深冷制氮機(jī)裝置包含的主要設(shè)備

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)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(jī)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(jī)可分為容積式和速度式兩大類。目前空氣壓縮機(jī)多采用往復(fù)活塞式空氣壓縮機(jī)、離心式空氣壓縮機(jī)和螺桿式空氣壓縮機(jī)。

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(dòng),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衔铩１焕鋬龅乃趾投趸汲练e在空分塔內(nèi)會(huì)堵塞通道、管道和閥門，乙炔積聚在液氧內(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)期安全運(yùn)行，必須設(shè)置專門的凈化設(shè)備，清除這些雜質(zhì)。空氣凈化的最常用方法是吸附法和凍結(jié)法。目前國(guó)內(nèi)在中小型制氮機(jī)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(jiǎn)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(jī)裝置用來產(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(jí)向心徑軸流反擊式透平膨脹機(jī)。 深冷空分制氮機(jī)設(shè)備復(fù)雜、占地面積大，基建費(fèi)用較高，設(shè)備一次性投資較多，運(yùn)行成本較高，產(chǎn)氣慢(12~24h)，安裝要求高、周期較長(zhǎng)。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(jī)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)。

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(yùn)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(qiáng)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(diǎn)的雜質(zhì)，例如水分、二氧化碳等，應(yīng)在常溫時(shí)預(yù)先清除。否則會(huì)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(huì)影響安全運(yùn)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(shí)，會(huì)有部分低溫液體吸熱而氣化，壓力會(huì)自動(dòng)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(huì)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(jī)物質(zhì)，當(dāng)接觸火源或給以一定的沖擊力時(shí)，會(huì)發(fā)生激烈的燃爆。因此，冷箱內(nèi)不允許有多孔性的有機(jī)物質(zhì)。對(duì)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(zhǎng)期沖擊碳素鋼板，會(huì)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?dú)?、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(tái)樓梯;

10)氧氣是強(qiáng)烈的助燃劑，其排放管不能直接排在不通風(fēng)的廠房?jī)?nèi)。

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，氮?dú)庠诨ぁ㈦娮?、冶金、食品、機(jī)械等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(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?dú)庠谝苯鸸I(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(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(shí)，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?dú)鉄o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(jī)的工藝流程和設(shè)備簡(jiǎn)介

1、工藝流程簡(jiǎn)介

空氣經(jīng)空氣過濾器清除灰塵和機(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(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)過分子篩時(shí)氧、二氧化碳和水被其吸附，流至出口端的氣體便是氮?dú)饧拔⒘康臍搴脱酢Ａ硪凰?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?dú)?，見圖-2。變壓(_bian4 ya1)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)通過一流量計(jì)添加適量的氫氣，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(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)，得到高純氮?dú)猓藭r(shí)的氮?dú)饧兌瓤蛇_(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(jiǎn)介

1、深冷制氮的典型工藝流程:

整個(gè)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(jī)械雜質(zhì)后進(jìn)入空氣壓縮機(jī)，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?dú)?、廢氣)冷卻至飽和溫度，送入精餾塔底部，在塔頂部得到氮?dú)?，液空?jīng)節(jié)流后送入冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)，同時(shí)冷凝由精餾塔送來的部分氮?dú)?，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(jī)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(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)夤艿馈?/p>

深冷制氮可制取純度≧99.999%的氮?dú)狻?/p>

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(jiǎn)樸，設(shè)備數(shù)量少，主要設(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，主要設(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。

制氮機(jī)

2、產(chǎn)品種類和純度比較

深冷制氮不僅可以生產(chǎn)氮?dú)舛铱梢陨a(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?dú)忾g斷負(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意工藝裝置對(duì)氮?dú)獾男枨?。深冷制氮的運(yùn)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?dú)猓瑹o備用手段，單套設(shè)備不能保證連續(xù)長(zhǎng)周期運(yùn)行。

深冷制氮可制取純度≧99.999%的氮?dú)?。氮?dú)饧兌仁艿?de dan qi _dan qi chun du shou dao)氮?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)節(jié)范圍很小。因此，對(duì)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?dú)饧兌纫话阍?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)荷的影響，在其他條件不變情況下，氮?dú)馀懦隽吭酱?，氮?dú)獾募兌染驮降?反之則越高。因此，對(duì)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(yùn)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(yùn)行之前，必須有一個(gè)預(yù)冷啟動(dòng)過程，啟動(dòng)時(shí)間即從膨脹機(jī)啟動(dòng)至氮?dú)饧兌冗_(dá)到要求的時(shí)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(shí)間，一般為24h。因此，深冷法制氮設(shè)備不宜常常起、停，宜長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。變壓吸附法啟動(dòng)時(shí)，只要按一下按鈕，啟動(dòng)30分鐘內(nèi)便可以獲得合格的氮?dú)猱a(chǎn)品，假如需要高純的氮?dú)猓敲唇?jīng)過氮?dú)鈨艋b置，大約再用30分鐘便可獲得99.99%-99.9999%的高純氮?dú)狻ＭC(jī)時(shí)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(yùn)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(jì)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)過程。變壓吸附制氮采用智能化全自動(dòng)控制，按鈕即可進(jìn)行氮?dú)馍a(chǎn)，無需專人治理。

五、結(jié)論

對(duì)于石油化工裝置，所需氮?dú)饧兌却蠖酁?9.9%，從以上對(duì)深冷制氮和變壓吸附制氮的簡(jiǎn)介及比較中，我們可以得出以下結(jié)論:

a)當(dāng)?shù)獨(dú)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(shí)，應(yīng)采用深冷制氮。

b)當(dāng)?shù)獨(dú)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(shí)，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(dú)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?dú)庳?fù)荷小于3000 m3n/h，氮?dú)饧兌葹?5%，并且是間斷運(yùn)行工況。

e)當(dāng)工藝裝置需要液氮時(shí)，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(jī)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?dú)獗Ｗo(hù)、輸送、覆蓋、置換、搶險(xiǎn)、維修、注氮采油等領(lǐng)域。具有安全性高、適應(yīng)強(qiáng)、連續(xù)性生產(chǎn)待特點(diǎn)。

化工行業(yè)專用制氮機(jī)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?dú)庵饕糜诟采w、吹掃、置換、清洗、壓力輸送、化學(xué)反應(yīng)攪動(dòng)、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(jī)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?dú)夂欢康臍湟栽黾庸饬炼鹊忍攸c(diǎn)。

煤礦行業(yè)專用專用制氮機(jī)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(dòng)式、井下移動(dòng)式三種規(guī)格，充分滿足不同工況下的氮?dú)庑枨蟆?/p>

橡膠輪胎行業(yè)專用制氮機(jī)適用于橡膠及輪胎生產(chǎn)硫化過程中的氮?dú)獗Ｗo(hù)、成型等領(lǐng)域。特別是在全鋼子午線輪胎生產(chǎn)中，用氮?dú)饬蚧鹿に囈阎鸩饺〈羝蚧に?。具有氮?dú)饧兌雀?、連續(xù)性生產(chǎn)、氮?dú)鈮毫^高等特點(diǎn)。

食品行業(yè)專用制氮機(jī)適用于糧食綠色倉儲(chǔ)、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(jī)適用于化工、石油天然氣等對(duì)設(shè)備有防爆要求的場(chǎng)所。

制藥行業(yè)專用制氮機(jī)主要用于藥品生產(chǎn)、儲(chǔ)存、封裝、包裝待領(lǐng)域。

電子行業(yè)專用制氮機(jī)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(jī)具有純度高、體積小、噪聲低、能耗低等特點(diǎn)。

集裝箱式制氮機(jī)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(qiáng)、可移動(dòng)作業(yè)等特點(diǎn)。

車載移動(dòng)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(xiǎn)、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(jī)動(dòng)性強(qiáng)、可移動(dòng)作業(yè)等特點(diǎn)。

汽車輪胎沖氮氮?dú)鈾C(jī)，主要用于汽車4S店、汽車維修廠的汽車輪胎沖氮，可延長(zhǎng)輪胎使用壽命，降低噪音和油耗。