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制氮机(制氮设备)的纯化系统
 
 
第四节  纯化系统

    空气是多组分组成,除氧气、氮气等气体组分外,还有水蒸汽、二氧化碳、乙炔及少量的灰尘等归体杂质。这些杂质随空气进入空压机与空气分离装置中会到来较大危害,固体杂质会磨损空压机运转部件,堵塞冷却器,降低冷却效果;水蒸气和二氧化碳在空气冷却过程中会冻结析出,将堵塞设备及气体管道,致使空分装置无法生产;乙炔进入空分装置后会导致爆炸事故的发生,所以为了保证制氧机的安全运行,清除这些杂质是非常有必要的。

一、净除的几种方法

    1、吸收法:现在已不使用;
    2、冻结法:切换板式:利用氮气蒸发和升华。淘汰的原因:要求污氮的量大,氧氮产量1:1.2;
    3、吸附法:利用固体吸附剂对气体混合物中多组分吸附能力的差异进行的;氧氮产另比1:(2.5~3.5);

二、吸附过程的基本原理

    当气体与固体吸附剂相接触时,在固体表面或内部将发生容纳气体的现象(被吸附的物质叫吸附质,起吸附作用的物质叫吸附剂)。
 
三、吸附的两种类型
 
    1、物理吸附:靠分子间作用力(范德华力),吸附剂与吸附质的化学性质基本不变;
    2、化学吸附:靠吸附质与吸附剂形成化学键,由于吸附键的结构影响,化学性质变化的。
       有两个阶段:
       A.外扩散:从气体的主体通过吸附剂颗粒周围气膜到颗粒表面;
       B.从表面进入空穴内部有表面扩散和空扩散。.

四、对吸附剂的几点要求

    1、吸附剂必须是多孔性物质:
    2、吸附剂必须有特定的选择性;
    3、吸附容量要大;
    4、能再生且能多次使用;
    5、有足够的机械强度不破碎;
    6、价格便宜;

五、吸附剂的分类
 
    1、活性炭;
    2、硅胶:硅胶的化学式为: 。当硅胶吸附水分时,可以达到自身重量的50%,相对湿度为60%时,吸湿量也可达到24%,但是硅胶吸附水分后温升高,易破碎;可分为粗孔和细孔硅胶;
    3、铝胶:即氧化铝的水合物,化学式为;性质很稳定,无毒,坚实,浸入水中不软化、膨胀或崩裂,耐磨抗冲击;
    4、分子筛;
       制氧机应用的分子筛为沸石分子筛。化学通式如下:
       分子筛目前主要有A 型、X 型和Y 型;
       常用的有外型有球状和条状;尺寸为;
       目前空分上使用的分子筛都是13x 分子筛,13x 分子筛是一种离子形吸附剂,对极性分子有强的亲和力。13x 分子筛有条形,球形之分;且有各种型号,可以根据所需效果选择。
    5、分子筛具有的吸附特点:
       a.选择吸附:
       b.干燥度高:通常干燥后空气露点可达到负70 度;
       c.有共吸附能力:可以同时吸附水、二氧化碳、乙炔等;
       d.分子筛具有高的稳定性,温度达到700℃时,仍不熔性;
       e.有简单的加热可使其再生;

六、吸附过程的进行

    吸附平衡:当吸附速度和脱附速度相等时(P,T 一定时),吸附与脱附是同时进行的,(只不过是速度不一致,当速度一致时就是平衡状态)如下图:
    转效点:当传质区前沿开始达到吸附器出口截面时,即流体出吸附剂层,被吸组分浓度明显增加的点。如上图的E点。

七、吸附能力的衡量
 
    1、静吸附容量:在一定温度和被吸附组分浓度下,每单位质量(体积)吸附剂达到吸附平衡时的所能吸附的最大量,即吸附剂所能达到的最大吸附量与吸附剂量的比。
    2、动吸附容量:当吸附器后刚出现吸附器时,吸附器内单位质量(体积)吸附剂的平均吸附量,也就是吸附剂达到转效点的吸附量,通常用转效点来计算,即从流体开始接触吸附剂到达“转效点”的时间。
       一般取动吸附容量为静吸附容量的40%~50%,计算分子筛用量的一个重要指标。

八、吸附热

    吸附热:流体分子被分子筛吸附到吸附剂表面所放出的热量;
    温度升高:气体冷凝成液体,放热,放热设计计算一般取温差3℃,实际分子筛使用中温升一般在4℃—6℃;
    分子筛吸附器,以下两种形式;
    同时双层床再升温度相对低些,节能。

九、影响吸附容量的因素

    1、吸附过程的温度和被吸附组分的分压力温度越低,吸附效果越好,8~10℃分子筛吸附效果最好;分压越高,代表被吸附组分的浓度越高,吸附效果也越好;
    2、气体流速:流速越大,吸附效果越差,动吸附容量降低是气体与吸附剂接触时间短。在中压流程中,气体进吸附器流速为0.4m/s;在全低压流程中,气体进吸附器流速为0.25m/s;
    3、吸附剂再生的完善程度:再生气源温度,进:170℃——190℃;出:80℃——95℃;
    4、吸附剂层的厚度与水平度:水平度很重要,会影响纯化器的正常有效运行。

十、结构类型

    立式:中小型,占地面积小;
    卧式:中大型;
    现法液空:立式径向流吸附器。

十一、再生(饱和后进行再生,恢复吸附能力)

有两种方法:

    1、加温再生:利用吸附剂高温时吸附容量降低的原理把加温气体通入吸附层,使吸附层温度升高,被吸附组分解吸;
目前使用最广泛。
    2、降压再生(压力交变再生):再生时,降低吸附器内压力,甚至抽真空,使被吸附分子的分压力降低,分子浓度降低,则吸附在吸附剂表面的分子数目也相应减小。
       这是道尔顿分压定律的理论。

十二、纯化系统的节能措施

    降低加热功率,如何才能降低呢?如下:
    1、单层床变双层床;
    2、再生过程中,加热——冷吹分阶段进行;
    3、设置蓄热器;
    4、蒸汽加热器代替电加热器(针对有蒸汽源的用户),蒸汽属于无序能,低品位,电能属于有序能,高品位;
    5、采用PSA 解吸技术:初投资大,运行成本小;
    6、设置污氮预换热器:(目前开始使用)在空压机末级出口增加污氮换热器,使污氮达到40℃—50℃,然后进入加热器再进入纯化器,但空压机排压增加(因为增加换热器阻力增加)且进口膨胀节以进口为主,成本增加;