工業(yè)規(guī)模制備氮氣(最新整理)_1

1、工業(yè)規(guī)模制備氮氣工業(yè)規(guī)模制氮有三類：即深冷空分制氮、變壓吸附制氮和膜分離制氮。利用各空氣的沸點不同使用液態(tài)空氣分離法，將氧氣和氮氣分離。將裝氮氣的瓶子漆成黑色，裝氧氣的漆成藍色。深冷空氣分離技術(shù)深度冷凍法分離空氣是將空氣液化后，再利用氧、氮的沸點不同將它們分離。即，造成氣、液濃度的差異這一性質(zhì)，來分離空氣的一種方法。因此必須了解氣、混合物的一些基本特征：氣-液相平衡時濃度間的關(guān)系：液態(tài)空氣蒸發(fā)和冷凝的過程及精餾塔的精餾過程。1. 空氣的汽-液相的平衡，物質(zhì)的聚集狀態(tài)有氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。每種聚集態(tài)內(nèi)部，具有相同的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)并完全均勻的部分，稱為相。空氣在塔內(nèi)的分離，一般情況下，物料精餾是

2、在汽、液兩相進行的?？諝庵醒鹾偷嫉?99.04%，因此，可近似地把空氣當(dāng)作氧和氮的二元混合物。當(dāng)二元混合物為液態(tài)時，叫二元溶液。氧、氮可以任意比例混合，構(gòu)成不同濃度的氣體混合物及溶液。把氧、氮溶液置于一封閉容器中，在溶液上方也和純物質(zhì)一樣會產(chǎn)生蒸汽，該蒸汽是由氧、氮蒸汽組成的氣態(tài)的相混合物。對于氧氮二元溶液，當(dāng)達到汽液平衡時，它的飽和溫度不但和壓力有關(guān)，而且和氧、氮的濃度有關(guān)。當(dāng)壓力為 1at 時，含氮為 0%，2%， 10%的溶液的沸點列于表 1-5。從表可知，隨著溶液中低沸點組分（氮）的增加，溶液的組和溫度降低，這是氧-氮二元溶液的一個重要特性?？諝庵泻瑲?0.93%，其沸點又介于氧、氮

3、之間。在空氣分離的過程中，氬對精餾的影響較大，特別是在制取高純氧、氮產(chǎn)品時，必須考慮氬的影響。 一般在較精確的計算中，又將空氣看作氧-氬-氮三元混合物，其濃度為氧 20.95%，氬 0.93%，氮 78.09%（按容積）。三元系的汽液平衡關(guān)系，可根據(jù)實驗數(shù)據(jù)表示在相平衡圖上。確定三元系的汽液平衡狀態(tài)時，必須給定三個獨立參數(shù)，除給定溫度、壓力外，需再細定一個組分濃度（氣相或液相）平衡狀態(tài)才能確定。2. 壓力-濃度圖和溫度-濃度圖 在工業(yè)生產(chǎn)中，氣液平衡一般在某一不變條件下進行的。7是根據(jù) t=常數(shù)，繪出的氧、氮平衡系的 p-x 圖，縱坐標(biāo)為壓力，橫坐標(biāo)取氮的液相及氣相濃度（也可取氧的濃度）。每給

4、定一個壓力就對應(yīng)有一個液相及氣相濃度。分別連接不同壓力下的氣相濃度點及液相濃度點，則可得出圖中所示的飽和蒸汽線（虛線）和飽和液體線（實線）。其余相區(qū)如圖所示。在某一壓力 p1 下，與液、汽飽和線的交點分別為點 1（x1）和點 2（y2），又因為 pn20po20 根據(jù)康諾瓦羅夫定律，氮組分在氣相中的濃度要大于在液相中的濃度 y2x1。一般蒸發(fā)（冷凝）過程是在等壓下進行的，所以用 t-x 圖來研究這一過程更為方便。在等壓下，氧、氮的氣液平衡圖見圖 1-14。每經(jīng)定一個溫度，就對應(yīng)有一個液相及氣相濃度。把不同溫度下對應(yīng)的氣相濃度點和液相濃度點連接起來，可得飽和蒸汽線（虛線）和飽和液體線（實線）。這

5、兩條曲線把圖分為三個區(qū)域： 液相區(qū)、氣相區(qū)及兩相區(qū)。由圖 1-14 可知，純組分時的沸點 tn20po20 在某一溫度 t1 下，根據(jù)康諾瓦羅夫定律可知，y2x1。同時，還可以看出，當(dāng)濃度為 x1 時溶液的沸點是 t1，即不等于 to20，也不等于 tn20 而是介于兩者之間。對于不同壓力，可得不同的氧、氮平衡曲線中壓力 p3p2p1，壓力越高，飽和液體線和飽和蒸汽線之間的距離越窄，也就是說高壓下氣-液間濃度差變小，而在低壓下濃度差加大。在相同的液相濃度 x0 下，可以看出 y1y2y3。氣液相濃度差越大，表示氧氣分離越容易，因此在低壓下，分離空氣是比較有利的，因為可以大大減少精餾塔板的數(shù)量。

6、3. 汽液平衡濃度圖（y-x 圖） 在一定壓力下，取二元溶液中低沸點組分（氮）的濃度 xn2 為橫坐標(biāo)，與其平衡的氣相中氮濃度 yn2 為縱坐標(biāo)，構(gòu)成的圖叫 y-x 圖在 y-x 圖中 p3p2p1。當(dāng)壓力愈低時，等壓線離 y=x 的對角錢就愈遠，表示組分在汽液中相的濃度差愈大， 混合物分離就愈容易。當(dāng)壓力一定時，由于采用低沸點組分為坐標(biāo)的，氣在氣相中的濃度大于液相中的濃度，所以等壓線均在對角線（y=x 線）以上，并為向上凸起曲線。如以高沸點組分氧為濃度坐標(biāo)時則相反。用 y-x 圖了解氣液平衡時氣液相濃度的關(guān)系非常清楚和方便，所以在二元溶液精餾過程中，分析塔板上氣液濃度變化時常要用到該圖。4.

7、 焓-濃度圖 在空氣分離技術(shù)中，很多情況下是研究過程的熱現(xiàn)象，因此通常采用焓-濃度圖（h-x 圖） 來進行研究就顯得比較方便。由給定的壓力、溫度和成分，再根據(jù)熱焓的計算式，求出與給定成分相對應(yīng)的飽和汽相和飽和液相的熱焓值， 并將所得的點 1、2和 1、2、連接起來，則可得飽和蒸汽線（虛線）和飽和液體線（實線）、然后再借助給定壓力下的 t-x 圖，求出在兩相區(qū)的等溫線。在 h-x 圖上，當(dāng) xn2=0.xn1=1 時，飽和蒸汽線和飽和液體線之間的距離，分別為液氧的汽化潛熱 ro2 和液氮的汽化潛熱 rn2。當(dāng)壓力改變時，因為各組分的飽和蒸汽和飽和液體的熱焓隨壓力而變化，所以飽和蒸汽線和飽和液體線

8、的位置就不同，壓力越高，這兩條曲線越向上移。h-x 圖的用途很廣，除用來作精餾計算外， 還可以用該圖求得氧氮混合物的潛熱、液體節(jié)流后的汽化率及汽液相濃度。深冷制氮裝置由以下幾部分組成1、空氣壓縮與輸送系統(tǒng)：包括一臺處理氣量為 50 萬 nm3/h 的自潔式空氣過濾器；一臺由 4 萬 kw 蒸汽透平驅(qū)動的空氣壓縮機和空氣增壓機及其附屬設(shè)備。2、空氣預(yù)冷系統(tǒng)：包括一臺處理氣量 30 萬 nm3h 的空氣冷卻塔、水冷卻塔、氨蒸發(fā)器及附屬系統(tǒng)。3、空氣凈化系統(tǒng)：包括兩臺分子篩吸附器和兩臺蒸汽加熱器。4、空氣分餾塔：包括一臺主精餾塔；一臺輔助冷凝蒸發(fā)器；一組低壓板式換熱器；一組高壓板式換熱器； 一組過冷

9、器；兩臺粗氬塔；一臺精氬塔；一臺帶增壓機的膨脹機；六臺工藝低溫液體泵。5、低溫液體貯存系統(tǒng)：包括兩臺 200m3 平底貯槽；兩臺 100m3 真空貯槽；一臺高壓事故氮泵（低溫液體泵）； 一臺水浴式氣化器；一臺高壓氧氣充瓶泵（往復(fù)式低溫液體泵）；一臺空浴式高壓汽化器；一套 24 頭充瓶架；兩臺充車泵。6、儀表空氣壓縮貯存系統(tǒng)：包括一臺氣量為 40nm3/h 螺桿空氣壓縮機，一臺 150 m3 的儀表空氣儲罐，兩臺干燥器。流程簡述本空分設(shè)備采用分子篩吸附預(yù)凈化、增壓透平膨脹機、全填料精餾（下塔篩板）及雙泵內(nèi)壓縮工藝。空氣過濾和壓縮空氣首先進入自潔式空氣吸入過濾器，在其中除去灰塵和其它固體雜質(zhì)后進入

10、主空壓機，經(jīng)多級壓縮后進入空冷塔，壓縮機級間的熱量被中間冷卻器中的冷卻水帶走?？諝獾睦鋮s空氣在進入分子篩吸附器前先在空冷塔中冷卻并洗滌。進入空冷塔上部的冷凍水，首先在水冷塔中利用干燥的出分餾塔污氮氣和氮氣進行冷卻，然后再進入空冷塔上部冷卻空氣。空冷塔下部采用全廠循環(huán)水供水系統(tǒng)的循環(huán)水對空氣進行初步冷卻。空氣的凈化空氣凈化系統(tǒng)由兩臺分子篩吸附器和兩臺雙管板蒸汽加熱器組成，分子篩吸附器吸附空氣中的水份、二氧化碳和一些碳氫化合物。兩臺分子篩吸附器一臺工作，另一臺再生。再生氣的加熱由蒸汽在蒸汽加熱器中完成。空氣的精餾出吸附器的空氣分為兩股，一股直接進入主換熱器冷卻后進入下塔；另一股通過空氣增壓機進一步

11、壓縮， 并經(jīng)增壓機后冷卻器冷卻后送入冷箱經(jīng)高壓主換熱器冷卻變?yōu)橐后w后節(jié)流進入下塔。膨脹空氣自空氣增壓機中部抽出，首先經(jīng)過膨脹機增壓端的壓縮及后冷卻器的冷卻，再進入主換熱器冷卻， 經(jīng)膨脹機膨脹后進入下塔。下塔中的上升氣體通過與回流液體接觸含氮量增加，在塔頂?shù)玫郊兊獨?。塔頂所需的回流液氮來自下塔頂部的冷凝蒸發(fā)器，在這里氧得到蒸發(fā)，而氮得到冷凝。下流的液體與上升的蒸汽接觸含氧量增加，在塔底得到富氧液空。下塔各液體餾分經(jīng)過冷、節(jié)流后分別送入上塔不同部位進一步分離，并在上塔頂部得到純氮氣，底部得到液氧。4、1 下塔從上到下產(chǎn)生以下產(chǎn)品： 純液氮 純氮氣 污液氮 22%o2 的貧液空 38%o2 的富氧液

12、空下塔各產(chǎn)品去向如下：富氧液空經(jīng)過冷器過冷節(jié)流后： 一部分進入上塔，作為其回流液， 另一部分進入粗氬塔冷凝器被汽化后送入上塔貧液空 大部分進入上塔，作為其回流液。 一部分進入精氬塔冷凝器被汽化后送入上塔，污液氮 自下塔中上部抽出，去上塔中上部純液氮： 大部分純液氮在過冷器中過冷后送入上塔頂部作回流液。 少部分純液氮作為產(chǎn)品抽出。 部分純液氮在液氮泵中被壓縮至所需壓力。然后送到高壓換熱器中通過與高壓空氣進行熱交換而得到高壓氮氣。純氮氣： 部分純氮氣經(jīng)主換熱器復(fù)熱作為產(chǎn)品抽出。4、2 在上塔從上到下產(chǎn)生以下產(chǎn)品： 頂部產(chǎn)生純氮氣 上部產(chǎn)生污氮氣 中部抽取氬餾份 底部產(chǎn)生液氧上塔各產(chǎn)品去向如下：純氮

13、氣從上塔頂部抽出后經(jīng)過冷器和主換熱器復(fù)熱至設(shè)計溫度出冷箱；污氮氣從上塔上部抽出后經(jīng)過冷器和主換熱器復(fù)熱至設(shè)計溫度出冷箱；氬餾份從上塔中部抽出,經(jīng)粗氬塔精餾在頂部產(chǎn)生工藝氬；液氧從上塔底部抽出。 在液氧泵中被壓縮至所需壓力。然后送到高壓換熱器中通過與高壓空氣進行熱交換而得到高壓氧氣。 需要時部分液氧可作為產(chǎn)品送出冷箱4、3 在粗氬塔頂部產(chǎn)生工藝氬。4、4 在精氬塔底部產(chǎn)生純液氬。5、產(chǎn)品的分布氣氧回路 氣氧以所需壓力 5.1mpa（g）直接從冷箱輸出。氣氮回路低壓氣氮 上塔低壓氣出冷箱后送到水冷塔對水進行冷卻。壓力氣氮 下塔壓力氮氣出冷箱后送出界區(qū)。（0.5 mpa（g） 高壓氮氣 下塔頂部液氮

14、由液氮泵加壓，經(jīng)高壓板式汽化復(fù)熱送出液氬 從精氬塔底部抽出去貯槽。污氮回路 一股污氮用于分子篩吸附器的再生, 另一股送到水冷塔對水進行冷卻，還有一小部分進入冷箱，對冷箱充氣。儀表及解凍用的干燥空氣空分設(shè)備儀表及解凍（處于正常工作狀態(tài)）用的干燥空氣從分子篩吸附器的出口抽出后送至儀表空氣網(wǎng)絡(luò)。液體排放 從冷箱排出的所有低溫液體匯集后送至噴射蒸發(fā)器與蒸汽混合蒸發(fā)后排入大氣。排氣 設(shè)備的排氣先送至各消音器再排入大氣。變壓吸附制氮機變壓吸附法（簡稱 psa）是一種新的氣體分離技術(shù)，其原理是利用分子篩對不同氣體分子“吸附”性能的差異而將氣體混合物分開。變壓吸附法(pressure swing adsorp

15、tion，簡稱 psa)是一種新的氣體分離技術(shù)，自 60 年代末 70 年代初在國外已經(jīng)得到迅速的發(fā)展，其原理是利用分子篩對不同氣體分子“吸附”性能的差異而將氣體混合物分開，它是以空氣為原料，利用一種高效能、高選擇的固體吸附劑對氮和氧的選擇性吸附的性能把空氣中的氮和氧分離出來。工藝概述目前在制氮、制氧領(lǐng)域內(nèi)使用較多的是碳分子篩和沸石分子篩。分子篩對氧和氮的分離作用主要是基于這兩種氣體在分子篩表面的擴散速率不同，碳分子篩是一種兼具活性炭和分子篩某些特性的碳基吸附劑。碳分子篩具有很小微孔組成，孔徑分布在 0.3nm 1nm 之間。較小直徑的氣體（氧氣）擴散較快，較多進入分子篩固相，這樣氣相中就可以

16、得到氮的富集成分。一段時間后，分子篩對氧的吸附達到平衡，根據(jù)碳分子篩在不同壓力下對吸附氣體的吸附量不同的特性，降低壓力使碳分子篩解除對氧的吸附，這一過程稱為再生。變壓吸附法通常使用兩塔并聯(lián)，交替進行加壓吸附和解壓再生，從而獲得連續(xù)的氮氣流。工作原理它是以空氣為原材料，利用一種高效能、高選擇的固體吸附劑對氮和氧的選擇性吸附的性能把空氣中的氮和氧分離出來。碳分子篩對氮和氧的分離作用主要是基于這兩種氣體在碳分子篩表面的擴散速率不同，較小直徑的氣體（氧氣）擴散較快，較多進入分子篩固相。這樣氣相中就可以得到氮的富集成分。一段時間后， 分子篩對氧的吸附達到平衡，根據(jù)碳分子篩在不同壓力下對吸附氣體的吸附量不

17、同的特性，降低壓力使碳分子篩解除對氧的吸附，這一過程稱為再生。變壓吸附法通常使用兩塔并聯(lián)，交替進行加壓吸附和解壓再生， 從而獲得連續(xù)的氮氣流。制氮機的生產(chǎn)運用制氮機簡介變壓吸附制氮機(簡稱 psa 制氮機)是按變壓吸附技術(shù)設(shè)計、制造的氮氣發(fā)生設(shè)備。通常使用兩11吸附塔并聯(lián)，由全自動控制系統(tǒng)按特定可編程序嚴格控制時序，交替進行加壓吸附和解壓再生，完成氮氧分離，獲得所需高純度的氮氣1 。設(shè)備特點(1)產(chǎn)氮氣方便快捷：先進的技術(shù)，獨特的氣流分布器，使氣流分布更均勻，高效地利用碳分子篩，20 分鐘左右即可提供合格的氮氣。(2) 使用方便：設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、整體撬裝，占地小無需基建投資，投資少，現(xiàn)場只需連接

18、電源即可制取氮氣。(3) 比其它供氮方式更經(jīng)濟：psa 工藝是一種簡便的制氮方法，以空氣為原料，能耗僅為空壓機所消耗的電能，具有運行成本低、能耗低、效率高等優(yōu)點。(4) 機電一體化設(shè)計實現(xiàn)自動化運行：進口 plc 控制全自動運行，氮氣流量壓力純度可調(diào)并連續(xù)顯示，可實現(xiàn)無人值守。(5)運用范圍廣：金屬熱處理過程的保護氣，化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)用氣及各類儲罐、管道的充氮凈化，橡膠、塑料制品的生產(chǎn)用氣， 食品行業(yè)排氧保鮮包裝，飲料行業(yè)凈化和覆蓋氣，醫(yī)藥行業(yè)充氮包裝及容器的充氮排氧，電子行業(yè)電子元件及半導(dǎo)體生產(chǎn)過程的保護氣等。純度、流量、壓力穩(wěn)定可調(diào)，滿足不同客戶的需要。技術(shù)指標(biāo)：流 量 ：5-1000nm/h

19、 純度：95%-99.9995%露點：-40壓力：0.8mpa 可調(diào)分類深冷空分制氮深冷空分制氮是一種傳統(tǒng)的制氮方法，已有近幾十年的歷史。它是以空氣為原料，經(jīng)過壓縮、凈化，再利用熱交換使空氣液化成為液空。液空主要是液氧和液氮的混合物，利用液氧和液氮的沸點不同(在 1 大氣壓下，前者的沸點為-183，后者的為-196)，通過液空的精餾，使它們分離來獲得氮氣。深冷空分制氮設(shè)備復(fù)雜、占地面積大，基建費用較高，設(shè)備一次性投資較多，運行成本較高，產(chǎn)氣慢(1224h)，安裝要求高、周期較長。綜合設(shè)備、安裝及基建諸因素，3500nm3/h 以下的設(shè)備，相同規(guī)格的 psa 裝置的投資規(guī)模要比深冷空分裝置低 2

20、0%50%。深冷空分制氮裝置宜于大規(guī)模工業(yè)制氮，而中、小規(guī)模制氮就顯得不經(jīng)濟。分子篩空分制氮以空氣為原料，以碳分子篩作為吸附劑，運用變壓吸附原理，利用碳分子篩對氧和氮的選擇性吸附而使氮和氧分離的方法，通稱 psa 制氮。此法是七十年代迅速發(fā)展起來的一種新的制氮技術(shù)。與傳統(tǒng)制氮法相比， 它具有工藝流程簡單、自動化程度高、產(chǎn)氣快(1530 分鐘)、能耗低，產(chǎn)品純度可在較大范圍內(nèi)根據(jù)用戶需要進行調(diào)節(jié)，操作維護方便、運行成本較低、裝置適應(yīng)性較強等特點，故在 1000nm3/h 以下制氮設(shè)備中頗具競爭力，越來越得到中、小型氮氣用戶的歡迎，psa 制氮已成為中、小型氮氣用戶的首選方法。膜空分制氮以空氣為原

21、料，在一定壓力條件下，利用氧和氮等不同性質(zhì)的氣體在膜中具有不同的滲透速率來使氧和氮分離。和其它制氮設(shè)備相比它具有結(jié)構(gòu)更為簡單、體積更小、無切換閥門、維護量更少、產(chǎn)氣更快(3 分鐘)、增容方便等優(yōu)點，它特別適宜于氮氣純度98%的中、小型氮氣用戶，有最佳功能價格比。而氮氣純度在 98%以上時，它與相同規(guī)格的 psa 制氮機相比價格要高出 15%以上。工藝流程原料空氣經(jīng)空壓機壓縮后進入后級空氣儲罐，大部分油、液態(tài)水、灰塵附著于容器壁后流到罐底并定期從排污閥排出，一部分隨氣流進入到壓縮空氣凈化系統(tǒng)?？諝鈨艋到y(tǒng)由冷干機及三支精度不同的過濾器及一支除油器組成，通過冷凍除濕以及過濾器由粗到精地將壓縮空氣中

22、的液態(tài)水、油、及塵埃過濾干凈，使壓縮空氣壓力露點降到 210，含油量降至 0.001ppm， 塵埃過濾到 0.01m，保證了進入 psa 制氮機原料氣的潔凈。凈化后的空氣經(jīng)過兩路分別進入兩個吸附塔,通過制氮機上氣動閥門的自動切換進行交替吸附與解吸，這個過程將空氣中的大部分氮與少部分氧進行分離，并將富氧空氣排空。氮氣在塔頂富集由管路輸送到后級氮氣儲罐，并經(jīng)流量計后進入用氣點。膜空分制氮系統(tǒng)1） 空壓機 為制氮裝置提供足夠氣源，空壓機排氣壓力和排氣量以膜組件的工況要求為依據(jù)。2）2） 空氣預(yù)處理 空氣預(yù)處理是為了除去壓縮空氣中的油和水份以及大于 0.1m 的塵顆粒，減輕后續(xù)膜組件的負擔(dān)。空氣預(yù)處理

23、包括除油過濾和空氣干燥二個功能。3） 膜分離裝置 膜分離裝置的功能是將壓縮空氣精過濾后，經(jīng)膜裝置分離成氮氣和富氧。氮氣達到品質(zhì)要求后進入緩沖罐備用。未達標(biāo)氣體從放空口排出。膜分離過程的富氧廢氣通過富氧排放口排出。4） 氮氣緩沖罐 緩沖罐用于氮氣的暫時存儲和氣體緩沖。5） 氮氣監(jiān)控系統(tǒng) 氮氣監(jiān)控系統(tǒng)用于控制膜空分制氮裝置，提供膜空分制氮裝置人機操作界面、運行數(shù)據(jù)顯示、報警顯示等功能。主要功能包括：一鍵裝置啟停、空壓機啟停、溫度調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)、氮氣純度檢測、氮氣存儲/放空轉(zhuǎn)換控制、溫度參數(shù)調(diào)整、壓力參數(shù)調(diào)整、報警顯示等。根據(jù) gb/t 7392-1998（集裝箱的技術(shù)要求和實驗方法） 氣密試驗，對只開設(shè)一個箱門的保溫集裝箱，其漏氣率按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)計，不應(yīng)超過 10m3/h,每增設(shè)一個箱門（如側(cè)開門）的漏氣率允許增加 5m3/h。我們假設(shè)集裝箱開設(shè) 2 個箱門，則其漏氣率為 15m3/h。因此，我們選擇制氮率 20nm3/h 的，氮氣純度 99.9%的制氮機即可滿足要求。裝滿貨物的集裝箱氣體空間為原來的 4