江陰昌達(dá)金屬氨分解設(shè)備制氧工藝原理
一、空氣分離制氧的主要工藝及其比較
氧氣在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中有廣泛的用途，空氣中含有21%（體積濃度）的氧氣，是最廉價(jià)的制氧原料，因此氧氣一般都通過(guò)空氣分離制取。
空氣分離制氧主要工藝 1.深冷分離工藝: 傳統(tǒng)制氧技術(shù)，氧氣純度高、產(chǎn)品種類多，適用于大規(guī)模制氧。 2.變壓吸附工藝(PSA): 新興技術(shù)，投資小、能耗低，適用于氧氣純度不太高、中小規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)合。 3.膜分離工藝: 尚不成熟，基本未得到工業(yè)應(yīng)用。
變壓吸附制氧技術(shù)特點(diǎn)——與深冷制氧技術(shù)相比 l工藝流程簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的預(yù)處理裝置； l產(chǎn)品氧氣純度可達(dá)95%，氮?dú)夂啃∮?%，其余為氬氣； l制氧規(guī)模10000m3/h以下時(shí)，制氧電耗更低、投資更??； l裝置運(yùn)行自動(dòng)化程度高，開(kāi)停車方便快捷； l裝置運(yùn)行獨(dú)立性強(qiáng)，安全性高； l裝置操作簡(jiǎn)單，操作彈性大（部分負(fù)荷性優(yōu)越，負(fù)荷轉(zhuǎn)換速度快）； l裝置運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低； l土建工程費(fèi)用低，占地少。
深冷空分制氧工藝與變壓吸附制氧工藝的比較 類別 項(xiàng)目 深冷空分制氧裝置 變壓吸附制氧裝置 分離原理 將空氣液化，根據(jù)氧和氮沸點(diǎn)不同達(dá)到分離 加壓吸附，抽真空解吸，利用氧氮吸附能力不同達(dá)到分離 裝置主 要特點(diǎn) 工藝流程復(fù)雜，設(shè)備較多，包括空氣壓縮系統(tǒng)，空氣預(yù)冷系統(tǒng)，空氣純化系統(tǒng)，膨脹機(jī)組，換熱系統(tǒng)和精餾塔等。 工藝流程簡(jiǎn)單，設(shè)備少，包括鼓風(fēng)機(jī)、真空泵和吸附塔等 工藝特點(diǎn) -160～-190℃低溫下操作 常溫操作 操作特點(diǎn) 啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，一般在15～40小時(shí)，必須連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，不能間斷運(yùn)行，短暫停機(jī)，恢復(fù)工況時(shí)間長(zhǎng)。 啟動(dòng)時(shí)間短，一般≤30min，可連續(xù)運(yùn)行，也可間斷運(yùn)行。 維護(hù)特點(diǎn) 設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度高，維修保養(yǎng)技術(shù)難度大，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用高。 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)難度低，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用低。 土建及 安裝特點(diǎn) 占地面積大，廠房和基礎(chǔ)要求高，工程造價(jià)高。 安裝周期長(zhǎng)，技術(shù)難度大，安裝費(fèi)用高。 占地面積小，廠房無(wú)特殊要求，造價(jià)低。 安裝周期短，安裝費(fèi)用低。 制氧成本 中小型制氧電耗高，約為0.5～1.0KW/Nm3 制氧電耗低，約為0.32～0.35KW/Nm3 安全性 設(shè)備受壓力容器規(guī)范控制?？稍斐商?xì)浠衔锞植烤奂嬖诒ǖ目赡苄浴?操作壓力低，不受壓力容器規(guī)范控制，不會(huì)造成碳?xì)浠衔锏木植烤奂?
二、變壓吸附空分制氧工藝原理
變壓吸附空氣分離制氧原理 空氣中的主要組份是氮和氧，通過(guò)選擇對(duì)氮和氧具有不同吸附選擇性的吸附劑，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓に囘^(guò)程，使氮和氧分離制得氧氣。 氮和氧都具有四極矩，但氮的四極矩（0.31?）比氧的（0.10 ?）大得多，因此氮?dú)庠诜惺肿雍Y上的吸附能力比氧氣強(qiáng)（氮與分子篩表面離子的作用力強(qiáng)，如圖1所示）。因此，當(dāng)空氣在加壓狀態(tài)下通過(guò)裝有沸石分子篩吸附劑的吸附床時(shí)，氮?dú)獗环肿雍Y吸附，氧氣因吸附較少，在氣相中得到富集并流出吸附床，使氧氣和氮?dú)夥蛛x獲得氧氣。當(dāng)分子篩吸附氮?dú)庵两咏柡秃?，停止通空氣并降低吸附床的壓力，分子篩吸附的氮?dú)饪梢越馕鰜?lái)，分子篩得到再生并重復(fù)利用。兩個(gè)以上的吸附床輪流切換工作，便可連續(xù)生產(chǎn)出氧氣。 1、變壓吸附氣體分離基本原理示意圖 氬氣和氧氣的沸點(diǎn)接近，兩者很難分離，一起在氣相得到富集。因此變壓吸附制氧裝置通常只能獲得濃度為90%~95%的氧氣（氧的極限濃度為95.6%，其余為氬氣），與深冷空分裝置的濃度99.5%以上的氧氣相比，又稱富氧。
變壓吸附空分制氧裝置工藝簡(jiǎn)述 從上述原理可知，變壓吸附空分制氧裝置的吸附床必須至少包含兩個(gè)操作步驟：吸附和解吸。因此，當(dāng)只有一個(gè)吸附床時(shí)，產(chǎn)品氧氣的獲得是間斷的。為了連續(xù)獲得產(chǎn)品氣，通常在制氧裝置中一般都設(shè)置兩個(gè)以上的吸附床，并且從節(jié)能降耗和操作平穩(wěn)的角度出發(fā)，另外設(shè)置一些必要的輔助步驟。 每個(gè)吸附床一般都要經(jīng)歷吸附、順向放壓、抽空或減壓再生、沖洗置換和均壓升壓等步驟，周期性地重復(fù)操作。在同一時(shí)間，各個(gè)吸附床則分別處于不同的操作步驟，在計(jì)算機(jī)的控制下定時(shí)切換，使幾個(gè)吸附床協(xié)同操作，在時(shí)間步伐上則相互錯(cuò)開(kāi)，使變壓吸附裝置能夠平穩(wěn)運(yùn)行，連續(xù)獲得產(chǎn)品氣。 根據(jù)解吸方法的不同，變壓吸附制氧又分為兩種工藝（參見(jiàn)表1）：
1、PSA工藝：加壓吸附（0.2～0.6MPa）、常壓解吸。投資小、設(shè)備簡(jiǎn)單，但能耗高，適用于小規(guī)模制氧的場(chǎng)合。
2、VPSA工藝：常壓或略高于常壓（0～50KPa）下吸附，抽真空解吸。設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，但效率高、能耗低，適用于制氧規(guī)模較大的場(chǎng)合。
PSA和VPSA制氧裝置主要參數(shù)比較工藝流程 適宜規(guī)模 m3/h 吸附壓力 KPa 解吸壓力 KPa 氧氣純度 % 制氧電耗 KWh/m3 氧氣收率 % PSA ≤200 200～600 大氣壓 80～93 0.7～2 30～45 VPSA 100～10000 0～50 －45～－80 80～95 0.3～0.5 46～68 對(duì)于實(shí)際的分離過(guò)程，還必須考慮空氣中的其它微量組份。二氧化碳和水份在通常的吸附劑上的吸附能力一般要比氮和氧都大得多，可在吸附床內(nèi)填加合適的吸附劑（或利用制氧吸附劑自身）使其被吸附清除。制氧裝置所需的吸附塔數(shù)目取決于制氧規(guī)模、吸附劑性能和工藝設(shè)計(jì)思路，多塔操作時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)性相對(duì)更好一些，但設(shè)備投資較高。目前的趨勢(shì)是：使用高效制氧吸附劑、盡量減少吸附塔數(shù)量并采用短操作周期，以提高裝置的效率并盡可能節(jié)約投資。
氧氣在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中有廣泛的用途，空氣中含有21%（體積濃度）的氧氣，是最廉價(jià)的制氧原料，因此氧氣一般都通過(guò)空氣分離制取。
空氣分離制氧主要工藝 1.深冷分離工藝: 傳統(tǒng)制氧技術(shù)，氧氣純度高、產(chǎn)品種類多，適用于大規(guī)模制氧。 2.變壓吸附工藝(PSA): 新興技術(shù)，投資小、能耗低，適用于氧氣純度不太高、中小規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)合。 3.膜分離工藝: 尚不成熟，基本未得到工業(yè)應(yīng)用。
變壓吸附制氧技術(shù)特點(diǎn)——與深冷制氧技術(shù)相比 l工藝流程簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的預(yù)處理裝置； l產(chǎn)品氧氣純度可達(dá)95%，氮?dú)夂啃∮?%，其余為氬氣； l制氧規(guī)模10000m3/h以下時(shí)，制氧電耗更低、投資更??； l裝置運(yùn)行自動(dòng)化程度高，開(kāi)停車方便快捷； l裝置運(yùn)行獨(dú)立性強(qiáng)，安全性高； l裝置操作簡(jiǎn)單，操作彈性大（部分負(fù)荷性優(yōu)越，負(fù)荷轉(zhuǎn)換速度快）； l裝置運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低； l土建工程費(fèi)用低，占地少。
深冷空分制氧工藝與變壓吸附制氧工藝的比較 類別 項(xiàng)目 深冷空分制氧裝置 變壓吸附制氧裝置 分離原理 將空氣液化，根據(jù)氧和氮沸點(diǎn)不同達(dá)到分離 加壓吸附，抽真空解吸，利用氧氮吸附能力不同達(dá)到分離 裝置主 要特點(diǎn) 工藝流程復(fù)雜，設(shè)備較多，包括空氣壓縮系統(tǒng)，空氣預(yù)冷系統(tǒng)，空氣純化系統(tǒng)，膨脹機(jī)組，換熱系統(tǒng)和精餾塔等。 工藝流程簡(jiǎn)單，設(shè)備少，包括鼓風(fēng)機(jī)、真空泵和吸附塔等 工藝特點(diǎn) -160～-190℃低溫下操作 常溫操作 操作特點(diǎn) 啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，一般在15～40小時(shí)，必須連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，不能間斷運(yùn)行，短暫停機(jī)，恢復(fù)工況時(shí)間長(zhǎng)。 啟動(dòng)時(shí)間短，一般≤30min，可連續(xù)運(yùn)行，也可間斷運(yùn)行。 維護(hù)特點(diǎn) 設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度高，維修保養(yǎng)技術(shù)難度大，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用高。 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)難度低，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用低。 土建及 安裝特點(diǎn) 占地面積大，廠房和基礎(chǔ)要求高，工程造價(jià)高。 安裝周期長(zhǎng)，技術(shù)難度大，安裝費(fèi)用高。 占地面積小，廠房無(wú)特殊要求，造價(jià)低。 安裝周期短，安裝費(fèi)用低。 制氧成本 中小型制氧電耗高，約為0.5～1.0KW/Nm3 制氧電耗低，約為0.32～0.35KW/Nm3 安全性 設(shè)備受壓力容器規(guī)范控制?？稍斐商?xì)浠衔锞植烤奂嬖诒ǖ目赡苄浴?操作壓力低，不受壓力容器規(guī)范控制，不會(huì)造成碳?xì)浠衔锏木植烤奂?
二、變壓吸附空分制氧工藝原理
變壓吸附空氣分離制氧原理 空氣中的主要組份是氮和氧，通過(guò)選擇對(duì)氮和氧具有不同吸附選擇性的吸附劑，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓に囘^(guò)程，使氮和氧分離制得氧氣。 氮和氧都具有四極矩，但氮的四極矩（0.31?）比氧的（0.10 ?）大得多，因此氮?dú)庠诜惺肿雍Y上的吸附能力比氧氣強(qiáng)（氮與分子篩表面離子的作用力強(qiáng)，如圖1所示）。因此，當(dāng)空氣在加壓狀態(tài)下通過(guò)裝有沸石分子篩吸附劑的吸附床時(shí)，氮?dú)獗环肿雍Y吸附，氧氣因吸附較少，在氣相中得到富集并流出吸附床，使氧氣和氮?dú)夥蛛x獲得氧氣。當(dāng)分子篩吸附氮?dú)庵两咏柡秃?，停止通空氣并降低吸附床的壓力，分子篩吸附的氮?dú)饪梢越馕鰜?lái)，分子篩得到再生并重復(fù)利用。兩個(gè)以上的吸附床輪流切換工作，便可連續(xù)生產(chǎn)出氧氣。 1、變壓吸附氣體分離基本原理示意圖 氬氣和氧氣的沸點(diǎn)接近，兩者很難分離，一起在氣相得到富集。因此變壓吸附制氧裝置通常只能獲得濃度為90%~95%的氧氣（氧的極限濃度為95.6%，其余為氬氣），與深冷空分裝置的濃度99.5%以上的氧氣相比，又稱富氧。
變壓吸附空分制氧裝置工藝簡(jiǎn)述 從上述原理可知，變壓吸附空分制氧裝置的吸附床必須至少包含兩個(gè)操作步驟：吸附和解吸。因此，當(dāng)只有一個(gè)吸附床時(shí)，產(chǎn)品氧氣的獲得是間斷的。為了連續(xù)獲得產(chǎn)品氣，通常在制氧裝置中一般都設(shè)置兩個(gè)以上的吸附床，并且從節(jié)能降耗和操作平穩(wěn)的角度出發(fā)，另外設(shè)置一些必要的輔助步驟。 每個(gè)吸附床一般都要經(jīng)歷吸附、順向放壓、抽空或減壓再生、沖洗置換和均壓升壓等步驟，周期性地重復(fù)操作。在同一時(shí)間，各個(gè)吸附床則分別處于不同的操作步驟，在計(jì)算機(jī)的控制下定時(shí)切換，使幾個(gè)吸附床協(xié)同操作，在時(shí)間步伐上則相互錯(cuò)開(kāi)，使變壓吸附裝置能夠平穩(wěn)運(yùn)行，連續(xù)獲得產(chǎn)品氣。 根據(jù)解吸方法的不同，變壓吸附制氧又分為兩種工藝（參見(jiàn)表1）：
1、PSA工藝：加壓吸附（0.2～0.6MPa）、常壓解吸。投資小、設(shè)備簡(jiǎn)單，但能耗高，適用于小規(guī)模制氧的場(chǎng)合。
2、VPSA工藝：常壓或略高于常壓（0～50KPa）下吸附，抽真空解吸。設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，但效率高、能耗低，適用于制氧規(guī)模較大的場(chǎng)合。
PSA和VPSA制氧裝置主要參數(shù)比較工藝流程 適宜規(guī)模 m3/h 吸附壓力 KPa 解吸壓力 KPa 氧氣純度 % 制氧電耗 KWh/m3 氧氣收率 % PSA ≤200 200～600 大氣壓 80～93 0.7～2 30～45 VPSA 100～10000 0～50 －45～－80 80～95 0.3～0.5 46～68 對(duì)于實(shí)際的分離過(guò)程，還必須考慮空氣中的其它微量組份。二氧化碳和水份在通常的吸附劑上的吸附能力一般要比氮和氧都大得多，可在吸附床內(nèi)填加合適的吸附劑（或利用制氧吸附劑自身）使其被吸附清除。制氧裝置所需的吸附塔數(shù)目取決于制氧規(guī)模、吸附劑性能和工藝設(shè)計(jì)思路，多塔操作時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)性相對(duì)更好一些，但設(shè)備投資較高。目前的趨勢(shì)是：使用高效制氧吸附劑、盡量減少吸附塔數(shù)量并采用短操作周期，以提高裝置的效率并盡可能節(jié)約投資。
