0 引言

空分装置生产氧、氮、氩等工业气体，广泛应用于工业、医疗、航天航空等领域。

空分主要包括空压机、预冷机、纯化器、冷箱等，将压缩空气预冷及分子筛吸附后，送入冷箱进行空气分离。纯化器利用分子筛的选择吸附性来吸附空气中的水和CO2等对冷箱冻堵有害的杂质气体，当纯化器吸附饱和后，纯化器加热器加热后把分子筛吸附的水和CO2等杂质气体解析出来，再冷却降温至下一步工艺。

当空压机的末级不设后冷却器时排气温度较高，压缩空气需要预冷机组冷却脱除水分，经过预冷机后再到纯化器，压缩空气的温度从高到低过程，造成空压机出口热量的浪费，由于纯化器分子筛再生过程中需要加热再生气来脱除吸附在分子筛上的水和CO2，加热无疑造成了热量损失和能源的浪费。

目前空分纯化器采用二塔变压吸附的方式，分子筛吸附桶根据吸附气体量进行选择，通常吸附塔较大导致分子筛装填量较多。如果在充压、泄压过程中分子筛的压力波动大或再生过程中温度突变的情况下，分子筛粉化导致堵塞冷箱的通道影响板换的换热效果和分子筛吸附效果。

根据以上缺点对分子筛的结构进行了优化并提出一种四塔流程的空压余热利用系统；根据空压机在运行产生热量的特性，从节能减排的角度，对空压机的余热进行回收利用，减少空压机运行过程中的热量损失及循环水使用量并减少电加热的电耗，对空分装置来说极大地减少了电耗及热排放达到节能减排的效果。

1 常规分子筛工艺

常规分子筛采用双塔吸附工艺：A塔吸附B塔进行加温冷吹的工艺，A和B塔轮换工作，工艺比较成熟，具体工艺过程笔者不再赘述

2 改进型分子筛工艺路线

2.1工艺点说明：

MS1201~1204吸附桶，V1~V24 切换阀，HV25~HV28均压阀，FCV1201污氮气流量阀，FCV1202加温气调阀，TIS-1201~1208纯化器进出口温度，TI-101 污氮气温度，TIS-102空压机出口温度，FI-1201 加温气总流量，FI-1202 高温加温气流量，TIS-1209~ TIS-1210电加热器进出口温度，TCV101 空压机冷却水调节阀，E1、E2、E3 空压机一、二、三级换热器，EH1201电加热器，V29~V32均压手阀。

2.2工艺路线简介

1）纯化器的工作步序过程：“吸附-冷吹-中温再生-高温再生” 循环运行。

2）分子筛吸附塔的具体工作过程：

第一吸附塔MS1201吸附，打开V1和V2，吸附原料气的水和CO2；第二吸附塔MS1202进行冷吹：自冷箱的污氮气经V9和V10对已经高温再生的第二分子筛吸附塔MS1202冷吹，脱除分子筛中的水和CO2，此步结束的条件为温度计TIS1204的温度小于20℃。第三吸附塔MS1203为高温加热阶段，打开V16和V18阀，自冷箱中的污氮气先经过换热器E2和E1预热后再用电加热器EH1201加热后进入第三吸附塔MS1203 对分子筛加温，第三吸附塔MS1203的入口温度TIS1205进行判断。第四吸附塔MS1204处于预加热阶段，此时打开V22和V23阀 ,自冷箱的污氮气经二级换热器E2获得余热给第四吸附塔MS1204进行预加热，对余热的利用有利于减少空压机循环水用量及降低电加热器的能耗，有利于节能减排；在下个周期来临之际要进行均压操作，此时，第一吸附塔MS1201对第二吸附塔MS1202进行充压，打开均压阀HV25和V29利用第一吸附塔MS1201对第二吸附塔MS1202进行缓慢充压，采用四塔流程可以将吸附塔做小，分子筛吸附塔变小有利于减少吸附塔出口压力波动，在氩气提纯中能有效的稳定产品的纯度和提取率。以上为MS1201为吸附的工艺过程，下面以MS1201工作为例：

3）余热利用：加热分为余热再生和高温再生。压缩机设换热器E1、E2、E3 。E1为一级压缩换热器，E2为末级压缩换热器，E3为水冷换热器。从冷箱来的污氮气经压缩机末级换热器E2换热后进行分流，此回路上设有FI1201、FI1202流量计及FCV1202调阀进行流量调节。经调节后一路换热的污氮气进入纯化器余热再生。另外一路从E2换热器出来后进入E1换热器余热吸收提高温度，此路气体通过电加热入口温度TIS1209判断是否满足分子筛高温再生的要求，如不满足启动加热炉EH1201加热，加热炉出口温度对加热炉的温度进行检测和保护，当温度达到分子筛高温再生要求的时候停止加热炉的工作，当温度低于分子筛再要求的时候启动加热炉进行加热，加热炉处于间隙工作状态，利用换热器E1和E2对污氮加热余热回收利用得到中温气和高温气进入纯化器系统进行余热再生和高温再生两个环节极大的降低了分子筛加热器的用电负荷有利于节能减排。

2.3 两种分子筛工艺的对比

就两种分子筛工艺，从能源利用和维护的角度进行了对比分析，分析结果如下：

1）再生气通过一级和二级换热器吸收热量，减少电加热器的功耗并减少三级换热器的负荷和循环水量；

2）四个吸附塔平行工作，减少吸附剂的填充量进而减小分子筛吸附塔的体积，减少分子筛装填成本和空气阻力，空压机的能耗降低；

3）进塔空气阻力减少，塔内压力波动较小，利于塔内稳定工作，尤其解决了分子筛吸附塔切换波动的时候对纯度的影响；

4）吸附塔设有预加热，避免吸附塔突变升温引起分子筛粉化，利于吸附塔寿命的提高；

5）吸附塔均压气体流向一致避免气流上下床层扰动；

6）空压机余热回收利用，减少了空压机的热量损耗及循环水流量使用，减少了电加热器的电耗，空分装置极大地减少了电耗。

7）工艺的改进导致了程控阀增加了15只程控阀和2个换热器，程控阀增加和换热器的增加导致一次投资成本的增加、阀门故障频率增多、装置停车检修的风险增加等不利因素。

综上所述：本项目为一种空压机的余热利用系统，再生气通过一级和二级换热器吸收热量，减少电加热器的功耗及三级换热器的负荷，减少热量排放和循环水量；四个吸附塔平行工作，减少吸附塔中分子筛的填充量，减小吸附塔的体积，减少运行成本，减少压缩气进塔的阻力，空压机的能耗降低，塔内压力波动较小，利于塔内稳定工作，尤其解决了分子筛吸附塔切换波动的时候对纯度的影响；分子筛吸附塔设有预加热过程，避免分子筛吸附塔由于突变升温引起分子筛粉化现象，同时有利于分子筛吸附塔寿命的提高；分子筛吸附塔除了均压过程，外其余气体流向一致，没有气流上下翻滚的现象，避免影响吸附效果；对空压机的余热进行了回收再利用，有效的减少了空压机在运行过程中设备中的热量损失、减少循环水流量使用量，同时减少了电加热器的电耗并符合节能减排的要求，对于空分装置来说极大地减少了电耗和碳排放。

参考文献：

【1】 顾飞龙，张力鈞，陈栋。变压吸附制氢技术及其应用【J】.CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS,2007,26(9),1356.

【2】 郭璞，李明。煤层气中CH4/N2 分离工艺研究进展【J】.化工进展，2008，27（7）：963-967.