淺談化工生產中空分制氮的方法

宋昶鋒 賀廣孝

摘 要：我國工業(yè)建設最近幾年發(fā)展非常迅速，帶動我國其他行業(yè)的不斷進步。氮氣化學性質穩(wěn)定、熔點及沸點較低，常被用于密封氣、保護氣、冷卻氣等用途，在石化生產及其他工業(yè)領域有著廣泛的應用。隨著工業(yè)化進程的加深，社會生產對氮氣的需求量逐年增加，在對以往制氮方式進行創(chuàng)新的同時，制氮工藝的節(jié)能環(huán)保性也備受人們關注。

關鍵詞：化工生產;空分制氮的方法

0 引言

時代的進步，科技的發(fā)展使我國快速進入現(xiàn)代化科學技術發(fā)展階段，很多先進技術運用到各行業(yè)中，使其發(fā)展更為迅速。氮氣作為一種最常見，最廉價的惰性氣體，被廣泛應用于化工生產中。氮氣可作為保護介質，用于易氧化、易燃、易爆、易腐蝕物料的保護、輸送、密封等;作為傳熱介質，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。

1 深冷制氮工藝特點

深冷制氮法發(fā)展歷史悠久，在其優(yōu)化過程中，曾經歷高壓、高低壓、中壓和低壓等多個發(fā)展階段。現(xiàn)代空分技術融入后，高壓、高低壓、中壓等制氮工藝流程已經很少出現(xiàn)，取而代之的是全低壓制氮工藝流程。相對而言，全低壓制氮工藝制氮精度更穩(wěn)定、工藝安全性更高，且具備優(yōu)良的節(jié)能環(huán)保屬性，目前市面上的大中型低壓空分裝置多采用該技術。全低壓空分制氮工藝根據(jù)壓縮環(huán)節(jié)可被分為外壓縮和內壓縮2個流程。其中，外壓縮流程加工產品為低壓氮氣或氧氣，通過單獨設置的壓縮機進行壓縮氣體傳輸和供應。而內壓縮流程在冷箱內使用液態(tài)泵將液態(tài)氧及液態(tài)氮加壓氣化，在主換熱器復熱后進行供應。以最常見的深冷制氮空分全低壓雙塔工藝流程為例，其中涵蓋原料過濾、氣體壓縮、冷卻、純化、加壓、膨脹、精餾、物質分離、復熱及供應等環(huán)節(jié)。

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，運用變壓吸附原理，利用富含微孔結構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，從而獲得產品氮氣。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散速率較快;氮氣分子直徑大，在碳分子篩表面上擴散速率較慢。壓力增加，碳分子篩優(yōu)先吸附氧氣，氣相中氮氣被富集起來，從而形成成品氮氣;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;經吸附脫附循環(huán)后，碳分子篩得以重復使用。變壓吸附空分制氮法的工藝流程分為：空氣壓縮系統(tǒng)、預處理系統(tǒng)（過濾凈化系統(tǒng)）、吸附分離系統(tǒng)。原料空氣經空壓機壓縮進入空氣緩沖罐，此時絕大部分的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入到過濾凈化系統(tǒng)。壓縮空氣過濾凈化系統(tǒng)由3個不同精度的過濾器、1個冷干機和1個除油器組成，壓縮空氣經冷凍除濕、由粗至精、層層過濾，將壓縮空氣中的油污、液態(tài)水和塵埃過濾至標準潔凈度（含油量<0.001ppm，最大塵埃粒徑<0.01μm）。凈化后的壓縮空氣分流進入A/B吸附塔，通過制氮機上氣動閥門的自動切換進行交替吸附與解吸，氮氣被不斷富集并輸送至氮氣儲罐，富氧空氣不斷釋放到空氣中。該工藝流程簡單、設備較少，故而車間占地面積較小，廠房無特殊要求，工程造價低。維護方面：設備結構簡單，維修保養(yǎng)技術難度小，維護費用較低;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;安全方面：常溫較高壓力下運行，不會發(fā)生有機化合物局部聚集現(xiàn)象，無爆炸危險;經濟實用性方面：生產系統(tǒng)能耗低，可間歇操作，氮氣純度可根據(jù)具體需要在較大范圍內進行氣體生產，適用于氮氣純度在79%-99.99%的中小規(guī)模場合。因其操作維護方便、投入成本較低、裝置適應性較強，故而在中、小型氮氣用戶眼中備受歡迎。

3 膜組的連接方式與比較

在設計和制造膜空分制氮機時，膜組的連接方式一般而言有三種即并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)，并聯(lián)就是將若干膜組水平或垂直放置，共壓縮空氣進氣管、共氮氣出氣管和共富氧出氣管;串聯(lián)則是將膜組的進氣口跟另一根的N2出口相連接，僅共富氧出氣管;而混聯(lián)是兩組及以上的并聯(lián)或串聯(lián)再串聯(lián)或并聯(lián)，串聯(lián)和并聯(lián)可看成是特殊的最簡單的混聯(lián)。按空間位置關系并聯(lián)又分平面并聯(lián)和立體并聯(lián)，前者即在一個平面上將若干膜組水平或垂直放置成排并聯(lián)起來，而后者將膜組在空間成圓周對稱或均勻布置而并聯(lián)起來，或者幾組平面并聯(lián)再并聯(lián)（如膜組很多時）。至于多根膜組的連接，還必須考慮到膜組的進出端接口大小，若串聯(lián)的根數(shù)過多，就會增大氣壓力的路徑損失，這樣也無法使后端膜組達到正常的工況條件，因此采用串連時須綜合考慮溫壓降對使用效果的影響。上述問題的前提條件是使用的同種膜組性能幾乎一樣，若當同種膜組性能差異（主要指額定工況下的產氮量）較大時，上述的結論就不一定成立，膜組數(shù)量不多時串聯(lián)可能是較好選擇，尤其是2-3根時;當數(shù)量很多時，混聯(lián)是最佳選擇：先把所有膜組分成優(yōu)劣兩組，優(yōu)者跟優(yōu)者并聯(lián)，劣者跟劣者并聯(lián)，然后再串聯(lián)，一般而言，劣者在前，優(yōu)者在后?？傊?lián)的氣流分配與匯集技術較并聯(lián)的簡單，但管路連接復雜，并聯(lián)的則相反，而混聯(lián)介于二者之間。

4 變壓吸附空分制氮用炭分子篩制備技術

①產品和技術簡介：由煤、堅果殼（核）、酚醛樹脂等原料制備變壓吸附空分制氮用炭分子篩（CMS）系列成套技術，包括獨有的粘結劑配方、高效CMS調孔過程實時控制技術和CMS整粒技術。所制備的變壓吸附空分富氮用炭分子篩的性能達到國際先進水平，具有較強的市場競爭力;②應用范圍：產品炭分子篩（CMS）用作變壓吸附空分制氮吸附劑。變壓吸附空分制氮廣泛用于食品、冶金、化工、煤炭、合成纖維等工業(yè)部門;③生產條件：需粉碎機、捏合機、成型機、烘干設備、電熱轉爐、小型PSA評價裝置、制氮機、輸液泵、尾氣焚燒系統(tǒng)等常規(guī)設備和專用微量CMS快速性能檢測系統(tǒng)、CMS斷條整理系統(tǒng)等。

5 膜分離空分制氮

該工藝流程簡單，設備少，故而用地面積較小，廠房無特殊要求，工程造價低，但膜交換器價格昂貴，儀器設備投資較大。維護方面：維護保養(yǎng)技術難度低，但因材料問題維護保養(yǎng)費用較高;操作方面：常溫操作，啟動時間短（一般≤20min），可連續(xù)運行，也可間歇運行。氣體產品產量、純度可調，靈活性較好。經濟實用性方面：在氮氣純度99%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，但氮氣純度高于99.5%，膜分離制氧經濟性比變壓吸附要差?？傮w來說，現(xiàn)階段膜分離制氮法工藝還未成熟，尤其是工藝運用還未達到普遍認可，基本未得到工業(yè)應用。

6 結語

從工程設計合理經濟的角度：當制氣用氣量較大或者氣體純度要求較高時，宜采用深冷空分制氮法;當制氣用氣量較小、需間歇操作或者氣體純度有變化時，宜采用深冷空分制氮法。膜分離空分制氮還有待進一步研究發(fā)展，以期滿足工業(yè)化的條件。

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