第44卷第7期氯堿工業(yè)Vol 44. No. 72008年7月Chlor-Alkali IndustryJul.,2008【材料與設(shè)備】空分制氮設(shè)備的選抨萬長(zhǎng)忠·,王菊花,金美玲,曹磊(平煤集團(tuán)開封東大化工有限公司,河南開封475003)[關(guān)鍵詞]空分制氮;工作原理;技術(shù)特點(diǎn);基本參數(shù)比較[摘要]闡述了空分制氮的3種方法(深冷分離方法變壓吸附分離技術(shù)膜分離技術(shù))及其各自特點(diǎn)通過數(shù)據(jù)對(duì)比得出結(jié)論。中圖分類號(hào)]TQ14.15[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]B[文章編號(hào)]1008-13x(2008)07-0040-02Selection of nitrogen production devices by air SeparationWAN Chang-zhong, WANG Ju-hua, JIN Mei-ling, CAO LeiKaifeng Dongda Company of Pingdingshan Coal( Group)Co., Ltd, Kaifeng 475003, China)Key words: nitrogen production by air separation; work principle; techal characteristicsAbstract The three methods of nitrogen production by air separation are related including cryogenicseparation process, pressure swing adsorption separation technology and membrane separation technologyults are obtained by電解開停車過程中氮?dú)獗Ｗo(hù)是系統(tǒng)安全生產(chǎn)的11深冷分離方法重要保證,國內(nèi)氯堿企業(yè)曾發(fā)生多次膜撕裂事故,主深冷分離方法是利用深度冷凍原理液化空氣,要原因就是氮?dú)獗Ｗo(hù)做得不夠,致使氫氣與氧氣或根據(jù)氮?dú)狻⒀鯕饧捌渌M分的沸點(diǎn)不同,在精餾塔進(jìn)氯氣混合發(fā)生爆炸。過去平煤集團(tuán)開封東大化工有行精餾獲得氮?dú)夂脱鯕獾犬a(chǎn)品。原料空氣經(jīng)空氣過限公司生產(chǎn)規(guī)模小,電解開停車時(shí)用氮?dú)馄砍涞?操濾器吸入,去除其中的塵埃及機(jī)械雜質(zhì)后進(jìn)入空壓作不方便。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,公司新上一機(jī),壓縮后進(jìn)入后冷卻器,再進(jìn)預(yù)冷系統(tǒng),之后經(jīng)水套制氮裝置,以滿足生產(chǎn)的需要。分離器入純化器,在此除去空氣中的水分、二氧化碳1空氣分離制取氮?dú)獾闹饕椒ê吞細(xì)浠衔锏入s質(zhì)。凈化后的空氣除少部分作為氣體行業(yè)是朝陽產(chǎn)業(yè),有著非常廣闊的前景。氣體軸承透平膨脹機(jī)和軸承氣,其余進(jìn)入分餾塔進(jìn)作為現(xiàn)代工業(yè)重要的基礎(chǔ)原料,氣體產(chǎn)品廣泛應(yīng)用行精餾。在上塔下部得到氧氣體積分?jǐn)?shù)為99.5%的于鋼鐵、冶金、化工、航天、電子、汽車、環(huán)保、醫(yī)療、食純氧氣,經(jīng)主換熱器復(fù)熱后送出分餾塔;在上塔頂部品、飲料等領(lǐng)域被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)的血液。氣體的應(yīng)得到9.99%的純氮?dú)?經(jīng)液氮、液空過冷器、主換用技術(shù)在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平,但在我熱器復(fù)熱后出分餾塔;從上塔上部排出的污氮經(jīng)主國還處于起步階段?？辗种频?、制氧所用原料來自換熱器復(fù)熱后出分餾塔作為分子篩純化器的再生大氣取之不盡,用之不竭。目前常用的制取氮?dú)鈿?純化器中分子篩再生后放空。整套裝置結(jié)構(gòu)復(fù)的方法主要有低溫分離法和非低溫分離法。低溫分雜,占地面積大。隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷提高深冷離技術(shù)即深冷分離法,非低溫分離技術(shù)包括變壓吸分離裝置配置DS控制系統(tǒng),在操作上也趨于簡(jiǎn)單附法和膜分離法?；痆作者簡(jiǎn)介]萬長(zhǎng)忠(1972-),男助理工程師,1993年畢業(yè)于河南省化工學(xué)?；C(jī)械專業(yè)從事制冷工作11年,現(xiàn)在平煤集團(tuán)開封東大化工有限公司技術(shù)中心從事設(shè)備管理工作。[收稿日期]2007-07-31第7期萬長(zhǎng)忠等:空分制氪設(shè)備的選擇材料與設(shè)深冷分離方法工作過程為:空氣壓縮機(jī)—→冷變薄膜的滲透性,在透過這種薄膜時(shí),氧比氮快。目卻器—一高效除油器一→緩沖儲(chǔ)氣罐一→預(yù)冷機(jī)組前,氣體分離膜的研究主要集中在富氧膜,作為富氧純化器—→氣體膨脹機(jī)—→分餾塔一→氮?dú)鈨?chǔ)膜的高分子,要求兼具高透過性和高選擇性。美國氣罐一→用戶通用電器公司采用聚碳酸酯和有機(jī)硅的共聚物作為1.2變壓吸附分離技術(shù)分離膜,經(jīng)過一級(jí)分離就可獲得40%富氧的空氣。變壓吸附分離技術(shù)最廣泛的應(yīng)用是工業(yè)氣體的若以富氧空氣代替普通空氣,將大大提高各種燃燒分離提純。在分離過程中氣體組分在升壓時(shí)吸附,裝置的效率,并可減少公害降壓時(shí)解吸,不同組分由于其吸附和解吸特性不同膜分離技術(shù)應(yīng)用在低濃度富氧生產(chǎn)中最具有優(yōu)在壓力周期性的變化過程中實(shí)現(xiàn)分離,這一過程稱勢(shì),但是由于國內(nèi)膜的制造技術(shù)處于發(fā)展階段,大多為變壓吸附分離過程(簡(jiǎn)稱PSA)。由于氧、氮在碳從國外進(jìn)口,價(jià)格較高,且膜易老化,限制了該技術(shù)分子篩上的擴(kuò)散速率差異較大,氧分子被碳分子篩的發(fā)展,目前在空分制氮項(xiàng)目中應(yīng)用很少大量吸附,氮分子在氣相富集,生成高濃度的氮?dú)馄涔ぷ髁鞒倘缦?空氣壓縮機(jī)一→冷卻器變壓吸附分離過程一般在中等壓力(低于6.0高效除油器—→冷凍式干燥機(jī)一→過濾器一→加熱MPa)下進(jìn)行,具有操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、設(shè)備不器—→膜分離組件—→氮?dú)鈨?chǔ)氣罐一→用戶。需要特殊材料等優(yōu)點(diǎn)。原料氣中的雜質(zhì)組分(如2技術(shù)特點(diǎn)H2O、NH3硫化物等)同時(shí)除去,預(yù)處理和分離過程2.1深冷分離的技術(shù)特點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行,省去了繁瑣的預(yù)處理裝置,流程簡(jiǎn)單,操可同時(shí)制取氮?dú)夂脱鯕?一般適用于用氣量≥作費(fèi)用低。但是,若用戶需要高純度的氮?dú)?一級(jí)吸5000m3/h、所需氣體露點(diǎn)較低純度較高的場(chǎng)所。附不易實(shí)現(xiàn)需經(jīng)過二級(jí)甚至三級(jí)變壓吸附才能達(dá)操作控制及監(jiān)控點(diǎn)多且比較復(fù)雜生產(chǎn)出合格氮?dú)獾揭?設(shè)備投資會(huì)大幅增加,運(yùn)行成本升高。分子的時(shí)間長(zhǎng),無法隨開隨停,無效能耗的過程長(zhǎng)。須定篩的質(zhì)量是變壓吸附設(shè)備運(yùn)行好壞的關(guān)鍵,國產(chǎn)分期維護(hù)和保養(yǎng)操作人員需要長(zhǎng)時(shí)間專業(yè)技術(shù)培訓(xùn),子篩質(zhì)量不太穩(wěn)定,進(jìn)口分子篩價(jià)格又太高。目前辦理氣體分離特種作業(yè)證,并且要具有豐富的實(shí)踐大多數(shù)生產(chǎn)廠家選用進(jìn)口分子篩,分子篩的投資約經(jīng)驗(yàn)。機(jī)組復(fù)雜,占地面積大安裝費(fèi)用高。深冷分占整套設(shè)備投資的1/2。其工作流程為:空氣壓縮離較適用于用氣穩(wěn)定、長(zhǎng)期用氣的生產(chǎn)中。機(jī)—一→冷卻器—高效除油器—→冷凍式干燥機(jī)2.2變壓吸附的技術(shù)特點(diǎn)活性炭過濾器—→緩沖儲(chǔ)氣罐一→變壓吸附設(shè)變壓吸附技術(shù)是一種低能耗的氣體分離技術(shù)。備→粉塵過濾器—→氮?dú)鈨?chǔ)氣罐一氮?dú)庥脩?。變壓吸附工藝所要求的壓力一般?.1-2.5MPa1.3膜分離制氮技術(shù)允許壓力變化范圍較寬,對(duì)于處理一些有壓力的氣膜分離制氮技術(shù)是根據(jù)空氣中的氮?dú)夂脱鯕庠谠礆庠幢旧淼膲毫蓾M足變壓吸附工藝的要求,可膜兩側(cè)的壓差作用,在膜中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)不省去再次加壓的能耗,裝置的消耗僅是照明、儀表用同,導(dǎo)致滲透率較快的水蒸氣、氧氣等一些氣體先透電及儀表空氣的消耗,能耗很低,優(yōu)勢(shì)比較明顯;變過膜,成為富氧氣體而滲透率較慢的氮?dú)鈩t滯留富壓吸附裝置壓力損失很小,一般不超過005MPa。集,成為干燥的富氮?dú)怏w,使氧氮分離。膜的分離選變壓吸附裝置可獲得高純度的產(chǎn)品氣,可得到擇性(各氣體組分滲透量的差異)膜面積和膜兩側(cè)95.0%~99.5%的氮?dú)猱a(chǎn)品;變壓吸附工藝流程簡(jiǎn)的分壓差構(gòu)成了膜分離的三要素。其中,膜分離的單,無需復(fù)雜的預(yù)處理系統(tǒng),一步或兩步即可實(shí)現(xiàn)多選擇性取決于制造商選用的膜材料及制備工藝,是種氣體的分離;變壓吸附裝置的運(yùn)行由PLC自動(dòng)控決定膜分離系統(tǒng)性能和效率的關(guān)鍵因素。制,自動(dòng)化程度高操作方便,啟動(dòng)后短時(shí)間內(nèi)(氣體分離膜是近年來發(fā)展很快的一項(xiàng)新技術(shù),般40min)即可投入正常運(yùn)行。被認(rèn)為是20世紀(jì)末到21世紀(jì)中期最有發(fā)展前途的新技術(shù)之一,不同的高分子膜對(duì)不同種類的氣體分2.3膜分離的技術(shù)特點(diǎn)子的透過率和選擇性不同,因而可以從氣體混合物膜分離的技術(shù)特點(diǎn):①易于操作隨時(shí)開關(guān),不中選擇分離某種氣體。美國洛杉磯加州大學(xué)的化學(xué)·需要多人操作;②易于安裝,占地面積小,質(zhì)量輕,適家用一種能導(dǎo)電的有機(jī)材料制作出一種薄膜,這種應(yīng)于小或擁擠的場(chǎng)所;③安全可靠生產(chǎn)中產(chǎn)品不合聚合物能摻入帶電的原子,利用摻雜劑的含量來改格時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉以保證產(chǎn)品質(zhì)量;④能耗低,大材料與設(shè)備氯堿工業(yè)2008年大降低生產(chǎn)成本;⑤連續(xù)過程,無需循環(huán)切換,不中33種裝置的基本參數(shù)比較斷產(chǎn)品供給。3種裝置的基本參數(shù)比較情況如表1所示表13種裝置的基本參數(shù)比較比較項(xiàng)目深冷分離法膜分離法流程復(fù)雜性復(fù)雜前處理工藝過程多復(fù)雜前處理要求嚴(yán)格產(chǎn)品氮?dú)庑柙龠^濾簡(jiǎn)單前處理簡(jiǎn)單,產(chǎn)品氦氣無需處理投資占地面積中等小操作要求操作人員需辦理特種作業(yè)證無特殊要求開機(jī)后可無人看管無特殊要求開機(jī)后可無人看管產(chǎn)成品氣時(shí)間一般10h以上一般10min產(chǎn)品純度95.0%-99.5%95%-98%調(diào)節(jié)性不易調(diào)氮?dú)猱a(chǎn)量m<2000m3/h壓力定期維護(hù)需專門的維修力量切換閥門多,動(dòng)作頻繁有一定故障率和維修量無活動(dòng)部件很少維修保養(yǎng)但膜易老化難修復(fù)介質(zhì)壽命較長(zhǎng)定期更換分子篩粉化現(xiàn)象較多與膜的質(zhì)量密切相關(guān)使用范圍提取氮?dú)庋鯕獾榷喾N產(chǎn)品只能提取單一氣體只能提取單一氣體機(jī)械噪聲運(yùn)動(dòng)噪聲大由于電磁閥門多且切換頻繁運(yùn)動(dòng)噪聲較大由于是靜態(tài)分離膜系統(tǒng)幾乎無噪聲運(yùn)行成本0.5元/m30.3-0.4元/m03~04元/m3,當(dāng)體積分?jǐn)?shù)大于98%時(shí)價(jià)格高于同規(guī)格變壓吸附裝置3由于平煤集團(tuán)開封東大化工有限公司生產(chǎn)用氣值得推廣的技術(shù)。屬間斷性用氣,通過對(duì)比3種制氮技術(shù)的特點(diǎn),選擇我國對(duì)氣體膜分離技術(shù)的開發(fā)研究起步較晚,了變壓吸附方法。目前非對(duì)稱膜和復(fù)合膜的制備、工業(yè)用膜分離器的4結(jié)論研制及膜分離過程的應(yīng)用都已達(dá)到一定水平,在膜深冷分離和變壓吸附制氮技術(shù)都是比較成熟的材料的開發(fā)上也有了新的進(jìn)展。對(duì)膜組件裝置及技術(shù)由于對(duì)氮?dú)獾馁|(zhì)量和規(guī)模要求不同,深冷分離過程優(yōu)化等方面的研究較少,這種狀況對(duì)氣體膜分和變壓吸附各有優(yōu)劣。深冷分離法可同時(shí)獲取多種離技術(shù)在我國的應(yīng)用和發(fā)展明顯不利,應(yīng)引起有關(guān)氣體,適合大規(guī)模生產(chǎn);變壓吸附法制氮只能制取單方面的注意,盡早趕上或超過世界先進(jìn)水平,為發(fā)展一氣體投資省,啟動(dòng)快;膜分離法較適合氮?dú)饧兌任覈ぜ夹g(shù)做出巨大的貢獻(xiàn)。≤98%的中小型用戶,但是膜分離具有投資低、占地[編輯:董紅果]面積小運(yùn)行成本低、產(chǎn)氣快、噪聲低等優(yōu)點(diǎn),是一種·。合···········ρ···@·········%····伈·≈····?！ぁぁぁ?上接第39頁)有時(shí)還要考慮到從開車到參數(shù)達(dá)到破壞的作用,該差壓變送器必須選用測(cè)量精度高,可正常生產(chǎn)時(shí),氣相和液相濃度和密度的變化;⑤被測(cè)靠性好的產(chǎn)品。進(jìn)電解槽的鹽水腐蝕性強(qiáng),有的鹽對(duì)象容器的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、容器內(nèi)的設(shè)備附件及水中含有游離氯,因此,其壓力變送器的接液部分的各種進(jìn)出料管口都要考慮,如塔溶液槽反應(yīng)器鍋材質(zhì)最好用Ta,不含游離氯的鹽水接液材質(zhì)用T。爐汽包、立罐、球罐等;⑥其他要求,如環(huán)保及衛(wèi)生蒸發(fā)工序的液堿溫度和濃度都非常高,其接液部分等的材質(zhì)最好用N,而低溫低濃度的液堿的壓力變送3在離子膜燒堿裝置中的選用器的接液部分材質(zhì)用SUS316L就能滿足測(cè)量要求。離子膜法燒堿裝置中電解槽是核心設(shè)備,工藝液氯因?yàn)橛泻艽蟮钠瘔?其連接法蘭的壓力等級(jí)裝置對(duì)自控系統(tǒng)的自動(dòng)化水平要求非常高同時(shí)對(duì)要放大液氯和濕氯氣的接液材質(zhì)要采用Ta。氫氣儀表的選型、儀表的精度、穩(wěn)定性和可靠性都提出了雖然沒有腐蝕性,但其易燃易爆,要選用本安型儀較高的要求。電解槽的儀表一且失靈,將可能造成表又因?yàn)槠浯嬖跉湔掣絾栴}(氫原子通過傳感器氯氣、氫氣外逸、離子膜損壞,在選型過程中,應(yīng)充分的金屬膜片擴(kuò)散,導(dǎo)致對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響),其接考慮工藝介質(zhì)及操作指標(biāo)的需要。電解槽陰陽極中液材質(zhì)最好選用帶金涂層的不銹鋼。的氫氣和氯氣必須保持一定的差壓(氫氣壓力一般[編輯:董紅果]比氯氣壓力高3kPa),過大和過小都會(huì)對(duì)工藝產(chǎn)生