隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，氮氣在化工、電子、冶金、食品、機械等領(lǐng)域獲得了廣 泛的應用，我國對氮氣的需求量每年以大于8%的速度增加。氮氣的化學性質(zhì)不活潑，在平常的狀態(tài)下表現(xiàn)為很大的惰性，不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學反應。因此，氮氣在冶金工業(yè)、電子工業(yè)、化工工業(yè)中廣泛的用來作為保護氣 和密封氣，一般保護氣的純度要求為99.99%，有的要求99.998%以上的高純氮。液氮是一個較方便的冷源，在食品工業(yè)、醫(yī)療事業(yè)以及畜牧業(yè)的精液貯 藏等方面得到越來越普遍的應用。在化肥工業(yè)生產(chǎn)合成氨時，合成氨的原料氣—氫、氮混合氣若用純液氮洗滌精制，可使惰性氣體的含量極微小，一氧化硫和氧的含 量不超過20ppm。

純凈的氮氣無法從自然界直接汲取，主要采用空氣分離法?？諝夥蛛x法中包 括：深冷法、變壓吸附法、膜分離法。

此法是先將空氣壓縮、冷卻，并使空氣液化，利用氧、氮組分的沸點的不同 （在大氣壓下氧的沸點為90K，氮的沸點為77K），在精餾塔的塔盤上使氣、液接觸，進行質(zhì)、熱交換，高沸點的氧不斷從 蒸汽中冷凝成液體，低沸點的氮不斷的轉(zhuǎn)入蒸汽中，使上升的蒸汽中含氮量不斷提高，而下流液體中含氧量越來越高，從而使氧、氮分離，得到氮氣或氧氣。此法是 在120K以下的溫度條件下進行的，故稱為深冷法空氣分離。

變壓吸附法即PSA法 （Pressure SwingAdsorption），基于吸附劑對空氣中的氧、氮組分選擇性吸附而使空氣分離得到氮氣。當空氣經(jīng)過壓縮，通過吸附塔的吸附層時，氧分子優(yōu)先被吸附，氮 分子留在氣相中，而成為氮氣。吸附達到平衡時，利用減壓將分子篩表面所吸附的氧分子驅(qū)除，恢復分子篩的吸附能力即吸附劑解析。為了能夠連續(xù)提供氮氣，裝置 通常設置兩個或兩個以上的吸附塔，一個塔吸附，另一個塔解析，按適當?shù)臅r間切換使用。

膜分離法是利用有機聚合膜的滲透選擇性，從氣體混合物中分離出富氮氣體。 理想的薄膜材料應具有很高的選擇率和滲透性。為了得到經(jīng)濟的流程，需要很薄的聚合物分離膜（0.1μm），所以需要支 撐。滲透器常為板式滲透器和中空纖維滲透器。此法，若產(chǎn)氣量大，所需薄膜表面積太大，薄膜價格高，雖然膜分離法裝置簡單，操作方便，但工業(yè)應用還不廣泛， 本篇不再多述。

深冷制氮已有近百年的歷史，工藝流程不斷改進。變壓吸附制氮是近二十年發(fā) 展起來并被市場廣泛接受的技術(shù)。本篇試從流程、費用、運行和產(chǎn)品種類等方面比較二者的差別，并得出相關(guān)結(jié)論。

整個流程由空氣壓縮及凈化、空氣分 離、液氮汽化組成，見圖-1。

空氣經(jīng)空氣過濾器清除灰塵和機械雜 質(zhì)后進入空氣壓縮機，壓縮至所需壓力，然后送入空氣冷卻器，降低空氣溫度。再進入空氣干燥凈化器，除去空氣中的水份、二氧化碳、乙炔及其它碳氫化合物。

凈化后的空氣進入空分塔中的主換熱器，被返流氣體（產(chǎn)品氮氣、廢氣）冷卻 至飽和溫度，送入精餾塔底部，在塔頂部得到氮氣，液空經(jīng)節(jié)流后送入冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)，同時冷凝由精餾塔送來的部分氮氣，冷凝后的液氮一部分作為精餾塔的回流 液，另一部分作為液氮產(chǎn)品出空分塔。

由空分塔出來的液氮進液氮貯槽貯存，當空分設備檢修時，貯槽內(nèi)的液氮進入 汽化器被加熱后，送入產(chǎn)品氮氣管道。

深冷制氮可制取純度≧99.999%的 氮氣。

⑴空氣過濾器：為減少空氣壓縮機內(nèi)部機械運動表面的磨損，保證空氣質(zhì)量， 空氣在進入空氣壓縮機之前，必須先經(jīng)過空氣過濾器以清除其中所含的灰塵和其他雜質(zhì)。目前空氣壓縮機進氣多采用粗效過濾器或中效過濾器。

⑵空氣壓縮機：按工作原理，空氣壓縮機可分為容積式和速度式兩大類。目前空氣壓縮機多采用往復活塞式空氣壓縮機、離心式空氣壓縮機和螺桿式空氣壓縮機。

⑶空氣冷卻器：是用來降低進入空氣干燥凈化器和空分塔前壓縮空氣的溫度，避免進塔溫度大幅度波動,并可析出壓縮空氣中的大 部分水分。通常采用氮水冷卻器（由水冷卻塔和空氣冷卻塔組成：水冷塔是用空分塔內(nèi)出來的廢氣冷卻循環(huán)水，空冷塔是用水冷塔出來的循環(huán)水冷卻空氣）、氟里昂 空冷器。

⑷空氣干燥凈化器：壓縮空氣經(jīng)空氣冷卻器后仍含有一定的水分、二氧化碳、 乙炔和其他碳氫化合物。被冷凍的水分和二氧化碳沉積在空分塔內(nèi)會堵塞通道、管道和閥門，乙炔積聚在液氧內(nèi)有爆炸的危險，灰塵會磨損運轉(zhuǎn)機械。為了保證空分 裝置的長期安全運行，必須設置專門的凈化設備，清除這些雜質(zhì)?？諝鈨艋妮^常用方法是吸附法和凍結(jié)法。目前國內(nèi)在中小型制氮裝置中廣泛采用分子篩吸附法。

⑸空分塔：空分塔內(nèi)主要包括有主換熱器、液化器、精餾塔、冷凝蒸發(fā)器等。主換熱器、冷凝蒸發(fā)器和液化器為板翹式換熱器是一種全鋁金屬結(jié)構(gòu)新型組合式間壁式換 熱器，平均溫差很小，換熱效率高達98-99%。精餾塔為空氣分離的設備，塔設備的類型按內(nèi)件劃分，設置篩孔板的稱篩板 塔，設置泡罩板的稱泡罩塔，堆放填料的稱填料塔。篩孔板結(jié)構(gòu)簡單、便于制造、塔板效率高，因此在空分精餾塔中被廣泛使用。填料塔主要用于直徑小于 0.8m，高度不大于7m的精餾塔。泡罩塔由于結(jié)構(gòu)復雜、制造困難現(xiàn)已很少使用。

⑹透平膨脹機：是制氮裝置用來產(chǎn)生冷量的旋轉(zhuǎn)式葉片機械，是一種用于低溫條件下的氣體透平。透平膨脹機按氣體在葉輪中的流向分為軸流式、向心徑流式和向心徑 軸流式；按氣體在葉輪中是否繼續(xù)膨脹又分為反擊式和沖擊式，繼續(xù)膨脹為反擊式，不繼續(xù)膨脹為沖擊式?？辗衷O備中廣泛采用單級向心徑軸流反擊式透平膨脹機。

空氣經(jīng)空氣過濾器清除灰塵和機械雜質(zhì)后進入空氣壓縮機，壓縮至所需壓力，經(jīng)嚴格的除油、除水、除塵凈 化處理，輸出潔凈的壓縮空氣，目的是確保吸附塔內(nèi)分子篩的使用壽命。裝有碳分子篩的吸附塔共有二個，一個塔工作時，另一個塔則減壓脫附。潔凈空氣進入工作 吸附塔，經(jīng)過分子篩時氧、二氧化碳和水被其吸附，流至出口端的氣體便是氮氣及微量的氬和氧。另一塔（脫附塔）使已吸附的氧氣、二氧化碳和水從分子篩微孔中 脫離排至大氣中。這樣兩塔輪流進行，完成氮氧分離，連續(xù)輸出氮氣，見圖-2。變壓吸附制取的氮氣純度為95%-99.9%，如果需要更高純度的氮氣需增加 氮氣凈化設備。變壓吸附制氮機輸出的95%-99.9%氮氣進入氮氣凈化設備，同時通過**量計添加適量的氫氣，在凈化設備的除氧塔中氫和氮氣中的微量氧 進行催化反應，以除去氧然后經(jīng)水冷凝器冷卻，汽水分離器除水，再通過干燥器深度干燥（兩個吸附干燥塔交替使用：一個吸附干燥除水，另一個加熱脫附排水）， 得到高純氮氣，此時的氮氣純度可達99.9995%，見圖-3。目前國內(nèi)變壓吸附制氮較大的生產(chǎn)能力為3000m³n/h。

⑴后冷卻器：是用來降低進入空氣干燥凈化器前壓縮空氣的溫度，使之析出油和水的設備。通常采用列管式、套管式、散熱片式等結(jié)構(gòu)的后冷卻器。

⑵油水分離器：它的作用是分離壓縮空氣中所含的油分和水分，使壓縮空氣得到初步的凈化。

⑶空氣干燥凈化器：壓縮空氣經(jīng)后冷卻器后仍含有一定的水分，其含量取決于空氣的溫度。壓縮空氣的干燥處理一般采用分子篩吸附法和冷凍干燥法。

⑸氮氣凈化設備：包括除氧塔、吸附干燥器和水冷凝器。除氧塔是一個用鈀作催化劑的催化反應器。吸附干燥器的吸附劑為分子篩，再生方式為有熱再生（電加熱）。

從以上的論述中我們可以發(fā)現(xiàn)：變壓吸附制氮流程簡單，設備數(shù)量少，主要設備僅有空壓機、空氣干燥器、 吸附制氮機和儲氣罐等。而深冷制氮流程復雜，設備數(shù)量多，主要設備有空壓機、空冷器、空氣凈化干燥器、換熱器、膨脹機和精流塔等。

深冷制氮不僅可以生產(chǎn)氮氣而且可以生產(chǎn)液氮，滿足需要液氮的工藝要求，并 且可在液氮貯槽內(nèi)貯存，當出現(xiàn)氮氣間斷負荷或空分設備小修時，貯槽內(nèi)的液氮進入汽化器被加熱后，送入產(chǎn)品氮氣管道滿足工藝裝置對氮氣的需求。深冷制氮的運 轉(zhuǎn)周期（指兩次大加溫之間的間隔期）一般為1年以上，因此，深冷制氮一般不考慮備用。而變壓吸附制氮只能生產(chǎn)氮氣，無備 用手段，單套設備不能保證連續(xù)長周期運行。

深冷制氮可制取純度≧99.999%的 氮氣。氮氣純度受到氮氣負荷、塔板數(shù)量、塔板效率和液空中氧純度等的限制，調(diào)節(jié)范圍很小。因此，對于一套深冷制氮設備其產(chǎn)品純度基本是一定的，不便調(diào)節(jié)。 變壓吸附制氮制取的氮氣純度一般在95%-99.9%范圍內(nèi)，如果需要更高純度的氮氣需增加氮氣凈化設備。氮氣純度只受產(chǎn)品氮氣負荷的影響，在其他條件不 變情況下，氮氣排出量越大，氮氣的純度就越低；反之則越高。因此，對于一套變壓吸附制氮設備只要負荷允許其產(chǎn)品純度可以在90-99.9%之間任意調(diào)節(jié)。

深冷法由于是在極低溫度下進行的，設備在投入正常運行之前，必須有一個預 冷啟動過程，啟動時間即從膨脹機啟動至氮氣純度達到要求的時間一般不小于12h；設備在進入大修之前，必須有一段加溫解 凍的時間，一般為24h。因此，深冷法制氮設備不宜經(jīng)常起、停，宜長時間連續(xù)運行。變壓吸附法啟動時，只要按一下按鈕，啟動30分鐘內(nèi)便可以獲得合格的氮 氣產(chǎn)品，如果需要高純的氮氣，那么經(jīng)過氮氣凈化裝置，大約再用30分鐘便可獲得99.99%-99.9999%的高純氮氣。停機時也只需按一下按鈕便可。 因此，變壓吸附制氮特別適用于間斷運行的情況。

現(xiàn)在深冷法制氮一般均采用先進的DCS（或 PLC）計算機控制技術(shù)，實現(xiàn)中控、機旁、就地一體化的控制，可有效的監(jiān)控整套設備的生產(chǎn)過程。變壓吸附制氮采用智能化全自動控制，按鈕即可進行氮氣生 產(chǎn)，無需專人管理。

深冷制氮流程電耗主要有兩部分，即壓縮機電耗和輔機電耗（一般不包括氮產(chǎn)品的壓縮功耗和照明用能 耗）。

? ? ? N₂---壓縮機潤滑油系統(tǒng)抽風機電 耗，kW；

③成套設備總電耗： ΣN= N_K+N_f

? ? ? ?V₂---液氮產(chǎn)量換算至標準狀態(tài)的氣氮 量，m³n/h；

變壓吸附制氮流程電耗主要有兩部分，即壓縮機電耗和輔機電耗（一般不包括氮產(chǎn)品的壓縮功耗和照明用能 耗）。

? ? ? N₂---氮氣凈化裝置中分子篩再生電 耗，kW；

③成套設備總電耗： ΣN= N_K+N_f

④單位制氮電耗：? N_N2=ΣN/V₁?????????

單位制氮電耗是反映整套設備能耗的一個重要指標，從對比表中可以看出：對于生產(chǎn)高純度氮氣（純度在99.9%以上），深冷制氮與變壓吸附制氮的單位電耗相差不大；但對于生產(chǎn)純度較低的氮氣，變壓吸附制氮在單位電耗上 有著明顯的優(yōu)勢。

5、?基建費用的比較

變壓吸附制氮設備數(shù)量較少，基建費用少，對廠房和設備基礎(chǔ)的要求也不高。深冷制氮設備較復雜，安裝 要求高且周期長，并且保冷箱和保冷材料（珠光砂）需要大量資金，基建投資高。

6、?設備費用的比較

根據(jù)石油化工裝置的用氮氣情況，下表列出了制取純度為99.9%、 壓力為0.7MPa氮氣的設備費比較：

變壓吸附制氮本身較簡單，運轉(zhuǎn)機械數(shù)量少，近似常溫常壓下操作，維修保養(yǎng)工作量少，費用低。而深冷制 氮在低溫下運行，運轉(zhuǎn)機械較復雜，所以維修費用及保養(yǎng)時間均比變壓吸附制氮多。

對于石油化工裝置，所需氮氣純度大多為99.9%，從以上對深冷制氮和變壓吸附制氮的簡介及比較中， 我們可以得出以下結(jié)論：

a)???? 當?shù)獨?連續(xù)負荷大于600 m³n/h，間斷負荷用量不太大，可以通過液氮汽化滿足要求時，應采用深冷制氮。

b)????? 當?shù)獨?連續(xù)負荷大于600 m³n/h，間斷負荷用量大，液氮汽化已不能滿足其用量時，可采用以深冷制氮為主，變壓吸附間斷供氣的方式。

c)????? 當?shù)獨?連續(xù)負荷小于600 m³n/h，可采用變壓吸附制氮。

d)???? 變壓吸 附制氮特別適用于氮氣負荷小于3000 m³n/h，氮氣純度為95%，并且是間斷運行工況。

e)?????當工藝裝置需要液氮時，除非有外部供應液氮的可能，否則均應采用深冷制氮。