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生产企业如何选择供氮方式

2009/2/23

生产企业如何选择供氮方式


烟台辰坤科技有限公司  李庚平

一、序言
       很多企业生产需要氮气作为保护气体，或作为载体，但在选择那种供氮方式？，选择供氮的技术要求等存在一些误区。有的总是一味的要求较高技术指标，致使资源浪费，生产成本加大，设备投资增大;有的供氮的方式选择错误，同样致使生产成本加大并给安全生产管理造成很大麻烦！。针对这些状况，本人通过多年的实践经验，对于生产企业如何选择供氮方式？氮气要求什么样的技术要求？，特做几点说明，供用户选择时参考。
二、关于氮气的几个基本概念
    为合理选择供氮系统首先要了解有关氮气的几个基本概念：
1、纯度
       纯度是氮气的一个重要技术参数，按国标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、 流量
       流量是指气体流动过程中，单位时间内通过任一截面的气体量。流量有两种方式表示，即体积流量和质量流量。前者指通过管路任一截面的气体体积，后者为通过的气体质量，在气体工业中一般均采用体积流量以m3／h(或L／h)为度量单位。因气体体积与温度、压力和湿度有关，为便于比较通常所说的体积流量是指标准状态(温度为20℃，压力为0．101MPa，相对湿度为65%)而言，此时的流量以Nm3／h为单位，“N”即表示标准状态。
3 、压力
       压力有表压和绝对压力之分，工程上把大于大气压力并以大气压力为起点(零点)来表示的压力称为“表压”，把压力为零时称为“绝对压力”，在气体行业中，若无特殊说明其压力均指表压，其单位为Mpa。
4、 露点
       气体露点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，出现露珠时的温度叫做“露点”，它表征气体中的含水量，露点越低，表示气体中的含水量越少，气体越干燥。
三、供氮气源
1、 瓶装氮气
       钢瓶容积为40L，额定充压15MPa，足额贮气6Nm3，实际一般为4-5 m3，根据用户需求不同，瓶装氮气的纯度有99．5%，99．99%和99．9999%之分，价格在从18～80／瓶不等，即氮气价为3 .5～15元／Nm3。
2 、液氮
       液氮是深冷空分制氮的产物，在标准状态下，1吨液氮可气化为800m3的氮气，但使用时的实际利用率一般在90%上下，或者更低。即1m3液氮能实际利用的氮气约为720m3左右，使用液氮视罐的大小氮气单价为2.0-3.8元／m3。
       现场使用液氮时，用户必须配备液氮贮罐与流量相应的气化器及与压力相应的调压阀等。液氮纯度高，质量稳定，供应一般有保证，使用方便。
3、 现场制氮
       现场制氮是指氮气用户自购制氮设备制氮，目前国内外，工业规模制氮有三类：即深冷空分制氮、变压吸附制氮和膜分离制氮。
3.1、深冷空分制氮
       它是一种传统的空分技术，已有100多年的历史，它的特点是产气量大，产品氮纯度高，无须再纯化便可直接应用，但它工艺流程复杂，占地面积大，基建和装置投资费用高，需专门的维修力量，操作人员较多，产气慢(24-48h)，它适宜于大规模工业制氮，氮气成本在0．5-1.0元／m3左右。
3.2、变压吸附制氮
       变压吸附(Pressure Swing Adsorption，简称PSA)气体分离技术是非低温气体分离技术的重要分支，是人们长期来努力寻找比深冷法更简单的空分方法的结果。经过50年来的发展，该技术日趋成熟，是现场制氮最常用的方法，在中小型制氮领域已成为深冷空分的强有力的竞争对手。
       变压吸附制氮与深冷空分制氮相比，具有显著的特点：吸附分离是在常温下进行，工艺简单，设备紧凑，占地面积小，开停方便，启动迅速，产气快(一般在30min左右)，能耗小，运行成本低，自动化程度高，操作维护方便，撬装即可，无须专门基础，产品氮纯度可调节，产氮量≤2000Nm3／h。本公司PSA制氮技术，无须后级纯化就可以生产纯度≥99．999%的高纯氮，但设备技术要求高，价格也高，性价比偏低。对于需用高纯氮的企业，我们一般推荐采用普通制氮设备再配纯化装置的工艺流程，性价比最好。
 3.3、膜分离空分制氮
        膜分离空分制氮也是非低温制氮技术的新的分支，是80年代国外迅速发展起来的一种新的制氮方法，本公司即代理美国PRISM公司的膜主件，在国内以供应多台膜分离制氮机。
       膜分离制氮是以空气为原料，在一定的压力下，利用氧和氮在中空纤维膜中的不同渗透速率来使氧、氮分离制取氮气。它与上述两种制氮方法相比，具有设备结构更简单、体积更小、无切换阀门、操作维护也更为简便、产气更快(3min以内)、增容更方便等特点。但纯度一般要求在99.5以下。膜分离制氮比较适合氮气纯度要求在≤98%左右的用户，此时具有最高性价比。如需高纯氮气它同样需配备纯化装置。
3.4、氮气纯化
氮气纯化方法(工业规模)目前有三种：
     (1)加氢除氧法。在催化剂作用下，普氮中残余氧和加入的氢发生化学反应生成水，其反应式：2H2+O2=2H2O，再通过后级干燥除去水份，而获得下列主要成份的高纯氮：N2≥99．999 %，O2≤5×10－6，H2≤1500×10－6，H2O≤10．7×10－6。制氮成本在0．5元／m3左右。
     (2)加氢除氧、除氢法。此法分三级，第一级加氢除氧，第二级除氢，第三级除水，获得下列组成的高纯氮：N2≥99．999%，O2≤5×10－6，H2≤5×10－6，H2O≤10．7×10－6。制氮成本在0．6元／m3左右。
     (3)碳脱氧法。在碳载型催化剂作用下(在一定温度下)，普氮中之残氧和催化剂本身提供的碳发生反应，生成CO2。反应式：C+O2=CO2。再经过后级除CO2和H2O获得下列组成的高纯氮气：N2≥99．999%，O2≤5×10－6，CO2≤5×10－6，H2O≤10．7×10－6。制氮成本在0．6元／m3左右。
        除上述三种供氮方式外，近年来又出现了一种租赁供氮方式即由用户租赁制氮设备现场制气或由制氮设备生产企业在氮气使用现场制氮，用户买气，按量付款。因供气量多少不同，价格也不一样。虽然单位制氮成本比自购设备现场制氮要高，但一次性投资少，使用方便，用户无风险。
四、供氮方式的选择
      上述几种供氮方式用户可根据生产的实际状况合理选择，原则是在不影响产品质量的前提下选择性价比高的方式为宜，其主要的步骤如下：
     1、首先认真计算所用气体的流量以及后期发展的余量。
     2、 满足什么主要技术条件即可满足本公司的生产要求。
     3、有没有其他技术要求(如产品气的露点、尘埃、细菌等)。
     4、以上确定好后，再结合本企业的产品、生产工艺、生产规模、用气设备类型、资金状况、发展规划等综合考虑供氮方式和供氮规模，那种最适合本企业的实际情况。
五、结论
     1、明确对氮源的要求是选择供氮方式的前提。
     2、熟悉各种氮源的特点是选择供氮方式的基础。
     3、一般来讲用氮量在5Nm3／h以上时，就可以选择现场制氮比较经济，用气量越大，效益越显著，对科研单位小型高纯现场制氮机也是非常实用和方便的。
     4、现场使用高纯氮的企业，采用PSA高纯制氮机或膜分离制氮机和纯化设备组和使用是最佳选择。对液氮供应方便的地区采用液氮罐供气也是可选的方式。
     5、即使采用了现场制氮设备，对于不能停产要求较高的企业，一般要求配备双机组或配备液氮贮罐，它的作用是在设备正常维护(如空压机换油和空气净化设备的滤芯清洗或更换)时的短时停机或设备偶发故障的停机维修时保证供气的连续性的备用措施。这样，用户就无后顾之忧，实践也充分证明了这点。

                         


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