深度冷凍法制氮淺析

趙維東（蘭州石化公司動力廠，甘肅蘭州730060）

深度冷凍法制氮淺析

趙維東（蘭州石化公司動力廠，甘肅蘭州730060）

在我國石油化工領(lǐng)域，深度冷凍法制氮應(yīng)用十分廣泛，且制氮工藝的進(jìn)步直接關(guān)系著石油化工領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)價值和科技發(fā)展。本文的研究方向主要集中在本文所選用的8000Nm3/h制氮裝置的實驗結(jié)果中，通過結(jié)果的分析，淺析8000Nm3/h制氮裝置在制氮工作中的優(yōu)勢。

制氮工藝；深度冷凍分離；空氣動力學(xué)

深度冷凍這種制氮方式，隨著科技發(fā)展，其工藝不斷成熟，優(yōu)勢表現(xiàn)得更為明顯。在以往的深冷制氮的工藝當(dāng)中主要有深冷分離、PSA變壓吸附和膜分離三種模式。而這三種模式的應(yīng)用場景、工藝要求存在著諸多差異。本文進(jìn)行試驗的裝置為8000Nm3/h制氮裝置，該裝置運(yùn)用深冷制氮的方法，完成制氮，具有突出的優(yōu)勢。

1 三種常見制氮方法的工藝原理及優(yōu)勢比較

1.1 三種制氮方法的工藝原理

1.1.1 PSA變壓吸附法

在空氣當(dāng)中，氧氣和氮?dú)飧鶕?jù)空氣動力學(xué)效應(yīng)，存在著擴(kuò)散速率差異化明顯的特點，這一特點尤其表現(xiàn)在碳分子篩時擴(kuò)散速率的差變化更加巨大。此時，氮?dú)鈹U(kuò)散速率遠(yuǎn)低于氧，因此吸附未平衡時，碳分子篩可以大量吸附氧氣，從而使氮?dú)飧患?。因此PSA變壓吸附法根據(jù)這一特性對空氣中的氮?dú)夂脱鯕膺M(jìn)行分離，從而獲得氮?dú)?。因此該工藝又被稱為碳分子篩制氧工藝。

1.1.2 膜分離法

在使用膜分離法的過程中，空氣中的氮?dú)夂脱鯕庑枰?jīng)過膜的兩側(cè)壓差作用，從而使兩種氣體的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)差異表現(xiàn)出來。其中水蒸氣和氧氣以其滲透率快的特點會迅速通過膜，形成富氧氣體，而氮?dú)獾臐B透率十分緩慢，從而在膜上形成滯留富集，成為富氮?dú)怏w并十分干燥。因此可以通過這種方法使空氣中的氮氧得到分離，從而獲得氮?dú)狻?/p>

1.1.3 深度冷凍分離法

與前兩者所應(yīng)用的空氣中氮氧的擴(kuò)散特性不同，深度冷度分離法所應(yīng)用的氮氧特點主要為氮氧的沸點存在的差別實現(xiàn)氮氧分離。因此在實際操作中，會將原材料空氣首先進(jìn)行壓縮，并通過空氣的膨脹和冷凍使其液化，形成液空晶餾，在精餾塔低通過與溫度較高的氣體相接觸，使液控晶餾中的氮?dú)庹舭l(fā)，氧氣冷凝，從而實現(xiàn)氮氧分離。

1.2 三種制氮方法的優(yōu)勢比較

深度冷凍分離制氮法所選用的設(shè)備有空氣壓縮機(jī)、電加熱器、分餾塔、冷凝蒸發(fā)器等，與其他兩種工藝方式相比較，占地面積更大，工作步驟和內(nèi)容也更多，相較于PSA變壓吸附制氮，其投資稍高。而對比膜分離制氮，投資相對較低。但是，在制氮能力方面，深度冷凍分離制氮是膜分離制氮和PSA制氮的十倍之多，氮?dú)饧兌雀?，同純度的氮?dú)馓崛÷氏噍^于其他兩種方法高出接近50%，例如純度為99.9%的氮?dú)馓崛。疃壤鋬龇蛛x制氮法可以達(dá)到45%，而PSA制氮法僅能達(dá)到32.1%，而膜分離制氮僅有15%。可見在實用性領(lǐng)域，深度冷凍分離制氮法更具價值和優(yōu)勢[1]。

2 8000Nm3/h制氮裝置的特點和應(yīng)用

2.1 制氮準(zhǔn)備和應(yīng)用要求

本文所選取的實驗環(huán)境是某公司在為煉油區(qū)提供生產(chǎn)所需的氮?dú)膺^程中應(yīng)用8000Nm3/h制氮裝置進(jìn)行的制氮操作。為了確保制氮工作的順利進(jìn)行以及制氮成品的氮?dú)饧兌?，該公司制氮過程開始之前選用了極為全面的設(shè)備系統(tǒng)作為輔助制氮裝置使用。其中包括離心式空氣壓縮機(jī)兩臺、冷卻器一臺、預(yù)冷機(jī)組兩臺、分子篩純化器一套、分餾塔一具包括主冷箱和熱氣冷箱、透平式膨脹機(jī)兩臺、氮?dú)庠鰤簷C(jī)一臺、100m3液態(tài)儲罐三具、900m3/h循環(huán)水單元一套。通過這些設(shè)備的準(zhǔn)備，使其與8000Nm3/h制氮裝置共同工作，從而保證氮?dú)饧兌?，滿足煉油區(qū)的氮?dú)鈶?yīng)用的要求。

2.2 8000Nm3/h制氮裝置的制氮方法綜述

現(xiàn)代制氮工作以分離空氣中的氮氧為主要原理，因此需要以純凈的空氣作為制氮原料使用。首先使用除塵過濾器對原料空氣進(jìn)行處理，并過濾掉空氣當(dāng)中存在的灰塵和機(jī)械雜質(zhì)，再使其進(jìn)入空氣壓縮機(jī)當(dāng)中進(jìn)行壓縮。注意此處空氣壓縮機(jī)的壓力設(shè)定需要控制在0.60-0.75MPa之間，才能確?？諝獾玫酵昝缐嚎s。壓縮完成后的空氣需要送入到末冷器當(dāng)中進(jìn)行降溫處理，再進(jìn)入預(yù)先溫度設(shè)定為3-10℃的預(yù)冷機(jī)組，使其能夠在氣液分離器中分理出已處于游離態(tài)的冷凝水，并應(yīng)用分子篩純化器吸附空氣中的二氧化碳、殘留的水蒸氣和碳?xì)浠衔?。此時的空氣作為純氮純氧狀態(tài)在進(jìn)入到分餾塔前使其與主換熱器的返流氣體實現(xiàn)換熱，此時液化空氣溫度達(dá)到-170℃進(jìn)入到分餾塔，經(jīng)測算，氮的沸點在-195.8℃而氧的沸點-182.98℃，并依托于兩者之間13℃的溫度差進(jìn)行分離，成為氮?dú)夂透谎跻嚎諆煞N形態(tài)，分餾塔中富氧液空在流經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入到冷凝蒸發(fā)器，被低壓側(cè)汽化，成為污氮?dú)庖觥６蛛x的氮?dú)馍仙晾淠髦幸夯?，回流到分餾塔作為產(chǎn)品導(dǎo)出。

2.3 從8000Nm3/h制氮裝置的制氮過程分析深度冷凍法制氮特色

深度冷凍制氮法雖然流程較為復(fù)雜，所應(yīng)用的設(shè)備也居多，但是作為一個有著數(shù)十年發(fā)展歷史的制氮工藝，在現(xiàn)時代，工藝技術(shù)已經(jīng)十分成熟，可靠性能非常高[2]。與此同時，該方法運(yùn)行成本更低、受到外部環(huán)境的因素影響小，產(chǎn)品質(zhì)量高。此外，深度冷凍制氮法還具有低溫、連續(xù)的特點，這使得其制氮過程中氮?dú)鈮毫Ρ３址€(wěn)定。

3 結(jié)語

綜上所述，在目前眾多的制氮工藝技術(shù)當(dāng)中，深度冷凍制氮法以其獨(dú)有的氮氧分離工藝使得其具有價格、質(zhì)量方面的優(yōu)勢，同時在于其他制氮工藝技術(shù)相比是，制氮產(chǎn)品的純度更高、產(chǎn)量更加巨大，是目前所有制氮工藝的應(yīng)用當(dāng)中最為廣泛的一種。眾多石油化工廠家在考慮制氮工藝選擇時可以認(rèn)真了解深度冷凍制氮法的優(yōu)勢，并根據(jù)實際需要進(jìn)行選擇。

[1] 劉碩.淺談變壓吸附與深冷制氮工藝的選擇[J].山東化工,2017,(07):145-147+150.

[2] 余化,馮天照.制氮工藝技術(shù)的比較與選擇[J].化肥設(shè)計, 2012,(01):13-15+19.