制氧分子筛的使用

锂低硅制氧分子筛的应用

摘要：高效锂低硅制氧分子筛的应用为大型制氧装置的发展提供了条件。在利用高效锂低硅分子筛进行装置设计时应注意温度、吸附速率、吸附压力的选择，通过实验，选择合适的修正系数，可以充分的发挥锂低硅制氧分子筛的高吸附容量、高分离系数的特性。

关键词：高效锂低硅制氧分子筛，吸附速率，吸附温度，吸附压力

一、综述

近年来，由于制氧分子筛吸附剂的开发利用和工艺流程的不断改进，使创始于20世纪60年代的变压吸附空分制氧技术得到快速发展，与深冷空分装置相比，变压吸附空分制氧过程具有启动时间短和开停车方便、能耗较小和运行成本低、自动化程度高和维护简单、占地面积小和土建费用低等特点，因而，变压吸附制氧占据越来越多的市场份额，尤其是在节能降耗的富氧燃烧领域内应用越来越广。

变压吸附气体分离技术的关键是吸附剂的选择，吸附剂的性能直接影响最终分离效果，甚至影响工艺步骤的选择和变压吸附的生命力。通常变压吸附空分制氧使用A型和X型分子筛，但因其分离选择性较低，对氮气吸附量小，束缚了PSA制氧技术的发展。基于这种情况，国内外许多公司都在积极进行新型富氧吸附剂的研究开发和推广。锂低硅系列制氧分子筛就是目前国内外许多公司都在积极开发和推广新一代制氧分子筛。

洛阳建龙化工有限公司对LiLSX分子筛的研发始于2005，历经6年，经过大量的实验，采用多层移动床固相交换法进行Li+交换，交换率大于99%，Li+的利用率100%，同时自行研发设计的特殊结构的焙烧炉试机成功并应用于工业化生产，解决了LiLSX分子筛焙烧结构极易被破坏的难题，生产出的吸附剂不仅保持了高的氮吸附性能，同时具有良好的机械强度和极低水含量。2010年，JLOX系列制氧分子筛从新建的生产线上很快的走向国内并进入国际市场。

2011年1月，JLOX-100制氧分子筛在湖南冷水江闪星锑业有限公司制氧站的改造项目中被采用，这个改造项目是一次意义非同寻常的改造。湖南闪星锑业公司在原矿冶炼炉上采用富氧燃烧技术，运行效果显著，决定扩大应用范围，然而，2008年制作的VPSA制氧装置产氧量却制约着富氧燃烧应用范围的扩大。 2010年12月13日闪星锑业公司发出了制氧站改造招标书，12月19日与承标方签订了对制氧装置进行提高产能的改造的协议，产能由原

1200Nm3/h（100%O

2）改为1500Nm3/h（100%O

2

）。改造要求：一是制氧装置不改动，或者是少

动；二是设备不增加，即动力负荷不改变；三是只给15天的时间，原因是已在运行的富氧燃烧冶炼炉不能停，只能在年终停产检修的时间内改造完。改造方案经甲方和乙方充分评估，决定采用我公司制造的锂低硅制氧分子筛，把原填装的47吨Ca5A分子筛换为20吨LiLSX分子筛。2011年1月7日改造更换分子筛完毕，1月8日，十分顺利的启动了改造后的制氧装置，氧气流量达到了1500Nm3/h（100%O

2

）以上，所有冶炼炉并入富氧燃烧工艺流程，氧气站输出的氧气完全满足了富氧燃烧的要求，超出了改造设计要求。使冶炼炉日处理矿石量比给改造前提高了20%以上。这个改造令人鼓舞，闪星锑业公司对我公司锂低硅制氧分子筛给予高度的评价。这个改造使人们认识到技术进步的意义——LiLSX制氧分子筛在节能降耗上的的作用！

大家知道，变压吸附制氧的基础是分子筛。高效锂低硅制氧分子筛的平衡吸附容量和分离系数是传统的富氧吸附剂2倍以上（见表1），吸附速率也远高于传统富氧吸附剂，这就为高效制氧设备的发展提供了良好的基础，为制氧装置大型化的发展提供了技术支持。随着制氧装置大型化工艺流程和操作条件的进步，我国大型变压吸附空分制氧技术接近国际先进水平，目前，国内制造的变压吸附制氧吸附塔直径已高达6米，单套装置的最大产氧能力已大于10000Nm3/h。

大型制氧装置，对稳定和提高制氧装置的经济技术指标提出了更高的要求。众所周知，变压吸附制氧的核心是分子筛，了解和掌握不同的厂家的锂低硅分子筛的特性对提高变压吸附制氧装置的效率，降低能耗是值得关注的事情。

二、LiLSX分子筛在PSA装置上的应用

以下结合本公司JLOX 系列LiLSX 制氧分子筛以及同行业内其他公司LiLSX 分子筛的性能比较，从吸附速率、吸附压力和温度三个方面阐述在PSA 制氧装置设计过程中对吸附剂的选择和使用，以及PSA 工艺流程参数的确定。

变压吸附的基本参数是吸附压力、解析压力、传质速率，吸附压力影响着传质速率，传质速率影响着传质区的大小，传质区的大小又决定着吸附床的吸附剂是否被有效的利用，因而，吸附剂的传质速率决定着变压吸附制氧装置的效率与产率。 1、传质速率与产率

q

q

q e

c e

c

c a

a 吸附负荷曲线

b

流出曲线

图1

通过对分子筛的测试，可以得到图1所示曲线， 即吸附前沿曲线和流出曲线，这是每 一个变压吸附设计者熟悉和关心的图形，根据曲线可以了解吸附剂的性能。我们希望得 到的曲线波幅小一些，波幅愈小，吸附床内吸附剂有效利用率就愈高。上图W 是吸附饱和区，V ＋U 是传质区，V 是传质区已吸附区，U 传质区未吸附区，g 点是穿透点，Z 是吸附床总高。从图中可以看到传质区愈大，流出曲线波幅愈大，反之，传质区愈小，流出曲线的波幅也愈小。在极端理想的情况下，即吸附速度无限大的时候，吸附曲线和流出曲线成垂线，床内吸附剂都被有效利用。很显然，我们希望传质区短，不仅吸附剂最大限度的有效利用，而且整个装置切换周期短，产率得到最大值，这样可以使单位能耗更加理想。 传质区的长度为：)

1)((00

k t t t Z

Z A -+=

其中k 是传质区未饱和分率，k=U/(U ＋V )，

从上式可以看出，吸附速率是关系到传质区大小的关键因素。

吸附过程的吸附速率由内扩散的扩散速率决定，而内扩散的过程是分子扩散过程，就变压吸附制氧系统来讲，氮气分子扩散到沸石分子筛中的过程是Knudsen型扩散，显然与孔隙率有关。孔隙率是影响吸附速率的重要因素之一。采用相同的N2吸附容量、相同的LiLSX原粉，以不同的成型工艺，得到不同堆集密度（反映不同孔隙率）的相同尺寸的分子筛球，在同一台动态评价装上测得结果如下表：

表2

反映孔隙率不同的堆比重相差0.05（g/ml），产率却相差31.84%。数据清楚地显示了孔隙率对产率的影响，从所测试得到的流出曲线图上看，波幅增长，说明吸附速率随堆比重的增加而下降。解决办法就是提高孔隙率。作为制氧装置设计者，在分子筛吸附容量、颗粒直径相同的条件下，要注意对孔隙率的选择。

2、吸附压力与产率

吸附压力是影响传质速度的一个重要因素。吸附压力高，虽然可以增加分子筛吸附速度，但是由于解吸是吸热过程，因相对压力高，解吸过程会造成解吸塔床层“冷冻”现象，解吸塔温度降低，反过来影响吸附动力学，吸附平衡将会变得非常慢，致使传质速度慢，这样只能使吸附前沿曲线波幅加长，吸附剂利用率大幅下降。因而，吸附压力不能过高，吸附压力与解吸压力差尽可能的低一些。

经测试，JLOX锂低硅制氧分子筛低分压条件下吸附性能十分良好（见表3），这就有可能采用高真空度解吸、低吸附压力工艺来降低压差，降低传质层的高度，提高吸附剂的利用率，提高产率。国内某公司在大型锂分子筛制氧装置上采用-70KPa的解吸压力、40KPa的吸附压力操作工艺，吸附剂的利用率非常高，能耗可控制在0.35Nm3/KW·h。

表3