变压吸附(PSA)制氮原理及工艺基本知识

变压吸附（PSA）制氮技术原理及工艺基本知识

一、基础知识

1 氮气知识

1.1 氮气基本知识

氮气作为空气中含量最丰富的气休，取之不竭，用之不尽。氮气为双原子气体，组成氮分子的两个原子以共价三键相联系，结合得相当牢固，致使氮分子具有特殊的稳定性，在巳知的双原子气体中，氮气居榜首。氮的离解能(氮分子分解为原子时需要吸收的能量)为941.69kJ•moL-1。氮的化学性质不活泼，在一般状态下表现为很大的惰性。在高温下，氮能与某些金属或非金属化合生成氮化物，并能直接与氧和氢化合。在常温、常压下，氮是无色、无味、无毒、不燃、不爆的气体，使用上很安全。

在常压下，把氮气冷至-196℃将变成无色、透明、易于流动的液氮。液氮将凝结成雪花状的固体物质。

氮气是窒息性气体，能致生命体于死亡。

氮气(N

2)在空气中的含量为78.084%（空气中各种气休的容积组分为：N

2

：78.084%、

O

2:20.9476%、氪气：0.9364%、CO

2

:0.0314%、其它还有H

2

、CH

4

、N

2

0、0

3

、S0

2

、N0

2

等，

但含量极少），分子量为28,沸点：－195.8℃, 冷凝点：－210℃。

1.2 氮气的用途

氮气的惰性和液氮的低温被广之用作保护气体和冷源。以氮气为基本成份的氮基气氛热处理，是为了节能和充分利用自然资源的一种新工艺新技术，它可节省有机原料消耗。氮还有“灵丹妙药”之称而受人青睐，它和人的日常生活密切相关。例如，氮气用于粮食防蛀贮藏时，粮库内充入氮气，蛀虫在36h内可全部因缺氧窒息而死，杀灭1万斤粮食害虫，约只需几角钱。若用磷化锌等剧海药品黑杀，每万斤粮食需耗药费100多元，而且污染粮食，影响人民健康。又如充氮贮存的苹果，8个月后仍香脆爽口，每斤苹果的保鲜费仅需几分钱。茶叶充氮包裝，1年后茶质新鲜，茶汤清澈明亮，滋味淳香。

2 压力知识

变压吸附 (PSA)制氮工艺是加压吸附、常压解吸，必须使用压缩空气。现使用的吸附剂碳分子筛最佳吸附压力为0.75～0.9MPa, 整个制氮系统中气体均是带压的，具有冲

击能量。

3 分子筛

3.1 分子筛简介

分子筛是具有均匀微孔，孔径与流体分子直径大小相当的吸附剂。根据其有效孔径大小，可用来筛分离大小不同的流动分子，能够阻止直径大于微孔孔径的分子通过，允许直径小于微孔孔径的分子通过。这种作用叫分子筛的筛分作用，或称位阻效应。

由于分子筛具有独特的晶体结构，使它有特定筛的性质，从而构成了独特的吸附选择性和伴化选择性等物理化学性质。化学组成、晶体结构和孔径大小不同，工业用分子筛有许多类型。近年来，作为一种高效能的吸附剂、干燥剂和催化剂载体等，它已广泛应用于许多科学领域和工业部门。

3.2 分子筛的种类

具有分子筛作用的物质有很多，如天然的和人工合成的沸石分子筛、碳分子筛、微孔玲璃、某些有机高聚合物、某些无机物薄漠、有机高分子薄膜等。其中，应用最广的是沸石分子筛和碳分子筛。在分子筛空分制富氮工艺中，所使用的吸附剂就是这两种分子筛。从目前的产品看，沸石分子筛已有近50种定型产品，不仅可用于氧氮分离，而且可用于除水干燥和用作催化剂载体；碳分子筛是新近出现的新型吸附剂，主要应用于空分制富氮和氢的提纯等。下面扼要介绍上述两种常用分子筛。

3.2.1 沸石分子筛

沸石分子筛是一种人工合成的无机吸附剂，它的组成与天然沸石相近，具有多孔笼形骨架结构的硅铝酸盐化合物，简称:ZMS。

①化学组成

沸石分子筛以SiO

z 和Al

2

O为主要成份，并通过共同氧原子相连接，其一般的化学组

成通式为(M

2(I), M(Ⅱ)]•O

3

Al

2

O

3

•nSiO

2

mH

2

O，式中，M(I)和M(Ⅱ)分别为一价和二价金

属(通常为Na、K、Ca、Sr、Ba等);n为沸石的硅铝比，一般n=2～10；m为结晶水的分子数，一般m=0～9。

②吸附特性

沸石分子筛是一种高效的吸附剂，被广泛应用于分离与净化上。它具有如下主要特性。

♦良好的吸附特性

众所周知，活性炭、活性氧化铝、硅胶等吸附剂虽有较大的比表面积，但它们的微

孔尺寸较大，分布不均匀，对于分子大小相差无几的0

2(2.8Å)、N

2

(3.0Å)是不能进行选

择性吸附的，即没有筛分分子的本领，因而这3种吸附剂不能用于氧、氮分离工艺。然而。沸石分子筛则不同，它具有笼形孔洞骨架晶体结构，其晶穴体积可占沸石晶体总体积的一半以上，而且其内晶表面高度极化，晶穴内有强的静电场，微孔分布均匀，孔径大小与普通分子相当，巨大的比表面可谷纳相当数量的气体等吸附质分子，并能按照气体分子大小和形式进行筛分。

虽然，分子直径比分子筛孔径小的分子都能进入孔穴内，但仍可借助于不同的分子极性、不饱和度、极化率及空间构型等所产生的吸附强弱和扩散速度上的差异来分离分子。这是由于阳离子和带负电荷的硅铝氧性架所构成的沸石本身是一种极性物质，可通过静电诱导使分子极化，所以，凡极性越强，或越易能设化的分子，也就越容易被吸附。

♦高效的吸附能力

在低吸附质浓度(或高吸附温度)下，沸石分子筛仍具有很强的吸附能力，而在同一情况下，普通吸附剂的吸附能力则很弱，甚至几乎已经丧失。

佛石分子筛之所以具有高效的吸附能力，是因它的吸附力性质不同于其它吸附剂。如活性炭的吸附力是色散力的作用，而沸石分子筛不仅有色散力的作用，而且还有较大的静电力的作用。由于沸石分子筛的晶穴中含有阳离子，加上骨架氧带有负电荷,这样在阳离子的周围产生强大的局部正电场。由于这种静电力和色散力的共同作用，使得沸石分子筛获得特别强的吸附力，从而在低分压(或低浓度)及高温的环境中仍具有较大的吸附能力。

3.2.2 碳分子筛

碳分子筛(简称CMS)是世界，上70年代初发展起来的吸附剂新品种，首先由联邦

德国亚琛B.F.(Bergbau-Forschung ofEsen)矿业研究公司研究成功。20多年来，该公司生产的碳分子筛产品无论在性能、质量方面，或在使用寿命方面(可达10年)都一直居于国际领先地位、并以产氮率高(约达0.166m3•kg-1-CMS)，氧氮分离效果佳。产品氨气纯净等闻名于世，故有B.F.碳分子筛之称。

♦碳分子筛的制备