淺談制氮工藝系統(tǒng)的設(shè)計

【摘要】以“某建設(shè)項目制氮工藝系統(tǒng)設(shè)計”為例，詳細(xì)介紹制氮系統(tǒng)的工藝設(shè)計、設(shè)備選型以及廠房布置等。

【關(guān)鍵詞】制氮系統(tǒng)；設(shè)備選型；工藝設(shè)計

【Abstract】According to the design of the construction project nitrogen production system as an example ，technological design、equipment selection and the layout of building will be introduced in detail ，and so on .

【Key words】Nitrogen production system；Equipment selection；Technological design

1. 引言

（1）隨著科技的進(jìn)步和社會的發(fā)展，氮氣的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，制氮設(shè)備也已經(jīng)成為冶金、化工、食品、醫(yī)藥、電子、煤炭、石油等眾多領(lǐng)域中不可缺少的設(shè)備。

（2）本文所述建設(shè)項目一期工程已建成投入生產(chǎn)，二期工程需要的氮氣最大用量為6.96Nm3/min；純度>99%；含塵粒徑<1μm；含塵量<3mg/m3；含油量<3ppm；含水量：壓力露點-40℃，供氣壓力：0.4～0.6MPa。

（3）根據(jù)各工藝新增氮氣用量情況，一期供氮系統(tǒng)已不能滿足新增氮氣用量的需求，故本期工程新建制氮廠房一座，以保證兩期工程中氮氣用量及供氣品質(zhì)的要求。

2. 系統(tǒng)的配置

制氮系統(tǒng)由空壓系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、緩沖系統(tǒng)組成。首先原料經(jīng)空壓機(jī)壓縮后進(jìn)入高效除油器除去大部分油、水、塵埃進(jìn)入微熱再生干燥器，經(jīng)粉塵精濾器進(jìn)入填充顆粒狀活性炭的過濾器，通過緩沖儲氣罐進(jìn)入填裝吸附劑的變壓吸附分離系統(tǒng)，即制氮機(jī)組。潔凈的壓縮空氣由吸附塔底端進(jìn)入，氣流經(jīng)空氣擴(kuò)散器擴(kuò)散后，均勻進(jìn)入吸附塔，進(jìn)行氧氮吸附分離。從出口端流出氮氣，進(jìn)入氮氣緩沖罐，經(jīng)均壓和減壓后，脫除吸附的雜質(zhì)組分，完成吸附劑的再生。二個吸附塔交替循環(huán)操作，連續(xù)產(chǎn)出高品質(zhì)的氮氣進(jìn)入氮氣儲氣罐輸送到用戶。

2.1空壓系統(tǒng)?？諌合到y(tǒng)由空壓機(jī)、緩沖罐組成。根據(jù)氮氣用量的需求配套選用2 臺空壓機(jī)，1用1備；配套設(shè)2臺緩沖罐，1用1備。

2.2凈化系統(tǒng)。凈化系統(tǒng)由高效除油器、微熱再生干燥器、精密干燥器等組成。為保證空氣品質(zhì)的要求，配套選用2臺微熱再生干燥器，1用1備；2臺高效油水分離器，1用1備；2臺精過濾器，1用1備；2臺活性炭過濾器，1用1備。

2.3吸附系統(tǒng)。吸附系統(tǒng)由催化凈化器、氮氣緩沖罐、吸附器、控制器、氮分析儀等組成。本次設(shè)計選用2臺制氮裝置，1用1備，制氮裝置前配套設(shè)2臺氮氣緩沖罐，1用1備。

2.4緩沖系統(tǒng)。緩沖系統(tǒng)由氮氣緩沖罐、精密過濾器、防空裝置、調(diào)壓裝置、流量計等組成。制氮裝置后配套設(shè)2臺粉塵精濾器，1用1備。成品氮氣儲氣罐2臺。

3. 制氮系統(tǒng)的主要設(shè)備選型

3.1空壓機(jī)。常用的空壓機(jī)有活塞式、離心式和螺桿式等。

（1）活塞式空氣壓縮機(jī)一般由機(jī)身、氣缸、活塞、傳動機(jī)構(gòu)和中間冷卻器等部件組成。利用原動機(jī)驅(qū)動曲軸做旋轉(zhuǎn)運動，再由連桿帶動活塞在氣缸中作往復(fù)運動使空氣直接受到壓縮。其主要特點是在各種流量下都能達(dá)到所需的壓力，目前應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域的最高壓力達(dá)350MPa?；钊娇諝鈮嚎s機(jī)單機(jī)排氣量一般最大200m3/min，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損件多，維修工作量較大，所以活塞式壓縮機(jī)適用于中、小流量的高壓范圍。

（2）離心式空氣壓縮機(jī)一般由機(jī)身、氣路系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和自控系統(tǒng)及負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪使空氣受到離心力的作用產(chǎn)生壓力，同時獲得速度，離開葉輪后空氣經(jīng)擴(kuò)壓器等擴(kuò)張通道將動能逐漸轉(zhuǎn)化為壓力能，從而使壓力得到提高。離心式空氣壓縮機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、容量大、結(jié)構(gòu)簡單、運轉(zhuǎn)可靠、重量輕、尺寸小、經(jīng)久耐用、維護(hù)費用低等特點，特別適用于大容量壓縮機(jī)。

（3）螺桿式空氣壓縮機(jī)由機(jī)身、氣路系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和電控與調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。螺桿式空氣壓縮機(jī)壓縮氣體的原理與活塞壓縮機(jī)相同，運動形式又與離心式空氣壓縮機(jī)一樣做高速旋轉(zhuǎn)運動，兼有二者的特點。其優(yōu)點是體積小、結(jié)構(gòu)簡單、零件小、運行平穩(wěn)等。

（4）綜合考慮設(shè)備性能、排量、經(jīng)濟(jì)性等，本次設(shè)計制氮工藝系統(tǒng)中氮氣的需求量為6.96 Nm3/min，配套選螺桿空氣壓縮機(jī)2臺，每臺排氣量43Nm3/min，當(dāng)?shù)貧庀髼l件下其容積流量36m3/min，排氣壓力0.85MPa，電機(jī)功率250.93KW/臺，1用1備。與空壓機(jī)配套的制氮裝置能力為600 Nm3/h純度為99.9%，可滿足工藝的使用要求。

3.2緩沖罐。 為使空壓機(jī)的排氣更穩(wěn)定，減小系統(tǒng)壓力波動，在空氣壓縮機(jī)后設(shè)5.0 m3緩沖罐2臺，1用1備。

3.3高效除油器。高效除油器的作用是分離壓縮空氣中所含的油份和水份，使壓縮空氣得到初步的凈化。為保證壓縮空氣的品質(zhì)，本次設(shè)計在每臺螺桿壓縮機(jī)后各設(shè)置1臺高效除油器，排氣量45Nm3/min，排氣壓力0.8MPa。

3.4干燥裝置。

（1）普通壓縮空氣中含有油、水及塵粒，這些物質(zhì)的存在對生產(chǎn)工藝及設(shè)備運行有嚴(yán)重的危害，必須采用各種干燥、凈化手段減少或去除壓縮空氣中的雜質(zhì)含量，使之符合生產(chǎn)要求。壓縮空氣冷卻后仍含有一定的水分，其含量取決于空氣的溫度、壓力。

（2）工業(yè)上常用的氣體干燥方法有吸收法、吸附法、冷凍法及壓力除濕法。一般較多采用吸附法和冷凍法。

（3）本設(shè)計制氮工藝系統(tǒng)根據(jù)用戶對空氣干燥程度及空氣量的要求 ，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定設(shè)置空氣干燥器 ，其總能力與空壓機(jī)總排氣量相適應(yīng)。與壓縮空氣系統(tǒng)配套選用微熱再生干燥器2臺，每臺的排氣量48.2Nm3/min，排氣壓力0.8MPa，1用1備。endprint

3.5除塵裝置。為控制用氣含塵量，在系統(tǒng)中設(shè)置除塵過濾裝置，在微熱再生干燥器后設(shè)置精過濾器和活性炭過濾器各1套，過濾器在排氣壓力為0.8MPa下的空氣處理量為45.0m3/min，過濾后空氣的含塵粒徑≤0.01μm同時含油量≤0.005ppm。

3.6制氮裝置。

（1）根據(jù)變壓吸附原理，制氮裝置采用高品質(zhì)碳分子篩為吸附劑。一定的壓力下由于動力學(xué)效應(yīng)，氧在碳分子篩微孔中的擴(kuò)散速率遠(yuǎn)大于氮，在吸附未達(dá)到平衡時，氧被碳分子篩大量吸附，氮分子在氣相中被富集，達(dá)到氧氮分離。由于碳分子篩對氧的吸附容量隨壓力的不同兩者有明顯差異，降低壓力，即可分解吸碳分子篩吸附的氧分子，使碳分子篩再生，得以重復(fù)循環(huán)使用。采用兩個吸附塔流程，一塔吸附產(chǎn)氮，一塔解吸再生，通過程序控制器控制氣動角座閥的啟閉，使兩塔循環(huán)交替，連續(xù)產(chǎn)出高品質(zhì)氮氣。

（2）本設(shè)計根據(jù)工藝對氮氣的用量及純度的要求，考慮一定的損耗量，選用制氮裝置 2套， 每套處理量600Nm3/h，考慮其用氣情況和生產(chǎn)班次， 1用1備。氮氣純度達(dá)到99.5%以上，氮氣露點-40℃，氮氣壓力0.65MPa（可調(diào)），可以滿足工藝要求。

3.7氮氣儲氣罐。 為保證連續(xù)供氣的要求，設(shè)置氮氣儲氣罐2臺，容積為10.0 m3/臺，工作壓力為1.0MPa。

4. 控制、連鎖設(shè)計

4.1系統(tǒng)檢測控制儀表。在氮氣總管裝設(shè)流量累計儀表 ，以便定期統(tǒng)計供氣量。根據(jù)操作需要，對溫度和壓力設(shè)置了就地指示和控制室內(nèi)集中指示2種。

4.2電氣連鎖、報警。儲氣罐壓力大于0.78MPa（表壓）時，發(fā)出聲光報警。大于0.8 MPa（表壓）時，自動?？諌簷C(jī)。

5. 廠房布置

制氮廠房為丁類生產(chǎn)廠房，占地面積為30×18=540m2，廠房軌頂高度6.0米。由機(jī)器間和輔助間組成。螺桿式空氣壓縮機(jī)、無熱再生干燥器及配套的高效除油器、過濾裝置、制氮裝置均布置在機(jī)器間內(nèi)。儲氣罐設(shè)置在室外。輔助間包括值班控制室和配電室。值班控制室設(shè)觀察窗。

參考文獻(xiàn)

[1]《壓縮空氣站設(shè)計手冊》機(jī)械工業(yè)出版社.

[2]《壓縮空氣站設(shè)計規(guī)范》GB50029-2003.

[文章編號]1619-2737（2014）04-09-585

[作者簡介] 尉海霞（1980.4-），女，籍貫：山西大同，學(xué)歷：碩士，職稱：工程師。endprint