空壓制氮方案分類及比選

吳 霞

(北京北大先鋒科技有限公司，北京 100080)

1 空壓制氮方法分類

氮?dú)庠诨どa(chǎn)過程中具有重要的作用，可以作為一些容器的密封氣，也可以作為生產(chǎn)間歇的置換氣亦或是部分工藝的吹掃氣，無論是石油化工項(xiàng)目還是煤化工項(xiàng)目，空壓制氮裝置都是必不可少的。

在做化工設(shè)計(jì)過程中，肯定要根據(jù)所需氮?dú)饧兌?、用量及用途的不同制定不同的方案?？諝鈮嚎s部分方案一般類似，都是由壓縮機(jī)來給空氣加壓，區(qū)別僅是壓縮機(jī)的類型不同而已，一般壓縮空氣量很大時(shí)會(huì)選擇離心壓縮機(jī)，而空氣量小一些時(shí)會(huì)選擇螺桿壓縮機(jī)或者往復(fù)壓縮機(jī)。制氮方案是空壓制氮系統(tǒng)的核心，工業(yè)上作為非工藝氣使用的氮?dú)鈮毫σ话銥?barg左右。制氮方法一般有深冷法、PSA制氮法以及膜分離法。目前工業(yè)應(yīng)用較多的是前兩種制取方法。

1.1 深冷法制氮

深冷法一般是引用空壓裝置已經(jīng)壓縮好的空氣，壓縮空氣壓力為8.5 barg左右。首先壓縮氣體要經(jīng)過預(yù)冷裝置來降低壓縮空氣的溫度，然后通過凈化裝置來除去CO2、H2O和乙炔等碳?xì)浠衔?，此凈化裝置包含一對(duì)變壓吸附罐和一臺(tái)污氮加熱器。依靠變壓吸附塔除去以上組分，然后利用加熱污氮?dú)鈦矸创滴剿M(jìn)行再生。凈化后的壓縮氣被輸送到精餾塔中，此精餾塔利用氮?dú)夂脱鯕夥悬c(diǎn)的差異來分離兩種組分，蒸餾塔的冷量由膨脹機(jī)來提供。

1.2 PSA法制氮

PSA制氮的工作原理是：此工藝?yán)锰囟ǖ姆肿雍Y可吸附特定分子的特性，在一定的溫度和壓力下，單位時(shí)間內(nèi)空氣中各種氣體組分在吸附劑中的吸附速率有所不同，利用這個(gè)“時(shí)間差”就可分離氣體。當(dāng)壓縮空氣從下方進(jìn)入到吸附罐時(shí)，空氣中的水汽和氧氣優(yōu)先被吸附，而吸附速率相對(duì)較慢的氮?dú)?包括氬氣)等穿過碳分子篩顆粒之間的間隙，從吸附罐的出口作為產(chǎn)品氣輸出。分子篩飽和后，需停止進(jìn)氣且降壓進(jìn)行常壓解吸，脫出并排放掉吸附的氣體。在壓力降低時(shí)，吸附的氣體完成脫附，從吸附罐的另一出口排出，配合適當(dāng)產(chǎn)品氣進(jìn)行反吹，使吸附劑獲得再生[1]。

PSA制氮脫附過程包含以下步驟：

1)均壓降過程。假設(shè)第一個(gè)吸附罐為A罐，第二個(gè)吸附罐為B罐。首先，A罐吸附雜質(zhì)氣體，而所需的產(chǎn)品氮?dú)饨?jīng)過吸附塔沒有被吸附，排放到后續(xù)產(chǎn)品緩沖罐中。當(dāng)A罐的吸附前沿達(dá)到將近吸附劑的頂端后，A罐吸附完畢，即A罐停止吸附過程，現(xiàn)需將A罐中的氣體排放到較低壓力的B罐中，一是可以降低A罐壓力，便于A罐后續(xù)在低壓情況下解吸更加容易，而B罐壓力升高，便于下一步的吸附過程可以平穩(wěn)進(jìn)行，二是可以將A罐吸附過程中形成的死區(qū)氣體排到B罐中，以便B罐對(duì)有用氣體的再次回收，提高收率。

2)逆放過程。均壓降過程結(jié)束后，需要繼續(xù)給A罐降壓直至常壓，甚至達(dá)到負(fù)壓，使之前A罐吸附的雜質(zhì)氣體得以充分解吸并排放，排放前要經(jīng)過消音器。

3)沖洗過程。上一過程結(jié)束后，為了將A罐中的雜質(zhì)氣體排放徹底，可以用較高純度的產(chǎn)品氣沖洗A罐，沖洗后的廢氣也經(jīng)過消音器后排放至大氣。

4)均壓升過程。A罐經(jīng)沖洗后，B罐較高壓力氣體開始排向A罐，使A罐壓力開始升高。

5)產(chǎn)品氣升壓過程。在上一過程完成后，用產(chǎn)品氣繼續(xù)給A罐升壓，使壓力達(dá)到吸附壓力。

A罐和B罐交替進(jìn)行以上步驟即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣的連續(xù)化。

2 化工設(shè)計(jì)角度對(duì)兩種制氮方案的比選

兩種制氮方式?jīng)]有哪種是絕對(duì)的好或者不好，只是在不同情況下適用于不同方式而已。

2.1 所需要的氮的形式不同

深冷法制氮可以產(chǎn)生氮?dú)庖部梢援a(chǎn)生液氮，甚至可以同時(shí)產(chǎn)生兩種形式的氮。但是PSA制氮只能產(chǎn)生氮?dú)?，如果所需要的是液氮，?yīng)該優(yōu)選深冷法。

2.2 考慮備用系統(tǒng)或間歇用量

一般使用的氮的形式都是氮?dú)?，但是化工工業(yè)上經(jīng)常要考慮備用系統(tǒng)或者間歇較大消耗量。在這種情況下，如果是深冷法制氮可以制取一部分氮?dú)庾鳛檫B續(xù)用量，與此同時(shí)制取一部分液氮儲(chǔ)存在液氮罐中，需要時(shí)汽化并加熱即可。如果是PSA法，則只能設(shè)置幾個(gè)壓力球罐，然后將氮?dú)饧訅簝?chǔ)存在高壓球罐中，使用時(shí)減壓使用[2]。

2.3 考慮占地

如果僅是考慮制取氮?dú)猓瑒tPSA由于裝置結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性，更加省用地，但是如果考慮上述備用或間歇大量情況，要設(shè)置球罐時(shí)，則PSA法省下的用地很可能被球罐或其它壓力儲(chǔ)罐占用。此外，如果用戶對(duì)氮?dú)饧兌纫筝^高，那么吸附罐解吸時(shí)僅僅降壓到常壓是不夠的，還需要依靠真空泵抽真空使吸附器內(nèi)壓力成為負(fù)值，從而使所吸附的雜質(zhì)解吸得更加徹底。而動(dòng)力設(shè)備真空泵也需要占據(jù)一定的土地面積。

2.4 考慮純度

一般化工工業(yè)要求氮?dú)饧兌仁?9.99%，深冷法制氮可以滿足這一要求，但是PSA一般氮?dú)猱a(chǎn)品純度為99.9%，如果要更純的氮?dú)鈩t需要增加加氫純化裝置，或增加真空泵等動(dòng)力設(shè)備。

2.5 考慮投資

如果僅是考慮制取純度不太高的氣態(tài)氮，則PSA裝置投資更低一些。

3 結(jié)語

通過以上的對(duì)比可以看出，兩種制氮方式?jīng)]有哪種是絕對(duì)的好或者不好，只是在不同情況下適用同方式而已。