1、1PSA 制氮技术及氮气纯化技术(制氮机及氮气纯化设备专题)作者: 郑兆军2制氮机一、PSA ( PRESSURE SWING ADSORPTION ) 变压吸附制氮机简介市场上目前的供氮方式主要有液氮、瓶装氮、现场制氮。综合三种供氮方式，现场制氮是目前最经济、高效、节能的的一种供氮方式。现场制氮适合于用气量在 1000Nm3/h 以下的用户。现场制氮的一种主要方式即是 PSA 变压吸附制氮机。该制氮机具有经济、高效、运行成本低、适应性强、易于操作、安全方便等特点。二、PSA 变压吸附制氮机原理主要是基于碳分子筛对氧和氮的吸附速率不同，碳分子筛优先吸附氧，而氮大部分富集于不吸附相中。碳分子筛本
2、身具有加压时对氧的吸附容量增加，减压时对氧的吸附量减少的特性。利用这种变压吸附的特性，实现氧气和氮气的分离，得到我们所需要的气体组分。由于吸附剂有一定的吸附容量，当吸附饱和时就需要再生，所以单吸附床的吸附是间歇式的，为保证连续供气，采用双吸附塔并联交替进行吸附，一塔工作一塔再生，连续产氮。 三、变压吸附制氮机主要使用领域1、冶金、金属加工行业通过变压吸附制氮机制取到纯度大于 99.5%的氮气，通过和氮气纯化设备的联合使用纯度大于 99.9995%、露点低于-65的高品质氮气。用于退火保护气氛、烧结保护气氛、氮化处理、洗炉及吹扫用气等。广泛应用于金属热处理、粉末冶金、磁性材料、铜加工、金属丝网、
3、镀锌线、半导体、粉末还原等领域。2、化工、新材料行业通过变压吸附制氮机制取纯度大于 98%或所需要纯度的氮气。主要用于化工原料气、管道吹扫、气氛置换、保护气氛、产品输送等。主要应用于化工、氨纶、橡胶、塑料、轮胎、聚氨脂、生物科技、中间体等行业。3、食品、医药行业通过变压吸附制氮机制取纯度大于 98%或纯度为 99.9%的氮气。通过除菌、除尘、除水等处理，得到高品质的氮气，满足该行业的特殊要求。主要应用于食品包装、食品保鲜、医药包装、医药置换气、医药输送气氛。4、电子行业通过变压吸附制氮机制取纯度大于 99.9%或 99.99%以上的氮气，或经过氮气纯化设备得到纯度大于 99.9995%、露点低
4、于-65的高品质氮气。用于电子产品 的封装、烧结、退火、还原、储存等。主要应用于波峰焊、回流焊、水晶、压电、电子陶瓷、电子铜带、电池、电子合金材料等行业。5、其他使用领域制氮机除了使用在以上行业以外，在煤炭、石油、油品运输等众多领域也得到广泛使用。随着科技的进步和社会的发展，氮气的使用领域也越来越广泛，现场制气（制氮机）以其投资省、使用成本低、使用方便等优点已经逐渐取代液氮蒸发、瓶装氮气等传统供氮方式。3PSA 制氮设备在高性能 MnZn 铁氧体生产中的应用1 引言众所周知，气氛烧结是现代高性能 MnZn 铁氧体生产中的关键工序，而品质良好、价格便宜的氮气又是实施气氛烧结的基本条件之一。我国是
5、世界上铁氧体生产大国，软磁铁氧体的产量已跃居世界第二位，生产企业很多，因生产规模及设备不同，故采用的供气方式也各异。以真空气氛烧结炉作为主要烧结设备者，因规模相对较小，其氮气总量需求不多，一般均使用外购的瓶装高纯氮气。瓶装氮气规格通常是 6Nm3瓶，价格在 3040 元瓶，故氮气单价在 57 元m 3。生产规模较大(年产量一般在 300 吨以上)的工厂则是以氮气隧道窑作为磁芯的主要烧结设备，它们的供气方式有两种。一是购买液氮( 液氮贮罐及气化器)来提供生产所需的氮气。1m3 液氮可气化为标准状态下的气氮 643m3，氮气的综合单价在 22.5 元m 3。另一种方式是工厂购置制氮设备现场制氮，因
6、制氮设备的种类、规格不同，其氮气成本在 0.40.6 元m 3。近年来也有尝试租赁制氮设备供气的，其氮气成本在 1.5 元m 3 左右。由上可知，采用不同的供气方式其生产成本差别是较大的。表 1 以年产量 1200 吨 MnZn 铁氧体磁芯生产线(每小时需供气 100m3，年供气量 864000m3）为例将不同供气方式的单价及年用气成本作一粗略比较，就可见一斑。 表 1 不同供气方式下的氮气成本供气方式 单价元.m -3 成本万元.年 1外购液氮 2.5 216自购设备制氮 0.6 51.8租赁设备制氮 1.5 129.62 三种制氮方法及其特点现代工业用氮的制取方法都是以空气为原料，将其中的
7、氧和氮分离而获得。目前主要有三种，即深冷空分法、分子筛空分法(PSA) 和膜空分法。1) 深冷空分制氮深冷空分制氮是一种传统的制氮方法，已有近九十年的历史。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(1224h） ，安装要求高、周期较长。综合设备、安装及基建诸因素，3500Nm 3h 以下的设备，相同规格的 PSA 装置的投资规
8、模要比深冷空分装置低 2050。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。2) 分子筛空分制氮分子筛空分制氮是以空气为原料，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(Pressure Swing Adsorption）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4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(1530 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 1000Nm3h 以下制氮设备中颇具竞争力，越来越
9、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。3) 膜空分制氮膜空分制氮是八十年代国外迅速发展的又一种新型制氮技术，在国内推广应用是最近三四年的事。膜空分制氮的基本原理是以空气为原料，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。由上可知， MnZn 铁氧体生产企业，采用什
10、么供气方式和何种供气技术，必须根据企业情况进行技术经济论证，选择最佳供气方案。 3 PSA 制氮法的应用众所周知，氮窑烧结时有三条重要曲线即温度、压力和气氛曲线，这三条曲线对产品的质量影响极大，生产中一旦调整到位最好保持稳定。而所提供的氮气压力、流量和纯度的变化将影响窑内气氛的稳定。因此高性能锰锌铁氧体磁芯使用氮气保护烧结时对所供氮气有如下特定的要求。(1)氮气纯度氧含量必须控制在一定量以下，否则不能满足高性能磁芯的烧结气氛要求。残氢量应尽可能少，否则磁芯在烧结时会开裂、变形，磁芯性能会恶化。氮气尽可能干燥，通常是以露点来表示其含水量。(2)氮气的流量氮气流量是气氛烧结的基本要素之一，不同规格
11、的氮窑和烧结制度，其单位台时的耗氮量是不同的。如 28 米单推板氮窑年生产磁芯的能力约为 300 吨，非致密化烧结时耗氮量约为 20m3h，而采用致密化烧结时耗氮量在 30m3h 左右，平均耗氮量约为 25m3h。36 米双推板氮窑年生产磁芯的能力约为 800 吨，非致密化烧结时耗氮量约为 40m3h，而采用致密化烧结时耗氮量约为 60m3h，平均耗氮量约为 50m3h。目前国内新制氮窑大多是这两种规格。按此测算年产 1000 吨磁芯耗氮量为 80120m 3h。(3)氮气压力适宜，因为氮气输送需要一定的压力。(4)氮气压力、流量、纯度要稳定。因为氮窑的烧结特点是连续进行，一年 365 天每天
12、 24 小时要不间断供气，为保证已调好的烧结气氛稳定，要求氮气的压力、流量和纯度保持稳定。瑞气空分设备有限公司自 1979 年开始，研制了 PSA 制氮设备，至今为止，已为国内各大型磁材生产商提供了适应于各种工艺的现场制氮设备，其中包括东磁集团、恒磁、升华强磁、通力、永久、金鸡、江门粉末等国内知名企业。瑞气空分设备有限公司愿以多年的现场制氮经验，与磁材生产商共同为中国从磁材生产大国向磁材生产强国转变而努力。5PSA 设备与深冷技术比较一、设备组成PSA 设备主要由空压机、压缩空气净化装置、氧氮分离系统组成，稳定性高；操作极为方便，主要运行部件为管道式气动阀，其密封件寿命可达 150 万次以上；
13、而深冷设备组成为：空压机、预冷机、纯化器、膨胀机、精馏塔、液空过滤器、换热器设备组成相对复杂、故障点多，纯化器中的电加热器、固态继电器需经常更换，其中的 13X 分子筛也需三年左右更换一次，膨胀机也容易发生烧瓦事故，因而稳定性不高；PSA 设备开机时间极短，只需 20 分钟，并且可以随开随停。而深冷设备开机时间为 16-48 小时，甚至更长，一旦设备出现停机，重新开机相当麻烦。 二、占地PSA 设备组成简单，因而占地极少，无须任何基础，安装调试极为方便，现场费用低；而深冷设备占地极较多，现场基建工作量大，费用高，现场及基建费用约占设备投资的 20%，安装调试时间长。 三、电耗（设备运行年时间以
14、 8000 小时计，电费以 0.5 元/KW.h 计）PSA 设备耗气量为 420Nm3/min ，与深冷相差较大，而深冷设备耗气量为 625Nm3/minPSA 空压机配置与深冷至少相差 1000KW，每年电耗相差 400 万元。 PSA 的冷干机 125KW，深冷设备预冷机 190KW，纯化器电加热 1000KW，两者相差 1065KW，年电耗相差 426 万元。 四、其它运行成本PSA 设备只需要定时过滤器滤心及管道式气动阀密封件，平均年费用不足 10 万元，分之筛十年不用更换。深冷设备纯化器中的电加热器、固态继电器需经常更换，其中的 13X 分子筛也需三年左右更换一次，膨胀机也容易发生
15、烧瓦事故，平均年费用至少 16 万元；10 年相差 160 万元.而 PSA 设备没有此项费用。还有每年的设备大修至少在 50 万以上。人力成本，PSA 设备只须两人，而深冷设备至少要求配备 8 人以上，并且深冷设备的操作、维护人员要求取得国家颁发的上岗证书。每人每年按 20000 元工资计算，相差 12 万元。几种空分方法的比较 如下:6几种空分方法的比较项目 深冷空分法 膜分离空分法 变压吸附空分法分离原理将空气液化，根据氧和氮沸点不同达到分离。根据不同气体分子在膜中的溶解扩散性能的差异来完成分离。加压吸附，降压解吸，利用氧氮吸附能力不同达到分离。装置特点工艺流程复杂，设备较多，投资大。工
16、艺流程简单，设备少，自控阀门少，投资较大。工艺流程简单，设备少，自控门较多，投资省。工艺特点 -160-190低温下操作 常温操作 常温操作操作特点启动时间长，一般在 1540 小时，必须连续运转，不能间断运行，短暂停机，恢复工况时间长。启动时间短，一般在一般20min，可连续运行，也可间断运行。启动时间短，一般30min，可连续运行，也可间断运行。维护特点设备结构复杂，加工精度高，维修保养技术难度大，维护保养费用高。设备结构简单，维护保养技术难度低，维护保养费用较高。设备结构简单，维护保养技术难度低，维护保养费用低。土建及安装特点占地面积大，厂房和基础要求高，工程造价高。安装周期长，技术难度
17、大，安装费用高。占地面积小，厂房无特殊要求，造价低。安装周期短，安装费用低。占地面积小，厂房无特殊要求，造价低。 安装周期短，安装费用低。产气成本 0.51.0KW.H/Nm 3以 RICH 膜分离制氮设备单位产气量能耗为例：单位产 98%纯度氮气的电耗为 0.29KW.H/Nm3。以 RICH 常温变压吸附制氮设备单位产气量能耗为例：单位产 98%纯度氮气的电耗为 0.25KW.H/Nm3。安全性在超低温、高压环境运行可造成碳氢化合物局部聚集，存在爆炸的可能性。常温较高压力下操作，不会造成碳氢化合物的局部聚集。常温常压下操作，不会造成碳氢化合物的局部聚集。可调性气体产品产量、纯度不可调，灵活
18、性差气体产品产量、纯度可调，灵活性较好。气体产品产量、纯度可调，灵活性好。经济适用性气体产品种类多，气体纯度高，适用于大规模制气、用气场合。投资小、能耗低，适用于氮气纯度79%99.99 的中小规模应用场合。膜分离制氮能耗在氮气纯度 99%以下和变压吸附制氮能耗相差不大，氮气纯度 99.5%以上经济性投资小、能耗低，适用于氧气纯度21%95%、氮气纯度 79%99.9995 的中小规模应用场合。 RICH 牌节能型变压吸附系列制氮装置经济性优异，特别是氮气纯度 99.97比变压吸附差。膜分离制氧工艺尚不成熟，一般产氧纯度 21%45%，基本未得到工业应用。%以上的设备更体现了变压吸附空分法的无
19、与伦比的优势。注：其他供气方式是基于上述空分制气产业基础上的产业延伸，供气过程产生了中间环节的费用，增加了用气成本，可操作性差，其中运输式和钢瓶式供气存在较大安全隐患。氮气在各行业中的应用作者:郑兆军通用变压吸附制氮设备氮气是空气的主要成分，在室温和大气压力下是无色、无味、无毒和不可燃的气体，沸点为-195.8 ，其化学性质不活泼。除合成氨外，氮气通常被作为保护气广泛用于冶金、化工、煤炭、食品、医药、电子、磁材、运输、热处理、轮胎、热电、航空等行业。石油石化行业专用变压吸附氮气设备化工乃氮气设备应用最大最多的行业，目前运用较多的为：聚氯乙烯（PVC） ，纯度 99.5%，流量较大。聚丙烯（PE
20、） ，纯度 99.9%，流量较大，该产品氮气应用分为两部分，一是活化剂、催化剂在装填和排空时需要 99.9%的氮气（量小） ，反应釜用氮气 99.5%量大，习惯性取纯度 99.9%。聚乙烯、苯胺，纯度 99.95%，石化产品苯胺在催化剂再生时用氮气是平常的 4 倍左右，但使用周期短。顺酐及乙醇，一般纯度为 99.9%，石化产品聚甲醛（目前国内厂家不多，需求强劲） ，纯度 99.9%。石油： 可应用于系统中管道容器等的氮气吹扫，储罐充氮、置换、检漏，可燃性气体保护，也应用于柴油加氢和催化重整，纯度一般为 99.9%。苯酐：纯度为 99%。聚酯：上游原料 PTA（精对苯二甲醇） ，实际使用纯度为
21、95%，一般取 99%。PTA 生产工艺中利用高纯氮气吹泡，测量高温和低温反应釜中乙二醇原料的液位，测取高压端和低压端的压差后输送 420mA 标准信号，然后转化为液位高度。并利用高纯氮气来测量真空系统的压力，以及在 PTA 生产工艺中利用高纯氮气对过滤器进行反吹冲洗。聚酯切片一般根据实际工艺不同为 99%99.999%，切片下游产品长丝、短丝，99.999.999%。浮法玻璃：纯度为 99.9995%，无氢。热处理：镀锌板分为退火及镀锌工艺，对氮气纯度要求为 99.9995%，要求配 H2520%，设备组成相当复杂。铝材：一般为 99.9995%，要求无氢，否则会有 “氢胞”现象。汽车空调：
22、基本采用液氮，根据实际情况，采用 99.999%，结合碳燃烧法完全可以满足要求。轮胎充氮变压吸附氮气设备21 世纪轮胎竞争的关键在于技术和价格，而轮胎的价格又与制造工艺和技术息息相关，瑞气 PSA 制氮设备可以协助您8在竞争中赢得先机，并已在上海双钱载重轮胎公司实现了有效的价值提升。国内传统的工艺，钢丝子午线轮胎均使用过热水对轮胎进行定型和硫化没。所谓过热水硫化，指轮胎的定型使用低压蒸汽，轮胎的正硫化过程中，胶囊（类似模具的作用）内充介质为 170以上高压热水，外温采用低压蒸汽来进行硫化；而充氮硫化是指轮胎的定型使用低压氮气（0.4-0.5MPa） ，轮胎的正硫化过程中，胶囊内充介质为高压蒸汽
23、与高压氮气（2.5MPa）的混合气体，外温采用低压蒸汽来进行硫化，两种方式均是利用高温，将天然橡胶链状的分子结构改变成网状结构，同时将一层层带束层紧密结合起来，并在胎面形成花纹。氮气硫化，轮胎的性能指标如里程数、耐久性、均匀性、压穿能力试验中，都高于传统过热水硫化的性能指标。制氮设备购置费用基本一年多时间即可收回全部的投资。目前国内部分轿车用子午线轮胎已经如国外一样广泛采用氮气硫化，如佳通轮胎、玲珑轮胎等，载重子午线轮胎方面，上海双钱轮胎公司是第一家使用，以上厂家均使用瑞气公司生产的氮气设备。轿车轮胎每条用氮量约：1.25m 3载重轮胎每条用氮量约：12m 3一般工厂采用氮气回收节约用氮成本，
24、通常考虑 40-50%的氮气回收量。煤矿专用防灭火氮气设备注氮防灭火的实质是向采空区氧化带内或火区内注入一定流量的氮气，使其氧含量降到 7%或 3%以下，达到防灭火的目的，其作用有消除瓦斯爆炸危险；防止煤的自然发热和自燃；降低燃烧强度，防止密闭漏风。其作用原理如图示： 针对矿井情况、产煤量、通风、输送距离、瓦斯含量、自燃发火期的不同，瑞气为客户提供 KGZD 系列地面固定式和 JXZD 系列井下移动式两种氮气设备。该系列设备是温州瑞气空分设备有限公司与煤炭科学研究总院重庆分院联合制造，已取得国家煤矿矿用产品安全标志准用证。药用变压吸附制氮机通常易于氧化的水针（青霉素等）和大输液（如氨基酸等）都
25、需要冲氮保护，否则药液在保存期里很容易氧化，亦即变质。一般是在封装之前，采用前冲氮后冲氮的方式（或单一冲氮） ，使得安瓿瓶或输液瓶里的氧气浓度降到 0.5%以下，药液可长时间保质。就目前来讲，一般厂家购买的设备大约是 5-20 m3/h，纯度为 99.99%。药用制氮机与其他氮气设备不同的是因医药行业国际标准 GMP 标准规定，与药品或药液接触的部分均采用不锈钢材质及除菌方面的要求，设备需要采用不锈钢材质，设备氮气出口部位加装除菌过滤器装置。也因为药厂对设备的总体要求高，通常会有高端配置。其他还有原料药制造厂，也需要氮气保护，其用氮工艺更象精细化工厂的用氮方式。通常纯度为 99-99.9%，但
26、视工厂规模不同而用量有区别，但相对药用制氮机的用量要大很多。象浙江医药股份公司及永宁制药厂用量均为 300 立方/小时。食品行业制氮设备主要应用于食品保鲜、冷藏等方面，瑞气空分设备有限公司专利设计的后净化系统,保证产品气无菌、无尘、无异味，减9除了食品厂家使用氮气的后顾之优。电子磁材行业制氮机包括分支门类很多，主要有压电晶体、半导体及无铅焊接等。国 内 变 压 吸 附 制 氮 技 术 概 述作 者 :郑 兆 军1 前 言 采 用 变 压 吸 附 技 术 从 空 气 中 提 取 氮 气 ， 在 中 小 规 模 用 户 已 经 广 泛 普 及 。 在 2000Nm3/H 能 力 范 围 内 ，比
27、深 冷 更 具 吸 引 力 ， 已 经 成 为 氮 气 市 场 的 主 流 ， 它 不 但 生 产 过 程 简 单 维 护 操 作 方 便 ， 产 品 纯 度 在 一 定 范 围 内 可 以任 意 调 节 ， 而 且 规 模 从 几 十 到 上 千 方 规 模 可 以 任 意 选 用 。 2 工 艺 介 绍 以 空 气 为 原 料 ， 变 压 吸 附 制 氮 技 术 是 在 常 温 下 利 用 O2 和 N2 在 吸 附 剂 上 的 吸 附 速 率 的 差 异 或 吸 附 容 量不 同 ， 采 用 在 高 压 下 吸 附 ， 低 压 下 解 吸 原 理 来 制 备 的 。 根 据 不 同 性
28、能 的 吸 附 剂 ， 制 氮 的 机 理 也 不 相 同 。 目 前 变 压 吸 附 制 氮 采 用 碳 分 子 筛 （ CMS） 和 沸 石 分 子 筛 （ MS） 两 种 技 术 。 1) 碳 分 子 筛 制 氮 （ CMS） 是 利 用 碳 分 子 筛 对 O2 和 N2 吸 附 速 率 不 同 的 原 理 来 分 离 N2 的 。 碳 分 子筛 是 一 种 非 极 性 速 度 分 离 型 吸 附 剂 ， 通 常 以 煤 为 原 料 ， 以 纸 张 或 焦 油 为 粘 结 剂 加 工 而 成 。 它 之 所 以 能对 氧 氮 分 离 主 要 是 基 于 氧 气 和 氮 气 在 碳 分
29、子 筛 上 的 扩 散 速 率 不 同 （ 35 时 扩 散 速 率 ， O2 为6.210-5， N2 为 2.010-6） ， 氧 气 在 碳 分 子 筛 上 的 扩 散 速 度 大 于 氮 气 的 扩 散 速 度 ， 使 得 碳 分 子 筛 优 先吸 附 氧 气 ， 而 氮 气 富 集 于 不 吸 附 相 中 ， 从 而 在 吸 附 塔 流 出 得 到 产 品 氮 气 。 碳 分 子 筛 制 氮 一 般 采用 2 个 吸 附 塔 ， 原 料 压 缩 空 气 经 过 冷 干 机 除 去 气 体 中 的 水 分 和 微 量 油 进 入 床 层 ， O2 等 杂 质 迅 速吸 附 在 床 层
30、上 ， N2 得 以 分 离 在 吸 附 塔 出 口 得 到 ， 吸 附 结 束 后 经 过 均 压 和 真 空 解 吸 或 者 常 压 解 吸 ， 使吸 附 剂 的 杂 质 组 分 脱 除 再 生 ， 2 个 塔 循 环 交 替 吸 附 再 生 。 真 空 解 吸 或 者 常 压 解 吸 再 生 的 目 的 是 为 了往 复 利 用 吸 附 剂 。 真 空 法 较 常 压 法 能 耗 高 ， 但 产 品 气 纯 度 高 。 实 际 中 这 两 种 解 吸 方 法 都 在 应 用 ， 不 过为 了 降 低 能 耗 ， 真 空 解 吸 方 式 逐 渐 减 少 。 碳 分 子 筛 技 术 能 得
31、到 普 氮 ， 纯 度 小 于 99.99%时 相 对经 济 。 2) 沸 石 分 子 筛 制 氮 （ MS） 是 利 用 沸 石 分 子 筛 对 O2 和 N2 吸 附 容 量 不 同 的 原 理 来 分 离 N2 的 。 沸 石分 子 筛 是 人 工 合 成 的 硅 铝 酸 盐 晶 体 ， 加 热 到 一 定 程 度 失 去 结 晶 水 得 到 的 ， 它 由 离 子 孔 穴 和 带 负 电 荷 的硅 铝 骨 格 所 结 构 。 它 之 所 以 能 对 氧 氮 分 离 主 要 是 基 于 非 极 性 的 O2 和 N2 受 到 极 性 分 子 的 影 响 产生 偶 极 ， 而 O2 和 N
32、2 分 子 的 诱 导 偶 极 与 吸 附 剂 固 有 的 极 性 偶 极 具 有 吸 附 作 用 ， 在 等 温 条 件 下 分 子 筛 吸附 N2 量 大 于 O2， 从 而 在 吸 附 相 解 吸 得 到 N2 产 品 气 ， 产 品 气 压 力 低 ， 使 用 时 需 要 在 加 压 故 能 耗 较高 。 MS 制 氮 ， 原 料 压 缩 空 气 经 过 干 燥 器 严 格 脱 除 水 分 和 CO2， 然 后 再 进 入 MS 分 子 筛 床 层 ，N2 迅 速 吸 附 在 床 层 上 ， O2 等 杂 质 作 为 吸 附 废 气 排 空 ， 吸 附 结 束 后 经 过 真 空 解
33、吸 ， 得 到 产 品N2。 沸 石 分 子 筛 制 氮 对 原 料 要 求 严 格 ， 需 要 流 程 较 为 复 杂 投 资 和 操 作 费 用 增 加 。制 氮 方 法 能 耗 KWh/Nm3碳 分 子 筛 0.3510沸 石 分 子 筛 0.5-0.6低 温 法 0.253 装 置 评 价 技 术 分 析 评 价 一 套 变 压 吸 附 装 置 的 优 劣 ， 一 般 从 产 品 纯 度 、 生 产 能 力 、 回 收 率 能 耗 等 指 标 衡 定 。 产 品 纯 度 和 生 产 能 力是 装 置 设 计 目 的 ， 在 一 般 情 况 下 均 可 达 到 ， 而 回 收 率 和 能
34、 耗 往 往 被 忽 视 。 回 收 率 也 是 能 耗 的 一 部 分 ， 收 率 低 消 耗的 原 料 气 也 就 越 多 ， 能 耗 也 就 增 加 。 能 耗 一 般 指 用 于 原 料 气 或 产 品 气 生 压 和 真 空 解 吸 所 消 耗 的 电 能 。 从 运 行 装 置来 看 ， 一 般 氮 气 回 收 率 在 45-60%之 间 ， 单 位 能 耗 0.35KWh/Nm3 左 右 。 一 般 真 空 解 吸 流 程 能 耗 高 于 常 压解 吸 流 程 。 流 程 合 理 吸 附 剂 性 能 高 的 装 置 ， 回 收 率 高 能 耗 低 。以 99.5%纯 度 氮 气
35、装 置 为 例 。N2 纯 度 消 耗 流 程 及 投 资 装 置 能 力碳 分 子 筛 98.5-99.9% 低 少 大沸 石 分 子 筛 99.9-99.99% 高 大 小加 氢 脱 氧 技 术 99.99%以 上 较 高 大 小影 响 装 置 性 能 的 因 素 有 吸 附 压 力 和 吸 附 时 间 。 经 验 表 明 ， 提 高 吸 附 压 力 可 以 增 大 碳 分 子 筛 的 吸 附 容 量 ， 提 高氮 气 纯 度 ， 但 压 力 达 到 0.6Mpa 时 床 层 死 空 间 等 因 素 反 而 导 致 纯 度 降 低 能 耗 增 高 。 吸 附 时 间 越 长 ， 产 品 纯
36、 度 越低 ， 但 回 收 率 高 ， 气 流 切 换 次 数 少 碳 分 子 筛 粉 化 程 度 轻 。 氮 气 的 产 量 和 纯 度 是 一 对 对 立 的 因 素 ， 氮 气 出 气 量 越 高 ，纯 度 越 低 回 收 率 越 低 ， 反 之 亦 然 。4 技 术 发 展 和 展 望变 压 吸 附 制 氮 技 术 的 发 展 主 要 是 吸 附 剂 技 术 的 发 展 。 1977 年 德 国 埃 森 矿 业 研 究 有 限 公 司BergauForschung（ B.F 公 司 ） 研 制 开 发 了 碳 分 子 筛 制 氮 技 术 以 来 ， 日 本 美 国 等 都 迅 速 发
37、展 起 来 。 1981年 吉 林 化 公 设 计 研 究 院 研 制 的 碳 分 子 筛 通 过 了 省 级 鉴 定 ， 随 后 中 国 船 舶 工 业 总 公 司 也 研 制 开 发 了 碳 分 子 筛 。 1986年 浙 江 长 兴 化 工 厂 采 用 上 海 化 工 研 究 院 技 术 生 产 的 碳 分 子 筛 成 为 国 内 主 要 碳 分 子 筛 生 产 力 量 。 国 外 大 批 量 生 产 碳分 子 筛 的 有 德 国 BF 公 司 、 美 国 Calgon 碳 公 司 、 日 本 Takeda 化 学 工 业 公 司 和 Kuraray 化 学 品 公 司 。 国 内上 海
38、 化 工 设 计 院 、 四 川 天 一 科 技 、 温 州 瑞 气 空 分 设 备 有 限 公 司 等 企 业 生 产 氮 气 装 置 规 模 和 技 术 水 平 发 展 速 度 很 快 ，接 近 世 界 先 进 水 平 。 通 过 对 不 同 的 分 子 筛 比 较 ， 国 内 碳 分 子 筛 的 产 氮 率 还 远 低 于 国 外 产 品 ， 主 要 原 因 是 国 产碳 分 子 筛 比 表 面 积 仅 是 BF 公 司 的 55%， 微 孔 不 够 发 达 。 造 成 此 状 况 的 原 因 是 没 有 完 全 掌 握 制 作 工 艺 条 件 和原 料 配 比 ， 检 测 设 备 落
39、后 无 法 及 时 监 控 生 产 ， 原 料 煤 杂 质 高 等 。 近 年 来 国 内 碳 分 子 筛 也 有 了 长 足 进 步 ， 以 浙 江 长兴 化 工 厂 的 碳 分 子 筛 的 产 氮 率 也 接 近 180Nm3/ht， 但 是 性 能 不 稳 定 易 粉 化 ， 使 用 超 过 3-6 年 产 气 量 明显 下 降 。 工 艺 流 程 的 设 计 发 展 与 七 八 十 年 相 比 也 有 了 很 大 发 展 。 用 产 品 氮 气 的 充 压 和 冲 洗 等 流 程 的 采 用 ， 提 高了 氮 气 回 收 率 和 产 量 。 从 2 塔 流 程 发 展 到 三 塔 四
40、塔 流 程 ， 提 高 了 装 置 的 经 济 性 能 。 特 别 是 不 等 势 均 压 的 应 用 ，使 均 压 后 的 2 个 吸 附 塔 内 氮 气 纯 度 不 同 ， 从 而 降 低 排 空 气 体 的 含 氮 量 ， 提 高 回 收 率 。 从 变 压 吸 附 制 氮运 行 装 置 来 看 ， 国 内 主 流 流 程 为 以 国 外 碳 分 子 筛 为 吸 附 剂 ， 采 用 双 塔 流 程 ， 在 0.6-0.8Mpa 吸 附 压 力 下 ，利 用 氮 气 冲 洗 和 常 压 解 吸 流 程 ， 提 取 氮 气 。 这 种 配 置 能 耗 低 ， 在 0.3-0.4Nm3/kwh
41、 左 右 。 最 新 碳 分 子筛 研 究 技 术 是 向 碳 分 子 筛 中 添 加 氧 化 铁 ， 以 其 磁 性 增 加 碳 分 子 筛 对 氧 气 的 选 择 吸 附 性 。 日 本 有 过 书 面 报 道 ， 大 连理 工 大 学 也 进 行 了 这 方 面 的 研 究 。 在 将 来 变 压 吸 附 制 氮 技 术 生 产 的 氮 气 纯 度 高 于 99.999%是 极 为 可 能 的 。从 目 前 制 氮 技 术 应 用 来 看 ， 碳 分 子 筛 技 术 成 为 主 流 技 术 ， 沸 石 分 子 筛 技 术 由 于 处 理 原 料 气 和 真 空 解 吸 等 繁 杂 步骤
42、应 用 较 少 。 尽 管 沸 石 分 子 筛 技 术 可 以 提 取 高 纯 氮 ， 不 过 能 耗 高 规 模 也 在 200 Nm3 以 下 。 高 纯 氮 制 取 一般 采 用 加 氢 脱 氧 技 术 ， 在 普 氮 中 加 入 适 量 的 氢 气 ， 在 加 氢 脱 氧 催 化 剂 作 用 下 ， 氢 气 和 氧 气 反 应 生 成 水 ， 然 后 再 除去 残 余 的 氢 或 氧 ， 最 后 通 过 干 燥 塔 除 去 水 分 得 到 高 纯 氮 气 。 5 结 束 语 11随 着 吸 附 剂 进 一 步 发 展 和 工 艺 流 程 的 合 理 改 进 ， 以 其 明 显 的 经
43、济 效 益 和 简 单 的 操 作 维 护 在 各 个 行 业 推 广 前 景将 更 加 广 阔 。附件如下:制氮工作原理：应用分子筛吸附特性，变压吸附、常压解析原理来获取氮气。工作中压缩空气在一定的压力下，经空气净化处理后，进入吸附塔 A、B 交替吸附解析，达到氮、氧分离，获得氮气的目的。江阴三阳制氮机械设备有限公司生产的“三阳牌 ”制氮机，具有结构紧凑，全自动化、性能稳定、低噪音、无污染，氮气浓度可调节的特点。压缩空气净化处理：空气缓冲罐，冷冻干燥机，除水、油、尘精密过滤器组成。自动控制：电脑、指示仪表、蜂鸣警报器组成。制氮系统：吸附塔 A、B，进口气动阀门（或自制气动阀）组成。计量与检测
44、：氮气缓冲罐、流量计、测氧仪、输出调压阀组成。技术指标：（普氮）制氮流量：1.5Nm 3/h1000 Nm 3/h产氮纯度：（无氧含量）98%99.99%氮气露点：-38-45调压范围：0.1MPa0.7Mpa特殊用户要求的制氮机可设计制作。 SYZ-A 型制氮机（普氮）（本装置适用于药品、食品、啤酒行业）流程图一、 1 空气压缩机二、 2 空气贮罐三、 3、5、6 精密过滤器四、 冷干机五、 7、8、A、B 吸附塔六、 1-8 进口阀门七、 11 氮气贮罐八、 12 减压阀九、 13 流量计十、 杀菌过滤器12氮气纯化装置：氢脱氧工艺：SYDC-A 型氮气纯化装置：除氧原理：2H 2+O22
45、H 2O+Q除氧工艺：普氮加氢气脱氧、冷却、除水、纯气干燥，尘埃过滤，获得高纯氮气。纯氮指标：气体纯度：（无氧含量）99.9995%气体含氧量：5PPm气体含氢量：微量气体露点：-60工作压力：1.0MPa气体纯真，质量稳定；设备简洁，操作方便；经久耐用，成本低廉。适用：各行业使用高纯氮气的用户。SYDC-A 型氮纯化装置（氢脱氧工艺）流程图 13碳脱氧工艺：除氧原理：C+O 2CO 2在碳载型催化剂作用下，通过加热，使惰性气体中的氧与催化剂本身提供的碳，发生反应，而获得高纯氮气。纯氮指标：气体纯度：（无氧含量）99.9995%气体含氧量：5PPm二氧化碳：3 PPm气体露点：-60工作压力：
46、1.0MPa产品气体氮含杂质量可小于 10PPm工艺简单、使用方便、成本低。适用：电子、磁性材料、铝溶体热处理等对氢含量有特殊要求的用户。SYDC-C 型氮纯化装置（碳脱氧工艺）流程图 14氢脱氧工艺：SYDC-B 型氮气纯化装置：除氧原理：2H 2+O22H 2O+Q除氧工艺：普氮加氢气脱氧、冷却、除水、纯气干燥，尘埃过滤，获得高纯氮气。纯氮指标：气体纯度：（无氧含量）99.9995%气体含氧量：5PPm气体含氢量：微量气体露点：-60工作压力：1.0MPa气体纯真，质量稳定；设备简洁，操作方便；经久耐用，成本低廉。适用：各行业使用高纯氮气的用户。SYDC-B 型氮纯化装置（氢脱氧工艺）流程图 一、1、2、11 流量计二、3 混合器三、4 反应塔四、5、10 冷却器五、6 气水分离器六、7 冷冻干燥器七、8、9、A、B 干燥塔八、12 过滤器15碳脱氧工艺：除氧原理：C+O 2CO 2在碳载型催化剂作用下，通过加热，使惰性气体中的氧与催化剂本身提供的碳，发生反应，而获得高纯氮气。纯氮指标：气体纯度：（无氧含量）99.9995%气体含氧量：5PPm二氧化碳：3 PPm气体露点：-60工作压力：1.0MPa产品气体氮含杂质量可小于 10PPm工艺简单、使用方便、成本低。适用：电子、磁性材料、铝溶体热处理等对氢含量有特殊要求的用户。流程图
