空分制氮機(jī)工藝及選型

空分制氮機(jī)是以空氣為原料，利用物理的方法,將其中的氧和氮分離而獲得。
工業(yè)中有三種，即深冷空分法、分子篩空分法(PSA)和膜空分法。

深冷空分制氮
深冷空分制氮是一種傳統(tǒng)的制氮方法，已有近幾十年的歷史。它是以空氣為原料，經(jīng)過壓縮、凈化，再利用熱交換使空氣液化成為液空。液空主要是液氧和液氮的混合物，利用液氧和液氮的沸點(diǎn)不同，通過液空的精餾，使它們分離來獲得氮?dú)狻?/p>

特點(diǎn)：
1)低溫?fù)Q熱器、精餾塔等低溫容器及管道置于保冷箱內(nèi)，并充填有熱導(dǎo)率低的絕熱材料，防止從周圍傳入熱量，減少冷損，否則設(shè)備無法運(yùn)行；

2)用于制造低溫設(shè)備的材料，要求在低溫下有足夠的強(qiáng)度和韌性，以及有良好的焊接、加工性能。常用鋁合金、銅合金、不銹鋼等材料；

3)空氣中高沸點(diǎn)的雜質(zhì)，例如水分、二氧化碳等，應(yīng)在常溫時(shí)預(yù)先清除。否則會(huì)堵塞設(shè)備內(nèi)的通道，使裝置無法工作；

4)空氣中的乙炔和碳?xì)浠衔镞M(jìn)入空分塔內(nèi)，積聚到一定程度，會(huì)影響安全運(yùn)行，甚至發(fā)生爆炸事故。因此，必須設(shè)置凈化設(shè)備將其清除；

5)貯存低溫液體的密閉容器，當(dāng)外界有熱量傳入時(shí)，會(huì)有部分低溫液體吸熱而氣化，壓力會(huì)自動(dòng)升高。為防止超壓，必須設(shè)置可靠的安全裝置；

6)低溫液體漏入基礎(chǔ)，會(huì)將基礎(chǔ)凍裂，設(shè)備傾斜。因此必須保證設(shè)備、管道和閥門的密封性，要考慮熱脹冷縮可能產(chǎn)生的應(yīng)力和變形；

7)被液氧浸漬過的木材、焦炭等多孔有機(jī)物質(zhì)，當(dāng)接觸火源或給以一定的沖擊力時(shí)，會(huì)發(fā)生激烈的燃爆。因此，冷箱內(nèi)不允許有多孔性的有機(jī)物質(zhì)。對(duì)液氧的排放，應(yīng)預(yù)先考慮有專門的液氧排放管路和容器，不能走地溝；

8)低溫液體長期沖擊碳素鋼板，會(huì)使鋼板脆裂。因此，排放低溫液體的管道及排放槽不能采用碳素鋼制品； 　

9)氮?dú)?、氬氣是窒息性氣體，其液體排放管應(yīng)引至室外。氣體排放管應(yīng)有一定的排放高度，排放口不能朝向平臺(tái)樓梯；

10)氧氣是強(qiáng)烈的助燃劑，其排放管不能直接排在不通風(fēng)的廠房內(nèi)。

分子篩空分制氮
1)基本原理

由于氧氣和氮?dú)庠诜肿雍Y吸附劑微孔內(nèi)擴(kuò)散速度不同，當(dāng)空氣經(jīng)過分子篩時(shí)，直徑較小的氧氣分離以較快的速度向微孔內(nèi)擴(kuò)散，并優(yōu)先被分子篩所吸附，剩下直徑較大的氮分子供用戶使用，而后再采用解吸方法釋放分子篩中的富氧成分。因此分子篩空分法要連續(xù)生產(chǎn)需使用二個(gè)吸附罐，切換使用。

2)工藝流程

分子篩空分制氮系統(tǒng)的核心分子篩（如碳分子篩），裝在吸附塔 A 和 B 之內(nèi)，工作時(shí)壓縮空氣過濾后分別進(jìn)入 A 塔和 B 塔， A 與 B 兩塔交替輪換進(jìn)行加壓吸附產(chǎn)氮和減壓解吸再生的變壓吸附操作。實(shí)現(xiàn)氧氮分離，從而連續(xù)制氮。

3)特點(diǎn)
與傳統(tǒng)的深冷法相比它具有如下優(yōu)點(diǎn)：
A.起動(dòng)速度較快：通常在開機(jī)后30分鐘左右便可獲得合格的產(chǎn)品氮?dú)?。而深冷法則需6小時(shí)以上的啟動(dòng)時(shí)間。
B.隨時(shí)停機(jī)：可根據(jù)需要隨時(shí)開車和停機(jī)，即使停機(jī)數(shù)小時(shí)甚至幾天，都不會(huì)影響運(yùn)行工況，而深冷則做不到。
C.實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作：設(shè)備少，運(yùn)行正常后就可進(jìn)行自動(dòng)化及無人操作。而深冷裝置機(jī)組多。故障因素多，即使自動(dòng)化程度很高也得有人看管。
D.裝置緊湊，占地面積?。阂蛟O(shè)備少無需建專用廠房，工程建筑投資省，而深冷機(jī)組復(fù)雜，占地面積大，故工程建設(shè)造價(jià)高。

膜空分制氮

1)原理
壓縮空氣由中空纖維膜分離器的纖維管程進(jìn)料，其分離推動(dòng)力就是氣體各組分的分壓在中空纖維內(nèi)腔原料側(cè)與外腔（滲透側(cè)）所形成的分壓差，當(dāng)氣流沿中空纖維內(nèi)腔表面流動(dòng)時(shí)，各組分在其分壓差的推動(dòng)下，滲透到絲外。“快氣”如氧氣 H2O 迅速滲透。所以絲外（滲透）氣流量為富集氧氣，壓力為一大氣壓，被排放至大氣中。而那些氮?dú)?、氫氣的溶解擴(kuò)散速度較低，決定了它們通過膜的滲透速度較慢，因此管程（非滲透側(cè)）氣流為富集氮?dú)?，氮?dú)鈮毫p失很小，產(chǎn)品氮的壓力只略低原料氣的壓力。

2)工藝流程
如上所述，薄膜空分制氮是利用空氣中的氧和氮通過中空纖維膜時(shí)的不同滲透率，把壓縮空氣分離為富氧和富氮的兩股氣流。薄膜空分制氮裝置由膜分離器，空壓機(jī)，加熱器等部分組成。在空分制氮流程中，中空纖維膜分離器是核心部分，過濾及加熱部分是為保證原料氣能清潔恒溫地進(jìn)入膜分離器延長膜的使用壽命。分離器的左端是空氣入口．氣體進(jìn)入空纖維膜后氧氣迅速滲透過去，從側(cè)口出去，氮?dú)饫^續(xù)前進(jìn)從分離器的右端出去。在系統(tǒng)中，分離器是并聯(lián)安裝的，并聯(lián)多少分離器可根據(jù)產(chǎn)氣量和空壓機(jī)排量等諸多因素而定。

3)特點(diǎn)
由于膜分離器原理及結(jié)構(gòu)簡單合理，所以比深冷法和分子篩法具有更多的優(yōu)越性，除分子篩空分法所具有的優(yōu)點(diǎn)外，膜法還具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：
A.啟動(dòng)迅速：從開機(jī)到產(chǎn)出氮?dú)庵恍?5 分鐘左右，而深冷法需6個(gè)小時(shí)以上，分子篩需要30分鐘左右。
B.無運(yùn)動(dòng)部件：深冷及分子篩系統(tǒng)中均有運(yùn)動(dòng)部件，而膜法沒有，不需維修，可靠性高。
C.可移動(dòng)性強(qiáng)：全部設(shè)備、儀表可以集中安裝在一個(gè)可移動(dòng)的框架上，靈活性高，可在多種場合就地現(xiàn)場制氮。

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