PSA變壓吸附制氮和故障處理探討

摘要：氮?dú)馐且环N中性惰性氣體，非活化狀態(tài)下，氮?dú)饪勺鳛楸Ｗo(hù)氣體用于防爆(惰化)或防止工作介質(zhì)被氧化等場所，被廣泛用于石油化工、天然氣開采及加工、金屬熱處理、干燥和防腐保護(hù)等領(lǐng)域中。文章介紹了變壓吸附制氮裝置的配置、工作原理及PsA制氮裝置的應(yīng)用以及簡單故障處理。

關(guān)鍵詞：變壓吸附；制氮裝置；PSA；故障處理；吸附分離系統(tǒng)

中圖分類號：TQ116

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009－2374(2009)17-0009-02

一、概述

氮?dú)馐且环N中性惰性氣體，非活化狀態(tài)下，氮?dú)饪勺鳛楸Ｗo(hù)氣體用于防爆(惰化)或防止工作介質(zhì)被氧化等場所，被廣泛用于石油化工、天然氣開采及加工、金屬熱處理、干燥和防腐保護(hù)等領(lǐng)域中。

變壓吸附制氮是近來發(fā)展起來的高效節(jié)能的新型氣體分離技術(shù)。它利用空氣作原料，在有電能的條件下制取氮?dú)?。國外PSA工業(yè)制氮應(yīng)用是在20世紀(jì)80年代初期，經(jīng)過近30多年研究開發(fā)，變壓吸附裝置在降低能耗、降低投資、工藝流程簡化、提高可靠性方面，都有了很大的進(jìn)步，得以廣泛應(yīng)用。

二、基本流程和配置

根據(jù)氮?dú)庥昧亢褪褂靡螅餮b置的流程略有差異，但是基本流程和配置為：

空氣壓縮機(jī)→儲罐→管道過濾器→冷凍干燥機(jī)(或其他再生干燥塔)→(超)精過濾器→高效除油器→緩沖儲罐→吸附塔A／B(兩塔流程)→粉塵過濾器→氮?dú)饩彌_儲罐→氮分析儀→用戶。

空氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮至0.8MPa，經(jīng)空氣儲罐冷卻至常溫，再經(jīng)管道過濾器油液分離進(jìn)入冷凍式干燥機(jī)，流經(jīng)精過濾器、超精過濾器和高效除油器除去油及液態(tài)水到達(dá)緩沖儲罐，再進(jìn)入碳分子篩吸附塔組成的變壓吸附分離系統(tǒng)，壓縮空氣從容器底部進(jìn)入后，空氣中氧氣、二氧化碳和水分被吸附劑選擇吸附，其余組份(主要為氮?dú)?則從出口端流出，經(jīng)粉塵過濾器進(jìn)入氮?dú)饩彌_罐，經(jīng)氮?dú)饩彌_罐后作為產(chǎn)品氮?dú)廨敵?。之后，吸附塔?jīng)均壓、減壓至常壓等過程，脫除所吸附的雜質(zhì)組份，完成碳分子篩的再生。兩吸附塔循環(huán)交替操作，連續(xù)送人空氣，連續(xù)產(chǎn)出氮?dú)?。氮?dú)饨?jīng)計量及氮?dú)夥治鰞x分析純度達(dá)標(biāo)后進(jìn)入氮?dú)廨斔涂偣芄┦褂谩Ｉ鲜鲞^程，由PLC控制系統(tǒng)自動控制。氮?dú)饧兌瓤筛哌_(dá)99.99％，氮?dú)鈮毫驹O(shè)計在0.6MPa左右。

三、變壓吸附制氮與再生技術(shù)基本原理

吸附劑是PSA制氮設(shè)備的核心部分，變壓吸附常使用碳分子篩(CMS)，是一種非極性速度分離型吸附材料。常以煤為主要原料，紙張或焦油為粘結(jié)劑經(jīng)過特殊加工而成活性碳，粒徑平均為1.5nm，是一種半永久的吸附劑。分子篩在生產(chǎn)過程中添加磁性氧化鐵，可大幅提高其吸附性能。CMS充滿微孔和空腔，能把比孔道直徑小的分子吸附到孔穴的內(nèi)部中來，而把比孔道大的分子排斥在外，因而能把形狀直徑大小不同的分子、極性程度不同的分子、沸點(diǎn)不同的分子、飽和程度不同的分子分離開來，即具有“篩分”分子的作用，故稱為分子篩。當(dāng)氣體與多孔的分子篩接觸時，因分子篩表面分子與內(nèi)部分子不同，具有剩余的表面自由力場或表面引力場，使氣相中的可被吸附的氧分子碰撞到分子篩表面后，即被吸附。隨著吸附的進(jìn)行，吸附于表面的氧分子逐漸增加，吸附表面逐漸被氧分子覆蓋，分子篩再吸附的能力下降，最終失去吸附能力，即達(dá)到吸附平衡；利用分子篩吸附劑對不同氣體組分在吸附量、吸附速度(分子直徑小的氧分子比分子直徑稍大的氮分子在運(yùn)動中的擴(kuò)散速度要快十倍)、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(zhì)組份，從而實(shí)現(xiàn)氣體分離以及吸附劑的循環(huán)使用。

變壓吸附制氮技術(shù)，一般采用PSA碳分子篩為吸附劑(巖谷生產(chǎn)的1.5GN-H型分子篩)，碳分子篩對氧氮的吸附速度相差很大(如圖1所示)，在短時間內(nèi)(最佳吸附時間為68秒)加壓情況下，氧的吸附速度大大超過氮的吸附速度，氧分子被碳分子篩大量吸附，而氮分子吸附很少，利用該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，被吸附的氧分子則從碳分子篩中逸出，通過塔的下部進(jìn)入消音器后排出大氣，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，且較易減壓解吸。通常PSA制氮機(jī)采用雙吸附并聯(lián)交替進(jìn)行吸附產(chǎn)氮，解吸再生，實(shí)現(xiàn)氧、氮分離，連續(xù)供氣。

為取得好的操作性能和長的壽命，分子篩使用一定時間后必須再生。正確再生后的分子篩同新鮮的一樣，其吸附性能和機(jī)械性能的衰減和老化非常低。分子篩再生方法有變溫和變壓兩種，常用改變相對壓力：保持吸附劑溫度不變，通過降低壓力和惰性氣體反吹，除去吸附質(zhì)。

再生同吸附逆向的，這可使被吸附床入口處的大部分吸附質(zhì)不必通過整個床層，部分分子篩也可不與濕熱氣體接觸，從而提高分子篩使用壽命。再生氣應(yīng)盡可能干燥，否則會影響吸附效率。

四、常見故障與處理

PSA變壓吸附制氮裝置除了設(shè)計選型不合理、機(jī)組本身或儀表故障、誤操作之外，常見的故障現(xiàn)象和處理方法如下：

(一)各級過濾器

分子篩吸濕能力極強(qiáng)，忌油和液態(tài)水，怕磨損，在進(jìn)入吸附塔之前需要出去壓縮空氣中的油污和水分，在不同的位置采用各級過濾器，管道過濾器濾除大余5μm的顆粒及大部分水分，而細(xì)過濾器選用一次性可換芯的精過濾器，過濾精度達(dá)0.1μm。粉塵過濾器主要過慮粉化的分子篩或微量的活性炭。主要故障是氣當(dāng)中有液相、粉末夾帶。

日常要檢查前面機(jī)組油氣分離效果、氣體溫度、油污液面高度、壓差指示儀；過濾器在使用一定階段后，需要吹掃或更換過濾器、過濾器底部的自動排污閥。

(二)冷凍干燥機(jī)

冷凍式干燥機(jī)(型號為J2K-125G)，該產(chǎn)品主要部件如冷媒壓縮機(jī)等為進(jìn)口元件，性能可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音低，耗能少、安裝不需基礎(chǔ)，采用微電腦程序控制儀，對冷凍式干燥機(jī)的進(jìn)氣溫度、露點(diǎn)溫度、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、冷卻水進(jìn)口溫度等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和處理，可遠(yuǎn)程測量和控制，確保進(jìn)入變壓吸附分離系統(tǒng)的空氣含水量降至一定的水平。

主要故障是制冷劑缺少、AD402-04型自動排污閥失效、過濾網(wǎng)堵塞等，運(yùn)行過程中加強(qiáng)監(jiān)測和灰塵清除工作。

(三)高效除油器

高效除油器，內(nèi)部填充15#活性炭，屬氣相吸附?；钚蕴渴且环N多孔性的含炭物質(zhì)，有高度發(fā)達(dá)的孔隙構(gòu)造，是優(yōu)良的吸附劑，是藉由物理性吸附力與化學(xué)性吸附力而成?；钚蕴康谋缺砻娣e(BET)越大，吸附力也越大。使用初期的吸附效果很高。時間一長，活性炭的吸附能力會不同程度地減弱，吸附效果也隨之下降。如水族箱中水質(zhì)混濁，有機(jī)物含量高，活性炭很快就會喪失過濾功能。所以，活性炭應(yīng)定期清洗或更換?；钚蕴恳话闶褂?～5年時間。

(四)緩沖過濾器

系統(tǒng)中設(shè)置的緩沖過濾器起平衡氣壓及除去管道中粉塵的作用。常見故障為泄漏，用緊固或更換墊片的方法消除。

(五)PSA吸附分離系統(tǒng)

PSA吸附分離系統(tǒng)主要由二臺填裝了1.5GN-H型分子篩的吸附塔(底部有氧化鋁分子篩吸收水分)及一臺氮?dú)饩彌_罐組成，還包括了一組氣動截止閥，該閥為管道式平衡氣動截止閥，具有啟閉速度快，切換壽命長等特點(diǎn)，其開啟時間僅需0.015秒，切換壽命為100萬次，特別適合于變壓吸附工藝的頻繁啟閉使用。分子篩的使用壽命和其本生的質(zhì)量、裝填質(zhì)量還有使用過程中的空氣預(yù)處理效率有關(guān)，一般情況下可用5～8年。

PSA吸附分離系統(tǒng)的控制由PLC完成，該P(yáng)LC已完成程序錄入，能執(zhí)行制氮裝置的各種運(yùn)行參數(shù)控制?？刂葡到y(tǒng)由可編程控制器，壓力變送器，溫度傳感器，閥位開關(guān)及二次儀表組成，主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場各設(shè)備的機(jī)械動作及連鎖控制，可正確處理各種突發(fā)故障報警，同時設(shè)計上考慮了各級功能分隔，可全自動運(yùn)行也可以人工操作運(yùn)行。

吸附塔組故障現(xiàn)象常有：

1、吸附器組的有關(guān)壓力指示不正常；維修保養(yǎng)或更換儀表。

2、動作閥切換緩慢或關(guān)閉不嚴(yán)、不動作；電磁閥存在故障或粉末引起動作閥故障；更換閥門配件。

3、吸附器床層發(fā)生流化現(xiàn)象，造成分子篩摩擦沖擊嚴(yán)重產(chǎn)生粉末；進(jìn)水、油分嚴(yán)重引起分子篩硬度減低加劇粉化或分子篩失效；尋找出油、水根源，加以排除，同時分子篩多次再生，仍然不合格就需要更換合格的分子篩。壓縮空氣含油量是分子篩失效的首要因素。

4、程序控制的儀表系統(tǒng)，有時出現(xiàn)程序功能紊亂，主要體現(xiàn)在電磁閥開關(guān)順序或時間發(fā)生變化，需要定期校驗(yàn)。

5、氮?dú)獾姆治雠c計量。氮?dú)饩彌_罐后在進(jìn)入氮?dú)饪偣芮?，設(shè)置有一取樣口，樣氣經(jīng)KY－2N氮?dú)夥治鰞x在線分析達(dá)到使用指標(biāo)后，進(jìn)入氮?dú)饪偣?。氮?dú)獾挠嬃坑蓽u街流量計完成，氮?dú)饬髁靠蓪?shí)時顯示，并可實(shí)現(xiàn)累積流量顯示與控制。產(chǎn)品氣分析指示系統(tǒng)故障現(xiàn)象：(1)分析系統(tǒng)指示純度偏低，重新調(diào)試，校驗(yàn)；(2)流量未達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，工藝調(diào)整。

五、使用中應(yīng)注意的問題

裝置調(diào)試交付后，用戶應(yīng)會使用操作、會維護(hù)并了解裝置的原理流程。在掌握各配套機(jī)組的使用性能后，為了維護(hù)使用好吸附器這個核心裝置，特別強(qiáng)調(diào)分子篩忌水、忌油、怕磨損，因此在裝置運(yùn)行當(dāng)中要特別注意空氣的質(zhì)量(含水、油量)，在日常操作中經(jīng)常檢查空壓機(jī)是否上油、濾油系統(tǒng)是否正常、冷干機(jī)制冷除水是否正常。還要經(jīng)常檢查產(chǎn)品氣排出過濾器和解析氣放空口，是否有堆積或夾帶過多的分子篩粉末；定期檢查吸附器內(nèi)分子篩的磨損量，并確定是否須增添等等，如有以上現(xiàn)象，應(yīng)及時解決。如能正常操作和維護(hù)，使用壽命將會大大延長。

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作者簡介：雷志華(1972-)，男，四川廣安人，浙江寧波春曉天然氣處理廠機(jī)械工程師，研究方向：動設(shè)備。