淺談制氮工藝系統的設計

【摘要】以“某建設項目制氮工藝系統設計”為例，詳細介紹制氮系統的工藝設計、設備選型以及廠房布置等。

【關鍵詞】制氮系統；設備選型；工藝設計

【Abstract】According to the design of the construction project nitrogen production system as an example ，technological design、equipment selection and the layout of building will be introduced in detail ，and so on .

【Key words】Nitrogen production system；Equipment selection；Technological design

1. 引言

（1）隨著科技的進步和社會的發展，氮氣的應用領域越來越廣泛，制氮設備也已經成為冶金、化工、食品、醫藥、電子、煤炭、石油等眾多領域中不可缺少的設備。

（2）本文所述建設項目一期工程已建成投入生產，二期工程需要的氮氣最大用量為6.96Nm3/min；純度>99%；含塵粒徑<1μm；含塵量<3mg/m3；含油量<3ppm；含水量：壓力露點-40℃，供氣壓力：0.4～0.6MPa。

（3）根據各工藝新增氮氣用量情況，一期供氮系統已不能滿足新增氮氣用量的需求，故本期工程新建制氮廠房一座，以保證兩期工程中氮氣用量及供氣品質的要求。

2. 系統的配置

制氮系統由空壓系統、凈化系統、吸附系統、緩沖系統組成。首先原料經空壓機壓縮后進入高效除油器除去大部分油、水、塵埃進入微熱再生干燥器，經粉塵精濾器進入填充顆粒狀活性炭的過濾器，通過緩沖儲氣罐進入填裝吸附劑的變壓吸附分離系統，即制氮機組。潔凈的壓縮空氣由吸附塔底端進入，氣流經空氣擴散器擴散后，均勻進入吸附塔，進行氧氮吸附分離。從出口端流出氮氣，進入氮氣緩沖罐，經均壓和減壓后，脫除吸附的雜質組分，完成吸附劑的再生。二個吸附塔交替循環操作，連續產出高品質的氮氣進入氮氣儲氣罐輸送到用戶。

2.1空壓系統。空壓系統由空壓機、緩沖罐組成。根據氮氣用量的需求配套選用2 臺空壓機，1用1備；配套設2臺緩沖罐，1用1備。

2.2凈化系統。凈化系統由高效除油器、微熱再生干燥器、精密干燥器等組成。為保證空氣品質的要求，配套選用2臺微熱再生干燥器，1用1備；2臺高效油水分離器，1用1備；2臺精過濾器，1用1備；2臺活性炭過濾器，1用1備。

2.3吸附系統。吸附系統由催化凈化器、氮氣緩沖罐、吸附器、控制器、氮分析儀等組成。本次設計選用2臺制氮裝置，1用1備，制氮裝置前配套設2臺氮氣緩沖罐，1用1備。

2.4緩沖系統。緩沖系統由氮氣緩沖罐、精密過濾器、防空裝置、調壓裝置、流量計等組成。制氮裝置后配套設2臺粉塵精濾器，1用1備。成品氮氣儲氣罐2臺。

3. 制氮系統的主要設備選型

3.1空壓機。常用的空壓機有活塞式、離心式和螺桿式等。

（1）活塞式空氣壓縮機一般由機身、氣缸、活塞、傳動機構和中間冷卻器等部件組成。利用原動機驅動曲軸做旋轉運動，再由連桿帶動活塞在氣缸中作往復運動使空氣直接受到壓縮。其主要特點是在各種流量下都能達到所需的壓力，目前應用在工業領域的最高壓力達350MPa。活塞式空氣壓縮機單機排氣量一般最大200m3/min，結構復雜，易損件多，維修工作量較大，所以活塞式壓縮機適用于中、小流量的高壓范圍。

（2）離心式空氣壓縮機一般由機身、氣路系統、潤滑油系統、冷卻水系統、傳動系統和自控系統及負荷調節系統組成。利用高速旋轉的葉輪使空氣受到離心力的作用產生壓力，同時獲得速度，離開葉輪后空氣經擴壓器等擴張通道將動能逐漸轉化為壓力能，從而使壓力得到提高。離心式空氣壓縮機具有轉速高、容量大、結構簡單、運轉可靠、重量輕、尺寸小、經久耐用、維護費用低等特點，特別適用于大容量壓縮機。

（3）螺桿式空氣壓縮機由機身、氣路系統、油路系統、水路系統、傳動系統和電控與調節系統組成。螺桿式空氣壓縮機壓縮氣體的原理與活塞壓縮機相同，運動形式又與離心式空氣壓縮機一樣做高速旋轉運動，兼有二者的特點。其優點是體積小、結構簡單、零件小、運行平穩等。

（4）綜合考慮設備性能、排量、經濟性等，本次設計制氮工藝系統中氮氣的需求量為6.96 Nm3/min，配套選螺桿空氣壓縮機2臺，每臺排氣量43Nm3/min，當地氣象條件下其容積流量36m3/min，排氣壓力0.85MPa，電機功率250.93KW/臺，1用1備。與空壓機配套的制氮裝置能力為600 Nm3/h純度為99.9%，可滿足工藝的使用要求。

3.2緩沖罐。 為使空壓機的排氣更穩定，減小系統壓力波動，在空氣壓縮機后設5.0 m3緩沖罐2臺，1用1備。

3.3高效除油器。高效除油器的作用是分離壓縮空氣中所含的油份和水份，使壓縮空氣得到初步的凈化。為保證壓縮空氣的品質，本次設計在每臺螺桿壓縮機后各設置1臺高效除油器，排氣量45Nm3/min，排氣壓力0.8MPa。

3.4干燥裝置。

（1）普通壓縮空氣中含有油、水及塵粒，這些物質的存在對生產工藝及設備運行有嚴重的危害，必須采用各種干燥、凈化手段減少或去除壓縮空氣中的雜質含量，使之符合生產要求。壓縮空氣冷卻后仍含有一定的水分，其含量取決于空氣的溫度、壓力。

（2）工業上常用的氣體干燥方法有吸收法、吸附法、冷凍法及壓力除濕法。一般較多采用吸附法和冷凍法。

（3）本設計制氮工藝系統根據用戶對空氣干燥程度及空氣量的要求 ，經技術經濟比較后確定設置空氣干燥器 ，其總能力與空壓機總排氣量相適應。與壓縮空氣系統配套選用微熱再生干燥器2臺，每臺的排氣量48.2Nm3/min，排氣壓力0.8MPa，1用1備。endprint

3.5除塵裝置。為控制用氣含塵量，在系統中設置除塵過濾裝置，在微熱再生干燥器后設置精過濾器和活性炭過濾器各1套，過濾器在排氣壓力為0.8MPa下的空氣處理量為45.0m3/min，過濾后空氣的含塵粒徑≤0.01μm同時含油量≤0.005ppm。

3.6制氮裝置。

（1）根據變壓吸附原理，制氮裝置采用高品質碳分子篩為吸附劑。一定的壓力下由于動力學效應，氧在碳分子篩微孔中的擴散速率遠大于氮，在吸附未達到平衡時，氧被碳分子篩大量吸附，氮分子在氣相中被富集，達到氧氮分離。由于碳分子篩對氧的吸附容量隨壓力的不同兩者有明顯差異，降低壓力，即可分解吸碳分子篩吸附的氧分子，使碳分子篩再生，得以重復循環使用。采用兩個吸附塔流程，一塔吸附產氮，一塔解吸再生，通過程序控制器控制氣動角座閥的啟閉，使兩塔循環交替，連續產出高品質氮氣。

（2）本設計根據工藝對氮氣的用量及純度的要求，考慮一定的損耗量，選用制氮裝置 2套， 每套處理量600Nm3/h，考慮其用氣情況和生產班次， 1用1備。氮氣純度達到99.5%以上，氮氣露點-40℃，氮氣壓力0.65MPa（可調），可以滿足工藝要求。

3.7氮氣儲氣罐。 為保證連續供氣的要求，設置氮氣儲氣罐2臺，容積為10.0 m3/臺，工作壓力為1.0MPa。

4. 控制、連鎖設計

4.1系統檢測控制儀表。在氮氣總管裝設流量累計儀表 ，以便定期統計供氣量。根據操作需要，對溫度和壓力設置了就地指示和控制室內集中指示2種。

4.2電氣連鎖、報警。儲氣罐壓力大于0.78MPa（表壓）時，發出聲光報警。大于0.8 MPa（表壓）時，自動停空壓機。

5. 廠房布置

制氮廠房為丁類生產廠房，占地面積為30×18=540m2，廠房軌頂高度6.0米。由機器間和輔助間組成。螺桿式空氣壓縮機、無熱再生干燥器及配套的高效除油器、過濾裝置、制氮裝置均布置在機器間內。儲氣罐設置在室外。輔助間包括值班控制室和配電室。值班控制室設觀察窗。

參考文獻

[1]《壓縮空氣站設計手冊》機械工業出版社.

[2]《壓縮空氣站設計規范》GB50029-2003.

[文章編號]1619-2737（2014）04-09-585

[作者簡介] 尉海霞（1980.4-），女，籍貫：山西大同，學歷：碩士，職稱：工程師。endprint