隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，氮?dú)庠诨?、電子、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，在平常的狀態(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(lái)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(lái)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—?dú)?、氮混合氣若用純液氮洗滌精制，可使惰性氣體的含量極微小，一氧化硫和氧的含 量不超過(guò)20ppm。

純凈的氮?dú)鉄o(wú)法從自然界直接汲取，主要采用空氣分離法。空氣分離法中包 括：深冷法、變壓吸附法、膜分離法。

此法是先將空氣壓縮、冷卻，并使空氣液化，利用氧、氮組分的沸點(diǎn)的不同 （在大氣壓下氧的沸點(diǎn)為90K，氮的沸點(diǎn)為77K），在精餾塔的塔盤上使氣、液接觸，進(jìn)行質(zhì)、熱交換，高沸點(diǎn)的氧不斷從 蒸汽中冷凝成液體，低沸點(diǎn)的氮不斷的轉(zhuǎn)入蒸汽中，使上升的蒸汽中含氮量不斷提高，而下流液體中含氧量越來(lái)越高，從而使氧、氮分離，得到氮?dú)饣蜓鯕?。此法?在120K以下的溫度條件下進(jìn)行的，故稱為深冷法空氣分離。

變壓吸附法即PSA法 （Pressure SwingAdsorption），基于吸附劑對(duì)空氣中的氧、氮組分選擇性吸附而使空氣分離得到氮?dú)?。?dāng)空氣經(jīng)過(guò)壓縮，通過(guò)吸附塔的吸附層時(shí)，氧分子優(yōu)先被吸附，氮 分子留在氣相中，而成為氮?dú)?。吸附達(dá)到平衡時(shí)，利用減壓將分子篩表面所吸附的氧分子驅(qū)除，恢復(fù)分子篩的吸附能力即吸附劑解析。為了能夠連續(xù)提供氮?dú)?，裝置 通常設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上的吸附塔，一個(gè)塔吸附，另一個(gè)塔解析，按適當(dāng)?shù)臅r(shí)間切換使用。

膜分離法是利用有機(jī)聚合膜的滲透選擇性，從氣體混合物中分離出富氮?dú)怏w。 理想的薄膜材料應(yīng)具有很高的選擇率和滲透性。為了得到經(jīng)濟(jì)的流程，需要很薄的聚合物分離膜（0.1μm），所以需要支 撐。滲透器常為板式滲透器和中空纖維滲透器。此法，若產(chǎn)氣量大，所需薄膜表面積太大，薄膜價(jià)格高，雖然膜分離法裝置簡(jiǎn)單，操作方便，但工業(yè)應(yīng)用還不廣泛， 本篇不再多述。

深冷制氮已有近百年的歷史，工藝流程不斷改進(jìn)。變壓吸附制氮是近二十年發(fā) 展起來(lái)并被市場(chǎng)廣泛接受的技術(shù)。本篇試從流程、費(fèi)用、運(yùn)行和產(chǎn)品種類等方面比較二者的差別，并得出相關(guān)結(jié)論。

整個(gè)流程由空氣壓縮及凈化、空氣分 離、液氮汽化組成，見(jiàn)圖-1。

空氣經(jīng)空氣過(guò)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>

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(lái)的部分氮?dú)猓淠蟮囊旱徊糠肿鳛榫s塔的回流 液，另一部分作為液氮產(chǎn)品出空分塔。

由空分塔出來(lái)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>

⑴空氣過(guò)濾器：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(guò)空氣過(guò)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(guò)濾器或中效過(guò)濾器。

⑵空氣壓縮機(jī)：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)。

⑶空氣冷卻器：是用來(lái)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(lái)的廢氣冷卻循環(huán)水，空冷塔是用水冷塔出來(lái)的循環(huán)水冷卻空氣）、氟里昂 空冷器。

⑷空氣干燥凈化器：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(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)?？諝鈨艋妮^常用方法是吸附法和凍結(jié)法。目前國(guó)內(nèi)在中小型制氮裝置中廣泛采用分子篩吸附法。

⑸空分塔：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。

⑹透平膨脹機(jī)：是制氮裝置用來(lái)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)。

空氣經(jīng)空氣過(guò)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(guò)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摳剿┦挂盐降难鯕?、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)?，?jiàn)圖-2。變壓吸附制取的氮?dú)饧兌葹?5%-99.9%，如果需要更高純度的氮?dú)庑柙黾?氮?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(guò)**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?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(guò)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)?，此時(shí)的氮?dú)饧兌瓤蛇_(dá)99.9995%，見(jiàn)圖-3。目前國(guó)內(nèi)變壓吸附制氮較大的生產(chǎn)能力為3000m³n/h。

⑴后冷卻器：是用來(lái)降低進(jìn)入空氣干燥凈化器前壓縮空氣的溫度，使之析出油和水的設(shè)備。通常采用列管式、套管式、散熱片式等結(jié)構(gòu)的后冷卻器。

⑵油水分離器：它的作用是分離壓縮空氣中所含的油分和水分，使壓縮空氣得到初步的凈化。

⑶空氣干燥凈化器：壓縮空氣經(jīng)后冷卻器后仍含有一定的水分，其含量取決于空氣的溫度。壓縮空氣的干燥處理一般采用分子篩吸附法和冷凍干燥法。

⑸氮?dú)鈨艋O(shè)備：包括除氧塔、吸附干燥器和水冷凝器。除氧塔是一個(gè)用鈀作催化劑的催化反應(yīng)器。吸附干燥器的吸附劑為分子篩，再生方式為有熱再生（電加熱）。

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)單，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。

深冷制氮不僅可以生產(chǎn)氮?dú)舛铱梢陨a(chǎn)液氮，滿足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足工藝裝置對(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)?，無(wú)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)狻５獨(dú)饧兌仁艿降獨(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)，如果需要更高純度的氮?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)獾募兌染驮降停环粗畡t越高。因此，對(duì)于一套變壓吸附制氮設(shè)備只要負(fù)荷允許其產(chǎn)品純度可以在90-99.9%之間任意調(diào)節(jié)。

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(guò)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)備不宜經(jīng)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 氣產(chǎn)品，如果需要高純的氮?dú)?，那么?jīng)過(guò)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)?。停機(jī)時(shí)也只需按一下按鈕便可。 因此，變壓吸附制氮特別適用于間斷運(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(guò)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?產(chǎn)，無(wú)需專人管理。

深冷制氮流程電耗主要有兩部分，即壓縮機(jī)電耗和輔機(jī)電耗（一般不包括氮產(chǎn)品的壓縮功耗和照明用能 耗）。

? ? ? N₂---壓縮機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)抽風(fēng)機(jī)電 耗，kW；

③成套設(shè)備總電耗： ΣN= N_K+N_f

? ? ? ?V₂---液氮產(chǎn)量換算至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的氣氮 量，m³n/h；

變壓吸附制氮流程電耗主要有兩部分，即壓縮機(jī)電耗和輔機(jī)電耗（一般不包括氮產(chǎn)品的壓縮功耗和照明用能 耗）。

? ? ? N₂---氮?dú)鈨艋b置中分子篩再生電 耗，kW；

③成套設(shè)備總電耗： ΣN= N_K+N_f

④單位制氮電耗：? N_N2=ΣN/V₁?????????

單位制氮電耗是反映整套設(shè)備能耗的一個(gè)重要指標(biāo)，從對(duì)比表中可以看出：對(duì)于生產(chǎn)高純度氮?dú)猓兌仍?9.9%以上），深冷制氮與變壓吸附制氮的單位電耗相差不大；但對(duì)于生產(chǎn)純度較低的氮?dú)猓儔何街频趩挝浑姾纳?有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

5、?基建費(fèi)用的比較

變壓吸附制氮設(shè)備數(shù)量較少，基建費(fèi)用少，對(duì)廠房和設(shè)備基礎(chǔ)的要求也不高。深冷制氮設(shè)備較復(fù)雜，安裝 要求高且周期長(zhǎng)，并且保冷箱和保冷材料（珠光砂）需要大量資金，基建投資高。

6、?設(shè)備費(fèi)用的比較

根據(jù)石油化工裝置的用氮?dú)馇闆r，下表列出了制取純度為99.9%、 壓力為0.7MPa氮?dú)獾脑O(shè)備費(fèi)比較：

變壓吸附制氮本身較簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械數(shù)量少，近似常溫常壓下操作，維修保養(yǎng)工作量少，費(fèi)用低。而深冷制 氮在低溫下運(yùn)行，運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械較復(fù)雜，所以維修費(fèi)用及保養(yǎng)時(shí)間均比變壓吸附制氮多。

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)?連續(xù)負(fù)荷大于600 m³n/h，間斷負(fù)荷用量不太大，可以通過(guò)液氮汽化滿足要求時(shí)，應(yīng)采用深冷制氮。

b)????? 當(dāng)?shù)獨(dú)?連續(xù)負(fù)荷大于600 m³n/h，間斷負(fù)荷用量大，液氮汽化已不能滿足其用量時(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)?連續(xù)負(fù)荷小于600 m³n/h，可采用變壓吸附制氮。

d)???? 變壓吸 附制氮特別適用于氮?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)，除非有外部供應(yīng)液氮的可能，否則均應(yīng)采用深冷制氮。