深冷制氮与变压吸附制氮的技术经济比较bkck.docx

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1、深冷制氮与变压吸附制氮的技术经济比较深冷制氮与变压压吸附制氮的的技术经济比比较汪红（中国石化集团团洛阳石化工工程公司）一、 前言随着工业的迅速速发展，氮气气在化工、电电子、冶金、食食品、机械等等领域获得了了广泛的应用用，我国对氮氮气的需求量量每年以大于于8%的速度度增加。 氮氮气的化学性性质不活泼，在在平常的状态态下表现为很很大的惰性，不不易与其他物物质发生化学学反应。因此此，氮气在冶冶金工业、电电子工业、化化工工业中广广泛的用来作作为保护气和和密封气，一一般保护气的的纯度要求为为99.999%，有的要要求99.9998%以上上的高纯氮。液液氮是一个较较方便的冷源源，在食品工工业、医疗事事业以

2、及畜牧牧业的精液贮贮藏等方面得得到越来越普普遍的应用。在在化肥工业生生产合成氨时时，合成氨的的原料气氢、氮混合合气若用纯液液氮洗涤精制制，可使惰性性气体的含量量极微小，一一氧化硫和氧氧的含量不超超过20pppm。氮气在石油化工工装置中也有有广泛的应用用，主要应用用及要求见下下表：装置名称用 途负荷特点 纯 度度压力等级加氢装置连续用量：用于于气封用量小 99.9% 0.7MPPa间断用量：开工工用于气密；停工用于吹吹扫用量较大 99.9% 0.7 MMPa重整装置间断用量：用于于吹扫、干燥燥等用量较大 99.9%0.7 MPaa PTA装置连续用量：用于于气封用量较小 99.999% 0.7

3、MMPa间断用量：反应应器保护一次用量大99.99% 4.0 MMPa间断用量：输送送用量大 95% 0.7 MMPaPX装置连续用量：用于于气封用量较小99.9%0.7 MPaa间断用量：用于于吹扫、干燥燥、气密用量大 99.9% 0.7 MMPa芳烃抽提装置连续用量：抽提提塔分层控制制用量小 99.9%0.7 MPaa间断用量：吹扫扫、稳压用量大 99.9%0.7 MPaa储运连续用量：气封封用量较小 99.9% 0.7 MMPa间断用量：吹扫扫、气密用量大 99.9% 0.7 MMPa纯净的氮气无法法从自然界直直接汲取，主主要采用空气气分离法。空空气分离法中中包括：深冷冷法、变压吸吸附法

4、、膜分分离法。1、 深冷法：此法是先将空气气压缩、冷却却，并使空气气液化，利用用氧、氮组分分的沸点的不不同（在大气气压下氧的沸沸点为90KK，氮的沸点点为77K），在在精馏塔的塔塔盘上使气、液液接触，进行行质、热交换换，高沸点的的氧不断从蒸蒸汽中冷凝成成液体，低沸沸点的氮不断断的转入蒸汽汽中，使上升升的蒸汽中含含氮量不断提提高，而下流流液体中含氧氧量越来越高高，从而使氧氧、氮分离，得得到氮气或氧氧气。此法是是在120KK以下的温度度条件下进行行的，故称为为深冷法空气气分离。2、 变压吸附法：变压吸附法即PPSA法（PPressuure Swwing AAdsorpption），基基于吸附剂对对

5、空气中的氧氧、氮组分选选择性吸附而而使空气分离离得到氮气。当当空气经过压压缩，通过吸吸附塔的吸附附层时，氧分分子优先被吸吸附，氮分子子留在气相中中，而成为氮氮气。吸附达达到平衡时，利利用减压将分分子筛表面所所吸附的氧分分子驱除，恢恢复分子筛的的吸附能力即即吸附剂解析析。为了能够够连续提供氮氮气，装置通通常设置两个个或两个以上上的吸附塔，一一个塔吸附，另另一个塔解析析，按适当的的时间切换使使用。3、 膜分离法：膜分离法是利用用有机聚合膜膜的渗透选择择性，从气体体混合物中分分离出富氮气气体。理想的的薄膜材料应应具有很高的的选择率和渗渗透性。为了了得到经济的的流程，需要要很薄的聚合合物分离膜（00.

6、1m），所以以需要支撑。渗渗透器常为板板式渗透器和和中空纤维渗渗透器。此法法，若产气量量大，所需薄薄膜表面积太太大，薄膜价价格高，虽然然膜分离法装装置简单，操操作方便，但但工业应用还还不广泛，本本篇不再多述述。深冷制氮已有近近百年的历史史，工艺流程程不断改进。变变压吸附制氮氮是近二十年年发展起来并并被市场广泛泛接受的技术术。本篇试从从流程、费用用、运行和产产品种类等方方面比较二者者的差别，并并得出相关结结论。二、 深冷制氮的工艺艺流程和设备备简介1、深冷制氮的的典型工艺流流程：整个流程由空气气压缩及净化化、空气分离离、液氮汽化化组成，见图图-1。 空气压缩及及净化空气经空气过滤滤器清除灰尘尘和

7、机械杂质质后进入空气气压缩机，压压缩至所需压压力，然后送送入空气冷却却器，降低空空气温度。再再进入空气干干燥净化器，除除去空气中的的水份、二氧氧化碳、乙炔炔及其它碳氢氢化合物。 空气分离：净化后的空气进进入空分塔中中的主换热器器，被返流气气体（产品氮氮气、废气）冷冷却至饱和温温度，送入精精馏塔底部，在在塔顶部得到到氮气，液空空经节流后送送入冷凝蒸发发器蒸发，同同时冷凝由精精馏塔送来的的部分氮气，冷冷凝后的液氮氮一部分作为为精馏塔的回回流液，另一一部分作为液液氮产品出空空分塔。由冷凝蒸发器出出来的废气经经主换热器复复热到约1330K进膨胀胀机膨胀制冷冷为空分塔提提供冷量，膨膨胀后的气体体一部分作

8、为为分子筛的再再生和吹冷用用，然后经消消音器排入大大气。 液氮汽化由空分塔出来的的液氮进液氮氮贮槽贮存，当当空分设备检检修时，贮槽槽内的液氮进进入汽化器被被加热后，送送入产品氮气气管道。深冷制氮可制取取纯度99.9999%的氮气气。2、主要设备简简介：空气过滤器：为减少空气气压缩机内部部机械运动表表面的磨损， 保证空气质质量， 空气气在进入空气气压缩机之前前，必须先经经过空气过滤滤器以清除其其中所含的灰灰尘和其他杂杂质。目前空空气压缩机进进气多采用粗粗效过滤器或或中效过滤器器。图-1深冷制氮氮的典型工艺艺流程简图 空气压缩机机：按工作原原理，空气压压缩机可分为为容积式和速速度式两大类类。目前空

9、气气压缩机多采采用往复活塞塞式空气压缩缩机、离心式式空气压缩机机和螺杆式空空气压缩机。 空气冷却器器：是用来降降低进入空气气干燥净化器器和空分塔前前压缩空气的的温度，避免免进塔温度大大幅度波动,并可析出压压缩空气中的的大部分水分分。通常采用用氮水冷却器器（由水冷却却塔和空气冷冷却塔组成：水冷塔是用用空分塔内出出来的废气冷冷却循环水，空空冷塔是用水水冷塔出来的的循环水冷却却空气）、氟氟里昂空冷器器。空气干燥净化化器：压缩空空气经空气冷冷却器后仍含含有一定的水水分、二氧化化碳、乙炔和和其他碳氢化化合物。被冷冷冻的水分和和二氧化碳沉沉积在空分塔塔内会堵塞通通道、管道和和阀门，乙炔炔积聚在液氧氧内有爆

10、炸的的危险，灰尘尘会磨损运转转机械。为了了保证空分装装置的长期安安全运行，必必须设置专门门的净化设备备，清除这些些杂质。空气气净化的最常常用方法是吸吸附法和冻结结法。目前国国内在中小型型制氮装置中中广泛采用分分子筛吸附法法。 空分塔：空空分塔内主要要包括有主换换热器、液化化器、精馏塔塔、冷凝蒸发发器等。主换换热器、冷凝凝蒸发器和液液化器为板翘翘式换热器是是一种全铝金金属结构新型型组合式间壁壁式换热器，平平均温差很小小，换热效率率高达98-99%。精精馏塔为空气气分离的设备备，塔设备的的类型按内件件划分，设置置筛孔板的称称筛板塔，设设置泡罩板的的称泡罩塔，堆堆放填料的称称填料塔。筛筛孔板结构简简

11、单、便于制制造、塔板效效率高，因此此在空分精馏馏塔中被广泛泛使用。填料料塔主要用于于直径小于00.8m，高高度不大于77m的精馏塔塔。泡罩塔由由于结构复杂杂、制造困难难现已很少使使用。 透平膨胀机机：是制氮装装置用来产生生冷量的旋转转式叶片机械械，是一种用用于低温条件件下的气体透透平。透平膨膨胀机按气体体在叶轮中的的流向分为轴轴流式、向心心径流式和向向心径轴流式式；按气体在在叶轮中是否否继续膨胀又又分为反击式式和冲击式，继继续膨胀为反反击式，不继继续膨胀为冲冲击式。空分分设备中广泛泛采用单级向向心径轴流反反击式透平膨膨胀机。三、 变压吸附制氮的的工艺流程和和设备简介1、工艺流程简简介空气经空气

12、过滤滤器清除灰尘尘和机械杂质质后进入空气气压缩机，压压缩至所需压压力，经严格格的除油、除除水、除尘净净化处理，输输出洁净的压压缩空气，目目的是确保吸吸附塔内分子子筛的使用寿寿命。装有碳碳分子筛的吸吸附塔共有二二个，一个塔塔工作时，另另一个塔则减减压脱附。洁洁净空气进入入工作吸附塔塔，经过分子子筛时氧、二二氧化碳和水水被其吸附，流流至出口端的的气体便是氮氮气及微量的的氩和氧。另另一塔（脱附附塔）使已吸吸附的氧气、二二氧化碳和水水从分子筛微微孔中脱离排排至大气中。这这样两塔轮流流进行，完成成氮氧分离，连连续输出氮气气，见图-22。变压吸附附制取的氮气气纯度为955%-99.9%，如果果需要更高纯纯

13、度的氮气需需增加氮气净净化设备。变变压吸附制氮氮机输出的995%-999.9%氮气气进入氮气净净化设备，同同时通过一流流量计添加适适量的氢气，在在净化设备的的除氧塔中氢氢和氮气中的的微量氧进行行催化反应，以以除去氧然后后经水冷凝器器冷却，汽水水分离器除水水，再通过干干燥器深度干干燥（两个吸吸附干燥塔交交替使用：一一个吸附干燥燥除水，另一一个加热脱附附排水），得得到高纯氮气气，此时的氮氮气纯度可达达99.99995%，见见图-3。目目前国内变压压吸附制氮最最大的生产能能力为30000m3n/h。图-2变压吸附附制氮的工艺艺流程简图图-3氮气净化化工艺流程简简图2、主要设备简简介：该工艺中的空气气

14、过滤器和空空气压缩机的的简介同深冷冷制氮工艺。 后冷却器：是用来降低低进入空气干干燥净化器前前压缩空气的的温度，使之之析出油和水水的设备。通通常采用列管管式、套管式式、散热片式式等结构的后后冷却器。 油水分离器器：它的作用用是分离压缩缩空气中所含含的油分和水水分，使压缩缩空气得到初初步的净化。 空气干燥净净化器：压缩缩空气经后冷冷却器后仍含含有一定的水水分，其含量量取决于空气气的温度。压压缩空气的干干燥处理一般般采用分子筛筛吸附法和冷冷冻干燥法。 变压吸附制制氮装置：采采用的吸附剂剂通常为5AA分子筛或碳碳分子筛，再再生方式为无无热再生，高高压吸附、低低压或常压解解析。此为分分离氮气的核核心设

15、备。 氮气净化设设备：包括除除氧塔、吸附附干燥器和水水冷凝器。除除氧塔是一个个用钯作催化化剂的催化反反应器。吸附附干燥器的吸吸附剂为分子子筛，再生方方式为有热再再生（电加热热）。四、 深冷制氮与变压压吸附制氮的的技术经济比比较1、流程比较从以上的论述中中我们可以发发现：变压吸吸附制氮流程程简单，设备备数量少，主主要设备仅有有空压机、空空气干燥器、吸吸附制氮机和和储气罐等。而而深冷制氮流流程复杂，设设备数量多，主主要设备有空空压机、空冷冷器、空气净净化干燥器、换换热器、膨胀胀机和精流塔塔等。2、产品种类和和纯度比较深冷制氮不仅可可以生产氮气气而且可以生生产液氮，满满足需要液氮氮的工艺要求求，并且

16、可在在液氮贮槽内内贮存，当出出现氮气间断断负荷或空分分设备小修时时，贮槽内的的液氮进入汽汽化器被加热热后，送入产产品氮气管道道满足工艺装装置对氮气的的需求。深冷冷制氮的运转转周期（指两两次大加温之之间的间隔期期）一般为11年以上，因因此，深冷制制氮一般不考考虑备用。而而变压吸附制制氮只能生产产氮气，无备备用手段，单单套设备不能能保证连续长长周期运行。深冷制氮可制取取纯度99.9999%的氮气气。氮气纯度度受到氮气负负荷、塔板数数量、塔板效效率和液空中中氧纯度等的的限制，调节节范围很小。因因此，对于一一套深冷制氮氮设备其产品品纯度基本是是一定的，不不便调节。变变压吸附制氮氮制取的氮气气纯度一般在

17、在95%-999.9%范范围内，如果果需要更高纯纯度的氮气需需增加氮气净净化设备。氮氮气纯度只受受产品氮气负负荷的影响，在在其他条件不不变情况下，氮氮气排出量越越大，氮气的的纯度就越低低；反之则越越高。因此，对对于一套变压压吸附制氮设设备只要负荷荷允许其产品品纯度可以在在90-999.9%之间间任意调节。3、运行控制比比较深冷法由于是在在极低温度下下进行的，设设备在投入正正常运行之前前，必须有一一个预冷启动动过程，启动动时间即从膨膨胀机启动至至氮气纯度达达到要求的时时间一般不小小于12h；设备在进进入大修之前前，必须有一一段加温解冻冻的时间，一一般为24hh。因此，深深冷法制氮设设备不宜经常常

18、起、停，宜宜长时间连续续运行。变压压吸附法启动动时，只要按按一下按钮，启启动30分钟钟内便可以获获得合格的氮氮气产品，如如果需要高纯纯的氮气，那那么经过氮气气净化装置，大大约再用300分钟便可获获得99.999%-999.99999%的高纯氮氮气。停机时时也只需按一一下按钮便可可。因此，变变压吸附制氮氮特别适用于于间断运行的的情况。现在深冷法制氮氮一般均采用用先进的DCCS（或PLLC）计算机机控制技术，实实现中控、机机旁、就地一一体化的控制制，可有效的的监控整套设设备的生产过过程。变压吸吸附制氮采用用智能化全自自动控制，按按钮即可进行行氮气生产，无无需专人管理理。4、 单位制氮电耗的的比较

19、深冷制氮电电耗的计算：深冷制氮流程电电耗主要有两两部分，即压压缩机电耗和和辅机电耗（一一般不包括氮氮产品的压缩缩功耗和照明明用能耗）。 压缩功耗： NK=Ne NK-空压机功功率，kW； e -电动机机效率，%（由由电动机生产产厂提供）； N-电动机输入入功率，kWW；辅助电耗：NNf=N1+N2+N3+N4+N5+N6+N7+N8 N1-压缩机主主油泵电耗，kkW； N2-压缩机润润滑油系统抽抽风机电耗，kkW； N3-膨胀机油油泵电耗，kkW； N4-空冷塔水水泵电耗，kkW； N5-水冷塔水水泵电耗，kkW； N6-水冷塔抽抽风机电耗，kkW； N7-冷冻机电电耗，kW； N8分分子筛再

20、生电电耗，kW；成套设备总电电耗： N= NK+ Nf单位制氮电耗耗： NNN2=N/VN2 VN2=V1+3V2 V1-气氮总总量，m3n/h； V2-液氮产产量换算至标标准状态的气气氮量，m33n/h； 变压吸附制制氮电耗的计计算变压吸附制氮流流程电耗主要要有两部分，即即压缩机电耗耗和辅机电耗耗（一般不包包括氮产品的的压缩功耗和和照明用能耗耗）。 压缩功耗： NK=Ne NK-空压机功功率，kW； e -电动机机效率，%（由由电动机生产产厂提供）； N-电动机输入入功率，kWW；辅助电耗：NNf=N1+N2 N1-预冷机组组功率，kWW； N2-氮气净化化装置中分子子筛再生电耗耗，kW；成

21、套设备总电电耗： N= NK+ Nf单位制氮电耗耗： NNN2=N/V1 V1-气氮总总量，m3n/h； 单位制氮电电耗比较表（氮氮气产品的压压力均为0.7MPa）氮气产量（m3n/h）深冷制氮变压吸附制氮纯度：95%纯度：99.99%纯度：95%纯度：99.99%单位制氮电耗（kWh/ mm3nN2）单位制氮电耗（kWh/ mm3nN2）单位制氮电耗（kWh/ mm3nN2）单位制氮电耗（kWh/ mm3nN2）1000.820.820.40.863000.510.510.360.526000.450.460.360.45 10000.420.430.350.41 15000.410.410

22、.350.39 20000.400.410.350.38 30000.390.400.350.37单位制氮电耗是是反映整套设设备能耗的一一个重要指标标，从对比表表中可以看出出：对于生产产高纯度氮气气（纯度在999.9%以以上），深冷冷制氮与变压压吸附制氮的的单位电耗相相差不大；但但对于生产纯纯度较低的氮氮气，变压吸吸附制氮在单单位电耗上有有着明显的优优势。5、 基建费用的比较较变压吸附制氮设设备数量较少少，基建费用用少，对厂房房和设备基础础的要求也不不高。深冷制制氮设备较复复杂，安装要要求高且周期期长，并且保保冷箱和保冷冷材料（珠光光砂）需要大大量资金，基基建投资高。6、 设备费用的比较较根据

23、石油化工装装置的用氮气气情况，下表表列出了制取取纯度为999.9%、压压力为0.77MPa氮气气的设备费比比较：氮气产量（m3n/h） 深冷制氮氮（万元）变压吸附制氮（万元） 100090 455 3000 1600 1225 6000 2400 2550 10000 4000 4220 15000 7100 6110 20000 8200 7660 30000 9500 111007、 维修费用的比较较变压吸附制氮本本身较简单，运运转机械数量量少，近似常常温常压下操操作，维修保保养工作量少少，费用低。而而深冷制氮在在低温下运行行，运转机械械较复杂，所所以维修费用用及保养时间间均比变压吸吸附制

24、氮多。五、 结论对于石油化工装装置，所需氮氮气纯度大多多为99.99%，从以上上对深冷制氮氮和变压吸附附制氮的简介介及比较中，我我们可以得出出以下结论：a) 当氮气连续负荷荷大于6000 m3n/h，间间断负荷用量量不太大，可可以通过液氮氮汽化满足要要求时，应采采用深冷制氮氮。b) 当氮气连续负荷荷大于6000 m3n/h，间间断负荷用量量大，液氮汽汽化已不能满满足其用量时时，可采用以以深冷制氮为为主，变压吸吸附间断供气气的方式。c) 当氮气连续负荷荷小于6000 m3n/h，可可采用变压吸吸附制氮。d) 变压吸附制氮特特别适用于氮氮气负荷小于于3000 m3n/h，氮氮气纯度为995%，并且且是间断运行行工况。e) 当工艺装置需要要液氮时，除除非有外部供供应液氮的可可能，否则均均应采用深冷冷制氮。14