制氮论文

变压吸附制氮关键工艺参数实验研究 古世钅监1）  刘应 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 2） 吴天瑞1） 杜雄伟2） 蒋华峰2） 刘文海2） 1）温州瑞气空分设备有限公司，温州 325011  2）北京科技大学机械工程学院气体分离工程研究所，北京 100083 摘  要  本文实验研究了切换时间、均压时间、进气压力、产品气流量以及反吹气量等工艺参数对变压吸附制氮装置的产品气纯度和回收率的影响。实验结果表明：在本实验条件下，随着切换时间的延长，氮气纯度先上升后降低，而氮气回收率一直增加；在一定的均压时间范围内，对于高径比大的吸附床，氮气纯度基本保持不变，而对高径比小的吸附床，氮气纯度在均压超过一定时间后迅速下降，延长均压时间氮气回收率增加；随着进气压力或者反吹气量的增加，产品纯度上升而回收率下降，产品气量的影响则相反；在固定氮气纯度时，本实验条件下，最佳反吹比在0.17左右，最佳切换时间大约为70s，氮气回收率在一定的均压时间范围内基本保持不变，超过一定值之后则迅速下降。 关键词  变压吸附；氮气；纯度；回收率 近年来随着分子筛制备和变压吸附(PSA)技术的发展，中小型制氮装置因投资低、操作费低、运行简单而被广泛的应用于冶金工业、石油化工工业、航天和电子工业、食品果蔬保鲜以及石油和天然气开采等行业[1]。PSA制氮市场日趋激烈的竞争，对PSA制氮设备的性能提出了更高的要求。产品氮气的纯度和回收率不仅仅依赖于吸附剂的性能，制氮过程中的各种工艺参数对他们也有重要的影响。本文主要研究切换时间、均压时间、进气压力、反吹气量以及产品气流量对PSA制氮过程的产品气纯度和回收率的影响，以期为深入了解PSA制氮过程、提升未来产品的设计水平提供指导和参考。 1 实验设备及方法 本实验的 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 及主要设备如图1所示。 实验设备由硬件和软件两部分组成。硬件系统主要包括各种阀门、流量计、测氧仪、压 缩机、吸附床、PLC控制系统、冷干机、压力表、A/D采样板、计算机等。软件系统主要用来自动测量和MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1713289919184_0采样口的数据并进行处理，由VB语言编写。 实验中，空气经过压缩机、冷干机、过滤器后，进入吸附床。其中氧气被吸附床中分子筛吸附，而氮气被分离出来。氮气从吸附床流出后，分成两部分，一部分作为产品气进入储气罐，另一部分则通过玻璃转子流量计后，进入正处于解吸状态的另一吸附床，吹扫尚未解吸完全的氧气。从储气罐流出的氮气由ZO-802型氧化锆氧分析仪检测其氧气浓度的同时，将氧气浓度信号送到A/D转换板，将模拟信号变成数字信号，然后由计算机数据采集系统记录下来，计算机采集信号时间间隔为1秒。在每种实验工况达到稳定后，连续记录300个左右的数据，按算术平均法求出其平均值并将该值作为实验结果存到计算机里。由于变压吸附制氮过程中有一均压环节，空气进口的空气流量计的示值不稳定，所以通过对多个周期的流量进行累积后，按算术平均法求出其平均值并将该值作为原料气的进气流量。 切换时间和均压时间由PLC系统进行编程控制，进气压力的改变由安装在空气缓冲罐前的压力调节阀来完成，反吹气量由设置在两个吸附床之间的玻璃转子流量计来控制，产品气流量由设置在产品储罐后面的玻璃转子流量计来调节。 1－冷干机  2－原料进气缓冲罐   3－吸附床   4－产品气储罐  5、6、7－玻璃转子流量计 图1 实验流程及主要设备图 Fig.1 Schematic diagram of experiment flow and main equipments 2 实验结果及讨论 2.1 切换时间的影响 该实验以规格为Φ100×1000mm吸附床为研究对象，产品气量1.64m3/h、均压时间0.2s、反吹气量0.2m3/h、进气压力0.8MPa等参数不变，切换时间在30～100s之间以间隔10s变化，所得结果如图2所示。 图2 氮气纯度、回收率与切换时间的关系 Fig.2 Effect of cycle time on nitrogen purity and recovery 由图可知，随着切换时间的延长，氮气纯度先增加，达到一个最大值后开始下降，当切换时间为40s时，氮气纯度达到最大值99.95％；而氮气回收率是一直增加的。实验结果表明，切换时间的长短对变压吸附过程具有很大的影响。当进气量和产品气量一定时，吸附阶段氮气浓度波在吸附床中移动速度基本为一定值[2]。吸附时间与浓度波移动速度的乘积就是吸附阶段浓度波在吸附床中移动的距离。浓度波移动的距离太长，氮气浓度波峰面穿透吸附床，将导致产品气中氮气浓度迅速下降。浓度波移动距离太短，氮气浓度波峰面离吸附床出口距离过大，造成很大一部分分子筛床层没有得到利用。这也将导致低的产品气纯度。因此，在其它工艺参数一定的条件下，存在一个最佳的切换时间。另一方面，切换时间越长，吸附过程中氧气被吸附的越多，由于切换、反吹导致的氮气损失就越少，故而氮气回收率就越高。 因此，综合切换时间对产品气浓度和回收率的影响规律，对于变压吸附制氮设备来说，存在一个最佳切换时间。 2.2 均压时间的影响 本实验中，考察了规格为Φ100×1000mm（高径比为9.7，每个吸附床的分子筛装入量为2.85Kg）和Φ147×385mm（高径比为2.6，每个吸附床的分子筛装入量为2.25Kg）的吸附床，单位吸附剂产气量为0.575m3/h•kg，反吹气量0.2m3/h、进气压力0.8Mpa、切换时间60s等参数不变，均压时间从0.2s增加到1.2s，时间间隔为0.2s。 图3表示不同高径比下，产品氮气纯度随均压时间的变化关系。从图中可以看出，对于高径比为9.7的吸附床来说，在均压时间0.2～1.2s的范围内，产品氮气纯度几乎不随之发生变化；而对于高径比为2.6的吸附床而言，在0.2～0.6s的均压时间范围内产品氮气纯度变化不大，当均压时间超出0.6s后，氮气纯度迅速下降。氧气在吸附床内的吸附是“分层吸附”[3][4]，对于高径比较大的吸附床来说，均压过程中所吸附的氧气占据的层数相对整个床层来说比例较少，仍然有比较大的吸附量，供吸附的时间长，因此产品氮气纯度变化不大；而对于高径比小的吸附床来说，随着均压时间的增加，可供吸附阶段用的吸附床层减少，床层容易穿透，所以在均压时间较长的时候，产品氮气浓度会下降很快。 INCLUDEPICTURE "http://www.igsigs.com/images/stories/technical_lectures/zhidan4.gif" \* MERGEFORMATINET 图3 氮气纯度与均压时间的关系                 图4 氮气回收率与均压时间的关系 Fig.3 Effect of equalization time on nitrogen purity    Fig.4 Effect of equalization time on nitrogen recovery 不同高径比时，产品氮气回收率随均压时间的变化如图4所示。由图可知，对于高径比为9.7和2.6的吸 附床来说，延长均压时间都有利于氮气回收率的增加，而且前者的回收率总是大于后者。 2.3 进气压力的影响 本组实验研究规格为Φ100×1000mm的吸附床在产品气流量为1.64m3/h、均压时间0.2s、反吹气量0.2m3/h、切换时间为60s的条件下，改变进气压力对产品气浓度和回收率的影响。进气压力从0.6 Mpa以间隔0.05Mpa增加到0.85Mpa，所得实验结果如图5所示。 从图中可以看出，随着进气压力的升高，产品氮气的纯度逐渐上升，但变化幅度逐渐减小；而氮气回收率随着进气压力的增加而逐渐降低。压力的提高，更加有利于碳分子筛吸附氧气，故产品氮气纯度增加；随着压力的进一步提高，分子筛吸附氧气的能力减弱，所以氮气纯度的变化幅度减小。同时压力的增加也有利于分子筛吸附氮气，压力越大，对氮气的吸附容量也越大，因此氮气的回收率下降。所以，在保证产品氮气的纯度和一定的产品回收率的情况下，存在一个最佳进气压力，需根据实际情况选取。 图5 氮气纯度、回收率与进气压力的关系 Fig.5 Effect of feed pressure on nitrogen purity and recovery 2.4 产品气流量的影响 本实验针对规格为Φ100×1000mm的吸附床进行研究，反吹气量0.2m3/h、进气压力0.8Mpa、切换时间60s、均压时间0.2s等参数不变，产量气流量用单位吸附剂产气量表示，变化水平依次为0.351，0.463，0.575，0.988，0.8，0.912 m3/h•kg。图6所示为产品气流量对产品纯度以及回收率的影响。 图6氮气纯度、回收率与产品气流量的关系 Fig.6 Effect of production flow rate on nitrogen purity and recovery 由图可知，随着产品气流量的增加，产品氮气纯度下降而回收率升高。产品气流量的增加使得吸附床内气体流速加快，吸附组分在吸附剂上停留的时间短，有的还来不及吸附就已经穿透床层，大量氧气混入产品 氮气中，导致氮气浓度下降。与此同时，大量的氮气也未被吸附，从而产品中氮气的量也增加，故回收率升高。从图中可以看出，当产品氮气纯度为99.9％时，氮气回收率为30％左右。 2.5 反吹气量的影响 本实验选用规格为Φ147×385mm的吸附床，进气压力为0.8MPa，切换时间为60s，均压时间0.6s，反吹气量的变化水平依次为0.06，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6 m3/h。所得实验结果如图7，图中无因次量为反吹气量与总产品气量的比值。 图7氮气纯度、回收率与反吹气量的关系 Fig.7 Effect of purge-to-product ratio on nitrogen purity and recovery 从图中可以看出，随着反吹气量的增加，产品氮气纯度上升而回收率下降。反吹气量的增加，使得床层中被吸附的氧气量减少，相当于部分解吸，这样在吸附阶段原料气中的氧气和氮气都会被更多的吸附。由于采用产品气进行反吹，氮气产量减少，导致回收率下降。 2.6 固定产品纯度实验 为了更加直观的得到关键参数对产品氮气纯度和回收率的影响规律，针对高径比为9.7的吸附床，在固定产品氮气纯度为99.95％±50ppm的条件下，改变反吹气量，或者均压时间，或者切换时间进行实验，实验工况如表1。 表1 固定产品氮气浓度实验工况表 根据以上实验工况，所得结果表示在图8、9和10中。 图8固定氮气纯度时产品回收率与反吹气量的关系 Fig.8 Effect of purge-to-product ratio on nitrogen recovery at fixed purity INCLUDEPICTURE "http://www.igsigs.com/images/stories/technical_lectures/zhidan10.gif" \* MERGEFORMATINET 图9固定氮气纯度时产品回收率与均压时间的关系   图10固定氮气纯度时产品回收率与切换时间的关系 Fig.9 Effect of equalization time on nitrogen recovery    Fig.10 Effect of cycle time on nitrogen recovery at fixed purity                                     at fixed purity 从图8可以看出，在固定氮气纯度时，随着反吹比的增加，产品氮气的回收率先升高后降低，存在一峰值。在本实验条件下，最佳反吹比在17％左右。如图9所示，在固定氮气纯度时，氮气回收率在0.4～0.8s的均压时间范围内基本保持不变，超过0.8s之后则迅速下降。从图10可以看出，在固定氮气纯度时，随着切换时间的延长，产品氮气的回收率先升高后降低，存在一峰值。在本实验条件下，最佳切换时间大约在70s。 3 结论 （1）在本实验条件下，随着切换时间的延长，氮气纯度先增加，达到一个最大值后开始下降，而氮气回收率是一直增加的。 （2）在本实验条件下，在一定的均压时间范围内，对于高径比大的吸附床，氮气纯度基本保持不变，而对高径比小的吸附床，氮气纯度在均压超过一定时间后迅速下降，延长均压时间有利于氮气回收率的增加， 而且高径比大的吸附床总是比高径比小的吸附床的回收率大。 （3）在本实验条件下，随着进气压力的升高，产品氮气纯度逐渐上升，但变化幅度逐渐减小，而氮气的回收率随着进气压力的增加而逐渐降低。 （4）随着产品气流量的增加，产品气纯度下降，而产品回收率升高。 （5）随着反吹气量的增加，产品氮气的纯度上升而回收率下降。 （6）在固定氮气纯度时，随着反吹比的增加，产品氮气的回收率先升高后降低，存在一峰值，本实验条件下，最佳反吹比在0.17左右；氮气回收率在一定的均压时间范围内基本保持不变，超过一定值之后则迅速下降；随着切换时间的延长，产品氮气的回收率先升高后降低，存在一峰值，本实验条件下，最佳切换时间大约为70s。