深冷制氮與變壓吸附制氮的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

深冷制氮與變壓吸附制氮的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較汪紅（中國(guó)石化公司洛陽(yáng)石化工程公司）一.前言隨著工業(yè)的迅速進(jìn)展，氮?dú)庠诨?、電子、冶金、食品、機(jī)械等領(lǐng)域獲得了寬泛的應(yīng)用，我國(guó)對(duì)氮?dú)獾男枨罅棵磕暌源笥?%的速度增加。氮?dú)獾幕瘜W(xué)性質(zhì)不爽在平常的狀態(tài)下表現(xiàn)為特地大的惰性，不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反響。因此，氮?dú)庠谝苯鸸I(yè)、電子工業(yè)、化工工業(yè)中寬泛的用來(lái)作為珍愛(ài)氣和密封氣，相同珍愛(ài)氣的純度要求為99.99%有的要求99.998%以上的高純氮。液氮是一個(gè)較方便的冷源，在食品工業(yè)、醫(yī)療事業(yè)以及畜牧業(yè)的精液儲(chǔ)蓄等方面獲得越來(lái)越寬泛的應(yīng)用。在化肥工業(yè)生產(chǎn)合成氨時(shí)，合成氨的原料氣一氫、氮混雜氣若用純液氮沖洗精制，可使惰性氣體的含量極渺小，一氧化硫和氧的含量不高出20ppmo氮?dú)庠谑突ぱb置中也有寬泛的應(yīng)用，重要應(yīng)用及要求見(jiàn)下表裝置名稱用途負(fù)荷特點(diǎn)加氫裝置連續(xù)用疑：用于氣封用量小中止用量：動(dòng)工用于氣用量較大密；停工用于吹掃

:純度壓力等級(jí)99.9%0.7MPa99.9%0.7MPa重整裝置中止用呈:：用于吹掃、干燥等PTA裝置連續(xù)用呈:：用于氣封中止用呈:：反響器珍愛(ài)中止用呈:：輸送PX裝置連續(xù)用呈:：用于氣封中止用呈:：用于吹掃、干燥、氣密芳燒抽提連續(xù)用呈:：抽提塔分層操裝置縱中止用雖：吹掃、穩(wěn)壓儲(chǔ)運(yùn)連續(xù)用呈:：氣封中止用咼：吹掃.氣密

用量較大用量較小一次用量大用量大用量較小用量大用疑小用量大用量較小用量大

99.9%0.7MPa99.99%0.7MPa99.99%4.0MPa95%0.7MPa99.9%0.7MPa99.9%0.7MPa99.9%0.7MPa99.9%0.7MPa99.9%0.7MPa99.9%0.7MPa貞潔的氮?dú)鉄o(wú)法從自然界斬釘截鐵汲取，重要釆納空氣分別法?？諝夥謩e法中包括：深冷法、變壓吸附法、膜分別法。］、深冷法：此法是先將空氣壓縮、冷卻，并使空氣液化，利用氧、氮組分的沸點(diǎn)的不相同（在大氣壓下氧的沸點(diǎn)為90K,氮的沸點(diǎn)為77K),在精憎塔的塔盤上賭氣、液接觸，進(jìn)行質(zhì)、熱交換，高沸點(diǎn)的氧不斷從蒸汽中冷凝成液體，低沸點(diǎn)的氮不斷的轉(zhuǎn)入蒸汽中，使上升的蒸汽中含氮量不斷提高，而下流液體中含氧量越來(lái)越高，從而使氧、氮分別，獲得氮?dú)饣蜓鯕?。此法是?20K以下的溫度條件下進(jìn)行的，故稱為深冷法空氣分別。2、變壓吸附法：變壓吸附法即PSA法(PressureSwingAdsorption),基于吸附劑對(duì)空氣中的氧、氮組分選擇性吸附而使空氣分別獲得氮?dú)狻．?dāng)空氣經(jīng)過(guò)壓縮，經(jīng)過(guò)吸附塔的吸附層時(shí)，氧分子優(yōu)先被吸附，氮分子留在氣相中，而成為氮?dú)狻Ｎ竭_(dá)到平穩(wěn)時(shí)，利用減圧將分子篩表面所吸附的氧分子驅(qū)除，復(fù)原分子篩的吸附能力即吸附劑剖析。為了能夠連續(xù)供應(yīng)氮?dú)?，裝置平常設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上的吸附塔，一個(gè)塔吸附，另一個(gè)塔剖析，按合適的時(shí)刻切換使用。3、膜分別法：膜分別法是利用有機(jī)聚合膜的浸透選擇性，從氣體混雜物中分別岀富氮?dú)怏w。理想的薄膜資料應(yīng)擁有特地高的選擇率和浸透性。為了獲得經(jīng)濟(jì)的流程，需要特地薄的聚合物分別膜(0.1nm),因此需要支撐。浸透器常為板式浸透器和中空纖維浸透器。此法，若產(chǎn)襟懷大,所需薄膜表面積太大，薄膜價(jià)格高，盡管膜分別法裝置簡(jiǎn)單，操作方便，但工業(yè)應(yīng)用還不寬泛，本篇不再多述。深冷制氮已有近白年的歷史，工藝流程千錘百煉。變壓吸附制氮是近二十年進(jìn)展起來(lái)并被市場(chǎng)廣泛贊成的技術(shù)。本篇試從流程、花銷、運(yùn)轉(zhuǎn)和產(chǎn)品種類等方面比較二者的差別，并得出相關(guān)結(jié)論。二、深冷制氮的工藝流程和設(shè)備簡(jiǎn)介1、深冷制氮的典型工藝流程：整個(gè)流程山空氣壓縮及凈化、空氣分別、液氮汽化組成，見(jiàn)圖-1?？諝鈮嚎s及凈化空氣經(jīng)空氣過(guò)濾器除去灰塵和機(jī)械雜質(zhì)后進(jìn)入空氣壓縮機(jī)，壓縮至所需壓力，爾后送入空氣冷卻器，降低空氣溫度。再進(jìn)入空氣干燥凈化器，除去空氣中的水份、二氧化碳、乙烘及其他碳?xì)浠衔?。⑵空氣分別：凈化后的空氣進(jìn)入空分塔中的主換熱器，被返流氣體(產(chǎn)品氮?dú)?、廢氣)冷卻至飽和溫度，送入精鎘塔底部，在塔頂部獲得氮?dú)?，液空?jīng)節(jié)流后送入冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)，同時(shí)冷凝山精懾塔送來(lái)的部分氮?dú)?，冷凝后的液氮一部分作為精謂塔的回流液，另一部分作為液氮產(chǎn)品出空分塔。山冷;疑蒸發(fā)器出來(lái)的廢氣經(jīng)主換熱器復(fù)熱到約130K進(jìn)膨脹機(jī)膨脹制冷為空分塔供應(yīng)冷量，膨脹后的氣體一部分作為分子篩的再生和吹冷用，爾后經(jīng)消音器排入大氣。⑶液氮汽化山空分塔出來(lái)的液氮進(jìn)液氮貯槽儲(chǔ)藏，當(dāng)空分設(shè)備檢修時(shí)，貯槽內(nèi)的液氮進(jìn)入汽化器被加熱后，送入產(chǎn)品氮?dú)夤艿?。深冷制氮可制取純度M99.999%的氮?dú)狻?、重要設(shè)備簡(jiǎn)介：⑴空氣過(guò)濾器：為減少空氣壓縮機(jī)內(nèi)部機(jī)械運(yùn)動(dòng)表面的磨損，保證空氣質(zhì)量，空氣在進(jìn)入空氣壓縮機(jī)從前，必定先經(jīng)過(guò)空氣過(guò)濾器以除去其中所含的灰塵和其他雜質(zhì)。H前空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣多采納粗效過(guò)濾器或中效過(guò)濾器。（2）空氣壓縮機(jī)：按工作原理，空氣壓縮機(jī)可分為容積式和速度式兩大類。H前空氣壓縮機(jī)多采納往來(lái)生塞式空氣壓縮機(jī)、離心式空氣壓縮機(jī)和螺桿式空氣壓縮機(jī)。（3）空氣冷卻器：是用來(lái)降低進(jìn)入空氣干燥凈化器和空分塔前壓縮空氣的溫度，幸免進(jìn)塔溫度大幅度顛簸，并可析出壓縮空氣中的大部分水分。平常采納氮水冷卻器（山川冷卻塔和空氣冷卻塔組成：水冷塔是用空分塔內(nèi)出來(lái)的廢氣冷卻循環(huán)水，空冷塔是用水冷塔出來(lái)的循環(huán)水冷卻空氣）、氟里昂空冷器。⑷空氣干燥凈化器：壓縮空氣經(jīng)空氣冷卻器后仍含有必然的水分、二氧化碳、乙烘和其他碳?xì)浠衔铩１焕鋬龅乃趾投趸季鄯e在空分塔內(nèi)會(huì)擁堵通道、管道和閥門，乙烘聚集在液氧內(nèi)有爆炸的危險(xiǎn)，灰塵會(huì)磨損運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械。為了保證空分裝置的長(zhǎng)遠(yuǎn)安全運(yùn)轉(zhuǎn)，必定設(shè)置特地的凈化設(shè)備，除去這些雜質(zhì)?？諝鈨艋淖畛Ｓ梅椒ㄊ俏椒ê蛢鼋Y(jié)法。U前國(guó)內(nèi)在中小型制氮裝置中寬泛釆納分子篩吸附法。（5）空分塔：空分塔內(nèi)重要包括有主換熱器、液化器、精憎塔、冷凝蒸發(fā)器等。主換熱器、冷凝蒸發(fā)器和液化器為板翹式換熱器是一種全鋁金屬結(jié)構(gòu)新式組合式間壁式換熱器，平均溫差特地小，換熱效率拓達(dá)98-99%。精鐳塔為空氣分其他設(shè)備，塔設(shè)備的種類按內(nèi)件劃分，設(shè)置篩孔板的稱篩板塔，設(shè)置泡罩板的稱泡罩塔，堆放填料的稱填料塔。篩孔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制造、塔板效率高，因此在空分精懈塔中被寬泛使用。填料塔重要用于直徑小于0.8m,高度不大于7m的精憎塔。泡罩塔由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難現(xiàn)已特地少使用。（6）透平膨脹機(jī)：是制氮裝置用來(lái)產(chǎn)生冷量的旋轉(zhuǎn)式葉片機(jī)械，是一種用于低溫條件下的氣體透平。透平膨脹機(jī)按氣體在葉輪中的流向分為軸流式、向心徑流式和向心徑軸流式；按氣體在葉輪中可否連續(xù)膨脹乂分為反擊式和沖擊式，連續(xù)膨脹為反擊式，不連續(xù)膨脹為沖擊式?？辗衷O(shè)備中寬泛采納單級(jí)向心徑軸流反擊式透平膨脹機(jī)。三、變壓吸附制氮的工藝流程和設(shè)備簡(jiǎn)介1、工藝流程簡(jiǎn)介空氣經(jīng)空氣過(guò)濾器除去灰塵和機(jī)械雜質(zhì)后進(jìn)入空氣壓縮機(jī)，壓縮至所需壓力，經(jīng)嚴(yán)格的除油、除水、除塵凈化辦理，輸出潔凈的壓縮空氣，□的是保證吸附塔內(nèi)分子篩的使用壽命。裝有碳分子篩的吸附塔共有二個(gè)，一個(gè)塔工作時(shí)，另一個(gè)塔則減壓脫附。潔凈空氣進(jìn)入工作吸附塔，經(jīng)過(guò)分子篩時(shí)氧、二氧化碳和水被其吸附，流至出口端的氣體即是氮?dú)饧拔⒘康牡脱?。另一塔（脫附塔）使已吸附的氧氣、二氧化碳和水從分子篩微孔中走開(kāi)排至大氣中。這樣兩塔輪番進(jìn)行，完成氮氧分別，連續(xù)輸出氮?dú)?，?jiàn)圖-2。變壓吸附制取的氮?dú)饧兌葹?5%-99.9%,假如需要更高純度的氮?dú)庑柙黾拥獨(dú)鈨艋O(shè)備。變壓吸附制氮機(jī)輸出的95%-99.9%氮?dú)膺M(jìn)入氮?dú)鈨艋O(shè)備，同時(shí)經(jīng)過(guò)一流量計(jì)增加合適的氫氣，在凈化設(shè)備的除氧塔中氫和氮?dú)庵械奈⒘垦踹M(jìn)行催化反響，以除去氧爾后經(jīng)水冷凝器冷卻，汽水分別器除水，再經(jīng)過(guò)干燥器深度干燥（兩個(gè)吸附干燥塔交替使用：一個(gè)吸附干燥除水，另一個(gè)加熱脫附排水），獲得高純氮?dú)猓F(xiàn)在的氮?dú)饧兌瓤蛇_(dá)99.9995%,見(jiàn)圖-3。H前國(guó)內(nèi)變壓吸附制氮最大的生產(chǎn)能力為3000m3n/ho圖-2變壓吸附制氮的丄藝流程簡(jiǎn)圖圖-3氮?dú)鈨艋に嚵鞒毯?jiǎn)圖2、重要設(shè)備簡(jiǎn)介：該工藝中的空氣過(guò)濾器和空氣壓縮機(jī)的簡(jiǎn)介同深冷制氮工藝。使之析出油和水的設(shè)備。通1后冷卻器：是用來(lái)降低進(jìn)入空氣干燥凈化器前壓縮空氣的溫度，（）常釆納列管式、套管式、散熱片式等結(jié)構(gòu)的后冷卻器。（2）油水分別器：它的作用是分別壓縮空氣中所含的油分和水分，使圧縮空氣獲得初步的凈化。3）空氣干燥凈化器：壓縮空氣經(jīng)后冷卻器后仍含有必然的水分，其含量取決于空氣的溫度。壓縮空氣的干燥辦理相同采納分子篩吸附法和冷凍干燥法。（4）變壓吸附制氮裝置：釆納的吸附劑平常為

5A

分子篩或碳分子篩，再生方式為無(wú)熱再

生，高壓吸附、低壓或常壓剖析。此為分別氮?dú)獾暮诵脑O(shè)備。（5）氮?dú)鈨艋O(shè)備：包括除氧塔、吸附干燥器和水冷凝器。除氧塔是一個(gè)用耙作催化劑的

催化反應(yīng)器。吸附干燥器的吸附劑為分子篩，再生方式為有熱再生（電加熱）。四、深冷制氮與變壓吸附制氮的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較1、流程比較從以上的論述中我們能夠察覺(jué)：變壓吸附制氮流程簡(jiǎn)單，設(shè)備數(shù)量少，重要設(shè)備僅有空壓機(jī)、空氣干燥器、吸附制氮機(jī)和儲(chǔ)氣罐等。而深冷制氮流程復(fù)雜，設(shè)備數(shù)量多，重要設(shè)備有空壓機(jī)、空冷器、空氣凈化干燥器、換熱器、膨脹機(jī)和精流塔等。2、產(chǎn)品種類和純度比較深冷制氮不但能夠生產(chǎn)氮?dú)舛夷軌蛏a(chǎn)液氮，滿足需要液氮的工藝要求，同時(shí)可在液氮貯槽內(nèi)儲(chǔ)藏，當(dāng)顯現(xiàn)氮?dú)庵兄关?fù)荷或空分設(shè)備小修時(shí)，貯槽內(nèi)的液氮進(jìn)入汽化器被加熱后,送入產(chǎn)品氮?dú)夤艿罎M足工藝裝置對(duì)氮?dú)獾男枨蟆Ｉ罾渲频倪\(yùn)轉(zhuǎn)周期（指兩次大加溫之間的間隔期）相同為1年以上，因此，深冷制氮相同不考慮備用。而變壓吸附制氮只能生產(chǎn)氮?dú)?無(wú)備用手段，單套設(shè)備不能夠保證連續(xù)長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)。深冷制氮可制取純度全99.999%的氮?dú)?。氮?dú)饧兌扰龅降獨(dú)庳?fù)荷、塔板數(shù)量、塔板效率和液空中氧純度等的限制，調(diào)劑范圍特地小。因此，關(guān)于一套深冷制氮設(shè)備其產(chǎn)品純度差不多是必然的，不便調(diào)劑。變壓吸附制氮制取的氮?dú)饧兌认嗤?5%-99?9%范圍內(nèi)，假如需要更高純度的氮?dú)庑柙黾拥獨(dú)鈨艋O(shè)備。氮?dú)饧兌戎皇墚a(chǎn)品氮?dú)庳?fù)荷的阻攔，在其他條件不變狀況下，氮?dú)馀懦隽吭酱?，氮?dú)獾募兌染驮降停环粗畡t越高。因此，關(guān)于一套變壓吸附制氮設(shè)備只要負(fù)荷承諾其產(chǎn)品純度能夠在90-99.9%之間任意調(diào)劑。3、運(yùn)轉(zhuǎn)控制比較深冷法山因此在極低溫度下進(jìn)行的，設(shè)備在投入正常運(yùn)轉(zhuǎn)從前，必定有一個(gè)預(yù)冷啟動(dòng)過(guò)程，啟動(dòng)時(shí)刻即從膨脹機(jī)啟動(dòng)至氮?dú)饧兌冗_(dá)到要求的時(shí)刻相同不小于12h；設(shè)備在進(jìn)入大修從前，必定有一段加溫解凍的時(shí)刻，相同為24ho因此，深冷法制氮設(shè)備不宜經(jīng)常起、停，宜長(zhǎng)時(shí)刻連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。變圧吸附法啟動(dòng)時(shí)，只要按一下按鈕，啟動(dòng)30分鐘內(nèi)即能夠獲得合格的氮?dú)猱a(chǎn)品，假如需要高純的氮?dú)?，那么通過(guò)氮?dú)鈨艋瘖y置，大體再用30分鐘即可獲得99.99%-99.9999%的高純氮?dú)?。停機(jī)時(shí)也只要按一下按鈕即可。因此，變圧吸附制氮特地適用于中止運(yùn)轉(zhuǎn)的狀況?，F(xiàn)在深冷法制氮相同均釆納先進(jìn)的DCS（或PLC）運(yùn)算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)中控、機(jī)旁、就地一體化的控制，可有效的監(jiān)控整套設(shè)備的生產(chǎn)過(guò)程。變圧吸附制氮采納智能化全自動(dòng)控制,按鈕即可進(jìn)行氮?dú)馍a(chǎn)，無(wú)需專人治理。4、單位制氮電耗的比較(1)深冷制氮電耗的運(yùn)算：深冷制氮流程電耗重要有兩部分，即壓縮機(jī)電耗和輔機(jī)電耗(相同不包括氮產(chǎn)品的壓縮功耗和照明用能耗)。NS①壓縮功耗：=NXneNx---空壓機(jī)功率，kW；ne---電動(dòng)機(jī)效率，%(由電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠供應(yīng))；N-一電動(dòng)機(jī)輸入功率，kW：②輔助電耗：皿二凡+汕+凡+叫+凡+叫+凡+皿Ni-一壓縮機(jī)主油泵電耗，kW；N：--丿土縮機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)抽風(fēng)機(jī)電耗，kW；N3---膨脹機(jī)油泵電耗，kW；N*-一空冷塔水泵電耗，kW；N5---水冷塔水泵電耗，kW：N6---水冷塔抽風(fēng)機(jī)電耗，kW；N：—-冷凍機(jī)電耗，kW；%—分子篩再生電耗，kW；③成套設(shè)備總電耗：工N二Ns+Nf④單位制氮電耗：SN/S%工VLVHV：VI-氣氮總量，m3n/h；%---液氮產(chǎn)量換算至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的氣氮量，m3n/h；變壓吸附制氮電耗的運(yùn)算變壓吸附制氮流程電耗重要有兩部分，即壓縮機(jī)電耗和輔機(jī)電耗耗和照明用能耗)。①壓縮功耗：NS=NXneNx---空壓機(jī)功率，kW；

(

相同不包括氮產(chǎn)品的

壓縮功ne---

電動(dòng)機(jī)效率，

%(由電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠供應(yīng)

)

；N—-電動(dòng)機(jī)輸入功率，kW：②輔助電耗：NFNX+N：NI---預(yù)冷機(jī)組功率，kW；凡一-氮?dú)鈨艋瘖y置中分子篩再生電耗，kW；③成套設(shè)備總電耗：工N二Ns+Nf④單位制氮電耗：N孑工N/EV1--氣氮總量,m3n/h；⑶單位制氮電耗比較表(氮?dú)猱a(chǎn)品的壓力均為0.7MPa)氮?dú)猱a(chǎn)量深冷制氮變壓吸附制氮(m3n/h)純度：95%純度：99.9%純度：95%純度：99.9%單位制氮電耗單位制氮電耗單位制氮電耗單位制氮電耗(kWh/mnN2)(kWh/m5nN2)(kWh/m5nN2)(kWh/m3nN2)1000.820.820.40.863000.510.510.360.526000.450.46().360.4510000.420.430.350.4115000.410.410.350.3920000.400.410.350.3830000.390.40().350.37單位制氮電耗是反響整套設(shè)備能耗的一個(gè)重要指標(biāo)，從比較表中能夠看出：關(guān)于生產(chǎn)高純度氮?dú)猓兌仍?9.9%以上），深冷制氮與變壓吸附制氮的單位電耗相差不大；但關(guān)于生產(chǎn)純度較低的氮?dú)猓儔何街频趩挝浑姾纳嫌兄黠@的優(yōu)勢(shì)。5、基建花銷的比較變壓吸附制氮設(shè)