1 前言
　　采用變壓吸附技術(shù)從空氣中提取氮氣，在中小規(guī)模用戶已經(jīng)廣泛普及。在2000Nm3/H能力范圍內(nèi)，比深冷更具吸引力，已經(jīng)成為氮氣市場的主流，它不但生產(chǎn)過程簡單維護操作方便，產(chǎn)品純度在一定范圍內(nèi)可以任意調(diào)節(jié)，而且規(guī)模從幾十到上千方規(guī)?？梢匀我膺x用。

2 工藝介紹
　　以空氣為原料，變壓吸附制氮技術(shù)是在常溫下利用O2和N2在吸附劑上的吸附速率的差異或吸附容量不同，采用在高壓下吸附，低壓下解吸原理來制備的。根據(jù)不同性能的吸附劑，制氮的機理也不相同。 目前變壓吸附制氮采用碳分子篩（CMS）和沸石分子篩（MS）兩種技術(shù)。 碳分子篩制氮（CMS）是利用碳分子篩對O2和N2吸附速率不同的原理來分離N2的。碳分子篩是一種非極性速度分離型吸附劑，通常以煤為原料，以紙張或焦油為粘結(jié)劑加工而成。它之所以能對氧氮分離主要是基于氧氣和氮氣在碳分子篩上的擴散速率不同（35℃時擴散速率，O2為6.2×10-5，N2為2.0×10-6），氧氣在碳分子篩上的擴散速度大于氮氣的擴散速度，使得碳分子篩優(yōu)先吸附氧氣，而氮氣富集于不吸附相中，從而在吸附塔流出得到產(chǎn)品氮氣。 碳分子篩制氮一般采用2個吸附塔，原料壓縮空氣經(jīng)過冷干機除去氣體中的水分和微量油進入床層，O2等雜質(zhì)迅速吸附在床層上，N2得以分離在吸附塔出口得到，吸附結(jié)束后經(jīng)過均壓和真空解吸或者常壓解吸，使吸附劑的雜質(zhì)組分脫除再生，2個塔循環(huán)交替吸附再生。真空解吸或者常壓解吸再生的目的是為了往復(fù)利用吸附劑。真空法較常壓法能耗高，但產(chǎn)品氣純度高。實際中這兩種解吸方法都在應(yīng)用，不過為了降低能耗，真空解吸方式逐漸減少。碳分子篩技術(shù)能得到普氮，純度小于99.99%時相對經(jīng)濟。 沸石分子篩制氮（MS）是利用沸石分子篩對O2和N2吸附容量不同的原理來分離N2的。沸石分子篩是人工合成的硅鋁酸鹽晶體，加熱到一定程度失去結(jié)晶水得到的，它由離子孔穴和帶負電荷的硅鋁骨格所結(jié)構(gòu)。它之所以能對氧氮分離主要是基于非極性的O2和N2受到極性分子的影響產(chǎn)生偶極，而O2和N2分子的誘導(dǎo)偶極與吸附劑固有的極性偶極具有吸附作用，在等溫條件下分子篩吸附N2量大于O2，從而在吸附相解吸得到N2產(chǎn)品氣，產(chǎn)品氣壓力低，使用時需要在加壓故能耗較高。 MS制氮，原料壓縮空氣經(jīng)過干燥器嚴格脫除水分和CO2，然后再進入MS分子篩床層，N2迅速吸附在床層上，O2等雜質(zhì)作為吸附廢氣排空，吸附結(jié)束后經(jīng)過真空解吸，得到產(chǎn)品N2。沸石分子篩制氮對原料要求嚴格，需要流程較為復(fù)雜投資和操作費用增加。

3 裝置評價技術(shù)分析
　　評價一套變壓吸附裝置的優(yōu)劣，一般從產(chǎn)品純度、生產(chǎn)能力、回收率能耗等指標衡定。產(chǎn)品純度和生產(chǎn)能力是裝置設(shè)計目的，在一般情況下均可達到，而回收率和能耗往往被忽視。回收率也是能耗的一部分，收率低消耗的原料氣也就越多，能耗也就增加。能耗一般指用于原料氣或產(chǎn)品氣生壓和真空解吸所消耗的電能。從運行裝置來看，一般氮氣回收率在45-60%之間，單位能耗0.35KWh/Nm3左右。 一般真空解吸流程能耗高于常壓解吸流程。流程合理吸附劑性能高的裝置，回收率高能耗低。
　　以99.5%純度氮氣裝置為例。

制氮方法	能耗 KWh/Nm3
碳分子篩	0.35
沸石分子篩	0.5-0.6
低溫法	0.25

　　影響裝置性能的因素有吸附壓力和吸附時間。經(jīng)驗表明，提高吸附壓力可以增大碳分子篩的吸附容量，提高氮氣純度，但壓力達到0.6Mpa時床層死空間等因素反而導(dǎo)致純度降低能耗增高。吸附時間越長，產(chǎn)品純度越低，但回收率高，氣流切換次數(shù)少碳分子篩粉化程度輕。氮氣的產(chǎn)量和純度是一對對立的因素，氮氣出氣量越高，純度越低回收率越低，反之亦然。

	N2純度	消耗	流程及投資	裝置能力
碳分子篩	98.5-99.9%	低	少	大
沸石分子篩	99.9-99.99%	高	大	小
加氫脫氧技術(shù)	99.99%以上	較高	大	小

4 技術(shù)發(fā)展和展望
　　變壓吸附制氮技術(shù)的發(fā)展主要是吸附劑技術(shù)的發(fā)展。1977年德國埃森礦業(yè)研究有限公司BergauForschung（B.F公司）研制開發(fā)了碳分子篩制氮技術(shù)以來，日本美國等都迅速發(fā)展起來。1981年吉林化公設(shè)計研究院研制的碳分子篩通過了省級鑒定，隨后中國船舶工業(yè)總公司也研制開發(fā)了碳分子篩。1986年浙江長興化工廠采用上?；ぱ芯吭杭夹g(shù)生產(chǎn)的碳分子篩成為國內(nèi)主要碳分子篩生產(chǎn)力量。國外大批量生產(chǎn)碳分子篩的有德國BF公司、美國Calgon碳公司、日本Takeda化學(xué)工業(yè)公司和Kuraray化學(xué)品公司。國內(nèi)上?；ぴO(shè)計院、四川天一科技、瑞安市鋒華鋒華空分制氮機廠等企業(yè)生產(chǎn)氮氣裝置規(guī)模和技術(shù)水平發(fā)展速度很快，接近世界先進水平。 通過對不同的分子篩比較，國內(nèi)碳分子篩的產(chǎn)氮率還遠低于國外產(chǎn)品，主要原因是國產(chǎn)碳分子篩比表面積僅是BF公司的55%，微孔不夠發(fā)達。造成此狀況的原因是沒有完全掌握制作工藝條件和原料配比，檢測設(shè)備落后無法及時監(jiān)控生產(chǎn)，原料煤雜質(zhì)高等。近年來國內(nèi)碳分子篩也有了長足進步，以浙江長興化工廠的碳分子篩的產(chǎn)氮率也接近180Nm3/h·t，但是性能不穩(wěn)定易粉化，使用超過3-6年產(chǎn)氣量明顯下降。 工藝流程的設(shè)計發(fā)展與七八十年相比也有了很大發(fā)展。用產(chǎn)品氮氣的充壓和沖洗等流程的采用，提高了氮氣回收率和產(chǎn)量。從2塔流程發(fā)展到三塔四塔流程，提高了裝置的經(jīng)濟性能。特別是不等勢均壓的應(yīng)用，使均壓后的2個吸附塔內(nèi)氮氣純度不同，從而降低排空氣體的含氮量，提高回收率。 從變壓吸附制氮運行裝置來看，國內(nèi)主流流程為以國外碳分子篩為吸附劑，采用雙塔流程，在0.6-0.8Mpa吸附壓力下，利用氮氣沖洗和常壓解吸流程，提取氮氣。這種配置能耗低，在0.3-0.4Nm3/kw·h左右。 最新碳分子篩研究技術(shù)是向碳分子篩中添加氧化鐵，以其磁性增加碳分子篩對氧氣的選擇吸附性。日本有過書面報道，大連理工大學(xué)也進行了這方面的研究。在將來變壓吸附制氮技術(shù)生產(chǎn)的氮氣純度高于99.999%是極為可能的。 從目前制氮技術(shù)應(yīng)用來看，碳分子篩技術(shù)成為主流技術(shù)，沸石分子篩技術(shù)由于處理原料氣和真空解吸等繁雜步驟應(yīng)用較少。盡管沸石分子篩技術(shù)可以提取高純氮，不過能耗高規(guī)模也在200 Nm3以下。高純氮制取一般采用加氫脫氧技術(shù)，在普氮中加入適量的氫氣，在加氫脫氧催化劑作用下，氫氣和氧氣反應(yīng)生成水，然后再除去殘余的氫或氧，最后通過干燥塔除去水分得到高純氮氣。

5 結(jié)束語
　　隨著吸附劑進一步發(fā)展和工藝流程的合理改進，以其明顯的經(jīng)濟效益和簡單的操作維護在各個行業(yè)推廣前景將更加廣闊。

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