医药化工的变压吸附（PSA）制氮技术探讨

商成喜

摘 要：在化工生产中，氮气属于惰性气体，化学性质较为稳定，不容易与其他物质发生反应，因此广泛用作保护气、密封气等。在医药生产中，氮气的使用较多，目前制氮技术主要有PSA变压吸附法、低温法、膜分离法，而应用最为广泛的一种制氮技术为PSA制氮技术。从医药化工的变压吸附（PSA）制氮技术，以及相关的内容进行了分析。

关 键 词：医药化工;PSA制氮技术;制氮

中图分类号：TQ 028 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）06-1294-04

Discussion on the Pressure Swing Absorption （PSA） Nitrogen

Production Technology in Pharmaceutical Chemical Industry

SHANG Cheng-xi

（Chengde Nursing Vocational College， Hebei Chengde 067000， China）

Abstract： In chemical production， nitrogen is inert gas， relatively stable chemical properties; it is not easy to react with other substances， thus widely used as shielding gas， gas seal and etc. In pharmaceutical production， the use of nitrogen is more. At present the nitrogen production technologies mainly include pressure swing adsorption （PSA） method， low temperature method and membrane separation. Application of PSA is the widest. In this article， the pressure swing absorption （PSA） nitrogen production technology in pharmaceutical chemical industry was introduced.

Key words： Medicine and chemical industry; PSA nitrogen production technology; Nitrogen production

近几年我国的化工事业快速的发展，氮气作为化工行业较为受欢迎的一种气体，被广泛的应用在冶金、制药、电子等生产中。氮气的化学性质稳定，经常被用作保护气。在氮气的制造中，被广泛应用变压吸附制氮技术。变压吸附制氮技术又称为PSA制氮技术，是一种气体分离技术，利用气体分子吸附性能上的差异将混合气体分离。在医药化工生产中，变压吸附制氮技术被广泛的应用。

1 变压吸附（PSA）的特点

1.1 变压吸附（PSA）的发展

变压吸附技术在化工生产中的应用已经应用了几十年。主要是利用混合气体在固体吸附材料上的吸附特性的差异，实现气体的分离。其中吸附能力较强的气体组分会被吸附到吸附剂上，而吸附能力较弱的气体组分，则会在吸附气体中被排出。在周期性的压力变化过程中，实现混合气体的分离、提纯[1]。在该过程中，气体吸附剂可以循环的使用。

在1942年，H.kahle 提出了利用硅胶、活性氧化铝作为吸附剂的变压吸附法，将氧气、氮气进行分离。在20世纪60年代初期，美国联邦碳化物公司，使用变压吸附法实现了工业制氢。随着变压吸附法的发展，变压吸附装置、规模不断的增加，使用的范围越来越广，当前中国的变压吸附技术已经进入世界的先列。

1.2 变压吸附的特点

变压吸附的特点，主要有以下几点：

第一，能耗低。一些压力气源可以减少变压吸附使用中的再次加压能耗。

第二，工艺简单。可以实现多种气体的分离，对硫化物、氨等有较强的承受能力。

第三，操作简单。在变压吸附工艺中，有计算机等组成部分，所以其自动化水平非常高，操作也非常的简单，可以实现自动操作等。

第四，调节能力强。变压吸附工艺的使用范围广，而且装置的调节能力非常强，可以在不同的负荷下进行产品的生产，并保证产品质量不变。

第五，投資少。变压吸附工艺生产技术，在化工生产中的运用，投资非常少，对设备进行的维修简单，而且工作效率高[2]。除此之外，还有环境效益好，产量纯度高等特点。

2 变压吸附制氮技术

2.1 变压吸附制氮技术的原理

氮气是空气中的主要成分，占78%，而氧气占21%。氧气和氮气是空气中的主要成分，在进行变压吸附制氮中，可以选择不同吸附选择性的吸附剂，以及合适的化工生产工艺，进行氮气和氧气的分离。变压吸附作为新型的气体分离技术，利用气体的吸附性差异进行混合气体的分离，在制氮工艺中，其主要的原材料为空气，然后利用高效能、选择性的吸附剂对氮气和氧气进行选择性的吸附，并将氮气和氧气从空气中分离出来。

氮气分子和氧气分子的扩散率不同，进而使用碳分子筛变压吸附法进行氮气和氧气的分离。变压吸附的气体分离原理图如图1，变压吸附制氮技术的应用，主要是碳分子筛对氧气平衡吸附量会随着吸附压力的增加而增加，同时也随着吸附压力的下降而减少，所以称之为变压吸附制氮技术[3]。在进行变压吸附制氮的过程中，要对空气压力进行控制，保持其在合适的范围内，进而达到最佳的吸附效果。

图1 变压吸附气体分离原理图

Fig.1 PSA gas separation principle diagram

2.2 变压吸附制氮技术的性能参数

在化工生产中，氧气浓度一般都是在98%以上，传统的工业制氮采用的方法是深冷法。主要是将空气进行深冷化，再利用氧气和氮气沸点的不同，进行精馏分离。深冷法制氮的特点是制氮量大，氮气的纯度高，但是其也有不足，制氮工艺复杂，设备的制造、安装等有较高的要求，投资成本高，而且工艺设备的占地面积大，只能适用于大规模的集中制氮生产。

变压吸附制氮技术属于新型的气体分离技术，其作为一种气体分离技术，主要应用于小、中型的制氮工艺中，而传统的深冷法制氮技术相比，变压吸附制氮技术有显著的优势。变压吸附制氮技术的生产工艺非常的简单，设备的自动化水平非常高，设备占地面积小，操作简单，运营成本较低等。从两种制氮工艺技术的经济效益进行分析，变压吸附制氮技术优于传统的深冷法。变压吸附制氮技术与传统的深冷法制氮技术的性能参数比较，如下表1。

表1 变压吸附制氮与传统深冷法制氮技术性能的比较

Table 1 Performance comparison of PSA nitrogen production technology with the traditional nitrogen production technology with deep cooling method

当前在化工生产领域中，变压吸附制氮技术可以作为一种独立的气体分离操作单元[4]。通过表1中变压吸附制氮技术与传统的深冷法制氮工艺进行比较，可以得出变压吸附制氮技术的优势，将其应用在医药化工生产中，可以提升经济效益，降低投资成本。

3 变压吸附制氮技术在医药化工生产中的应用

3.1 变压吸附制氮技术的工艺流程

变压吸附制氮装置工艺流程如图2， A、B两个吸附塔，干净、干燥的压缩空气，进入A吸附塔，在入口端经过碳分子筛，然后向上方出口处流动，此时压缩空气中的氧气被吸附，得出的氮气富集并从A吸附塔的上方出口流出。在经过一段时间的吸附后，A吸附塔中的碳分子筛吸附达到饱和状态，这时A吸附塔在微机控制后，自动停止吸附，并在短时间的压力均衡之后，压缩空气会自动流入B吸附塔进行吸附，B吸附塔的工作过程与A吸附塔的工作过程相同[5]。在B吸附塔进行吸附的过程中，还对A吸附塔中的碳分子筛进行再生，将吸附塔中的压力，迅速的下降到常压，此时A吸附塔中的被吸附的氧气会快速的排入大气中。

在变压吸附制氮工艺流程中，A、B吸附塔交替工作，充分的实现了变压吸附制氮技术的制氮吸附工作的再生、分离、成本氮气产出。

图2 变压吸附（PSA）制氮技术流程图

Fig.2 Pressure swing adsorption （PSA） nitrogen production technology flow chart

变压吸附（PSA）制氮技术的工艺流程，可以分为空气净化系统、氧气吸附系统、缓冲放空系统。

第一，空气净化系统。在该系统中的设备有除油器、干燥机、过滤器、活性炭过滤器等等，压缩的空气进入高效除油器将其中的大部分油水、微粒进行去除，进而保证干燥剂在后面的过滤器可以正常的使用。冷凍干燥机（冷干机）将空气冷却到5 ℃左右，使空气中的水汽凝结，然后通过过滤器进行分离、过滤等一系列的程序，最终得到干燥、清洁的压缩空气，然后进入氮气和氧气的分离系统。

第二，氧气吸附系统。在该系统中，利用两个装有碳分子筛的吸附塔，以及一些阀门、控制器，在该系统工作的过程中，压缩空气从下部进入，而氮气从上部阀门流经缓冲罐之后，再由过滤器进行过滤，然后得出合格的氮气[6]。AB吸附塔的操作如下表2。

表2 A、B吸附塔的操作

Table 2 A and B adsorption tower operation

图3 变压吸附（PSA）制氮工艺流程缓冲放空系统装置图

Fig.3 Pressure swing adsorption （PSA） nitrogen production process buffer emptying system installation drawing

1- 贮气罐; 2-精密过滤器; 3-稳压阀; 4-流量计; 5、6、7 -截止阀门; 8-取样气控制阀门

第三，缓冲放空系统。变压吸附（PSA）制氮工艺流程中，产生的产品氮气的纯度没有达到设定值的要求时，需要向空中排放，称之为放空。放空装置如图3。放空时，关闭阀门6，打开阀门7等待氮气的纯度合格以后，将阀门7关闭，然后打开阀门6。在进行放空的过程中，流量不要很大，避免造成氮气纯度上升过慢。在该放空装置中，阀门3是氮气压力控制阀门，阀门5为氮气流量控制阀门，阀门8为氮气分析仪取样气控制阀门。

3.2 变压吸附（PSA）制氮工艺特点

（1）工艺流程特点

工艺流程简单，所需设备少，主要设备有空压机、干燥器、制氮机（吸附塔）、储气罐等。设备安装紧凑，占地面积小，整个工艺流程呈现了一体化结构。

（2）氮气体积

变压吸附（PSA）制氮技术，主要适用于氮气体积较小的生产中。制氮工艺流程产生的氮气体积分数在95%～99.9%之间，如果在氮气制作的过程中，需要更高的浓度，只需要增加氮气净化设备。在条件允许的情况下，氮气体积分数可以在90%～99.9%之间任意的调节。随着运行时间的延长，氮气的体积分数会下降，需要更换碳分子筛。

（3）运行特点

系统启动快，适用于间歇运行生产。在启动过程中，只需要按一下按钮，在30 min内，就可以得到合格的氮气成品。想要得到高纯度的氮气成品，需要加装氮气净化装置，再使用30 min，就可以得到高纯度的氮气成品[7]。

（4）氮气提取

在氮气制作的过程中，氮气的提取率较低，耗气量非常大，体积分数为99.99%的氮气，其空氮比大约4.51，随着纯度的提高，氮气的提取率逐渐的下降。

4 小 结

在变压吸附（PSA）制氮技术中，计算机等先进技术的应用，实现了制氮技术的全自动化。变压吸附（PSA）制氮技术，是一种新型的氮气制造工艺，应用在医药化工生产中，主要是生产氮气作为保护气、密封气等。变压吸附（PSA）制氮技术，有诸多的优点，在化工生产中，可以降低投资成本，提高经济效益。

参考文献：

[1]李欢竹.变压吸附（PSA）制氮技术在医药化工行业的应用[J]. 应用能源技术，2010（06）：37-38.

[2]吴卫，石绍军. 变压吸附分离技术在氮气生产中的应用[J]. 化工设计通讯，2010（03）：8-10+18+60.

[3]吴卫，石绍军. 变压吸附制氮技术及其设备选型[J]. 化工技术与开发，2010（12）：56-58+61.

[4]孙烈刚，吴迪，李天文，尚念刚，孙晓辉. 变压吸附制氮性能主要影响参数的研究[J]. 现代化工，2014（09）：125-127+129.

[5]陈顺杭. PSA变压吸附制氮技术与低温法制氮技术比较[J]. 现代化工，2013（02）：76-78.

[6]孙泽胜，王欣. 变压吸附制氮技术的应用[J]. 中国氯碱，2011（12）：45-46.

[7]崔浩，张明扬.对变压吸附法制氮技术的探讨[J]. 天津科技，2013（05）：89-91.