深冷制氮機工藝

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

2)用于制造低溫設(shè)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(zhì)，例如水分、二氧化碳等，應(yīng)在常溫時預(yù)先清除。否則會堵塞設(shè)備內(nèi)的通道，使裝置無法工作;

4)空氣中的乙炔和碳?xì)浠衔镞M(jìn)入空分塔內(nèi)，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(shè)置凈化設(shè)備將其清除;

5)貯存低溫液體的密閉容器，當(dāng)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(shè)置可靠的安全裝置;

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

7)被液氧浸漬過的木材、焦炭等多孔有機物質(zhì)，當(dāng)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(nèi)不允許有多孔性的有機物質(zhì)。對液氧的排放，應(yīng)預(yù)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(yīng)引至室外。氣體排放管應(yīng)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(fēng)的廠房內(nèi)。

器 為減少空氣壓縮機內(nèi)部機械運動表面的磨損， 保證空氣質(zhì)量， 空氣在進(jìn)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(zhì)。目前空氣壓縮機進(jìn)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(fù)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(jìn)入空氣干燥凈化器和空分塔前壓縮空氣的溫度，避免進(jìn)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(nèi)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?xì)浠衔?。被冷凍的水分和二氧化碳沉積在空分塔內(nèi)會堵塞通道、管道和閥門，乙炔積聚在液氧內(nèi)有爆炸的危險，灰塵會磨損運轉(zhuǎn)機械。為了保證空分裝置的長期安全運行，必須設(shè)置專門的凈化設(shè)備，清除這些雜質(zhì)?？諝鈨艋淖畛Ｓ梅椒ㄊ俏椒ê蛢鼋Y(jié)法。目前國內(nèi)在中小型制氮機裝置中廣泛采用分子篩吸附法。

空分塔內(nèi)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(jié)構(gòu)新型組合式間壁式換熱器，平均溫差很小，換熱效率高達(dá)98-99%。精餾塔為空氣分離的設(shè)備，塔設(shè)備的類型按內(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(jié)構(gòu)復(fù)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(zhuǎn)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(shè)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(shè)備復(fù)雜、占地面積大，基建費用較高，設(shè)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(shè)備、安裝及基建諸因素，3500Nm3/h以下的設(shè)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(jì)。

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(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)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(xué)性質(zhì)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(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。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(hù)氣和密封氣，一般保護(hù)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(yīng)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?？諝夥蛛x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(shè)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(zhì)后進(jìn)入空氣壓縮機，壓縮至所需壓力，經(jīng)嚴(yán)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(nèi)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(jìn)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(jìn)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(shè)備。變壓吸附制氮機輸出的95%-99.9%氮氣進(jìn)入氮氣凈化設(shè)備，同時通過一流量計添加適量的氫氣，在凈化設(shè)備的除氧塔中氫和氮氣中的微量氧進(jìn)行催化反應(yīng)，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(dá)99.9995%，見圖-3。目前海內(nèi)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(shè)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(zhì)后進(jìn)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(jìn)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?xì)浠衔铩?/p>

⑵ 空氣分離:

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(fù)熱到約130K進(jìn)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(jìn)液氮貯槽貯存，當(dāng)空分設(shè)備檢修時，貯槽內(nèi)的液氮進(jìn)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(shù)經(jīng)濟(jì)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(shè)備數(shù)量少，主要設(shè)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(fù)雜，設(shè)備數(shù)量多，主要設(shè)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(nèi)貯存，當(dāng)出現(xiàn)氮氣間斷負(fù)荷或空分設(shè)備小修時，貯槽內(nèi)的液氮進(jìn)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(zhuǎn)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(shè)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(fù)荷、塔板數(shù)量、塔板效率和液空中氧純度等的限制，調(diào)節(jié)范圍很小。因此，對于一套深冷制氮設(shè)備其產(chǎn)品純度基本是一定的，不便調(diào)節(jié)。變壓吸附制氮制取的氮氣純度一般在95%-99.9%范圍內(nèi)，假如需要更高純度的氮氣需增加氮氣凈化設(shè)備。氮氣純度只受產(chǎn)品氮氣負(fù)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(shè)備只要負(fù)荷答應(yīng)其產(chǎn)品純度可以在90-99.9%之間任意調(diào)節(jié)。

3、運行控制比較

深冷法由于是在極低溫度下進(jìn)行的，設(shè)備在投入正常運行之前，必須有一個預(yù)冷啟動過程，啟動時間即從膨脹機啟動至氮氣純度達(dá)到要求的時間一般不小于12h;設(shè)備在進(jìn)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(shè)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(nèi)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(jìn)的DCS(或PLC)計算機控制技術(shù)，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(shè)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(jìn)行氮氣生產(chǎn)，無需專人治理。

五、結(jié)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(jié)論:

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

b)當(dāng)?shù)獨膺B續(xù)負(fù)荷大于600 m3n/h，間斷負(fù)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(dāng)?shù)獨膺B續(xù)負(fù)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(fù)荷小于3000 m3n/h，氮氣純度為95%，并且是間斷運行工況。

e)當(dāng)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(yīng)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(hù)、輸送、覆蓋、置換、搶險、維修、注氮采油等領(lǐng)域。具有安全性高、適應(yīng)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(xì)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(xué)反應(yīng)攪動、化纖生產(chǎn)保護(hù)、充氮保護(hù)等領(lǐng)域。

冶金行業(yè)專用制氮肥機適用于熱處理、光亮退火、保護(hù)加熱、粉末冶金、銅材鋁材加工、磁性材料燒結(jié)、貴金屬加工、軸承生產(chǎn)等領(lǐng)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(lǐng)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(hù)、成型等領(lǐng)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(shè)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(lǐng)域。

電子行業(yè)專用制氮機適用于半導(dǎo)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(lǐng)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(guān)領(lǐng)域，即有適應(yīng)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(yīng)急搶險、易燃?xì)怏w、液體的稀釋等領(lǐng)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。