空压制氮方案分类及比选

吴 霞

(北京北大先锋科技有限公司，北京 100080)

1 空压制氮方法分类

氮气在化工生产过程中具有重要的作用，可以作为一些容器的密封气，也可以作为生产间歇的置换气亦或是部分工艺的吹扫气，无论是石油化工项目还是煤化工项目，空压制氮装置都是必不可少的。

在做化工设计过程中，肯定要根据所需氮气纯度、用量及用途的不同制定不同的方案。空气压缩部分方案一般类似，都是由压缩机来给空气加压，区别仅是压缩机的类型不同而已，一般压缩空气量很大时会选择离心压缩机，而空气量小一些时会选择螺杆压缩机或者往复压缩机。制氮方案是空压制氮系统的核心，工业上作为非工艺气使用的氮气压力一般为7barg左右。制氮方法一般有深冷法、PSA制氮法以及膜分离法。目前工业应用较多的是前两种制取方法。

1.1 深冷法制氮

深冷法一般是引用空压装置已经压缩好的空气，压缩空气压力为8.5 barg左右。首先压缩气体要经过预冷装置来降低压缩空气的温度，然后通过净化装置来除去CO2、H2O和乙炔等碳氢化合物，此净化装置包含一对变压吸附罐和一台污氮加热器。依靠变压吸附塔除去以上组分，然后利用加热污氮气来反吹吸附塔进行再生。净化后的压缩气被输送到精馏塔中，此精馏塔利用氮气和氧气沸点的差异来分离两种组分，蒸馏塔的冷量由膨胀机来提供。

1.2 PSA法制氮

PSA制氮的工作原理是：此工艺利用特定的分子筛可吸附特定分子的特性，在一定的温度和压力下，单位时间内空气中各种气体组分在吸附剂中的吸附速率有所不同，利用这个“时间差”就可分离气体。当压缩空气从下方进入到吸附罐时，空气中的水汽和氧气优先被吸附，而吸附速率相对较慢的氮气(包括氩气)等穿过碳分子筛颗粒之间的间隙，从吸附罐的出口作为产品气输出。分子筛饱和后，需停止进气且降压进行常压解吸，脱出并排放掉吸附的气体。在压力降低时，吸附的气体完成脱附，从吸附罐的另一出口排出，配合适当产品气进行反吹，使吸附剂获得再生[1]。

PSA制氮脱附过程包含以下步骤：

1)均压降过程。假设第一个吸附罐为A罐，第二个吸附罐为B罐。首先，A罐吸附杂质气体，而所需的产品氮气经过吸附塔没有被吸附，排放到后续产品缓冲罐中。当A罐的吸附前沿达到将近吸附剂的顶端后，A罐吸附完毕，即A罐停止吸附过程，现需将A罐中的气体排放到较低压力的B罐中，一是可以降低A罐压力，便于A罐后续在低压情况下解吸更加容易，而B罐压力升高，便于下一步的吸附过程可以平稳进行，二是可以将A罐吸附过程中形成的死区气体排到B罐中，以便B罐对有用气体的再次回收，提高收率。

2)逆放过程。均压降过程结束后，需要继续给A罐降压直至常压，甚至达到负压，使之前A罐吸附的杂质气体得以充分解吸并排放，排放前要经过消音器。

3)冲洗过程。上一过程结束后，为了将A罐中的杂质气体排放彻底，可以用较高纯度的产品气冲洗A罐，冲洗后的废气也经过消音器后排放至大气。

4)均压升过程。A罐经冲洗后，B罐较高压力气体开始排向A罐，使A罐压力开始升高。

5)产品气升压过程。在上一过程完成后，用产品气继续给A罐升压，使压力达到吸附压力。

A罐和B罐交替进行以上步骤即可实现产气的连续化。

2 化工设计角度对两种制氮方案的比选

两种制氮方式没有哪种是绝对的好或者不好，只是在不同情况下适用于不同方式而已。

2.1 所需要的氮的形式不同

深冷法制氮可以产生氮气也可以产生液氮，甚至可以同时产生两种形式的氮。但是PSA制氮只能产生氮气，如果所需要的是液氮，应该优选深冷法。

2.2 考虑备用系统或间歇用量

一般使用的氮的形式都是氮气，但是化工工业上经常要考虑备用系统或者间歇较大消耗量。在这种情况下，如果是深冷法制氮可以制取一部分氮气作为连续用量，与此同时制取一部分液氮储存在液氮罐中，需要时汽化并加热即可。如果是PSA法，则只能设置几个压力球罐，然后将氮气加压储存在高压球罐中，使用时减压使用[2]。

2.3 考虑占地

如果仅是考虑制取氮气，则PSA由于装置结构的简单性，更加省用地，但是如果考虑上述备用或间歇大量情况，要设置球罐时，则PSA法省下的用地很可能被球罐或其它压力储罐占用。此外，如果用户对氮气纯度要求较高，那么吸附罐解吸时仅仅降压到常压是不够的，还需要依靠真空泵抽真空使吸附器内压力成为负值，从而使所吸附的杂质解吸得更加彻底。而动力设备真空泵也需要占据一定的土地面积。

2.4 考虑纯度

一般化工工业要求氮气纯度是99.99%，深冷法制氮可以满足这一要求，但是PSA一般氮气产品纯度为99.9%，如果要更纯的氮气则需要增加加氢纯化装置，或增加真空泵等动力设备。

2.5 考虑投资

如果仅是考虑制取纯度不太高的气态氮，则PSA装置投资更低一些。

3 结语

通过以上的对比可以看出，两种制氮方式没有哪种是绝对的好或者不好，只是在不同情况下适用同方式而已。