生產企業如何選擇供氮方式 |
| 2009/2/23 |
生產企業如何選擇供氮方式
煙臺辰坤科技有限公司 李庚平 一、序言很多企業生產需要氮氣作為保護氣體，或作為載體，但在選擇那種供氮方式？，選擇供氮的技術要求等存在一些誤區。有的總是一味的要求較高技術指標，致使資源浪費，生產成本加大，設備投資增大;有的供氮的方式選擇錯誤，同樣致使生產成本加大并給安全生產管理造成很大麻煩！。針對這些狀況，本人通過多年的實踐經驗，對于生產企業如何選擇供氮方式？氮氣要求什么樣的技術要求？，特做幾點說明，供用戶選擇時參考。 二、關于氮氣的幾個基本概念 為合理選擇供氮系統首先要了解有關氮氣的幾個基本概念： 1、純度 純度是氮氣的一個重要技術參數，按國標氮氣的純度分為工業用氮氣、純氮和高純氮三級，它們的純度分別為99．5%(O2≤0．5%)，99．99%(O2≤0．01%)和99．999%(O2≤0．001%)。 2、 流量 流量是指氣體流動過程中，單位時間內通過任一截面的氣體量。流量有兩種方式表示，即體積流量和質量流量。前者指通過管路任一截面的氣體體積，后者為通過的氣體質量，在氣體工業中一般均采用體積流量以m3／h(或L／h)為度量單位。因氣體體積與溫度、壓力和濕度有關，為便于比較通常所說的體積流量是指標準狀態(溫度為20℃，壓力為0．101MPa，相對濕度為65%)而言，此時的流量以Nm3／h為單位，“N”即表示標準狀態。 3 、壓力 壓力有表壓和絕對壓力之分，工程上把大于大氣壓力并以大氣壓力為起點(零點)來表示的壓力稱為“表壓”，把壓力為零時稱為“絕對壓力”，在氣體行業中，若無特殊說明其壓力均指表壓，其單位為Mpa。 4、 露點 氣體露點是指氣體中的水份從未飽和水蒸氣變成飽和水蒸氣的溫度。當未飽和水蒸氣變成飽和水蒸氣時，有極細的露珠出現，出現露珠時的溫度叫做“露點”，它表征氣體中的含水量，露點越低，表示氣體中的含水量越少，氣體越干燥。 三、供氮氣源 1、 瓶裝氮氣 鋼瓶容積為40L，額定充壓15MPa，足額貯氣6Nm3，實際一般為4-5 m3，根據用戶需求不同，瓶裝氮氣的純度有99．5%，99．99%和99．9999%之分，價格在從18～80／瓶不等，即氮氣價為3 .5～15元／Nm3。 2 、液氮 液氮是深冷空分制氮的產物，在標準狀態下，1噸液氮可氣化為800m3的氮氣，但使用時的實際利用率一般在90%上下，或者更低。即1m3液氮能實際利用的氮氣約為720m3左右，使用液氮視罐的大小氮氣單價為2.0-3.8元／m3。 現場使用液氮時，用戶必須配備液氮貯罐與流量相應的氣化器及與壓力相應的調壓閥等。液氮純度高，質量穩定，供應一般有保證，使用方便。 3、 現場制氮 現場制氮是指氮氣用戶自購制氮設備制氮，目前國內外，工業規模制氮有三類：即深冷空分制氮、變壓吸附制氮和膜分離制氮。 3.1、深冷空分制氮 它是一種傳統的空分技術，已有100多年的歷史，它的特點是產氣量大，產品氮純度高，無須再純化便可直接應用，但它工藝流程復雜，占地面積大，基建和裝置投資費用高，需專門的維修力量，操作人員較多，產氣慢(24-48h)，它適宜于大規模工業制氮，氮氣成本在0．5-1.0元／m3左右。 3.2、變壓吸附制氮 變壓吸附(Pressure Swing Adsorption，簡稱PSA)氣體分離技術是非低溫氣體分離技術的重要分支，是人們長期來努力尋找比深冷法更簡單的空分方法的結果。經過50年來的發展，該技術日趨成熟，是現場制氮最常用的方法，在中小型制氮領域已成為深冷空分的強有力的競爭對手。 變壓吸附制氮與深冷空分制氮相比，具有顯著的特點：吸附分離是在常溫下進行，工藝簡單，設備緊湊，占地面積小，開停方便，啟動迅速，產氣快(一般在30min左右)，能耗小，運行成本低，自動化程度高，操作維護方便，撬裝即可，無須專門基礎，產品氮純度可調節，產氮量≤2000Nm3／h。本公司PSA制氮技術，無須后級純化就可以生產純度≥99．999%的高純氮，但設備技術要求高，價格也高，性價比偏低。對于需用高純氮的企業，我們一般推薦采用普通制氮設備再配純化裝置的工藝流程，性價比最好。 3.3、膜分離空分制氮 膜分離空分制氮也是非低溫制氮技術的新的分支，是80年代國外迅速發展起來的一種新的制氮方法，本公司即代理美國PRISM公司的膜主件，在國內以供應多臺膜分離制氮機。 膜分離制氮是以空氣為原料，在一定的壓力下，利用氧和氮在中空纖維膜中的不同滲透速率來使氧、氮分離制取氮氣。它與上述兩種制氮方法相比，具有設備結構更簡單、體積更小、無切換閥門、操作維護也更為簡便、產氣更快(3min以內)、增容更方便等特點。但純度一般要求在99.5以下。膜分離制氮比較適合氮氣純度要求在≤98%左右的用戶，此時具有最高性價比。如需高純氮氣它同樣需配備純化裝置。 3.4、氮氣純化 氮氣純化方法(工業規模)目前有三種： (1)加氫除氧法。在催化劑作用下，普氮中殘余氧和加入的氫發生化學反應生成水，其反應式：2H2+O2=2H2O，再通過后級干燥除去水份，而獲得下列主要成份的高純氮：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)加氫除氧、除氫法。此法分三級，第一級加氫除氧，第二級除氫，第三級除水，獲得下列組成的高純氮：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)碳脫氧法。在碳載型催化劑作用下(在一定溫度下)，普氮中之殘氧和催化劑本身提供的碳發生反應，生成CO2。反應式：C+O2=CO2。再經過后級除CO2和H2O獲得下列組成的高純氮氣：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。 除上述三種供氮方式外，近年來又出現了一種租賃供氮方式即由用戶租賃制氮設備現場制氣或由制氮設備生產企業在氮氣使用現場制氮，用戶買氣，按量付款。因供氣量多少不同，價格也不一樣。雖然單位制氮成本比自購設備現場制氮要高，但一次性投資少，使用方便，用戶無風險。 四、供氮方式的選擇 上述幾種供氮方式用戶可根據生產的實際狀況合理選擇，原則是在不影響產品質量的前提下選擇性價比高的方式為宜，其主要的步驟如下： 1、首先認真計算所用氣體的流量以及后期發展的余量。 2、 滿足什么主要技術條件即可滿足本公司的生產要求。 3、有沒有其他技術要求(如產品氣的露點、塵埃、細菌等)。 4、以上確定好后，再結合本企業的產品、生產工藝、生產規模、用氣設備類型、資金狀況、發展規劃等綜合考慮供氮方式和供氮規模，那種最適合本企業的實際情況。 五、結論 1、明確對氮源的要求是選擇供氮方式的前提。 2、熟悉各種氮源的特點是選擇供氮方式的基礎。 3、一般來講用氮量在5Nm3／h以上時，就可以選擇現場制氮比較經濟，用氣量越大，效益越顯著，對科研單位小型高純現場制氮機也是非常實用和方便的。 4、現場使用高純氮的企業，采用PSA高純制氮機或膜分離制氮機和純化設備組和使用是最佳選擇。對液氮供應方便的地區采用液氮罐供氣也是可選的方式。 5、即使采用了現場制氮設備，對于不能停產要求較高的企業，一般要求配備雙機組或配備液氮貯罐，它的作用是在設備正常維護(如空壓機換油和空氣凈化設備的濾芯清洗或更換)時的短時停機或設備偶發故障的停機維修時保證供氣的連續性的備用措施。這樣，用戶就無后顧之憂，實踐也充分證明了這點。
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