7-5PSA变压吸附回收氮气技术论证

富丽达30万吨/年含硫废气资源化利用项目.2017年“东华科技-陕鼓杯”第十一届全国大学生化工设计竞赛PSA变压吸附回收氮气技术论证张丹阳 刘思琦 程金星 丛皓 王亦寒福州大学至诚学院 zcThe One团队2017年“东华科技-陕鼓杯”第十一届全国大学生化工设计竞赛富丽达30万吨/年含硫废气资源化利用项目PSA变压吸附回收氮气技术论证团队名称：zc_The One指导老师：罗祖云、吕燕根、韩淑萃、邱挺团队成员：张丹阳、程金星、丛皓、刘思琦、王亦寒完成时间：2017年7月 福州大学至诚学院The one团队 目录第一章 氮气变压吸附的必要性1第二章 氮气变压吸附的原理2第三章 氮气变压吸附工艺3第四章 变压吸附过程与控制4第五章 氮气变压吸附工艺参数确定及影响变压吸附的因素55.1 影响因素55.2 运行分析5第六章 总结9 福州大学至诚学院The one团队 第一章 氮气变压吸附的必要性在低温甲醇洗工段，经精馏塔分离的氮气与氧气中含有CO2、CH4O、等杂质，由于杂质的量处于微量，再分离提纯的难度非常大，如果想重复利用和回收此部分氮气又必须提纯，经过工业上实践论证和工业化后的变压吸附技术现已十分成熟。利用变压吸附法从工业尾气中回收氮气，可以获得高纯度的原料气，实现了废气再利用，有利于环境的保护，提高了产品的综合利用率。与深冷法等其他气体分离方法相比，变压吸附法对于非低温的气体分离，具有工艺流程简单、自动化程度高、成本低、操作简便等特点。11 福州大学至诚学院The one团队 第二章 氮气变压吸附的原理氮气变压吸附提纯单元，气体分离与提纯技术成为大型化工工业的一种生产工艺和独立的单元操作过程。变压吸附这一概念由H.Kahle于1942年在德国申请专利时提出的。1960年Skarstrom提出PSA专利，他以5A沸石分子筛为吸附剂，用一个两床PSA装置，从空气中分离出富氧。该技术于1962年实现工业规模的制氢。随着吸附剂的重大发展，如性能优良的分子筛吸附剂的研制成功，活性炭，活性氧化铝和硅胶吸附剂性能的不断改进，以及ZSM特种吸附剂和活性炭纤维的发明，都为连续操作的大型吸附分离工艺奠定了技术基础。变压吸附数学模型变压吸附的主要步骤有：（1）加压、（2）吸附、（3）解吸、(4)纯化、如下图所示。变压吸附分离法N2提纯工艺是利用吸附剂对原料中各种组分的吸附能力不同，以及杂质在吸附剂上的吸附量随吸附质的分压上升而增加、随吸附质的分压下降而减少的特点进行N2提纯和吸附剂再生的。各吸附床通过压力的升降来完成吸附剂对杂质的吸附和脱附再生。各吸附床在进行降压脱附是将排出N2供其他床层升压吸附用，该工艺步骤称为均压。均压次数增加，降压脱附塔的压力可降到较低水平，升压吸附塔压力可升到较高水平不仅可以回收更多降压脱附塔死角里的N2减少N2损失，而且可以节约升压用原料气。第三章 氮气变压吸附工艺经压缩净化后的空气进入空气缓冲罐，缓冲上游因压力变化而引起的波动，由下至上流经装填有碳分子筛(CMS)的吸附塔，期间氧气分子在碳分子筛表面吸附，氮气由吸附塔上端流出，进入一号氮气缓冲罐。一段时间后，吸附塔中的碳分子筛被所吸附的氧气饱和，需进行再生，通过停止吸附步骤，降低吸附塔压力来实现。两个吸附塔交替进行吸附和再生，确保氮气的连续输出。出自缓冲罐的氮气经氧分析仪分析氧气含量，当氧气体积分数高于1%时，系统自动打开放空阀，氮气经消音器放空到大气中；当氧气体积分数低于1%时，系统自动打开下游切断阀，氮气经过微热再生干燥机、2号氮气缓冲罐进入氮气分配管网如图1所示。第四章 变压吸附过程与控制1.吸附：洁净的压缩空气进入AD101A底端经碳分子筛向出口端流动时，CO2和O2被吸附，产品氮气由吸附塔出口流动。2.均压:经一段时间后，AD101A内的碳分子筛吸附饱和。此时，AD101A自动停止吸附，并对AD101B实施短暂的均压过程，从而迅速提高AD101B的压力并达到提高制氮效率的目的。所谓均压，就是将两塔联通，使一个塔的气体流向另一个，最终使两塔的气体压力基本均衡。3.解吸：均压完成后，AD101A通过底端出气口继续排气，将吸附塔迅速下降至常压，从而脱出已吸附的CO2、O2.实现分子筛的解吸再生。4.吹扫：为了使分子筛彻底再生，以氮气缓冲罐内的合格氮气对AD2801A进行逆流吹扫。如下图，下表。 表4-1 变压吸附过程完整周期步骤状态打开阀门说明AD101A吸附FSV101、FSV105AD101A内分离空气AD101B解吸FSV104AD101B内CMS再生AD101A与AD101B压力平衡FSV107、FSV108AD101A/B均压，迅速提高B塔压力AD101A解吸FSV102、FSV106AD101A内CMS再生AD101B吸附FSV103AD101B内分离空气第五章 氮气变压吸附工艺参数确定及影响变压吸附的因素5.1 影响因素（1） 原料气的质量。压缩空气中含有水汽、油雾会堵塞分子筛的微孔，从而严重影响分离效果及分子筛的使用寿命。因此，提高制氮纯度，保证良好的空气环境至关重要，同时，压缩空气需要经过多次净化及冷冻干燥来确保清洁，并根据过滤器滤芯的使用情况及时更换滤芯。（2） 吸附塔的工作周期。较长的工作周期有利于节约原料空气，降低能耗，减少PSA制氮系统自控阀门的开关频率。但是，工作周期过长，碳分子筛达到饱和会引起氮气纯度下降。（3） 吸附温度。较低的吸附温度有利于制氮性能的充分发挥，但温度过低容易导致水分结冰，堵塞过滤器滤芯。（4） 分子筛的吸附性能。分子筛是制氮机组的核心，选择性能良好的分子筛，根据氮气纯度及出气量的要求计算合适的装填量，有利于充分发挥制氮机组的优良性能。5.2 运行分析假设厂区内只有持续用户使用氮气，用量保持在65Nm3/h，在正常操作下氮气消耗量限制在80Nm3/h。此时，氮气管网压力维持在一个稳定值，氮气产量在平均值附近变化，并紧随上游IA压力的增降而上下波动，PSA制氮产品中的氧气含量也随之增加或减少。当PSA制氮出口管网压力保持稳定时，制氮量随入口压力的波动而变化吗，并受自身吸附塔切换的影响。制氮量于PSA制氮两端的压差成正比如图3氮气流量与氧气含量的变化趋势大体一致，由于两个参数的取样点有先后，氧含量分析仪位于1号氮气缓冲罐出口，而远传氮气流量计在2号氮气缓冲罐出口，因此氮气流量与氧气含量的变化步调不一致，但总体趋势仍然是氮气流量增加，氧气含量上升，反之亦然。如图4根据非平稳工况下各参数随时间的变化曲线如图5.图6.，由于下游用氮量增加，出口压力下降，因此PSA制氮入口、出口两端的压差增大，氮气产量增加，氧气含量随之上升，当其体积分数超过1%后，吸附塔出口气体直接通过消音器放空大气，不再为下游提供氮气，由于管路尺寸一定，当氮气产量增加、流速增大时，吸附塔对其在吸附塔中停留的时间减少，吸附塔对氧气分子吸附不充分，因此造成氮气产品中氧气含量高报，吸附塔出口气体直接通过消音器放大空气，不再为下游提供氮气。第六章 总结（1）变压吸附阶段对提高产品气浓度存在一个最佳吸附时间；（2）吸附压力增加有利传质，但压力过大则产品气浓度提高不明显。为了提高氮气回收率进而提高装置的经济效益，在原料气组成、流量以及温度一定的情况下应尽量提高吸附压力、降低解吸压力、延长吸附时间、降低产品纯度；在原料气流量发生变化时，应适当调整吸附时间以保证产品氮的纯度。下列为变压吸附与传统分离方式的对比：表6-1 变压吸附与传统分离方式的对比对比项目变压吸附技术普通分离技术工艺能耗能耗较低，PSA工艺适应的压力范围较广，一些有压力的气源可以省去再次加压的能耗。PSA在常温下操作，可以省去加热或冷却的能耗。能耗高，占整个工厂能耗的70%，有些操作需要加压或减压，高温，低温操作，使得能耗高产品纯度产品纯度高且可灵活调节，如PSA制氮，产品纯度可达99.999%，并可根据工艺条件的变化，在较大范围内随意调节产品氮的纯度。产品纯度受分离条件的限制，不能无限制的增加，无法实现纯度的灵活调节。工艺流程简易程度工艺流程简单，可实现多种气体的分离，对水、硫化物、氨、烃类等杂志有较强的承受能力，无需复杂的预处理工序。工艺流程相较于变压吸附复杂，设备较多，管线复杂。装置的调节能力和抗干扰性能装置调节能力强，操作弹性大，PSA装置稍加调节就可以改变生产负荷，而且在不同负荷下生产时产品质量可以保持不变，仅回收率稍有变化。装置的弹性小、抗干扰能力差，如果原料的性质和操作条件的改变都会使得系统产生较大的偏差。安全性能装置可靠性高装置的可靠性能一般环保性能环境效益好，除因原料气的特性外，PSA装置的运行不会造成新的环境污染