基于低温空分原理的高效氮气生产装置设计

引言

氮气是重要的工业气体，在化工、食品、医疗等多领域中的应用较为广泛，尤其是在工业发展速度的不断加快下，对氮气需求量逐渐增加，对氮气纯度、生产效率提出更高要求。在生产高纯度氮气过程中，低温控制技术的应用较为常见，其原理是借助空气中的各组分在低温下沸点的不同，通过精馏分离出氮气。因此，在对高效氮气生产装置设计过程中，应该加强对此原理的应用，以保证装置能够平稳、高效运行，使生产出的氮气纯度更高。

1 基于低温空分原理的高效氮气生产装置背景

在钢铁、化工等领域发展过程中，对高纯氮气的应用较为常见。在制取方面，主要借助液氮泵内压缩或氮气压缩机外压缩辅助，在空分流程中，通常配置一台或多台动设备，在用气场合下，倘若氮气的用量偏小，要配置活塞泵或压缩机，以达到增压的目的[1]。因为往复式动设备的零部件在使用过程中，磨损较大，压缩效率不高，导致空分设备在维护及运行过程中，需要投入大量成本，经济性不强。相比于动作设备，静设备在运行期间，不仅寿命长，且整个过程稳定可靠。并且，在使用期间，不需要投入太多成本进行维护。与常规的工艺相比，优势更为明显。所以，基于此背景，本文以低温空分原理为基础，设计一种高效氮气生产装置。

2 基于低温空分原理的高效氮气生产装置设计

2.1 低温空分原理

空气主要由氮气、氧气及少量氩气等气体组成，低温空分原理是将空气在低温下液化，利用精馏塔分离液态空气。低温条件下，氮气的沸点比氧气沸点低，所以可以通过精馏的形式，让氮气从液态空气中分离。在整个过程中，需要先将空气压缩、冷却及净化，将其中的水分、二氧化碳等杂质去除，并在低温环境下液化，最后在精馏塔中分离，由此获取高纯度的氮气[2]。

2.2 装置组成

在本次高效氮气生产装置设计过程中，以低温空分原理为基础，利用不锈钢制作。装置由多个部分共同组合而成，包括空气压缩机、精馏塔、预冷系统、纯化系统、催化剂、进气/出气口、保温层等。在整个装置中，精馏塔是空气分离的重要设备，其设计和选型对氮气的纯度、产量会产生直接影响。在本次研究过程中，主要利用双塔精馏系统，分为上塔和下塔，塔内填料根据塔内操作条件、分离要求等实际情况选取分[3]。

2.3 设计思路

2.3.1 工艺流程设计

在高效氮气生产装置设计过程中，低温空分原理为基础，先对空气压缩、净化以及液化，之后进行精馏分离，最后对产品进行存储，具体流程如下：

（1）空气压缩及净化。空气首先被吸入压缩机，在多级压缩后，使压力提升到所需的水平，通常在 5~6MPa。压缩后的空气温度偏高，借助冷却器对空气进行冷却，让空气温度下降到与环境温度接近。在保证温度冷却的基础上，让空气进入净化系统，将空气中的水、二氧化碳、氢化合物等各类杂质去除。在净化过程中，可以利用化学净化、分子筛吸附法，具体应用何种方法还要结合实际情况而定，保证净化的效果能够达到最佳。空气在净化后进入换热器，由此达到继续冷却的目的，以便后续空气液化能更为顺利。

（2）空气液化。空气在冷却后进入主换热器，与反流的低温气体进行热交换，保证空气能持续冷却。温度下降到与液化温度接近，达到此要求后，空气进入膨胀机，通过膨胀做功，使温度在短时间内下降，让大部分的空气被液化。对于液化的空气，将会进入精馏塔的下塔。

（3）精馏分离。空气在进入精馏塔后进行初步分离。因为氮气的沸点偏低，大多数氮气在下塔中会出现蒸发的情况，最终有富氮气体形成。在进入下塔后，液态空气会进入精馏塔的上塔中，上塔通过精馏分离获得高纯度的氮气，纯度通常在99.99%以上。针对氧气，一般会在精馏塔的下塔中富集，从下塔底排出，从而获取液氧。

（4）输出和存储。对于获取的高纯度氮气，需先进行处理，具体经历冷却、干燥等过程，借助管道对氮气进行输送，或将其存储在高压气瓶中。液氧则利用汽化器进行转化输出，还可以通过液态形式在低温储罐中存储。

2.3.2 控制系统设计

为确保氮气生产装置在运行过程中能始终保持稳定、可靠、安全，使获取的氮气纯度更高，基于低温空分原理，在设计装置过程中，应该有完善的控制系统作为支撑。在本次研究过程中，以自动化控制技术为依据对控制系统进行设计，将传感器、控制器等设备包含在内，对装置的各项参数进行动态化、实时化监测，同时对其自动化管控。控制参数主要包括空气压缩压力、温度、流量、氮气纯度等，通过利用分布式控制系统对各类参数进行自动调节以及控制。比如：倘若精馏塔内的压力、温度等与既定要求不一致，系统能对于膨胀机的转速或空气流量自动调整，以便塔内的操作条件能保持正常。倘若氮气纯度没有达到既定要求，系统则会第一时间作出反应，通过预警的方式提示相关人员，并对精馏塔的操作参数进行调整，以保证氮气纯度能满足标准。

2.4 经济性分析

以合成尼龙 11 的研究工作为例，每反应一批次，氮气通入时间在20h 的左右，所以需要消耗大量氮气。通过利用高纯氮发现，氧的含量级数偏高，无法与研究需求相符。而通过对本装置的应用，利用普通氮气也可以达到氧含量要求，与缩聚反应所需保护气一致，经济性较强。

结束语

综合而言，以低温空分原理为基础设计高效氮气生产装置，能够使氮气在生产过程中保持高效和稳定，同时也可以实现自动化控制，能促进经济以及环境效益的整体提高。并且，通过实践分析来看，通过对装置的合理应用，安装使用至今没有出现故障问题，且催化剂不需要更换，每次使用结束后停止进气，继续保持此温度下 1h 便能再生，总体节约资金达到 50%以上，倘若大规模生产，经济效益更为显著。总体来看，本次设计的装置可以与工业生产需求相适应，能够让氮气生产速度加快。

参考文献：

[1]龚恒强,王新花.空分装置主换热器堵塞原因分析及防范措施[J].石油和化工设备,2024,27(11):138-141.

[2] 尹杰. 油田空分制氮工艺研究与优化[J]. 石油和化工设备,2024,27(9):154-156.

[3]王恒,庞文彬,刘志明,等.某油田深冷空分制氮工艺比选及优化研究[J].现代化工,2023,43(S01):250-257.