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变压吸附制氮技术在石化企业中的应用

变压吸附制氮技术在石化企业中的应用

朱银在

(中国石油化工股份有限公司洛阳分公司,河南洛阳 471012)摘 要:变压吸附制粗氮已成功投用于化纤生产,本文介绍了PN-5000型变压吸附制氮及NC-3000型氮气净化工艺技术,分析了变压吸附部分氮气产量、压力与纯度之间的关系,并与同规模的深冷制氮技术在操作、经济性方面进行了较全面的比较。

关键词:变压吸附;深冷制氮;运行分析;比较

中图分类号:TQ116.15 文献标识码:B 文章编号:1003-3467(2003)04-0027-03

从20世纪70年代开始,国内外逐渐采用变压吸附(PSA)分离技术,开发出了分子筛空分PSA工艺,其特点是设备简单、投资少、易操作。在洛阳化纤20万t/a聚酯配套系统工程中,上了一套目前国内处理空气量最大的变压吸附制粗氮装置,该装置由上海化工研究院设计制造,于2000年3月试运投产,各项技术指标均达到设计要求。该套装置在石化行业投入运行,标志着国产变压吸附制氮技术向大型化方向发展。

1 工艺流程简介(见图1)

V201.冷干机 V215.精密过滤器 V202.空气缓冲罐 V203.吸附筒(4组) V204.氮气缓冲罐 V205.蒸汽预热器V206.预处理器V207.氮加热器 V208.氢加热器V209A、B.除氧器 V214.氮加热器V210.备用除氧器V211.冷却器V212.水分离器V213A、B.干燥器 AI-2101.氮气在线分析仪 PIC-2201.氮气流量调节阀 AIC-2201.加氢调节阀 FI.流量计

图1 PN-5000变压吸附及NC-3000氮气净化装置工艺流程图

收稿日期:2002-12-06

作者简介:朱银在(1970-),男,工程师,从事化工生产技术管理工作,电话:(0379)6992150。

1.1 PN-5000变压吸附工艺流程

空气经离心机压缩至0.75~0.85MPa 进入冷干机,降温除去大部分水分,经精密过滤器进一步除油、除尘,然后进入空气缓冲罐缓冲稳压,作为变压吸附制氮的原料气。空气经过预处理后进入装有碳分子筛的吸附筒,空气在碳分子筛床内依次完成吸附制气、放气、冲洗、均压、二次均压、充气过程,从而连续生产制得氮气。吸附筒共8个,每2个吸附筒与10个快速气动切断阀单独组成一套制氮系统,气动阀的启闭由DCS 设定时间程序控制,四组变压吸附系统同时运行时,其切换程序相互错开,使总管的氮气压力、流量更为稳定。利用出口调节阀,控制氮气流量,可以得到不同纯度的氮气。

1.2 NC-3000氮气净化工艺流程

NC-3000氮气净化装置,采用二级除氧(氢)及附加一级备用净化除氧工艺。含氧量约为1%的N 2经蒸汽预热器加热至约150?进入预处理器,与同时进入的H 2在催化剂(Pd-Pt)作用下,反应生成水,氧含量下降到约0.05%,从而完成初级除氧。然后进入氮加热器 ,使温度在0~6h 内由150?渐

升到250?后进入到除氧器,在除氧器内氧与催化剂(Ni-Cu)反应,氧含量不大于3#10-6,氢含量不大于3#10-6。除氧器工作8h 后,需加氢还原再生,将氧化态的Ni-Cu 还原成金属还原态,以备下周期使用。经除氧器的氮气再由氮加热器 加热至约320?进入备用除氧器。备用除氧器内装碳型催化剂,作为备用反应,防止偶然出现系统压力、流量波动过大使除氧不彻底。最后经冷却器、水分离器和干燥器除水后作为产品送用户。2 运行分析

2.1 变压吸附部分压力、流量与纯度之间关系

在生产运行过程中,对粗氮压力、流量和纯度在DCS 上进行数据采集。图2是不同时间内设备运行过程中的压力、流量与纯度随时间的变化曲线。图中ab 段是2002年1月16日22:00至17日4:547h 内的运行数据曲线,进吸附筒空气压力为0.72MPa;图中bc 段是2002年6月11日2:06至17:0015h 内的运行数据曲线,进吸附筒空气压力为0.74MPa(ab 段和bc 段分别代表不同负荷生产运行情况)。吸附温度为20~25?

变压吸附制氮技术在石化企业中的应用

图2 粗氮压力、流量与纯度之间的关系

从图2可以看出,粗氮的压力、氧含量随流量的变化而变化(流量的变化是由外界用户需求量波动引起),压力和流量同时变化,氧含量随流量的变化滞后约5~10min 。当流量升高时粗氮压力下降,氧含量上升;当流量下降时粗氮压力上升,氧含量下降。

图中ab 段当流量为3850~4400m 3/h 时粗氮中氧含量为3%(氮含量约为97%),达到了设计(氮含量95%)要求;当流量为3000~3500m 3/h 时,氧含量大于2%,在此吸附压力下达不到设计(氮含量99%)要求。图中bc 段当流量为2600~2700m 3/h 时,氧含量为1.4%左右,达不到设计要求;当流量

为1200~2500m 3/h 时,氧含量为0.5%以下,粗氮纯度可以达到99.5%以上。在生产过程中,流量的波动比较大,当流量为5500m 3/h 以上时,纯度为90%左右,氮气压力为0.57~0.68MPa,也能满足生产要求。

由以上分析可知:

2.1.1 吸附压力(即进吸附筒空气压力)高有利于碳分子筛对空气中氧的吸附,压力是影响吸附效果的因素之一。从图2可以看出,在吸附压力分别为0.72MPa 和0.74MPa,流量为3000m 3/h 时,氧含量达不到设计要求;吸附压力为0.8~0.85MPa,才可达到设计要求。提高吸附压力,压缩空气的能耗增加。

2.1.2 在加工空气量一定时,其氮气浓度和产量可根据用户需要在一定范围内调节。粗氮产量小,氮气浓度将提高;反之,氮气浓度则下降。氮气纯度达到99.5%以上时,氮气的提取率很低,单位能耗大。在氮气纯度要求较高的情况下,可以采取提高吸附压力和降低产量等措施。根据实际需要,对二者进行综合考虑,可以得到低成本的氮气。

2.2 氮气纯度的影响因素分析

2.2.1 原料空气的质量。空气中含有油雾汽,会堵塞分子筛的微孔,使分离效果大大降低。采用气缸无油润滑或离心式压缩机,保证良好的空气环境,对吸附效果有利。

2.2.2 吸附筒的工作周期。根据碳分子筛对氧和氮的吸附扩散速率的不同,其吸附氧在短时间内就达到平衡,此时氮的吸附量很少,吸附时间长些,可以节约原料空气,降低能耗,减少PSA制氮设备阀门开关频率,提高装置的稳定性;但若工作周期过长,碳分子筛达到饱和,气相中氧含量增加,氮气纯度下降。本套吸附筒工作周期为2min。

2.2.3 再生反吹气量。再生气量小,分子筛得不到彻底再生,使吸附效率下降,产品纯度下降;再生气量大,影响氮气产量。再生气量的大小可根据生产运行情况进行调节。

2.2.4 均压时间。选择适当的均压时间,既可以回收能量,也可避免吸附筒内分子筛受到冲击粉化,达到延长分子筛使用寿命的目的。本套选择均压时间为2s。

2.2.5 吸附温度。选择较低的吸附温度有利于制氮性能的发挥。本套采用冷干机降温、除水,进吸附筒温度在20~25?。

2.2.6 碳分子筛的吸附性能。选择性能良好的碳分子筛可以提高氮的提取率,本套采用德国产的B F 分子筛和日本产的武田分子筛,根据工艺要求混装,可以满足生产要求。

2.3 在化纤装置中的应用

PN-5000型制氮装置主要用于PTA装置事故状态下和氧化单元停工、精制单元送料时用粗氮。其要求氮气压力在0.6MPa,流量在4800m3/h,用来压送PTA粉料,预防原料的氧化。变压吸附制粗氮装置可在15min内启动并产出合格氮气,能够满足生产过程中的安全需要。在炼油厂对氮气纯度要求不太高的装置(99%N2),也可以用该技术来达到生产要求。

2.4 注意事项

在向下游供原料气时,防止流量大幅度的波动,流量的波动,引起氧含量的波动幅度大,对下游纯化部分加氢量有影响,最终会影响到氮气纯度。保证空气质量,有利于碳分子筛的吸附效果和使用寿命。在调节流量时应注意对纯度的影响,调节应有预见性。长期停车后再开车,应脱除管线内的积水。

氮气净化装置运行时应保证上游工况的稳定和产氮量的稳定,不然易引起加氢的波动。保证氢质量,防止出现产品中引入其它杂质。因采用加氢除氧,对安全操作要求更加严格。

3 与深冷制氮技术的比较

该技术与KDN-3000深冷制氮技术比较,变压吸附的优点是:设备结构简单,占地面积小,土建安装要求低,日常维护量小,操作方便,启动速度快,操作弹性大,制粗氮时单位能耗低。缺点是:纯化部分需加氢和消耗蒸汽,受外界影响因素大,对装置的安全要求高。深冷制氮的优点是:氮气纯度高,受外界影响因素小,可以生产液氮。缺点是:日常维护量大,操作较复杂,启运时间长,需专人看管。

该套装置与深冷制氮装置的设计原则是:变压吸附制氮是深冷制氮的备用装置,两套制氮装置可单独运行也可并联运行,当深冷制氮装置故障或企业生产异常需大量用氮时,利用变压吸附启动快的特点,能及时提供氮气。两套装置设计共用一套控制系统,集中控制,有利于系统化操作。选择效率高的离心机组,制氮的能耗会进一步下降。

4 结束语

在中小规模上,变压吸附空气分离技术可以和传统的深冷空分法竞争;在用氮气纯度不太高的行业,其优势更加明显;在有多处工艺用氮并有纯度要求的用氮和用氮波动较大的场合,更为适用。郑州大学研制出利用超导材料YBa2Cu3O7-x的氧化还原特性,与普氮中的氧反应来制得高纯氮气,中试已获得成功[1],随着无氢提纯技术的成熟,其工业应用的前景会更加看好。变压吸附制氮与深冷制氮的并联运行,各自的优势可以得到补充,并且合用一套控制系统,实现系统化操作,节省人工成本,对大型企业的安全长周期运行意义重大。

参考文献:

[1] 高之爽.YBCO无H2除氧的纯化技术[C].变压吸附设

备新技术交流会论文集,2000.