深冷制氮與變壓中空纖維膜組吸附制氮工藝原理比較

左圓圓

（94783 部隊(duì)，浙江 湖州 313100）

1 深冷制氮理論原理及工藝流程

1.1 理論原理分析

深冷制氮原理又可稱為低溫精餾法，其是將空氣中的氮?dú)夂脱鯕饫酶邷卣麴s方式，結(jié)合兩者之間的沸點(diǎn)不一致的原理進(jìn)行分離操作，從而從空氣中分離出氮?dú)?，從化學(xué)理論上分析，氮?dú)獾姆悬c(diǎn)為-196℃，要低于空氣中氧氣的沸點(diǎn)-183℃，因此，在高溫蒸餾的過程中，空氣中的氮?dú)獗妊鯕飧菀紫冗_(dá)到沸點(diǎn)，進(jìn)而經(jīng)過反復(fù)的蒸發(fā)與冷凝等循環(huán)式的流程，得到較高純度的氮?dú)?，氮?dú)夥蛛x后首先存放在精餾塔中，因此氮?dú)獾募兌戎饕Q于精餾塔的塔板級(jí)別及對(duì)應(yīng)的精餾效率的高低。因此空氣精餾制氮的過程中，主要是借助空氣中氮?dú)馀c氧氣沸點(diǎn)不同的物理原理，采取低溫冷凝再循環(huán)的方式，直至生產(chǎn)和分離出純度更高的氮?dú)狻?/p>

1.2 深冷制氮工藝流程分析

制氮工藝及技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)歷經(jīng)100 多年，尤其是深冷制氮工藝，經(jīng)歷了不同壓力（高壓、中高壓、重壓及全低壓）的實(shí)驗(yàn)分析，得出了基于不同壓力大小的深冷制氮工藝流程。當(dāng)前，隨著現(xiàn)代物理化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代空分工藝技術(shù)和對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備的應(yīng)用能力更為先進(jìn)，不僅能夠?qū)?yīng)不同的壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)和生產(chǎn)出不同純度的氮?dú)猓詽M足市場(chǎng)需求，同時(shí)還能夠充分地結(jié)合設(shè)備及裝置的使用級(jí)別，加快氮?dú)馍a(chǎn)的效率，促進(jìn)和提升大中型低溫空分裝置的工作效率。從理論分析上看，全低空分工藝是結(jié)合氧氣和氮?dú)獾漠a(chǎn)品屬性進(jìn)行循環(huán)式壓縮，并將整個(gè)的氮?dú)獾墓に嚵鞒谭諊鷥?nèi)壓縮和外壓縮兩個(gè)流程，從而在外部壓縮的流程中生產(chǎn)出對(duì)應(yīng)的低壓氧氣或者氮?dú)?，并由外置的壓縮機(jī)持續(xù)性傳輸，將對(duì)應(yīng)的氮?dú)鈿怏w傳至用戶，滿足使用需求。而內(nèi)壓縮流程主要是通過精餾后所制成的液態(tài)氧通過加壓泵處理，形成用戶所需要的氣體，并提供對(duì)應(yīng)的復(fù)熱處理，提供給使用用戶。在生產(chǎn)工藝中，主要進(jìn)行的工藝流程包含有原料空氣的過濾與壓縮、冷卻與純化、增壓與膨脹等，最后實(shí)現(xiàn)氮?dú)獾姆蛛x處理，并做好相應(yīng)的復(fù)熱外供，以體現(xiàn)出當(dāng)前氮?dú)馐褂玫男枨蟆?/p>

2 變壓中空纖維膜組吸附制氮工藝?yán)碚摷肮に嚵鞒谭治?/h2>

2.1 變壓制氮工藝?yán)碚摲治?/h3>

變壓中空纖維膜組吸附制氮工藝一般是以壓縮后的空氣為原材料，結(jié)合空氣加熱器，經(jīng)過中空纖維膜組，并在一定的壓力和溫度作用下，使空氣中的氧氣和氮?dú)夥肿有纬梢欢ǖ目諝馕搅坎町?，并在一定的時(shí)間和空間內(nèi)生產(chǎn)普氮，普氮經(jīng)過除氧器、冷卻器、干燥器純化出高純氮?dú)?，?shí)現(xiàn)基于富集狀態(tài)的氮?dú)鉃橹鞯募兓鞯纳a(chǎn)與再生循環(huán)使用。

2.2 變壓中空纖維膜組吸附制氮的工藝流程分析

空氣經(jīng)過壓縮凈化后，壓縮空氣在經(jīng)過加熱到最佳分離溫度進(jìn)入中空纖維膜組，空氣在中空纖維膜組兩組串聯(lián)三組并聯(lián)分離出普氮和富氧，富氧排空，普氮經(jīng)過檢測(cè)達(dá)到要求減壓進(jìn)入純化系統(tǒng)，最后進(jìn)入緩沖罐中。經(jīng)過一段時(shí)間的反應(yīng)后，純化系統(tǒng)在吸附過程中逐漸被吸附的氧氣和水分所飽和，并且可以通過降壓高純氮返流加熱再生活化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)純化系統(tǒng)降壓再生和加熱吸附交替進(jìn)行，從而確保氮?dú)獾鹊难h(huán)性輸出。

（1）吸附流程。設(shè)置兩個(gè)純化系統(tǒng)，編號(hào)為1 和2，當(dāng)普氮通過背壓閥進(jìn)入吸附器1 時(shí)，經(jīng)過相應(yīng)的除氧器、冷卻器、干燥器，進(jìn)行流動(dòng)，并對(duì)普氮中氧氣、二氧化碳和水分子等結(jié)構(gòu)進(jìn)行吸附，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品氮?dú)鈩t由吸附裝置的出口流出備用。

（2）活化流程。經(jīng)過一段的操作和反應(yīng)后，吸附器1中的除氧器、冷卻器、干燥器分子篩進(jìn)行脫氧反應(yīng)和干燥吸附達(dá)到飽和以后，可以降壓縮的氮?dú)饬魅雽?duì)應(yīng)的吸附器1 中，進(jìn)而產(chǎn)生再生活化，同時(shí)再利用吸附器2 中的除氧器、冷卻器、干燥器，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)普氮進(jìn)行吸收。在作用的過程中，通過減壓和控制一定流量的高純氮?dú)夂蜕倭康臍錃鈪R合再生氣進(jìn)入吸附器1 干燥器，將分子篩加溫脫水，水分隨再生氣流出，再生氣再經(jīng)過冷卻器熱交換后降溫后析出部分水分后，進(jìn)入除氧器，再生氣中的氫氣與除氧劑中吸附的氧化合反應(yīng)，生成的水排出。

（3）吹掃流程。為了使除氧劑和干燥劑循環(huán)再生，在吸附器的出口位置和對(duì)應(yīng)的氮?dú)鈨?chǔ)罐內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)品中氮?dú)獾暮侠響?yīng)用。

（4）均壓和切換流程。兩個(gè)吸附器1 和2 進(jìn)行循環(huán)切換的過程中，需要經(jīng)過一個(gè)短暫的均壓流程，從而確保中部結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的均壓處理，并以迅速的方式提升整體的吸附壓力和氮?dú)饨Y(jié)構(gòu)的回升收益，按照均壓的方式，使吸附器結(jié)構(gòu)能夠?qū)怏w的流動(dòng)流向另一個(gè)氣體裝置。進(jìn)而將兩個(gè)的氣體裝置進(jìn)行密切的結(jié)合，使兩個(gè)吸附器1 和2 的內(nèi)部氣體壓力達(dá)到動(dòng)態(tài)性的均衡。

3 深冷制氮和變壓中空纖維膜組吸附制氮法比選

3.1 工藝原理及流程對(duì)比

在前面第二章節(jié)中分析了深冷制氮和變壓中空纖維膜組吸附制氮兩種工藝流程，從中可知，變壓中空纖維膜組吸附制氮的整個(gè)生產(chǎn)工藝及流程相對(duì)簡單，且使用的設(shè)備較為常規(guī)，主要涉及空氣干燥器、吸附制氮分子篩等結(jié)構(gòu)，同時(shí)，由于制氮設(shè)備及工藝的復(fù)雜變化，會(huì)顯得整個(gè)設(shè)備的生產(chǎn)調(diào)度及使用流程產(chǎn)生較大的差異性。見下表1。

3.2 產(chǎn)品差異性

（1）深冷制氮法應(yīng)用中產(chǎn)品特點(diǎn)分析。針對(duì)深冷制氮法來說，其應(yīng)用過程中的氮?dú)饧兌瓤蛇_(dá)99.999%，幾乎接近100%，要求分餾塔比較大，但是由于氮?dú)馐艿揭欢ǖ牡獨(dú)庳?fù)荷等影響，會(huì)使得塔板結(jié)構(gòu)的使用效率下降，進(jìn)而影響整體結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)范圍的減小，同時(shí)在相關(guān)產(chǎn)品的純度調(diào)節(jié)及分析的過程中，利用深冷制氮法可以加強(qiáng)對(duì)氧氣、液氧和液氬等其他稀有氣體的合理化應(yīng)用。

表1 變壓吸附和深冷制氮工藝等參數(shù)比較分析

（2）變壓中空纖維膜組吸附制氮產(chǎn)品的特點(diǎn)分析。當(dāng)前，利用變壓中空纖維膜組吸附制氮工藝獲取的普氮純度可達(dá)99.8%～99。99%，高純氮純度可達(dá)99.999%，如果實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中需要更高純度的氮?dú)?，則需要改善整體氮?dú)獾募兓O(shè)備，并依據(jù)氮?dú)獾呐懦隽康拇笮?，設(shè)定一定純度的分?jǐn)?shù)，并結(jié)合變壓中空纖維膜組吸附制氮設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于整體純度的合理化調(diào)控。同時(shí)，隨著運(yùn)行時(shí)間的調(diào)度，可以充分的結(jié)合分子篩，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓中空纖維膜組吸附制氮工藝中稀有氣體的大規(guī)模的儲(chǔ)存。

3.3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

根據(jù)制氮工藝中提供的使用設(shè)備報(bào)價(jià)分析看，在工程投資的規(guī)模上看，變壓吸附法工藝流程相對(duì)簡單，設(shè)備造價(jià)較低；而深冷制氮法的工藝相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備造價(jià)程度高，其中還含有土建等的總投資。從占地面積上分析，變壓吸附法的生產(chǎn)占地面積較小，整體運(yùn)行過程中對(duì)于設(shè)備的使用需求較低；而深冷制氮法占地面積較大，對(duì)于使用的生產(chǎn)設(shè)備質(zhì)量及技術(shù)參數(shù)要求較高。電耗、水耗等方面看，生產(chǎn)氮?dú)獾倪^程中產(chǎn)能降低，而產(chǎn)生的電耗數(shù)量明顯要低于深冷制氮法。維護(hù)費(fèi)用上分析，變壓吸附法要明顯少于深冷制氮法。

4 結(jié)語

綜上所述，深冷制氮和變壓吸附制單法都是相對(duì)成熟的制氮工藝，在使用的原理及經(jīng)濟(jì)性上，各有利弊，并能夠適應(yīng)不同生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)需求。因此，在使用選擇的過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇，并制定一般性的選型原則。