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（中国石化公司洛阳石化工程公司）一.前言随着工业的迅速进展，氮气在化工、电子、冶金、食品、机械等领域获得了宽泛的应用，我国对氮气的需求量每年以大于8%的速度增加。氮气的化学性质不爽在平常的状态下表现为特地大的惰性，不易与其他物质发生化学反响。因此，氮气在冶金工业、电子工业、化工工业中宽泛的用来作为珍爱气和密封气，相同珍爱气的纯度要求为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储蓄等方面获得越来越宽泛的应用。在化肥工业生产合成氨时，合成氨的原料气一氢、氮混杂气若用纯液氮冲洗精制，可使惰性气体的含量极渺小，一氧化硫和氧的含量不高出20ppmo氮气在石油化工装置中也有宽泛的应用，重要应用及要求见下表装置名称用途负荷特点加氢装置连续用疑：用于气封用量小中止用量：动工用于气用量较大密；停工用于吹扫

:纯度压力等级99.9%0.7MPa99.9%0.7MPa重整装置中止用呈:：用于吹扫、干燥等PTA装置连续用呈:：用于气封中止用呈:：反响器珍爱中止用呈:：输送PX装置连续用呈:：用于气封中止用呈:：用于吹扫、干燥、气密芳烧抽提连续用呈:：抽提塔分层操装置纵中止用虽：吹扫、稳压储运连续用呈:：气封中止用咼：吹扫.气密

用量较大用量较小一次用量大用量大用量较小用量大用疑小用量大用量较小用量大

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贞洁的氮气无法从自然界斩钉截铁汲取，重要釆纳空气分别法。空气分别法中包括：深冷法、变压吸附法、膜分别法。］、深冷法：此法是先将空气压缩、冷却，并使空气液化，利用氧、氮组分的沸点的不相同（在大气压下氧的沸点为90K,氮的沸点为77K),在精憎塔的塔盘上赌气、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断提高，而下流液体中含氧量越来越高，从而使氧、氮分别，获得氮气或氧气。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别。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别获得氮气。当空气经过压缩，经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。吸附达到平稳时，利用减圧将分子筛表面所吸附的氧分子驱除，复原分子筛的吸附能力即吸附剂剖析。为了能够连续供应氮气，装置平常设置两个或两个以上的吸附塔，一个塔吸附，另一个塔剖析，按合适的时刻切换使用。3、膜分别法：膜分别法是利用有机聚合膜的浸透选择性，从气体混杂物中分别岀富氮气体。理想的薄膜资料应拥有特地高的选择率和浸透性。为了获得经济的流程，需要特地薄的聚合物分别膜(0.1nm),因此需要支撑。浸透器常为板式浸透器和中空纤维浸透器。此法，若产襟怀大,所需薄膜表面积太大，薄膜价格高，尽管膜分别法装置简单，操作方便，但工业应用还不宽泛，本篇不再多述。深冷制氮已有近白年的历史，工艺流程千锤百炼。变压吸附制氮是近二十年进展起来并被市场广泛赞成的技术。本篇试从流程、花销、运转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：整个流程山空气压缩及净化、空气分别、液氮汽化组成，见图-1。空气压缩及净化空气经空气过滤器除去灰尘和机械杂质后进入空气压缩机，压缩至所需压力，尔后送入空气冷却器，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、乙烘及其他碳氢化合物。⑵空气分别：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，送入精镉塔底部，在塔顶部获得氮气，液空经节流后送入冷凝蒸发器蒸发，同时冷凝山精懾塔送来的部分氮气，冷凝后的液氮一部分作为精谓塔的回流液，另一部分作为液氮产品出空分塔。山冷;疑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供应冷量，膨胀后的气体一部分作为分子筛的再生和吹冷用，尔后经消音器排入大气。⑶液氮汽化山空分塔出来的液氮进液氮贮槽储藏，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M99.999%的氮气。2、重要设备简介：⑴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从前，必定先经过空气过滤器以除去其中所含的灰尘和其他杂质。H前空气压缩机进气多采纳粗效过滤器或中效过滤器。（2）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。H前空气压缩机多采纳往来生塞式空气压缩机、离心式空气压缩机和螺杆式空气压缩机。（3）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，幸免进塔温度大幅度颠簸，并可析出压缩空气中的大部分水分。平常采纳氮水冷却器（山川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。⑷空气干燥净化器：压缩空气经空气冷却器后仍含有必然的水分、二氧化碳、乙烘和其他碳氢化合物。被冷冻的水分和二氧化碳聚积在空分塔内会拥堵通道、管道和阀门，乙烘聚集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远安全运转，必定设置特地的净化设备，除去这些杂质。空气净化的最常用方法是吸附法和冻结法。U前国内在中小型制氮装置中宽泛釆纳分子筛吸附法。（5）空分塔：空分塔内重要包括有主换热器、液化器、精憎塔、冷凝蒸发器等。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式组合式间壁式换热器，平均温差特地小，换热效率拓达98-99%。精镭塔为空气分其他设备，塔设备的种类按内件划分，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，因此在空分精懈塔中被宽泛使用。填料塔重要用于直径小于0.8m,高度不大于7m的精憎塔。泡罩塔由于结构复杂、制造困难现已特地少使用。（6）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；按气体在叶轮中可否连续膨胀乂分为反击式和冲击式，连续膨胀为反击式，不连续膨胀为冲击式。空分设备中宽泛采纳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除去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、除尘净化办理，输出洁净的压缩空气，□的是保证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，流至出口端的气体即是氮气及微量的氮和氧。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走开排至大气中。这样两塔轮番进行，完成氮氧分别，连续输出氮气，见图-2。变压吸附制取的氮气纯度为95%-99.9%,假如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，同时经过一流量计增加合适的氢气，在净化设备的除氧塔中氢和氮气中的微量氧进行催化反响，以除去氧尔后经水冷凝器冷却，汽水分别器除水，再经过干燥器深度干燥（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），获得高纯氮气，现在的氮气纯度可达99.9995%,见图-3。H前国内变压吸附制氮最大的生产能力为3000m3n/ho图-2变压吸附制氮的丄艺流程简图图-3氮气净化工艺流程简图2、重要设备简介：该工艺中的空气过滤器和空气压缩机的简介同深冷制氮工艺。使之析出油和水的设备。通1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，（）常釆纳列管式、套管式、散热片式等结构的后冷却器。（2）油水分别器：它的作用是分别压缩空气中所含的油分和水分，使圧缩空气获得初步的净化。3）空气干燥净化器：压缩空气经后冷却器后仍含有必然的水分，其含量取决于空气的温度。压缩空气的干燥办理相同采纳分子筛吸附法和冷冻干燥法。（4）变压吸附制氮装置：釆纳的吸附剂平常为

5A

分子筛或碳分子筛，再生方式为无热再

生，高压吸附、低压或常压剖析。此为分别氮气的核心设备。（5）氮气净化设备：包括除氧塔、吸附干燥器和水冷凝器。除氧塔是一个用耙作催化剂的

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能够察觉：变压吸附制氮流程简单，设备数量少，重要设备仅有空压机、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，重要设备有空压机、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但能够生产氮气而且能够生产液氮，满足需要液氮的工艺要求，同时可在液氮贮槽内储藏，当显现氮气中止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）相同为1年以上，因此，深冷制氮相同不考虑备用。而变压吸附制氮只能生产氮气,无备用手段，单套设备不能够保证连续长周期运转。深冷制氮可制取纯度全99.999%的氮气。氮气纯度碰到氮气负荷、塔板数量、塔板效率和液空中氧纯度等的限制，调剂范围特地小。因此，关于一套深冷制氮设备其产品纯度差不多是必然的，不便调剂。变压吸附制氮制取的氮气纯度相同在95%-99?9%范围内，假如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阻拦，在其他条件不变状况下，氮气排出量越大，氮气的纯度就越低；反之则越高。因此，关于一套变压吸附制氮设备只要负荷承诺其产品纯度能够在90-99.9%之间任意调剂。3、运转控制比较深冷法山因此在极低温度下进行的，设备在投入正常运转从前，必定有一个预冷启动过程，启动时刻即从膨胀机启动至氮气纯度达到要求的时刻相同不小于12h；设备在进入大修从前，必定有一段加温解冻的时刻，相同为24ho因此，深冷法制氮设备不宜经常起、停，宜长时刻连续运转。变圧吸附法启动时，只要按一下按钮，启动30分钟内即能够获得合格的氮气产品，假如需要高纯的氮气，那么通过氮气净化妆置，大体再用30分钟即可获得99.99%-99.9999%的高纯氮气。停机时也只要按一下按钮即可。因此，变圧吸附制氮特地适用于中止运转的状况。现在深冷法制氮相同均釆纳先进的DCS（或PLC）运算机控制技术，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。变圧吸附制氮采纳智能化全自动控制,按钮即可进行氮气生产，无需专人治理。4、单位制氮电耗的比较(1)深冷制氮电耗的运算：深冷制氮流程电耗重要有两部分，即压缩机电耗和辅机电耗(相同不包括氮产品的压缩功耗和照明用能耗)。NS①压缩功耗：=NXneNx---空压机功率，kW；ne---电动机效率，%(由电动机生产厂供应)；N-一电动机输入功率，kW：②辅助电耗：皿二凡+汕+凡+叫+凡+叫+凡+皿Ni-一压缩机主油泵电耗，kW；N：--丿土缩机润滑油系统抽风机电耗，kW；N3---膨胀机油泵电耗，kW；N*-一空冷塔水泵电耗，kW；N5---水冷塔水泵电耗，kW：N6---水冷塔抽风机电耗，kW；N：—-冷冻机电耗，kW；%—分子筛再生电耗，kW；③成套设备总电耗：工N二Ns+Nf④单位制氮电耗：SN/S%工VLVHV：VI-气氮总量，m3n/h；%---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运算变压吸附制氮流程电耗重要有两部分，即压缩机电耗和辅机电耗耗和照明用能耗)。①压缩功耗：NS=NXneNx---空压机功率，kW；

(

相同不包括氮产品的

压缩功ne---

电动机效率，

%(由电动机生产厂供应

)

；N—-电动机输入功率，kW：②辅助电耗：NFNX+N：NI---预冷机组功率，kW；凡一-氮气净化妆置中分子筛再生电耗，kW；③成套设备总电耗：工N二Ns+Nf④单位制氮电耗：N孑工N/EV1--气氮总量,m3n/h；⑶单位制氮电耗比较表(氮气产品的压力均为0.7MPa)氮气产量深冷制氮变压吸附制氮(m3n/h)纯度：95%纯度：99.9%纯度：95%纯度：99.9%单位制氮电耗单位制氮电耗单位制氮电耗单位制氮电耗(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单位制氮电耗是反响整套设备能耗的一个重要指标，从比较表中能够看出：关于生产高纯度氮气（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；但关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、基建花销的比较变压吸附制氮设