宋昶鋒 賀廣孝

摘 要：我國工業(yè)建設(shè)最近幾年發(fā)展非常迅速，帶動我國其他行業(yè)的不斷進(jìn)步。氮?dú)饣瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熔點(diǎn)及沸點(diǎn)較低，常被用于密封氣、保護(hù)氣、冷卻氣等用途，在石化生產(chǎn)及其他工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著工業(yè)化進(jìn)程的加深，社會生產(chǎn)對氮?dú)獾男枨罅恐鹉暝黾?，在對以往制氮方式進(jìn)行創(chuàng)新的同時(shí)，制氮工藝的節(jié)能環(huán)保性也備受人們關(guān)注。

關(guān)鍵詞：化工生產(chǎn);空分制氮的方法

0 引言

時(shí)代的進(jìn)步，科技的發(fā)展使我國快速進(jìn)入現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)發(fā)展階段，很多先進(jìn)技術(shù)運(yùn)用到各行業(yè)中，使其發(fā)展更為迅速。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)。

1 深冷制氮工藝特點(diǎn)

深冷制氮法發(fā)展歷史悠久，在其優(yōu)化過程中，曾經(jīng)歷高壓、高低壓、中壓和低壓等多個(gè)發(fā)展階段。現(xiàn)代空分技術(shù)融入后，高壓、高低壓、中壓等制氮工藝流程已經(jīng)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(shù)。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(nèi)壓縮2個(gè)流程。其中，外壓縮流程加工產(chǎn)品為低壓氮?dú)饣蜓鯕?，通過單獨(dú)設(shè)置的壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮氣體傳輸和供應(yīng)。而內(nèi)壓縮流程在冷箱內(nèi)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(fù)熱后進(jìn)行供應(yīng)。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(zhì)分離、復(fù)熱及供應(yīng)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(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?，在碳分子篩表面上擴(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?，從而形成成品氮?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。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?，富氧空氣不斷釋放到空氣中。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。

3 膜組的連接方式與比較

在設(shè)計(jì)和制造膜空分制氮機(jī)時(shí)，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(jìn)氣管、共氮?dú)獬鰵夤芎凸哺谎醭鰵夤?串聯(lián)則是將膜組的進(jìn)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(guān)系并聯(lián)又分平面并聯(lián)和立體并聯(lián)，前者即在一個(gè)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(shí)）。至于多根膜組的連接，還必須考慮到膜組的進(jìn)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(dá)到正常的工況條件，因此采用串連時(shí)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(dāng)同種膜組性能差異（主要指額定工況下的產(chǎn)氮量）較大時(shí)，上述的結(jié)論就不一定成立，膜組數(shù)量不多時(shí)串聯(lián)可能是較好選擇，尤其是2-3根時(shí);當(dāng)數(shù)量很多時(shí)，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(shù)較并聯(lián)的簡單，但管路連接復(fù)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(shù)

①產(chǎn)品和技術(shù)簡介：由煤、堅(jiān)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(shù)，包括獨(dú)有的粘結(jié)劑配方、高效CMS調(diào)孔過程實(shí)時(shí)控制技術(shù)和CMS整粒技術(shù)。所制備的變壓吸附空分富氮用炭分子篩的性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，具有較強(qiáng)的市場競爭力;②應(yīng)用范圍：產(chǎn)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(chǎn)條件：需粉碎機(jī)、捏合機(jī)、成型機(jī)、烘干設(shè)備、電熱轉(zhuǎn)爐、小型PSA評價(jià)裝置、制氮機(jī)、輸液泵、尾氣焚燒系統(tǒng)等常規(guī)設(shè)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(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。

6 結(jié)語

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。

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