深冷制氮与变压吸附制氮的技术经济比较

1、深冷制氮与变压吸附制氮的技术经济比较 PAGE 13吧深冷制氮与变压安吸附制氮的技术袄经济比较汪红柏（按中国石化集团洛搬阳石化工程公司肮）前言摆随着工业的迅速暗发展，氮气在化霸工、电子、冶金叭、食品、机械等百领域获得了广泛挨的应用，我国对摆氮气的需求量每凹年以大于8%的拜速度增加。 氮白气的化学性质不埃活泼，在平常的哀状态下表现为很捌大的惰性，不易懊与其他物质发生跋化学反应。因此翱，氮气在冶金工叭业、电子工业、唉化工工业中广泛办的用来作为保护扮气和密封气，一敖般保护气的纯度扮要求为99.9哎9%，有的要求肮99.998%吧以上的高纯氮。蔼液氮是一个较方扳便的冷源，在食哎品工业、医疗事百业以及畜

2、牧业的盎精液贮藏等方面霸得到越来越普遍爸的应用。在化肥班工业生产合成氨拌时，合成氨的原靶料气俺扳氢、氮混合气若扳用纯液氮洗涤精凹制，可使惰性气笆体的含量极微小把，一氧化硫和氧伴的含量不超过2熬0傲ppm哎。扮氮气在石油化工败装置中也有广泛扳的应用，主要应半用及要求见下表袄：蔼装置名称奥用 途碍负荷特点碍 纯 度澳压力等级板加氢装置敖连续用量：用于拔气封摆用量小靶 99.9%版 0.7MP芭a皑间断用量：开工碍用于气密；停工白用于吹扫盎用量较大哀 99.9%稗 0.7 M霸Pa盎重整装置败间断用量：用于拜吹扫、干燥等蔼用量较大颁 99.9%懊0.7 MPa阿 肮PTA装置背连续用量：用于傲气封扮

3、用量较小办 99.99瓣%捌 0.7 M爱Pa拜间断用量：反应拌器保护摆一次用量大爱99.99%坝 4.0 M拜Pa百间断用量：输送隘用量大靶 95%澳 0.7 M拔Pa霸PX装置昂连续用量：用于班气封佰用量较小昂99.9%瓣0.7 MPa胺间断用量：用于暗吹扫、干燥、气袄密拌用量大熬 99.9%案 0.7 M肮Pa艾芳烃抽提装置疤连续用量：抽提啊塔分层控制碍用量小熬 99.9%扳0.7 MPa叭间断用量：吹扫爸、稳压柏用量大氨 99.9%暗0.7 MPa昂储运把连续用量：气封拌用量较小版 99.9%把 0.7 M矮Pa艾间断用量：吹扫跋、气密疤用量大傲 99.9%坝 0.7 M敖Pa捌纯净的

4、氮气无法凹从自然界直接汲败取，主要采用空隘气分离法。空气矮分离法中包括：邦深冷法、变压吸按附法、膜分离法斑。深冷法：跋此法是先将空气靶压缩、冷却，并昂使空气液化，利蔼用氧、氮组分的半沸点的不同（在绊大气压下氧的沸碍点为90K，氮斑的沸点为77K霸），在精馏塔的啊塔盘上使气、液傲接触，进行质、稗热交换，高沸点昂的氧不断从蒸汽熬中冷凝成液体，拔低沸点的氮不断办的转入蒸汽中，坝使上升的蒸汽中摆含氮量不断提高奥，而下流液体中碍含氧量越来越高霸，从而使氧、氮澳分离，得到氮气昂或氧气。此法是岸在120K以下拔的温度条件下进摆行的，故称为深疤冷法空气分离。变压吸附法：斑变压吸附法即P跋SA法（Pre昂ssu

5、re S疤wing Ad皑sorptio爱n），基于吸附摆剂对空气中的氧鞍、氮组分选择性瓣吸附而使空气分奥离得到氮气。当昂空气经过压缩，斑通过吸附塔的吸鞍附层时，氧分子安优先被吸附，氮绊分子留在气相中拔，而成为氮气。把吸附达到平衡时氨，利用减压将分爱子筛表面所吸附懊的氧分子驱除，捌恢复分子筛的吸啊附能力即吸附剂斑解析。为了能够胺连续提供氮气，盎装置通常设置两胺个或两个以上的扮吸附塔，一个塔凹吸附，另一个塔芭解析，按适当的盎时间切换使用。膜分离法：傲膜分离法是利用碍有机聚合膜的渗胺透选择性，从气八体混合物中分离瓣出富氮气体。理摆想的薄膜材料应背具有很高的选择跋率和渗透性。为隘了得到经济的流澳程，

6、需要很薄的般聚合物分离膜（绊0.1肮昂m），所以需要拔支撑。渗透器常胺为板式渗透器和耙中空纤维渗透器敖。此法，若产气扳量大，所需薄膜哀表面积太大，薄柏膜价格高，虽然肮膜分离法装置简板单，操作方便，摆但工业应用还不半广泛，本篇不再澳多述。肮深冷制氮已有近盎百年的历史，工澳艺流程不断改进叭。变压吸附制氮埃是近二十年发展安起来并被市场广氨泛接受的技术。办本篇试从流程、稗费用、运行和产隘品种类等方面比摆较二者的差别，把并得出相关结论暗。版深冷制氮的工艺板流程和设备简介般1、深冷制氮的翱典型工艺流程：扮整个流程由空气靶压缩及净化、空颁气分离、液氮汽挨化组成，见图-碍1。霸盎 空气压缩及净拜化爱空气经空气

7、过滤癌器清除灰尘和机捌械杂质后进入空懊气压缩机，压缩扮至所需压力，然柏后送入空气冷却懊器，降低空气温傲度。再进入空气吧干燥净化器，除哎去空气中的水份跋、二氧化碳、乙佰炔及其它碳氢化熬合物。 空气分离：敖净化后的空气进班入空分塔中的主肮换热器，被返流按气体（产品氮气熬、废气）冷却至皑饱和温度，送入凹精馏塔底部，在癌塔顶部得到氮气百，液空经节流后板送入冷凝蒸发器癌蒸发，同时冷凝翱由精馏塔送来的芭部分氮气，冷凝岸后的液氮一部分癌作为精馏塔的回敖流液，另一部分昂作为液氮产品出颁空分塔。坝由冷凝蒸发器出啊来的废气经主换哀热器复热到约1吧30K进膨胀机碍膨胀制冷为空分耙塔提供冷量，膨安胀后的气体一部袄分作

8、为分子筛的八再生和吹冷用，翱然后经消音器排颁入大气。 液氮汽化扒由空分塔出来的百液氮进液氮贮槽肮贮存，当空分设罢备检修时，贮槽岸内的液氮进入汽傲化器被加热后，奥送入产品氮气管傲道。疤深冷制氮可制取办纯度案耙99.999%叭的氮气。阿2、主要设备简吧介：半佰空气过滤器：为癌减少空气压缩机澳内部机械运动表坝面的磨损， 保摆证空气质量， 把空气在进入空气唉压缩机之前，必哀须先经过空气过袄滤器以清除其中鞍所含的灰尘和其埃他杂质。目前空奥气压缩机进气多百采用粗效过滤器捌或中效过滤器。熬图-1深冷制氮熬的典型工艺流程败简图巴佰 空气压缩机：肮按工作原理，空搬气压缩机可分为笆容积式和速度式哎两大类。目前空懊

9、气压缩机多采用唉往复活塞式空气柏压缩机、离心式胺空气压缩机和螺澳杆式空气压缩机芭。拔伴 空气冷却器：板是用来降低进入巴空气干燥净化器佰和空分塔前压缩把空气的温度，避板免进塔温度大幅阿度波动八,斑并可析出压缩空敖气中的大部分水昂分。通常采用氮按水冷却器（由水搬冷却塔和空气冷哎却塔组成：水冷皑塔是用空分塔内懊出来的废气冷却艾循环水，空冷塔鞍是用水冷塔出来扮的循环水冷却空邦气）、氟里昂空懊冷器。傲笆空气干燥净化器拌：压缩空气经空瓣气冷却器后仍含蔼有一定的水分、安二氧化碳、乙炔巴和其他碳氢化合昂物。被冷冻的水罢分和二氧化碳沉吧积在空分塔内会靶堵塞通道、管道拌和阀门，乙炔积巴聚在液氧内有爆霸炸的危险，灰

10、尘案会磨损运转机械哎。为了保证空分盎装置的长期安全稗运行，必须设置拔专门的净化设备罢，清除这些杂质绊。空气净化的最背常用方法是吸附霸法和冻结法。目稗前国内在中小型佰制氮装置中广泛哎采用分子筛吸附哀法。稗拔 空分塔：空分蔼塔内主要包括有版主换热器、液化搬器、精馏塔、冷瓣凝蒸发器等。主颁换热器、冷凝蒸阿发器和液化器为跋板翘式换热器是氨一种全铝金属结挨构新型组合式间艾壁式换热器，平柏均温差很小，换肮热效率高达98敖-99%。精馏按塔为空气分离的摆设备，塔设备的阿类型按内件划分疤，设置筛孔板的爸称筛板塔，设置艾泡罩板的称泡罩哀塔，堆放填料的癌称填料塔。筛孔斑板结构简单、便敖于制造、塔板效芭率高，因此在

11、空般分精馏塔中被广拌泛使用。填料塔颁主要用于直径小坝于0.8m，高版度不大于7m的佰精馏塔。泡罩塔唉由于结构复杂、伴制造困难现已很鞍少使用。安扮 透平膨胀机：挨是制氮装置用来胺产生冷量的旋转爱式叶片机械，是拌一种用于低温条拔件下的气体透平八。透平膨胀机按傲气体在叶轮中的按流向分为轴流式疤、向心径流式和摆向心径轴流式；按按气体在叶轮中澳是否继续膨胀又摆分为反击式和冲佰击式，继续膨胀懊为反击式，不继奥续膨胀为冲击式澳。空分设备中广埃泛采用单级向心叭径轴流反击式透佰平膨胀机。爸变压吸附制氮的柏工艺流程和设备瓣简介般1、工艺流程简哎介拜空气经空气过滤伴器清除灰尘和机安械杂质后进入空半气压缩机，压缩斑至

12、所需压力，经爱严格的除油、除把水、除尘净化处版理，输出洁净的奥压缩空气，目的背是确保吸附塔内扳分子筛的使用寿拜命。装有碳分子佰筛的吸附塔共有疤二个，一个塔工佰作时，另一个塔俺则减压脱附。洁柏净空气进入工作阿吸附塔，经过分熬子筛时氧、二氧埃化碳和水被其吸办附，流至出口端肮的气体便是氮气懊及微量的氩和氧芭。另一塔（脱附颁塔）使已吸附的盎氧气、二氧化碳唉和水从分子筛微敖孔中脱离排至大阿气中。这样两塔瓣轮流进行，完成埃氮氧分离，连续哎输出氮气，见图拜-2。变压吸附班制取的氮气纯度搬为95%-99白.9%，如果需跋要更高纯度的氮熬气需增加氮气净稗化设备。变压吸盎附制氮机输出的巴95%-99.笆9%氮气进

13、入氮版气净化设备，同笆时通过一流量计般添加适量的氢气百，在净化设备的拌除氧塔中氢和氮凹气中的微量氧进肮行催化反应，以靶除去氧然后经水凹冷凝器冷却，汽霸水分离器除水，昂再通过干燥器深拌度干燥（两个吸暗附干燥塔交替使跋用：一个吸附干把燥除水，另一个搬加热脱附排水）肮，得到高纯氮气拔，此时的氮气纯吧度可达99.9隘995%，见图袄-3。目前国内肮变压吸附制氮最笆大的生产能力为爸3000捌m霸3拌n/h哎。岸图-2变压吸附矮制氮的工艺流程芭简图跋图傲-3氮气净化工把艺流程简图胺2、主要设备简办介：皑该工艺中的空气熬过滤器和空气压颁缩机的简介同深拔冷制氮工艺。背哎 后冷却器：是暗用来降低进入空办气干燥净

14、化器前敖压缩空气的温度罢，使之析出油和败水的设备。通常办采用列管式、套八管式、散热片式巴等结构的后冷却拔器。八扮 油水分离器：败它的作用是分离艾压缩空气中所含吧的油分和水分，埃使压缩空气得到安初步的净化。斑霸 空气干燥净化胺器：压缩空气经袄后冷却器后仍含癌有一定的水分，扮其含量取决于空叭气的温度。压缩八空气的干燥处理吧一般采用分子筛按吸附法和冷冻干伴燥法。板岸 变压吸附制氮埃装置：采用的吸氨附剂通常为哀5A肮分子筛或碳分子颁筛，再生方式为拌无热再生，高压芭吸附、低压或常拌压解析。此为分碍离氮气的核心设岸备。半埃 氮气净化设备翱：包括除氧塔、鞍吸附干燥器和水澳冷凝器。除氧塔拌是一个用钯作催跋化剂

15、的催化反应哎器。吸附干燥器矮的吸附剂为分子袄筛，再生方式为吧有热再生（电加绊热）。埃深冷制氮与变压跋吸附制氮的技术矮经济比较1、流程比较白从以上的论述中罢我们可以发现：扳变压吸附制氮流罢程简单，设备数矮量少，主要设备败仅有空压机、空皑气干燥器、吸附扮制氮机和储气罐邦等。而深冷制氮爱流程复杂，设备百数量多，主要设熬备有空压机、空凹冷器、空气净化颁干燥器、换热器坝、膨胀机和精流唉塔等。坝2、产品种类和叭纯度比较挨深冷制氮不仅可吧以生产氮气而且笆可以生产液氮，斑满足需要液氮的碍工艺要求，并且扮可在液氮贮槽内爸贮存，当出现氮凹气间断负荷或空懊分设备小修时，俺贮槽内的液氮进搬入汽化器被加热肮后，送入产品

16、氮盎气管道满足工艺绊装置对氮气的需蔼求。深冷制氮的扮运转周期（指两跋次大加温之间的鞍间隔期）一般为翱1年以上，因此搬，深冷制氮一般挨不考虑备用。而败变压吸附制氮只皑能生产氮气，无埃备用手段，单套八设备不能保证连熬续长周期运行。佰深冷制氮可制取百纯度跋叭99.999%败的氮气。氮气纯安度受到氮气负荷佰、塔板数量、塔搬板效率和液空中盎氧纯度等的限制安，调节范围很小跋。因此，对于一般套深冷制氮设备搬其产品纯度基本奥是一定的，不便矮调节。变压吸附拜制氮制取的氮气皑纯度一般在95跋%-99.9%吧范围内，如果需背要更高纯度的氮八气需增加氮气净搬化设备。氮气纯版度只受产品氮气绊负荷的影响，在啊其他条件不变

17、情挨况下，氮气排出败量越大，氮气的肮纯度就越低；反八之则越高。因此柏，对于一套变压八吸附制氮设备只把要负荷允许其产按品纯度可以在9芭0-99.9%案之间任意调节。艾3、运行控制比凹较隘深冷法由于是在扮极低温度下进行笆的，设备在投入伴正常运行之前，般必须有一个预冷隘启动过程，启动唉时间即从膨胀机爱启动至氮气纯度翱达到要求的时间叭一般不小于12案h八；设备在进入大巴修之前，必须有百一段加温解冻的敖时间，一般为2肮4h。因此，深阿冷法制氮设备不袄宜经常起、停，坝宜长时间连续运版行。变压吸附法伴启动时，只要按佰一下按钮，启动懊30分钟内便可氨以获得合格的氮霸气产品，如果需拌要高纯的氮气，艾那么经过氮气

18、净八化装置，大约再巴用30分钟便可岸获得99.99班%-99.99暗99%的高纯氮拔气。停机时也只霸需按一下按钮便跋可。因此，变压鞍吸附制氮特别适哎用于间断运行的跋情况。板现在深冷法制氮斑一般均采用先进颁的DCS（或P哎LC）计算机控八制技术，实现中拔控、机旁、就地扳一体化的控制，爸可有效的监控整斑套设备的生产过罢程。变压吸附制昂氮采用智能化全埃自动控制，按钮疤即可进行氮气生般产，无需专人管捌理。败单位制氮电耗的百比较扳败 深冷制氮电耗拔的计算：翱深冷制氮流程电扮耗主要有两部分肮，即压缩机电耗办和辅机电耗（一挨般不包括氮产品哀的压缩功耗和照版明用能耗）。巴八 压缩功耗： 爸 N摆K哎=N办捌e

19、敖 N哀K埃空压机功澳率，kW；办 佰埃e 电动拔机效率，%（由坝电动机生产厂提白供）；笆 N懊电动机输入功率拜，kW；颁般辅助电耗：N拜f摆=N昂1胺+N懊2摆+N跋3班+N翱4案+N唉5稗+N凹6皑+N捌7氨+N熬8耙 N扳1凹压缩机主案油泵电耗，kW笆；般 N暗2蔼压缩机润版滑油系统抽风机翱电耗，kW；板 N鞍3哀膨胀机油凹泵电耗，kW；捌 N暗4啊空冷塔水敖泵电耗，kW；捌 N拌5翱水冷塔水绊泵电耗，kW；坝 N扒6俺水冷塔抽哎风机电耗，kW暗；肮 N暗7凹冷冻机电暗耗，kW；俺 N伴8拌蔼分子筛再生电耗绊，kW；澳班成套设备总电耗罢： 芭百N= N颁K翱+ N埃f澳班单位制氮电耗：按

20、 N哎N2岸=哀板N/袄百V埃N2啊 拜 耙 败矮V跋N2胺=V埃1挨+3V办2蔼 V半1案气氮总量绊，m熬3八n/h；罢 V俺2伴液氮产量暗换算至标准状态把的气氮量，m版3邦n/h；笆埃 变压吸附制氮班电耗的计算罢变压吸附制氮流爱程电耗主要有两唉部分，即压缩机鞍电耗和辅机电耗唉（一般不包括氮隘产品的压缩功耗拜和照明用能耗）皑。办摆 压缩功耗： 班 N佰K鞍=N版半e伴 N班K扮空压机功般率，kW；案 办伴e 电动癌机效率，%（由败电动机生产厂提罢供）；疤 N耙电动机输入功率隘，kW；埃唉辅助电耗：N暗f安=N熬1摆+N八2班 N白1澳预冷机组邦功率，kW；哎 N凹2案氮气净化氨装置中分子筛再

21、捌生电耗，kW；板盎成套设备总电耗唉： 案扮N= N哀K俺+ N瓣f耙懊单位制氮电耗：阿 N稗N2安=般背N/V拜1熬 版 佰 V捌1绊气氮总量吧，m安3矮n/h；啊氨 单位制氮电耗袄比较表（氮气产绊品的压力均为0柏.7MPa）背氮气产量笆（办m爸3爸n/h）柏深冷制氮版变压吸附制氮巴纯度：95%芭纯度：99.9笆%懊纯度：95%拜纯度：99.9埃%哀单位制氮电耗扮（kWh/拜 m搬3疤nN2）半单位制氮电耗傲（kWh/哎 m跋3半nN2）柏单位制氮电耗罢（kWh/蔼 m笆3阿nN2）昂单位制氮电耗稗（kWh/版 m拜3安nN2）敖100扒0.巴82板0白.82碍0.4班0.86扳300佰0.

22、5坝1板0.51隘0.36版0.52癌600唉0.4挨5熬0.4拜6霸0.36捌0.45傲 1000瓣0.4哎2绊0.4暗3半0.35背0.41拔 1500按0.氨41柏0.案41巴0.35暗0.39傲 2000唉0.4笆0拌0.4蔼1佰0.35矮0.38蔼 3000昂0.半39疤0.40笆0.35艾0.37案单位制氮电耗是扮反映整套设备能凹耗的一个重要指吧标，从对比表中翱可以看出：对于芭生产高纯度氮气按（纯度在99.佰9%以上），深癌冷制氮与变压吸哎附制氮的单位电埃耗相差不大；但板对于生产纯度较败低的氮气，变压澳吸附制氮在单位澳电耗上有着明显澳的优势。基建费用的比较拜变压吸附制氮设办备数量较