工業(yè)制氮系統:深冷制氮、PSA制氮、膜分離制氮

現有的制氮工藝：

現場(chǎng)制氮是指氮氣用戶(hù)自購制氮設備制氮，工業(yè)規模制氮有三類(lèi)：即深冷空分制氮、變壓吸附制氮和膜分離制氮。

深冷空分制氮

它是一種傳統的空分技術(shù)，已有九十余年的歷史，它的特點(diǎn)是產(chǎn)氣量大，產(chǎn)品氮純度高，無(wú)須再純化便可直接應用于磁性材料，但它工藝流程復雜，占地面積大，基建費用高，需專(zhuān)門(mén)的維修力量，操作人員較多，產(chǎn)氣慢(18～24h)，它適宜于大規模工業(yè)制氮，氮氣成本在0．7元/m³左右。

變壓吸附制氮

變壓吸附(Pressure Swing Adsorption，簡(jiǎn)稱(chēng)PSA)氣體分離技術(shù)是非低溫氣體分離技術(shù)的重要分支，是人們長(cháng)期來(lái)努力尋找比深冷法更簡(jiǎn)單的空分方法的結果。七十年代西德埃森礦業(yè)公司成功開(kāi)發(fā)了碳分子篩，為PSA空分制氮工業(yè)化鋪平了道路。三十年來(lái)該技術(shù)發(fā)展很快，技術(shù)日趨成熟，在中小型制氮領(lǐng)域已成為深冷空分的強有力的競爭對手。

變壓吸附制氮是以空氣為原料，用碳分子篩作吸附劑，利用碳分子篩對空氣中的氧和氮選擇吸附的特性，運用變壓吸附原理（加壓吸附，減壓解吸并使分子篩再生）而在常溫使氧和氮分離制取氮氣。

變壓吸附制氮與深冷空分制氮相比，具有顯著(zhù)的特點(diǎn)：吸附分離是在常溫下進(jìn)行，工藝簡(jiǎn)單，設備緊湊，占地面積小，開(kāi)停方便，啟動(dòng)迅速，產(chǎn)氣快(一般在30min左右)，能耗小，運行成本低，自動(dòng)化程度高，操作維護方便，撬裝方便，無(wú)須專(zhuān)門(mén)基礎，產(chǎn)品氮純度可在一定范圍內調節，產(chǎn)氮量≤2000Nm³/h。但到2017年為止，除美國空氣用品公司用PSA制氮技術(shù)，無(wú)須后級純化能工業(yè)化生產(chǎn)純度≥99.999%的高純氮外(進(jìn)口價(jià)格很高)，國內外同行一般用PSA制氮技術(shù)只能制取氮氣純度為99.9%的普氮（即O₂≤0.1%），個(gè)別企業(yè)可制取99.99%的純氮(O₂≤0.01%)，純度更高從PSA制氮技術(shù)上是可能的，但制作成本太高，用戶(hù)也很難接受，所以用非低溫制氮技術(shù)制取高純氮還必須加后級純化裝置。

用途：
1. 制藥行業(yè)專(zhuān)用制氮機主要用于藥品生產(chǎn)、儲存、封裝、包裝待領(lǐng)域。

2. 石油天然氣行業(yè)專(zhuān)用制氮機適用于大陸石油及天然氣開(kāi)采、沿海及深海石油及天然氣開(kāi)采中的氮氣保護、輸送、覆蓋、置換、搶險、維修、注氮采油等領(lǐng)域。具有安全性高、適應強、連續性生產(chǎn)待特點(diǎn)。

3. 化工行業(yè)專(zhuān)用制氮機適用于石油化工、煤化工、鹽化工、天然氣化工、精細化工、新材料等及其衍伸化工產(chǎn)品加工行業(yè)，氮氣主要用于覆蓋、吹掃、置換、清洗、壓力輸送、化學(xué)反應攪動(dòng)、化纖生產(chǎn)保護、充氮保護等領(lǐng)域。

4. 冶金行業(yè)專(zhuān)用制氮肥機適用于熱處理、光亮退火、保護加熱、粉末冶金、銅材鋁材加工、磁性材料燒結、貴金屬加工、軸承生產(chǎn)等領(lǐng)域。具有純度高、連續生產(chǎn)、部分工藝要求氮氣含一定量的氫以增加光亮度等特點(diǎn)。氮氣也可用于金屬煉制及高溫合成時(shí)的簡(jiǎn)單保護性氛圍(但其穩定性不及氦氣及氬氣)；高溫下用于合成氮化物(如氮化硅陶瓷、氮化硼等)。

5. 橡膠輪胎行業(yè)專(zhuān)用制氮機適用于橡膠及輪胎生產(chǎn)硫化過(guò)程中的氮氣保護、成型等領(lǐng)域。特別是在全鋼子午線(xiàn)輪胎生產(chǎn)中，用氮氣硫化新工藝已逐步取代蒸汽硫化工藝。具有氮氣純度高、連續性生產(chǎn)、氮氣壓力較高等特點(diǎn)。

6. 食品行業(yè)專(zhuān)用制氮裝置適用于糧食綠色倉儲、食品充氮包裝、蔬菜保鮮、酒類(lèi)封(罐)裝和保存等。防爆型制氮機適用于化工、石油天然氣等對設備有防爆要求的場(chǎng)所。

膜分離制氮
膜分離制氮是以空氣為原料，在一定的壓力下，利用氧和氮在中空纖維膜中的不同滲透速率來(lái)使氧、氮分離制取氮氣。它與上述兩種制氮方法相比，具有設備結構更簡(jiǎn)單、體積更小、無(wú)切換閥門(mén)、操作維護也更為簡(jiǎn)便、產(chǎn)氣更快(3min以?xún)?、增容更方便等特點(diǎn)，但中空纖維膜對壓縮空氣清潔度要求更嚴，膜易老化而失效，難以修復，需要換新膜，膜分離制氮比較適合氮氣純度要求在≤98%左右的中小型用戶(hù)，此時(shí)具有較好功能價(jià)格比；當要求氮氣純度高于98%時(shí)，它與同規格的變壓吸附制氮裝置相比，價(jià)格要高出30%左右，故由膜分離制氮和氮純化裝置相組合制取高純氮時(shí)，普氮純度一般為98%，因而會(huì )增加純化裝置的制作成本和運行成本。

氮氣純化方法

加氫除氧法

在催化劑作用下，普氮中殘余氧和加入的氫發(fā)生化學(xué)反應生成水，其反應式：2H₂+O₂=2H₂O，再通過(guò)后級干燥除去水份，而獲得下列主要成份的高純氮：N₂≥99.999 %，O₂≤5×10－6H₂≤1500×10-6，H₂O≤10.7×10－6。制氮成本在0.5元/m³左右。

加氫除氧、除氫法

此法分三級，一級加氫除氧，第二級除氫，第三級除水，獲得下列組成的高純氮：N₂≥99.999%，O₂≤5×1010－6，H₂≤5×1010－6，H₂O≤10.7×10－6。制氮成本在0.6元/m³左右。

碳脫氧法

在碳載型催化劑作用下（在一定溫度下），普氮中之殘氧和催化劑本身提供的碳發(fā)生反應，生成CO2。反應式：C+O2=CO2。再經(jīng)過(guò)后級除CO₂和H₂O獲得下列組成的高純氮氣：N₂≥99.999%，O^₂≤5×10－6，CO₂≤5×10－6，H₂O≤10.7×10－6。制氮成本在0.6元/m³左右。

但上述三種氮氣純化方法中，方法(1)因成品氮中H2量過(guò)高滿(mǎn)足不了磁性材料的要求，故不采用；方法(2)成品氮純度符合磁性材料用戶(hù)的要求，但需氫源，而且氫氣在運輸、貯存、使用中都存在不安全因素；方法(3)成品氮的質(zhì)量完全可滿(mǎn)足磁性材料的用氣要求，工藝中不使用H2，無(wú)加氫法帶來(lái)的問(wèn)題，氮中無(wú)H₂且成品氮的質(zhì)量不受普氮波動(dòng)的影響，故和其他氮氣純法相比，氮氣質(zhì)量更加穩定，是最適合磁性材料行業(yè)中一種氮氣純化方法。

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