浅谈制氮工艺系统的设计
【摘要】以“某建设项目制氮工艺系统设计”为例，详细介绍制氮系统的工艺设计、设备选型以及厂房布置等。
【关键词】制氮系统；设备选型；工艺设计
【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）随着科技的进步和社会的发展，氮气的应用领域越来越广泛，制氮设备也已经成为冶金、化工、食品、医药、电子、煤炭、石油等众多领域中不可缺少的设备。
（2）本文所述建设项目一期工程已建成投入生产，二期工程需要的氮气最大用量为6.96Nm3/min；纯度>99%；含尘粒径<1μm；含尘量<3mg/m3；含油量<3ppm；含水量：压力露点-40℃，供气压力：0.4～0.6MPa。
（3）根据各工艺新增氮气用量情况，一期供氮系统已不能满足新增氮气用量的需求，故本期工程新建制氮厂房一座，以保证两期工程中氮气用量及供气品质的要求。
2. 系统的配置
制氮系统由空压系统、净化系统、吸附系统、缓冲系统组成。首先原料经空压机压缩后进入高效除油器除去大部分油、水、尘埃进入微热再生干燥器，经粉尘精滤器进入填充颗粒状活性炭的过滤器，通过缓冲储气罐进入填装吸附剂的变压吸附分离系统，即制氮机组。洁净的压缩空气由吸附塔底端进入，气流经空气扩散器扩散后，均匀进入吸附塔，进行氧氮吸附分离。从出口端流出氮气，进入氮气缓冲罐，经均压和减压后，脱除吸附的杂质组分，完成吸附剂的再生。二个吸附塔交替循环操作，连续产出高品质的氮气进入氮气储气罐输送到用户。
2.1空压系统。空压系统由空压机、缓冲罐组成。根据氮气用量的需求配套选用2 台空压机，1用1备；配套设2台缓冲罐，1用1备。
2.2净化系统。净化系统由高效除油器、微热再生干燥器、精密干燥器等组成。为保证空气品质的要求，配套选用2台微热再生干燥器，1用1备；2台高效油水分离器，1用1备；2台精过滤器，1用1备；2台活性炭过滤器，1用1备。
2.3吸附系统。吸附系统由催化净化器、氮气缓冲罐、吸附器、控制器、氮分析仪等组成。本次设计选用2台制氮装置，1用1备，制氮装置前配套设2台氮气缓冲罐，1用1备。
2.4缓冲系统。缓冲系统由氮气缓冲罐、精密过滤器、防空装置、调压装置、流量计等组成。制氮装置后配套设2台粉尘精滤器，1用1备。成品氮气储气罐2台。
3. 制氮系统的主要设备选型
3.1空压机。常用的空压机有活塞式、离心式和螺杆式等。
（1）活塞式空气压缩机一般由机身、气缸、活塞、传动机构和中间冷却器等部件组成。利用原动机驱动曲轴做旋转运动，再由连杆带动活塞在气缸中作往复运动使空气直接受到压缩。其主要特点是在各种流量下都能达到所需的压力，目前应用在工业领域的最高压力达350MPa。活塞式空气压缩机单机排气量一般最大200m3/min，结构复杂，易损件多，维修工作量较大，所以活塞式压缩机适用于中、小流量的高压范围。
（2）离心式空气压缩机一般由机身、气路系统、润滑油系统、冷却水系统、传动系统和自控系统及负荷调节系统组成。利用高速旋转的叶轮使空气受到离心力的作用产生压力，同时获得速度，离开叶轮后空气经扩压器等扩张通道将动能逐渐转化为压力能，从而使压力得到提高。离心式空气压缩机具有转速高、容量大、结构简单、运转可靠、重量轻、尺寸小、经久耐用、维护费用低等特点，特别适用于大容量压缩机。
（3）螺杆式空气压缩机由机身、气路系统、油路系统、水路系统、传动系统和电控与调节系统组成。螺杆式空气压缩机压缩气体的原理与活塞压缩机相同，运动形式又与离心式空气压缩机一样做高速旋转运动，兼有二者的特点。其优点是体积小、结构简单、零件小、运行平稳等。
（4）综合考虑设备性能、排量、经济性等，本次设计制氮工艺系统中氮气的需求量为6.96 Nm3/min，配套选螺杆空气压缩机2台，每台排气量43Nm3/min，当地气象条件下其容积流量36m3/min，排气压力0.85MPa，电机功率250.93KW/台，1用1备。与空压机配套的制氮装置能力为600 Nm3/h纯度为99.9%，可满足工艺的使用要求。
3.2缓冲罐。 为使空压机的排气更稳定，减小系统压力波动，在空气压缩机后设5.0 m3缓冲罐2台，1用1备。
3.3高效除油器。高效除油器的作用是分离压缩空气中所含的油份和水份，使压缩空气得到初步的净化。为保证压缩空气的品质，本次设计在每台螺杆压缩机后各设置1台高效除油器，排气量45Nm3/min，排气压力0.8MPa。
3.4干燥装置。
（1）普通压缩空气中含有油、水及尘粒，这些物质的存在对生产工艺及设备运行有严重的危害，必须采用各种干燥、净化手段减少或去除压缩空气中的杂质含量，使之符合生产要求。压缩空气冷却后仍含有一定的水分，其含量取决于空气的温度、压力。
（2）工业上常用的气体干燥方法有吸收法、吸附法、冷冻法及压力除湿法。一般较多采用吸附法和冷冻法。
（3）本设计制氮工艺系统根据用户对空气干燥程度及空气量的要求 ，经技术经济比较后确定设置空气干燥器 ，其总能力与空压机总排气量相适应。与压缩空气系统配套选用微热再生干燥器2台，每台的排气量48.2Nm3/min，排气压力0.8MPa，1用1备。
3.5除尘装置。为控制用气含尘量，在系统中设置除尘过滤装置，在微热再生干燥器后设置精过滤器和活性炭过滤器各1套，过滤器在排气压力为0.8MPa下的空气处理量为45.0m3/min，过滤后空气的含尘粒径≤0.01μm同时含油量≤0.005ppm。
3.6制氮装置。
（1）根据变压吸附原理，制氮装置采用高品质碳分子筛为吸附剂。一定的压力下由于动力学效应，氧在碳分子筛微孔中的扩散速率远大于氮，在吸附未达到平衡时，氧被碳分子筛大量吸附，氮分子在气相中被富集，达到氧氮分离。由于碳分子筛对氧的吸附容量随压力的不同两者有明显差异，降低压力，即可分解吸碳分子筛吸附的氧分子，使碳分子筛再生，得以重复循环使用。采用两个吸附塔流程，一塔吸附产氮，一塔解吸再生，通过程序控制器控制气动角座阀的启闭，使两塔循环交替，连续产出高品质氮气。
（2）本设计根据工艺对氮气的用量及纯度的要求，考虑一定的损耗量，选用制氮装置 2套， 每套处理量600Nm3/h，考虑其用气情况和生产班次， 1用1备。氮气纯度达到99.5%以上，氮气露点-40℃，氮气压力0.65MPa（可调），可以满足工艺要求。
3.7氮气储气罐。 为保证连续供气的要求，设置氮气储气罐2台，容积为10.0 m3/台，工作压力为1.0MPa。
4. 控制、连锁设计
4.1系统检测控制仪表。在氮气总管装设流量累计仪表 ，以便定期统计供气量。根据操作需要，对温度和压力设置了就地指示和控制室内集中指示2种。
4.2电气连锁、报警。储气罐压力大于0.78MPa（表压）时，发出声光报警。大于0.8 MPa（表压）时，自动停空压机。
5. 厂房布置
制氮厂房为丁类生产厂房，占地面积为30×18=540m2，厂房轨顶高度6.0米。由机器间和辅助间组成。螺杆式空气压缩机、无热再生干燥器及配套的高效除油器、过滤装置、制氮装置均布置在机器间内。储气罐设置在室外。辅助间包括值班控制室和配电室。值班控制室设观察窗。
参考文献
[1]《压缩空气站设计手册》机械工业出版社.
[2]《压缩空气站设计规范》GB50029-2003.
[文章编号]1619-2737（2014）04-09-585
[作者简介] 尉海霞（1980.4-），女，籍贯：山西大同，学历：硕士，职称：工程师。
【关键词】制氮系统；设备选型；工艺设计
【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）随着科技的进步和社会的发展，氮气的应用领域越来越广泛，制氮设备也已经成为冶金、化工、食品、医药、电子、煤炭、石油等众多领域中不可缺少的设备。
（2）本文所述建设项目一期工程已建成投入生产，二期工程需要的氮气最大用量为6.96Nm3/min；纯度>99%；含尘粒径<1μm；含尘量<3mg/m3；含油量<3ppm；含水量：压力露点-40℃，供气压力：0.4～0.6MPa。
（3）根据各工艺新增氮气用量情况，一期供氮系统已不能满足新增氮气用量的需求，故本期工程新建制氮厂房一座，以保证两期工程中氮气用量及供气品质的要求。
2. 系统的配置
制氮系统由空压系统、净化系统、吸附系统、缓冲系统组成。首先原料经空压机压缩后进入高效除油器除去大部分油、水、尘埃进入微热再生干燥器，经粉尘精滤器进入填充颗粒状活性炭的过滤器，通过缓冲储气罐进入填装吸附剂的变压吸附分离系统，即制氮机组。洁净的压缩空气由吸附塔底端进入，气流经空气扩散器扩散后，均匀进入吸附塔，进行氧氮吸附分离。从出口端流出氮气，进入氮气缓冲罐，经均压和减压后，脱除吸附的杂质组分，完成吸附剂的再生。二个吸附塔交替循环操作，连续产出高品质的氮气进入氮气储气罐输送到用户。
2.1空压系统。空压系统由空压机、缓冲罐组成。根据氮气用量的需求配套选用2 台空压机，1用1备；配套设2台缓冲罐，1用1备。
2.2净化系统。净化系统由高效除油器、微热再生干燥器、精密干燥器等组成。为保证空气品质的要求，配套选用2台微热再生干燥器，1用1备；2台高效油水分离器，1用1备；2台精过滤器，1用1备；2台活性炭过滤器，1用1备。
2.3吸附系统。吸附系统由催化净化器、氮气缓冲罐、吸附器、控制器、氮分析仪等组成。本次设计选用2台制氮装置，1用1备，制氮装置前配套设2台氮气缓冲罐，1用1备。
2.4缓冲系统。缓冲系统由氮气缓冲罐、精密过滤器、防空装置、调压装置、流量计等组成。制氮装置后配套设2台粉尘精滤器，1用1备。成品氮气储气罐2台。
3. 制氮系统的主要设备选型
3.1空压机。常用的空压机有活塞式、离心式和螺杆式等。
（1）活塞式空气压缩机一般由机身、气缸、活塞、传动机构和中间冷却器等部件组成。利用原动机驱动曲轴做旋转运动，再由连杆带动活塞在气缸中作往复运动使空气直接受到压缩。其主要特点是在各种流量下都能达到所需的压力，目前应用在工业领域的最高压力达350MPa。活塞式空气压缩机单机排气量一般最大200m3/min，结构复杂，易损件多，维修工作量较大，所以活塞式压缩机适用于中、小流量的高压范围。
（2）离心式空气压缩机一般由机身、气路系统、润滑油系统、冷却水系统、传动系统和自控系统及负荷调节系统组成。利用高速旋转的叶轮使空气受到离心力的作用产生压力，同时获得速度，离开叶轮后空气经扩压器等扩张通道将动能逐渐转化为压力能，从而使压力得到提高。离心式空气压缩机具有转速高、容量大、结构简单、运转可靠、重量轻、尺寸小、经久耐用、维护费用低等特点，特别适用于大容量压缩机。
（3）螺杆式空气压缩机由机身、气路系统、油路系统、水路系统、传动系统和电控与调节系统组成。螺杆式空气压缩机压缩气体的原理与活塞压缩机相同，运动形式又与离心式空气压缩机一样做高速旋转运动，兼有二者的特点。其优点是体积小、结构简单、零件小、运行平稳等。
（4）综合考虑设备性能、排量、经济性等，本次设计制氮工艺系统中氮气的需求量为6.96 Nm3/min，配套选螺杆空气压缩机2台，每台排气量43Nm3/min，当地气象条件下其容积流量36m3/min，排气压力0.85MPa，电机功率250.93KW/台，1用1备。与空压机配套的制氮装置能力为600 Nm3/h纯度为99.9%，可满足工艺的使用要求。
3.2缓冲罐。 为使空压机的排气更稳定，减小系统压力波动，在空气压缩机后设5.0 m3缓冲罐2台，1用1备。
3.3高效除油器。高效除油器的作用是分离压缩空气中所含的油份和水份，使压缩空气得到初步的净化。为保证压缩空气的品质，本次设计在每台螺杆压缩机后各设置1台高效除油器，排气量45Nm3/min，排气压力0.8MPa。
3.4干燥装置。
（1）普通压缩空气中含有油、水及尘粒，这些物质的存在对生产工艺及设备运行有严重的危害，必须采用各种干燥、净化手段减少或去除压缩空气中的杂质含量，使之符合生产要求。压缩空气冷却后仍含有一定的水分，其含量取决于空气的温度、压力。
（2）工业上常用的气体干燥方法有吸收法、吸附法、冷冻法及压力除湿法。一般较多采用吸附法和冷冻法。
（3）本设计制氮工艺系统根据用户对空气干燥程度及空气量的要求 ，经技术经济比较后确定设置空气干燥器 ，其总能力与空压机总排气量相适应。与压缩空气系统配套选用微热再生干燥器2台，每台的排气量48.2Nm3/min，排气压力0.8MPa，1用1备。
3.5除尘装置。为控制用气含尘量，在系统中设置除尘过滤装置，在微热再生干燥器后设置精过滤器和活性炭过滤器各1套，过滤器在排气压力为0.8MPa下的空气处理量为45.0m3/min，过滤后空气的含尘粒径≤0.01μm同时含油量≤0.005ppm。
3.6制氮装置。
（1）根据变压吸附原理，制氮装置采用高品质碳分子筛为吸附剂。一定的压力下由于动力学效应，氧在碳分子筛微孔中的扩散速率远大于氮，在吸附未达到平衡时，氧被碳分子筛大量吸附，氮分子在气相中被富集，达到氧氮分离。由于碳分子筛对氧的吸附容量随压力的不同两者有明显差异，降低压力，即可分解吸碳分子筛吸附的氧分子，使碳分子筛再生，得以重复循环使用。采用两个吸附塔流程，一塔吸附产氮，一塔解吸再生，通过程序控制器控制气动角座阀的启闭，使两塔循环交替，连续产出高品质氮气。
（2）本设计根据工艺对氮气的用量及纯度的要求，考虑一定的损耗量，选用制氮装置 2套， 每套处理量600Nm3/h，考虑其用气情况和生产班次， 1用1备。氮气纯度达到99.5%以上，氮气露点-40℃，氮气压力0.65MPa（可调），可以满足工艺要求。
3.7氮气储气罐。 为保证连续供气的要求，设置氮气储气罐2台，容积为10.0 m3/台，工作压力为1.0MPa。
4. 控制、连锁设计
4.1系统检测控制仪表。在氮气总管装设流量累计仪表 ，以便定期统计供气量。根据操作需要，对温度和压力设置了就地指示和控制室内集中指示2种。
4.2电气连锁、报警。储气罐压力大于0.78MPa（表压）时，发出声光报警。大于0.8 MPa（表压）时，自动停空压机。
5. 厂房布置
制氮厂房为丁类生产厂房，占地面积为30×18=540m2，厂房轨顶高度6.0米。由机器间和辅助间组成。螺杆式空气压缩机、无热再生干燥器及配套的高效除油器、过滤装置、制氮装置均布置在机器间内。储气罐设置在室外。辅助间包括值班控制室和配电室。值班控制室设观察窗。
参考文献
[1]《压缩空气站设计手册》机械工业出版社.
[2]《压缩空气站设计规范》GB50029-2003.
[文章编号]1619-2737（2014）04-09-585
[作者简介] 尉海霞（1980.4-），女，籍贯：山西大同，学历：硕士，职称：工程师。
