[发明专利]深冷空分装置的吸附系统

说明书

技术领域

本发明涉及深冷空气分离技术领域，具体而言，涉及一种深冷空分装置的吸附系统。

背景技术

一、现有深冷空气分离技术现状

纯氧、纯氮是石油化工、煤化工、冶金等生产企业大量消耗的物料之一，空分装置是这些企业的重要配套装置，虽然近年开发的变压吸附和膜回收技术可以实现空气中氮氧分离的目的，但是这两种方法制得氮和氧的纯度、实现装置的大型化要求等方面均不能与深冷低温精馏法相比。深冷空气分离技术是目前应用最广泛、最成熟、制得氧和氮的纯度高、装置大型化最成功的空气分离方法。

深冷空气分离技术的工艺过程通常为：空气经气动自洁式空气过滤器过滤后，进入空气压缩机，压缩至约0.575MPa(A)左右，然后经空气冷却系统冷却至13℃左右进入分子筛纯化器脱除空气中的水、二氧化碳、微量的烃类、氧化亚氮等杂质。净化后的空气通过空气增压后膨胀或冷却、低温精馏等过程将空气经低温液化后，再利用氧、氮、氩等沸点不同的特点，实现空气分离制氧、制氮、制氩气等惰性气体。空气分离过程的冷量来源于空气增压透平膨胀机。深冷低温精馏工艺一直伴随着空分装置的发展，属于最为传统、最为成熟的空气分离技术。

空气中必然含有水、二氧化碳等杂质，目前各深冷空分技术都设置了用于脱除水、二氧化碳等杂质的纯化器。但是空气吸入口处二氧化碳或水含量上升、纯化器吸附末期、由于纯化器切换等原因引起冲床、设备大型化设计引起的流体力学问题等原因，纯化器出口空气中的二氧化碳时常超标，空气中的二氧化碳等杂质进入冷换系统、精馏塔，影响氧的产量和质量、二氧化碳冻结成固态堵塞气体流动的通道而导致装置无法运行的情况时常出现，建国以来由于烃类等各种杂质进入冷冻精馏系统导致我国制氧厂颇具规模的爆炸就有上百起之多，马来西亚等国外的空分装置也发生过爆炸事故。

目前各种深冷空分技术通常设置了2台纯化器，纯化器采用双床层或单一床层结构。双床层下部为机械强度较大、对水具有很高吸附能力的活性氧化铝，上部为对二氧化碳和烃类杂质等有良好吸附性能的分子筛吸附剂。在吸附过程中，首先被吸附的是水分，然后是二氧化碳和其他碳氢化合物。运行时2台纯化器交替工作，其中1台工作时，另1台再生，再生的气源为空气深冷分离系统输出的污氮，加热再生污氮的热源采用蒸汽或电。事实上吸附和解吸过程是同时进行的，只不过未达到饱和前的瞬时吸附量大于解吸量。当具有一定吸附质浓度的空气开始以恒定流速进入纯化器时，在吸附质与吸附剂充分接触后，被吸附的量不断提高。为保证深冷空分装置冷冻精馏系统的安全运行，纯化器再生前大部分吸附剂的吸附量没有达到饱和，纯化器出口二氧化碳等杂质的含量在0.2PPm左右。在设计的吸附时间结束前纯化器出口处二氧化碳含量曲线明显上扬并超过1PPm的情况下，应切除进入冷冻系统的空气，防止二氧化碳进入空分装置的冷冻系统在换热器内因低温固化而堵塞换热系统的管路，而导致空分装置无法正常运行。为使吸附质从吸附剂表面脱离下来恢复吸附剂的吸附能力，必须对吸附剂进行“再生”。只采用一级分子筛纯化器净化空气时，为了满足深冷空分装置对二氧化碳含量的要求，纯化器再生前存在上层吸附剂的吸附量距离饱和吸附量有很大的差距，因而造成了再生过程加热能耗的无效消耗和再生氮气的损耗。

虽然利用分子筛吸附和再生的过程实现脱除空气中二氧化碳和水等杂质的技术简单而且应用普遍，但是近十年化工和冶金行业产能扩建迅速，装置大型化和园区化成为趋势，空分设备等级不断提高。随着空分装置大型化、空分装置所处的运行环境空气组成复杂化的变化趋势，分子筛对杂质的物理吸附速率不能适应空分装置空气入口处杂质含量瞬时大幅度超标的状况，给空分设备的设计和平稳运行带来了很大难度。

二、大型化和园区化形势下，大型空分装置设计和平稳运行的难点

化工和冶金行业的现状和发展趋势是大型化、园区化。空分装置在设备大型化的应用过程中，受流体力学、吸附动力学的影响纯化器出口二氧化碳含量超标成为常见的现象，园区化的建设模式也会因园区内污染源排放点多、污染源在风力及气压变化的情况下无规律地扩散，造成空分装置空气吸入口处二氧化碳、烃类等杂质含量超标的状况，纯化器不能应对杂质大幅度地超标导致进入深冷空分装置冷冻系统空气中二氧化碳或其它杂质的含量超标，会影响氧的产量和质量、出现换热系统的管路堵塞而导致装置停车的故障。大型化和园区化的运行环境中深冷空分装置采用单级纯化器完全脱除空气中二氧化碳和水等杂质的难点、纯化器出口空气中二氧化碳或其它杂质超标的原因主要如下：