吳 霞
(北京北大先鋒科技有限公司,北京 100080)
氮氣在化工生產(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,無論是石油化工項目還是煤化工項目,空壓制氮裝置都是必不可少的。
在做化工設計過程中,肯定要根據(jù)所需氮氣純度、用量及用途的不同制定不同的方案。空氣壓縮部分方案一般類似,都是由壓縮機來給空氣加壓,區(qū)別僅是壓縮機的類型不同而已,一般壓縮空氣量很大時會選擇離心壓縮機,而空氣量小一些時會選擇螺桿壓縮機或者往復壓縮機。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氣壓力一般為7barg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)應用較多的是前兩種制取方法。
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和乙炔等碳氫化合物,此凈化裝置包含一對變壓吸附罐和一臺污氮加熱器。依靠變壓吸附塔除去以上組分,然后利用加熱污氮氣來反吹吸附塔進行再生。凈化后的壓縮氣被輸送到精餾塔中,此精餾塔利用氮氣和氧氣沸點的差異來分離兩種組分,蒸餾塔的冷量由膨脹機來提供。
PSA制氮的工作原理是:此工藝利用特定的分子篩可吸附特定分子的特性,在一定的溫度和壓力下,單位時間內(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“時間差”就可分離氣體。當壓縮空氣從下方進入到吸附罐時,空氣中的水汽和氧氣優(yōu)先被吸附,而吸附速率相對較慢的氮氣(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,需停止進氣且降壓進行常壓解吸,脫出并排放掉吸附的氣體。在壓力降低時,吸附的氣體完成脫附,從吸附罐的另一出口排出,配合適當產(chǎn)品氣進行反吹,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。假設第一個吸附罐為A罐,第二個吸附罐為B罐。首先,A罐吸附雜質氣體,而所需的產(chǎn)品氮氣經(jīng)過吸附塔沒有被吸附,排放到后續(xù)產(chǎn)品緩沖罐中。當A罐的吸附前沿達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罐對有用氣體的再次回收,提高收率。
2)逆放過程。均壓降過程結束后,需要繼續(xù)給A罐降壓直至常壓,甚至達到負壓,使之前A罐吸附的雜質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。上一過程結束后,為了將A罐中的雜質氣體排放徹底,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,使壓力達到吸附壓力。
A罐和B罐交替進行以上步驟即可實現(xiàn)產(chǎn)氣的連續(xù)化。
兩種制氮方式?jīng)]有哪種是絕對的好或者不好,只是在不同情況下適用于不同方式而已。
深冷法制氮可以產(chǎn)生氮氣也可以產(chǎn)生液氮,甚至可以同時產(chǎn)生兩種形式的氮。但是PSA制氮只能產(chǎn)生氮氣,如果所需要的是液氮,應該優(yōu)選深冷法。
一般使用的氮的形式都是氮氣,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氣作為連續(xù)用量,與此同時制取一部分液氮儲存在液氮罐中,需要時汽化并加熱即可。如果是PSA法,則只能設置幾個壓力球罐,然后將氮氣加壓儲存在高壓球罐中,使用時減壓使用[2]。
如果僅是考慮制取氮氣,則PSA由于裝置結構的簡單性,更加省用地,但是如果考慮上述備用或間歇大量情況,要設置球罐時,則PSA法省下的用地很可能被球罐或其它壓力儲罐占用。此外,如果用戶對氮氣純度要求較高,那么吸附罐解吸時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)壓力成為負值,從而使所吸附的雜質解吸得更加徹底。而動力設備真空泵也需要占據(jù)一定的土地面積。
一般化工工業(yè)要求氮氣純度是99.99%,深冷法制氮可以滿足這一要求,但是PSA一般氮氣產(chǎn)品純度為99.9%,如果要更純的氮氣則需要增加加氫純化裝置,或增加真空泵等動力設備。
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。
通過以上的對比可以看出,兩種制氮方式?jīng)]有哪種是絕對的好或者不好,只是在不同情況下適用同方式而已。