CN103787285B

CN103787285B - 五塔变压吸附制氮装置

Info

Publication number: CN103787285B
Application number: CN201410019703.9A
Authority: CN
Inventors: 李刚; 王晓刚; 于文涛; 徐海银; 宋津
Original assignee: TIANLI HI-NEW TECH Co Ltd DUSHANZI XINJIANG
Current assignee: Xinjiang Tianli high tech Formosa Petrochemical Co
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2034-01-16
Also published as: CN103787285A

Abstract

本发明涉及制氮装置技术领域，是一种五塔变压吸附制氮装置，其包括A吸附塔、B吸附塔、C吸附塔、D吸附塔、E吸附塔、放空总管、进气总管、排氮总管、升压总管、一级均压总管、二级均压总管和顺放气缓冲罐。本发明结构合理而紧凑，使用方便，在提高吸附塔中氮气回收率的同时，可有效提高产氮量和氮气纯度，并且能够有效回收吸附塔中的氮气，有效延长碳分子筛的使用寿命，而且操作弹性大，在设备故障、补加分子筛时，可不停机处理，可以连续长周期的进行生产制氮，有力的保证了下游氮气用户的稳定运行，操作弹性大。

Description

五塔变压吸附制氮装置

技术领域

本发明涉及制氮装置技术领域，是一种五塔变压吸附制氮装置。

背景技术

传统变压吸附制氮工艺采用变压吸附法，即PSA法，以空气为原料，碳分子筛为吸附剂，通过吸附床加压、减压相组合的循环操作过程，利用充满微孔晶体的分子筛对气体分子选择性吸附，使分子直径比氮气小的氧气以较快的速度扩散进入碳分子筛孔道，被优先选择性吸附，短时间内氧气迅速富集于碳分子筛颗粒内部（固相），而氮气则未来得及被吸附而富集于气相中，从而达到氧氮分离，并获得氮气的一种空气制氮技术。它采用两台吸附塔，空气中氧、氮的分离是在两吸附塔之间轮流进行，通过程序控制切断阀，使一个吸附塔处于加压吸附状态，另一个吸附塔则处于常压解吸状态，二塔交替工作生产氮气，通过两塔并联，交替进行加压吸附和解压再生，从而获得连续的氮气流。但是目前现有的变压吸附法制氮存在着以下的主要问题：1、由于碳分子筛在吸附塔内不断沉降，必须补加碳分子筛，此时两塔变压吸附制氮必须整套制氮机组停机处理，严重影响下游工作；2、任一制氮吸附塔设备附件、程控阀门出现故障，整套制氮机组必须停机处理，无备用手段，单套设备不能保证连续长周期运行，操作弹性小；3、在两塔均压时不产氮气，产氮不连续、氮气流量、压力不稳定，严重影响下游氮气用户的稳定运行；4、碳分子筛解吸、再生不彻底，氮气纯度较低，碳分子筛使用寿命短；5、吸附塔中的氮气回收率低，造成浪费；6、所生产的的氮气纯度小于99.99%，氮气纯度低。

发明内容

本发明提供了一种五塔变压吸附制氮装置，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有的两塔变压吸附制氮（PSA）存在设备故障、补加分子筛时须整套制氮机组停机处理，不能保证制氮连续长周期运行，操作弹性小，严重影响下游工作，氮气纯度较低，碳分子筛使用寿命短，吸附塔中的氮气不能进行回收和氮气纯度低的问题。

本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种五塔变压吸附制氮装置，包括A吸附塔、B吸附塔、C吸附塔、D吸附塔、E吸附塔、放空总管、进气总管、排氮总管、升压总管、一级均压总管、二级均压总管和顺放气缓冲罐；在A吸附塔、B吸附塔、C吸附塔、D吸附塔和E吸附塔的下端分别固定安装有A放空支管、B放空支管、C放空支管、D放空支管和E放空支管，A放空支管、B放空支管、C放空支管、D放空支管和E放空支管的另一端分别与放空总管固定安装在一起，在A放空支管、B放空支管、C放空支管、D放空支管和E放空支管上分别固定安装有A进气支管、B进气支管、C进气支管、D进气支管和E进气支管，A进气支管、B进气支管、C进气支管、D进气支管和E进气支管的另一端分别与进气总管固定安装在一起，在A吸附塔、B吸附塔、C吸附塔、D吸附塔和E吸附塔的上端分别固定安装有A排氮支管、B排氮支管、C排氮支管、D排氮支管和E排氮支管，A排氮支管、B排氮支管、C排氮支管、D排氮支管和E排氮支管的另一端分别与排氮总管固定安装在一起，在A排氮支管上分别固定安装有A升压支管、A一级均压管和A二级均压管，在B排氮支管上分别固定安装有B升压支管、B一级均压管和B二级均压管，在C排氮支管上分别固定安装有C升压支管、C一级均压管和C二级均压管，在D排氮支管上分别固定安装有D升压支管、D一级均压管和D二级均压管，在E排氮支管上分别固定安装有E升压支管、E一级均压管和E二级均压管，A升压支管、B升压支管、C升压支管、D升压支管和E升压支管放入另一端分别与两端盲死的升压总管固定安装在一起，A一级均压管、B一级均压管、C一级均压管、D一级均压管和E一级均压管的另一端分别与两端盲死的一级均压总管固定安装在一起，A二级均压管、B二级均压管、C二级均压管、D二级均压管和E二级均压管的另一端分别与两端盲死的二级均压总管固定安装在一起，在排氮总管与升压总管之间固定安装有连接管，二级均压总管与顺放气缓冲罐之间固定安装有顺放气连接管，在一级均压总管与顺放气缓冲罐之间固定安装有冲洗管；在靠近排氮总管的A排氮支管、B排氮支管、C排氮支管、D排氮支管和E排氮支管上分别固定安装有控制阀，在靠近放空总管的A放空支管、B放空支管、C放空支管、D放空支管和E放空支管上分别固定安装有控制阀，在A进气支管、B进气支管、C进气支管、D进气支管、E进气支管、A一级均压管、B一级均压管、C一级均压管、D一级均压管、E一级均压管、A升压支管、B升压支管、C升压支管、D升压支管、E升压支管、A二级均压管、B二级均压管、C二级均压管、D二级均压管、E二级均压管、连接管和顺放气连接管上分别固定安装有控制阀，在冲洗管上分别固定安装有压力调节阀。

本发明结构合理而紧凑，使用方便，在提高吸附塔中氮气回收率的同时，可有效提高产氮量和氮气纯度，并且能够有效回收吸附塔中的氮气，有效延长碳分子筛的使用寿命，而且操作弹性大，在设备故障、补加分子筛时，可不停机处理，可以连续长周期的进行生产制氮，有力的保证了下游氮气用户的稳定运行，操作弹性大。

附图说明

附图1为本发明最佳实施例的工艺流程结构示意图。

附图中的编码分别为：1为A吸附塔，2为B吸附塔，3为C吸附塔，4为D吸附塔，5为E吸附塔，6为A放空支管，7为B放空支管，8为C放空支管，9为D放空支管，10为E放空支管，11为放空总管，12为A进气支管，13为B进气支管，14为C进气支管，15为D进气支管，16为E进气支管，17为进气总管，18为A排氮支管，19为B排氮支管，20为C排氮支管，21为D排氮支管，22为E排氮支管，23为排氮总管，24为A升压支管，25为A一级均压管，26为A二级均压管，27为B升压支管，28为B一级均压管，29为B二级均压管，30为C升压支管，31为C一级均压管，32为C二级均压管，33为D升压支管，34为D一级均压管，35为D二级均压管，36为E升压支管，37为E一级均压管，38为E二级均压管，39为升压总管，40为一级均压总管，41为二级均压总管，42为连接管，43为顺放气缓冲罐，44为顺放气连接管，45为冲洗管，46为控制阀，47为压力调节阀。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

如附图1所示，该五塔变压吸附制氮装置包括A吸附塔1、B吸附塔2、C吸附塔3、D吸附塔4、E吸附塔5、放空总管11、进气总管17、排氮总管23、升压总管39、一级均压总管40、二级均压总管41和顺放气缓冲罐43；在A吸附塔1、B吸附塔2、C吸附塔3、D吸附塔4和E吸附塔5的下端分别固定安装有A放空支管6、B放空支管7、C放空支管8、D放空支管9和E放空支管10，A放空支管6、B放空支管7、C放空支管8、D放空支管9和E放空支管10的另一端分别与放空总管11固定安装在一起，在A放空支管6、B放空支管7、C放空支管8、D放空支管9和E放空支管10上分别固定安装有A进气支管12、B进气支管13、C进气支管14、D进气支管15和E进气支管16，A进气支管12、B进气支管13、C进气支管14、D进气支管15和E进气支管16的另一端分别与进气总管17固定安装在一起，在A吸附塔1、B吸附塔2、C吸附塔3、D吸附塔4和E吸附塔5的上端分别固定安装有A排氮支管18、B排氮支管19、C排氮支管20、D排氮支管21和E排氮支管22，A排氮支管18、B排氮支管19、C排氮支管20、D排氮支管21和E排氮支管22的另一端分别与排氮总管23固定安装在一起，在A排氮支管18上分别固定安装有A升压支管24、A一级均压管25和A二级均压管26，在B排氮支管19上分别固定安装有B升压支管27、B一级均压管28和B二级均压管29，在C排氮支管20上分别固定安装有C升压支管30、C一级均压管31和C二级均压管32，在D排氮支管21上分别固定安装有D升压支管33、D一级均压管34和D二级均压管35，在E排氮支管22上分别固定安装有E升压支管36、E一级均压管37和E二级均压管38，A升压支管24、B升压支管27、C升压支管30、D升压支管33和E升压支管36的另一端分别与两端盲死的升压总管39固定安装在一起，A一级均压管25、B一级均压管28、C一级均压管31、D一级均压管34和E一级均压管37的另一端分别与两端盲死的一级均压总管40固定安装在一起，A二级均压管26、B二级均压管29、C二级均压管32、D二级均压管35和E二级均压管38的另一端分别与两端盲死的二级均压总管41固定安装在一起，在排氮总管23与升压总管39之间固定安装有连接管42，二级均压总管41与顺放气缓冲罐43之间固定安装有顺放气连接管44，在一级均压总管40与顺放气缓冲罐43之间固定安装有冲洗管45；在靠近排氮总管23的A排氮支管18、B排氮支管19、C排氮支管20、D排氮支管21和E排氮支管22上分别固定安装有控制阀46，在靠近放空总管11的A放空支管6、B放空支管7、C放空支管8、D放空支管9和E放空支管10上分别固定安装有控制阀46，在A进气支管12、B进气支管13、C进气支管14、D进气支管15、E进气支管16、A一级均压管25、B一级均压管28、C一级均压管31、D一级均压管34、E一级均压管37、A升压支管24、B升压支管27、C升压支管30、D升压支管33、E升压支管36、A二级均压管26、B二级均压管29、C二级均压管32、D二级均压管35、E二级均压管38、连接管42和顺放气连接管44上分别固定安装有控制阀46，在冲洗管45上分别固定安装有压力调节阀47。A吸附塔1、B吸附塔2、C吸附塔3、D吸附塔4和E吸附塔5分别为现有公知技术中PSA制氮机技术领域中的制氮吸附塔， A吸附塔1、B吸附塔2、C吸附塔3、D吸附塔4和E吸附塔5的高与现有的PSA制氮机技术领域中的制氮吸附塔的高相同，但是A吸附塔1、B吸附塔2、C吸附塔3、D吸附塔4和E吸附塔5的单塔容积只有现有的PSA制氮机技术领域中的制氮吸附塔单塔容积的40%，因为高径比更大，原料气更易均匀分布，不易产生偏流，碳分子筛利用的更为充分，气体中杂质不易穿透，所制氮气纯度更高根据本发明装置的吸附塔，能制得氮气纯度在99.99%以上的高纯度氮气；顺放气缓冲罐43为现有公知技术中的常用缓冲罐。

现以A吸附塔1为例描述整个制氮工艺步序过程，B吸附塔2、C吸附塔3、D吸附塔4和E吸附塔5的工艺过程与A吸附塔1完全相同。本发明的时序控制简图如表1所示，表1中的A代表吸附，ED1代表一均降压，ED2代表二均降压，P代表顺放再生，D代表逆放再生，PP代表冲洗再生，ER1代表一均升压，ER2代表一均升压，0代表等待。

表1

步序

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

A吸附塔

A

ED1

ED2

P

D

PP

ER2

0

ER1

FR

B吸附塔

ER1

FR

A

ED1

ED2

P

D

PP

ER2

0

C吸附塔

PP

ER2

0

ER1

FR

A

ED1

ED2

P

D

PP

D吸附塔

D

PP

ER2

0

ER1

FR

A

ED1

ED2

P

E吸附塔

ED1

ED2

P

D

PP

ER2

0

ER1

FR

A

步序1至3，吸附（A）：原料气（空气）经A进气支管上的控制阀46进入A吸附塔1吸附，其中除氮气以外的杂质组份被A吸附塔1内碳分子筛吸附，A吸附塔1吸附饱和后，停止吸附，得到纯度大于99.99%高纯度产品氮气经A排氮支管18上的控制阀46由A吸附塔1的塔顶排出。

步序4，一均降压（ED1）：在吸附过程完成后，打开A一级均压管25和C一级均压管31上的控制阀46，通过管线将A吸附塔1内较高压力的氮气放入刚完成了二均升压的C吸附塔3，直到A吸附塔1和C吸附塔3两塔的压力基本相等为止，这一过程不仅是C吸附塔3升压过程，而且也回收了A吸附塔1床层死空间内的氮气，在这一过程中A吸附塔1的吸附前沿将继续向前推移，但仍未达到出口。

步序5：二均降压（ED2）在一均降过程完成后，打开A二级均压管26和D二级均压管35上的控制阀46，通过管线将A吸附塔1内较高压力的氮气放入刚完成冲洗再生的D吸附塔4，用于D吸附塔4的二均升压，这一过程继续回收A吸附塔1床层死空间内的氮气，同时A吸附塔1的吸附前沿也将继续向前推移，但仍未达到出口。

步序6,顺放再生（P）:在二均降压过程完成后，打开A二级均压管26上的控制阀46和顺放气连接管44，将A吸附塔1内较高压力的氮气放入顺放气缓冲罐43，直到A吸附塔1的压力降至要求的压力为止，这一过程进一步回收利用A吸附塔1床层死空间内的氮气用作冲洗再生气源，同时A吸附塔1的吸附前沿也将继续向前推移，并基本达到出口。

步序7，逆放再生（D）：在顺放过程完成后，A吸附塔1的吸附前沿已基本达到床层出口，这时打开A放空支管6上的控制阀46，逆着吸附方向将A吸附塔1压力降至接近于常压，此时被吸附的杂质开始从吸附剂中解吸出来。

步序8至10，冲洗再生（PP）：逆放结束后，打开A放空支管6和A一级均压管上的控制阀46，通过压力调节阀47调节流量后对A吸附塔1进行冲洗，这时被吸附的杂质随着其分压的降低而大量解吸出来，冲洗过程结束，吸附剂再生完成，A吸附塔1将转入其后的二均升压阶段。

步序11，二均升压（ER2）：在冲洗过程结束后，打开A二级均压管26和C二级均压管32上的控制阀46，利用C吸附塔3内较高压力的氮气对A吸附塔1进行二均升压。

步序12，等待（0）：在二均升压结束后，A吸附塔1进入等待状态，A放空支管6、A进气支管12、A升压支管24、A一级均压管25和二级均压管26上的控制阀46均处于关闭状态。

步序13，一均升压（ER1）：在等待状态完成后，打开A一级均压管25和D一级均压管34上的控制阀46，再将D吸附塔4内较高压力的氮气回收进刚完成了二均升压的A吸附塔1。

步序14至15，产品气升压过程(FR)：

通过二次均压升压过程后，A吸附塔1压力仍然未达到吸附压力，这时打开A升压支管24上的控制阀46和连接管42，通过产品氮气对A吸附塔1进行缓慢升压，直至A吸附塔1压力升至吸附压力为止。

经过上述一系列的降压及升压过程后，A吸附塔1便完成了整个再生过程，为下一次吸附做好了准备并由此进入下一吸附循环。

在补加分子筛、任一制氮吸附塔设备附件、控制阀门出现故障时，可通过程序控制控制阀切换至故障吸附塔或管线关闭，不需要整套制氮机组停机处理，可通过自动切塔程序（可切换至双塔变压吸附、三塔变压吸附、四塔变压吸附制氮）实现对故障塔的不停车检修，可以连续长周期的进行生产制氮，保证下游氮气用户的稳定运行，操作弹性大；解决了传统变压吸附制氮工艺均压时不产氮气，氮气流量、压力不稳定的问题。

采用本发明制氮，在采用同样质量和数量的制氮碳分子筛的情况下，相比现有的变压吸附制氮产氮量可提高了12%至15%，回收率提高了17%，即制氮生产成本降低了17%，并且可以连续产氮，氮气纯度提高了千分之五，通过精氮对常压解吸后解吸塔进行冲洗（即均压过程），可将吸附在碳分子筛上的杂质置换出来，同时精氮本身在碳分子筛上的吸附能力很小，极易解吸，这样碳分子筛解吸、再生较为彻底，有利于提高氮气纯度，延长碳分子筛使用寿命，在补加碳分子筛或任一制氮吸附塔设备附件、控制阀门出现故障时，可通过程序控制切换到两塔变压吸附制氮，不需要整套制氮机组停机处理，可以连续长周期的进行生产制氮，保证下游氮气用户的稳定运行，操作弹性大；解决了传统变压吸附制氮工艺均压时不产氮气，氮气流量、压力不稳定的问题。

以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims

1.一种五塔变压吸附制氮装置，其特征在于包括A吸附塔、B吸附塔、C吸附塔、D吸附塔、E吸附塔、放空总管、进气总管、排氮总管、升压总管、一级均压总管、二级均压总管和顺放气缓冲罐；在A吸附塔、B吸附塔、C吸附塔、D吸附塔和E吸附塔的下端分别固定安装有A放空支管、B放空支管、C放空支管、D放空支管和E放空支管，A放空支管、B放空支管、C放空支管、D放空支管和E放空支管的另一端分别与放空总管固定安装在一起，在A放空支管、B放空支管、C放空支管、D放空支管和E放空支管上分别固定安装有A进气支管、B进气支管、C进气支管、D进气支管和E进气支管，A进气支管、B进气支管、C进气支管、D进气支管和E进气支管的另一端分别与进气总管固定安装在一起，在A吸附塔、B吸附塔、C吸附塔、D吸附塔和E吸附塔的上端分别固定安装有A排氮支管、B排氮支管、C排氮支管、D排氮支管和E排氮支管，A排氮支管、B排氮支管、C排氮支管、D排氮支管和E排氮支管的另一端分别与排氮总管固定安装在一起，在A排氮支管上分别固定安装有A升压支管、A一级均压管和A二级均压管，在B排氮支管上分别固定安装有B升压支管、B一级均压管和B二级均压管，在C排氮支管上分别固定安装有C升压支管、C一级均压管和C二级均压管，在D排氮支管上分别固定安装有D升压支管、D一级均压管和D二级均压管，在E排氮支管上分别固定安装有E升压支管、E一级均压管和E二级均压管，A升压支管、B升压支管、C升压支管、D升压支管和E升压支管放入另一端分别与两端盲死的升压总管固定安装在一起，A一级均压管、B一级均压管、C一级均压管、D一级均压管和E一级均压管的另一端分别与两端盲死的一级均压总管固定安装在一起，A二级均压管、B二级均压管、C二级均压管、D二级均压管和E二级均压管的另一端分别与两端盲死的二级均压总管固定安装在一起，在排氮总管与升压总管之间固定安装有连接管，二级均压总管与顺放气缓冲罐之间固定安装有顺放气连接管，在一级均压总管与顺放气缓冲罐之间固定安装有冲洗管；在靠近排氮总管的A排氮支管、B排氮支管、C排氮支管、D排氮支管和E排氮支管上分别固定安装有控制阀，在靠近放空总管的A放空支管、B放空支管、C放空支管、D放空支管和E放空支管上分别固定安装有控制阀，在A进气支管、B进气支管、C进气支管、D进气支管、E进气支管、A一级均压管、B一级均压管、C一级均压管、D一级均压管、E一级均压管、A升压支管、B升压支管、C升压支管、D升压支管、E升压支管、A二级均压管、B二级均压管、C二级均压管、D二级均压管、E二级均压管、连接管和顺放气连接管上分别固定安装有控制阀，在冲洗管上固定安装有压力调节阀。