宋昶鋒 賀廣孝
摘 要:我國工業(yè)建設(shè)最近幾年發(fā)展非常迅速,帶動我國其他行業(yè)的不斷進步。氮氣化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熔點及沸點較低,常被用于密封氣、保護氣、冷卻氣等用途,在石化生產(chǎn)及其他工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著工業(yè)化進程的加深,社會生產(chǎn)對氮氣的需求量逐年增加,在對以往制氮方式進行創(chuàng)新的同時,制氮工藝的節(jié)能環(huán)保性也備受人們關(guān)注。
關(guān)鍵詞:化工生產(chǎn);空分制氮的方法
0 引言
時代的進步,科技的發(fā)展使我國快速進入現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)發(fā)展階段,很多先進技術(shù)運用到各行業(yè)中,使其發(fā)展更為迅速。氮氣作為一種最常見,最廉價的惰性氣體,被廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)中。氮氣可作為保護介質(zhì),用于易氧化、易燃、易爆、易腐蝕物料的保護、輸送、密封等;作為傳熱介質(zhì),在冶金粉末的熱處理中起到不可或缺的作用;作為原料氣,用于工業(yè)合成氨等生產(chǎn)。
1 深冷制氮工藝特點
深冷制氮法發(fā)展歷史悠久,在其優(yōu)化過程中,曾經(jīng)歷高壓、高低壓、中壓和低壓等多個發(fā)展階段?,F(xiàn)代空分技術(shù)融入后,高壓、高低壓、中壓等制氮工藝流程已經(jīng)很少出現(xiàn),取而代之的是全低壓制氮工藝流程。相對而言,全低壓制氮工藝制氮精度更穩(wěn)定、工藝安全性更高,且具備優(yōu)良的節(jié)能環(huán)保屬性,目前市面上的大中型低壓空分裝置多采用該技術(shù)。全低壓空分制氮工藝根據(jù)壓縮環(huán)節(jié)可被分為外壓縮和內(nèi)壓縮2個流程。其中,外壓縮流程加工產(chǎn)品為低壓氮氣或氧氣,通過單獨設(shè)置的壓縮機進行壓縮氣體傳輸和供應(yīng)。而內(nèi)壓縮流程在冷箱內(nèi)使用液態(tài)泵將液態(tài)氧及液態(tài)氮加壓氣化,在主換熱器復(fù)熱后進行供應(yīng)。以最常見的深冷制氮空分全低壓雙塔工藝流程為例,其中涵蓋原料過濾、氣體壓縮、冷卻、純化、加壓、膨脹、精餾、物質(zhì)分離、復(fù)熱及供應(yīng)等環(huán)節(jié)。
2 變壓吸附空分制氮
變壓吸附空分制氮的原理:以空氣為原料,碳分子篩(活性氧化鋁和硅膠亦可)為吸附劑,運用變壓吸附原理,利用富含微孔結(jié)構(gòu)的碳分子篩對不同氣體的吸附選擇性不同的特性,使空氣中的氧、氮分離,從而獲得產(chǎn)品氮氣。碳分子篩對氧和氮的吸附選擇性原理為:氧氣分子因直徑小,在碳分子篩表面上擴散速率較快;氮氣分子直徑大,在碳分子篩表面上擴散速率較慢。壓力增加,碳分子篩優(yōu)先吸附氧氣,氣相中氮氣被富集起來,從而形成成品氮氣;壓力減小,被吸附的氧氣從碳分子篩脫附而出,從而形成成品氧氣;經(jīng)吸附脫附循環(huán)后,碳分子篩得以重復(fù)使用。變壓吸附空分制氮法的工藝流程分為:空氣壓縮系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)(過濾凈化系統(tǒng))、吸附分離系統(tǒng)。原料空氣經(jīng)空壓機壓縮進入空氣緩沖罐,此時絕大部分的H2O、油狀物和小顆粒粉塵會附著于罐壁,不斷凝聚后會流至罐底排出,但還有一部分未除凈的雜志隨氣流進入到過濾凈化系統(tǒng)。壓縮空氣過濾凈化系統(tǒng)由3個不同精度的過濾器、1個冷干機和1個除油器組成,壓縮空氣經(jīng)冷凍除濕、由粗至精、層層過濾,將壓縮空氣中的油污、液態(tài)水和塵埃過濾至標(biāo)準(zhǔn)潔凈度(含油量<0.001ppm,最大塵埃粒徑<0.01μm)。凈化后的壓縮空氣分流進入A/B吸附塔,通過制氮機上氣動閥門的自動切換進行交替吸附與解吸,氮氣被不斷富集并輸送至氮氣儲罐,富氧空氣不斷釋放到空氣中。該工藝流程簡單、設(shè)備較少,故而車間占地面積較小,廠房無特殊要求,工程造價低。維護方面:設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,維修保養(yǎng)技術(shù)難度小,維護費用較低;操作方面:常溫操作,自動化程度高,啟動快(15-30min),可連續(xù)亦可間歇生產(chǎn);安全方面:常溫較高壓力下運行,不會發(fā)生有機化合物局部聚集現(xiàn)象,無爆炸危險;經(jīng)濟實用性方面:生產(chǎn)系統(tǒng)能耗低,可間歇操作,氮氣純度可根據(jù)具體需要在較大范圍內(nèi)進行氣體生產(chǎn),適用于氮氣純度在79%-99.99%的中小規(guī)模場合。因其操作維護方便、投入成本較低、裝置適應(yīng)性較強,故而在中、小型氮氣用戶眼中備受歡迎。
3 膜組的連接方式與比較
在設(shè)計和制造膜空分制氮機時,膜組的連接方式一般而言有三種即并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián),并聯(lián)就是將若干膜組水平或垂直放置,共壓縮空氣進氣管、共氮氣出氣管和共富氧出氣管;串聯(lián)則是將膜組的進氣口跟另一根的N2出口相連接,僅共富氧出氣管;而混聯(lián)是兩組及以上的并聯(lián)或串聯(lián)再串聯(lián)或并聯(lián),串聯(lián)和并聯(lián)可看成是特殊的最簡單的混聯(lián)。按空間位置關(guān)系并聯(lián)又分平面并聯(lián)和立體并聯(lián),前者即在一個平面上將若干膜組水平或垂直放置成排并聯(lián)起來,而后者將膜組在空間成圓周對稱或均勻布置而并聯(lián)起來,或者幾組平面并聯(lián)再并聯(lián)(如膜組很多時)。至于多根膜組的連接,還必須考慮到膜組的進出端接口大小,若串聯(lián)的根數(shù)過多,就會增大氣壓力的路徑損失,這樣也無法使后端膜組達到正常的工況條件,因此采用串連時須綜合考慮溫壓降對使用效果的影響。上述問題的前提條件是使用的同種膜組性能幾乎一樣,若當(dāng)同種膜組性能差異(主要指額定工況下的產(chǎn)氮量)較大時,上述的結(jié)論就不一定成立,膜組數(shù)量不多時串聯(lián)可能是較好選擇,尤其是2-3根時;當(dāng)數(shù)量很多時,混聯(lián)是最佳選擇:先把所有膜組分成優(yōu)劣兩組,優(yōu)者跟優(yōu)者并聯(lián),劣者跟劣者并聯(lián),然后再串聯(lián),一般而言,劣者在前,優(yōu)者在后。總之串聯(lián)的氣流分配與匯集技術(shù)較并聯(lián)的簡單,但管路連接復(fù)雜,并聯(lián)的則相反,而混聯(lián)介于二者之間。
4 變壓吸附空分制氮用炭分子篩制備技術(shù)
①產(chǎn)品和技術(shù)簡介:由煤、堅果殼(核)、酚醛樹脂等原料制備變壓吸附空分制氮用炭分子篩(CMS)系列成套技術(shù),包括獨有的粘結(jié)劑配方、高效CMS調(diào)孔過程實時控制技術(shù)和CMS整粒技術(shù)。所制備的變壓吸附空分富氮用炭分子篩的性能達到國際先進水平,具有較強的市場競爭力;②應(yīng)用范圍:產(chǎn)品炭分子篩(CMS)用作變壓吸附空分制氮吸附劑。變壓吸附空分制氮廣泛用于食品、冶金、化工、煤炭、合成纖維等工業(yè)部門;③生產(chǎn)條件:需粉碎機、捏合機、成型機、烘干設(shè)備、電熱轉(zhuǎn)爐、小型PSA評價裝置、制氮機、輸液泵、尾氣焚燒系統(tǒng)等常規(guī)設(shè)備和專用微量CMS快速性能檢測系統(tǒng)、CMS斷條整理系統(tǒng)等。
5 膜分離空分制氮
該工藝流程簡單,設(shè)備少,故而用地面積較小,廠房無特殊要求,工程造價低,但膜交換器價格昂貴,儀器設(shè)備投資較大。維護方面:維護保養(yǎng)技術(shù)難度低,但因材料問題維護保養(yǎng)費用較高;操作方面:常溫操作,啟動時間短(一般≤20min),可連續(xù)運行,也可間歇運行。氣體產(chǎn)品產(chǎn)量、純度可調(diào),靈活性較好。經(jīng)濟實用性方面:在氮氣純度99%以下膜分離制氮法能耗和變壓吸附制氮法能耗無太大區(qū)別,但氮氣純度高于99.5%,膜分離制氧經(jīng)濟性比變壓吸附要差??傮w來說,現(xiàn)階段膜分離制氮法工藝還未成熟,尤其是工藝運用還未達到普遍認(rèn)可,基本未得到工業(yè)應(yīng)用。
6 結(jié)語
從工程設(shè)計合理經(jīng)濟的角度:當(dāng)制氣用氣量較大或者氣體純度要求較高時,宜采用深冷空分制氮法;當(dāng)制氣用氣量較小、需間歇操作或者氣體純度有變化時,宜采用深冷空分制氮法。膜分離空分制氮還有待進一步研究發(fā)展,以期滿足工業(yè)化的條件。
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