深度冷冻法制氮浅析

赵维东（兰州石化公司动力厂，甘肃兰州730060）

深度冷冻法制氮浅析

赵维东（兰州石化公司动力厂，甘肃兰州730060）

在我国石油化工领域，深度冷冻法制氮应用十分广泛，且制氮工艺的进步直接关系着石油化工领域的经济价值和科技发展。本文的研究方向主要集中在本文所选用的8000Nm3/h制氮装置的实验结果中，通过结果的分析，浅析8000Nm3/h制氮装置在制氮工作中的优势。

制氮工艺；深度冷冻分离；空气动力学

深度冷冻这种制氮方式，随着科技发展，其工艺不断成熟，优势表现得更为明显。在以往的深冷制氮的工艺当中主要有深冷分离、PSA变压吸附和膜分离三种模式。而这三种模式的应用场景、工艺要求存在着诸多差异。本文进行试验的装置为8000Nm3/h制氮装置，该装置运用深冷制氮的方法，完成制氮，具有突出的优势。

1 三种常见制氮方法的工艺原理及优势比较

1.1 三种制氮方法的工艺原理

1.1.1 PSA变压吸附法

在空气当中，氧气和氮气根据空气动力学效应，存在着扩散速率差异化明显的特点，这一特点尤其表现在碳分子筛时扩散速率的差变化更加巨大。此时，氮气扩散速率远低于氧，因此吸附未平衡时，碳分子筛可以大量吸附氧气，从而使氮气富集。因此PSA变压吸附法根据这一特性对空气中的氮气和氧气进行分离，从而获得氮气。因此该工艺又被称为碳分子筛制氧工艺。

1.1.2 膜分离法

在使用膜分离法的过程中，空气中的氮气和氧气需要经过膜的两侧压差作用，从而使两种气体的溶解度和扩散系数差异表现出来。其中水蒸气和氧气以其渗透率快的特点会迅速通过膜，形成富氧气体，而氮气的渗透率十分缓慢，从而在膜上形成滞留富集，成为富氮气体并十分干燥。因此可以通过这种方法使空气中的氮氧得到分离，从而获得氮气。

1.1.3 深度冷冻分离法

与前两者所应用的空气中氮氧的扩散特性不同，深度冷度分离法所应用的氮氧特点主要为氮氧的沸点存在的差别实现氮氧分离。因此在实际操作中，会将原材料空气首先进行压缩，并通过空气的膨胀和冷冻使其液化，形成液空晶馏，在精馏塔低通过与温度较高的气体相接触，使液控晶馏中的氮气蒸发，氧气冷凝，从而实现氮氧分离。

1.2 三种制氮方法的优势比较

深度冷冻分离制氮法所选用的设备有空气压缩机、电加热器、分馏塔、冷凝蒸发器等，与其他两种工艺方式相比较，占地面积更大，工作步骤和内容也更多，相较于PSA变压吸附制氮，其投资稍高。而对比膜分离制氮，投资相对较低。但是，在制氮能力方面，深度冷冻分离制氮是膜分离制氮和PSA制氮的十倍之多，氮气纯度更高，同纯度的氮气提取率相较于其他两种方法高出接近50%，例如纯度为99.9%的氮气提取，深度冷冻分离制氮法可以达到45%，而PSA制氮法仅能达到32.1%，而膜分离制氮仅有15%。可见在实用性领域，深度冷冻分离制氮法更具价值和优势[1]。

2 8000Nm3/h制氮装置的特点和应用

2.1 制氮准备和应用要求

本文所选取的实验环境是某公司在为炼油区提供生产所需的氮气过程中应用8000Nm3/h制氮装置进行的制氮操作。为了确保制氮工作的顺利进行以及制氮成品的氮气纯度，该公司制氮过程开始之前选用了极为全面的设备系统作为辅助制氮装置使用。其中包括离心式空气压缩机两台、冷却器一台、预冷机组两台、分子筛纯化器一套、分馏塔一具包括主冷箱和热气冷箱、透平式膨胀机两台、氮气增压机一台、100m3液态储罐三具、900m3/h循环水单元一套。通过这些设备的准备，使其与8000Nm3/h制氮装置共同工作，从而保证氮气纯度，满足炼油区的氮气应用的要求。

2.2 8000Nm3/h制氮装置的制氮方法综述

现代制氮工作以分离空气中的氮氧为主要原理，因此需要以纯净的空气作为制氮原料使用。首先使用除尘过滤器对原料空气进行处理，并过滤掉空气当中存在的灰尘和机械杂质，再使其进入空气压缩机当中进行压缩。注意此处空气压缩机的压力设定需要控制在0.60-0.75MPa之间，才能确保空气得到完美压缩。压缩完成后的空气需要送入到末冷器当中进行降温处理，再进入预先温度设定为3-10℃的预冷机组，使其能够在气液分离器中分理出已处于游离态的冷凝水，并应用分子筛纯化器吸附空气中的二氧化碳、残留的水蒸气和碳氢化合物。此时的空气作为纯氮纯氧状态在进入到分馏塔前使其与主换热器的返流气体实现换热，此时液化空气温度达到-170℃进入到分馏塔，经测算，氮的沸点在-195.8℃而氧的沸点-182.98℃，并依托于两者之间13℃的温度差进行分离，成为氮气和富氧液空两种形态，分馏塔中富氧液空在流经节流阀进入到冷凝蒸发器，被低压侧汽化，成为污氮气引出。而分离的氮气上升至冷凝器中液化，回流到分馏塔作为产品导出。

2.3 从8000Nm3/h制氮装置的制氮过程分析深度冷冻法制氮特色

深度冷冻制氮法虽然流程较为复杂，所应用的设备也居多，但是作为一个有着数十年发展历史的制氮工艺，在现时代，工艺技术已经十分成熟，可靠性能非常高[2]。与此同时，该方法运行成本更低、受到外部环境的因素影响小，产品质量高。此外，深度冷冻制氮法还具有低温、连续的特点，这使得其制氮过程中氮气压力保持稳定。

3 结语

综上所述，在目前众多的制氮工艺技术当中，深度冷冻制氮法以其独有的氮氧分离工艺使得其具有价格、质量方面的优势，同时在于其他制氮工艺技术相比是，制氮产品的纯度更高、产量更加巨大，是目前所有制氮工艺的应用当中最为广泛的一种。众多石油化工厂家在考虑制氮工艺选择时可以认真了解深度冷冻制氮法的优势，并根据实际需要进行选择。

[1] 刘硕.浅谈变压吸附与深冷制氮工艺的选择[J].山东化工,2017,(07):145-147+150.

[2] 余化,冯天照.制氮工艺技术的比较与选择[J].化肥设计, 2012,(01):13-15+19.