浅谈化工生产中空分制氮的方法

宋昶锋 贺广孝

摘 要：我国工业建设最近几年发展非常迅速，带动我国其他行业的不断进步。氮气化学性质稳定、熔点及沸点较低，常被用于密封气、保护气、冷却气等用途，在石化生产及其他工业领域有着广泛的应用。随着工业化进程的加深，社会生产对氮气的需求量逐年增加，在对以往制氮方式进行创新的同时，制氮工艺的节能环保性也备受人们关注。

关键词：化工生产;空分制氮的方法

0 引言

时代的进步，科技的发展使我国快速进入现代化科学技术发展阶段，很多先进技术运用到各行业中，使其发展更为迅速。氮气作为一种最常见，最廉价的惰性气体，被广泛应用于化工生产中。氮气可作为保护介质，用于易氧化、易燃、易爆、易腐蚀物料的保护、输送、密封等;作为传热介质，在冶金粉末的热处理中起到不可或缺的作用;作为原料气，用于工业合成氨等生产。

1 深冷制氮工艺特点

深冷制氮法发展历史悠久，在其优化过程中，曾经历高压、高低压、中压和低压等多个发展阶段。现代空分技术融入后，高压、高低压、中压等制氮工艺流程已经很少出现，取而代之的是全低压制氮工艺流程。相对而言，全低压制氮工艺制氮精度更稳定、工艺安全性更高，且具备优良的节能环保属性，目前市面上的大中型低压空分装置多采用该技术。全低压空分制氮工艺根据压缩环节可被分为外压缩和内压缩2个流程。其中，外压缩流程加工产品为低压氮气或氧气，通过单独设置的压缩机进行压缩气体传输和供应。而内压缩流程在冷箱内使用液态泵将液态氧及液态氮加压气化，在主换热器复热后进行供应。以最常见的深冷制氮空分全低压双塔工艺流程为例，其中涵盖原料过滤、气体压缩、冷却、纯化、加压、膨胀、精馏、物质分离、复热及供应等环节。

2 变压吸附空分制氮

变压吸附空分制氮的原理：以空气为原料，碳分子筛（活性氧化铝和硅胶亦可）为吸附剂，运用变压吸附原理，利用富含微孔结构的碳分子筛对不同气体的吸附选择性不同的特性，使空气中的氧、氮分离，从而获得产品氮气。碳分子筛对氧和氮的吸附选择性原理为：氧气分子因直径小，在碳分子筛表面上扩散速率较快;氮气分子直径大，在碳分子筛表面上扩散速率较慢。压力增加，碳分子筛优先吸附氧气，气相中氮气被富集起来，从而形成成品氮气;压力减小，被吸附的氧气从碳分子筛脱附而出，从而形成成品氧气;经吸附脱附循环后，碳分子筛得以重复使用。变压吸附空分制氮法的工艺流程分为：空气压缩系统、预处理系统（过滤净化系统）、吸附分离系统。原料空气经空压机压缩进入空气缓冲罐，此时绝大部分的H2O、油状物和小颗粒粉尘会附着于罐壁，不断凝聚后会流至罐底排出，但还有一部分未除净的杂志随气流进入到过滤净化系统。压缩空气过滤净化系统由3个不同精度的过滤器、1个冷干机和1个除油器组成，压缩空气经冷冻除湿、由粗至精、層层过滤，将压缩空气中的油污、液态水和尘埃过滤至标准洁净度（含油量<0.001ppm，最大尘埃粒径<0.01μm）。净化后的压缩空气分流进入A/B吸附塔，通过制氮机上气动阀门的自动切换进行交替吸附与解吸，氮气被不断富集并输送至氮气储罐，富氧空气不断释放到空气中。该工艺流程简单、设备较少，故而车间占地面积较小，厂房无特殊要求，工程造价低。维护方面：设备结构简单，维修保养技术难度小，维护费用较低;操作方面：常温操作，自动化程度高，启动快（15-30min），可连续亦可间歇生产;安全方面：常温较高压力下运行，不会发生有机化合物局部聚集现象，无爆炸危险;经济实用性方面：生产系统能耗低，可间歇操作，氮气纯度可根据具体需要在较大范围内进行气体生产，适用于氮气纯度在79%-99.99%的中小规模场合。因其操作维护方便、投入成本较低、装置适应性较强，故而在中、小型氮气用户眼中备受欢迎。

3 膜组的连接方式与比较

在设计和制造膜空分制氮机时，膜组的连接方式一般而言有三种即并联、串联和混联，并联就是将若干膜组水平或垂直放置，共压缩空气进气管、共氮气出气管和共富氧出气管;串联则是将膜组的进气口跟另一根的N2出口相连接，仅共富氧出气管;而混联是两组及以上的并联或串联再串联或并联，串联和并联可看成是特殊的最简单的混联。按空间位置关系并联又分平面并联和立体并联，前者即在一个平面上将若干膜组水平或垂直放置成排并联起来，而后者将膜组在空间成圆周对称或均匀布置而并联起来，或者几组平面并联再并联（如膜组很多时）。至于多根膜组的连接，还必须考虑到膜组的进出端接口大小，若串联的根数过多，就会增大气压力的路径损失，这样也无法使后端膜组达到正常的工况条件，因此采用串连时须综合考虑温压降对使用效果的影响。上述问题的前提条件是使用的同种膜组性能几乎一样，若当同种膜组性能差异（主要指额定工况下的产氮量）较大时，上述的结论就不一定成立，膜组数量不多时串联可能是较好选择，尤其是2-3根时;当数量很多时，混联是最佳选择：先把所有膜组分成优劣两组，优者跟优者并联，劣者跟劣者并联，然后再串联，一般而言，劣者在前，优者在后。总之串联的气流分配与汇集技术较并联的简单，但管路连接复杂，并联的则相反，而混联介于二者之间。

4 变压吸附空分制氮用炭分子筛制备技术

①产品和技术简介：由煤、坚果壳（核）、酚醛树脂等原料制备变压吸附空分制氮用炭分子筛（CMS）系列成套技术，包括独有的粘结剂配方、高效CMS调孔过程实时控制技术和CMS整粒技术。所制备的变压吸附空分富氮用炭分子筛的性能达到国际先进水平，具有较强的市场竞争力;②应用范围：产品炭分子筛（CMS）用作变压吸附空分制氮吸附剂。变压吸附空分制氮广泛用于食品、冶金、化工、煤炭、合成纤维等工业部门;③生产条件：需粉碎机、捏合机、成型机、烘干设备、电热转炉、小型PSA评价装置、制氮机、输液泵、尾气焚烧系统等常规设备和专用微量CMS快速性能检测系统、CMS断条整理系统等。

5 膜分离空分制氮

该工艺流程简单，设备少，故而用地面积较小，厂房无特殊要求，工程造价低，但膜交换器价格昂贵，仪器设备投资较大。维护方面：维护保养技术难度低，但因材料问题维护保养费用较高;操作方面：常温操作，启动时间短（一般≤20min），可连续运行，也可间歇运行。气体产品产量、纯度可调，灵活性较好。经济实用性方面：在氮气纯度99%以下膜分离制氮法能耗和变压吸附制氮法能耗无太大区别，但氮气纯度高于99.5%，膜分离制氧经济性比变压吸附要差。总体来说，现阶段膜分离制氮法工艺还未成熟，尤其是工艺运用还未达到普遍认可，基本未得到工业应用。

6 结语

从工程设计合理经济的角度：当制气用气量较大或者气体纯度要求较高时，宜采用深冷空分制氮法;当制气用气量较小、需间歇操作或者气体纯度有变化时，宜采用深冷空分制氮法。膜分离空分制氮还有待进一步研究发展，以期满足工业化的条件。

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