CN111320147A - 一种提高变压吸附制氮效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制氮方法领域，公开了一种提高变压吸附制氮效率的方法，压缩空气在吸附塔内先经过梯度磁场，再进入碳分子筛进行吸附分离，压缩空气流动方向与梯度磁场强度升高的方向相同。吸附塔内设有碳分子筛的部分内壁上设有换热盘管，吸附塔上对应换热盘管下端的位置设有冷却介质入口，对应换热盘管上端的位置设有冷却介质出口，换热盘管的两端分别与冷却介质出入口相连接。本发明在压缩空气进入碳分子筛进行吸附之前先通过梯度磁场对O₂分子和N₂分子的运动速度进行改变，使O₂分子比N₂分子先进入碳分子筛进行扩散和吸附，占据吸附位点，从而减小N₂分子的吸附量，提高制氮效率。

Description

一种提高变压吸附制氮效率的方法

技术领域

本发明涉及制氮方法领域，尤其是涉及一种提高变压吸附制氮效率的方法。

背景技术

变压选择性吸附(PSA)制氮法，是利用O₂分子和N₂分子在碳分子筛微孔内的缝隙扩散速率不同，分子直径较小的O₂以较快的速度向微孔内扩散，并优先被碳分子筛吸附，从而实现氧氮分离，生产出高纯氮气。由于PSA法制氮工艺流程简单、节能、安全且制得的氮气纯度高，是目前工业制氮的主要方法之一。现有技术中，PSA制氮一般是将高压空气通入设有碳分子筛的吸附塔内进行吸附分离的，例如，在中国专利文献上公开的“一种PSA制氮系统”，其公告号CN207259151U，包括第一吸附塔、第二吸附塔和顺放气罐，通过增加一个顺放气罐，在其中一个吸附塔再生过程中，使用顺放气罐内由另一个吸附塔顺放下来的副产品氮气对再生过程中的吸附塔进行冲洗，在保障再生彻底的情况下避免了氮气缓冲罐内产品氮气的消耗。

但使用PSA法制氮时，由于O₂和N₂都是非极性分子，分子直径和沸点都十分接近，具有微孔结构的碳分子筛对O₂和N₂存在着共吸附现象，且O₂和N₂的吸附等温线也相差不大，因此仅依靠O₂分子和N₂分子在碳分子筛微孔内的扩散速率不同进行氮氧分离时，对碳分子筛上的微孔孔径和比例要求较高，氮氧的分离效果有限，较多的氮气会被同时吸附，制氮效率有待提高。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中使用PSA法制氮时，具有微孔结构的碳分子筛对O₂和N₂存在着共吸附现象，仅依靠O₂分子和N₂分子在碳分子筛微孔内的扩散速率不同进行氮氧分离时，对碳分子筛上的微孔孔径和比例要求较高，氮氧的分离效果有限，较多的氮气会被同时吸附，制氮效率有待提高的问题，提供一种提高变压吸附制氮效率的方法，在压缩空气进入碳分子筛进行吸附之前先通过梯度磁场对O₂分子和N₂分子的运动速度进行改变，使O₂分子比N₂分子先进入碳分子筛进行扩散和吸附，占据吸附位点，从而减小N₂分子的吸附量，提高制氮效率。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种提高变压吸附制氮效率的方法，压缩空气在吸附塔内先经过梯度磁场，再进入碳分子筛进行吸附分离，压缩空气流动方向与梯度磁场强度升高的方向相同。

因为氧气是顺磁性气体，氮气是抗磁性气体，在梯度磁场中，顺磁性物质受到指向磁场强度升高方向的力，而抗磁性物质受到磁场强度降低方向的力。因此本发明在进入碳分子筛进行吸附之前，先使压缩空气经过梯度磁场，因为压缩空气流动的方向与梯度磁场强度升高的方向相同，因此空气中的氧气在梯度磁场中受到与流动方向相同的力，得到加速；而氮气受到与流动方向相反的力，速度降低。所以经过梯度磁场的作用后，氧气和氮气具有了较大的流速差，可以使氧气比氮气先进入碳分子筛进行吸附，占据碳分子筛中的吸附位点，包括氮氧分子扩散速度差距较小的孔径较大的孔中的吸附位点，使碳分子筛达到吸附平衡，减少碳分子筛对后续进入的氮气的吸附量，从而提高了制氮效率。

作为优选，梯度磁场由设置在吸附塔外侧底部的磁场发生装置产生，所述磁场发生装置包括两个沿吸附塔直径方向设置在吸附塔两侧的磁极以及设置在磁极上的励磁线圈，所述两个磁极靠近吸附塔一侧的顶部与吸附塔外壁接触，底部向外张开，呈倒置的V型设置。在吸附塔外设置包括磁极和励磁线圈的磁场发生装置，并使两个磁极之间具有一定的夹角，呈倒置的V型，给励磁线圈通电后即可使吸附塔内产生梯度磁场，磁极间的距离越近，梯度磁场的强度越大。磁场的有无和磁场强度可以通过励磁线圈中电流的有无和强度进行调节，操作便捷。

作为优选，吸附塔底部设有进气口，进气口上方位于梯度磁场内的部分设有气体均布器，所述气体均布器呈直径与吸附塔内径相匹配的圆柱形，气体均布器上设有若干均匀分布的贯穿气体均布器上下表面的气体通道，所述气体均布器上方设有分子筛支撑装置，所述分子筛支撑装置上方设有碳分子筛。在碳分子筛下方设置位于梯度磁场内的气体均布器，压缩空气可以沿气体均布器上的气体通道向上流动进入碳分子筛，气体均布器可以将从进气口进入的气体扩散成均匀分布的小股气流，均匀分布了气流量，避免碳分子筛边缘形成死空间，导致空氮比提高，制氮效率下降。并且分散成小股气流的压缩空气在气体通道内流动时，氧气和氮气可以在梯度磁场的作用下得到更有效的分离，减小了湍流对梯度磁场分离作用的影响。

作为优选，吸附塔内设有碳分子筛的部分内壁上设有换热盘管，吸附塔上对应换热盘管下端的位置设有冷却介质入口，对应换热盘管上端的位置设有冷却介质出口，换热盘管的两端分别与冷却介质出入口相连接。

在吸附塔设有碳分子筛的部分的内壁上设置换热盘管，可以向换热盘管中通入冷却介质对经过碳分子筛的气体进行冷却，而温度越低越有利于碳分子筛对氧气的吸附，所以可以提高氧气的吸附量，从而提高氮气的纯度。但如果对吸附塔整体进行冷却，降低温度同样会提高碳分子筛对氮气的吸附量，会降低制氮效率，提高空氮比。因此本发明只对吸附塔设有碳分子筛的部分进行冷却，使吸附塔内上下形成温度差，加速了吸附塔下部温度较高的气体向上流动，由于加速的方向与氧气在梯度磁场中的受力方向相同，因此进一步提高了氧气向上的运动速度，而由于氮气在梯度磁场中的受力方向与氧气的受力方向相反，因此氮气受到的梯度磁场向下的作用力会阻碍氮气由温度差造成的向上加速，氮气和氧气向上运动的速度差进一步增大，进一步提高了氮氧在进入碳分子筛前的分离效果，延长了氮氧分子进入碳分子筛的时间差，促使碳分子筛在氮气进入前达到吸附平衡，在提高了碳分子筛对氧气的吸附效果的同时减少了碳分子筛对氮气的吸附，提高了氮气纯度的同时也提高了制氮效率。

作为优选，气体均布器由无磁材料制成，气体均布器上的气体通道呈折线形。气体均布器采用无磁材料制成，可以降低气体均布器内部的磁场对梯度磁场产生的影响，气体通道呈折线形可以加长气体的运动路线，提高氮氧的分离效果。

作为优选，进气口处设有风扇。在进气口处设置风扇，当压缩空气进入进气口时，风扇可以改变压缩空气的流动状态，使压缩空气形成一股倒金字塔型的漩涡，有利于压缩空气向四周扩散，均匀进入位于气体均布器边缘的气体通道内，也减小了气流对气体均布器的直接冲击。

作为优选，分子筛支撑装置包括孔板网以及位于孔板网上方的两层席型网，所述孔板网与席型网通过位于边缘的环形压板压合。从气体均布器中出来的气流较粗，不利于碳分子筛的吸附，并且对碳分子筛的冲击力较大，容易造成碳分子筛粉化。因此本发明采用一层孔板网和两层席型网复合的分子筛支撑装置，在对碳分子筛进行支撑的同时，可以利用孔板网和席型网上的孔隙对气流进行细化和扩散。

作为优选，分子筛支撑装置与碳分子筛之间还设有设置在分子筛支撑装置上方的纳米氧化铝颗粒层以及设置在纳米氧化铝颗粒层上方的椰垫，所述碳分子筛设置在椰垫上方。在分子筛支撑装置上方设置纳米氧化铝颗粒层，可以利用氧化铝纳米级的微孔进行气流的分布，使得压缩空气以纳米级气流进行细化流动；同时氧化铝是一种难溶于水的白色固体，易吸潮而不潮解的，所以当前端压缩空气液态水分没有处理干净时，氧化铝可以吸取压缩空气水分，形成最后一道保护防线，保护碳分子筛的吸附性能。椰垫用于隔离纳米氧化铝颗粒和碳分子筛，在运行过程中避免纳米氧化铝和碳分子筛混合在一起，同时由于椰垫有一定的弹性，在刚开始装填碳分子筛时可以起到抗冲击的作用。

作为优选，吸附塔顶部设有上封头，底部设有下封头，所述下封头底部设有进气口，进气口通过法兰与进气套筒连接，所述进气套筒上垂直套设有进气扩散管，所述进气扩散管一端设有用于与进气管连接的法兰，另一端封闭，进气扩散管位于进气套筒内的部分侧壁上设有均匀分布的气体扩散孔，所述进气套筒内在进气扩散管上下两侧分别设有与进气套筒内径相匹配的扩散丝网。本发明中进气扩散管上的气体扩散孔使得一整股压缩空气分成许多小股气流进行扩散，进口气流通过小孔降速，减弱了气流的能量，降低了气流的冲击破坏；而进气套筒内的扩散丝网进一步细化了压缩空气，并且扩散丝网可以有效拦截吸附塔内的粉尘扩散至进气套筒内，避免了吸附塔内的粉尘扩散到连接阀门的管道内从而保护了阀门免受粉尘影响，增加了阀门的使用寿命和减少了阀门维修频率。

作为优选，吸附塔内位于梯度磁场中的高度占吸附塔高度的1/5～1/4。在此高度范围内，氮氧可以在梯度磁场的作用下产生明显的速度差，在进入碳分子筛之间可以得到有效的分离。

因此，本发明具有如下有益效果：

(1)压缩空气先经过梯度磁场后再进入碳分子筛进行吸附，氧气和氮气在梯度磁场的作用下具有了较大的流速差，可以使氧气比氮气先进入碳分子筛进行吸附，占据碳分子筛中的吸附位点，使碳分子筛达到吸附平衡，减少碳分子筛对后续进入的氮气的吸附量，提高了制氮效率；

(2)在吸附塔设有碳分子筛的部分设置换热盘管对气体进行冷却，使吸附塔内上下形成温度差，加速了吸附塔下部温度较高的气体向上流动，氧气在梯度磁场中受到的磁力可以促进加速，而氮气受到的磁力则会阻碍加速，因此氮气和氧气的速度差进一步增大，延长了氮氧分子进入碳分子筛的时间差，在提高了碳分子筛对氧气的吸附效果的同时减少了碳分子筛对氮气的吸附，提高了氮气纯度的同时也提高了制氮效率；

(3)吸附塔内设置包括进气扩散管、进气套筒、风扇、气体均布器、分子筛支撑装置、纳米氧化铝扩散层和椰垫在内的各级扩散装置，使气流在吸附塔内可以细化并在均匀分布，减小了气流对碳分子筛的冲击力，避免碳分子筛发生粉化。

附图说明

图1是本发明中吸附塔的主视剖面图。

图2是本发明中吸附塔的俯视图。

图中：1吸附塔、201磁极、202励磁线圈、203磁轭、3气体均布器、301气体通道、4分子筛支撑装置、5碳分子筛、6换热盘管、7冷却介质入口、8冷却介质出口、9纳米氧化铝颗粒层、10椰垫、11上封头、12下封头、13进气口、14进气套筒、15进气扩散管、16法兰、17气体扩散孔、18扩散丝网、19风扇、20出气口。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1和图2所示，本发明实施例中使用的一种吸附塔1，吸附塔外侧底部设有可以产生梯度磁场的磁场发生装置产生，磁场发生装置包括两个沿吸附塔直径方向设置在吸附塔两侧的磁极201以及设置在磁极上的励磁线圈202，两个磁极靠近吸附塔一侧的顶部与吸附塔外壁接触，底部向外张开，呈倒置的V型设置，磁场发生装置外侧设有磁轭203。

吸附塔顶部设有上封头11，上封头顶部设有出气口20，底部设有下封头12，下封头底部设有进气口13，进气口通过法兰与进气套筒14连接，进气套筒上垂直套设有进气扩散管15，进气扩散管一端设有用于与进气管连接的法兰16，另一端封闭，进气扩散管位于进气套筒内的部分侧壁上设有均匀分布的气体扩散孔17，进气套筒内在进气扩散管上下两侧分别设有与进气套筒内径相匹配的扩散丝网18。进气口处设有风扇19，风扇上方位于梯度磁场内的部分设有无磁钢制成的气体均布器3，气体均布器呈直径与吸附塔内径相匹配的圆柱形，气体均布器上设有若干均匀分布的贯穿气体均布器上下表面的折线形气体通道301，气体均布器上方设有分子筛支撑装置4，分子筛支撑装置包括孔板网以及位于孔板网上方的两层席型网，孔板网与席型网通过位于边缘的环形压板压合。分子筛支撑装置上方设有纳米氧化铝颗粒层9，纳米氧化铝颗粒层上方设有椰垫10，椰垫上方设有碳分子筛11。吸附塔内设有碳分子筛的部分内壁上设有换热盘管6，吸附塔上对应换热盘管下端的位置设有冷却介质入口7，对应换热盘管上端的位置设有冷却介质出口8，换热盘管的两端分别与冷却介质出入口相连接。

使用时，给励磁线圈通电，使磁场发生装置产生强度由下至上依次增大的梯度磁场；压缩空气从进气扩散管与进气管连接的一端进入进气扩散管，经过气体扩散孔进入进气套筒内，然后经过进气套筒内的扩散丝网由进气口进入吸附塔；在风扇的扩散作用下均匀进入气体均布器的气体通道内向上流动，由于气体均布器位于梯度磁场内，压缩空气在气体均布器内流动时氧气和氮气可以在梯度磁场的作用下产生速度差而分离；分离后的气体继续向上扩散，经过分子筛支撑装置、纳米氧化铝颗粒层和椰垫的扩散作用后，变为较细的气流进入碳分子筛进行吸附，同时通过流经换热盘管的冷却介质对气体进行冷却，通过碳分子筛后的氮气由出气口流出吸附塔。

实施例1：

吸附塔内位于梯度磁场中的高度占吸附塔高度的1/4，进口压力1.0Mpa，进气温度45℃，出气温度20℃，出气压力0.6Mpa，额定氮气产量100m³h^-1。

实施例2：

吸附塔内位于梯度磁场中的高度占吸附塔高度的1/5，其余均与实施例1中相同。

对比例1：

对比例1中不给励磁线圈通电，吸附塔内不产生梯度磁场，其余均与实施例1中相同。

对比例2：

对比例2中不给换热盘管中通入冷却介质，其余均与实施例1中相同。

对上述实施例和对比例中的氮气纯度和空氮比进行测量，结果如表1所示。

表1：氮气纯度和制氮效率结果。

编号	氮气纯度	空氮比
			实施例1	≥99.99％	3.7
实施例2	≥99.99％	3.9
			对比例1	≥99.99％	4.7
对比例2	≥99.99％	4.2

从表1中可以看出，在氮气纯度相同的情况下，实施例1和实施例2中采用本发明中的方法，先经过梯度磁场对氮氧进行预分离，空氮比比对比例1中不经过梯度磁场处理有了显著降低，提高了制氮效率。对比例2中不对吸附塔上部进行冷却，制氮效率比实施例中也有了下降，证明使吸附塔上下产生温差有利于提高制氮效率。

Claims (10)

1.一种提高变压吸附制氮效率的方法，其特征是，压缩空气在吸附塔（1）内先经过梯度磁场，再进入碳分子筛进行吸附分离，压缩空气流动方向与梯度磁场强度升高的方向相同。

2.根据权利要求1所述的一种提高变压吸附制氮效率的方法，其特征是，所述梯度磁场由设置在吸附塔外侧底部的磁场发生装置产生，所述磁场发生装置包括两个沿吸附塔直径方向设置在吸附塔两侧的磁极（201）以及设置在磁极上的励磁线圈（202），所述两个磁极靠近吸附塔一侧的顶部与吸附塔外壁接触，底部向外张开，呈倒置的V型设置。

3.根据权利要求1所述的一种提高变压吸附制氮效率的方法，其特征是，所述吸附塔底部设有进气口（13），进气口上方位于梯度磁场内的部分设有气体均布器（3），所述气体均布器呈直径与吸附塔内径相匹配的圆柱形，气体均布器上设有若干均匀分布的贯穿气体均布器上下表面的气体通道（301），所述气体均布器上方设有分子筛支撑装置（4），所述分子筛支撑装置上方设有碳分子筛（5）。

4.根据权利要求1或3所述的一种提高变压吸附制氮效率的方法，其特征是，所述吸附塔内设有碳分子筛的部分内壁上设有换热盘管（6），吸附塔上对应换热盘管下端的位置设有冷却介质入口（7），对应换热盘管上端的位置设有冷却介质出口（8），换热盘管的两端分别与冷却介质出入口相连接。

5.根据权利要求3所述的一种提高变压吸附制氮效率的方法，其特征是，所述气体均布器由无磁材料制成，气体均布器上的气体通道呈折线形。

6.根据权利要求3所述的一种提高变压吸附制氮效率的方法，其特征是，所述进气口处设有风扇（19）。

7.根据权利要求3所述的一种提高变压吸附制氮效率的方法，其特征是，所述分子筛支撑装置包括孔板网以及位于孔板网上方的两层席型网，所述孔板网与席型网通过位于边缘的环形压板压合。

8.根据权利要求3或7所述的一种提高变压吸附制氮效率的方法，其特征是，所述分子筛支撑装置与碳分子筛之间还设有设置在分子筛支撑装置上方的纳米氧化铝颗粒层（9）以及设置在纳米氧化铝颗粒层上方的椰垫（10），所述碳分子筛设置在椰垫上方。

9.根据权利要求1所述的一种提高变压吸附制氮效率的方法，其特征是，所述吸附塔顶部设有上封头（11），底部设有下封头（12），所述下封头底部设有进气口，进气口通过法兰与进气套筒（14）连接，所述进气套筒上垂直套设有进气扩散管（15），所述进气扩散管一端设有用于与进气管连接的法兰（16），另一端封闭，进气扩散管位于进气套筒内的部分侧壁上设有均匀分布的气体扩散孔（17），所述进气套筒内在进气扩散管上下两侧分别设有与进气套筒内径相匹配的扩散丝网（18）。

10.根据权利要求1或3所述的一种提高变压吸附制氮效率的方法，其特征是，所述吸附塔内位于梯度磁场中的高度占吸附塔高度的1/5~1/4。

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