淺談化工生產(chǎn)中空分制氮的方法

胡忠寬

（天津渤化工程有限公司，天津300193）

氮?dú)庾鳛橐环N最常見，最廉價(jià)的惰性氣體，被廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)中。氮?dú)饪勺鳛楸Ｗo(hù)介質(zhì)，用于易氧化、易燃、易爆、易腐蝕物料的保護(hù)、輸送、密封等；作為傳熱介質(zhì)，在冶金粉末的熱處理中起到不可或缺的作用；作為原料氣，用于工業(yè)合成氨等生產(chǎn)。目前，空分制氮工藝主要有三大類：深冷空分制氮、變壓吸附空分制氮和膜分離空分制氮[1]。筆者將從分離原理、裝置特點(diǎn)、工藝和操作特點(diǎn)、安全性和經(jīng)濟(jì)適用性等方面對三種方法進(jìn)行了簡要分析與比較。

1 深冷空分制氮

深冷空分制氮法的原理：空氣經(jīng)壓縮、冷卻后液化，然后利用液氧、液氮沸點(diǎn)的差異，使氣相與液相在精餾塔中進(jìn)行質(zhì)熱交換，氮組分因沸點(diǎn)低不斷聚于蒸汽相，氧組分因沸點(diǎn)高不斷凝聚成液相，從而達(dá)到氮氧分離的目的[2]。

深冷空分制氮法的工藝流程圖如圖1 所示，其流程分為：空氣過濾系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、吸附分離系統(tǒng)、精餾系統(tǒng)和冷凝蒸發(fā)系統(tǒng)?？諝馕脒^濾器，除去其中的灰塵和其它固體雜質(zhì)，經(jīng)壓縮機(jī)多級壓縮后進(jìn)入冷空塔，冷卻后進(jìn)入空氣凈化系統(tǒng)。經(jīng)多級凈化后開始分流，一部分進(jìn)入主換熱器，冷卻后進(jìn)入分餾塔；另一部分經(jīng)增壓機(jī)進(jìn)增壓后，進(jìn)入冷卻器，冷卻后進(jìn)入分餾塔。分餾塔中氣體上升，不斷與回流液體進(jìn)行質(zhì)熱交換，氣體含氮量不斷增加，下流液體含氧量不斷增加，最終在塔頂?shù)玫郊兊獨(dú)猓谒椎玫郊円貉酢?/p>

其工藝較復(fù)雜，設(shè)備復(fù)雜，安裝周期較長，安裝技術(shù)難度較大，造成安裝費(fèi)用很高；設(shè)備體積龐大，故而用地面積大，且廠房和基礎(chǔ)要求高，會造成工程造價(jià)較高；維護(hù)方面：設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度高，維修保養(yǎng)技術(shù)難度大，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用高；操作方面：系統(tǒng)啟動時(shí)間較長（一般為15～40h），必須連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，不可間歇運(yùn)行，停機(jī)后恢復(fù)工況用時(shí)長，會造成大量能源和時(shí)間浪費(fèi)。安全方面：操作條件為超低溫（-160 ～-190℃下）、高壓環(huán)境，持續(xù)運(yùn)行會使碳?xì)浠衔锇l(fā)生局部聚集現(xiàn)象，存在爆炸的可能性；經(jīng)濟(jì)實(shí)用性方面：氣體產(chǎn)量大，純度高，適用于石化工業(yè)等需大規(guī)模制氣、用氣的場合或者氣體純度要求較高的場合。

圖1 深冷空分制氮法工藝流程圖

2 變壓吸附空分制氮

變壓吸附空分制氮的原理：以空氣為原料，碳分子篩（活性氧化鋁和硅膠亦可）為吸附劑，運(yùn)用變壓吸附原理，利用富含微孔結(jié)構(gòu)的碳分子篩對不同氣體的吸附選擇性不同的特性，使空氣中的氧、氮分離，從而獲得產(chǎn)品氮?dú)?。碳分子篩對氧和氮的吸附選擇性原理為:氧氣分子因直徑小，在碳分子篩表面上擴(kuò)散速率較快；氮?dú)夥肿又睆酱螅谔挤肿雍Y表面上擴(kuò)散速率較慢。壓力增加，碳分子篩優(yōu)先吸附氧氣，氣相中氮?dú)獗桓患饋恚瑥亩纬沙善返獨(dú)?；壓力減小，被吸附的氧氣從碳分子篩脫附而出，從而形成成品氧氣；經(jīng)吸附脫附循環(huán)后，碳分子篩得以重復(fù)使用[3]。

變壓吸附空分制氮法的工藝流程分為：空氣壓縮系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)（過濾凈化系統(tǒng)）、吸附分離系統(tǒng)。原料空氣經(jīng)空壓機(jī)壓縮進(jìn)入空氣緩沖罐，此時(shí)絕大部分的H2O、油狀物和小顆粒粉塵會附著于罐壁，不斷凝聚后會流至罐底排出，但還有一部分未除凈的雜志隨氣流進(jìn)入到過濾凈化系統(tǒng)。壓縮空氣過濾凈化系統(tǒng)由3 個(gè)不同精度的過濾器、1 個(gè)冷干機(jī)和1 個(gè)除油器組成，壓縮空氣經(jīng)冷凍除濕、由粗至精、層層過濾，將壓縮空氣中的油污、液態(tài)水和塵埃過濾至標(biāo)準(zhǔn)潔凈度（含油量＜0.001ppm，最大塵埃粒徑＜0.01μm）。凈化后的壓縮空氣分流進(jìn)入A/B 吸附塔，通過制氮機(jī)上氣動閥門的自動切換進(jìn)行交替吸附與解吸，氮?dú)獗徊粩喔患⑤斔椭恋獨(dú)鈨蓿谎蹩諝獠粩噌尫诺娇諝庵小?/p>

該工藝流程簡單、設(shè)備較少，故而車間占地面積較小，廠房無特殊要求，工程造價(jià)低。維護(hù)方面：設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，維修保養(yǎng)技術(shù)難度小，維護(hù)費(fèi)用較低；操作方面：常溫操作，自動化程度高，啟動快(15～30min)，可連續(xù)亦可間歇生產(chǎn)；安全方面：常溫較高壓力下運(yùn)行，不會發(fā)生有機(jī)化合物局部聚集現(xiàn)象，無爆炸危險(xiǎn)；經(jīng)濟(jì)實(shí)用性方面：生產(chǎn)系統(tǒng)能耗低，可間歇操作，氮?dú)饧兌瓤筛鶕?jù)具體需要在較大范圍內(nèi)進(jìn)行氣體生產(chǎn)，適用于氮?dú)饧兌仍?9%～99.99%的中小規(guī)模場合。因其操作維護(hù)方便、投入成本較低、裝置適應(yīng)性較強(qiáng)，故而在中、小型氮?dú)庥脩粞壑袀涫軞g迎[4～6]。

3 膜分離空分制氮

膜分離空分制氮的原理：在常溫高壓下，以空氣為原料，以中空纖維膜為分離器，通過高溫高壓獲得流動動力，利用氧氣和氮?dú)庠诶w維膜內(nèi)相對溶解擴(kuò)散速率的差異，將氮?dú)夂脱鯕夥蛛x開來。

膜分離空分制氮法的工藝流程大致分為：空氣壓縮系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)（過濾凈化系統(tǒng)）、膜分離系統(tǒng)?？諝饨?jīng)空壓機(jī)壓縮進(jìn)入空氣罐，然后經(jīng)多級干燥凈化得到較純凈原料氣，原料氣經(jīng)過加熱器加熱后進(jìn)入膜分離器。在高壓高溫作用下，原料氣先接觸分離膜的高壓側(cè)表面，原料氣內(nèi)不同成分以不同的相對溶解度溶于膜，進(jìn)而在分離膜兩側(cè)壓力差的作用下，不同氣體以不同的擴(kuò)散速率向分離膜的低壓側(cè)擴(kuò)散。經(jīng)氣體在膜上反復(fù)溶解和擴(kuò)散過程的選擇，透過速度較大的氧氣透過膜到達(dá)低壓側(cè)，而氮?dú)饬粲诟邏簜?cè)[7]。

該工藝流程簡單，設(shè)備少，故而用地面積較小，廠房無特殊要求，工程造價(jià)低，但膜交換器價(jià)格昂貴，儀器設(shè)備投資較大。維護(hù)方面：維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)難度低，但因材料問題維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用較高；操作方面：常溫操作，啟動時(shí)間短（一般≤20min），可連續(xù)運(yùn)行，也可間歇運(yùn)行。氣體產(chǎn)品產(chǎn)量、純度可調(diào)，靈活性較好。經(jīng)濟(jì)實(shí)用性方面：在氮?dú)饧兌?9%以下膜分離制氮法能耗和變壓吸附制氮法能耗無太大區(qū)別，但氮?dú)饧兌雀哂?9.5%，膜分離制氧經(jīng)濟(jì)性比變壓吸附要差?？傮w來說，現(xiàn)階段膜分離制氮法工藝還未成熟，尤其是工藝運(yùn)用還未達(dá)到普遍認(rèn)可，基本未得到工業(yè)應(yīng)用[8]。

4 總結(jié)

本文分析了深冷空分制氮、變壓吸附空分制氮和膜分離空分制氮的分離原理、裝置特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)適用性等。從工程設(shè)計(jì)合理經(jīng)濟(jì)的角度：當(dāng)制氣用氣量較大或者氣體純度要求較高時(shí)，宜采用深冷空分制氮法；當(dāng)制氣用氣量較小、需間歇操作或者氣體純度有變化時(shí)，宜采用深冷空分制氮法。膜分離空分制氮還有待進(jìn)一步研究發(fā)展，以期滿足工業(yè)化的條件。