氮氣凈化方案

1、氮氣凈化方案一、幾種工業(yè)制氮方法比較空氣中氮氣占78.09%，氧氣占20.94%,氦氣占0.93%?，F代工業(yè)用氮的制取方法都是以空氣為原料，將其中的氧和氮分離而獲得。為了得到濃度較高的氮氣必須分離去除空氣中的氧氣。目前工業(yè)制氮主要有三種，即深冷空分法、分子篩空分法（PSA）和膜空分法。1. 深冷空分制氮深冷空分制氮是一種傳統(tǒng)的制氮方法，已有近九十年的歷史。它是以空氣為原料，經過壓縮、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°C，后者的為-196°C）,通過液空的精餾，使它們分離來獲得氮氣

2、。深冷空分制氮設備復雜、占地面積大，基建費用較高，設備一次性投資較多，運行成本較高，產氣慢（1224h），安裝要求高、周期較長。綜合設備、安裝及基建諸因素，3500Nm3/h以下的設備，相同規(guī)格的PSA裝置的投資規(guī)模要比深冷空分裝置小20%50%。深冷空分制氮裝置宜于大模工業(yè)制氮，而中、小規(guī)模制氮就顯得不經濟。2. 分子篩空分制氮分子篩空分制氮是以空氣為原料，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（PressureSwingAdsorption）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。與傳統(tǒng)制氮法相比，它具有工藝流程

3、簡單、自動化程度高、產氣快（1530分鐘）、能耗低，產品純度可在較大范圍內根據用戶需要進行調節(jié)，操作維護方便、運行成本較低、裝置適應性較強等特點，故在1000Nm?/h以下制氮設備中頗具競爭力，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。3. 膜空分制氮膜空分制氮是八十年代國外迅速發(fā)展的又一種新型制氮技術，在國內推廣應用時間較短。膜空分制氮的基本原理是以空氣為原料，在一定壓力條件下，利用氧和氮等不同性質的氣體在膜中具有不同的滲透速率來使氧和氮分離。和其它制氮設備相比它具有結構更為簡單、體積更小、無切換閥門、維護量更少、產氣更快（W3分鐘）、增容方便等優(yōu)點，它特

4、別適宜于氮氣純度W98%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。故從成本和投資規(guī)?？紤]，宜采用PSA制氮法。二、變壓吸附（PSA）分離工藝流程2.1變壓吸附分離空氣制氮基本原理利用吸附劑對空氣中各組分吸附能力的差異，以及吸附劑的吸附容量隨壓力變化的特性，可通過加壓吸附，減壓再生的方式完成空氣分離和吸附劑的循環(huán)使用的過程。變壓吸附制氮,采用碳分子篩為吸附劑。由于碳分子篩對氧和氮的吸附速度相差很大，（見圖2.1）,氧的吸附速度明顯大于氮的吸附速度，使氧優(yōu)先吸附于碳分子篩而與氮氣分離，因此，碳分子篩制氮工藝,吸附切換時間較短

5、，一般在60秒左右，設置兩個塔，交替吸附、再生，就能完成氧氮分離，在流出相得到產品氮氣。碳分子篩對氧的吸附量隨吸附壓力的降低而減少，通過減壓即可解圖2.1碳分子篩對氧氮的吸附動力學曲線2.2.工藝流程其工藝流程如圖2.2：三理書L迂m.1圖2.2PSA工藝流程圖原料空氣經壓縮機壓縮至0.8MPa（或以上），經冷卻器冷卻至常溫，再經過濾器過濾油、水后，進入空氣緩沖罐，穩(wěn)壓后進入吸附塔（填充碳分子篩）,空氣中氧、二氧化碳和和雜質氣體被吸附，其余組分（主要為氮氣）則從出口端流出進入緩沖罐。吸附塔經過均壓（吸附階段完畢處于高壓狀態(tài)的左塔與處于低壓狀態(tài)的右塔相連，作一段降壓，則左塔則為均壓，均壓后床層內

6、的壓力約為原有壓力的一半）、減壓至常壓，脫除所吸附的雜質組分，完成碳分子篩的再生。兩吸附塔循環(huán)交替操作，一塔吸附產氮，另一塔解吸再生，可以不間斷連續(xù)產出產品氮氣三、變壓吸附法主要影響因素1. 氣源壓力穩(wěn)定性；2. 碳分子篩性能；碳分子篩是變壓吸附制氮的核心，因此應盡量選取性能優(yōu)良的碳分子篩。3. 管路閥門的運行穩(wěn)定性和精確性。四、變壓吸附法的一些改進措施近幾年來PSA制氮技術不斷發(fā)展，裝置和流程改進很快，提出了以下一些改進措施。1. 在產品儲罐之前增設一個循環(huán)氣罐及一條旁通管路。在啟動的初期，不合格產品氮不導入氮儲罐，而經旁通管路返回吸附塔作吹洗氣。在暫時停車時，可儲入循環(huán)氣罐，保證產品儲罐不

7、受污染，縮短了再啟動時的供氣時間。2. 選用優(yōu)質碳分子篩或用多種吸附劑分層填裝制備高純氮。2005年以來，日本的可樂麗碳分子篩進入中國市場，該碳分子篩較適合于生產99.99%以上的氮氣。3. 氮氧聯(lián)產提高收率，在建立制氮裝置或制氧裝置的同時，利用排出的富氧尾氣或富氮尾氣作原料氣，再建一套規(guī)模相適應的制氧裝置或制氮裝置。由于尾氣中的富氧或富氮組成高于空氣中的組成，這樣，聯(lián)產裝置比單獨的氧/氮裝置的收率可增加10-15%。若通過改進后的分子篩技術制取氮氣還不能滿足啤酒生產所需要的99.99%的純度，則還需要一個高度提純氮氣的過程。從空氣中分離出來的氮氣中主要的雜質為氧氣，目前采用的除去氧氣的措施多

8、是以氫氣在一定條件下與氧氣反應生成水，達到除去氧氣的目的。氮氣凈化過程主要由除氧、除水兩部分組成。經搜索閱讀相關資料，比較目前已使用的提純氮氣的措施，現初步擬定兩種方案。方案一、催化反應除氧一、基本原理將未經凈化的氮氣稱為粗氮,經凈化的氮氣稱為純氮。如果在粗氨中加入一定量的H2,在催化劑的作用下，可使雜質氧和氫化合生成水。通常，為了使除氧反應進行得完全，除氧徹底，H2的加入量必須大于與O2完全化合的量，這部分氫叫做過剩氫。除氧催化劑必須具備活性高（反應速度快）、比表面積大、選擇性好、壽命長及價格低等特點。工業(yè)上常用的除氧催化劑有活性銅催化劑、鎳鉻催化劑、鈀A分子篩、活性氧化鋁鍍鈀以及鈀碳纖維等

9、。1. 除氧過程為了除去普氮中殘余的氧氣，可以把普氮和氫氣混合后通入反應器（氫氣從氨分解發(fā)生裝置或氫氣鋼瓶獲得），反應器中放置的是鈀催化劑，在反應器里恒溫80100°C，由于鈀催化劑的作用，氫氣與普氮中殘余的氧氣發(fā)生反應，其化學反應式如下:80100C2H2O2H2+O2鈀催化劑反應生成的水氣容易被氮氣帶走,催化劑不致受水氣影響而失效,無須再生處理，可長期使用。普氮除氧后，氮氣中含氧量可降低到5ppm。2. 除水過程除水過程主要由氣水分離器和兩只13X吸附干燥器完成。除氧后的氮氣經過冷卻器降至室溫，由氣水分離器除去凝結水，氣水分離器利用其斷面擴大，流速減慢，流向改變，把凝結水除去。兩

10、只吸附干燥器并聯(lián)使用以進一步深度干燥，一只工作，另一只再生，通過8只閥門啟閉切換來實現。吸附干燥器里充填13X干燥劑，在常溫下工作可以連續(xù)運行24小時，再生時將其升溫加熱至350°C，恒溫45小時，并不斷通入經計量的極少量凈化氮氣沖洗，停止加熱后，讓吸附干燥器冷卻備用。二、工藝流程氮氣凈化裝置的工藝流程如下圖所示：氮氣與氫氣分別由各自的匯流裝置，經減壓后進入到氮氣凈化配氫裝置。氮氣主氣流中配入適量的氫氣,混合后，進入到高效氮氣凈化器的預脫罐內，脫除氣體中的油污?；旌虾筮M入反應器。配氫過程如圖2：力表飢氣氫氣壓力表輸入閥輸人閥徵調腳ml?r,5ft量rt輸岀閩旁路閥混合器廠壓力表Mx&

11、gt;圖2.配氫氣流程圖反應器工作溫度控制在80100°C，普氮中雜質氧與氫氣在鈀催化劑的作用下生成的水氣全部被氮氣帶走，先經過水冷卻器,把氮氣降至室溫,氮氣通過氣水分離器時，可以從分離器底部放水閥及時排除氮氣中冷凝下來的游離水。氮氣冷凝除濕后，進入兩只并聯(lián)吸附干燥器中，進行深度干燥，然后經過濾器除塵埃顆粒，最后從凈化氮出口閥口送往使用點。吸附干燥系統(tǒng)有左、右2個干燥罐，罐內裝有5A分子篩,2罐可互換使用。當左罐中的干燥劑吸水飽和后，可切換到右干燥罐繼續(xù)使用，同時分出一部分干純氣體，作為“左干燥”再生載氣。如此左右2個干燥罐切換，設備可連續(xù)使用。吸附干燥系統(tǒng)如圖3：圖3.吸附干燥系統(tǒng)

12、示意圖裝置中配備微量氧分析儀和微量水份測量儀、連續(xù)監(jiān)測或記錄氮氣純度，進行自動控制。圖4.氮氣凈化器流程圖三、裝置的特點1. 本凈化氮氣的制取是以普氮裝置為基礎，另加除氧和干燥組件，組件都安裝于金屬支架上。2. 氮氣凈化裝置中無運動部件，結構簡單，操作、維修方便。3. 只要普氮濃度在99%以上，含氧量W1%時，通過凈化裝置處理，就能得到99.99%以上濃度的氮氣。4. 投資小，能耗低，凈化效率高。它不僅提高了產品質量，而且降低了生產成本。方案二、直接反應除氧通常，當氮氣中含氧量0.5%時，可以采用直接化學法除氧。1.基本原理直按反應法除氧是采用脫氧劑（如活性金屬或金屬氧化物）直接與粗氮中的雜質

13、氧發(fā)生反應,化合生成金屬氧化物,從而除去粗氮中的02。常用脫氧劑有活性氧化錳（410脫氧劑）。銀x分子篩（201催化劑），活性銅脫氧劑（0603催化劑）以及3093脫氧劑等。直接化學法除氧的典型流程如圖5所示。在該流程中兩個除氧器并聯(lián)，其中一個進行除氧，另一個進行再生，交替輪換使用。圖5.直接反應法除氧流程2.脫氧劑選擇通過對北京化工研究院、蘭化公司研究院和大連化學物理研究所等幾家脫氧催化劑研制單位的調查，我認為大連化學物理研究所研制的SO6HN型脫氧劑用在氮氣脫除微量氧上比較合適。該脫氧劑在小規(guī)模工業(yè)裝置上已廣泛應用，有成熟可靠的使用經驗，且凈化深度深，脫氧容盤大。在充分論證基礎上，最終決定采用506HN型脫氧劑。506HN（貴金屬/錳基變價氧化物）脫氧劑是由貴金屬作為活性組分，氧化錳作為氧吸收體的脫氧劑。錳和銅一樣都是變價元素，具有高價和低價，在這個基體上用一些貴金屬使得它的脫氧溫度和再生溫度都比較低，低價金屬氧化物吸氧后變成高價金屬氧化物，因此性能良好。