变压吸附制氮设备的控制运行与分析

张代春， 朱付强， 张志勇

（山东恒业石油新技术应用有限公司， 山东 东营 257100）

引言

PN-5000 型变压吸附制氮是当前比较常用的一种变压吸附制氮设备类型，在2000 年3 月试运投产使用，该设备能够生产出纯度高达95%的粗氮与纯度高达99%的纯氮，其中粗氮大多是在低氧前提下进行PTA 粉料输送，而纯氮则可以给予下游氮气净化装置充足气源，从而可以制造获取出高纯氮气。基于此，本文主要分析PN-5000 型变压吸附制氮设备控制运行情况。

1 工艺流程

空气经过离心机充分压缩后，一旦压力值满足0.74～0.85MPa 水平线后，则会开始进入到冷干机中进行降温，将大多数水分有效去除，这时已经被除去水分的空气可以在热交换器管排出，在精密过滤器帮助下完成除尘工作，接着进入空气缓冲罐，成为变压吸附制氮的主要原料气[1]。通常情况下，空气接收预处理后都需要装置进碳分子筛吸附筒中，并且空气在该筒内需要分别完成以下流程操作：吸附、制气、放气、冲洗、均压、二次均压、充气过程，所有流程完成后则可以生产出氮气。气动阀启动与关闭主要经DCS 时间程序控制，如果四组变压吸附系统一起运行下，切换程序可以错开，以保持总管氮气压力与流量稳定，具体如图1 所示。

2 运行控制

PN-5000 型变压吸附制氮设备运行主要使用常压解吸方法再生，每一组运行循环过程如图2 所示。

常压解吸过程中主要涉及升压、吸附、顺放、逆放、冲洗等，而这一系列过程均需要经过吸附筒快速启动阀门启闭来完成。具体步骤如下：

第一步：0～1 s 时需要继续升压，吸附筒A 继续升压，打开阀ZA1，空气可以顺着吸附筒底部进入到吸附筒中，当阀ZA6、ZA8 打开后，吸附筒B 可以开始排气降压工作[2]。

第二步：第1～58 s 时，吸附筒A 吸附，阀ZA3 打开，氮气进行外送，当适量氮气进入吸附筒B 后，ZA6、ZA8 逐渐打开，开始逆放与冲洗工作。

第三步：58～60 s 时，吸附筒A 保持均压，阀ZA1、ZA3 关闭，ZA9、ZA10 打开，同时ZA6、ZA8 关闭；这时吸附筒A、B 上下端导通，A 筒中聚集氮气能够回收利用，并给予B 筒升压影响。

第四步：60～61 s 时，吸附筒A 进行排气降压工作，阀ZA9、ZA10 关闭，ZA5、ZA7 打开，开始排气工作，需要将碳分子筛氧气与水分充分解吸后，B 筒开始吸附。

第五步：该步骤主要是逆向放压与冲洗过程，促使碳分子筛可以进行充分解吸再生，B 筒制氮外送。

第六步：118～120 s 时段，这时吸附筒A 升压，吸附筒B 气相中富氮缓慢导入至吸附筒A，造成筒A升压，完成循环。

通常情况下，吸附筒循环周期主要就是升压、吸附、顺放、逆放与冲洗，但是在设备实际运行控制时，阀升压与吸附属于连续过程，顺放、逆放与冲洗等又属于另一个连续过程，所以不具有严格界限，只是可以看作是吸附筒内部气相、固相纯度与压力变化过程。

3 运行控制分析

3.1 低压小流量

当离心机组中存在两台机器故障，并在未准备备用机情况下，可以将冷冻站低压气源和生育离心机进行并联运行，从而达到深冷制氮设备与PSA 制氮设备同时生产运行目的，从而确保化纤工业风与仪表风正常供给[3]。由于外引气源压力较低，导致吸附筒空气量逐渐降低，所以可以采用降负荷方法，将一组吸附筒进行停运，就可以确保其他机器正常工作，以提高产品质量。

3.2 低压大流量

在使用过程中，如果出现粗氮用量波动范围过大情况，则可能会出现氮气压力过低以及流量大等现象，这些都会导致产品质量降低。为了防止上述情况发生，可以借助装置控制阀，确保产量控制在弹性范围内。

3.3 低压运行

在设备试运过程中，如果选择单台离心机为PSA制氮设备共计，且流量与压力等严格根据要求进行设计，则产品质量与粗氮流量等均可以满足规定要求[4]。随着技术进步，在之后生产过程中，可以结合实际生产情况，选择三台离心机同时运行方法，以保证设备用风量变化。

3.4 碳分子筛性能分析

PN-5000 型变压吸附制氮内主要应用BF 分子筛与武田分子筛共18 t，按照工艺规定要求，必须得到上下混装，并且填充质量比例严格按照7∶4 完成，当处在变负荷运行条件时，碳分子筛吸附性能具体情况如表1 所示。只有当压力条件满足0.80～0.85 MPa时，碳分子筛性能才可以最大限度发挥，并且实现设计要求。而如果吸附压力为0.72～0.75 MPa，氮气流量控制则应该保持在3 800～4 400 m3/h，这样才能够符合制粗氮要求，以发挥出碳分子筛性能，因此若是从生产与节能等方面考虑，0.72～0.75 MPa 吸附压力工作更加合适，但是氮气提取率相对较低。如果需要向下游提供流量3 200 m3/h 与纯度99%氮气，则应该适当提高压缩空气压力。对于炼油厂或者是氮气纯度要求较低的生产条件，则可以选择上述方法进行氮气制取，不仅可以满足生产需求，质量也能保障。

表1 不同负荷下碳分子筛吸附性能

4 结论

变压吸附制氮设备近几年在许多行业中被广泛应用，且在安全生产中发挥着重要作用，该设备具有较强专业性，工艺较为复杂，所以在运行控制过程中必须进行有效分析，同时为了保证氮气生产满足条件，需要分析变压吸附制氮设备工艺流程与运行原理，以最大限度发挥出设备性能，以提高生产质量，生产提取出更高纯度氮气，供各行各业使用。