深冷制氮工艺流程的对比和选择

2022-09-11

一、氮气的应用与发展

氮气是空气的主要成分之一, 无色无味, 性质稳定。氮气有着很低的熔点和沸点, 常温下以气体形式存在【1】。氮气在生活和工业中有着很广泛的应用, 中国煤矿业多以氮气防火和灭火, 石油化工企业多以氮气为密封气、保护气和冷却剂。随着科技的进步和社会的发展, 人们对氮气的量和品质要求也越来越高, 所以, 对氮气的制备方法也就有了更新的追求, 随之而产生的, 就是各种各样的制氮方法和设备的诞生, 深冷法, 变压吸附法 (PSA) 和膜分离法成为了主要的方法, 其中, 深冷法的应用则更为广泛。

二、深冷法工艺流程的对比与选择

1. 深冷法简介

深冷法, 全称深度冷冻法, 又称低温精馏法【2】, 其主要的工作原理是利用空气中氮气与空气中其他组分的沸点不同, 以此来分离空气中的氮气。深冷法制氮的大体工艺流程如下:首先, 压缩净化空气, 将空气中的二氧化碳和水分等其他成分过滤掉;其次, 空气降温, 将净化过的空气冷却至-168℃, 使空气液化;最后, 液化后的空气进入精馏塔, 参与精馏, 在精馏塔的顶端可得到高纯度的氮气。

2. 深冷法工艺流程的对比

深冷法的工艺流程根据不同的条件, 可分为不同的方法。根据膨胀气的流动方向, 可分为正流膨胀流程和返流膨胀流程;根据深冷制氮的设备不同, 可分为单塔单冷凝器制氮、双塔单冷凝器制氮和双塔双冷凝器制氮。在实际生产中, 人们往往将膨胀气流动方向和设备相结合, 来制备不同要求的氮气。

(1) 单塔单冷凝器正流膨胀流程

此流程将单塔单冷凝器和正流膨胀的特点相结合。在整个过程中, 提取工艺简单, 投资少, 操作维护简单, 但氮气提取率较低, 能耗较高。

(2) 单塔单冷凝器返流膨胀流程

此流程将单塔单冷凝器和返流膨胀的特点相结合。在整个过程中, 提取工艺简单, 投资少, 操作维护简单, 但是提取率低, 能耗高, 在常规条件下制备氮气的量不及前者。

(3) 双塔单冷凝器正流膨胀流程

此流程将双塔单冷凝器和正流膨胀的特点相结合。在整个过程中, 设备投资较少, 操作维护简单, 氮气提取率高, 能耗较少, 但是操作工艺较为复杂。如果用户对氮气的提取率和能耗有一定的要求, 此流程为比较不错的选择。

(4) 双塔单冷凝器返流膨胀流程

此流程将双塔单冷凝器和返流膨胀的特点相结合。在整个过程中, 设备投资较少, 操作维护简单, 氮气的提取率较高, 但不及双塔单冷凝器正流膨胀, 能耗较低, 但是工艺流程较为复杂。

(5) 双塔双冷凝器正流膨胀流程

此流程将双塔双冷凝器和正流膨胀的特点相结合。此流程氮气的提取率高, 能耗低, 但是相对的设备投资较多, 操作维护和工艺流程也是很复杂的。

(6) 双塔双冷凝器返流膨胀流程

此流程将双塔双冷凝器和返流膨胀的特点相结合。此流程氮气的提取率较高, 但不及双塔双冷凝器正流膨胀流程, 能耗低, 相对的, 它的设备投资较多, 操作维护和生产工艺复杂【4】。

三、深冷法工艺流程的选择

时代在发展, 科学在进步, 每个生产行业对氮气产品的质量要求也是在变化的, 为了满足不同消费者的需求, 人们研发出了不同的制氮设备和工艺流程, 随之不同的氮气产品也就出现了。本文着重介绍了深冷法6种不同的工艺流程, 他们的产品也都满足了各自的领域。

1. 常压氮气产品

在制备常压氮气产品的时候, 可以选择双塔单冷凝器正流膨胀流程, 该流程的氮气产品一般为常压, 气体量大, 提取率大约在70%左右, 并且可附带液体产品, 同时, 氮气产品取用方便, 在很大程度上可以满足使用者的需求。

2. 压力在0.5MPa以下氮气产品

当氮气产品需求量较大, 一般要求产量在15000m3/h以上的时候, 可以选择双塔双冷凝器正流膨胀流程, 该流程的氮气产品压力低, 气体产量大, 提取率在70%左右, 可附带的液体产品量也是相当可观的;当氮气产品需求量较少, 一般要求产量在15000m3/h以下并且液体产品少的时候, 可以选择双塔单冷凝器返流膨胀流程, 该流程的氮气产品压力在0.5MPa以下, 气体产量多, 最多的时候可以达到65%, 可附带少量的液体产品;当氮气产品要求压力在0.3MPa以下且产量要求在15000m3/h以下的时候, 可以选择单塔单冷凝器正流膨胀流程, 该流程的氮气产品压力通常在0.3MPa以下, 气体量少, 但是可附带液体产品;但氮气产品压力要求在0.3MPa--0.5MPa且产量少于15000m3/h的时候, 可以选择单塔单冷凝器返流膨胀流程, 该流程的氮气产品压力通常在0.3MPa以上, 气体量少, 但是可附带少量的液体产品。

3. 压力在0.5MPa以上氮气产品

在制备0.5MPa以上的氮气产品的时候, 一般都要使用氮压机压缩, 所以, 在生产的时候能耗会相对增加。当生产大量氮气产品的时候, 可以选择双塔单冷凝器正流膨胀流程, 氮气提取率通常在70%左右;当生产大量氮气产品并不附带液体产品的时候, 可选择单塔单冷凝器正流膨胀流程, 其提取率在60%左右;当生产大量氮气产品并且伴有少量的液体产品的时候, 可选择双塔双冷凝器返流膨胀流程, 该流程的氮气产品压力在0.5MPa以上, 气体量大, 提取率大约在60%左右, 液体产品量少;当生产少量氮气的时候, 可以选择单塔单冷凝器返流膨胀流程。