淺談化工生產中空分制氮的方法

胡忠寬

（天津渤化工程有限公司，天津300193）

氮氣作為一種最常見，最廉價的惰性氣體，被廣泛應用于化工生產中。氮氣可作為保護介質，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，在冶金粉末的熱處理中起到不可或缺的作用；作為原料氣，用于工業合成氨等生產。目前，空分制氮工藝主要有三大類：深冷空分制氮、變壓吸附空分制氮和膜分離空分制氮[1]。筆者將從分離原理、裝置特點、工藝和操作特點、安全性和經濟適用性等方面對三種方法進行了簡要分析與比較。

1 深冷空分制氮

深冷空分制氮法的原理：空氣經壓縮、冷卻后液化，然后利用液氧、液氮沸點的差異，使氣相與液相在精餾塔中進行質熱交換，氮組分因沸點低不斷聚于蒸汽相，氧組分因沸點高不斷凝聚成液相，從而達到氮氧分離的目的[2]。

深冷空分制氮法的工藝流程圖如圖1 所示，其流程分為：空氣過濾系統、空氣壓縮系統、冷卻系統、吸附分離系統、精餾系統和冷凝蒸發系統?？諝馕脒^濾器，除去其中的灰塵和其它固體雜質，經壓縮機多級壓縮后進入冷空塔，冷卻后進入空氣凈化系統。經多級凈化后開始分流，一部分進入主換熱器，冷卻后進入分餾塔；另一部分經增壓機進增壓后，進入冷卻器，冷卻后進入分餾塔。分餾塔中氣體上升，不斷與回流液體進行質熱交換，氣體含氮量不斷增加，下流液體含氧量不斷增加，最終在塔頂得到純氮氣，在塔底得到純液氧。

其工藝較復雜，設備復雜，安裝周期較長，安裝技術難度較大，造成安裝費用很高；設備體積龐大，故而用地面積大，且廠房和基礎要求高，會造成工程造價較高；維護方面：設備內部結構復雜，加工精度高，維修保養技術難度大，維護保養費用高；操作方面：系統啟動時間較長（一般為15～40h），必須連續運轉，不可間歇運行，停機后恢復工況用時長，會造成大量能源和時間浪費。安全方面：操作條件為超低溫（-160 ～-190℃下）、高壓環境，持續運行會使碳氫化合物發生局部聚集現象，存在爆炸的可能性；經濟實用性方面：氣體產量大，純度高，適用于石化工業等需大規模制氣、用氣的場合或者氣體純度要求較高的場合。

圖1 深冷空分制氮法工藝流程圖

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，利用富含微孔結構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；經吸附脫附循環后，碳分子篩得以重復使用[3]。

變壓吸附空分制氮法的工藝流程分為：空氣壓縮系統、預處理系統（過濾凈化系統）、吸附分離系統。原料空氣經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。壓縮空氣過濾凈化系統由3 個不同精度的過濾器、1 個冷干機和1 個除油器組成，壓縮空氣經冷凍除濕、由粗至精、層層過濾，將壓縮空氣中的油污、液態水和塵埃過濾至標準潔凈度（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：設備結構簡單，維修保養技術難度小，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)，可連續亦可間歇生產；安全方面：常溫較高壓力下運行，不會發生有機化合物局部聚集現象，無爆炸危險；經濟實用性方面：生產系統能耗低，可間歇操作，氮氣純度可根據具體需要在較大范圍內進行氣體生產，適用于氮氣純度在79%～99.99%的中小規模場合。因其操作維護方便、投入成本較低、裝置適應性較強，故而在中、小型氮氣用戶眼中備受歡迎[4～6]。

3 膜分離空分制氮

膜分離空分制氮的原理：在常溫高壓下，以空氣為原料，以中空纖維膜為分離器，通過高溫高壓獲得流動動力，利用氧氣和氮氣在纖維膜內相對溶解擴散速率的差異，將氮氣和氧氣分離開來。

膜分離空分制氮法的工藝流程大致分為：空氣壓縮系統、預處理系統（過濾凈化系統）、膜分離系統?？諝饨浛諌簷C壓縮進入空氣罐，然后經多級干燥凈化得到較純凈原料氣，原料氣經過加熱器加熱后進入膜分離器。在高壓高溫作用下，原料氣先接觸分離膜的高壓側表面，原料氣內不同成分以不同的相對溶解度溶于膜，進而在分離膜兩側壓力差的作用下，不同氣體以不同的擴散速率向分離膜的低壓側擴散。經氣體在膜上反復溶解和擴散過程的選擇，透過速度較大的氧氣透過膜到達低壓側，而氮氣留于高壓側[7]。

該工藝流程簡單，設備少，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，儀器設備投資較大。維護方面：維護保養技術難度低，但因材料問題維護保養費用較高；操作方面：常溫操作，啟動時間短（一般≤20min），可連續運行，也可間歇運行。氣體產品產量、純度可調，靈活性較好。經濟實用性方面：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別，但氮氣純度高于99.5%，膜分離制氧經濟性比變壓吸附要差?？傮w來說，現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可，基本未得到工業應用[8]。

4 總結

本文分析了深冷空分制氮、變壓吸附空分制氮和膜分離空分制氮的分離原理、裝置特點和經濟適用性等。從工程設計合理經濟的角度：當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展，以期滿足工業化的條件。