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      空分制氮機(jī)工藝及選型

      發(fā)布日期: 2014-11-13

      空分制氮機(jī)是以空氣為原料,利用物理的方法,將其中的氧和氮分離而獲得。
      工業(yè)中有三種,即深冷空分法、分子篩空分法(PSA)和膜空分法。

      深冷空分制氮
      深冷空分制氮是一種傳統(tǒng)的制氮方法,已有近幾十年的歷史。它是以空氣為原料,經(jīng)過(guò)壓縮、凈化,再利用熱交換使空氣液化成為液空。液空主要是液氧和液氮的混合物,利用液氧和液氮的沸點(diǎn)不同,通過(guò)液空的精餾,使它們分離來(lái)獲得氮?dú)狻?/p>

      特點(diǎn):
      1)低溫?fù)Q熱器、精餾塔等低溫容器及管道置于保冷箱內(nèi),并充填有熱導(dǎo)率低的絕熱材料,防止從周圍傳入熱量,減少冷損,否則設(shè)備無(wú)法運(yùn)行;

      2)用于制造低溫設(shè)備的材料,要求在低溫下有足夠的強(qiáng)度和韌性,以及有良好的焊接、加工性能。常用鋁合金、銅合金、不銹鋼等材料;

      3)空氣中高沸點(diǎn)的雜質(zhì),例如水分、二氧化碳等,應(yīng)在常溫時(shí)預(yù)先清除。否則會(huì)堵塞設(shè)備內(nèi)的通道,使裝置無(wú)法工作;

      4)空氣中的乙炔和碳?xì)浠衔镞M(jìn)入空分塔內(nèi),積聚到一定程度,會(huì)影響安全運(yùn)行,甚至發(fā)生爆炸事故。因此,必須設(shè)置凈化設(shè)備將其清除;

      5)貯存低溫液體的密閉容器,當(dāng)外界有熱量傳入時(shí),會(huì)有部分低溫液體吸熱而氣化,壓力會(huì)自動(dòng)升高。為防止超壓,必須設(shè)置可靠的安全裝置;

      6)低溫液體漏入基礎(chǔ),會(huì)將基礎(chǔ)凍裂,設(shè)備傾斜。因此必須保證設(shè)備、管道和閥門(mén)的密封性,要考慮熱脹冷縮可能產(chǎn)生的應(yīng)力和變形;

      7)被液氧浸漬過(guò)的木材、焦炭等多孔有機(jī)物質(zhì),當(dāng)接觸火源或給以一定的沖擊力時(shí),會(huì)發(fā)生激烈的燃爆。因此,冷箱內(nèi)不允許有多孔性的有機(jī)物質(zhì)。對(duì)液氧的排放,應(yīng)預(yù)先考慮有專門(mén)的液氧排放管路和容器,不能走地溝;

      8)低溫液體長(zhǎng)期沖擊碳素鋼板,會(huì)使鋼板脆裂。因此,排放低溫液體的管道及排放槽不能采用碳素鋼制品;  

      9)氮?dú)?、氬氣是窒息性氣體,其液體排放管應(yīng)引至室外。氣體排放管應(yīng)有一定的排放高度,排放口不能朝向平臺(tái)樓梯;

      10)氧氣是強(qiáng)烈的助燃劑,其排放管不能直接排在不通風(fēng)的廠房?jī)?nèi)。

      分子篩空分制氮
      1)基本原理

      由于氧氣和氮?dú)庠诜肿雍Y吸附劑微孔內(nèi)擴(kuò)散速度不同,當(dāng)空氣經(jīng)過(guò)分子篩時(shí),直徑較小的氧氣分離以較快的速度向微孔內(nèi)擴(kuò)散,并優(yōu)先被分子篩所吸附,剩下直徑較大的氮分子供用戶使用,而后再采用解吸方法釋放分子篩中的富氧成分。因此分子篩空分法要連續(xù)生產(chǎn)需使用二個(gè)吸附罐,切換使用。

      分子篩制氮機(jī)
      2)工藝流程

      分子篩空分制氮系統(tǒng)的核心分子篩(如碳分子篩),裝在吸附塔 A 和 B 之內(nèi),工作時(shí)壓縮空氣過(guò)濾后分別進(jìn)入 A 塔和 B 塔, A 與 B 兩塔交替輪換進(jìn)行加壓吸附產(chǎn)氮和減壓解吸再生的變壓吸附操作。實(shí)現(xiàn)氧氮分離,從而連續(xù)制氮。

      3)特點(diǎn)
      與傳統(tǒng)的深冷法相比它具有如下優(yōu)點(diǎn):
      A.起動(dòng)速度較快:通常在開(kāi)機(jī)后30分鐘左右便可獲得合格的產(chǎn)品氮?dú)?。而深冷法則需6小時(shí)以上的啟動(dòng)時(shí)間。
      B.隨時(shí)停機(jī):可根據(jù)需要隨時(shí)開(kāi)車和停機(jī),即使停機(jī)數(shù)小時(shí)甚至幾天,都不會(huì)影響運(yùn)行工況,而深冷則做不到。
      C.實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作:設(shè)備少,運(yùn)行正常后就可進(jìn)行自動(dòng)化及無(wú)人操作。而深冷裝置機(jī)組多。故障因素多,即使自動(dòng)化程度很高也得有人看管。
      D.裝置緊湊,占地面積?。阂蛟O(shè)備少無(wú)需建專用廠房,工程建筑投資省,而深冷機(jī)組復(fù)雜,占地面積大,故工程建設(shè)造價(jià)高。

      膜空分制氮

      1)原理
      壓縮空氣由中空纖維膜分離器的纖維管程進(jìn)料,其分離推動(dòng)力就是氣體各組分的分壓在中空纖維內(nèi)腔原料側(cè)與外腔(滲透?jìng)?cè))所形成的分壓差,當(dāng)氣流沿中空纖維內(nèi)腔表面流動(dòng)時(shí),各組分在其分壓差的推動(dòng)下,滲透到絲外。“快氣”如氧氣 H2O 迅速滲透。所以絲外(滲透)氣流量為富集氧氣,壓力為一大氣壓,被排放至大氣中。而那些氮?dú)?、氫氣的溶解擴(kuò)散速度較低,決定了它們通過(guò)膜的滲透速度較慢,因此管程(非滲透?jìng)?cè))氣流為富集氮?dú)?,氮?dú)鈮毫p失很小,產(chǎn)品氮的壓力只略低原料氣的壓力。


      2)工藝流程
      如上所述,薄膜空分制氮是利用空氣中的氧和氮通過(guò)中空纖維膜時(shí)的不同滲透率,把壓縮空氣分離為富氧和富氮的兩股氣流。薄膜空分制氮裝置由膜分離器,空壓機(jī),加熱器等部分組成。在空分制氮流程中,中空纖維膜分離器是核心部分,過(guò)濾及加熱部分是為保證原料氣能清潔恒溫地進(jìn)入膜分離器延長(zhǎng)膜的使用壽命。分離器的左端是空氣入口.氣體進(jìn)入空纖維膜后氧氣迅速滲透過(guò)去,從側(cè)口出去,氮?dú)饫^續(xù)前進(jìn)從分離器的右端出去。在系統(tǒng)中,分離器是并聯(lián)安裝的,并聯(lián)多少分離器可根據(jù)產(chǎn)氣量和空壓機(jī)排量等諸多因素而定。


      3)特點(diǎn)
      由于膜分離器原理及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理,所以比深冷法和分子篩法具有更多的優(yōu)越性,除分子篩空分法所具有的優(yōu)點(diǎn)外,膜法還具有如下幾個(gè)特點(diǎn):
      A.啟動(dòng)迅速:從開(kāi)機(jī)到產(chǎn)出氮?dú)庵恍?5 分鐘左右,而深冷法需6個(gè)小時(shí)以上,分子篩需要30分鐘左右。
      B.無(wú)運(yùn)動(dòng)部件:深冷及分子篩系統(tǒng)中均有運(yùn)動(dòng)部件,而膜法沒(méi)有,不需維修,可靠性高。
      C.可移動(dòng)性強(qiáng):全部設(shè)備、儀表可以集中安裝在一個(gè)可移動(dòng)的框架上,靈活性高,可在多種場(chǎng)合就地現(xiàn)場(chǎng)制氮。

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