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深冷分离制氮、PSA 变压吸附制氮及膜分离制氮工艺性能比较
| 序号 | 项 目 | 深冷分离制氮 | PSA 变压吸附制氮 | 膜分离制氮 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 空气分离原理 | 相同压力下，液氧沸点大于液氮沸点。 | 相同压力下，氧气比氮气更易被 吸附。 | 相同压力下，氧气渗透率高于氮气。 |
| 2 | 制氮特点 | 低温、连续、氮气压力稳定。 | 常温、制氮过程的吸附-均压-解吸- 吸附过程压力波动。 | 常温、压缩空气在膜组件中连续 通过，无需循环切换。氮气压力稳定。 |
| 3 | 操作压力/MPa | 1.8 ~0.9 | 0.85 | 1.3 |
| 4 | 操作温度/℃ | 160~ － 190 | ≤45 | 40~50 |
| 5 | 产品种类 | 气氮、液氮 | 气氮 | 气氮 |
| 6 | 启动时间 | >12 h | ~40 min | ~5 min |
| 7 | 氮气纯度，φ/% | 99~99.99% | 95%~99.9995% | <99.9% |
| 8 | 氮提取率，φ/% | 纯度 99． 99% 氮气 40% ，纯度 99. 9% 氮气 45% ，纯度 99% 氮气 50% 。 | 纯度99.99%氮气17% ，纯度99.9%氮气32%，纯度99% 氮气42.1% ，纯度97% 氮气50% 。 | 纯度99.9%氮气15%，纯度99%氮气33%，纯度97%氮气48%。 |
| 9 | 制氮能力 /m3·h － 1 | >10000( 根据需要) | 纯度99. 99% 氮气 ~700，纯度 99.9% 氮气 ~1 500，纯度99%氮气 ~2500，纯 度97%氮气 ~2 500。 | 纯度 99.9% 氮 气~300，纯 度99% 氮气 ~ 600，纯度97% 氮气~800，纯度95% 氮气~1000。 |
| 10 | 主要设备 | 空气压缩机、预冷机组、分子筛吸附 器、电加热器、透平膨胀机、主换热 器、精馏塔、冷凝蒸发器。 | 空气压缩机、过滤器、干燥机、吸附 塔、氮气缓冲罐。 | 空气压缩机、过滤器、干燥机、电 加热器、膜组件。 |
| 11 | 占地面积 | 大 | 小 | 小 |
| 12 | 相对投资 | 1.2~1.5 | 1 | >1.5 |
结合上表，对3种制氮工艺技术比较分析如下。
(1)PSA变压吸附和膜分离制氮的工艺流程简单，设备数量少，操作简单，可随时停机，并可长时间停机。深冷制氮不仅工艺流程复杂，设备数量多，且需在深冷低温状态下运行。在设备投入正常运行之前，有一个预冷启动过程，启动时间从膨胀机启动至氮气纯度达到要求的时间一般不小于12h。在设备进入大修之前，必须有一段加温解冻的时间，一般为24h。因此，深冷分离制氮不适宜启、停频繁的场合。膜分离制氮与PSA变压吸附相比，不仅设备结构更简单，而且无切换阀门，操作维护更为简便，产气所需时间也更短。
(2)深冷分离制氮可同时获得气氮和液氮，适宜需要液氮的工艺流程。液氮也可贮存于液氮储槽作为备用，当出现氮气需求短时骤增或制氮设备小修时，可将贮槽内的液氮汽化后送入氮气管网以满足工艺装置对氮气的连续性需求。PSA变压吸附和膜分离制氮变压吸附制氮只能生产氮气，无备用手段，单套设备难以确保工艺装置连续长周期运行。
(3)当氮气纯度体积分数≤97%时，PSA变压吸附和膜分离制氮工艺的氮气提取率基本相当;当氮气纯度体积分数>99%时，采用深冷分离制氮工艺氮提取较好，PSA变压吸附次之，膜分离制氮工艺氮提取率急剧降低。同时，制取相同压力的氮气，深冷分离制氮空气压缩机出口空气压力与PSA变压吸附制氮相当，而膜分离制氮压力要求空气压力较高。3种制氮工艺主要能耗在空气压缩机，故当制取氮气纯度较高时，膜分离制氮所需空气压缩机规模大，功率高，总能耗较好，PSA变压吸附制氮次之，深冷分离制氮能耗相对较低。
(4)PSA变压吸附制氮的氮气分离吸附-解吸-吸附过程存在压力波动，氮气压力不稳;而深冷分离和膜分离制氮的氮气分离过程为连续进行，产品氮气压力较为稳定。因此PSA制氮必需在PSA吸附塔氮气出口增加氮气缓冲罐，以缓冲氮气，调蓄气体压力，从而确保氮气产品压力的稳定性。
(5)深冷分离制氮设备多，流程长，占地大，投资较高。膜分离制氮与PSA变压吸附制氮相比，所需空气量大，压比高，压缩机规模大，对应的空气净化组件(过滤器、干燥机、除油器等)比PSA变压吸附大，投资高，且制氮核心部件的膜组件的成本也高于PSA吸附塔。因此，PSA变压吸附制氮投资小。
深冷分离制氮、PSA 变压吸附制氮及膜分离制氮工艺流程图
