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高纯氮装置的节能流程型式选择
2017-05-08      1658
  大力促进我国气体分离行业的进步与发展,不仅可以满足国民生产需求,同时对提升我国综合竞争实力有重大意义,自从1978年我国制氮市场也逐年呈现上升趋势,氮气产品量的需求和产品纯度的要求都有了进一步的提高。
  目前普氮市场的设备可以完全实现国产化,超高纯氮气设备的市场则是由国外控制,国内空分厂家还尚未涉足此领域,这也是气体分离行业所面临的一个新挑战。当前纯氮气主要应用于油田注氮、石油化工、合成纤维、合成氨、浮法玻璃、轧钢和电子工业等领域。
  油田注氮的制氮装置规模较大,国外已有31万Nm³/h,氮气产品纯度要求氧气含量低于10ppm,产品压力一般在300∽400bar,生产过程允许有短暂中断,要求有少量液氮储备;石油化工、合成纤维、合成氨、浮法玻璃、轧钢等的制氮装置规模一般是从几千到几万不等,产品纯度为要求含氧2∽100ppm,产品压力一般在1.35∽31bar,有些设备需要有备用液氮,要求保证不间断的产品供应。
  电子工业的制氮气过滤装置规模较小,一般是从几百到几千,但是产品纯度要求较高,通常对氧含量要求低于1ppm,同时对产品中CO和H2的含量有较高要求。产品压力在3∽10bar,要求产品供应不间断,有备用液氮。
  制氮行业经过了几十年的蓬勃发展,不管从规模以及产品要求上都上了一个台阶,针对不同规格的产品,目前国内外已经开发出了与其相适应的制氮流程,笔者结合国内外发展情况,对氮气过滤装置的流程组织及选择作一总结。
  高纯氮节能流程有两种方案:
  第一种方案:高纯氮返流全膨胀节能流程:采用全膨胀,多余冷量采取在膨胀机后抽一股低温气体与污氮气混合至-20℃左右,然后去铝制板翅式换热器换热,省去冷水机组。
  第二种方案:高纯氮正流全膨胀节能流程:采用全膨胀,这样可以降低空压机排气压力,节省能耗,但是膨胀机的叶轮直径会增大,投资相应增多。
  变压吸附有两种方案:
  第一种方案:粗制氮气,纯度达到99.99%,精制氮气,纯度达到99.999%,单套可以做到3000Nm³/h左右,可以多套组合,按照需要停或者开,不需要液体产品。
  第二种方案:粗制氮气,纯度达到99.99%,精制氮气,纯度达到99.999%,单套可以做到3000Nm³/h左右,可以多套组合,按照需要停或者开,需要液体产品,采取配套外液化过滤装置,可以自由停车或者开车,优点是节省能耗,缺点是投资大。
  超高纯氮气
  超高纯氮气主要用于电子工业,在集成电路、芯片(晶片)和相关元器件的生产过程中,超高纯氮气与普通氮气相比,对以下条件有严格要求,目前一般要求总杂质含量集成电路要求:4ppm,芯片要求:1ppm或者更高,同时设计电子工业用高纯氮装置时,要重视装置所在大气组成的测定,且设计一定要留有余量。其难点和要点主要是一氧化碳、氢和水分的达标,为此,要采取不同的净除方法:
(1)CO的净除:利用压缩机的压缩热,在触媒的帮助下,通过催化反应,除去一氧化碳,可以使产品中所含CO降低到0.1ppm以下。
(2)CO2的净除:通过分子筛床层吸附。
(3)氢气等低沸点组分的净除:氢气,氦氖气都是沸点比氮气低的组分,在一氧化碳转化炉中,空气中的氢气生成水,然后从冷凝蒸发器排出不凝气体,放空以使低沸点组分除去,但是其纯度仍然不够,仍需要通过特殊流程组织比如采用加设纯氮精馏辅塔,在液氮顶部设置冷凝器,底部设置再沸器,增大循环倍率来除去低沸点的氢气等杂质。
(4)甲烷等高沸点组分的净除:甲烷等烃类气体以及氪氙等稀有气体的沸点比氮气高得多,它们会全部浓缩到塔底的富氧液空中,达标没有问题。
(5)水分的净除:通过分子筛床层吸附,同时水分有沸点,达到要求没问题。
(6)颗粒度:通过精密过滤器来满足。