空分制氮设备的选择

第44卷第7期氯碱工业Vol 44. No. 72008年7月Chlor-Alkali IndustryJul.,2008【材料与设备】空分制氮设备的选抨万长忠·,王菊花,金美玲,曹磊(平煤集团开封东大化工有限公司,河南开封475003)[关键词]空分制氮;工作原理;技术特点;基本参数比较[摘要]阐述了空分制氮的3种方法(深冷分离方法变压吸附分离技术膜分离技术)及其各自特点通过数据对比得出结论。中图分类号]TQ14.15[文献标志码]B[文章编号]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电解开停车过程中氮气保护是系统安全生产的11深冷分离方法重要保证,国内氯碱企业曾发生多次膜撕裂事故,主深冷分离方法是利用深度冷冻原理液化空气,要原因就是氮气保护做得不够,致使氢气与氧气或根据氮气、氧气及其他组分的沸点不同,在精馏塔进氯气混合发生爆炸。过去平煤集团开封东大化工有行精馏获得氮气和氧气等产品。原料空气经空气过限公司生产规模小,电解开停车时用氮气瓶充氮,操滤器吸入,去除其中的尘埃及机械杂质后进入空压作不方便。随着生产规模的不断扩大,公司新上一机,压缩后进入后冷却器,再进预冷系统,之后经水套制氮装置,以满足生产的需要。分离器入纯化器,在此除去空气中的水分、二氧化碳1空气分离制取氮气的主要方法和碳氢化合物等杂质。净化后的空气除少部分作为气体行业是朝阳产业,有着非常广阔的前景。气体轴承透平膨胀机和轴承气,其余进入分馏塔进作为现代工业重要的基础原料,气体产品广泛应用行精馏。在上塔下部得到氧气体积分数为99.5%的于钢铁、冶金、化工、航天、电子、汽车、环保、医疗、食纯氧气,经主换热器复热后送出分馏塔;在上塔顶部品、饮料等领域被誉为现代工业的血液。气体的应得到9.99%的纯氮气,经液氮、液空过冷器、主换用技术在发达国家已经达到相当高的水平,但在我热器复热后出分馏塔;从上塔上部排出的污氮经主国还处于起步阶段。空分制氮、制氧所用原料来自换热器复热后出分馏塔作为分子筛纯化器的再生大气取之不尽,用之不竭。目前常用的制取氮气气,纯化器中分子筛再生后放空。整套装置结构复的方法主要有低温分离法和非低温分离法。低温分杂,占地面积大。随着自动化技术的不断提高深冷离技术即深冷分离法,非低温分离技术包括变压吸分离装置配置DS控制系统,在操作上也趋于简单附法和膜分离法。化[作者简介]万长忠(1972-),男助理工程师,1993年毕业于河南省化工学校化工机械专业从事制冷工作11年,现在平煤集团开封东大化工有限公司技术中心从事设备管理工作。[收稿日期]2007-07-31第7期万长忠等:空分制氪设备的选择材料与设深冷分离方法工作过程为:空气压缩机—→冷变薄膜的渗透性,在透过这种薄膜时,氧比氮快。目却器—一高效除油器一→缓冲储气罐一→预冷机组前,气体分离膜的研究主要集中在富氧膜,作为富氧纯化器—→气体膨胀机—→分馏塔一→氮气储膜的高分子,要求兼具高透过性和高选择性。美国气罐一→用户通用电器公司采用聚碳酸酯和有机硅的共聚物作为1.2变压吸附分离技术分离膜,经过一级分离就可获得40%富氧的空气。变压吸附分离技术最广泛的应用是工业气体的若以富氧空气代替普通空气,将大大提高各种燃烧分离提纯。在分离过程中气体组分在升压时吸附,装置的效率,并可减少公害降压时解吸,不同组分由于其吸附和解吸特性不同膜分离技术应用在低浓度富氧生产中最具有优在压力周期性的变化过程中实现分离,这一过程称势,但是由于国内膜的制造技术处于发展阶段,大多为变压吸附分离过程(简称PSA)。由于氧、氮在碳从国外进口,价格较高,且膜易老化,限制了该技术分子筛上的扩散速率差异较大,氧分子被碳分子筛的发展,目前在空分制氮项目中应用很少大量吸附,氮分子在气相富集,生成高浓度的氮气其工作流程如下:空气压缩机一→冷却器变压吸附分离过程一般在中等压力(低于6.0高效除油器—→冷冻式干燥机一→过滤器一→加热MPa)下进行,具有操作简单、自动化程度高、设备不器—→膜分离组件—→氮气储气罐一→用户。需要特殊材料等优点。原料气中的杂质组分(如2技术特点H2O、NH3硫化物等)同时除去,预处理和分离过程2.1深冷分离的技术特点同时进行,省去了繁琐的预处理装置,流程简单,操可同时制取氮气和氧气,一般适用于用气量≥作费用低。但是,若用户需要高纯度的氮气,一级吸5000m3/h、所需气体露点较低纯度较高的场所。附不易实现需经过二级甚至三级变压吸附才能达操作控制及监控点多且比较复杂生产出合格氮气到要求,设备投资会大幅增加,运行成本升高。分子的时间长,无法随开随停,无效能耗的过程长。须定筛的质量是变压吸附设备运行好坏的关键,国产分期维护和保养操作人员需要长时间专业技术培训,子筛质量不太稳定,进口分子筛价格又太高。目前办理气体分离特种作业证,并且要具有丰富的实践大多数生产厂家选用进口分子筛,分子筛的投资约经验。机组复杂,占地面积大安装费用高。深冷分占整套设备投资的1/2。其工作流程为:空气压缩离较适用于用气稳定、长期用气的生产中。机—一→冷却器—高效除油器—→冷冻式干燥机2.2变压吸附的技术特点活性炭过滤器—→缓冲储气罐一→变压吸附设变压吸附技术是一种低能耗的气体分离技术。备→粉尘过滤器—→氮气储气罐一氮气用户。变压吸附工艺所要求的压力一般在0.1-2.5MPa1.3膜分离制氮技术允许压力变化范围较宽,对于处理一些有压力的气膜分离制氮技术是根据空气中的氮气和氧气在源气源本身的压力可满足变压吸附工艺的要求,可膜两侧的压差作用,在膜中的溶解度和扩散系数不省去再次加压的能耗,装置的消耗仅是照明、仪表用同,导致渗透率较快的水蒸气、氧气等一些气体先透电及仪表空气的消耗,能耗很低,优势比较明显;变过膜,成为富氧气体而渗透率较慢的氮气则滞留富压吸附装置压力损失很小,一般不超过005MPa。集,成为干燥的富氮气体,使氧氮分离。膜的分离选变压吸附装置可获得高纯度的产品气,可得到择性(各气体组分渗透量的差异)膜面积和膜两侧95.0%~99.5%的氮气产品;变压吸附工艺流程简的分压差构成了膜分离的三要素。其中,膜分离的单,无需复杂的预处理系统,一步或两步即可实现多选择性取决于制造商选用的膜材料及制备工艺,是种气体的分离;变压吸附装置的运行由PLC自动控决定膜分离系统性能和效率的关键因素。制,自动化程度高操作方便,启动后短时间内(气体分离膜是近年来发展很快的一项新技术,般40min)即可投入正常运行。被认为是20世纪末到21世纪中期最有发展前途的新技术之一,不同的高分子膜对不同种类的气体分2.3膜分离的技术特点子的透过率和选择性不同,因而可以从气体混合物膜分离的技术特点:①易于操作随时开关,不中选择分离某种气体。美国洛杉矶加州大学的化学·需要多人操作;②易于安装,占地面积小,质量轻,适家用一种能导电的有机材料制作出一种薄膜,这种应于小或拥挤的场所;③安全可靠生产中产品不合聚合物能掺入带电的原子,利用掺杂剂的含量来改格时系统将自动关闭以保证产品质量;④能耗低,大材料与设备氯碱工业2008年大降低生产成本;⑤连续过程,无需循环切换,不中33种装置的基本参数比较断产品供给。3种装置的基本参数比较情况如表1所示表13种装置的基本参数比较比较项目深冷分离法膜分离法流程复杂性复杂前处理工艺过程多复杂前处理要求严格产品氮气需再过滤简单前处理简单,产品氦气无需处理投资占地面积中等小操作要求操作人员需办理特种作业证无特殊要求开机后可无人看管无特殊要求开机后可无人看管产成品气时间一般10h以上一般10min产品纯度95.0%-99.5%95%-98%调节性不易调氮气产量m<2000m3/h压力定期维护需专门的维修力量切换阀门多,动作频繁有一定故障率和维修量无活动部件很少维修保养但膜易老化难修复介质寿命较长定期更换分子筛粉化现象较多与膜的质量密切相关使用范围提取氮气氧气等多种产品只能提取单一气体只能提取单一气体机械噪声运动噪声大由于电磁阀门多且切换频繁运动噪声较大由于是静态分离膜系统几乎无噪声运行成本0.5元/m30.3-0.4元/m03~04元/m3,当体积分数大于98%时价格高于同规格变压吸附装置3由于平煤集团开封东大化工有限公司生产用气值得推广的技术。属间断性用气,通过对比3种制氮技术的特点,选择我国对气体膜分离技术的开发研究起步较晚,了变压吸附方法。目前非对称膜和复合膜的制备、工业用膜分离器的4结论研制及膜分离过程的应用都已达到一定水平,在膜深冷分离和变压吸附制氮技术都是比较成熟的材料的开发上也有了新的进展。对膜组件装置及技术由于对氮气的质量和规模要求不同,深冷分离过程优化等方面的研究较少,这种状况对气体膜分和变压吸附各有优劣。深冷分离法可同时获取多种离技术在我国的应用和发展明显不利,应引起有关气体,适合大规模生产;变压吸附法制氮只能制取单方面的注意,尽早赶上或超过世界先进水平,为发展一气体投资省,启动快;膜分离法较适合氮气纯度我国膜技术做出巨大的贡献。≤98%的中小型用户,但是膜分离具有投资低、占地[编辑:董红果]面积小运行成本低、产气快、噪声低等优点,是一种·。合···········ρ···@·········%····伈·≈····。····(上接第39页)有时还要考虑到从开车到参数达到破坏的作用,该差压变送器必须选用测量精度高,可正常生产时,气相和液相浓度和密度的变化;⑤被测靠性好的产品。进电解槽的盐水腐蚀性强,有的盐对象容器的结构、形状、尺寸、容器内的设备附件及水中含有游离氯,因此,其压力变送器的接液部分的各种进出料管口都要考虑,如塔溶液槽反应器锅材质最好用Ta,不含游离氯的盐水接液材质用T。炉汽包、立罐、球罐等;⑥其他要求,如环保及卫生蒸发工序的液碱温度和浓度都非常高,其接液部分等的材质最好用N,而低温低浓度的液碱的压力变送3在离子膜烧碱装置中的选用器的接液部分材质用SUS316L就能满足测量要求。离子膜法烧碱装置中电解槽是核心设备,工艺液氯因为有很大的汽化压,其连接法兰的压力等级装置对自控系统的自动化水平要求非常高同时对要放大液氯和湿氯气的接液材质要采用Ta。氢气仪表的选型、仪表的精度、稳定性和可靠性都提出了虽然没有腐蚀性,但其易燃易爆,要选用本安型仪较高的要求。电解槽的仪表一且失灵,将可能造成表又因为其存在氢粘附问题(氢原子通过传感器氯气、氢气外逸、离子膜损坏,在选型过程中,应充分的金属膜片扩散,导致对测量结果产生影响),其接考虑工艺介质及操作指标的需要。电解槽阴阳极中液材质最好选用带金涂层的不锈钢。的氢气和氯气必须保持一定的差压(氢气压力一般[编辑:董红果]比氯气压力高3kPa),过大和过小都会对工艺产生