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1.氮气的概述

1.1氮在常温常压下是无色无味无嗅的惰性气体,氮气在空气中约占78.1%,氮气微溶于水、酒精和醚。氮的分子量为28.0134,熔点是-210℃,沸点-196℃。氮本身无毒,无刺激性,吸入的氮气仍以原形通过呼吸道排出。液态氮也是无色无嗅,比水轻。在空气中不燃烧。常温下呈惰性,但在高温高压有催化剂时与与氢化物合成氨。 氧的理化性质:氧在常温常压下为无色无嗅无味的气体,液化后呈蓝色,氧的分子量为32.0,熔点为-218.8℃沸点为-183.0℃。氧本身不燃烧,但能助燃。氧的化学性质活泼,能与多种元素化合发出光和热,立即燃烧。氧微溶于水、酒精等 1.2气体的一般概念 1.21压力:包围在地球表面一层很厚的大气层对地球表面或物体表面所形成的的压力称为大气压。 1.22 温度:是物质分子热运动的统计平均值。 1.23露点:它是指气体中的水份从未饱和水蒸气变成饱和水蒸气的温度,当未饱和水蒸气变成饱和水蒸气时,有极细的露珠出现。 1.24流量:指气体流动过程中,单位时间内通过任一截面的气体量,流量有体积流量和质量流量,(温度为20℃压力为0.101Mpa,相对湿度65%)。实际流量(标准大气压中)=流量计读数×√1+绝对压力 1.25比容:比容是单位重量物质所占有的容积,用符号∨表示,气体比容单位用m/kg表示。 1.26临界温度和临界压力:因为任何气体在一点温度和压力下都可以液化,温度越高,液化所需要的压力也越高。但是当温度超过某一数值时,即使再增加多大的压力也不能液化,这个温度叫临界温度。在这一温度下最低的压力就叫做临界压力。 1.27气化和凝结:气化是指物质由液态变成气体的过程,其包括蒸发和沸腾。凝结是气化的逆过程,也即由气体变成液体的过程。、 1.28纯度:纯度是氮气的一个重要技术参数,按国际氮气的纯度分为工业用氮气、纯氮和高纯氮三级,它们的纯度分别为99.5%(O2≤0.5%),99.99%(O2≤0.01%)和99.999%(O2≤0.001%)。

2.氮气的供应方式

2.1瓶装氮气:钢瓶的容积40L,额定充气压力15MPa,瓶内贮有6m3氮气,瓶装氮气适合生产规模特小,氮气需求不大的生产厂家。 2.2管道氮气:设有制氮站及临近的工厂,也是一种方便供氮的方式。 2.3液氮:氮气液化后体积缩小643倍(即在标准状态下,1 m3液氮 可汽化成643 m3氮气)有利于贮运,主要用于用氮量较大的工艺。液氮纯度高(≥99.99%),不需任何纯化处理便可直接使用。打开阀门,液氮经过气化器的热交换器,吸收大气中的热量,气化成为气态氮。若以液氮作氮气源,其运输距离最近,一般应在300公里以内。 2.4现场制氮:主要有两种,变压吸附制氮和膜分离制氮的方式 膜分离制氮,结构简单,体积小,但中空纤维膜对压缩空气的清洁要求较高,膜的过滤芯易老化和腐蚀失效,不可修复,需更换新膜,而中空纤维膜需从国外进口,价格昂贵,纯度低,所以食品行业没有推广。变压吸附制氮,开停车方便,启动迅速,产气快,能耗少,纯度高,运行成本低,投资省,操作维护简单。其氮气成本约在0.4—0.6元/m。

3.三种制氮方式的比较

3.1深冷法:深冷法制氮是以空气为原料,在深冷空分装置(俗称制氮机)中,把空气深冷液化,利用氧和氮的沸点不同,进行精馏分离而获得。在提取氮气的同时,可以同时获得氧、氩等其它气体。但深冷法的工艺流程复杂,设备的制造、安装调试等要求高,一次性投资多,基建费用高,占地面积大,产气缓慢(12—24h)。深冷法适宜于大规模工业制氮,而在中小规模制氮就显得不很经济。 3.2变压吸附法:变压吸附制氮是以空气为原料,用碳分子筛作吸附剂,运用变压吸附原理,利用碳分子筛对氧和氮的选择性吸附,使氧和氮分离,从而获得氮气。 该产品属于碳素吸附剂,由碳组成的多孔物质,孔结构模型为无序堆积碳素结构。碳分子筛是非计量化合物,其重要性质是基于它的微孔结构。它分离空气的能力,取决于空气中各种气体在碳分子筛微孔中的不同扩散速度,或不同的吸附力,或两种效用同时起作用。在平衡条件下,碳分子筛对氮、氧的吸附量相当接近,但氧分子通过分子筛微孔系统的狭窄空隙的扩散速度要比氮分子快得多,碳分子筛空分制氮就是基于这一性能,在远离平衡条件的世界下,使氮分子在气相得到富集。 3.3膜分离:膜分离制氮的基本原理是以空气为原料,在一定的压力下,利用氧和氮等不同性质的气体在中空纤维膜中的不同渗透速率来使氧和氮气分离的。膜分离制氮和上述两种制氮方法相比,具有装置结构更简单,体积更小,无切换阀门,操作和维护管理更加方便,产气速度更快(≤3min),增扩容方便等优点。但是,中空纤维膜对压缩空气的清洁要求较高,膜的过滤芯容易老化和腐蚀而失效,往往难以修复,需要更换新膜。而且,目前中空纤维膜需从国外进口,价格昂贵。膜分离制氮比较适合于要求氮气纯度≤98%的中小型氮气用户,具有最佳的功能价格比。然而当要求氮气纯度高于98%时,它和同规格的变压吸附装置相比,其价格要高出30%左右。我国的外资的气体公司以它作为租赁现场制氮。

4.PSA制氮的发展历史

30年代,美国联合炭化物公司(UCC)开拓了PSA法,当时限于吸附剂的性能,没能应用于空气分离。到了50年代,合成沸石分子筛问世,才使PSA空分分离成为可能。70年代西德埃森矿业研究所成功地开发了碳分子筛,为PSA空分分离制但氮铺平了道路,引起了广泛的关注,之后,国内外积极运用PSA气体分离理论,竟相研究和开发碳分子筛分离氮气技术。

5.碳分子筛需要控制的条件

5.1原料空气的预处理 干净的原料空气进入碳分子筛吸附塔,是非常必要的,因为油蒸汽进入会堵塞碳分子筛的微孔,使分离效果大大降低,如使用制氮机的车间有油雾,进入空压机的原料空气就远离车间,原料空气经空压机压缩后,不仅使空气温度升高,而且会有油蒸汽(尤其是有油润滑空压机),因此需要经过冷却器和除油、干燥等净化系统,最后经处理后的原料空气进入碳分子筛吸附塔。 5.2产品氮气的浓度和产气量 碳分子筛制取氮气,其N2浓度和产气量可根据用户的需要进行任意调节,产气量减少N2的浓度将提高,反之,N2则下降。用户可根据实际需要,对二者进行综合考虑,为能得到成本低的氮气。 5.3均压时间 碳分子筛制氮过程中,当一个吸附塔吸附结束,需要将此吸附塔内的气体从上下两个方向注入另一个已再生好的吸附塔,使两塔压力相同,此过程称吸附塔的均压,选择适当的均压时间,即可回收能量,也可避免吸附塔内的分子筛受到冲击产生粉化,达到延长分子筛的使用寿命。一般选择的均压时间为1—3秒。 5.4产气时间 据分子筛对氧和氮的吸扩散速率不同,其吸附O2在短时间内就达到平衡,此时N2的吸附量很少,吸附时间适当的长些,可以节约原料空气、降低能耗、减少制氮机上阀门开关频率,提高装置的稳定性,延长碳分子筛的使用寿命,一般选择吸附时间为45—90秒。 5.5操作压力 吸附压力高,吸附容量也高,因此加压吸附是有利的,但吸附压力太高,压缩空气能耗和装置要求也高,因此需要从综合能耗角度来选择吸附压力,常压再生与真空再生两个流程对吸附压力要求不同,从综合能耗考虑,建议一般常压再生流程的吸附压力选5—8Kg/㎡为宜。 5.6使用温度 因为吸附过程是放热效应,吸附温度升高,吸附容量下降,因此选择较低的吸附温度有利于制氮性能的发挥,制氮机工艺在有条件的情况下,采取降低吸附温度是有利的。

6.氮气指标:

流量,含氧量,含水量,压力,洁净度
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