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空压机行业应用:空分制氧制氮相关知识

由于氧、氮在工业生产和科学技术发展中有重要的作用,特别是煤化工技术发展到今天,煤气化装置生产必备空分装置,可为煤气化提供氧气,为全厂提供不同规格的氮气、仪表空气以及工作空气。


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制氧空分工艺

工业上常用的制氧方法有:低温精馏分离法、吸附法、电解法。


其中,低温精馏分离方法是目前普遍采用的方法。特点是生产成本低,技术成熟,不仅最经济,又能大量生产氧、氮气,而且适合大规模工业化生产,是主要的制取方法。




低温精馏分离法
低温精馏分离法制氧就是以自然界中的空气为原料,先使空气在低温下液化。然后在精馏塔中利用氧、氮各组分沸点不同,分离为氧气和氮气。
空分装置的工作过程:
  1. 空气的过滤和压缩

  2. 压缩空气的初步冷却

  3. 空气的净化,包括水分和碳氢物的去除

  4. 空气被冷却到液化温度

  5. 冷量的制取

  6. 液化和精馏

  7. 危险杂质的排除


吸附法

变压吸附法是20世纪50年代末才开发成功的,由于其独有的灵活方便、投资少、能耗低的优点,近年来变压吸附空分富氧技术在中小规模富氧应用领域得到越来越多的应用。
氮分子含有孤对电子而极性大于氧并且有较大的四极矩,因而N2与沸石骨架中阳离子的作用力强。空气逐层通过沸石柱后,气相中的含氧量逐渐提高,这样便可得到富氧流出气。
一套变压吸附制氧(制氮)系统主要包括三部分:空气压缩系统、压缩空气预处理系统、吸附分离系统。


变压吸附空气分离的技术进步主要集中在两个方面:

  • 变压吸附空分工艺过程的改进,使过程更加节能高效;

  • 变压吸附空分吸附剂性能的改进。



吸附剂是变压吸附技术的基础,吸附剂的性能决定着吸附分离效果,从而决定着吸附设备投资和分离的经济性。

特点:

1)开停车方便:原始开车几十分钟左右可按要求获得合格产品。临时停车后重新启动即可迅速恢复供给合格产品。 
2)操作弹性大。 
3)自动化程度高。整个吸附分离过程由PLC或DCS控制,可以实现无人操作。 
4)操作成本较低。运行成本较低,主要操作成本为电耗,先进的装置电耗≤0.4kW•h/m³(O2)。 
5)分子筛寿命长。在正常操作情况下一般可使用8~10年,无环境污染。 
6)投资省,一次性投资低。


电解法

把水放入电解槽中,加入氢氧化钠或氢氧化钾以提高水的电解度,然后通入直流电,水就分解为氧气和氢气。每制取一立方米氧,同时获得两立方米氢。


用电解法制取一立方米氧要耗电12~15千瓦小时,是很不经济的。所以,电解法不适用于大量制氧。



制氮空分工艺


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以空气为原料,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或变压吸附式)膜空分法(中空纤维膜分离)。


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。


分子筛空分制氮


也叫PSA或变压吸附式,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3000Nm³/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。


膜空分制氮


也叫中空纤维膜分离,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≤99.5%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。


看了以上的分离方法,其实空气分离的方法可分为低温和非低温两种,其中非低温空气分离方法包括吸附、膜分离、化学分离法。由于目前在大规模制取氧、氮气液产品,尤其是高纯度产品方面低温分离法具有无法取代的竞争优势,而且只有低温分离法才具有可同时生产氩等稀有气体产品的能力,故低温法在空气分离的工业应用中占据非常重要的地位。


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