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工业规模制备氮气

工业规模制氮有三类：即深冷空分制氮、变压吸附制氮和膜分离制氮。利用各空气的沸点不同使用液态空气分离法，将氧气和氮气分离。将装氮气的瓶子漆成黑色，装氧气的漆成蓝色。

深冷空气分离技术

深度冷冻法分离空气是将空气液化后，再利用氧、氮的沸点不同将它们分离。即，造成气、液浓度的差异这一性质，来分离空气的一种方法。因此必须了解气、混合物的一些基本特征：气-液相平衡时浓度间的关系：液态空气蒸发和冷凝的过程及精馏塔的精馏过程。

1. 空气的汽-液相的平衡，物质的聚集状态有气态、液态、固态。每种聚集态内部，具有相同的物理性质和化学性质并完全均匀的部分，称为相。空气在塔内的分离，一般情况下，物料精馏是在汽、液两相进行的。空气中氧和氮占到99.04%，因此，可近似地把空气当作氧和氮的二元混合物。当二元混合物为液态时，叫二元溶液。

氧、氮可以任意比例混合，构成不同浓度的气体混合物及溶液。把氧、氮溶液置于一封闭容器中，在溶液上方也和纯物质一样会产生蒸汽，该蒸汽是由氧、氮蒸汽组成的气态的相混合物。对于氧氮二元溶液，当达到汽液平衡时，它的饱和温度不但和压力有关，而且和氧、氮的浓度有关。当压力为1at时，含氮为0%，2%，10%的溶液的沸点列于表1-5。从表可知，随着溶液中低沸点组分（氮）的增加，溶液的组和温度降低，这是氧-氮二元溶液的一个重要特性。

空气中含氩0.93%，其沸点又介于氧、氮之间。

在空气分离的过程中，氩对精馏的影响较大，特别是在制取高纯氧、氮产品时，必须考虑氩的影响。

一般在较精确的计算中，又将空气看作氧-氩-氮三元混合物，其浓度为氧20.95%，氩0.93%，氮78.09%（按容积）。

三元系的汽液平衡关系，可根据实验数据表示在相平衡图上。确定三元系的汽液平衡状态时，必须给定三个独立参数，除给定温度、压力外，需再细定一个组分浓度（气相或液相）平衡状态才能确定。

2. 压力-浓度图和温度-浓度图 在工业生产中，气液平衡一般在某一不变条件下进行的。

是根据T=常数，绘出的氧、氮平衡系的P-X图，纵坐标为压力，横坐标取氮的液相及气相浓度（也可取氧的浓度）。每给定一个压力就对应有一个液相及气相浓度。分别连接不同压力下的气相浓度点及液相浓度点，则可得出图中所示的饱和蒸汽线（虚线）和饱和液体线（实线）。其余相区如图所示。

在某一压力P1下，与液、汽饱和线的交点分别为点1（X1）和点2（y2），又因为PN20>PO20根据康诺瓦罗夫定律，氮组分在气相中的浓度要大于在液相中的浓度y2>x1。
一般蒸发（冷凝）过程是在等压下进行的，所以用T-X图来研究这一过程更为方便。在等压下，氧、氮的气液平衡图见图1-14。每经定一个温度，就对应有一个液相及气相浓度。把不同温度下对应的气相浓度点和液相浓度点连接起来，可得饱和蒸汽线（虚线）和饱和液体线（实线）。这两条曲线把图分为三个区域：液相区、气相区及两相区。由图1-14可知，纯组分时的沸点TN20PO20在某一温度T1下，根据康诺瓦罗夫定律可知，y2>x1。同时，还可以看出，当浓度为x1时溶液的沸点是T1，即不等于TO20，也不等于TN20而是介于两者之间。

对于不同压力，可得不同的氧、氮平衡曲线中压力P3>P2>P1，压力越高，饱和液体线和饱和蒸汽线之间的距离越窄，也就是说高压下气-液间浓度差变小，而在低压下浓度差加大。在相同的液相浓度X0下，可以看出y1>y2>y3。气液相浓度差越大，表示氧气分离越容易，因此在低压下，分离空气是比较有利的，因为可以大大减少精馏塔板的数量。

3. 汽液平衡浓度图（y-x图） 在一定压力下，取二元溶液中低沸点组分（氮）的浓度xN2为横坐标，与其平衡的气相中氮浓度yN2为纵坐标，构成的图叫y-x图

在y-x图中P3>P2>P1。当压力愈低时，等压线离y=x的对角钱就愈远，表示组分在汽液中相的浓度差愈大，混合物分离就愈容易。

当压力一定时，由于采用低沸点组分为坐标的，气在气相中的浓度大于液相中的浓度，所以等压线均在对角线（y=x线）以上，并为向上凸起曲线。如以高沸点组分氧为浓度坐标时则相反。

用y-x图了解气液平衡时气液相浓度的关系非常清楚和方便，所以在二元溶液精馏过程中，分析塔板上气液浓度变化时常要用到该图。

　　4.　焓-浓度图 在空气分离技术中，很多情况下是研究过程的热现象，因此通常采用焓-浓度图（h-x图）来进行研究就显得比较方便。

由给定的压力、温度和成分，再根据热焓的计算式，求出与给定成分相对应的饱和汽相和饱和液相的热焓值，并将所得的点1\\、2\\…和1\、2\、…连接起来，则可得饱和蒸汽线（虚线）和饱和液体线（实线）、然后再借助给定压力下的T-x图，求出在两相区的等温线。

在h-x图上，当xN2=0.xN1=1时，饱和蒸汽线和饱和液体线之间的距离，分别为液氧的汽化潜热ro2和液氮的汽化潜热rN2。当压力改变时，因为各组分的饱和蒸汽和饱和液体的热焓随压力而变化，所以饱和蒸汽线和饱和液体线的位置就不同，压力越高，这两条曲线越向上移。H-x图的用途很广，除用来作精馏计算外，还可以用该图求得氧氮混合物的潜热、液体节流后的汽化率及汽液相浓度。

深冷制氮装置由以下几部分组成

1、 空气压缩与输送系统：包括一台处理气量为50万Nm3/h的自洁式空气过滤器；一台由4万KW蒸汽透平驱动的空气压缩机和空气增压机及其附属设备。

2、 空气预冷系统：包括一台处理气量30万Nm3／h的空气冷却塔、水冷却塔、氨蒸发器及附属系统。

3、 空气净化系统：包括两台分子筛吸附器和两台蒸汽加热器。

4、空气分馏塔：包括一台主精馏塔；一台辅助冷凝蒸发器；一组低压板式换热器；一组高压板式换热器；一组过冷器；两台粗氩塔；一台精氩塔；一台带增压机的膨胀机；六台工艺低温液体泵。

5、低温液体贮存系统：包括两台200m3平底贮槽；两台100m3真空贮槽；一台高压事故氮泵（低温液体泵）；一台水浴式气化器；一台高压氧气充瓶泵（往复式低温液体泵）；一台空浴式高压汽化器；一套24头充瓶架；两台充车泵。

6、仪表空气压缩贮存系统：包括一台气量为40Nm3/h螺杆空气压缩机，一台150 m3的仪表空气储罐，两台干燥器。

　　 流程简述

本空分设备采用分子筛吸附预净化、增压透平膨胀机、全填料精馏（下塔筛板）及双泵内压缩工艺。

空气过滤和压缩

空气首先进入自洁式空气吸入过滤器，在其中除去灰尘和其它固体杂质后进入主空压机，经多级压缩后进入空冷塔，压缩机级间的热量被中间冷却器中的冷却水带走。

　 空气的冷却

空气在进入分子筛吸附器前先在空冷塔中冷却并洗涤。进入空冷塔上部的冷冻水，首先在水冷塔中利用干燥的出分馏塔污氮气和氮气进行冷却，然后再进入空冷塔上部冷却空气。空冷塔下部采用全厂循环水供水系统的循环水对空气进行初步冷却。

　　 空气的净化

空气净化系统由两台分子筛吸附器和两台双管板蒸汽加热器组成，分子筛吸附器吸附空气中的水份、二氧化碳和一些碳氢化合物。两台分子筛吸附器一台工作，另一台再生。再生气的加热由蒸汽在蒸汽加热器中完成。

　　 空气的精馏

出吸附器的空气分为两股，一股直接进入主换热器冷却后进入下塔；另一股通过空气增压机进一步压缩，并经增压机后冷却器冷却后送入冷箱经高压主换热器冷却变为液体后节流进入下塔。

膨胀空气自空气增压机中部抽出，首先经过膨胀机增压端的压缩及后冷却器的冷却，再进入主换热器冷却，经膨胀机膨胀后进入下塔。

下塔中的上升气体通过与回流液体接触含氮量增加，在塔顶得到纯氮气。塔顶所需的回流液氮来自下塔顶部的冷凝蒸发器，在这里氧得到蒸发，而氮得到冷凝。下流的液体与上升的蒸汽接触含氧量增加，在塔底得到富氧液空。下塔各液体馏分经过冷、节流后分别送入上塔不同部位进一步分离，并在上塔顶部得到纯氮气，底部得到液氧。

　　4、1下塔从上到下产生以下产品：

　　　•纯液氮
　　　•纯氮气
　　　•污液氮
　　　•～22%O2的贫液空
　　　•～38%O2的富氧液空

　　下塔各产品去向如下：

　　①富氧液空经过冷器过冷节流后：
　　　•一部分进入上塔，作为其回流液，
　　　•另一部分进入粗氩塔冷凝器被汽化后送入上塔
　　②贫液空
　　　•大部分进入上塔，作为其回流液。
　　　•一部分进入精氩塔冷凝器被汽化后送入上塔，
　　③污液氮
　　　•自下塔中上部抽出，去上塔中上部
　　④纯液氮：
　　　•大部分纯液氮在过冷器中过冷后送入上塔顶部作回流液。
　　　•少部分纯液氮作为产品抽出。
　　　•部分纯液氮在液氮泵中被压缩至所需压力。然后送到高压换热器中通过与高压空气进行热交换而得到高压氮气。
　　⑤纯氮气：
　　　•部分纯氮气经主换热器复热作为产品抽出。

　　4、2在上塔从上到下产生以下产品：

　　　•顶部产生纯氮气
　　　•上部产生污氮气
　　　•中部抽取氩馏份
　　　•底部产生液氧

　　上塔各产品去向如下：

　　①纯氮气从上塔顶部抽出后经过冷器和主换热器复热至设计温度出冷箱；
　　②污氮气从上塔上部抽出后经过冷器和主换热器复热至设计温度出冷箱；
　　③氩馏份从上塔中部抽出,经粗氩塔精馏在顶部产生工艺氩；
　　④液氧从上塔底部抽出。
　　　•在液氧泵中被压缩至所需压力。然后送到高压换热器中通过与高压空气进行热交换而得到高压氧气。
　　　•需要时部分液氧可作为产品送出冷箱

　　4、3在粗氩塔顶部产生工艺氩。

　　4、4在精氩塔底部产生纯液氩。

　　5、产品的分布

　　气氧回路 气氧以所需压力5.1MPa（G）直接从冷箱输出。
　　气氮回路
　　低压气氮 上塔低压气出冷箱后送到水冷塔对水进行冷却。
　　压力气氮 下塔压力氮气出冷箱后送出界区。（0.5 MPa（G））
　　高压氮气 下塔顶部液氮由液氮泵加压，经高压板式汽化复热送出
　　液氩 从精氩塔底部抽出去贮槽。
　　污氮回路 一股污氮用于分子筛吸附器的再生, 另一股送到水冷塔对水进行冷却，还有一小部分进入冷箱，对冷箱充气。

　　仪表及解冻用的干燥空气

空分设备仪表及解冻（处于正常工作状态）用的干燥空气从分子筛吸附器的出口抽出后送至仪表空气网络。

液体排放 从冷箱排出的所有低温液体汇集后送至喷射蒸发器与蒸汽混合蒸发后排入大气。

排气 设备的排气先送至各消音器再排入大气。

变压吸附制氮机
变压吸附法（简称PSA）是一种新的气体分离技术，其原理是利用分子筛对不同气体分子“吸附”性能的差异而将气体混合物分开。

变压吸附法(Pressure Swing Adsorption，简称PSA)是一种新的气体分离技术，自60年代末70年代初在国外已经得到迅速的发展，其原理是利用分子筛对不同气体分子“吸附”性能的差异而将气体混合物分开，它是以空气为原料，利用一种高效能、高选择的固体吸附剂对氮和氧的选择性吸附的性能把空气中的氮和氧分离出来。

工艺概述

目前在制氮、制氧领域内使用较多的是碳分子筛和沸石分子筛。分子筛对氧和氮的分离作用主要是基于这两种气体在分子筛表面的扩散速率不同，碳分子筛是一种兼具活性炭和分子筛某些特性的碳基吸附剂。碳分子筛具有很小微孔组成，孔径分布在0.3nm ~ 1nm之间。较小直径的气体（氧气）扩散较快，较多进入分子筛固相，这样气相中就可以得到氮的富集成分。一段时间后，分子筛对氧的吸附达到平衡，根据碳分子筛在不同压力下对吸附气体的吸附量不同的特性，降低压力使碳分子筛解除对氧的吸附，这一过程称为再生。变压吸附法通常使用两塔并联，交替进行加压吸附和解压再生，从而获得连续的氮气流。

工作原理

它是以空气为原材料，利用一种高效能、高选择的固体吸附剂对氮和氧的选择性吸附的性能把空气中的氮和氧分离出来。碳分子筛对氮和氧的分离作用主要是基于这两种气体在碳分子筛表面的扩散速率不同，较小直径的气体（氧气）扩散较快，较多进入分子筛固相。这样气相中就可以得到氮的富集成分。一段时间后，分子筛对氧的吸附达到平衡，根据碳分子筛在不同压力下对吸附气体的吸附量不同的特性，降低压力使碳分子筛解除对氧的吸附，这一过程称为再生。变压吸附法通常使用两塔并联，交替进行加压吸附和解压再生，从而获得连续的氮气流。

制氮机的生产运用

制氮机简介变压吸附制氮机(简称PSA制氮机)是按变压吸附技术设计、制造的氮气发生设备。通常使用两吸附塔并联，由全自动控制系统按特定可编程序严格控制时序，交替进行加压吸附和解压再生，完成氮氧分离，获得所需高纯度的氮气[1]  。
设备特点(1)产氮气方便快捷：
先进的技术，独特的气流分布器，使气流分布更均匀，高效地利用碳分子筛，20分钟左右即可提供合格的氮气。
(2)使用方便：
设备结构紧凑、整体撬装，占地小无需基建投资，投资少，现场只需连接电源即可制取氮气。
(3)比其它供氮方式更经济：
PSA工艺是一种简便的制氮方法，以空气为原料，能耗仅为空压机所消耗的电能，具有运行成本低、能耗低、效率高等优点。
(4)机电一体化设计实现自动化运行：
进口PLC控制全自动运行，氮气流量压力纯度可调并连续显示，可实现无人值守。
(5)运用范围广：
金属热处理过程的保护气，化学工业生产用气及各类储罐、管道的充氮净化，橡胶、塑料制品的生产用气，食品行业排氧保鲜包装，饮料行业净化和覆盖气，医药行业充氮包装及容器的充氮排氧，电子行业电子元件及半导体生产过程的保护气等。纯度、流量、压力稳定可调，满足不同客户的需要。
技术指标：
流量：5-1000Nm/h
纯度：95%-99.9995%
露点：≤-40℃
压力：≤0.8Mpa可调

分类深冷空分制氮

深冷空分制氮是一种传统的制氮方法，已有近几十年的历史。它是以空气为原料，经过压缩、净化，再利用热交换使空气液化成为液空。液空主要是液氧和液氮的混合物，利用液氧和液氮的沸点不同(在1大气压下，前者的沸点为-183℃，后者的为-196℃)，通过液空的精馏，使它们分离来获得氮气。深冷空分制氮设备复杂、占地面积大，基建费用较高，设备一次性投资较多，运行成本较高，产气慢(12～24h)，安装要求高、周期较长。综合设备、安装及基建诸因素，3500Nm3/h以下的设备，相同规格的PSA装置的投资规模要比深冷空分装置低20%～50%。深冷空分制氮装置宜于大规模工业制氮，而中、小规模制氮就显得不经济。

分子筛空分制氮

以空气为原料，以碳分子筛作为吸附剂，运用变压吸附原理，利用碳分子筛对氧和氮的选择性吸附而使氮和氧分离的方法，通称PSA制氮。此法是七十年代迅速发展起来的一种新的制氮技术。与传统制氮法相比，它具有工艺流程简单、自动化程度高、产气快(15～30分钟)、能耗低，产品纯度可在较大范围内根据用户需要进行调节，操作维护方便、运行成本较低、装置适应性较强等特点，故在1000Nm3/h以下制氮设备中颇具竞争力，越来越得到中、小型氮气用户的欢迎，PSA制氮已成为中、小型氮气用户的首选方法。

膜空分制氮

以空气为原料，在一定压力条件下，利用氧和氮等不同性质的气体在膜中具有不同的渗透速率来使氧和氮分离。和其它制氮设备相比它具有结构更为简单、体积更小、无切换阀门、维护量更少、产气更快(≤3分钟)、增容方便等优点，它特别适宜于氮气纯度≤98%的中、小型氮气用户，有最佳功能价格比。而氮气纯度在98%以上时，它与相同规格的PSA制氮机相比价格要高出15%以上。

工艺流程

原料空气经空压机压缩后进入后级空气储罐，大部分油、液态水、灰尘附着于容器壁后流到罐底并定期从排污阀排出，一部分随气流进入到压缩空气净化系统。
空气净化系统由冷干机及三支精度不同的过滤器及一支除油器组成，通过冷冻除湿以及过滤器由粗到精地将压缩空气中的液态水、油、及尘埃过滤干净，使压缩空气压力露点降到2～10℃，含油量降至0.001PPm，尘埃过滤到0.01μm，保证了进入PSA制氮机原料气的洁净。
净化后的空气经过两路分别进入两个吸附塔,通过制氮机上气动阀门的自动切换进行交替吸附与解吸，这个过程将空气中的大部分氮与少部分氧进行分离，并将富氧空气排空。氮气在塔顶富集由管路输送到后级氮气储罐，并经流量计后进入用气点。

膜空分制氮系统

1）  空压机  为制氮装置提供足够气源，空压机排气压力和排气量以膜组件的工况要求为依据。
2）
 2） 空气预处理  空气预处理是为了除去压缩空气中的油和水份以及大于0.1μm 的尘颗粒，减轻后续膜组件的负担。空气预处理包括除油过滤和空气干燥二个功能。 

3）  膜分离装置  膜分离装置的功能是将压缩空气精过滤后，经膜装置分离成氮气和富氧。氮气达到品质要求后进入缓冲罐备用。未达标气体从放空口排出。膜分离过程的富氧废气通过富氧排放口排出。

4） 氮气缓冲罐  缓冲罐用于氮气的暂时存储和气体缓冲。

5） 氮气监控系统  氮气监控系统用于控制膜空分制氮装置，提供膜空分制氮装置人机操作界面、运行数据显示、报警显示等功能。主要功能包括：一键装置启停、空压机启停、温度调节、压力调节、氮气纯度检测、氮气存储/放空转换控制、温度参数调整、压力参数调整、报警显示等。

根据GB/T 7392-1998（集装箱的技术要求和实验方法） 气密试验，对只开设一个箱门的保温集装箱，其漏气率按标准状态计，不应超过10m3/h,每增设一个箱门（如侧开门）的漏气率允许增加5m3/h。我们假设集装箱开设2个箱门，则其漏气率为15m3/h。因此，我们选择制氮率20Nm3/h的，氮气纯度99.9%的制氮机即可满足要求。装满货物的集装箱气体空间为原来的40%，即V气=55×40%=22m3。则选定的制氮机充满所需要的时间为  t  =  22/（20-15）=  4.4 h

文档整理：武汉纽瑞德特种气体有限公司
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