制氮工艺技术的比较与选择

氮气在石油化工装置中被广泛用作吹扫、保护气和密封气。通常采用空气分离法从空气中提取氮气，可选择深冷分离、PSA变压吸附和膜分离3艺流程。不同的氮气需求，选择不同的制氮工艺，对提高装置可靠性，降低生产成本具有重要意义。

深冷分离制氮

1.1工作原理空气经过压缩、冷却、净化后，再利用热交换把空气液化成为液空。根据液氧和液氮的沸点不同，通过对液空的精馏，氧在精馏塔底部富集，形成富氧液空，在精馏塔顶部得获得氮气。1.2工艺流程空气经压缩机加压至约0.MPa，并先后经压缩机后冷却器和预冷机组冷却至20以下后，进入切换使用的分子筛吸附器，空气中的二氧化碳、碳氢化合物和水分被吸附并得以净化。净化空气进入主换热器，被返流的富氧空气冷却至饱和温度约-168后进入精馏塔底部参与精馏，在塔顶得到纯度高达99.99%的氮气。PSA变压吸附制氮2.1工作原理在一定的压力下，由于空气动力学效应，氧和氮在碳分子筛表面上的扩散速率不同，氧的扩散速率远大于氮。在吸附未达到平衡时，氧被碳分子筛大量吸附，氮在气相中得到浓缩富集，形成产品氮气。由于碳分子筛对氧的吸附容量随压力的不同而有明显差异，降低压力，即可解吸碳分子筛吸附的氧分子，使碳分子筛再生，并循环使用。膜分离制氮3.1工作原理由于空气中的氮气和氧气在膜中的溶解度和扩散系数不同，在膜两侧压差的作用下，渗透率较快的水蒸气、氧气等一些气体先透过膜，成为富氧气体，而渗透率较慢的氮气则滞留富集，成为干燥的富氮气体，从而达到氧氮分离的目的。膜分离制氮工艺流程1—空气压缩机；2—过滤器；3—干燥机；4—过滤器；5—电加热器；6—膜组件制氮工艺性能比较深冷分离制氮、PSA变压吸附制氮及膜分离制氮工艺性能比较,对3种制氮工艺技术比较分析如下。（1）PSA变压吸附和膜分离制氮的工艺流程简单，设备数量少，操作简单，可随时停机，并可长时间停机。深冷制氮不仅工艺流程复杂，设备数量多，且需在深冷低温状态下运行。在设备投入正常运行之前，有一个预冷启动过程，启动时间从膨胀机启动至氮气纯度达到要求的时间一般不小于12h。在设备进入大修之前，必须有一段加温解冻的时间，一般为24h。因此，深冷分离制氮不适宜启、停频繁的场合。膜分离制氮与PSA变压吸附相比，不仅设备结构更简单，而且无切换阀门，操作维护更为简便，产气所需时间也更短。（2）深冷分离制氮可同时获得气氮和液氮，适宜需要液氮的工艺流程。液氮也可贮存于液氮储槽作为备用，当出现氮气需求短时骤增或制氮设备小修时，可将贮槽内的液氮汽化后送入氮气管网以满足工艺装置对氮气的连续性需求。PSA变压吸附和膜分离制氮变压吸附制氮只能生产氮气，无备用手段，单套设备难以保证工艺装置连续长周期运行。（3）当氮气纯度体积分数97%时，PSA变压吸附和膜分离制氮工艺的氮气提取率基本相当；当氮气纯度体积分数99%时，采用深冷分离制氮工艺氮提取率最高，PSA变压吸附次之，膜分离制氮工艺氮提取率急剧降低。同时，制取相同压力的氮气，深冷分离制氮空气压缩机出口空气压PSA变压吸附制氮相当，而膜分离制氮压力要求空气压力较高。3种制氮工艺主要能耗在空气压缩机，故当制取氮气纯度较高时，膜分离制氮所需空气压缩机规模大，功率高，总能耗最高，PSA变压吸附制氮次之，深冷分离制氮能耗相对较低。（4）PSA变压吸附制氮的氮气分离吸附-解吸-吸附过程存在压力波动，氮气压力不稳；而深冷分离和膜分离制氮的氮气分离过程为连续进行，产品氮气压力较为稳定。因此PSA制氮必需在PSA附塔氮气出口增加氮气缓冲罐，以缓冲氮气，调蓄气体压力，从而保证氮气产品压力的稳定性。（5）深冷分离制氮设备多，流程长，占地大，投资较高。膜分离制氮与PSA变压吸附制氮相比，所需空气量大，压比高，压缩机规模大，对应的空气净化组件（过滤器、干燥机、除油器等）比PSA变压吸附大，投资高，且制氮核心部件的膜组件的成本也高于PSA吸附塔。因此，PSA变压吸附制氮投资最低。