一、前言
隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，氮氣在化工、電子、冶金、食品、機械等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，我國對氮氣的需求量每年以大于8%的速度增加。氮氣的化學(xué)性質(zhì)不活潑，在尋常的狀態(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，氮氣在冶金工業(yè)、電子工業(yè)、化工工業(yè)中廣泛的用來作為保護氣和密封氣，一般保護氣的純度要求為99.99%，有的要求99.998%以上的高純氮。氣態(tài)氮是一個較方便的冷源，在食品工業(yè)、醫(yī)療事業(yè)以及畜牧業(yè)的精液貯藏等方面得到越來越普遍的應(yīng)用。在化肥工業(yè)生產(chǎn)合成氨時，合成氨的原料氣—氫、氮混合氣若用純液氮洗滌精制，可使惰性氣體的含量極微小，一氧化硫和氧的含量不超過20ppm。純凈的氮氣無法從自然界直接汲取，主要采用空氣分離法?？諝夥蛛x法中包括：深冷法、變壓吸附法(PSA)、膜分離法。
二、PSA制氮機的工藝流程和設(shè)備簡介
空氣經(jīng)空氣過濾器清除灰塵和機械雜質(zhì)后進入空氣壓縮機，壓縮至所需壓力，經(jīng)嚴格的除油、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。這樣兩塔輪流進行，完成氮氧分離，連續(xù)輸出氮氣，
變壓吸附制取的氮氣純度為95%-99.9%，假如需要更高純度的氮氣需增加氮氣凈化設(shè)備。變壓吸附制氮機輸出的95%-99.9%氮氣進入氮氣凈化設(shè)備，同時通過一流量計添加適量的氫氣，在凈化設(shè)備的除氧塔中氫和氮氣中的微量氧進行催化反應(yīng)，以除去氧然后經(jīng)水冷凝器冷卻，汽水分離器除水，再通過干燥器深度干燥（兩個吸附干燥塔交替使用：一個吸附干燥除水，另一個加熱脫附排水），得到高純氮氣，此時的氮氣純度可達99.9995%，目前國內(nèi)變壓吸附制氮最大的生產(chǎn)能力為3000m3/h。
三、深冷制氮的工藝流程和設(shè)備簡介
整個流程由空氣壓縮及凈化、空氣分離、液氮汽化組成。
1、空氣壓縮及凈化
空氣經(jīng)空氣過濾器清除灰塵和機械雜質(zhì)后進入空氣壓縮機，壓縮至所需壓力，然后送入空氣冷卻器，降低空氣溫度。再進入空氣干燥凈化器，除去空氣中的水份、二氧化碳、乙炔及其它碳氫化合物。
2、 空氣分離：
凈化后的空氣進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進膨脹機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。
3、?液氮汽化
由空分塔出來的液氮進液氮貯槽貯存，當空分設(shè)備檢修時，貯槽內(nèi)的液氮進入汽化器被加熱后，送入產(chǎn)品氮氣管道。
四、深冷制氮與變壓吸附制氮的技術(shù)經(jīng)濟比較
1、流程比較
從以上的論述中我們可以發(fā)現(xiàn)：變壓吸附制氮流程簡樸，設(shè)備數(shù)量少，主要設(shè)備僅有空壓機、空氣干燥器、吸附制氮機和儲氣罐等。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、空冷器、空氣凈化干燥器、換熱器、膨脹機和精流塔等。
2、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)液氮，滿意需要液氮的工藝要求，并且可在液氮貯槽內(nèi)貯存，當出現(xiàn)氮氣間斷負荷或空分設(shè)備小修時，貯槽內(nèi)的液氮進入汽化器被加熱后，送入產(chǎn)品氮氣管道滿意工藝裝置對氮氣的需求。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。而變壓吸附制氮只能生產(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)品純度基本是一定的，不便調(diào)節(jié)。變壓吸附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，對于一套變壓吸附制氮設(shè)備只要負荷答應(yīng)其產(chǎn)品純度可以在90-99.9%之間任意調(diào)節(jié)。
3、運行控制比較
深冷法由于是在極低溫度下進行的，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啟動至氮氣純度達到要求的時間一般不小于12h；設(shè)備在進入大修之前，必須有一段加溫解凍的時間，一般為24h。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。變壓吸附法啟動時，只要按一下按鈕，啟動30分鐘內(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分鐘便可獲得99.99%-99.9999%的高純氮氣。停機時也只需按一下按鈕便可。因此，變壓吸附制氮特殊適用于間斷運行的情況。現(xiàn)在深冷法制氮一般均采用先進的DCS（或PLC）計算機控制技術(shù)，實現(xiàn)中控、機旁、就地一體化的控制，可有效的監(jiān)控整套設(shè)備的生產(chǎn)過程。變壓吸附制氮采用智能化全自動控制，按鈕即可進行氮氣生產(chǎn)，無需專人治理。
五、結(jié)論
對于用戶來說，所需氮氣純度大多為99.9%，從以上對深冷制氮和變壓吸附制氮的簡介及比較中，我們可以得出以下結(jié)論：1、當?shù)獨膺B續(xù)負荷大于600m3/h，間斷負荷用量不太大，可以通過液氮汽化滿意要求時，應(yīng)采用深冷制氮。2、當?shù)獨膺B續(xù)負荷大于600m3/h，間斷負荷用量大，液氮汽化已不能滿意其用量時，可采用以深冷制氮為主，變壓吸附間斷供氣的方式。3、當?shù)獨膺B續(xù)負荷小于600?m3n/h，可采用變壓吸附制氮。4、變壓吸附制氮特殊適用于氮氣負荷小于3000m3/h，氮氣純度為95%，并且是間斷運行工況。5、當工藝裝置需要液氮時，除非有外部供給液氮的可能，否則均應(yīng)采用深冷制氮。
常溫PSA空分制氧與深冷空分制氧的對比
工藝的區(qū)別
常溫PSA空分制氧 (Pressure Swing Adsorption) 是一種常溫下，利用不同成分的氣體在吸附劑表面上的吸附能力不同，通過周期性的壓力變化實現(xiàn)氣體的分離。通常，PSA工藝主要包括吸附、吹掃、反吹和平衡等四個步驟。
深冷空分制氧?(Cryogenic Air Separation) 是通過對空氣進行壓縮、冷卻、蒸餾等步驟，利用氣體的沸點不同進行分離。深冷空分制氧工藝主要包括壓縮、預(yù)冷、分離和再壓縮等步驟。
效率和經(jīng)濟性的差別
常溫PSA空分制氧?的效率相對較低，因為它主要依賴于吸附劑的特性和氣體的吸附平衡，而且需要周期性的壓力變化，這會導(dǎo)致一部分氣體的浪費。然而，PSA工藝的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，投資成本和運行成本相對較低，適合于小規(guī)模生產(chǎn)。深冷空分制氧?的效率比較高，因為它是利用了氣體的沸點差異進行分離，可以實現(xiàn)高純度的制氧。然而，深冷空分設(shè)備復(fù)雜，需要大量的能源輸入，設(shè)備投資和運行成本較高，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。行業(yè)應(yīng)用上的優(yōu)劣勢
常溫PSA空分制氧?的優(yōu)勢在于設(shè)備簡單、運行成本低，適合于小規(guī)模生產(chǎn)，例如醫(yī)療保健、食品飲料和電子制造等行業(yè)。深冷空分制氧 的優(yōu)勢在于能夠產(chǎn)出高純度的氧氣，適合于大規(guī)模生產(chǎn)，主要應(yīng)用于鋼鐵冶煉、化工和石油煉制等行業(yè)。但是設(shè)備投資和運行成本較高，需要大量的能源輸入。
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