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1、深冷制氮与变压吸附制氮的 技术 经济比较深冷制氮与变压吸附制氮的技术经济比较汪红(中国石化集团洛阳石化工程公司)一、前言随着工业的迅速发展，氮气在化工、电子、冶金、食品、机械等领域获得了广泛的应用，我国对氮气的需求量每年以大于8%的速度增加。氮气的化学性质不活泼，在平常的状态下表现为很大的惰性，不易与其他物质发生化学反应。因此，氮气在冶金工业、电子工业、化工工业中广泛的用来作为保护气和密封气，一般保护气的纯度要求为99.99%，有的要求99.998%以上的高纯氮。液氮是一个较方便的冷源，在食品工业、医疗事业以及畜牧业的精液贮藏等方面得到越来越普遍的应用。在化肥工业生产合成氨时，合成氨的原料气-
2、氢、氮混合气若用纯液氮洗涤精制，可使惰性气体的含量极微小，一氧化硫和氧的含量不超过20ppm。氮气在石油化工装置中也有广泛的应用，主要应用及要求见下表:装置名称用途负荷特点纯度压力等级加氢装置连续用量:用于气封用量小99.9%0.7MPa间断用量:开工用于气密;停工用于吹扫用量较大99.9%0.7MPa重整装置间断用量:用于吹扫、干燥等用量较大99.9%0.7MPaPTA装置连续用量:用于气封用量较小99.99%0.7MPa间断用量:反应器保护一次用量大99.99%4.0MPa间断用量:输送用量大95%0.7MPaPX装置连续用量:用于气封用量较小99.9%0.7MPa间断用量:用于吹扫、干燥
3、、气密用量大99.9%0.7MPa芳烃抽提装置连续用量:抽提塔分层控制用量小99.9%0.7MPa间断用量:吹扫、稳压用量大99.9%0.7MPa储运连续用量:气封用量较小99.9%0.7MPa间断用量:吹扫、气密用量大99.9%0.7MPa纯净的氮气无法从自然界直接汲取，主要采用空气分离法。空气分离法中包括:深冷法、变压吸附法、膜分离法。1、深冷法:此法是先将空气压缩、冷却，并使空气液化，利用氧、氮组分的沸点的不同(在大气压下氧的沸点为90K，氮的沸点为77K)，在精馏塔的塔盘上使气、液接触，进行质、热交换，高沸点的氧不断从蒸汽中冷凝成液体，低沸点的氮不断的转入蒸汽中，使上升的蒸汽中含氮量不
4、断提高，而下流液体中含氧量越来越高，从而使氧、氮分离，得到氮气或氧气。此法是在120K以下的温度条件下进行的，故称为深冷法空气分离。2、变压吸附法:变压吸附法即PSA法(PressureSwingAdsorption)，基于吸附剂对空气中的氧、氮组分选择性吸附而使空气分离得到氮气。当空气经过压缩，通过吸附塔的吸附层时，氧分子优先被吸附，氮分子留在气相中，而成为氮气。吸附达到平衡时，利用减压将分子筛表面所吸附的氧分子驱除，恢复分子筛的吸附能力即吸附剂解析。为了能够连续提供氮气，装置通常设置两个或两个以上的吸附塔，一个塔吸附，另一个塔解析，按适当的时间切换使用。3、膜分离法:膜分离法是利用有机聚合
5、膜的渗透选择性，从气体混合物中分离出富氮气体。理想的薄膜材料应具有很高的选择率和渗透性。为了得到经济的流程，需要很薄的聚合物分离膜(0.1m)，所以需要支撑。渗透器常为板式渗透器和中空纤维渗透器。此法，若产气量大，所需薄膜表面积太大，薄膜价格高，虽然膜分离法装置简单，操作方便，但工业应用还不广泛，本篇不再多述。深冷制氮已有近百年的历史，工艺流程不断改进。变压吸附制氮是近二十年发展起来并被市场广泛接受的技术。本篇试从流程、费用、运行和产品种类等方面比较二者的差别，并得出相关结论。二、深冷制氮的工艺流程和设备简介1、深冷制氮的典型工艺流程:整个流程由空气压缩及净化、空气分离、液氮汽化组成，见图-1
6、。空气压缩及净化空气经空气过滤器清除灰尘和机械杂质后进入空气压缩机，压缩至所需压力，然后送入空气冷却器，降低空气温度。再进入空气干燥净化器，除去空气中的水份、二氧化碳、乙炔及其它碳氢化合物。空气分离:净化后的空气进入空分塔中的主换热器，被返流气体(产品氮气、废气)冷却至饱和温度，送入精馏塔底部，在塔顶部得到氮气，液空经节流后送入冷凝蒸发器蒸发，同时冷凝由精馏塔送来的部分氮气，冷凝后的液氮一部分作为精馏塔的回流液，另一部分作为液氮产品出空分塔。由冷凝蒸发器出来的废气经主换热器复热到约130K进膨胀机膨胀制冷为空分塔提供冷量，膨胀后的气体一部分作为分子筛的再生和吹冷用，然后经消音器排入大气。液氮汽
7、化由空分塔出来的液氮进液氮贮槽贮存，当空分设备检修时，贮槽内的液氮进入汽化器被加热后，送入产品氮气管道。深冷制氮可制取纯度99.999%的氮气。2、主要设备简介:空气过滤器:为减少空气压缩机内部机械运动表面的磨损，保证空气质量，空气在进入空气压缩机之前，必须先经过空气过滤器以清除其中所含的灰尘和其他杂质。目前空气压缩机进气多采用粗效过滤器或中效过滤器。图-1深冷制氮的典型工艺流程简图空气压缩机:按工作原理，空气压缩机可分为容积式和速度式两大类。目前空气压缩机多采用往复活塞式空气压缩机、离心式空气压缩机和螺杆式空气压缩机。空气冷却器:是用来降低进入空气干燥净化器和空分塔前压缩空气的温度，避免进塔
8、温度大幅度波动,并可析出压缩空气中的大部分水分。通常采用氮水冷却器(由水冷却塔和空气冷却塔组成:水冷塔是用空分塔内出来的废气冷却循环水，空冷塔是用水冷塔出来的循环水冷却空气)、氟里昂空冷器。空气干燥净化器:压缩空气经空气冷却器后仍含有一定的水分、二氧化碳、乙炔和其他碳氢化合物。被冷冻的水分和二氧化碳沉积在空分塔内会堵塞通道、管道和阀门，乙炔积聚在液氧内有爆炸的危险，灰尘会磨损运转机械。为了保证空分装置的长期安全运行，必须设置专门的净化设备，清除这些杂质。空气净化的最常用方法是吸附法和冻结法。目前国内在中小型制氮装置中广泛采用分子筛吸附法。空分塔:空分塔内主要包括有主换热器、液化器、精馏塔、冷凝
9、蒸发器等。主换热器、冷凝蒸发器和液化器为板翘式换热器是一种全铝金属结构新型组合式间壁式换热器，平均温差很小，换热效率高达98-99%。精馏塔为空气分离的设备，塔设备的类型按内件划分，设置筛孔板的称筛板塔，设置泡罩板的称泡罩塔，堆放填料的称填料塔。筛孔板结构简单、便于制造、塔板效率高，因此在空分精馏塔中被广泛使用。填料塔主要用于直径小于0.8m，高度不大于7m的精馏塔。泡罩塔由于结构复杂、制造困难现已很少使用。透平膨胀机:是制氮装置用来产生冷量的旋转式叶片机械，是一种用于低温条件下的气体透平。透平膨胀机按气体在叶轮中的流向分为轴流式、向心径流式和向心径轴流式;按气体在叶轮中是否继续膨胀又分为反击
10、式和冲击式，继续膨胀为反击式，不继续膨胀为冲击式。空分设备中广泛采用单级向心径轴流反击式透平膨胀机。三、变压吸附制氮的工艺流程和设备简介1、工艺流程简介空气经空气过滤器清除灰尘和机械杂质后进入空气压缩机，压缩至所需压力，经严格的除油、除水、除尘净化处理，输出洁净的压缩空气，目的是确保吸附塔内分子筛的使用寿命。装有碳分子筛的吸附塔共有二个，一个塔工作时，另一个塔则减压脱附。洁净空气进入工作吸附塔，经过分子筛时氧、二氧化碳和水被其吸附，流至出口端的气体便是氮气及微量的氩和氧。另一塔(脱附塔)使已吸附的氧气、二氧化碳和水从分子筛微孔中脱离排至大气中。这样两塔轮流进行，完成氮氧分离，连续输出氮气，见图
11、-2。变压吸附制取的氮气纯度为95%-99.9%，如果需要更高纯度的氮气需增加氮气净化设备。变压吸附制氮机输出的95%-99.9%氮气进入氮气净化设备，同时通过一流量计添加适量的氢气，在净化设备的除氧塔中氢和氮气中的微量氧进行催化反应，以除去氧然后经水冷凝器冷却，汽水分离器除水，再通过干燥器深度干燥(两个吸附干燥塔交替使用:一个吸附干燥除水，另一个加热脱附排水)，得到高纯氮气，此时的氮气纯度可达99.9995%，见图-3。目前国内变压吸附制氮最大的生产能力为3000m3n/h。图-2变压吸附制氮的工艺流程简图图-3氮气净化工艺流程简图2、主要设备简介:该工艺中的空气过滤器和空气压缩机的简介同深
12、冷制氮工艺。后冷却器:是用来降低进入空气干燥净化器前压缩空气的温度，使之析出油和水的设备。通常采用列管式、套管式、散热片式等结构的后冷却器。油水分离器:它的作用是分离压缩空气中所含的油分和水分，使压缩空气得到初步的净化。空气干燥净化器:压缩空气经后冷却器后仍含有一定的水分，其含量取决于空气的温度。压缩空气的干燥处理一般采用分子筛吸附法和冷冻干燥法。变压吸附制氮装置:采用的吸附剂通常为5A分子筛或碳分子筛，再生方式为无热再生，高压吸附、低压或常压解析。此为分离氮气的核心设备。氮气净化设备:包括除氧塔、吸附干燥器和水冷凝器。除氧塔是一个用钯作催化剂的催化反应器。吸附干燥器的吸附剂为分子筛，再生方式
13、为有热再生(电加热)。四、深冷制氮与变压吸附制氮的技术经济比较1、流程比较从以上的论述中我们可以发现:变压吸附制氮流程简单，设备数量少，主要设备仅有空压机、空气干燥器、吸附制氮机和储气罐等。而深冷制氮流程复杂，设备数量多，主要设备有空压机、空冷器、空气净化干燥器、换热器、膨胀机和精流塔等。2、产品种类和纯度比较深冷制氮不仅可以生产氮气而且可以生产液氮，满足需要液氮的工艺要求，并且可在液氮贮槽内贮存，当出现氮气间断负荷或空分设备小修时，贮槽内的液氮进入汽化器被加热后，送入产品氮气管道满足工艺装置对氮气的需求。深冷制氮的运转周期(指两次大加温之间的间隔期)一般为1年以上，因此，深冷制氮一般不考虑备
14、用。而变压吸附制氮只能生产氮气，无备用手段，单套设备不能保证连续长周期运行。深冷制氮可制取纯度99.999%的氮气。氮气纯度受到氮气负荷、塔板数量、塔板效率和液空中氧纯度等的限制，调节范围很小。因此，对于一套深冷制氮设备其产品纯度基本是一定的，不便调节。变压吸附制氮制取的氮气纯度一般在95%-99.9%范围内，如果需要更高纯度的氮气需增加氮气净化设备。氮气纯度只受产品氮气负荷的影响，在其他条件不变情况下，氮气排出量越大，氮气的纯度就越低;反之则越高。因此，对于一套变压吸附制氮设备只要负荷允许其产品纯度可以在90-99.9%之间任意调节。3、运行控制比较深冷法由于是在极低温度下进行的，设备在投入
15、正常运行之前，必须有一个预冷启动过程，启动时间即从膨胀机启动至氮气纯度达到要求的时间一般不小于12h;设备在进入大修之前，必须有一段加温解冻的时间，一般为24h。因此，深冷法制氮设备不宜经常起、停，宜长时间连续运行。变压吸附法启动时，只要按一下按钮，启动30分钟内便可以获得合格的氮气产品，如果需要高纯的氮气，那么经过氮气净化装置，大约再用30分钟便可获得99.99%-99.9999%的高纯氮气。停机时也只需按一下按钮便可。因此，变压吸附制氮特别适用于间断运行的情况。现在深冷法制氮一般均采用先进的DCS(或PLC)计算机控制技术，实现中控、机旁、就地一体化的控制，可有效的监控整套设备的生产过程。
16、变压吸附制氮采用智能化全自动控制，按钮即可进行氮气生产，无需专人管理。4、单位制氮电耗的比较深冷制氮电耗的计算:深冷制氮流程电耗主要有两部分，即压缩机电耗和辅机电耗(一般不包括氮产品的压缩功耗和照明用能耗)。压缩功耗:NK=NeNK-空压机功率，kW;e-电动机效率，%(由电动机生产厂提供);N-电动机输入功率，kW;辅助电耗:Nf=N1+N2+N3+N4+N5+N6+N7+N8N1-压缩机主油泵电耗，kW;N2-压缩机润滑油系统抽风机电耗，kW;N3-膨胀机油泵电耗，kW;N4-空冷塔水泵电耗，kW;N5-水冷塔水泵电耗，kW;N6-水冷塔抽风机电耗，kW;N7-冷冻机电耗，kW;N8-分子
17、筛再生电耗，kW;成套设备总电耗:N=NK+Nf单位制氮电耗:NN2=N/VN2VN2=V1+3V2V1-气氮总量，m3n/h;V2-液氮产量换算至标准状态的气氮量，m3n/h;变压吸附制氮电耗的计算变压吸附制氮流程电耗主要有两部分，即压缩机电耗和辅机电耗(一般不包括氮产品的压缩功耗和照明用能耗)。压缩功耗:NK=NeNK-空压机功率，kW;e-电动机效率，%(由电动机生产厂提供);N-电动机输入功率，kW;辅助电耗:Nf=N1+N2N1-预冷机组功率，kW;N2-氮气净化装置中分子筛再生电耗，kW;成套设备总电耗:N=NK+Nf单位制氮电耗:NN2=N/V1V1-气氮总量，m3n/h;单位制
18、氮电耗比较表(氮气产品的压力均为0.7MPa)氮气产量(m3n/h)深冷制氮变压吸附制氮纯度:95%纯度:99.9%纯度:95%纯度:99.9%单位制氮电耗(kWh/m3nN2)单位制氮电耗(kWh/m3nN2)单位制氮电耗(kWh/m3nN2)单位制氮电耗(kWh/m3nN2)1000.820.820.40.863000.510.510.360.526000.450.460.360.4510000.420.430.350.4115000.410.410.350.3920000.400.410.350.3830000.390.400.350.37单位制氮电耗是反映整套设备能耗的一个重要指标，从
19、对比表中可以看出:对于生产高纯度氮气(纯度在99.9%以上)，深冷制氮与变压吸附制氮的单位电耗相差不大;但对于生产纯度较低的氮气，变压吸附制氮在单位电耗上有着明显的优势。5、基建费用的比较变压吸附制氮设备数量较少，基建费用少，对厂房和设备基础的要求也不高。深冷制氮设备较复杂，安装要求高且周期长，并且保冷箱和保冷材料(珠光砂)需要大量资金，基建投资高。6、设备费用的比较根据石油化工装置的用氮气情况，下表列出了制取纯度为99.9%、压力为0.7MPa氮气的设备费比较:氮气产量(m3n/h)深冷制氮(万元)变压吸附制氮(万元)1009045300160125600240250100040042015
20、007106102000820760300095011007、维修费用的比较变压吸附制氮本身较简单，运转机械数量少，近似常温常压下操作，维修保养工作量少，费用低。而深冷制氮在低温下运行，运转机械较复杂，所以维修费用及保养时间均比变压吸附制氮多。五、结论对于石油化工装置，所需氮气纯度大多为99.9%，从以上对深冷制氮和变压吸附制氮的简介及比较中，我们可以得出以下结论:a)当氮气连续负荷大于600m3n/h，间断负荷用量不太大，可以通过液氮汽化满足要求时，应采用深冷制氮。b)当氮气连续负荷大于600m3n/h，间断负荷用量大，液氮汽化已不能满足其用量时，可采用以深冷制氮为主，变压吸附间断供气的方式。c)当氮气连续负荷小于600m3n/h，可采用变压吸附制氮。d)变压吸附制氮特别适用于氮气负荷小于3000m3n/h，氮气纯度为95%，并且是间断运行工况。e)当工艺装置需要液氮时，除非有外部供应液氮的可能，否则均应采用深冷制氮。
