工業制氮系統:深冷制氮、PSA制氮、膜分離制氮

現有的制氮工藝：

現場制氮是指氮氣用戶自購制氮設備制氮，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。

深冷空分制氮

它是一種傳統的空分技術，已有九十余年的歷史，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于磁性材料，但它工藝流程復雜，占地面積大，基建費用高，需專門的維修力量，操作人員較多，產氣慢(18～24h)，它適宜于大規模工業制氮，氮氣成本在0．7元/m³左右。

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。七十年代西德埃森礦業公司成功開發了碳分子篩，為PSA空分制氮工業化鋪平了道路。三十年來該技術發展很快，技術日趨成熟，在中小型制氮領域已成為深冷空分的強有力的競爭對手。

變壓吸附制氮是以空氣為原料，用碳分子篩作吸附劑，利用碳分子篩對空氣中的氧和氮選擇吸附的特性，運用變壓吸附原理（加壓吸附，減壓解吸并使分子篩再生）而在常溫使氧和氮分離制取氮氣。

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，撬裝方便，無須專門基礎，產品氮純度可在一定范圍內調節，產氮量≤2000Nm³/h。但到2017年為止，除美國空氣用品公司用PSA制氮技術，無須后級純化能工業化生產純度≥99.999%的高純氮外(進口價格很高)，國內外同行一般用PSA制氮技術只能制取氮氣純度為99.9%的普氮（即O₂≤0.1%），個別企業可制取99.99%的純氮(O₂≤0.01%)，純度更高從PSA制氮技術上是可能的，但制作成本太高，用戶也很難接受，所以用非低溫制氮技術制取高純氮還必須加后級純化裝置。

用途：
1. 制藥行業專用制氮機主要用于藥品生產、儲存、封裝、包裝待領域。

2. 石油天然氣行業專用制氮機適用于大陸石油及天然氣開采、沿海及深海石油及天然氣開采中的氮氣保護、輸送、覆蓋、置換、搶險、維修、注氮采油等領域。具有安全性高、適應強、連續性生產待特點。

3. 化工行業專用制氮機適用于石油化工、煤化工、鹽化工、天然氣化工、精細化工、新材料等及其衍伸化工產品加工行業，氮氣主要用于覆蓋、吹掃、置換、清洗、壓力輸送、化學反應攪動、化纖生產保護、充氮保護等領域。

4. 冶金行業專用制氮肥機適用于熱處理、光亮退火、保護加熱、粉末冶金、銅材鋁材加工、磁性材料燒結、貴金屬加工、軸承生產等領域。具有純度高、連續生產、部分工藝要求氮氣含一定量的氫以增加光亮度等特點。氮氣也可用于金屬煉制及高溫合成時的簡單保護性氛圍(但其穩定性不及氦氣及氬氣)；高溫下用于合成氮化物(如氮化硅陶瓷、氮化硼等)。

5. 橡膠輪胎行業專用制氮機適用于橡膠及輪胎生產硫化過程中的氮氣保護、成型等領域。特別是在全鋼子午線輪胎生產中，用氮氣硫化新工藝已逐步取代蒸汽硫化工藝。具有氮氣純度高、連續性生產、氮氣壓力較高等特點。

6. 食品行業專用制氮裝置適用于糧食綠色倉儲、食品充氮包裝、蔬菜保鮮、酒類封(罐)裝和保存等。防爆型制氮機適用于化工、石油天然氣等對設備有防爆要求的場所。

膜分離制氮
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，但中空纖維膜對壓縮空氣清潔度要求更嚴，膜易老化而失效，難以修復，需要換新膜，膜分離制氮比較適合氮氣純度要求在≤98%左右的中小型用戶，此時具有較好功能價格比；當要求氮氣純度高于98%時，它與同規格的變壓吸附制氮裝置相比，價格要高出30%左右，故由膜分離制氮和氮純化裝置相組合制取高純氮時，普氮純度一般為98%，因而會增加純化裝置的制作成本和運行成本。

氮氣純化方法

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≤5×10－6H₂≤1500×10-6，H₂O≤10.7×10－6。制氮成本在0.5元/m³左右。

加氫除氧、除氫法

此法分三級，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≤5×1010－6，H₂≤5×1010－6，H₂O≤10.7×10－6。制氮成本在0.6元/m³左右。

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%，O^₂≤5×10－6，CO₂≤5×10－6，H₂O≤10.7×10－6。制氮成本在0.6元/m³左右。

但上述三種氮氣純化方法中，方法(1)因成品氮中H2量過高滿足不了磁性材料的要求，故不采用；方法(2)成品氮純度符合磁性材料用戶的要求，但需氫源，而且氫氣在運輸、貯存、使用中都存在不安全因素；方法(3)成品氮的質量完全可滿足磁性材料的用氣要求，工藝中不使用H2，無加氫法帶來的問題，氮中無H₂且成品氮的質量不受普氮波動的影響，故和其他氮氣純法相比，氮氣質量更加穩定，是最適合磁性材料行業中一種氮氣純化方法。

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