变压吸附制氮装置
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变压吸附制氮装置用于工业生产中的惰性保护
顾飞龙张力钧张丽华上海化工研究院200062
摘要本文简要介绍变压吸附制氮技术的基本原理及数学模型，变压吸附制氮装置用于工业生产中的惰性保护。
关键词变压吸附数学模型制氮装置应用1、概述
工业生产过程中，有毒有害、易燃易爆、易挥发的物料需要惰性气体保护，而氮气作为惰性气体的一种，气源丰富，空气中含量79％，在生产中的应用已日益广泛。目前广泛应用于安全保护气、置换气、注氮三次采油、煤矿防火灭火、氮基气氛热处理、防腐防爆、电子工业、集成电路等。例如化工助剂生产中采用封闭式循环干燥系统，采用氮气作惰性保护，可以防止由溶剂引起的爆炸和燃烧，防止溶剂和粉末释放，同时防止干燥产品在干燥期间的过热氧化作用和降解。
传统的空气分离是采用深冷法，利用空气中氧氮等的沸点不同，使空气深冷液化，进行分离提纯。虽然分离量大，纯度高，但是工艺流程复杂，设备制造、安装、调试要求高，投资大，占地面积大，不适宜应用于中小气量。通过近三十年来的摸索，变压吸附制氮技术已经相当完善。变压吸附气体分离技术（PSA）工艺过程简单，设备制造容易，占地少，启动时间短，设备维护简便，适应性强，自动化程度高，可随时开停车不需采用特别措施。因此，近年来变压吸附在中小规模装置的应用日益增加。
2、变压吸附制氮技术基本原理
由于吸附剂对不同气体在吸附量、吸附速度、吸附力等方面的差异，以及吸附剂的吸附容量随压力的变化而变化，因此可在加压条件下完成混合气体的吸附分离过程，减低压力解吸所吸附的杂质组份，从而实现气体分离以及吸附剂的循环使用。
变压吸附制氮技术，一般采用碳分子筛为吸附剂，碳分子筛对氧氮的吸附速度相差很大，（如图1所示），在短时间内，氧的吸附速度大大超过氮的吸附速度，利用这一特性来完成氧氮分离。碳分子筛对氧的吸附容量随压力的降低而减少，减低压力，即可解吸，完成碳分子筛的再生。另外，碳分子筛对二氧化碳和水分也有吸附能力，且较容易减压解吸。
时间MIN
图1.碳分子筛对氧氮的吸附动力学曲线
1
相对吸附量LL
3、变压吸附制氮的数学模型
PSA制氮过程的动态行为可以从以下几个方面来描述：3.1．吸附等温方程
PSA制氮是基于恒温（一般为常温）下气体的压力升降相平衡的吸附剂吸附容量相应变化，过程消耗的能量是气体的压缩能；温度恒定，吸附剂的吸附量q和气相中组份的分压p的平衡关系用吸附等温方程来描述。PSA制氮，低温下以物理吸附为主，与Langmuir方程描述一致。Langmuir方程基本假设：①吸附是单分子层；②局部吸附，吸附剂的表面有一定数量的吸附中心，且各吸附中心相互独立，成为局部吸附；③各吸附中心具有相等的吸附能，并在各中心均匀分布。
在吸附平衡时，均匀表面的气体分子的吸附速率和解吸速率相等，推得基本吸附等温的Langmuir方程：
kpq
1
qm1k1p
式中：k1为常数，由实验测得，q表示气体压力为p的吸附浓度3.2． 