一种高温高效快速型变压吸附制氮设备制造技术

本实用新型专利技术公开了一种高温高效快速型变压吸附制氮设备，所述制氮设备包括进气装置、压缩空气净化系统、恒定温度自动控制系统以及制氮模块，制氮模块包括两台吸附塔，吸附塔包括氮气出气口、中部均压接口、分子筛以及吸附布气树，分子筛均布在吸附塔内，吸附布气树包括上部布气树、中部布气树以及下部布气树，上部布气树通过程控阀与氮气出气口连接，中部布气树通过程控阀与中部均压接口连接，下部布气树通过程控阀分别与空气进气口和放空消音器出口连接，上部布气树、中部布气树以及下部布气树通过纵向总气管串接。与现有技术相比，本实用新型专利技术世界范围内首次将RPSA技术与高温分子筛技术应用到PSA制氮设备中，达到99.99%氮气纯度时间小于15min。

A high temperature, high efficiency and fast pressure swing adsorption equipment for nitrogen production

【技术实现步骤摘要】
一种高温高效快速型变压吸附制氮设备
本技术属于变压吸附制氮设备
，具体涉及一种高温高效快速型变压吸附制氮设备及其制氮方法。
技术介绍
快速变压吸附（RapidPressureSwingAdsorption,RPSA）技术，通过加快程控阀的切换速度，以及缩短单个吸附塔的吸附时间，在整体上缩短吸附周期，总体上达到分子筛量少、占地小、投资成本低、生产竞争力强等特点。国外在早期70年代就开展研究，尤其是微小型RPSA制氧设备已经有了成熟的案例，并已成功的推向市场；大型的制氧机开发出了RVPSA技术也采用了极短的吸附周期以降低昂贵的锂分子筛的使用量；在垃圾填埋气处理用的RPSA天然气脱CO2及脱N2装置上都有了成功的应用，如美国AP公司收购碧青的多塔RPSA装置采用的集成吸附塔和旋转阀模块技术，吸附转换速度，最高达到了常规电磁阀&角座阀技术的100倍，且不需要使用原料气和产品气缓冲罐情况下实现了原料气和产品气输入和输出的平衡，这家公司在上海有生产厂，并且已在国内承接了大型的垃圾填埋气处理项目。目前快速变压吸附技术已经在制氧设备上有了成熟的应用，在制氮设备上未见报道。PSA变压吸附制氮技术，是利用分子筛对目标气体O2有较高的吸附容量和较高的吸附选择性实现对空气的分离。吸附选择性是指分子筛对O2优先吸附的能力，即空气中的目标气体O2与其他组分气体在分子筛上的吸附行为有差异，吸附行为的差异越大，表明吸附剂对目标气体与其他气体选择性差异越大，则目标气体越容易被分离。当经过处理的压缩空气经过吸附剂时，空气中O2组分在吸附剂上扩散系数与平衡系数都高于N2组分，所以O2组分优先吸附，从而获得高纯度氮气。随着对制氮分子筛吸附等温线的研究与试验发现，目前市面上流通的主要分子筛的各项性能会随着温度的升高急剧的下降。具体的表现为分子筛对N2的吸附量将随着温度的升高急剧上升，这样就导致即便空压机为制氮机提供了足量的空气，但是由于制氮机分子筛本身性能的下降，设备仍然无法产出合格的产品气，也就是说要使产品气达到合格，必须使分子筛具有非常强的温度适应性。经过调研与试验，在高温运行环境下，制氮碳分子筛对氮气的吸附速度大大提升，60℃分子筛的吸附量是20℃时吸附量的1.5倍，也就是说，高温使得分子筛的吸附容量升高，同时加大了对O2和对N2的吸附量。但是总体表现为随着温度的升高，分子筛对氮分子和氧分子的静态吸附量同时增加，这个现象表明，可以使用高温来提升分子筛的吸附量（如表1所示）。表1制氮分子筛的不同温度下对O2和N2的静态吸附量（单位mL/g）并且通过进一步的试验发现，高温下，在短时间内，对O2的吸附速率要高于对N2的吸附速率，基于前期的大量研究，专利技术人等想到筛选出短吸附周期内对O2分子与N2分子筛区别性高的分子筛，然后利用快速变压吸附技术设计出一套在短时间内完成快速分离的高温高效快速型变压吸附制氮设备。但是，目前阶段采用常温变压吸附技术，使用的是标准的高效低压分子筛来制取氮气，吸附流程是40/8s标准吸附解吸流程，而且配套的阀门技术、配管技术、吸附塔结构、控制原理、分子筛使用量都是以此来设计的，也就是说目前PSA制氮技术中的吸附塔设计、配管设计并不适用于快速型PSA，需要开发符合要求的快速型PSA制氮机结构。基于以上，专利技术人通过改进设计结构，将适用于40/8s吸附周期的设备优化至适用于20/2s吸附周期的制氮设备，此处的改进设备要考虑到：A、吸附塔结构的优化设计：大型吸附塔内部需要设计新的布气结构和解吸结构，让吸附塔的结构适应RPSA要求，解吸、反吹更加顺畅。B、吸附塔恒温系统的设计：吸附塔考虑外套保温装置以及吸附塔温度平衡装置，保证吸附塔在一年内的所有时间维持在一个恒定的吸附温度下，这样做既避免了高温对PSA制氮设备的影响，又可以增大分子筛的吸附容量降低了成本。C、适用于快速PSA制氮设备新的控制程序以及新的工艺参数的开发：短周期的RPSA制氮技术的工艺参数，配管技术仍然需要不断的做出测试来取得最佳的工艺参数，此项需要在试验机完成后进行试验。总体上，通过以上三大方面的改进来适应快速变压吸附技术的需要。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本技术之一是提供一种吸附塔恒温设计的高温高效快速型变压吸附制氮设备，其技术方案是：一种高温高效快速型变压吸附制氮设备，包括进气装置、压缩空气净化系统、恒定温度自动控制系统以及制氮模块，所述进气装置的出气口接所述压缩空气净化系统入口，所述压缩空气净化系统出口接所述恒定温度自动控制系统，所述恒定温度自动控制系统出口接所述制氮模块；所述恒定温度自动控制系统包括第一温度传感器、自动降温装置以及自动升温装置，所述自动降温装置和所述自动升温装置并联连接，所述第一温度传感器串联在所述自动降温装置和所述自动升温装置输入端的管路上；所述制氮模块包括两台吸附塔，所述吸附塔包括空气进气口、氮气出气口、两台吸附塔工作切换用的中部均压接口、放空消音器出口、分子筛以及吸附布气树，所述分子筛均布在所述吸附塔内，所述吸附布气树包括上部布气树、中部布气树以及下部布气树，所述上部布气树通过程控阀与所述氮气出气口连接，所述中部布气树通过程控阀与所述中部均压接口连接，所述下部布气树通过程控阀分别与所述空气进气口和放空消音器出口连接，所述上部布气树、中部布气树以及下部布气树通过纵向总气管串接；所述吸附布气树包括多个布气单元，所述上部步气树采用横截面为纵、横交叉设置的布气单元结构，所述下部布气树和所述中部布气树采用横截面为纵、横、斜交叉设置的布气单元结构，所述下部步气树下端深入到所述吸附塔封头内部，并与所述上部布气树交叉布置。进一步的，所述自动降温装置包括制冷机和降温路自动切断阀，所述制冷机与所述降温路自动切断阀串联连接；所述自动升温装置包括电加热器和加温路自动切断阀，所述电加热器和所述加温路自动切断阀串联连接。进一步的，所述布气单元包括对称设置的两个不锈钢矿筛管，所述不锈钢矿筛管通过螺纹和卡箍接头相互连接。进一步的，所述压缩空气净化系统包括风冷器、液气分离器、一级过滤器、二级过滤器、冷冻式干燥机以及高精过滤器，所述风冷器、液气分离器、一级过滤器、二级过滤器、冷冻式干燥机以及高精过滤器通过管路依次串联连接。进一步的，还包括脱水管，所述脱水管为装填了活性氧化铝与脱水分子筛的空气缓冲及深度脱水管束。进一步的，所述吸附塔外部包覆有吸附塔保温套，所述空气运输管路外部包覆有管路保温套。进一步的，所述制氮模块上设有第二温度传感器。进一步的，所述程控阀为梭阀，所述程控阀通过PLC控制程序控制。进一步的，所述进气装置为空气压缩机。以下提供一种应用上述高温高效快速型变压吸附制氮设备的制氮方法，其技术方案是：包含以下步骤：步骤1：通过空气压缩机产生压缩空气，高压空气通过风冷器将高温的压缩空气温度降低，温度降低后的压缩空气经过液气分离本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温高效快速型变压吸附制氮设备，其特征在于，包括进气装置、压缩空气净化系统、恒定温度自动控制系统以及制氮模块，所述进气装置的出气口接所述压缩空气净化系统入口，所述压缩空气净化系统出口接所述恒定温度自动控制系统，所述恒定温度自动控制系统出口接所述制氮模块；/n所述恒定温度自动控制系统包括第一温度传感器、自动降温装置以及自动升温装置，所述自动降温装置和所述自动升温装置并联连接，所述第一温度传感器串联在所述自动降温装置和所述自动升温装置输入端的管路上；/n所述制氮模块包括两台吸附塔，所述吸附塔包括空气进气口、氮气出气口、两台吸附塔工作切换用的中部均压接口、放空消音器出口、分子筛以及吸附布气树，所述分子筛均布在所述吸附塔内，所述吸附布气树包括上部布气树、中部布气树以及下部布气树，所述上部布气树通过程控阀与所述氮气出气口连接，所述中部布气树通过程控阀与所述中部均压接口连接，所述下部布气树通过程控阀分别与所述空气进气口和放空消音器出口连接，所述上部布气树、中部布气树以及下部布气树通过纵向总气管串接；/n所述吸附布气树包括多个布气单元，所述上部布气树采用横截面为纵、横交叉设置的布气单元结构，所述下部布气树和所述中部布气树采用横截面为纵、横、斜交叉设置的布气单元结构，所述下部步气树下端深入到所述吸附塔封头内部，并与所述上部布气树交叉布置。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高温高效快速型变压吸附制氮设备，其特征在于，包括进气装置、压缩空气净化系统、恒定温度自动控制系统以及制氮模块，所述进气装置的出气口接所述压缩空气净化系统入口，所述压缩空气净化系统出口接所述恒定温度自动控制系统，所述恒定温度自动控制系统出口接所述制氮模块；
所述恒定温度自动控制系统包括第一温度传感器、自动降温装置以及自动升温装置，所述自动降温装置和所述自动升温装置并联连接，所述第一温度传感器串联在所述自动降温装置和所述自动升温装置输入端的管路上；
所述制氮模块包括两台吸附塔，所述吸附塔包括空气进气口、氮气出气口、两台吸附塔工作切换用的中部均压接口、放空消音器出口、分子筛以及吸附布气树，所述分子筛均布在所述吸附塔内，所述吸附布气树包括上部布气树、中部布气树以及下部布气树，所述上部布气树通过程控阀与所述氮气出气口连接，所述中部布气树通过程控阀与所述中部均压接口连接，所述下部布气树通过程控阀分别与所述空气进气口和放空消音器出口连接，所述上部布气树、中部布气树以及下部布气树通过纵向总气管串接；
所述吸附布气树包括多个布气单元，所述上部布气树采用横截面为纵、横交叉设置的布气单元结构，所述下部布气树和所述中部布气树采用横截面为纵、横、斜交叉设置的布气单元结构，所述下部步气树下端深入到所述吸附塔封头内部，并与所述上部布气树交叉布置。


2.根据权利要求1所述的高温高效快速型变压吸附制氮设备，其特征在于，所述自动降温装置包括制冷机和降温路自动切断阀...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉军，赵海洋，刘宝增，王涛，沈凡儿，孟巧玲，全先富，郑富林，赵杰，郭富龙，傅连松，
申请(专利权)人：山东恒业石油新技术应用有限公司，中国石油化工股份有限公司，山东科瑞油田服务集团股份有限公司，
类型：新型
国别省市：山东;37