深冷制氮与变压吸附制氮的技术经济比较

一、       前言

随着工业的迅速发展，氮气在化工、电子、冶金、食品、机械等领域获得了广泛的应用，我国对氮气的需求量每年以大于8%的速度增加。 氮气的化学性质不活泼，在平常的状态下表现为很大的惰性，不易与其他物质发生化学反应。因此，氮气在冶金工业、电子工业、化工工业中广泛的用来作为保护气和密封气，一般保护气的纯度要求为99.99%，有的要求99.998%以上的高纯氮。液氮是一个较方便的冷源，在食品工业、医疗事业以及畜牧业的精液贮藏等方面得到越来越普遍的应用。在化肥工业生产合成氨时，合成氨的原料气—氢、氮混合气若用纯液氮洗涤精制，可使惰性气体的含量极微小，一氧化硫和氧的含量不超过20ppm。

氮气在石油化工装置中也有广泛的应用，主要应用及要求见下表：

纯净的氮气无法从自然界直接汲取，主要采用空气分离法。空气分离法中包括：深冷法、变压吸附法、膜分离法。

1、            深冷法：

此法是先将空气压缩、冷却，并使空气液化，利用氧、氮组分的沸点的不同（在大气压下氧的沸点为90K，氮的沸点为77K），在精馏塔的塔盘上使气、液接触，进行质、热交换，高沸点的氧不断从蒸汽中冷凝成液体，低沸点的氮不断的转入蒸汽中，使上升的蒸汽中含氮量不断提高，而下流液体中含氧量越来越高，从而使氧、氮分离，得到氮气或氧气。此法是在120K以下的温度条件下进行的，故称为深冷法空气分离。

2、            变压吸附法：

变压吸附法即PSA法（Pressure Swing Adsorption），基于吸附剂对空气中的氧、氮组分选择性吸附而使空气分离得到氮气。当空气经过压缩，通过吸附塔的吸附层时，氧分子优先被吸附，氮分子留在气相中，而成为氮气。吸附达到平衡时，利用减压将分子筛表面所吸附的氧分子驱除，恢复分子筛的吸附能力即吸附剂解析。为了能够连续提供氮气，装置通常设置两个或两个以上的吸附塔，一个塔吸附，另一个塔解析，按适当的时间切换使用。

3、            膜分离法：

膜分离法是利用有机聚合膜的渗透选择性，从气体混合物中分离出富氮气体。理想的薄膜材料应具有很高的选择率和渗透性。为了得到经济的流程，需要很薄的聚合物分离膜（0.1μm），所以需要支撑。渗透器常为板式渗透器和中空纤维渗透器。此法，若产气量大，所需薄膜表面积太大，薄膜价格高，虽然膜分离法装置简单，操作方便，但工业应用还不广泛，本篇不再多述。

深冷制氮已有近百年的历史，工艺流程不断改进。变压吸附制氮是近二十年发展起来并被市场广泛接受的技术。本篇试从流程、费用、运行和产品种类等方面比较二者的差别，并得出相关结论。