深度冷凍法制氮淺析

趙維東（蘭州石化公司動力廠，甘肅蘭州730060）

深度冷凍法制氮淺析

趙維東（蘭州石化公司動力廠，甘肅蘭州730060）

在我國石油化工領域，深度冷凍法制氮應用十分廣泛，且制氮工藝的進步直接關系著石油化工領域的經濟價值和科技發展。本文的研究方向主要集中在本文所選用的8000Nm3/h制氮裝置的實驗結果中，通過結果的分析，淺析8000Nm3/h制氮裝置在制氮工作中的優勢。

制氮工藝；深度冷凍分離；空氣動力學

深度冷凍這種制氮方式，隨著科技發展，其工藝不斷成熟，優勢表現得更為明顯。在以往的深冷制氮的工藝當中主要有深冷分離、PSA變壓吸附和膜分離三種模式。而這三種模式的應用場景、工藝要求存在著諸多差異。本文進行試驗的裝置為8000Nm3/h制氮裝置，該裝置運用深冷制氮的方法，完成制氮，具有突出的優勢。

1 三種常見制氮方法的工藝原理及優勢比較

1.1 三種制氮方法的工藝原理

1.1.1 PSA變壓吸附法

在空氣當中，氧氣和氮氣根據空氣動力學效應，存在著擴散速率差異化明顯的特點，這一特點尤其表現在碳分子篩時擴散速率的差變化更加巨大。此時，氮氣擴散速率遠低于氧，因此吸附未平衡時，碳分子篩可以大量吸附氧氣，從而使氮氣富集。因此PSA變壓吸附法根據這一特性對空氣中的氮氣和氧氣進行分離，從而獲得氮氣。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，空氣中的氮氣和氧氣需要經過膜的兩側壓差作用，從而使兩種氣體的溶解度和擴散系數差異表現出來。其中水蒸氣和氧氣以其滲透率快的特點會迅速通過膜，形成富氧氣體，而氮氣的滲透率十分緩慢，從而在膜上形成滯留富集，成為富氮氣體并十分干燥。因此可以通過這種方法使空氣中的氮氧得到分離，從而獲得氮氣。

1.1.3 深度冷凍分離法

與前兩者所應用的空氣中氮氧的擴散特性不同，深度冷度分離法所應用的氮氧特點主要為氮氧的沸點存在的差別實現氮氧分離。因此在實際操作中，會將原材料空氣首先進行壓縮，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，使液控晶餾中的氮氣蒸發，氧氣冷凝，從而實現氮氧分離。

1.2 三種制氮方法的優勢比較

深度冷凍分離制氮法所選用的設備有空氣壓縮機、電加熱器、分餾塔、冷凝蒸發器等，與其他兩種工藝方式相比較，占地面積更大，工作步驟和內容也更多，相較于PSA變壓吸附制氮，其投資稍高。而對比膜分離制氮，投資相對較低。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，氮氣純度更高，同純度的氮氣提取率相較于其他兩種方法高出接近50%，例如純度為99.9%的氮氣提取，深度冷凍分離制氮法可以達到45%，而PSA制氮法僅能達到32.1%，而膜分離制氮僅有15%。可見在實用性領域，深度冷凍分離制氮法更具價值和優勢[1]。

2 8000Nm3/h制氮裝置的特點和應用

2.1 制氮準備和應用要求

本文所選取的實驗環境是某公司在為煉油區提供生產所需的氮氣過程中應用8000Nm3/h制氮裝置進行的制氮操作。為了確保制氮工作的順利進行以及制氮成品的氮氣純度，該公司制氮過程開始之前選用了極為全面的設備系統作為輔助制氮裝置使用。其中包括離心式空氣壓縮機兩臺、冷卻器一臺、預冷機組兩臺、分子篩純化器一套、分餾塔一具包括主冷箱和熱氣冷箱、透平式膨脹機兩臺、氮氣增壓機一臺、100m3液態儲罐三具、900m3/h循環水單元一套。通過這些設備的準備，使其與8000Nm3/h制氮裝置共同工作，從而保證氮氣純度，滿足煉油區的氮氣應用的要求。

2.2 8000Nm3/h制氮裝置的制氮方法綜述

現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原料空氣進行處理，并過濾掉空氣當中存在的灰塵和機械雜質，再使其進入空氣壓縮機當中進行壓縮。注意此處空氣壓縮機的壓力設定需要控制在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中進行降溫處理，再進入預先溫度設定為3-10℃的預冷機組，使其能夠在氣液分離器中分理出已處于游離態的冷凝水，并應用分子篩純化器吸附空氣中的二氧化碳、殘留的水蒸氣和碳氫化合物。此時的空氣作為純氮純氧狀態在進入到分餾塔前使其與主換熱器的返流氣體實現換熱，此時液化空氣溫度達到-170℃進入到分餾塔，經測算，氮的沸點在-195.8℃而氧的沸點-182.98℃，并依托于兩者之間13℃的溫度差進行分離，成為氮氣和富氧液空兩種形態，分餾塔中富氧液空在流經節流閥進入到冷凝蒸發器，被低壓側汽化，成為污氮氣引出。而分離的氮氣上升至冷凝器中液化，回流到分餾塔作為產品導出。

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雜，所應用的設備也居多，但是作為一個有著數十年發展歷史的制氮工藝，在現時代，工藝技術已經十分成熟，可靠性能非常高[2]。與此同時，該方法運行成本更低、受到外部環境的因素影響小，產品質量高。此外，深度冷凍制氮法還具有低溫、連續的特點，這使得其制氮過程中氮氣壓力保持穩定。

3 結語

綜上所述，在目前眾多的制氮工藝技術當中，深度冷凍制氮法以其獨有的氮氧分離工藝使得其具有價格、質量方面的優勢，同時在于其他制氮工藝技術相比是，制氮產品的純度更高、產量更加巨大，是目前所有制氮工藝的應用當中最為廣泛的一種。眾多石油化工廠家在考慮制氮工藝選擇時可以認真了解深度冷凍制氮法的優勢，并根據實際需要進行選擇。

[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.制氮工藝技術的比較與選擇[J].化肥設計, 2012,(01):13-15+19.