PSA法低露点氮气装置在HTV硅橡胶生产中的应用

PSA法低露点氮气装置在HTV硅橡胶生产中的应用顾飞龙陈奕峰张丽华摘要：介绍了变压吸附法制低露点氮气的基本原理及在热硫化硅橡胶生胶生产中的应用。关键词：变压吸附，气体分离，无热再生干燥，硅橡胶ApplicationoftheSetProducedLow-dew-pointNitrogenbyPSATechnologyintheManufactureofSiliconeRubberGuFeilong,ChenYifeng,ZhangLihua（ShanghaiResearchInstituteofChemicalIndustry,Shanghai200062）Abstract：Theprincipleofproductionoflow-dew-pointnitrogenbypressureswingadsorption(PSA)wasdescribed,andtheapplicationinthemanufactureofsiliconerubberwasintroduced.Keywords：pressureswingadsorption,siliconerubber,low-dew-pointnitrogen▲热硫化(HTV)硅橡胶生胶生产中的重要原料二甲基环硅氧烷(DMC)水含量(质量分数，下同)约300×10－6；因此，在催化聚合前必须进行脱水干燥处理。常用方法为钢瓶氮气真空鼓泡脱水，经脱水处理后的DMC水含量约120×10－6～140×10－6。进一步降低DMC的水含量对提高催化剂活性和生胶摩尔质量具有重要意义。工业用钢瓶气态氮的标准（GB3684－83）见表1。表1工业用钢瓶气态氮标准指标名称指标Ⅰ类Ⅱ类一级二级φ(N2)／％＞99.599.598.5φ(CO2)／％＜0.50.51.5游离水／mL。瓶－1＜—100100露点／℃＜-43——从表1可知，Ⅰ类工业用钢瓶气态氮的露点约-43℃，折合水含量约100×10－6；采用此类钢瓶氮气对DMC进行鼓泡脱水，DMC的水含量只能降到120×10－6～140×10－6。而采用变压吸附法及干燥技术制得的氮气露点可低到－60℃，即水含量约10×10－6；采用此类氮气进行鼓泡脱水干燥，DMC的水含量可降到80×10－6左右，这对后续工段的聚合反应极为有利。变压吸附(简称PSA)气体分离技术作为非低温气体分离方法的重要分支，具有自动化程度高、工艺流程简单、操作方便、启停车快、运行成本低和维护量小等优点，是一种高效节能的新型气体分离技术。1PSA法制取低露点氮气工艺流程1.1碳分子筛PSA制氮原理碳分子筛具有接近气体分子尺寸的超微孔，由于孔径分布均一，在吸附中对气体分子起筛分作用(由范德华力使分子分离)。图1为某时刻碳分子筛对氧气氮气的吸附量与平衡吸附量的比值曲线。由图1可知，在短时间内，碳分子筛对O2的吸附速度大大超过对N2的吸附速度，碳分子筛制氮主要利用这一原理。此外，碳分子筛对二氧化碳和水分有一定吸附能力，且较容易通过减压方法再生。图1碳分子筛对O2、N2的吸附动力学曲线碳分子筛PSA制氮工艺流程见图2。图2PSA制氮工艺流程1—压缩机；2—冷却器；3—过滤器；4A、4B—吸附塔；5—氮气缓冲罐；6—氧分析仪原料空气经压缩机压缩至0.7MPa，再经过滤器除去油及液态水后进入由两个填装碳分子筛的吸附塔组成的变压吸附分离系统；压缩空气进入吸附塔后，空气中的氧气、二氧化碳和水分被吸附剂选择吸附，不吸附组分(主要为氮气)则从吸附塔出口端流出，进入缓冲罐，这一产氮过程为60s。之后，吸附塔均压、减压至常压，脱除所吸附的杂质，完成吸附剂的再生。两吸附塔交替循环操作，连续送入原料空气，连续产出氮气。整个循环周期为120s。变压吸附制得的氮气纯度为95％～99.9％，压力0.6MPa，露点-43℃，即水含量约100×10－6。1.2PSA法无热再生氮气干燥原理为进一步降低氮气露点，需将由变压吸附制得的氮气采用GW2无热再生干燥装置(见图3)进一步干燥。该装置采用二个内填4A（或13X）沸石分子筛的吸附塔。通过GW2分子筛无热再生干燥装置后氮气的露点可降至-60℃，即水含量10×10－6以下。图3GW2分子筛无热再生干燥工艺流程1，2—干燥器；A—气体进口；B—干燥气体出口1.3PSA法制取低露点氮气的工艺流程考虑到有机硅生产的连续性(三班倒)及生产工艺用气的不稳定性，将制得的低露点氮气贮存在一容积为6m3的贮气罐中供使用，并在鼓泡脱水塔前又设置了填充活性氧化铝及4A（13X）沸石分子筛的备用干燥器，以保证脱水干燥用氮气的低露点要求。PSA法制取低露点氮气的工艺流程见图4。图4PSA法制取低露点氮气工艺流程1—螺杆空压机；2—PSA制氮装置；3—旁通阀；4—GW2分子筛无热再生干燥装置；5—氮气贮罐；6—备用钢瓶氮气接口；7—备用干燥器；A—原料空气；B—低露点氮气2应用该装置应用于广东大洋硅胶制品有限公司，为HTV硅橡胶生胶生产提供鼓泡脱水干燥用氮气。1999年8月一次试车成功，现场安装试车时间仅为两天。由于PSA法制得的低露点氮气水含量低于10×10－6，采用该种氮气鼓泡脱水，可使DMC水含量稳定在80×10－6；与采用钢瓶氮气得到的DMC（水含量120×10－6～140×10－6）相比，水含量大幅度下降。而且，采用低露点氮气制得的HTV硅橡胶生胶摩尔质量较高且比较稳定，波动范围小，其外观较使用钢瓶氮气制得的生胶更清澈透明。2.1PSA法制低露点氮气装置简介大洋硅胶制品有限公司HTV硅橡胶生胶生产线有两条，规模均为1000t/a；根据该公司情况，上海化工研究院提供了供气量为15m3／h，纯度为99％，露点≤－60℃的PSA法制低露点氮气装置一套。装置由以下几部分构成。2.1.1空气压缩机采用螺杆压缩机LU510－7.5A，其容积流量为1.2m3／min，排气压力为0.7MPa，装机容量为7.5kW。2.1.2PSA制氮装置采用NGN－15B型碳分子筛制氮装置，选用德国BF碳分子筛为吸附剂，控制器采用松下NAIS可编控制器，阀门采用管道式气动切断阀，保证了工艺切换的高可靠性，使制氮装置能满足连续性生产的要求；NGN－15B型制氮装置制得的氮气纯度为99％，产量15m3／h，露点－43℃。2.1.3GW2分子筛无热再生干燥装置由PSA制得的露点约－43℃的氮气，再经GW2－1.6／g型分子筛无热再生干燥装置干燥处理后，可得到露点小于－60℃的低露点氮气。采用数显电子程序控制仪，使装置具有自动计时，自动切换工作，进气温度可监测等特点。2.1.4氮气贮气罐制得的低露点氮气送往容积为6m3的贮气罐备用，当贮气罐内氮气压力低于0.3MPa时，制氮装置启动，氮气压力升到0.6MPa时，制氮装置停车。2.1.5备用干燥器在鼓泡脱水塔前设置二个备用干燥器，内填活性氧化铝或4A（13X）沸石分子筛。当设备发生故障时，钢瓶氮气经备用干燥器脱水干燥后进入生胶生产流程，以保证鼓泡脱水塔对氮气的要求。3技术经济性首先，PSA法制得的低露点氮气品质更高，其露点为－60℃以下，水含量远低于钢瓶氮气。其次，在设备投资效益、经济性方面具有较大的优势。钢瓶氮气压力约12.5MPa／瓶，容积为40L，则贮气量为5m3／瓶，氮气售价按30元／瓶计，则氮气价格为6元／m3；而变压吸附法制氮耗电量为0.4kW。h／m3，电价以1.0元／kW。h计算，则氮气生产成本仅为0.4元／m3。因此，一套PSA制氮装置以每天开车10h计算，其产生的经济效益为：365天×10h／天×15m3／h×（6－0.4）元／m3≈30.7万元该套设备总投资约20万元，每年能节省约30万元的支出，其投资回收期仅为8个月，技术经济性非常好。4结论PSA法制低露点氮气装置操作简便，各项技术指标完全达到HTV硅橡胶生胶生产中DMC脱水用氮气的要求，完全满足连续生产要求。采用PSA法低露点氮气制备装置取代钢瓶氮气，可降低工人劳动强度、提高自动化水平，稳定生胶产品质量，降低生产成本。■作者简介：顾飞龙，男，学士，高级工程师，从事变压吸附气体分离技术的研究开发和工业应用，已发表论文11篇。作者单位：顾飞龙（上海化工研究院化机所，上海200062）陈奕峰（上海化工研究院化机所，上海200062）张丽华（上海化工研究院化机所，上海200062）参考文献：［1］叶振华.化工吸附分离过程.北京：中国石化出版社，1992.［2］BaronGV.GasSeparationTechnology.Netherlands：1989.137［3］顾飞龙等.PSA制氮技术及在封闭式循环干燥系统中的应用.化工装备技术，1999，20(3)：17