用寿命越长，产氮流量和纯度越稳定，所以方案一设计明显优于方案二设计。 方案一中吸附筒 700mm，加工后吸附筒重量约为 220kg， 方案二中吸附筒 750mm，加工后吸附筒重量约为 240kg。 从生产成本上来讲，方案一略低于方案二。 从外形尺寸上讲，方案一外形（长 X 宽）为 1800mmX1000mm，占地面积 为 1.8，方案二外形（长 X 宽）为 1950mmX1000mm，占地面积为 1.95，方 案一更可以节省土地利用，所以方案一略低于方案二。 综上四个方面比较，我们选择方案一设计，取吸附筒 700mm。 2.计算制氮设备有效耗气量，确定与制氮机匹配的净化及干燥设备分子筛纯度 99.9 的氮气回收率为 31.5% 理论有效耗气量 =120*99.9%/79%/31.5%/60 =8.03 Nm3/min 实际量=理论量*1.2=8.03*1.2=9.63 Nm3/min 故选用有效耗气量为 10 Nm3/min 的净化和干燥设备 3.整套设备配置清单 序号设备名称设备型号备注 5 1空气压缩机 2空气储气罐 3高效除油器KFY-10 4微热干燥机PFB-10 5精密过滤器KFL-10 7空气缓冲罐CG-1.0/0.8 8制氮机PFN-120D 9氮气缓冲罐CG-2.0/0.8 10粉尘过滤器KFF-6 3.23.2 干燥及净化设备简单介绍干燥及净化设备简单介绍 从空气压缩机中出来的压缩空气是很脏的。压缩空气中的污染物可分为水 分(包括液态水滴和水蒸气)、油分(包括油滴、油雾和油蒸汽)、固形粉尘和颗 粒及各种气体杂质及化学异味四类。除了水蒸气需要由干燥器去除外，其它污 染物(包括呈气态的油蒸气及各种化学异味)均可用过滤方法来去除。为此在生 产中有适用来除去各种污染物的空气过滤器。 1.干燥机 吸附式干燥机是压缩空气除水干燥的常用设备。工业上在制备低于零度压 力露点的干燥压缩空气时，吸附式干燥机几乎是惟一的选择。 吸附作用又称吸着作用，是两相交界面上物质分子浓度自动发生变化的自然现 象。研究表明，吸附现象不仅发生在固气交界面上，在液气界面、固一液 界面上同样也会发生。 吸附体系由吸附剂和吸附质组成，我们将具有一定吸附能力的材料称为吸附剂， 将吸附的物质称为吸附质。在压缩空气干燥器中，常用吸附剂有硅胶、活性氧 化铝和分子筛，均匀混合在压缩空气中的水蒸气是吸附质。 吸附干燥机通常按吸附剂再生方法进行分类，可分为微热再生干燥机和无热再 生干燥机两类。有热再生干燥器(TSA)利用吸附剂在低温时吸附水分，在高温下 将所吸附水分脱附返回气相的特点使吸附剂获得活性再生;无热再生干燥器以变 压吸附 (PSA)为基础，在气体混合组分中高水分分压时吸附水分，低水分分压 时将所吸附的水分脱附返回气相使吸附剂获得活性再生。 6 2.过滤器 用来阻挡压缩空气中的污染物和去除水分的装置叫压缩空气过滤器，简称 过滤器。与单独功能的干燥器比起来，过滤器对压缩空气的净化功能要广得多， 经过滤器处理后的压缩空气可以达到无尘、无水、无油及无菌元臭的目的。过 滤器至少由滤芯(一支或多支)和壳体(金属或塑料等)两部分组成。一只完整的 过滤器还配备自动排水器和差压计等附件。可以按多种原则给压缩空气过滤器 进行分类。如按过滤器在空压系统中的安装位置，可分为吸气过滤器(安装在空 压机吸气口)及管道过滤器(安装在空压机后的输气管网中)两大类。按照过滤器 在系统中所发挥的功用分，有除水过滤器、除尘过滤器、除油过滤器、除臭过 滤器及除菌过滤器多种;此外还有粗过滤器、精密过滤器之分。KFL 系列精密过 滤器主要由上下筒体、滤芯、滤芯吊杆组件、排水组件、仪表等组成。 常用过滤器的过滤精度等级分为 C、T、A 三个级别，见表一是游离状态的水分 去除率及过滤精度。 表一 游离状态的水分去除率及过滤精度 级别水分去除率过滤精度 C99.9%3m T99.99%1m A99.999% 0.01m 3.高效除油器 若单纯用过滤器来滤除有时效率会显得不够高、有时会出现早期堵塞等现 象。此时可采用分离器将大颗粒固体杂质先行除去或将杂质浓度降下来，再由 过滤器进行深度净化处理。一般分离器的工作原理都建立在惯性(撞击或离心) 分离基础上。在压缩空气净化流程中用得较多的分离器是高效除油器。KFY 系 列高效除油器科学的集螺旋分离、预过滤和凝聚式精过滤三级净化为一体，能 高效除水、除油、滤尘，使压缩空气的净化工艺流程得以缩短，再经后处理的 精密过滤器，其过滤精度可达 0.1m，残油含量可小于 0.1mg/m3，使气源净化 质量得到了可靠的保证。 3.33.3 变压吸附的制氮原理变压吸附的制氮原理 50 100 35 10 A 7 图1 碳分子筛的孔径分布图 变压吸附制氮机是以碳分子筛为吸附剂，利用加压吸附，降压解吸的原理 从空气中吸附和释放氧气，从而分离出氮气的自动化设备。碳分子筛是一种以 煤为主要原料，经过研磨、氧化、成型、碳化并经过特殊的孔型处理工艺加工 而成的，表面和内部布满微孔的柱形颗粒状吸附剂，呈黑色，其孔径分布如图1 所示。 图2 平衡吸附曲线 图3 动态吸附曲线 碳分子筛的孔径分布特性使其能够实现O2、N2的动力学分离。这样的孔径 分布可使不同的气体以不同的速率扩散至分子筛的微孔之中，而不会排斥混合 气（空气）中的任何一种气体。碳分子筛对O2、N2的分离作用是基于这两种气 体的动力学直径的微小差别，O2分子的动力学直径较小，因而在碳分子筛的微 孔中有较快的扩散速率，N2分子的动力学直径较大，因而扩散速率较慢。压缩 空气中的水和CO2的扩散同氧相差不大，而氩扩散较慢。最终从吸附塔富集出来 的是N2和Ar的混合气。 碳分子筛对O2、N2的吸附特性可以用平衡吸附曲线和动态吸附曲线直观表 现出来，如图2、图3所示、 Vmol/kg O 0.4 1.2 0.8 0.4 VkN PmPa 0.40.81.21.015 0.2 0 6045309075105 t(min) NN2 2 O 2 0.8 0.6 1.2 1.0 N N O 2 2 2 8 由这两个吸附曲线可以看出，吸附压力的增加，可使O2、N2的吸附量同时 增大，且O2的吸附量增加幅度要大一些。变压吸附周期短，O2、N2的吸附量远 没有达到平衡（最大值） ，所以O2、N2扩散速率的差别使O2的吸附量在短时间内 大大超过N2的吸附量。 变压吸附制氮正是利用碳分子筛的选择吸附特性，采用加压吸附，减压解 吸的循环周期，使压缩空气交替进入吸附塔（也可以单塔完成）来实现空气分 离，从而连续产出高纯度的产品氮气。 3.43.4 影响纯度和流量因素的控制影响纯度和流量因素的控制 影响氮气的纯度和流量是多方面的，主要分主观和客观两个方面。主观方 面主要是指设备的结构原理，填充吸附剂品质，各种零配件性能。客观方面是 压缩空气原料气的压强、湿度、设备使用的环境状况以及使用操作。具体如下： 1.主观方面 （1）制氮系统及净化系统和干燥系统的选型和设计都会影响氮气纯度。所 以设计设备都要比理论计算值偏大然后选型。 （2）吸附剂选用进口高品质吸附剂。 吸附剂应具备的条件 ： （1）有强的吸附能力，即要求有大的比表面积; （2）不与吸附质和其它接触介质发生化学反应; （3）有良好的机械强度及热强度; （4）易再生，不易劣化; 气体的吸附过程是纯物理吸附，即所谓的范得华吸附，由于这种吸附通常 只发生固体表面几个分子直径的厚度区域，单位面积固体表面所吸附的气体量 非常少，因此作为工业选用的吸附剂，必须有微孔结构的，足够大的比表面积 以弥补这一不足。设备中填充的吸附剂常用的有两种,一种是活性氧化铝，另一 种是碳分子筛。 活性氧化铝由三水合铝AI (OH)3或三水铝矾土加热脱水而成。用在压缩 空气吸附干燥的是形态的活性氧化铝，其活化温度低于600。活性氧化铝对 水有较强的亲合力，在一定操作条件下，它的干燥精度可达露点- 70以下。 而它的再生温度 又比分子筛低得多。活性氧化铝具有很高的表面硬度和抗压强 9 度，在静压力作用下不破碎，在交变压力作用下不易磨损，很适宜作压缩空气 吸附剂。 分子筛是泛指具有均一微孔且能有选择性地吸附直径小于其孔径分子的一 大类吸附剂。 常用的沸石分子筛是结晶硅铝酸盐的多水化合物，其化学通式为 Mex/n（AlO2）x(SiO2)ymH2O 式中Me一一阳离子，主要是铀、饵和钙等金属离子 x/n-一价数为n，可交换的金属阳离子Me的数目 m一一-结晶水的数目 分子筛主要特点是具有十分单一的表面孔径，比孔径小的分子可以通过微 孔进入穴内，吸附于孔穴表面，并在一条件下解吸出来。比孔径大的分子则不 能进入，从而按分子直径不同而把混合物分离开来，分子筛由此而得名。分子 筛对极性分子尤其对水有极大的亲和力，又有极大的比表面积，在压缩空气含 水量较低及温度较高时均有较大的吸附能力，因此可用于深度干燥。 分子筛的 缺点是机械强度有限，抗水滴性能不强，在压力作用下容易破碎，长期 使用堆 积比重可增大20% ，另外再生能耗也比氧化铝高。在处理水分负载较高的压缩 空气时，应先用氧化铝等吸附剂进行预干燥，再用分子筛进行深度处理。常用 吸附剂吸水/脱水性能见表二，常用吸附剂使用条件见表三。 表二 常用吸附剂吸水/脱水性能 吸附量，%TSA再生温度， 吸附剂 进气含水量 ppm 出气含水量 ppm 静态动态进塔离塔最高 活性氧化 铝 160 - 2401 - 3224- 6230 - 280 100 - 150 350 分子筛 160 - 2401 - 3228 - 15 320 - 370 120 - 200 475 表三 常用吸附剂使用条件 吸附容量 吸附剂 低分压时向分压时 水滴稳定性 热强度 碱性介质 酸性介质价格 活性氧低高稳定芮良不良较贵 10 化铝 分子筛局局不稳定芮良不良贵 选用国内外知名品牌配件，阀门选用进口阀门，保证设备正常工作性能和 工作周期，提高劳动生产率 2.客观方面 （1）为保证制氮过程中有足够的空气量和碳分子筛的产氮率，压缩空气的 流量和压强一定得到保证。根据研究表明，碳分子筛的产氮率与压强有直接关 系。在压强1Mpa范围内，压强越高。产氮率越高，压强越低，产氮率越低。所 以客户在选择空气压缩机时，一定要选择满足条件的空气压缩机 （2）由于周围环境的湿度和温度也可以影响到设备的正常使用。如果设备 使用地方温度较高，那在压缩空气进入制氮设备前，需要加一个前置冷却器或 者加一个较大的空气储气罐，保证压缩空气进入设备前温度低于45。另外还 需对空压机、制氮机和吸干机周围保证通风状态，如果有必要，制氮房内需要 配置换气扇，保证设备不会因为温度过高而影响使用。 （3）制氮过程最重要的环节是要对设备正常操作和维护。 正常操作： 一：开机前检查 1、检查空压机、制氮机、吸干机通电指示灯情况，如指示灯不亮，断电， 检查电路或设备。 2、检查所有阀门是否处于关闭状态，未关闭关掉。 二：开机运行 1、开启空压机：如需冷却水，首先打开其前后阀门；按照使用说明书开启 电源开关 2、当空气储气罐压力达到0.7MPa时，开启冷冻式干燥机并且打开1号截止 阀（空气储气罐及冷冻式干燥机之间的截止阀） ，让吸干机运行35分钟，将空 气排入空气缓冲罐。 3、打开制氮机空气入口截止阀，等待2030秒后开启制氮机，开启制氮机 氮气出气口截止阀让氮气进入氮气缓冲罐。 4、氮气缓冲罐压力达到0.7MPa时。打开放空系统阀门,调节出气口压力 （出气压力0.65MPa可调）根据出气口压力计算出出气口流量。调节放空阀门 11 大小来调节出气流量以达到计算值。氮分析仪显示氮气储气罐内氮气的纯度， 等待氮分析仪纯度上升到可用纯度。 5、当流量达到计算值且纯度达到用气要求时关闭放空阀门，打开用气阀门， 此时为正常用气，并调节正常用气的截止阀，使流量计示数维持在理论计算值 附近。 三：停机运行操作 1、停止制氮机，关闭制氮机氮气出口、入口截止阀，及氮气缓冲罐用气阀 门。 2、停止空气压缩机，关闭1号截止阀。 3、停止微热干燥机。 4、打开所有球阀，放空设备中的气体，然后关闭所有阀门。 四：注意事项 因为出气量用户可调，所以有些用户会把出气量调到远远超过计算值，这 样使用是不合理的。虽然纯度也可能达到要求，但是却加快了分子筛的粉化速 度，导致使用年限大大减少。更多可能是因为流量过大导致氮气纯度降低。当 纯度低于理论纯度太多时，需要重新调试纯度，不但费时费力又影响到制氮机 正常使用寿命。所以用户必须严格控制氮气流量。 （1）空压机后储气罐、高效除油器及精密过滤器每隔1.52小时要进行一 次排气。 （2）调试人员调节好的阀门不要随意转动，以免影响纯度。 （3）不要随意动电控柜内的电器件，不要随意拆动气动管道阀门。 （4）定期观察出口压力、流量计指示及氮气纯度，与性能页的值对照，发 现问题及时解决。 （5）按照空压机、吸干机、过滤器的技术要求保养和维护，以保证空气品 质。空压机、吸干机必须每年至少检修一次，按照设备维护、保养规定更换易 损件，并进行保养；如发现过滤器前后压差0.050.1Mpa，必须及时更换过滤 器滤芯。 正常维护： 12 一、设备日常维护 对制氮系统中的设备的维护主要包括空压机、冷干机、过滤器、制氮主机 的维护。空压机的日常维护主要是经常检查空压机储气罐的排污口是否堵塞， 散热孔处是否有遮拦；冷干机的散热器要经常清扫；过滤器的排污口要经常检 查是否堵塞；制氮机消音器的排气口要经常检查是否畅通。所有设备外观均要 保持清洁、干净，经常用湿布或中性肥皂水擦洗。 二、设备周期性维护 有油螺杆空压机的维护主要是进空气过滤器 （其会被灰尘堵塞）的周期更 换，以及每年的润滑油和油分离器的更换。压缩机的维护也包括对机油的定期 补充和更换（如有必要） 。 无油活塞空压机也需要定期更换活塞环和补充润滑 剂。为保证制氮系统稳定可靠地运行和压缩机的长寿命运行，必须按照压缩机 厂商推荐的周期维护办法和措施来维护压缩机。 风冷式冷干机的周期性维护主要是定期吹扫，清洗排污口；水冷式冷干机 主要是定期清洗水冷凝器，以防水垢沉淀堵塞。请认真阅读冷干机的操作维护 使用说明书，严格按照冷干机厂商推荐的周期维护办法和措施来维护冷干机。 过滤器的周期性维护主要是根据过滤器的使用状况定期更换滤芯。如果发 现过滤器的压力差过大，请及时更换滤芯。请参照过滤器厂商推荐的周期维护 办法和措施来维护过滤器。 制氮主机基本上不用周期性维护。用户可在每年公司（厂）所有设备大修 时检查一下制氮机是否运行正常。 3.53.5 调试与改进调试与改进 在设备完全配套完成后调试中发现，设备制氮机流量为128Nm/h，纯度为 99.96%，完全满足客户需求。然而在二十一世纪的现在，当需要用氮气做原料 气时，这样的纯度是远远不够，可能会用到99.9995%这样纯度的氮气了，这个 时候就需要对我们的制氮设备和工艺做很多的改进。 可以在设备中干燥系统中加入冷干机，进一步降低压缩空气中的含水量， 更好的使碳分子筛发挥作用。 一般来说，制氮机产出的氮气还是比较洁净的，可满足大多数用户的用气 标准。但对于食品、啤酒、饮料、制药、精密加工等行业，要求成品氮气无菌、 无异味、无尘等，就要对氮气进行后期除菌、除尘、除异味处理。主要是在氮 13 气输出管道中再配置除菌过滤器、除尘除异味过滤器，使成品氮气中不含细菌 和尘埃等无机物和有机物。除去空气中更细小的杂质，并且可以除去异味。这 是在医药和食品行业必不可少的设备。 对制取的氮气在催化剂作用下进一步做纯化处理，可以得到更低露点，纯 度更高的氮气。 4 4 总结评价总结评价 变压吸附制氮机是一种逐步取代瓶装氮气和深冷空分制氮的新型高科技设 备,它具有设备成本低，体积小、重量轻、操作简单、维护方便、运行费用小、 现场制氮快捷、开关方便、无污染等优点,。广泛运用于石油化工、橡胶塑料、 电子、制药、啤酒饮料、食品保鲜、机械加工、冶金、玻璃煤碳、航空航天、 军事等行业和领域，设备运行稳定，安全可靠，深受广大用户的青睐。 参考文献参考文献 （1）化工工厂初步设计内容深度的规定 化工部 1988.6 （2）化工装置设备布置设计规定 JB/T6427-92 （3）压力容器安全技术监察规程 国家质量技术监督局 （4）