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        深度冷凍法制氮淺析

        2017-03-04 18:56:49趙維東蘭州石化公司動(dòng)力廠甘肅蘭州730060
        化工管理 2017年26期
        關(guān)鍵詞:深度工藝

        趙維東(蘭州石化公司動(dòng)力廠,甘肅蘭州730060)

        深度冷凍法制氮淺析

        趙維東(蘭州石化公司動(dòng)力廠,甘肅蘭州730060)

        在我國石油化工領(lǐng)域,深度冷凍法制氮應(yīng)用十分廣泛,且制氮工藝的進(jìn)步直接關(guān)系著石油化工領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和科技發(fā)展。本文的研究方向主要集中在本文所選用的8000Nm3/h制氮裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,通過結(jié)果的分析,淺析8000Nm3/h制氮裝置在制氮工作中的優(yōu)勢(shì)。

        制氮工藝;深度冷凍分離;空氣動(dòng)力學(xué)

        深度冷凍這種制氮方式,隨著科技發(fā)展,其工藝不斷成熟,優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)得更為明顯。在以往的深冷制氮的工藝當(dāng)中主要有深冷分離、PSA變壓吸附和膜分離三種模式。而這三種模式的應(yīng)用場(chǎng)景、工藝要求存在著諸多差異。本文進(jìn)行試驗(yàn)的裝置為8000Nm3/h制氮裝置,該裝置運(yùn)用深冷制氮的方法,完成制氮,具有突出的優(yōu)勢(shì)。

        1 三種常見制氮方法的工藝原理及優(yōu)勢(shì)比較

        1.1 三種制氮方法的工藝原理

        1.1.1 PSA變壓吸附法

        在空氣當(dāng)中,氧氣和氮?dú)飧鶕?jù)空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng),存在著擴(kuò)散速率差異化明顯的特點(diǎn),這一特點(diǎn)尤其表現(xiàn)在碳分子篩時(shí)擴(kuò)散速率的差變化更加巨大。此時(shí),氮?dú)鈹U(kuò)散速率遠(yuǎn)低于氧,因此吸附未平衡時(shí),碳分子篩可以大量吸附氧氣,從而使氮?dú)飧患?。因此PSA變壓吸附法根據(jù)這一特性對(duì)空氣中的氮?dú)夂脱鯕膺M(jìn)行分離,從而獲得氮?dú)?。因此該工藝又被稱為碳分子篩制氧工藝。

        1.1.2 膜分離法

        在使用膜分離法的過程中,空氣中的氮?dú)夂脱鯕庑枰?jīng)過膜的兩側(cè)壓差作用,從而使兩種氣體的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)差異表現(xiàn)出來。其中水蒸氣和氧氣以其滲透率快的特點(diǎn)會(huì)迅速通過膜,形成富氧氣體,而氮?dú)獾臐B透率十分緩慢,從而在膜上形成滯留富集,成為富氮?dú)怏w并十分干燥。因此可以通過這種方法使空氣中的氮氧得到分離,從而獲得氮?dú)狻?/p>

        1.1.3 深度冷凍分離法

        與前兩者所應(yīng)用的空氣中氮氧的擴(kuò)散特性不同,深度冷度分離法所應(yīng)用的氮氧特點(diǎn)主要為氮氧的沸點(diǎn)存在的差別實(shí)現(xiàn)氮氧分離。因此在實(shí)際操作中,會(huì)將原材料空氣首先進(jìn)行壓縮,并通過空氣的膨脹和冷凍使其液化,形成液空晶餾,在精餾塔低通過與溫度較高的氣體相接觸,使液控晶餾中的氮?dú)庹舭l(fā),氧氣冷凝,從而實(shí)現(xiàn)氮氧分離。

        1.2 三種制氮方法的優(yōu)勢(shì)比較

        深度冷凍分離制氮法所選用的設(shè)備有空氣壓縮機(jī)、電加熱器、分餾塔、冷凝蒸發(fā)器等,與其他兩種工藝方式相比較,占地面積更大,工作步驟和內(nèi)容也更多,相較于PSA變壓吸附制氮,其投資稍高。而對(duì)比膜分離制氮,投資相對(duì)較低。但是,在制氮能力方面,深度冷凍分離制氮是膜分離制氮和PSA制氮的十倍之多,氮?dú)饧兌雀?,同純度的氮?dú)馓崛÷氏噍^于其他兩種方法高出接近50%,例如純度為99.9%的氮?dú)馓崛。疃壤鋬龇蛛x制氮法可以達(dá)到45%,而PSA制氮法僅能達(dá)到32.1%,而膜分離制氮僅有15%??梢娫趯?shí)用性領(lǐng)域,深度冷凍分離制氮法更具價(jià)值和優(yōu)勢(shì)[1]。

        2 8000Nm3/h制氮裝置的特點(diǎn)和應(yīng)用

        2.1 制氮準(zhǔn)備和應(yīng)用要求

        本文所選取的實(shí)驗(yàn)環(huán)境是某公司在為煉油區(qū)提供生產(chǎn)所需的氮?dú)膺^程中應(yīng)用8000Nm3/h制氮裝置進(jìn)行的制氮操作。為了確保制氮工作的順利進(jìn)行以及制氮成品的氮?dú)饧兌龋摴局频^程開始之前選用了極為全面的設(shè)備系統(tǒng)作為輔助制氮裝置使用。其中包括離心式空氣壓縮機(jī)兩臺(tái)、冷卻器一臺(tái)、預(yù)冷機(jī)組兩臺(tái)、分子篩純化器一套、分餾塔一具包括主冷箱和熱氣冷箱、透平式膨脹機(jī)兩臺(tái)、氮?dú)庠鰤簷C(jī)一臺(tái)、100m3液態(tài)儲(chǔ)罐三具、900m3/h循環(huán)水單元一套。通過這些設(shè)備的準(zhǔn)備,使其與8000Nm3/h制氮裝置共同工作,從而保證氮?dú)饧兌龋瑵M足煉油區(qū)的氮?dú)鈶?yīng)用的要求。

        2.2 8000Nm3/h制氮裝置的制氮方法綜述

        現(xiàn)代制氮工作以分離空氣中的氮氧為主要原理,因此需要以純凈的空氣作為制氮原料使用。首先使用除塵過濾器對(duì)原料空氣進(jìn)行處理,并過濾掉空氣當(dāng)中存在的灰塵和機(jī)械雜質(zhì),再使其進(jìn)入空氣壓縮機(jī)當(dāng)中進(jìn)行壓縮。注意此處空氣壓縮機(jī)的壓力設(shè)定需要控制在0.60-0.75MPa之間,才能確保空氣得到完美壓縮。壓縮完成后的空氣需要送入到末冷器當(dāng)中進(jìn)行降溫處理,再進(jìn)入預(yù)先溫度設(shè)定為3-10℃的預(yù)冷機(jī)組,使其能夠在氣液分離器中分理出已處于游離態(tài)的冷凝水,并應(yīng)用分子篩純化器吸附空氣中的二氧化碳、殘留的水蒸氣和碳?xì)浠衔?。此時(shí)的空氣作為純氮純氧狀態(tài)在進(jìn)入到分餾塔前使其與主換熱器的返流氣體實(shí)現(xiàn)換熱,此時(shí)液化空氣溫度達(dá)到-170℃進(jìn)入到分餾塔,經(jīng)測(cè)算,氮的沸點(diǎn)在-195.8℃而氧的沸點(diǎn)-182.98℃,并依托于兩者之間13℃的溫度差進(jìn)行分離,成為氮?dú)夂透谎跻嚎諆煞N形態(tài),分餾塔中富氧液空在流經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入到冷凝蒸發(fā)器,被低壓側(cè)汽化,成為污氮?dú)庖?。而分離的氮?dú)馍仙晾淠髦幸夯亓鞯椒逐s塔作為產(chǎn)品導(dǎo)出。

        2.3 從8000Nm3/h制氮裝置的制氮過程分析深度冷凍法制氮特色

        深度冷凍制氮法雖然流程較為復(fù)雜,所應(yīng)用的設(shè)備也居多,但是作為一個(gè)有著數(shù)十年發(fā)展歷史的制氮工藝,在現(xiàn)時(shí)代,工藝技術(shù)已經(jīng)十分成熟,可靠性能非常高[2]。與此同時(shí),該方法運(yùn)行成本更低、受到外部環(huán)境的因素影響小,產(chǎn)品質(zhì)量高。此外,深度冷凍制氮法還具有低溫、連續(xù)的特點(diǎn),這使得其制氮過程中氮?dú)鈮毫Ρ3址€(wěn)定。

        3 結(jié)語

        綜上所述,在目前眾多的制氮工藝技術(shù)當(dāng)中,深度冷凍制氮法以其獨(dú)有的氮氧分離工藝使得其具有價(jià)格、質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì),同時(shí)在于其他制氮工藝技術(shù)相比是,制氮產(chǎn)品的純度更高、產(chǎn)量更加巨大,是目前所有制氮工藝的應(yīng)用當(dāng)中最為廣泛的一種。眾多石油化工廠家在考慮制氮工藝選擇時(shí)可以認(rèn)真了解深度冷凍制氮法的優(yōu)勢(shì),并根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。

        [1] 劉碩.淺談變壓吸附與深冷制氮工藝的選擇[J].山東化工,2017,(07):145-147+150.

        [2] 余化,馮天照.制氮工藝技術(shù)的比較與選擇[J].化肥設(shè)計(jì), 2012,(01):13-15+19.

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