制氮方式比选.docVIP

石油、天然气工程中制氮方式比选氮气作为惰性气体的一种，用于易燃、易爆、易腐蚀、易氧化物料的保护、输送、密封等，以保障安全生产。一般采用空气分离法制氮。目前常用的空气分离制氮方式有三种：低温分离法、变压吸附法和膜分离法。其中低温分离法是先将空气压缩、冷却，并使空气液化，利用氧、氮组分沸点的不同（大气压下氧沸点为90K，氮沸点为77K），在精馏塔的塔板上使气、液接触，进行质、热交换，高沸点的氧组分不断从蒸气中凝结成液体，低沸点的氮组分不断转入蒸气中，使上升的蒸气中含氮量不断提高，从而下流液体中含氧量越来越高，达到氧、氮分离的目的。此法主要适用于生产量大、氮气纯度高（99.9995）的工况，主要用于用石化企业。该法流程复杂、操作弹性小、安装周期长、一次性投资多。对于石油、天然气工程，氮气主要用于装置置换、吹扫，氮气用量和纯度要求不高，低温分离法从经济性和可操作性考虑不适用。下面主要介绍变压吸附法和膜分离吸附法：一、变压吸附法变压吸附法（Pressure Swing Adsorption）简称PSA法，20世纪60年代美国UCC公司第一个使用PSA技术从含H2工业气体中回收高纯度的H2，几十年来PSA技术发展很快。1、工作原理变压吸附法是利用吸附剂对不同气体的吸附特性，使气体净化。变压吸附的操作循环是在两个不同的压力条件下进行，高压下吸附，低压下解吸，中间没有温度变化，因此过程不需要热量。此法具有流程简单、操作方便、无环境污染、投资低、消耗低等特点。2、常用的吸附剂1）活性氧化铝活性氧化铝是由Al2O3或它与、Al2O3的混合物组成，在600以下脱水制成。作为吸附剂的活性氧化铝，具有吸水能力较强，表面积一般在300m2/g左右，它的机械强度和热稳定性也较好。2）硅胶硅胶是无色、微黄色玻璃状多孔结构的固体，它具有很大的表面积约500m2/g左右，亲水性强，是一种很好的吸附剂。根据硅胶的内孔径大小，可分为粗孔和细孔两种。粗孔硅胶的吸附性能较校差，适用于流速较快的工况。细孔硅胶则在流速慢的工况下具有良好的吸附性。3）分子筛分子筛是由粉末状多水合硅铝酸晶体，加入粘合剂后塑合而成。它具有很强的吸附能力，能把比孔径小的物质吸收到孔内，而不能吸附大于孔径的分子，从而把大小不同的分子分离开来，起到筛分分子的作用。分子筛可根据气体分子的极性、不饱和度和极化率进行选择性吸附。目前常用固体吸附剂物性见表1。表1 常见固体吸附剂物性吸附剂活性氧化铝硅胶分子筛比重（kg/m3）160012001100堆比重（kg/m3）750850500700650750机械强度（）939070颗粒形状粒状、柱状粒状、球状条状、球状粒度（mm）3748446比表面积（m2/g）100400220700700900平均孔径（mm）4.010.02.010.00.31.0进口气体温度（）353540吸附容量（）4658714空塔线速（m/s）0.10.30.10.30.6接触时间（s）515515515目前，常用变压吸附制氮装置是以压缩空气为原料，碳分子筛为吸附剂，利用氧和氮在碳分子筛上的吸附容量、吸附速率、吸附力等方面的差异及分子筛对氧和氮随压力不同具有不同的吸附容量的特性来实现氧、氮分离。首先，空气中的氧被碳分子筛优先吸附，从而在气相中富集氮气。为连续获得氮气，需两个吸附塔交替工作。2、工作流程1）吸附净化后一定压力下的压缩空气进入A吸附塔底，经过分子筛向塔顶流动时，氧、水、二氧化碳均被吸附，产品氮气从塔顶流出；2）均压短时间后（约2min），A塔内的分子筛饱和，这时A塔停止吸附，并通过旁路对B塔进行短暂的均压过程，从而迅速提高B塔内的压力，达到提高B塔制氮效率的目的。3）解吸均压完成后，A塔通过底部的的消音器向外排气，压力降至常压从而脱除吸附的氧、水、二氧化碳等实现分子筛的再生。4）吹扫为使分子筛再生完全，用合格的氮气对A塔进行逆向吹扫，使解吸更充分。工艺流程见图1图1 变压吸附制氮装置工艺流程二、膜分离法气体膜分离技术的研究，早在200多年前就开始了，然而真正在工业上应用还是在80年代以后。特别是80年代后期，性能优异的新膜材料不断涌现，使气体膜分离法在气体净化上获得了广泛的应用，1、工作原理膜分离技术是基于薄膜对气体组分具有选择性渗透和扩散的特性，以达到气体分离和纯化的目的。气体中各种组分透过膜的速度不同，每种组分透过膜的速度与该气体的性质、膜的特性和膜两面的分压差有关。透过膜的气体组分不可能达到100的纯度。2、分离膜的材料与结构 气体分离膜通常可分为多孔材质和非多孔材质，它们无机物（多孔玻璃、陶瓷、金属、电子导电性固体和钯合金等）或有机高分子（微孔聚乙烯、多孔醋酸纤维、均质醋酸纤维、聚硅氧烷橡胶和聚碳酸脂）组成。 3、工作流程净化后的压缩空气经过缓冲罐，联合过滤器后由膜组一端进入，气体分子在压力作用下首先在膜的高压侧接触。混合气体在膜的高压侧表面以不同的溶解度溶于膜内，然后在膜两侧压力差的推动下，混合气体的分子以不同的速度向膜的低压侧扩散。经过溶解和扩散两个过程的选择，最终混合气体被分离成各个组分。例如空气，氧气的透过速度大于氮气，经过膜分离之后，高压侧留下的气体富氮，而透过去的气体富氧。流程框图见图2空压机空气罐C级过滤器A级过滤器冷干机T级过滤器CXT级过滤器T级过滤器膜分离器氮气罐出气加热器图2 膜分离制氮装置流程框图三、工艺技术比较表2 变压吸附法和膜分离法的参数对比基本性能变压吸附法膜分离法原理分离介质碳分子筛中空纤维膜分离原理碳分子筛对氧、氮分子的筛分作用膜对氧、氮分子的不同渗透率能耗能耗设备空压机、冷干机空压机、冷干机、加热炉耗电（kWh/m3)0.30.6（平均）0.40.8（平均）成本（元/m3）0.150.30.20.4设备性能氮气纯度（）9899.999899.99氮气压力（MPa）0.750.8露点（）-40-60启动时间20min可随时开停10min可随时开停维修量切换阀门易损、动作频繁但维修工作量和故障率小运动部件少、维修和保养工作量小分离介质寿命810年10年（产量逐年递