制氮原理

一.氮气的作用:

在国民经济和日常生活中，氮气有广泛的用途。首先，利用它“性格孤独”的特点，我们将它充灌在电灯泡里，可防止钨丝的氧化和减慢钨丝的挥发速度，延长灯泡的使用寿命。还可用它来代替惰性气体作焊接金属时的保护气。在博物馆里，常将一些贵重而稀有的画页、书卷保存在充满氮气的圆筒里，这样就能使蛀虫在氮气中被闷死。

氮气在各行各业中的应用：

〃金属热处理：为各种工业炉提供氮气保护、渗氮、光亮退火、防氧化。

〃电子工业：用于提供保护气、稀释气、携带氧和自动化系统半导体、电子元件加工等氮气保护。

〃粉末冶金：粉末烧结氮气保护，磁性材料烧结。

〃铝加工业：铝制品加工，铝薄轧制气体保护。

〃石油化工：管道容器贮罐充氮、置换、检漏、可燃气体隔离保护，制造炸药等

〃医药医疗：制药原料、药物充氮包装、运输及保护中草药品防蛀、防腐。

利用液氮给手术刀降温，就成为“冷刀”。医生用“冷刀”做手术，可以减少出血或不出血，手术后病人能更快康复。

·海运：各种化工产品、油品、液态天然气体充氮运输。

〃易燃易爆品保护：防止库房、贮井尘爆，煤矿灭火。

〃合成纤维：充氮拉丝防止氧化。

〃浮法玻璃：生产过程中气体保护、防锡槽氧化。

〃粮食仓储：杀虫、保鲜、贮藏。

二.工业制氮

以空气为原料，l利用物理的方法,将其中的氧和氮分离而获得。

工业中有三种，即深冷空分法、分子筛空分法(PSA)和膜空分法。

Ａ.深冷空分制氮

深冷空分制氮是一种传统的制氮方法，已有近几十年的历史。它是以空气为原料，经过压缩、净化，再利用热交换使空气液化成为液空。液空主要是液氧和液氮的混合物，利用液氧和液氮的沸点不同(在1大气压下，前者的沸点为-183℃，后者的为-196℃)，通过液空的精馏，使它们分离来获得氮气。深冷空分制氮设备复杂、占地面积大，基建费用较高，设备一次性投资较多，运行成本较高，产气慢(12～24h），安装要求高、周期较长。综合设备、安装及基建诸因素，3500Nm3／h以下的设备，相同规格的PSA装置的投资规模要比深冷空分装置低20％～50％。深冷空分制氮装置宜于大规模工业制氮，而中、小规模制氮就显得不经济。目前,我公司就使用深冷空分制氮.

Ｂ.分子筛空分制氮

以空气为原料，以碳分子筛作为吸附剂，运用变压吸附原理，利用碳分子筛对氧和氮的选择性吸附而使氮和氧分离的方法，通称PSA制氮。此法是七十年代迅速发展起来的一种新的制氮技术。与传统制氮法相比，它具有工艺流程简单、自动化程度高、产气快(15～30分钟)、能耗低，产品纯度可在较大范围内根据用户需要进行调节，操作维护方便、运行成本较低、装置适应性较强等特点，故在1000Nm3／h以下制氮设备中颇具竞争力，越来越得到中、小型氮气用户的欢迎，PSA制氮已成为中、小型氮气用户的首选方法。

Ｃ.膜空分制氮

以空气为原料，在一定压力条件下，利用氧和氮等不同性质的气体在

膜中具有不同的渗透速率来使氧和氮分离。和其它制氮设备相比它具有结构更为简单、体积更小、无切换阀门、维护量更少、产气更快(≤3分钟)、增容方便等优点，它特别适宜于氮气纯度≤98％的中、小型氮气用户，有最佳功能价格比。而氮气纯度在98%以上时，它与相同规格的PSA制氮机相比价格要高出15%以上

三.基本原理:

1.蒸发吸收热量,能制冷.

2.压力越低,蒸发越快.

3.加压和冷却可以使气体液化.温度越低,越易液化.压力越高,越易液化.

3. 对于同一种物质,在不同的压力下,其对应的饱和温度也不同,压力高,其

饱和温度也高,亦即压力越高,蒸汽越容易液化,反之亦然。

四.深冷空分制氮设备:

1.空气压缩机:

对空气做功,使其本身体积缩小、压力提高后的空气叫压缩空气。而对空气做功设备叫空气压缩机.压缩空气是一种重要的动力源。空气在空气压缩机中被压缩到工艺流程所需的压力。空气压缩机为加工空气提供空气分离所需的能量。

2.预冷机:

预冷机是将空气冷却的机器.温度较低的空气中水份含量较少，可减少分子筛的用量；温度较低的空气可以增强分子筛吸附水分和二氧化碳的能力，通过预冷机组可以达到上述目的。

3.分子筛:

分子筛（又称合成沸石）是具有均一结构，能将不同大小分子分离或选择性反应的固体吸附剂或催化剂。加工空气中的水份和二氧化碳由于凝固点较高。在

进入空分设备低温设备后将会形成水和干冰, 堵塞低温设备的通道,从而影响空分设备的正常工作,为此需要利用纯化器预先把空气中的水份和二氧化碳清除掉。进入纯化器的空气温度为～10℃, 出纯化器的空气温度由于分子筛吸附而产生的吸附热的作用而上升到20℃左右。

4.主换热器:

顾名思义就是进行热量交换的设备.空气的冷却是在主换热器中进行的, 在主换热器中, 空气被来自精馏后的返流产品氮气及富氧气冷却至液化温度。产品氮气及富氧气则被复热到接近常温。

5.膨胀机:

制冷原理:利用有一定压力的气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能，从而使气体自身强烈地冷却而达到制冷的目的。为了确保维护装置正常生产和运行所需的冷量平衡, 克服由于绝热跑冷, 换热器复热不足及从冷箱中向外排放低温液体等引起的冷量损失。需要不断地向装置补充冷量。装置所需的补充冷量是由等温节流效应和返流的富氧气在膨胀机中经绝热膨胀对外作功而制取的。空气在主换热器中被返流气冷却到接近液化温度,并在精馏塔中实现空气的部分液化。

6.精馏塔:

空气的精馏是在精馏塔中进行的,它利用组成空气的各种组份具有不同的沸点，即在同一温度下各组份的蒸气压不同，使精馏塔内上升的蒸气和下降的液体发生多次部分冷凝和部分蒸发，就能达到分离的目的。当处于冷凝温度的氧、氮混合气接触并穿过比它温度更低的由氧、氮组成的液体时，气相与液相之间同时进行了热质交换，于是上升气体会部分冷凝变成液体并放出冷凝热，液体则吸收热量而部分蒸发。该过程是在精馏塔的筛板上完成的，由于氧、氮组份沸点不同，氮比氧易蒸发，氧比氮易冷凝，当气体自下而上

逐块从塔板上通过时，氮浓度不断增加。只要有足够的塔板数，在塔顶即可获得高纯度的氮气，冷凝的氧流到塔底成为含氧量较高的富氧液空。

空气在精馏塔中被分离成富氧液空和高纯氮气，富氧液空由塔底抽出经节流后进入冷凝蒸发器与冷凝蒸发器中氮气进行热交换,氮气被冷凝，一部分作为回流液，另一部分作为液态产品输出。液氮送液体贮槽备用。

四.空分制氮原理：

1.原理简述:

空分制氮系统设备由离心空气压缩机、预冷机、纯化机组、膨胀机组、冷箱(主换热器、过冷器、精馏塔、冷凝蒸馏器) 、连接管道、阀门、控制系统组成。空气首先进入自洁式空气吸入过滤器，在空气吸入过滤器中除去灰尘和其它颗粒杂质，然后进入空压机，经多级压缩做功后的压缩空气经预冷机冷却并去除大量水分（空气中的水份已析出70-80%，尽可能降低分子筛吸附器的负荷），压缩机级间的热量被中间冷却器中的冷却水带走。冷却后的空气再进入“13X”分子筛A，分子筛吸附器吸附空气中的水分﹑CO2 和碳氢化合物，被分子筛吸附纯化后的空气进入冷箱内的主换热器冷却后进入精馏塔底部，在精馏塔中上升，上升气体通过与回流液体接触含氮量增加。所需的回流液来自精馏塔顶部的冷凝蒸发器，在这里富氧液空得到蒸发，而氮气得到冷凝。在精馏塔内，纯化后的空气经换热系统，并经主换热器冷却后进入分馏塔底部，温度为-170℃左右，并自下而上地穿过每块塔板细孔与塔板上的液体接触，进行热质交换，由于氧气沸点高与氮气沸点，塔低液体中氧浓度提高，塔顶氮浓度提高，从而氮和氧被分离。塔顶高纯度的氮气，一部分氮气经主热交换器换热作为产品氮气输出供给用户，一部分氮气在冷凝蒸发器内被冷却成液氮，而液氮的一部分作为液氮产品输出，另一部分作为回流液流入精馏塔，与上升的蒸气进行热质交换在精馏塔底得到的液体，称

为富氧液空，富氧液空经过冷器、节流阀进入冷凝蒸发器的蒸发侧，用来冷却冷凝蒸发侧的氮气，富氧蒸汽在冷凝蒸发器中冷凝氮气的同时自身蒸发后去主换热器，在主换热器中复热到膨胀前温度后进入膨胀机（气体制冷主要是通过膨胀机组做功和压力减小克服分子间引力而获得），膨胀后低温富氧空气先进入过冷器与富氧液空过冷后，再进入主换热器去冷却原料空气，自身复热到环境温度后出冷箱。此膨胀后富氧空气再进入加热器加热后作为纯化器B再生气体，然后出纯化器放空。

2.流程原理图：

过滤器