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深冷分離制氮、PSA 變壓吸附制氮及膜分離制氮工藝性能比較
| 序號 | 項 目 | 深冷分離制氮 | PSA 變壓吸附制氮 | 膜分離制氮 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 空氣分離原理 | 相同壓力下，液氧沸點大于液氮沸點。 | 相同壓力下，氧氣比氮氣更易被 吸附。 | 相同壓力下，氧氣滲透率高于氮氣。 |
| 2 | 制氮特點 | 低溫、連續(xù)、氮氣壓力穩(wěn)定。 | 常溫、制氮過程的吸附-均壓-解吸- 吸附過程壓力波動。 | 常溫、壓縮空氣在膜組件中連續(xù) 通過，無需循環(huán)切換。氮氣壓力穩(wěn)定。 |
| 3 | 操作壓力/MPa | 1.8 ~0.9 | 0.85 | 1.3 |
| 4 | 操作溫度/℃ | 160~ － 190 | ≤45 | 40~50 |
| 5 | 產(chǎn)品種類 | 氣氮、液氮 | 氣氮 | 氣氮 |
| 6 | 啟動時間 | >12 h | ~40 min | ~5 min |
| 7 | 氮氣純度，φ/% | 99~99.99% | 95%~99.9995% | <99.9% |
| 8 | 氮提取率，φ/% | 純度 99． 99% 氮氣 40% ，純度 99. 9% 氮氣 45% ，純度 99% 氮氣 50% 。 | 純度99.99%氮氣17% ，純度99.9%氮氣32%，純度99% 氮氣42.1% ，純度97% 氮氣50% 。 | 純度99.9%氮氣15%，純度99%氮氣33%，純度97%氮氣48%。 |
| 9 | 制氮能力 /m3·h － 1 | >10000( 根據(jù)需要) | 純度99. 99% 氮氣 ~700，純度 99.9% 氮氣 ~1 500，純度99%氮氣 ~2500，純 度97%氮氣 ~2 500。 | 純度 99.9% 氮 氣~300，純 度99% 氮氣 ~ 600，純度97% 氮氣~800，純度95% 氮氣~1000。 |
| 10 | 主要設備 | 空氣壓縮機、預冷機組、分子篩吸附 器、電加熱器、透平膨脹機、主換熱 器、精餾塔、冷凝蒸發(fā)器。 | 空氣壓縮機、過濾器、干燥機、吸附 塔、氮氣緩沖罐。 | 空氣壓縮機、過濾器、干燥機、電 加熱器、膜組件。 |
| 11 | 占地面積 | 大 | 小 | 小 |
| 12 | 相對投資 | 1.2~1.5 | 1 | >1.5 |
結合上表，對3種制氮工藝技術比較分析如下。
(1)PSA變壓吸附和膜分離制氮的工藝流程簡單，設備數(shù)量少，操作簡單，可隨時停機，并可長時間停機。深冷制氮不僅工藝流程復雜，設備數(shù)量多，且需在深冷低溫狀態(tài)下運行。在設備投入正常運行之前，有一個預冷啟動過程，啟動時間從膨脹機啟動至氮氣純度達到要求的時間一般不小于12h。在設備進入大修之前，必須有一段加溫解凍的時間，一般為24h。因此，深冷分離制氮不適宜啟、停頻繁的場合。膜分離制氮與PSA變壓吸附相比，不僅設備結構更簡單，而且無切換閥門，操作維護更為簡便，產(chǎn)氣所需時間也更短。
(2)深冷分離制氮可同時獲得氣氮和液氮，適宜需要液氮的工藝流程。液氮也可貯存于液氮儲槽作為備用，當出現(xiàn)氮氣需求短時驟增或制氮設備小修時，可將貯槽內(nèi)的液氮汽化后送入氮氣管網(wǎng)以滿足工藝裝置對氮氣的連續(xù)性需求。PSA變壓吸附和膜分離制氮變壓吸附制氮只能生產(chǎn)氮氣，無備用手段，單套設備難以確保工藝裝置連續(xù)長周期運行。
(3)當?shù)獨饧兌润w積分數(shù)≤97%時，PSA變壓吸附和膜分離制氮工藝的氮氣提取率基本相當;當?shù)獨饧兌润w積分數(shù)>99%時，采用深冷分離制氮工藝氮提取較好，PSA變壓吸附次之，膜分離制氮工藝氮提取率急劇降低。同時，制取相同壓力的氮氣，深冷分離制氮空氣壓縮機出口空氣壓力與PSA變壓吸附制氮相當，而膜分離制氮壓力要求空氣壓力較高。3種制氮工藝主要能耗在空氣壓縮機，故當制取氮氣純度較高時，膜分離制氮所需空氣壓縮機規(guī)模大，功率高，總能耗較好，PSA變壓吸附制氮次之，深冷分離制氮能耗相對較低。
(4)PSA變壓吸附制氮的氮氣分離吸附-解吸-吸附過程存在壓力波動，氮氣壓力不穩(wěn);而深冷分離和膜分離制氮的氮氣分離過程為連續(xù)進行，產(chǎn)品氮氣壓力較為穩(wěn)定。因此PSA制氮必需在PSA吸附塔氮氣出口增加氮氣緩沖罐，以緩沖氮氣，調(diào)蓄氣體壓力，從而確保氮氣產(chǎn)品壓力的穩(wěn)定性。
(5)深冷分離制氮設備多，流程長，占地大，投資較高。膜分離制氮與PSA變壓吸附制氮相比，所需空氣量大，壓比高，壓縮機規(guī)模大，對應的空氣凈化組件(過濾器、干燥機、除油器等)比PSA變壓吸附大，投資高，且制氮核心部件的膜組件的成本也高于PSA吸附塔。因此，PSA變壓吸附制氮投資小。
深冷分離制氮、PSA 變壓吸附制氮及膜分離制氮工藝流程圖
