深冷法制氮與變壓吸附（PSA）法制氮比較
深冷法制氮與變壓吸附（PSA）法制氮比較
隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，氮氣在化工、電子、冶金、食品、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，氮氣的需求量逐年大幅增加。氮氣的化學(xué)性質(zhì)不活潑，在平常狀態(tài)下表現(xiàn)為很大的惰性，不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此，氮氣在電子、化工、食品、生物、醫(yī)療中廣泛的用來作為保護(hù)氣和密封氣，一般保護(hù)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、醫(yī)療、生命科學(xué)等方面得到越來越普遍的應(yīng)用。
純凈的氮氣無法從自然界直接汲取，但是可以通過分離空氣獲得�，F(xiàn)有的空氣分離氮氣方法包括：深冷法、變壓吸附法(PSA)、膜分離法。本文主要討論深冷法和PSA法制氮。
原理
PSA法制氮是以空氣為原料，以碳分子篩（CMS）作為吸附劑，運用變壓吸附原理，利用碳分子篩對氧和氮的選擇性吸附而使氮和氧分離的方法。空氣經(jīng)空氣過濾器清除灰塵和機(jī)械雜質(zhì)后進(jìn)入空氣壓縮機(jī)，壓縮至所需壓力，經(jīng)嚴(yán)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(jìn)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(jìn)行，完成氮氧分離，連續(xù)輸出氮氣。PSA制取的氮氣純度為95%-99.9%，假如再經(jīng)過氮氣凈化設(shè)備處理，得到的高純氮氣純度可達(dá)99.9995%。目前PSA制氮最大的生產(chǎn)能力為3000 Nm3/h。
深冷法制氮是一種傳統(tǒng)的制氮方法，已有近幾十年的歷史。它是以空氣為原料，利用液氧和液氮的沸點不同（在1大氣壓下，O2的沸點為-183℃，N2的為-196℃），通過液態(tài)空氣的精餾，使它們分離來獲得純氮，同時也可以獲得純氧�？諝饨�(jīng)空氣過濾器清除灰塵和機(jī)械雜質(zhì)后進(jìn)入空氣壓縮機(jī)，壓縮至所需壓力，然后送入空氣冷卻器，降低空氣溫度。再進(jìn)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?xì)浠衔�。凈化后的空氣進(jìn)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。由冷凝蒸發(fā)器出來的廢氣經(jīng)主換熱器復(fù)熱到約130K進(jìn)膨脹機(jī)膨脹制冷為空分塔提供冷量，膨脹后的氣體一部分作為分子篩的再生和吹冷用，然后經(jīng)消音器排入大氣。由空分塔出來的液氮進(jìn)液氮貯槽貯存，當(dāng)空分設(shè)備檢修時，貯槽內(nèi)的液氮進(jìn)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。
膜分離法以空氣為原料，在一定壓力條件下，利用氧和氮等不同性質(zhì)的氣體在膜中具有不同的滲透速率來使氧和氮分離。
比較
流程比較
由原理，我們可以發(fā)現(xiàn)：PSA制氮流程簡單，設(shè)備數(shù)量少，主要設(shè)備僅有空壓機(jī)、空氣干燥器、吸附制氮機(jī)和儲氣罐等。而深冷制氮流程復(fù)雜，設(shè)備數(shù)量多，主要設(shè)備有空壓機(jī)、空冷器、空氣凈化干燥器、換熱器、膨脹機(jī)和精流塔等。
產(chǎn)品種類和純度比較
深冷制氮不僅可以生產(chǎn)氮氣而且可以生產(chǎn)液氧。深冷制氮不僅滿足液氮的實時工藝需要，而且也可將液氮儲存在貯槽內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)氮氣負(fù)荷間斷或空分設(shè)備檢修時，貯槽內(nèi)的液氮進(jìn)入汽化器被加熱后，滿足對氮氣的需求。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PSA制氮只能生產(chǎn)氮氣，無備用手段，單套設(shè)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(fù)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(shè)備其產(chǎn)品純度基本是固定的，不便調(diào)節(jié)。PSA制氮制取的氮氣純度一般在95%-99.9%范圍內(nèi)，假如需要更高純度的氮氣需增加氮氣凈化設(shè)備。氮氣純度只受產(chǎn)品氮氣負(fù)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PSA制氮設(shè)備只要負(fù)荷允許，其產(chǎn)品純度可以在90-99.9%之間任意調(diào)節(jié)。PSA制氮沒有氮氣儲存裝置，制氮系統(tǒng)停止，氮氣供應(yīng)就終止。
運行控制比較
深冷法由于是在極低溫度下進(jìn)行的，設(shè)備在投入正常運行之前，必須有一個預(yù)冷啟動過程，啟動時間即從膨脹機(jī)啟動至氮氣純度達(dá)到要求的時間一般不小于12 h；設(shè)備在進(jìn)入大修之前，必須有一段加溫解凍的時間，一般為24 h。因此，深冷法制氮設(shè)備不宜常常起、停，宜長時間連續(xù)運行。PSA法啟動時，只要按一下按鈕，啟動30 min內(nèi)便可以獲得合格的氮氣產(chǎn)品，假如需要高純的氮氣，那么經(jīng)過氮氣凈化裝置，大約再用30 min便可獲得99.99%-99.9999%的高純氮氣。停機(jī)時也只需按一下按鈕便可。因此，PSA制氮特殊適用于間斷運行的情況�，F(xiàn)在深冷法制氮雖然一般均采用先進(jìn)的DCS（或PLC）計算機(jī)控制技術(shù)，實現(xiàn)中控、機(jī)旁、就地一體化的控制，但是過程仍需專業(yè)人員實時監(jiān)控。PSA制氮采用智能化全自動控制，按鈕即可進(jìn)行氮氣生產(chǎn)，無需專人管理。
結(jié)論
深冷法制氮設(shè)備復(fù)雜、占地面積大，基建費用較高，設(shè)備一次性投資較多，運行成本較高，產(chǎn)氣慢(12-24 h），安裝要求高、周期較長。深冷法制氮裝置宜于大規(guī)模工業(yè)制氮，而中、小規(guī)模制氮就顯得不經(jīng)濟(jì)。與深冷法相比，PSA法具有工藝流程簡單、自動化程度高、產(chǎn)氣快(15-30 min)、能耗低，產(chǎn)品純度可在較大范圍內(nèi)根據(jù)用戶需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，操作維護(hù)方便、運行成本較低、裝置適應(yīng)性較強(qiáng)等特點，故在1000 Nm3/h以下制氮設(shè)備中頗具競爭力，越來越得到中、小型氮氣用戶的歡迎，PSA制氮已成為中、小型氮氣用戶的首選方法。
標(biāo)簽：
深冷法 變壓吸附法 制氮
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