前言
1978年，我国第一台低温精馏法制氮空分设备在开封诞生，经过三十多年的发展，高纯氮制取技术已经比较成熟。随着社会经济的发展，近年来，高纯氮设备的应用领域不断扩展，而且对节能降耗提出更高的要求。如何提高产品的提取率，降低装置的运行能耗，成为我们孜孜不倦的追求。长期以来，我公司将各项新技术、新专利应用到高纯氮设备的研制中，根据用户不同的产品需求和不同的地理环境条件，采取不同的工艺流程组织形式，进行针对性的设计制造，努力挖掘了设备的节能潜力，逐步形成具有黄河空分特色的新型制氮工艺流程。2007年以来，公司先后为石化、玻璃、橡胶、建筑板材、多晶硅、碳纤维、合成氨等行业提供了50余套高纯氮设备。
下面简单向大家介绍一下传统低温精馏法制氮设备的特点及我公司在传统低温精馏法制取高纯氮工艺的基础上自主研发出的最新一代制氮工艺流程。
1．传统制氮工艺流程形式
传统的低温精馏法制氮的流程形式，可分为单级精馏废气膨胀流程和单级精馏空气膨胀流程两种。我公司在传统工艺基础上进行改进，针对用户要求进行优化设计。
1.1废气返流膨胀循环制氮流程
这种单塔精馏的废气膨胀循环制氮流程是美国联合碳化物工业气体公司五十年以前开发的，广泛的用于生产能力低于7000Nm3/h氮气生产。
原料空气经空气过滤器除去空气中的灰尘和杂质，然后被压缩机压缩至所需要的压力，再经预冷系统降低空气温度后，再经预冷系统降低空气温度后，分离掉游离水后进入纯化系统，去除H2O、CO2、C2H2及其它碳氢化合物。净化后的空气进入分馏塔，经主换热器与返流之废气及氮气进行换热而冷却到饱和温度，进入精馏塔下部参加精馏。在分馏塔顶部得到高纯氮气，底部得到富氧液空。塔底的富氧经过冷后节流进入冷凝蒸发器与氮气相变换热，氮气被冷凝成液氮，大部分返回精馏塔作为塔的回流液参与精馏，小部分作为液氮产品送出。液空被蒸发作为废气，废气由冷凝蒸发器顶部引出由过冷器、主换热器复热后去透平膨胀机膨胀，给装置补增冷量，膨胀废气经过主换热器复热至常温后出分馏塔，部分作为纯化系统再生气，其余放散。氮气产品从精馏塔顶引出，经主换热复热至常温送出。废气返流膨胀循环工艺的氮气产品压力为0.4Mpa-1.0Mpa，产品氮气出冷箱后直接供给用户使用。氮气产品提取率一般为45%-59%。当氮气产品的在压力0.4MPa时，由于空气供给的压力不可能使制氮装置产生多余的冷量，因而没有液氮产品。当氮气产品压力升高时，空气供给的压力也随之升高，足以使装置产生多余的冷量，因而可使5%-10%的产品氮气液化。
一般当用户要求的氮气压力不大于0.4MPa，产量小于4000Nm3/h且产品氮气后续不允许采用活塞式氮压机进行增压的情况下，建议优先采用本工艺；当用户要求的氮气压力大于0.4MPa，产量在4000-7000Nm3/h且产品氮气后续不允许采用活塞式氮压机进行增压的情况下，建议优先采用本工艺配合增压透平膨胀机增压端对氮气或空气进行增压，以降低装置能耗。
在江西星火有机硅三套KDN-6000/500Y制氮装置中，采用单级精馏废气返流膨胀工艺，增压透平膨胀机增压端对由分馏塔出塔0.6MPa的产品氮气进行增压至0.8MPa，节省能耗大于12%。在厦门三安光电KDN-4000/500Y制氮装置中，采用单级精馏废气返流膨胀工艺，增压透平膨胀机增压端对由分馏塔出塔0.78MPa的产品氮气进行增压至0.95MPa，节省能耗大于10%。
在新疆特变电工KDN-7000/100Y制氮装置中，采用单级精馏废气返流膨胀工艺，增压透平膨胀机增压端对进塔空气进行增压，空压机排压由0.87MPa降至0.76MPa，整套装置能耗较传统制氮工艺降低了8个百分点。
1.2 单塔精馏空气正流膨胀循环制氮流程
当用户要求氮气产品压力低于0.3MPa时，产量小于3000Nm3/h，一般选用单塔精馏空气正流膨胀流程。该流程所需要的冷量由正流空气膨胀获得，并将膨胀空气送入精馏塔底部参加精馏。
空气正流膨胀循环制氮流程的氮气产品提取率为58%-64%，提取率比废气膨胀循环制氮流程高。因为其精馏塔压力明显较低，这使得与原料空气相平衡的富氧液空由于相对挥发度的提高而具有较高的含氧量。氮气产品的压力范围为0.15MPa-0.35MPa。提高空气压缩机的排气压力可以提高透平膨胀机的压比，从而为装置提供更多的冷量，多余的冷量可以使3%-6%的氮气产品液化。
如果买方有多余的液氮，且氮气压力小于等于0.35MPa时，可以采用外来液氮制冷，取消膨胀机组，空压机排压较氮气压力增加0.06MPa，该工艺流程较传统单级精馏空气正流膨胀工艺流程能耗降低10%-15%，同时投资也降低10%-15%。
2、黄河空分集团开发的新型制氮工艺流程
市场的需求和技术的进步促使制氮技术的优化和发展，黄河空分集团不断研发新型低温制氮工艺，来参与激烈的市场竞争。下边介绍一下我们新近开发的制氮工艺流程。
2.1 三塔精馏废气膨胀循环带部分氧产品的制氮流程
当用户要求氮气产品压力低于0.35MPa，并有部分氧产品的需求时,就采用三塔精馏废气膨胀循环制氮流程。这种以抽取冷凝蒸发器液空做为纯氧塔的原料，进而制取氧产品的流程，使得冷凝蒸发器液空氧含量降低，传热温差减小，同比空气正流膨胀流程空压机组排气压力低，能耗低。本工艺在宁夏煜林化工KDON-300/4000制氮项目上得到了成功的运用。
三塔精馏废气膨胀循环的提取率为58%-64%，氮产品的压力范围为0.2MPa-0.35MPa。生产部分氧产品，纯度≥99.6%O2，也可以生产低纯度氧产品。
2.2 双塔精馏的超低压制氮流程
双塔精馏超低压制氮流程是双塔制氧工艺的改进，目的是使氮产品的产量最大化，空气压缩机组排气压力降低，最大程度的节能降耗。这种制氮装置将氧组分作为废气排出，降低了冷凝蒸发器的蒸发温度，降低空气压缩机组的排气压力，使装置在超低压下运行，有效的改善能耗指标。
双塔精馏的超低压制氮流程的氮气产品压力在10 Kpa -40Kpa，提取率一般为90%-95%，可提取1%-2%的液氮产品。配置氮气压缩机组以获得不同压力等级的氮气产品。这种流程多适用于大于5000Nm3/h氮气产量的制氮装置。黄河空分集团应用这种制氮工艺流程生产25000Nm3/h、35000Nm3/h、65000Nm3/h的大型制氮装置设计工作已完成。
2.3 超低压双级精馏带纯氧产品的制氮流程
前述双塔精馏超低压制氮流程原料空压机组的排气压力仅为0.42Mpa，仍然可以提取纯度≥99.6%的气氧、液氧产品。这种制氮工艺流程中需要设置纯氧精馏塔，并选择合理的氧塔再沸器的热源。
在河南神马尼龙化工KDN-8000/40Y-100LO制氮装置中，采用本制氮工艺流程，空压机排压0.42MPa，氮气产品提取率94%，制氮能耗仅为0.125Kw· h/Nm3· N2
2.4 单塔精馏膨胀循环新工艺制氮流程
单塔精馏的提取率受到塔釜中液空与进塔空气相平衡浓度的限制，提高液空中的氧浓度，即增加了氮的提取率。为此，在塔釜增设再沸器，部分空气在再沸器中冷凝以提供塔内所需的液空，同时也提供塔内洗涤蒸汽，以提高液空中的含氧量。为了建立再沸器的传热温差，必须采用增压透平膨胀机组新技术。高纯度的氮气产品，提取率与理论塔板数关系密切，规整填料塔新技术的应用更是锦上添花。
2.4.1 单塔精馏废气膨胀循环新工艺制氮流程
氮气产品的提取率为60%-70%。这一提取率同比传统单塔精馏废气膨胀循环制氮流程高约10%-15%。
2.4.2 单塔精馏空气膨胀循环新工艺制氮流程
氮气产品的提取率为70%-75%。这一提取率同比传统单塔精馏空气膨胀循环制氮流程循环高约10%-15%。
单塔精馏膨胀循环新工艺制氮流程适用于大于4500Nm3/h氮气产量的制氮空分设备。分馏塔出冷箱氮气产品压力0.7MPa时，液氮产品产量可达氮气产品产量的10%。黄河空分集团应用这种制氮工艺流程生产70000Nm3/h的大型制氮装置设计工作已完成。
2.5 多冷凝蒸发器双塔循环制氮流程
多冷凝蒸发器双塔循环制氮流程可同时生产两种压力等级的氮气产品。高、低压产品的压力分别为0.66MPa-0.75MPa和0.23MPa-0.3MPa。空压机组排气压力约为0.7MPa-0.8MPa。氮气产品提取率可达82%-88%。生产单一低压氮气产品提取率最高。液氮产品产量可达氮气产量的1.5%-3%。
当用户需要氮气产量大于7000Nm3/h，压力大于0.7MPa的中压氮气产品时，出冷箱的0.23MPa-0.3MPa压力氮气可使氮气压缩机组的压比减小，产能扩大，以获得最佳的氮压机组选型和能效比。
该工艺为山东冠州鼎鑫提供的两套KDN-3000/100Y制氮装置取得成功后，已先后在洛阳2500、宁夏石嘴山4000(6套)、平顶山神马集团4000，宁夏石嘴山5000(2套)，山东贝特尔8000、内蒙绿能光电10000等多套制氮装置上取得了成功的应用。
2.6 对惰性组分限制的超高纯度制氮流程
化工用原料氮气除了对氧含量要求外，还对氩、氦、氖含量有要求，一般产品氮气中氩≤80PPm，氦≤5PPm，氖≤15PPm。前述中的多冷凝蒸发器双塔循环制氮流程辅以单体设备的特殊化设计，能够很好的满足对氮气产品纯度的要求。黄河空分集团与化工设计院合作开发的25000Nm3/h、60000Nm3/h的大型制氮装置设计工作已完成，随时可以提供市场。
2.7 配套全氧燃烧浮法玻璃新工艺制氮流程
全氧燃烧浮法玻璃新工艺，减少排放污染，提高能源效率、生产率和产品品质，是一场换代革命。新工艺要求空分设备氧氮产品同时提取。氮气出冷箱压力0.2MPa，氮气纯度≤3PPm，氧气出冷箱压力0.15 MPa，氧气纯度≥93%O2。新工艺采用三塔精馏，氧塔与下塔冷凝蒸发器连为一体，纯氮塔单独设置并带再沸器，用氧塔馏分气做再沸器热源，下塔富氧液空进纯氮塔参加精馏。塔顶抽取氮气产品，塔底废气与氧塔废气合流，经主换热器复热去膨胀机制冷后，复热出冷箱。
这种工艺循环氧气提取率≥85%，氮气提取率≥60%，并可以提取部分液氧、液氮产品。当氮气产量大于6000Nm3/h时，可以提取部分液氩产品。
3、主要系统配套设备新技术的应用
开封黄河空分集团通过技术创新，不断采用新技术、新工艺、新材料来提高设备的性能。通过与大专院校、科研院所、外配套生产厂家的合作和共同技术开发，拥有了多项自主知识产权的新技术和新工艺。先后在塔器生产方面获得了发明专利3项，实用新型专利15项。下面为大家介绍一下我公司在工艺设计、设备制造中新技术的应用：
(1) 空气过滤压缩系统
空气过滤器选用型式自洁式，为框架式结构，设备安装简便，更换滤筒方便快捷不需停车；滤料采用进口材料，使用寿命长，过滤精度高；阻力联锁电磁阀控制，具有定时、定压差自动喷吹功能。小型设备多选用螺杆式或活塞式空压机，1200Nm3/h-10000Nm3/h制氮设备多选用进口离心式空压机，根据用户的不同要求，针对性的进行工艺流程组织，按照工艺需求进行全球询价，选择其中的最佳机型(能耗和报价综合考虑)向用户推荐，性能指标好，运转安全稳定，整体撬装，一层布置，安装简单，投资适中。大型制氮设备配套的空气压缩机组整机性能和设备投资综合考虑，国产机组具有优势，拖动方式，电机、汽轮机均可。
(2)预冷系统
我公司中、小型制氮设备配套的押送空气冷气机组与专业供货商联合研制开发，将空压机组排气温度40℃，冷却至5-8℃，空气阻力损失≤8.5KPa，丝网除雾与碰撞+重度沉降组合自动分离冷凝水，并配有自动排放+手动监护，整机能效比≥3.6，机组整体撬装布置，无基础安装，运行噪音≤70dB(A)，并设置完备的报警和连锁保护装置。
为了客服大中型制氮装置氮水预冷系统中空冷塔易带水的缺点，我公司研制开发出了结构先进的新型分部器，并把化工上防止带液的四项技术应用于空冷塔的设计和制造当中，使液体分布更加均匀，气体通量在50%以上，分部器上端设有自由分离游离水空间，在顶部设有丝网除雾器，确保空气出空冷塔不带水。
(3)纯化系统
为保证纯化系统长期稳定运行，可对纯化系统切换周期设计均为长周期切换，可使分子筛及阀门使用寿命延长，切换损失减小，同时减少因切换引起的压力波动次数，保持主塔工况稳定，再生次数少、电耗低。纯氮空分设备由切换换热器流程向分子筛常温吸附于净化流程的换代更替在开封率先完成。黄河空分多年来不断追求，不论是在气流分布技术还是在附壁效应的客服，不论是在床层阻力的控制设计，还是在床层温差应力补偿结构方面，都力求完美，臻于至善。
(4)膨胀机系统
膨胀机系统的作用是为整套空分装置提供冷量，以保证精馏设备的正常运行。一般小型设备多选用气体轴承风机制动膨胀机，采用撬装块组成，结构紧凑，安装方便，转子及轴承可以从常温端直接拆卸，维护方便。黄河空分与膨胀机组生产厂商联合研发的气体轴承膨胀机机组膨胀量已达5000Nm3/h，可配套5500Nm3/h规格的制氮空分设备。更大的装置将配套增压透平膨胀机，通过与膨胀机组生产厂商联合研发了新型增压透平膨胀机，等熵效率可达85%以上。从而保证了整套装置的低能耗，降低了运行成本。
(5)分馏塔系统
黄河空分在ISO9000质量保证体系与精巧而严密的制造工艺保证下，使精馏塔的设计制造技术成为我公司的核心竞争力之一。我公司采用独特的板材辗轧工艺，整料拼筒，使塔体的焊缝减少30%左右，大大减少了质量隐患。通过采用自主开发、国内首创的分馏塔筒体宽幅轧制工艺，使得塔壁经过机械轧制处理，不但大大提高了筒体的刚性，还降低设备椭圆度，有效减少了运输、安装过程中塔体的变形，大大增加了塔体的稳定性。卧装塔板及相匹配的结构设计，提高塔板刚性、平整度、板间距的控制。大翼T型环固定塔板，保证塔板与筒体的良好吻合。专用工装控制塔筒的几何尺寸，内控指标高于行业标准。我公司从原材料的采购、到单体设备的制造都有专人进行监督、检查，做到关键岗位、关键工序的过程检查均有数据记录在案，从而保证了每一台出厂产品的质量。冷箱上的各类主要冷阀均采用铝焊接结构，从而减少了泄漏的机率；塔内管道进行应力分析，管道布置采用自补偿形式，塔体及管道采用了铝合金材料；冷箱内的设备支架、管架、阀架均采用全不锈钢设计，减少冷损，提高可靠性。
氮气产量在10000 Nm3/h以下时，冷箱内设备、配管均在我公司厂内制作组装，采用集装箱式供货，极大的方便了用户，可缩短工程安装周期。
结束语
永无止境的创新是黄河空分的追求，今后，公司将会在提高设备安全可靠性、减少设备投资、降低运行费用等方面做出积极努力，进一步提升纯氮空分设备的设计研发水平，加快我们技术创新步伐，为用户提供既有个性化特征，又能反映出黄河空分集团设计制造专长的制氮设备，为我国纯氮空分设备的发展做出更大贡献。
