[实用新型]一种高温高效快速型变压吸附制氮设备

说明书

本实用新型公开了一种高温高效快速型变压吸附制氮设备，所述制氮设备包括进气装置、压缩空气净化系统、恒定温度自动控制系统以及制氮模块，制氮模块包括两台吸附塔，吸附塔包括氮气出气口、中部均压接口、分子筛以及吸附布气树，分子筛均布在吸附塔内，吸附布气树包括上部布气树、中部布气树以及下部布气树，上部布气树通过程控阀与氮气出气口连接，中部布气树通过程控阀与中部均压接口连接，下部布气树通过程控阀分别与空气进气口和放空消音器出口连接，上部布气树、中部布气树以及下部布气树通过纵向总气管串接。与现有技术相比，本实用新型世界范围内首次将RPSA技术与高温分子筛技术应用到PSA制氮设备中，达到99.99%氮气纯度时间小于15min。

技术领域

本实用新型属于变压吸附制氮设备技术领域，具体涉及一种高温高效快速型变压吸附制氮设备及其制氮方法。

背景技术

快速变压吸附（Rapid Pressure Swing Adsorption, RPSA）技术，通过加快程控阀的切换速度，以及缩短单个吸附塔的吸附时间，在整体上缩短吸附周期，总体上达到分子筛量少、占地小、投资成本低、生产竞争力强等特点。国外在早期70年代就开展研究，尤其是微小型RPSA制氧设备已经有了成熟的案例，并已成功的推向市场；大型的制氧机开发出了RVPSA技术也采用了极短的吸附周期以降低昂贵的锂分子筛的使用量；在垃圾填埋气处理用的RPSA天然气脱CO2及脱N2装置上都有了成功的应用，如美国AP公司收购碧青的多塔RPSA装置采用的集成吸附塔和旋转阀模块技术，吸附转换速度，最高达到了常规电磁阀&角座阀技术的100倍，且不需要使用原料气和产品气缓冲罐情况下实现了原料气和产品气输入和输出的平衡，这家公司在上海有生产厂，并且已在国内承接了大型的垃圾填埋气处理项目。

目前快速变压吸附技术已经在制氧设备上有了成熟的应用，在制氮设备上未见报道。

PSA变压吸附制氮技术，是利用分子筛对目标气体O₂有较高的吸附容量和较高的吸附选择性实现对空气的分离。吸附选择性是指分子筛对O₂优先吸附的能力，即空气中的目标气体O₂与其他组分气体在分子筛上的吸附行为有差异，吸附行为的差异越大，表明吸附剂对目标气体与其他气体选择性差异越大，则目标气体越容易被分离。当经过处理的压缩空气经过吸附剂时，空气中O₂组分在吸附剂上扩散系数与平衡系数都高于N₂组分，所以O₂组分优先吸附，从而获得高纯度氮气。

随着对制氮分子筛吸附等温线的研究与试验发现，目前市面上流通的主要分子筛的各项性能会随着温度的升高急剧的下降。具体的表现为分子筛对N₂的吸附量将随着温度的升高急剧上升，这样就导致即便空压机为制氮机提供了足量的空气，但是由于制氮机分子筛本身性能的下降，设备仍然无法产出合格的产品气，也就是说要使产品气达到合格，必须使分子筛具有非常强的温度适应性。

经过调研与试验，在高温运行环境下，制氮碳分子筛对氮气的吸附速度大大提升，60℃分子筛的吸附量是20℃时吸附量的1.5倍，也就是说，高温使得分子筛的吸附容量升高，同时加大了对O₂和对N₂的吸附量。但是总体表现为随着温度的升高，分子筛对氮分子和氧分子的静态吸附量同时增加，这个现象表明，可以使用高温来提升分子筛的吸附量（如表1所示）。

表1 制氮分子筛的不同温度下对O₂和N₂的静态吸附量（单位mL/g）

并且通过进一步的试验发现，高温下，在短时间内，对O₂的吸附速率要高于对N₂的吸附速率，基于前期的大量研究，发明人等想到筛选出短吸附周期内对O₂分子与N₂分子筛区别性高的分子筛，然后利用快速变压吸附技术设计出一套在短时间内完成快速分离的高温高效快速型变压吸附制氮设备。