醫(yī)藥化工的變壓吸附（PSA）制氮技術(shù)探討

商成喜

摘 要：在化工生產(chǎn)中，氮?dú)鈱儆诙栊詺怏w，化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，不容易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此廣泛用作保護(hù)氣、密封氣等。在醫(yī)藥生產(chǎn)中，氮?dú)獾氖褂幂^多，目前制氮技術(shù)主要有PSA變壓吸附法、低溫法、膜分離法，而應(yīng)用最為廣泛的一種制氮技術(shù)為PSA制氮技術(shù)。從醫(yī)藥化工的變壓吸附（PSA）制氮技術(shù)，以及相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行了分析。

關(guān) 鍵 詞：醫(yī)藥化工;PSA制氮技術(shù);制氮

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 028 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2015）06-1294-04

Discussion on the Pressure Swing Absorption （PSA） Nitrogen

Production Technology in Pharmaceutical Chemical Industry

SHANG Cheng-xi

（Chengde Nursing Vocational College， Hebei Chengde 067000， China）

Abstract： In chemical production， nitrogen is inert gas， relatively stable chemical properties; it is not easy to react with other substances， thus widely used as shielding gas， gas seal and etc. In pharmaceutical production， the use of nitrogen is more. At present the nitrogen production technologies mainly include pressure swing adsorption （PSA） method， low temperature method and membrane separation. Application of PSA is the widest. In this article， the pressure swing absorption （PSA） nitrogen production technology in pharmaceutical chemical industry was introduced.

Key words： Medicine and chemical industry; PSA nitrogen production technology; Nitrogen production

近幾年我國(guó)的化工事業(yè)快速的發(fā)展，氮?dú)庾鳛榛ば袠I(yè)較為受歡迎的一種氣體，被廣泛的應(yīng)用在冶金、制藥、電子等生產(chǎn)中。氮?dú)獾幕瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，經(jīng)常被用作保護(hù)氣。在氮?dú)獾闹圃熘?，被廣泛應(yīng)用變壓吸附制氮技術(shù)。變壓吸附制氮技術(shù)又稱(chēng)為PSA制氮技術(shù)，是一種氣體分離技術(shù)，利用氣體分子吸附性能上的差異將混合氣體分離。在醫(yī)藥化工生產(chǎn)中，變壓吸附制氮技術(shù)被廣泛的應(yīng)用。

1 變壓吸附（PSA）的特點(diǎn)

1.1 變壓吸附（PSA）的發(fā)展

變壓吸附技術(shù)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用已經(jīng)應(yīng)用了幾十年。主要是利用混合氣體在固體吸附材料上的吸附特性的差異，實(shí)現(xiàn)氣體的分離。其中吸附能力較強(qiáng)的氣體組分會(huì)被吸附到吸附劑上，而吸附能力較弱的氣體組分，則會(huì)在吸附氣體中被排出。在周期性的壓力變化過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)混合氣體的分離、提純[1]。在該過(guò)程中，氣體吸附劑可以循環(huán)的使用。

在1942年，H.kahle 提出了利用硅膠、活性氧化鋁作為吸附劑的變壓吸附法，將氧氣、氮?dú)膺M(jìn)行分離。在20世紀(jì)60年代初期，美國(guó)聯(lián)邦碳化物公司，使用變壓吸附法實(shí)現(xiàn)了工業(yè)制氫。隨著變壓吸附法的發(fā)展，變壓吸附裝置、規(guī)模不斷的增加，使用的范圍越來(lái)越廣，當(dāng)前中國(guó)的變壓吸附技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入世界的先列。

1.2 變壓吸附的特點(diǎn)

變壓吸附的特點(diǎn)，主要有以下幾點(diǎn)：

第一，能耗低。一些壓力氣源可以減少變壓吸附使用中的再次加壓能耗。

第二，工藝簡(jiǎn)單。可以實(shí)現(xiàn)多種氣體的分離，對(duì)硫化物、氨等有較強(qiáng)的承受能力。

第三，操作簡(jiǎn)單。在變壓吸附工藝中，有計(jì)算機(jī)等組成部分，所以其自動(dòng)化水平非常高，操作也非常的簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作等。

第四，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。變壓吸附工藝的使用范圍廣，而且裝置的調(diào)節(jié)能力非常強(qiáng)，可以在不同的負(fù)荷下進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)，并保證產(chǎn)品質(zhì)量不變。

第五，投資少。變壓吸附工藝生產(chǎn)技術(shù)，在化工生產(chǎn)中的運(yùn)用，投資非常少，對(duì)設(shè)備進(jìn)行的維修簡(jiǎn)單，而且工作效率高[2]。除此之外，還有環(huán)境效益好，產(chǎn)量純度高等特點(diǎn)。

2 變壓吸附制氮技術(shù)

2.1 變壓吸附制氮技術(shù)的原理

氮?dú)馐强諝庵械闹饕煞?，?8%，而氧氣占21%。氧氣和氮?dú)馐强諝庵械闹饕煞?，在進(jìn)行變壓吸附制氮中，可以選擇不同吸附選擇性的吸附劑，以及合適的化工生產(chǎn)工藝，進(jìn)行氮?dú)夂脱鯕獾姆蛛x。變壓吸附作為新型的氣體分離技術(shù)，利用氣體的吸附性差異進(jìn)行混合氣體的分離，在制氮工藝中，其主要的原材料為空氣，然后利用高效能、選擇性的吸附劑對(duì)氮?dú)夂脱鯕膺M(jìn)行選擇性的吸附，并將氮?dú)夂脱鯕鈴目諝庵蟹蛛x出來(lái)。

氮?dú)夥肿雍脱鯕夥肿拥臄U(kuò)散率不同，進(jìn)而使用碳分子篩變壓吸附法進(jìn)行氮?dú)夂脱鯕獾姆蛛x。變壓吸附的氣體分離原理圖如圖1，變壓吸附制氮技術(shù)的應(yīng)用，主要是碳分子篩對(duì)氧氣平衡吸附量會(huì)隨著吸附壓力的增加而增加，同時(shí)也隨著吸附壓力的下降而減少，所以稱(chēng)之為變壓吸附制氮技術(shù)[3]。在進(jìn)行變壓吸附制氮的過(guò)程中，要對(duì)空氣壓力進(jìn)行控制，保持其在合適的范圍內(nèi)，進(jìn)而達(dá)到最佳的吸附效果。

圖1 變壓吸附氣體分離原理圖

Fig.1 PSA gas separation principle diagram

2.2 變壓吸附制氮技術(shù)的性能參數(shù)

在化工生產(chǎn)中，氧氣濃度一般都是在98%以上，傳統(tǒng)的工業(yè)制氮采用的方法是深冷法。主要是將空氣進(jìn)行深冷化，再利用氧氣和氮?dú)夥悬c(diǎn)的不同，進(jìn)行精餾分離。深冷法制氮的特點(diǎn)是制氮量大，氮?dú)獾募兌雀?，但是其也有不足，制氮工藝?fù)雜，設(shè)備的制造、安裝等有較高的要求，投資成本高，而且工藝設(shè)備的占地面積大，只能適用于大規(guī)模的集中制氮生產(chǎn)。

變壓吸附制氮技術(shù)屬于新型的氣體分離技術(shù)，其作為一種氣體分離技術(shù)，主要應(yīng)用于小、中型的制氮工藝中，而傳統(tǒng)的深冷法制氮技術(shù)相比，變壓吸附制氮技術(shù)有顯著的優(yōu)勢(shì)。變壓吸附制氮技術(shù)的生產(chǎn)工藝非常的簡(jiǎn)單，設(shè)備的自動(dòng)化水平非常高，設(shè)備占地面積小，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)營(yíng)成本較低等。從兩種制氮工藝技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，變壓吸附制氮技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)的深冷法。變壓吸附制氮技術(shù)與傳統(tǒng)的深冷法制氮技術(shù)的性能參數(shù)比較，如下表1。

表1 變壓吸附制氮與傳統(tǒng)深冷法制氮技術(shù)性能的比較

Table 1 Performance comparison of PSA nitrogen production technology with the traditional nitrogen production technology with deep cooling method

當(dāng)前在化工生產(chǎn)領(lǐng)域中，變壓吸附制氮技術(shù)可以作為一種獨(dú)立的氣體分離操作單元[4]。通過(guò)表1中變壓吸附制氮技術(shù)與傳統(tǒng)的深冷法制氮工藝進(jìn)行比較，可以得出變壓吸附制氮技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用在醫(yī)藥化工生產(chǎn)中，可以提升經(jīng)濟(jì)效益，降低投資成本。

3 變壓吸附制氮技術(shù)在醫(yī)藥化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 變壓吸附制氮技術(shù)的工藝流程

變壓吸附制氮裝置工藝流程如圖2， A、B兩個(gè)吸附塔，干凈、干燥的壓縮空氣，進(jìn)入A吸附塔，在入口端經(jīng)過(guò)碳分子篩，然后向上方出口處流動(dòng)，此時(shí)壓縮空氣中的氧氣被吸附，得出的氮?dú)飧患腁吸附塔的上方出口流出。在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的吸附后，A吸附塔中的碳分子篩吸附達(dá)到飽和狀態(tài)，這時(shí)A吸附塔在微機(jī)控制后，自動(dòng)停止吸附，并在短時(shí)間的壓力均衡之后，壓縮空氣會(huì)自動(dòng)流入B吸附塔進(jìn)行吸附，B吸附塔的工作過(guò)程與A吸附塔的工作過(guò)程相同[5]。在B吸附塔進(jìn)行吸附的過(guò)程中，還對(duì)A吸附塔中的碳分子篩進(jìn)行再生，將吸附塔中的壓力，迅速的下降到常壓，此時(shí)A吸附塔中的被吸附的氧氣會(huì)快速的排入大氣中。

在變壓吸附制氮工藝流程中，A、B吸附塔交替工作，充分的實(shí)現(xiàn)了變壓吸附制氮技術(shù)的制氮吸附工作的再生、分離、成本氮?dú)猱a(chǎn)出。

圖2 變壓吸附（PSA）制氮技術(shù)流程圖

Fig.2 Pressure swing adsorption （PSA） nitrogen production technology flow chart

變壓吸附（PSA）制氮技術(shù)的工藝流程，可以分為空氣凈化系統(tǒng)、氧氣吸附系統(tǒng)、緩沖放空系統(tǒng)。

第一，空氣凈化系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中的設(shè)備有除油器、干燥機(jī)、過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器等等，壓縮的空氣進(jìn)入高效除油器將其中的大部分油水、微粒進(jìn)行去除，進(jìn)而保證干燥劑在后面的過(guò)濾器可以正常的使用。冷凍干燥機(jī)（冷干機(jī)）將空氣冷卻到5 ℃左右，使空氣中的水汽凝結(jié)，然后通過(guò)過(guò)濾器進(jìn)行分離、過(guò)濾等一系列的程序，最終得到干燥、清潔的壓縮空氣，然后進(jìn)入氮?dú)夂脱鯕獾姆蛛x系統(tǒng)。

第二，氧氣吸附系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，利用兩個(gè)裝有碳分子篩的吸附塔，以及一些閥門(mén)、控制器，在該系統(tǒng)工作的過(guò)程中，壓縮空氣從下部進(jìn)入，而氮?dú)鈴纳喜块y門(mén)流經(jīng)緩沖罐之后，再由過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾，然后得出合格的氮?dú)鈁6]。AB吸附塔的操作如下表2。

表2 A、B吸附塔的操作

Table 2 A and B adsorption tower operation

圖3 變壓吸附（PSA）制氮工藝流程緩沖放空系統(tǒng)裝置圖

Fig.3 Pressure swing adsorption （PSA） nitrogen production process buffer emptying system installation drawing

1- 貯氣罐; 2-精密過(guò)濾器; 3-穩(wěn)壓閥; 4-流量計(jì); 5、6、7 -截止閥門(mén); 8-取樣氣控制閥門(mén)

第三，緩沖放空系統(tǒng)。變壓吸附（PSA）制氮工藝流程中，產(chǎn)生的產(chǎn)品氮?dú)獾募兌葲](méi)有達(dá)到設(shè)定值的要求時(shí)，需要向空中排放，稱(chēng)之為放空。放空裝置如圖3。放空時(shí)，關(guān)閉閥門(mén)6，打開(kāi)閥門(mén)7等待氮?dú)獾募兌群细褚院?，將閥門(mén)7關(guān)閉，然后打開(kāi)閥門(mén)6。在進(jìn)行放空的過(guò)程中，流量不要很大，避免造成氮?dú)饧兌壬仙^(guò)慢。在該放空裝置中，閥門(mén)3是氮?dú)鈮毫刂崎y門(mén)，閥門(mén)5為氮?dú)饬髁靠刂崎y門(mén)，閥門(mén)8為氮?dú)夥治鰞x取樣氣控制閥門(mén)。

3.2 變壓吸附（PSA）制氮工藝特點(diǎn)

（1）工藝流程特點(diǎn)

工藝流程簡(jiǎn)單，所需設(shè)備少，主要設(shè)備有空壓機(jī)、干燥器、制氮機(jī)（吸附塔）、儲(chǔ)氣罐等。設(shè)備安裝緊湊，占地面積小，整個(gè)工藝流程呈現(xiàn)了一體化結(jié)構(gòu)。

（2）氮?dú)怏w積

變壓吸附（PSA）制氮技術(shù)，主要適用于氮?dú)怏w積較小的生產(chǎn)中。制氮工藝流程產(chǎn)生的氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)在95%～99.9%之間，如果在氮?dú)庵谱鞯倪^(guò)程中，需要更高的濃度，只需要增加氮?dú)鈨艋O(shè)備。在條件允許的情況下，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)可以在90%～99.9%之間任意的調(diào)節(jié)。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)會(huì)下降，需要更換碳分子篩。

（3）運(yùn)行特點(diǎn)

系統(tǒng)啟動(dòng)快，適用于間歇運(yùn)行生產(chǎn)。在啟動(dòng)過(guò)程中，只需要按一下按鈕，在30 min內(nèi)，就可以得到合格的氮?dú)獬善贰Ｏ胍玫礁呒兌鹊牡獨(dú)獬善?，需要加裝氮?dú)鈨艋b置，再使用30 min，就可以得到高純度的氮?dú)獬善穂7]。

（4）氮?dú)馓崛?/p>

在氮?dú)庵谱鞯倪^(guò)程中，氮?dú)獾奶崛÷瘦^低，耗氣量非常大，體積分?jǐn)?shù)為99.99%的氮?dú)?，其空氮比大約4.51，隨著純度的提高，氮?dú)獾奶崛÷手饾u的下降。

4 小 結(jié)

在變壓吸附（PSA）制氮技術(shù)中，計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了制氮技術(shù)的全自動(dòng)化。變壓吸附（PSA）制氮技術(shù)，是一種新型的氮?dú)庵圃旃に?，?yīng)用在醫(yī)藥化工生產(chǎn)中，主要是生產(chǎn)氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣、密封氣等。變壓吸附（PSA）制氮技術(shù)，有諸多的優(yōu)點(diǎn)，在化工生產(chǎn)中，可以降低投資成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

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