深冷制氮機

1)低溫換熱器、精餾塔等低溫容器及管道置于保冷箱內，并充填有熱導率低的絕熱材料，防止從周圍傳入熱量，減少冷損，否則設備無法運行;

2)用于制造低溫設備的材料，要求在低溫下有足夠的強度和韌性，以及有良好的焊接、加工性能。常用鋁合金、銅合金、不銹鋼等材料;

3)空氣中高沸點的雜質，例如水分、二氧化碳等，應在常溫時預先清除。否則會堵塞設備內的通道，使裝置無法工作;

4)空氣中的乙炔和碳氫化合物進入空分塔內，積聚到一定程度，會影響安全運行，甚至發(fā)生爆炸事故。因此，必須設置凈化設備將其清除;

5)貯存低溫液體的密閉容器，當外界有熱量傳入時，會有部分低溫液體吸熱而氣化，壓力會自動升高。為防止超壓，必須設置可靠的安全裝置;

6)低溫液體漏入基礎，會將基礎凍裂，設備傾斜。因此必須保證設備、管道和閥門的密封性，要考慮熱脹冷縮可能產(chǎn)生的應力和變形;

7)被液氧浸漬過的木材、焦炭等多孔有機物質，當接觸火源或給以一定的沖擊力時，會發(fā)生激烈的燃爆。因此，冷箱內不允許有多孔性的有機物質。對液氧的排放，應預先考慮有專門的液氧排放管路和容器，不能走地溝;

8)低溫液體長期沖擊碳素鋼板，會使鋼板脆裂。因此，排放低溫液體的管道及排放槽不能采用碳素鋼制品; 9)氮氣、氬氣是窒息性氣體，其液體排放管應引至室外。氣體排放管應有一定的排放高度，排放口不能朝向平臺樓梯;

10)氧氣是強烈的助燃劑，其排放管不能直接排在不通風的廠房內。

器 為減少空氣壓縮機內部機械運動表面的磨損， 保證空氣質量， 空氣在進入空氣壓縮機之前，必須先經(jīng)過空氣過濾器以清除其中所含的灰塵和其他雜質。目前空氣壓縮機進氣多采用粗效過濾器或中效過濾器。

按工作原理，空氣壓縮機可分為容積式和速度式兩大類。目前空氣壓縮機多采用往復活塞式空氣壓縮機、離心式空氣壓縮機和螺桿式空氣壓縮機。

是用來降低進入空氣干燥凈化器和空分塔前壓縮空氣的溫度，避免進塔溫度大幅度波動,并可析出壓縮空氣中的大部分水分。通常采用氮水冷卻器(由水冷卻塔和空氣冷卻塔組成:水冷塔是用空分塔內出來的廢氣冷卻循環(huán)水，空冷塔是用水冷塔出來的循環(huán)水冷卻空氣)、氟里昂空冷器。

壓縮空氣經(jīng)空氣冷卻器后仍含有一定的水分、二氧化碳、乙炔和其他碳氫化合物。被冷凍的水分和二氧化碳沉積在空分塔內會堵塞通道、管道和閥門，乙炔積聚在液氧內有爆炸的危險，灰塵會磨損運轉機械。為了保證空分裝置的長期安全運行，必須設置專門的凈化設備，清除這些雜質?？諝鈨艋淖畛Ｓ梅椒ㄊ俏椒ê蛢鼋Y法。目前國內在中小型制氮機裝置中廣泛采用分子篩吸附法。

空分塔內主要包括有主換熱器、液化器、精餾塔、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構新型組合式間壁式換熱器，平均溫差很小，換熱效率高達98-99%。精餾塔為空氣分離的設備，塔設備的類型按內件劃分，設置篩孔板的稱篩板塔，設置泡罩板的稱泡罩塔，堆放填料的稱填料塔。篩孔板結構簡單、便于制造、塔板效率高，因此在空分精餾塔中被廣泛使用。填料塔主要用于直徑小于0.8m，高度不大于7m的精餾塔。泡罩塔由于結構復雜、制造困難現(xiàn)已很少使用。

是制氮機裝置用來產(chǎn)生冷量的旋轉式葉片機械，是一種用于低溫條件下的氣體透平。透平膨脹機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;按氣體在葉輪中是否繼續(xù)膨脹又分為反擊式和沖擊式，繼續(xù)膨脹為反擊式，不繼續(xù)膨脹為沖擊式?？辗衷O備中廣泛采用單級向心徑軸流反擊式透平膨脹機。 深冷空分制氮機設備復雜、占地面積大，基建費用較高，設備一次性投資較多，運行成本較高，產(chǎn)氣慢(12~24h)，安裝要求高、周期較長。綜合設備、安裝及基建諸因素，3500Nm3/h以下的設備，相同規(guī)格的PSA裝置的投資規(guī)模要比深冷空分裝置低20%~50%。深冷制氮機裝置宜于大規(guī)模工業(yè)制氮，而中、小規(guī)模制氮就顯得不經(jīng)濟。

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，氮氣在化工、電子、冶金、食品、機械等領域獲得了廣泛的應用，我國對氮氣的需求量每年以大于8%的速度增加。 氮氣的化學性質不活潑，在尋常的狀態(tài)下表現(xiàn)為很大的惰性，不易與其他物質發(fā)生化學反應。因此，氮氣在冶金工業(yè)、電子工業(yè)、化工工業(yè)中廣泛的用來作為保護氣和密封氣，一般保護氣的純度要求為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)的精液貯藏等方面得到越來越普遍的應用。在化肥工業(yè)生產(chǎn)合成氨時，合成氨的原料氣-氫、氮混合氣若用純液氮洗滌精制，可使惰**氣體的含量極微小，一氧化硫和氧的含量不超過20ppm。

純凈的氮氣無法從自然界直接汲取，主要采用空氣分離法。空氣分離法中包括:深冷法、變壓吸附法(PSA)、膜分離法。

二、PSA制氮機的工藝流程和設備簡介

1、工藝流程簡介

空氣經(jīng)空氣過濾器清除灰塵和機械雜質后進入空氣壓縮機，壓縮至所需壓力，經(jīng)嚴格的除油、除水、除塵凈化處理，輸出潔凈的壓縮空氣，目的是確保吸附塔內分子篩的使用壽命。裝有碳分子篩的吸附塔共有二個，一個塔工作時，另一個塔則減壓脫附。潔凈空氣進入工作吸附塔，經(jīng)過分子篩時氧、二氧化碳和水被其吸附，流至出口端的氣體便是氮氣及微量的氬和氧。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脫離排至大氣中。這樣兩塔輪流進行，完成氮氧分離，連續(xù)輸出氮氣，見圖-2。變壓(_bian4 ya1)吸附制取的氮氣純度為95%-99.9%，假如需要更高純度的氮氣需增加氮氣凈化設備。變壓吸附制氮機輸出的95%-99.9%氮氣進入氮氣凈化設備，同時通過一流量計添加適量的氫氣，在凈化設備的除氧塔中氫和氮氣中的微量氧進行催化反應，以除去氧然后經(jīng)水冷凝器冷卻，汽水分離器除水，再通過干燥器深度干燥(兩個吸附干燥塔交替使用:一個吸附干燥除水，另一個加熱脫附排水)，得到高純氮氣，此時的氮氣純度可達99.9995%，見圖-3。目前海內變壓吸附制氮最大的生產(chǎn)能力為3000m3n/h。

三、深冷制氮的工藝流程和設備簡介

1、深冷制氮的典型工藝流程:

整個流程由空氣壓縮及凈化、空氣分離、液氮汽化組成。

⑴ 空氣壓縮及凈化

空氣經(jīng)空氣過濾器清除灰塵和機械雜質后進入空氣壓縮機，壓縮至所需壓力，然后送入空氣冷卻器，降低空氣溫度。再進入空氣干燥凈化器，除去空氣中的水份、二氧化碳、乙炔及其它碳氫化合物。

⑵ 空氣分離:

凈化后的空氣進入空分塔中的主換熱器，被返流氣體(產(chǎn)品氮氣、廢氣)冷卻至飽和溫度，送入精餾塔底部，在塔頂部得到氮氣，液空經(jīng)節(jié)流后送入冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)，同時冷凝由精餾塔送來的部分氮氣，冷凝后的液氮一部分作為精餾塔的回流液，另一部分作為液氮產(chǎn)品出空分塔。

由冷凝蒸發(fā)器出來的廢氣經(jīng)主換熱器復熱到約130K進膨脹機膨脹制冷為空分塔提供冷量，膨脹后的氣體一部分作為分子篩的再生和吹冷用，然后經(jīng)消音器排入大氣。

⑶ 液氮汽化

由空分塔出來的液氮進液氮貯槽貯存，當空分設備檢修時，貯槽內的液氮進入汽化器被加熱后，送入產(chǎn)品氮氣管道。

深冷制氮可制取純度≧99.999%的氮氣。

四、深冷制氮與變壓吸附制氮的技術經(jīng)濟比較

1、流程比較

從以上的論述中我們可以發(fā)現(xiàn):變壓吸附制氮流程簡樸，設備數(shù)量少，主要設備僅有空壓機、空氣干燥器、吸附制氮機和儲氣罐等。而深冷制氮流程復雜，設備數(shù)量多，主要設備有空壓機、空冷器、空氣凈化干燥器、換熱器、膨脹機和精流塔等。

制氮機

2、產(chǎn)品種類和純度比較

深冷制氮不僅可以生產(chǎn)氮氣而且可以生產(chǎn)液氮，滿意需要液氮的工藝要求，并且可在液氮貯槽內貯存，當出現(xiàn)氮氣間斷負荷或空分設備小修時，貯槽內的液氮進入汽化器被加熱后，送入產(chǎn)品氮氣管道滿意工藝裝置對氮氣的需求。深冷制氮的運轉周期(指兩次大加溫之間的間隔期)一般為1年以上，因此，深冷制氮一般不考慮備用。而變壓吸附制氮只能生產(chǎn)氮氣，無備用手段，單套設備不能保證連續(xù)長周期運行。

深冷制氮可制取純度≧99.999%的氮氣。氮氣純度受到(de dan qi _dan qi chun du shou dao)氮氣負荷、塔板數(shù)量、塔板效率和液空中氧純度等的限制，調節(jié)范圍很小。因此，對于一套深冷制氮設備其產(chǎn)品純度基本是一定的，不便調節(jié)。變壓吸附制氮制取的氮氣純度一般在95%-99.9%范圍內，假如需要更高純度的氮氣需增加氮氣凈化設備。氮氣純度只受產(chǎn)品氮氣負荷的影響，在其他條件不變情況下，氮氣排出量越大，氮氣的純度就越低;反之則越高。因此，對于一套變壓吸附制氮設備只要負荷答應其產(chǎn)品純度可以在90-99.9%之間任意調節(jié)。

3、運行控制比較

深冷法由于是在極低溫度下進行的，設備在投入正常運行之前，必須有一個預冷啟動過程，啟動時間即從膨脹機啟動至氮氣純度達到要求的時間一般不小于12h;設備在進入大修之前，必須有一段加溫解凍的時間，一般為24h。因此，深冷法制氮設備不宜常常起、停，宜長時間連續(xù)運行。變壓吸附法啟動時，只要按一下按鈕，啟動30分鐘內便可以獲得合格的氮氣產(chǎn)品，假如需要高純的氮氣，那么經(jīng)過氮氣凈化裝置，大約再用30分鐘便可獲得99.99%-99.9999%的高純氮氣。停機時也只需按一下按鈕便可。因此，變壓吸附制氮特殊適用于間斷運行的情況。

現(xiàn)在深冷法制氮一般均采用先進的DCS(或PLC)計算機控制技術，實現(xiàn)中控、機旁、就地一體化的控制，可有效的監(jiān)控整套設備的生產(chǎn)過程。變壓吸附制氮采用智能化全自動控制，按鈕即可進行氮氣生產(chǎn)，無需專人治理。

五、結論

對于石油化工裝置，所需氮氣純度大多為99.9%，從以上對深冷制氮和變壓吸附制氮的簡介及比較中，我們可以得出以下結論:

a)當?shù)獨膺B續(xù)負荷大于600 m3n/h，間斷負荷用量不太大，可以通過液氮汽化滿意要求時，應采用深冷制氮。

b)當?shù)獨膺B續(xù)負荷大于600 m3n/h，間斷負荷用量大，液氮汽化已不能滿意其用量時，可采用以深冷制氮為主，變壓吸附間斷供氣的方式。

c)當?shù)獨膺B續(xù)負荷小于600 m3n/h，可采用變壓吸附制氮。

d)變壓吸附制氮特殊適用于氮氣負荷小于3000 m3n/h，氮氣純度為95%，并且是間斷運行工況。

e)當工藝裝置需要液氮時，除非有外部供給液氮的可能，否則均應采用深冷制氮。

石油天然氣行業(yè)專用制氮機適用于大陸石油及天然氣開采、沿海及深海石油及天然氣開采中的氮氣保護、輸送、覆蓋、置換、搶險、維修、注氮采油等領域。具有安全性高、適應強、連續(xù)性生產(chǎn)待特點。

化工行業(yè)專用制氮機適用于石油化工、煤化工、鹽化工、天然氣化工、精細化工、新材料等及其衍伸化工產(chǎn)品加工行業(yè)，氮氣主要用于覆蓋、吹掃、置換、清洗、壓力輸送、化學反應攪動、化纖生產(chǎn)保護、充氮保護等領域。

冶金行業(yè)專用制氮肥機適用于熱處理、光亮退火、保護加熱、粉末冶金、銅材鋁材加工、磁性材料燒結、貴金屬加工、軸承生產(chǎn)等領域。具有純度高、連續(xù)生產(chǎn)、部分工藝要求氮氣含一定量的氫以增加光亮度等特點。

煤礦行業(yè)專用專用制氮機適用于煤炭開采中的防火滅火、瓦斯及煤氣稀釋等領域，具有地固定式、地面移動式、井下移動式三種規(guī)格，充分滿足不同工況下的氮氣需求。

橡膠輪胎行業(yè)專用制氮機適用于橡膠及輪胎生產(chǎn)硫化過程中的氮氣保護、成型等領域。特別是在全鋼子午線輪胎生產(chǎn)中，用氮氣硫化新工藝已逐步取代蒸汽硫化工藝。具有氮氣純度高、連續(xù)性生產(chǎn)、氮氣壓力較高等特點。

食品行業(yè)專用制氮機適用于糧食綠色倉儲、食品充氮包裝、蔬菜保鮮、酒類封(罐)裝和保存等。

防爆型制氮機適用于化工、石油天然氣等對設備有防爆要求的場所。

制藥行業(yè)專用制氮機主要用于藥品生產(chǎn)、儲存、封裝、包裝待領域。

電子行業(yè)專用制氮機適用于半導體生產(chǎn)封裝、電子元器件生產(chǎn)、LED、LCD液晶顯示器、鋰電池生產(chǎn)等領域。制氮機具有純度高、體積小、噪聲低、能耗低等特點。

集裝箱式制氮機適用于石油、天然氣、化工及其它相關領域，即有適應性強、可移動作業(yè)等特點。

車載移動式制氮車適用于石油天然氣行業(yè)的開采、管道吹掃、置換、應急搶險、易燃氣體、液體的稀釋等領域、分為低壓、中壓、高壓系列，具有機動性強、可移動作業(yè)等特點。

汽車輪胎沖氮氮氣機，主要用于汽車4S店、汽車維修廠的汽車輪胎沖氮，可延長輪胎使用壽命，降低噪音和油耗。