浅谈化工生产中空分制氮的方法

胡忠宽

（天津渤化工程有限公司，天津300193）

氮气作为一种最常见，最廉价的惰性气体，被广泛应用于化工生产中。氮气可作为保护介质，用于易氧化、易燃、易爆、易腐蚀物料的保护、输送、密封等；作为传热介质，在冶金粉末的热处理中起到不可或缺的作用；作为原料气，用于工业合成氨等生产。目前，空分制氮工艺主要有三大类：深冷空分制氮、变压吸附空分制氮和膜分离空分制氮[1]。笔者将从分离原理、装置特点、工艺和操作特点、安全性和经济适用性等方面对三种方法进行了简要分析与比较。

1 深冷空分制氮

深冷空分制氮法的原理：空气经压缩、冷却后液化，然后利用液氧、液氮沸点的差异，使气相与液相在精馏塔中进行质热交换，氮组分因沸点低不断聚于蒸汽相，氧组分因沸点高不断凝聚成液相，从而达到氮氧分离的目的[2]。

深冷空分制氮法的工艺流程图如图1 所示，其流程分为：空气过滤系统、空气压缩系统、冷却系统、吸附分离系统、精馏系统和冷凝蒸发系统。空气吸入过滤器，除去其中的灰尘和其它固体杂质，经压缩机多级压缩后进入冷空塔，冷却后进入空气净化系统。经多级净化后开始分流，一部分进入主换热器，冷却后进入分馏塔；另一部分经增压机进增压后，进入冷却器，冷却后进入分馏塔。分馏塔中气体上升，不断与回流液体进行质热交换，气体含氮量不断增加，下流液体含氧量不断增加，最终在塔顶得到纯氮气，在塔底得到纯液氧。

其工艺较复杂，设备复杂，安装周期较长，安装技术难度较大，造成安装费用很高；设备体积庞大，故而用地面积大，且厂房和基础要求高，会造成工程造价较高；维护方面：设备内部结构复杂，加工精度高，维修保养技术难度大，维护保养费用高；操作方面：系统启动时间较长（一般为15～40h），必须连续运转，不可间歇运行，停机后恢复工况用时长，会造成大量能源和时间浪费。安全方面：操作条件为超低温（-160 ～-190℃下）、高压环境，持续运行会使碳氢化合物发生局部聚集现象，存在爆炸的可能性；经济实用性方面：气体产量大，纯度高，适用于石化工业等需大规模制气、用气的场合或者气体纯度要求较高的场合。

图1 深冷空分制氮法工艺流程图

2 变压吸附空分制氮

变压吸附空分制氮的原理：以空气为原料，碳分子筛（活性氧化铝和硅胶亦可）为吸附剂，运用变压吸附原理，利用富含微孔结构的碳分子筛对不同气体的吸附选择性不同的特性，使空气中的氧、氮分离，从而获得产品氮气。碳分子筛对氧和氮的吸附选择性原理为:氧气分子因直径小，在碳分子筛表面上扩散速率较快；氮气分子直径大，在碳分子筛表面上扩散速率较慢。压力增加，碳分子筛优先吸附氧气，气相中氮气被富集起来，从而形成成品氮气；压力减小，被吸附的氧气从碳分子筛脱附而出，从而形成成品氧气；经吸附脱附循环后，碳分子筛得以重复使用[3]。

变压吸附空分制氮法的工艺流程分为：空气压缩系统、预处理系统（过滤净化系统）、吸附分离系统。原料空气经空压机压缩进入空气缓冲罐，此时绝大部分的H2O、油状物和小颗粒粉尘会附着于罐壁，不断凝聚后会流至罐底排出，但还有一部分未除净的杂志随气流进入到过滤净化系统。压缩空气过滤净化系统由3 个不同精度的过滤器、1 个冷干机和1 个除油器组成，压缩空气经冷冻除湿、由粗至精、层层过滤，将压缩空气中的油污、液态水和尘埃过滤至标准洁净度（含油量＜0.001ppm，最大尘埃粒径＜0.01μm）。净化后的压缩空气分流进入A/B 吸附塔，通过制氮机上气动阀门的自动切换进行交替吸附与解吸，氮气被不断富集并输送至氮气储罐，富氧空气不断释放到空气中。

该工艺流程简单、设备较少，故而车间占地面积较小，厂房无特殊要求，工程造价低。维护方面：设备结构简单，维修保养技术难度小，维护费用较低；操作方面：常温操作，自动化程度高，启动快(15～30min)，可连续亦可间歇生产；安全方面：常温较高压力下运行，不会发生有机化合物局部聚集现象，无爆炸危险；经济实用性方面：生产系统能耗低，可间歇操作，氮气纯度可根据具体需要在较大范围内进行气体生产，适用于氮气纯度在79%～99.99%的中小规模场合。因其操作维护方便、投入成本较低、装置适应性较强，故而在中、小型氮气用户眼中备受欢迎[4～6]。

3 膜分离空分制氮

膜分离空分制氮的原理：在常温高压下，以空气为原料，以中空纤维膜为分离器，通过高温高压获得流动动力，利用氧气和氮气在纤维膜内相对溶解扩散速率的差异，将氮气和氧气分离开来。

膜分离空分制氮法的工艺流程大致分为：空气压缩系统、预处理系统（过滤净化系统）、膜分离系统。空气经空压机压缩进入空气罐，然后经多级干燥净化得到较纯净原料气，原料气经过加热器加热后进入膜分离器。在高压高温作用下，原料气先接触分离膜的高压侧表面，原料气内不同成分以不同的相对溶解度溶于膜，进而在分离膜两侧压力差的作用下，不同气体以不同的扩散速率向分离膜的低压侧扩散。经气体在膜上反复溶解和扩散过程的选择，透过速度较大的氧气透过膜到达低压侧，而氮气留于高压侧[7]。

该工艺流程简单，设备少，故而用地面积较小，厂房无特殊要求，工程造价低，但膜交换器价格昂贵，仪器设备投资较大。维护方面：维护保养技术难度低，但因材料问题维护保养费用较高；操作方面：常温操作，启动时间短（一般≤20min），可连续运行，也可间歇运行。气体产品产量、纯度可调，灵活性较好。经济实用性方面：在氮气纯度99%以下膜分离制氮法能耗和变压吸附制氮法能耗无太大区别，但氮气纯度高于99.5%，膜分离制氧经济性比变压吸附要差。总体来说，现阶段膜分离制氮法工艺还未成熟，尤其是工艺运用还未达到普遍认可，基本未得到工业应用[8]。

4 总结

本文分析了深冷空分制氮、变压吸附空分制氮和膜分离空分制氮的分离原理、装置特点和经济适用性等。从工程设计合理经济的角度：当制气用气量较大或者气体纯度要求较高时，宜采用深冷空分制氮法；当制气用气量较小、需间歇操作或者气体纯度有变化时，宜采用深冷空分制氮法。膜分离空分制氮还有待进一步研究发展，以期满足工业化的条件。