PSA變壓吸附制氮的基本原理

變壓吸附 (pressure swing adsorption，簡稱PSA)氣體分離技術，作為非低溫氣體分離技術的重要分支，對于中、小型制氮裝置，與深冷法相比，PSA技術具有顯著的優越性。PSA技術具有工藝流程簡單、自動化程度高、設備制造容易、占地小、啟動快、開停車方便、操作維護簡便、運行成本低、投資省等顯著特點。對于小于3000～5000m3/h的制氮能力，PSA制氮技術經濟效益優于傳統深冷法。

40年來，從吸附劑的研究到工藝流程開發已取得很大進展，變壓吸附氣體分離技術已成為現代工業氣體分離與凈化的

碳分子篩PSA制氮工藝技術
1.1 基本原理
由于吸附劑對不同氣體在吸附量、吸附速度、吸附力等方面的差異，以及吸附劑的吸附容量隨壓力的變化而變化，因此可在加壓條件下完成混合氣體的吸附分離過程，減低壓力解吸所吸附的雜質組分，從而實現氣體分離以及吸附劑的循環使用。變壓吸附制氮技術，采用碳分子篩為吸附劑，碳分子篩對氧氮的吸附速度相差很大，在短時間內，氧的吸附速度大大超過氮的吸附速度，利用這一特性來完成氧氮分離。碳分子篩對氧的吸附容量隨壓力的降低而減少，減低壓力，即可解吸，完成碳分子篩的再生。另外，碳分子篩對二氧化碳和水分也有吸附能力， 且較容易減壓解吸。

1.2 設計原則
變壓吸附制氮系統的設計要綜合考慮氮氣回收率、氮氣產量及投資成本，而實際設計和操作受許多變量的影響，其中一個變量選擇得不適當，都可能導致氮回收降低，影響氮氣產量，單位能耗增加，裝置尺寸增大，使得投資也增加。
(1) 壓縮空氣預處理 分子篩對壓縮空氣中油分的吸附是不能用減壓方法再生的，為此壓縮空氣必須先經除油預處理，必須采用先進的精密油過濾器， 分離粒徑范圍為大于0.01µm，從而保證制氮裝置的長期運行。
(2) 吸附劑的選定
主要考慮碳分子篩的吸附平衡、吸附速度、脫附速度、吸附選擇性等特性，其他如形狀、粒徑、密度、空隙率、比熱容以及壓縮強度、 耐磨性等特性也在考慮的范圍內。
(3) 吸附塔數
中小型PSA制氮設備一般從設備數量、配管、操作控制、投資等考慮，采用二塔循環設置為主。對于大型設備，從操作經濟性考慮，更加注重氮回收率， 降低單位耗能， 可考慮三塔、四塔循環設置。
(4) 吸附塔高
平衡分離型的吸附塔的設計，傳質速率和傳質區的高度是必須考慮的。吸附塔的高度應控制在一定范圍內，過低則實際吸附劑利用率低， 影響氮氣回收率， 過高則空氣流經吸附劑的線速度過高， 也要影響到物質擴散以及對吸附劑物理形態的影響。
(5) 吸附壓力
吸附壓力一般選定在0.6～0.8MPa為宜，碳分子篩在一定吸附壓力范圍內具有吸附壓力增加產氮率相應增加的特性，但是產品氮的回收率一般相應降低， 因此要綜合考慮到產氮率和氮回收率來選定吸附壓力， 這兩者實際上是一次性投資和長期操作費用如何合理確定的問題。
(6) PSA工藝步驟
若PSA制氮系統只以充壓、吸附、減壓等最基本的PSA步驟來操作，是難以滿足高氮回收率和產氮率的要求。因此，在設計中須采用產品氮充壓，產品氮沖洗等有利于提高氮回收率和氮產率的創造性設計。
(7) PSA自動控制系統
采用可編程序控制器(PLC) 和管道式氣動閥門(切換壽命達100萬次)保證了工藝切換的高可靠性，使PSA制氮裝置適應連續性工藝要求。

1.3 產品特點
(1) 分子篩復合床結構，保護碳分子篩不受油分和水分的污染，確保碳分子篩長期使用；
(2) 科學的結構設計，特殊的氣流擴散裝置，避免了氣流高速沖擊造成碳分子篩粉化現象；
(3) 采用德國氣動角座閥，使用壽命長達300萬次以上，能滿足設備長期連續運行；
(4) 先進工藝流程設計，利用了分子篩的吸附功能；
(5) 設備緊湊，占地面積小，空氣凈化組件和 PSA制氮裝置可安裝在同一底座上，組成一體化 結構；
(6) 自動化程度高，采用PLC自動程序控制，并可根據氮氣純度自動調節，而且預留接口以便于計算機遠程控制；
(7) 采用內平衡式自動壓緊裝置和獨特的分子篩填裝技術提高了整機的長期運行的可靠性；
(8) 成本低，比購買鋼瓶氮氣或液氮費用低廉很多倍；
(9) 氮氣自動排空系統純度聯鎖。

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