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制氮機流程圖

發(fā)布日期: 2019-10-22

瑞氣分別對深冷分離、PSA變壓吸附和膜分離3種制氮工藝的工作原理和工藝流程進行了介紹,并比較了3種制氮工藝的工藝性能、主要設備和相對投資;提出了如何根據(jù)不同的氮氣需求選擇合適的制氮工藝的方法。

1、深冷分離制氮的工藝流程

空氣經壓縮機加壓至約0.8MPa,并先后經壓縮機后冷卻器和預冷機組冷卻至20℃以下后,進入切換使用的分子篩吸附器,空氣中的二氧化碳、碳氫化合物和水分被吸附并得以凈化。凈化空氣進入主換熱器,被返流的富氧空氣冷卻至飽和溫度約-168℃后進入精餾塔底部參與精餾,在塔頂?shù)玫郊兌雀哌_99.99%的氮氣。一部分氮氣經主換熱器復熱后作為產品送出,其余進入冷凝蒸發(fā)器被冷凝為液氮。大部分液氮作為回流液返回精餾塔參與精餾,少量液氮送液氮儲罐貯存。液氮產量約為氣氮產量的8%。
精餾塔底得到含氧約30%的富氧液空經節(jié)流后進入冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側,用以冷凝氣氮。從冷凝蒸發(fā)器頂部抽出的富氧空氣大部分直接進入主換熱器復熱,并從主換熱器中部抽出,溫 -153℃進入透平膨脹機絕熱膨脹到0.03MPa,溫度約-183℃,為深冷分離提供冷量。膨脹后的富氧空氣與另外1股節(jié)流后的富氧空氣混合后進入主換熱器,與正流空氣換熱,復熱至常溫后一部分用作分子篩的再生氣,其余放空。深冷分離制氮工藝流程圖:

深冷制氮機流程圖

1—空氣壓縮機; 2—預冷機組; 3—分子篩吸附器; 4—電加熱器; 5—冷箱; 6—透平膨脹機; 7—主換熱器; 8—精餾塔; 9—冷凝蒸發(fā)器

2、PSA變壓吸附制氮的工藝流程

空氣經壓縮機壓縮至0.85MPa并被壓縮機后冷卻器冷卻至約40℃后,進入空氣凈化單元除去壓縮空氣中的塵、水及油霧,然后進入PSA變壓吸附單元。該單元設置2個吸附塔,1個塔吸附產氮,1個塔脫附再生,通過PLC控制切換閥的開關,使2個塔循環(huán)交替。吸附、均壓、解吸、吹掃4個工作過程如下。
(1)吸附。當潔凈的壓縮空氣進入A塔經分子篩向出口流動時,A塔壓力逐漸上升至約0.8MPa,空氣中的O2、CO2和H2O等被分子篩吸附,未被吸附的氮氣從吸附塔出口流出進入氮氣緩沖罐,吸附持續(xù)時間約60s。
(2)均壓。A塔內的分子篩吸附飽和后,停止吸附,并對B塔進行1個短暫的均壓過程:2個塔的進出口閥關閉,均壓閥打開,氣體分別從吸附塔的進出口通過均壓閥均壓到解吸塔,使2個塔的壓力達到平衡,持續(xù)時間約2s。均壓可減少反吹氣體對分子篩的沖擊,還可提高空氣回收率。
(3) 解吸。均壓完成后,A塔通過出氣口繼續(xù)排氣,將吸附塔壓力迅速降至常壓,從而脫除已吸附的O2、CO2和H2O,實現(xiàn)分子篩的解吸再生。
(4)吹掃。為了使分子篩徹底再生,引出1股產品氮氣對A塔進行逆流吹掃。解析和吹掃持續(xù)時間共60s。在1個塔在吸附產氮的同時,另1個塔進行再生(即解吸和吹掃)過程,A塔、B塔交替進行吸附、均壓和再生,完成氧氮分離,連續(xù)輸出氮氣。變壓吸附制氮工藝流程見如下圖:

PSA制氮工藝流程圖

1—空氣壓縮機; 2—過濾器; 3—干燥機; 4—過濾器; 5—PSA 吸附塔; 6—過濾器; 7—氮氣緩沖罐

3、膜分離制氮的工藝流程

空氣經壓縮機壓縮至1.3MPa并被壓縮機后冷卻器冷卻至約45℃后,進入空氣凈化單元除去壓縮空氣中的塵、水及油霧,然后進入膜分離單元。膜分離單元的核心部件是一組結構類似于管殼式換熱器的膜組件,數(shù)萬根細小的中空纖維絲澆鑄成管束而置于承壓管殼內。由于膜的特性,進入膜分離單元的空氣溫度需維持在40~50℃,因此在膜分離單元前設置1臺電加熱器加熱凈化空氣,以維持空氣溫度穩(wěn)定。空氣進入分離器后沿纖維的一側軸向流動,CO2、O2和H2O不斷地透過膜壁而在纖維的另一側富集,通過滲透氣出口排出,而氮氣則從與氣體入口相對的另一端非滲透氣出口排出。達到純度要求的氮氣進入氮氣緩沖罐,經緩沖罐出口調節(jié)閥調節(jié)壓力并送往用戶。膜分離制氮工藝流程如下圖:

深冷制氮工藝流程圖

1—空氣壓縮機; 2—過濾器; 3—干燥機; 4—過濾器; 5—電加熱器;6—膜組件

4、制氮工藝性能比較

(a)PSA變壓吸附和膜分離制氮的工藝流程簡單,設備數(shù)量少,操作簡單,可隨時停機,并可長時間停機。深冷制氮不僅工藝流程復雜,設備數(shù)量多,且需在深冷低溫狀態(tài)下運行。在設備投入正常運行之前,有一個預冷啟動過程,啟動時間從膨脹機啟動至氮氣純度達到要求的時間一般不小于12h。在設備進入大修之前,必須有一段加溫解凍的時間,一般為24h。因此,深冷分離制氮不適宜啟、停頻繁的場合。膜分離制氮與PSA變壓吸附相比,不僅設備結構更簡單,而且無切換閥門,操作維護更為簡便,產氣所需時間也更短。
(b)深冷分離制氮可同時獲得氣氮和液氮,適宜需要液氮的工藝流程。液氮也可貯存于液氮儲槽作為備用,當出現(xiàn)氮氣需求短時驟增或制氮設備小修時,可將貯槽內的液氮汽化后送入氮氣管網(wǎng)以滿足工藝裝置對氮氣的連續(xù)性需求。PSA 變壓吸附和膜分離制氮變壓吸附制氮只能生產氮氣,無備用手段,單套設備難以保證工藝裝置連續(xù)長周期運行。
(c)當?shù)獨饧兌润w積分數(shù)≤97%時,PSA變壓吸附和膜分離制氮工藝的氮氣提取率基本相當;當?shù)獨饧兌润w積分數(shù)>99%時,采用深冷分離制氮工藝氮提取率最高,PSA變壓吸附次之,膜分離制氮工藝氮提取率急劇降低。同時,制取相同壓力的氮氣,深冷分離制氮空氣壓縮機出口空氣壓力與PSA變壓吸附制氮相當,而膜分離制氮壓力要求空氣壓力較高。3種制氮工藝主要能耗在空氣壓縮機,故當制取氮氣純度較高時,膜分離制氮所需空氣壓縮機規(guī)模大,功率高,總能耗最高,PSA變壓吸附制氮次之,深冷分離制氮能耗相對較低。
(d) PSA 變壓吸附制氮的氮氣分離吸附 -解吸 -吸附過程存在壓力波動,氮氣壓力不穩(wěn); 而深冷分離和膜分離制氮的氮氣分離過程為連續(xù)進行,產品氮氣壓力較為穩(wěn)定。因此PSA制氮必需在 PSA 吸附塔氮氣出口增加氮氣緩沖罐,以緩沖氮氣,調蓄氣體壓力,從而保證氮氣產品壓力的穩(wěn)定性。
(e) 深冷分離制氮設備多,流程長,占地大,投資較高。膜分離制氮與PSA變壓吸附制氮相比,所需空氣量大,壓比高,壓縮機規(guī)模大,對應的空氣凈化組件(過濾器、干燥機、除油器等) 比PSA變壓吸附大,吸附塔。因此,PSA 變壓吸附制氮投資最低。

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