Sản xuất nitơ bằng phương pháp tách không khí lạnh là một phương pháp truyền thống để sản xuất nitơ, có lịch sử vài thập kỷ gần đây. Phương pháp này sử dụng không khí làm nguyên liệu, sau khi nén, lọc sạch và trao đổi nhiệt để hóa lỏng không khí thành không khí lỏng. Không khí lỏng chủ yếu là hỗn hợp của oxy lỏng và nitơ lỏng, sử dụng điểm sôi khác nhau giữa oxy lỏng và nitơ lỏng, thông qua quá trình chưng cất không khí lỏng, để tách chúng nhằm thu được nitơ.

Sản xuất nitơ bằng phương pháp lạnh sâu có thể tạo ra khí nitơ với độ tinh khiết ≥ 99,999%. Độ tinh khiết của nitơ bị hạn chế bởi các yếu tố như tải nitơ, số lượng khay, hiệu suất khay và độ tinh khiết oxy trong không khí lỏng, và phạm vi điều chỉnh rất nhỏ. Do đó, đối với một bộ thiết bị sản xuất nitơ bằng phương pháp lạnh sâu, độ tinh khiết sản phẩm về cơ bản là cố định và khó điều chỉnh. Độ tinh khiết của nitơ được sản xuất bằng phương pháp hấp phụ dao động áp suất thường nằm trong khoảng 95% – 99,9%. Nếu cần nitơ có độ tinh khiết cao hơn, cần bổ sung thiết bị tinh chế nitơ. Độ tinh khiết của nitơ chỉ bị ảnh hưởng bởi tải nitơ của sản phẩm. Trong các điều kiện khác không đổi, tải nitơ càng cao, độ tinh khiết của nitơ càng thấp; ngược lại, tải nitơ càng thấp, độ tinh khiết càng cao. Do đó, đối với một bộ thiết bị sản xuất nitơ bằng phương pháp hấp phụ dao động áp suất, độ tinh khiết sản phẩm có thể điều chỉnh trong khoảng 90-99,9% miễn là tải cho phép.

Thiết bị chính được bao gồm trong đơn vị máy phát nitơ lỏng

Lọc không khí

Để giảm sự mài mòn trên các bề mặt cơ học bên trong máy nén khí và đảm bảo chất lượng không khí, không khí trước tiên phải đi qua một bộ lọc không khí để loại bỏ bụi và các tạp chất khác trước khi vào máy nén khí. Máy nén khí thường sử dụng các bộ lọc thô hoặc trung bình cho việc hút khí.

Máy nén khí

Theo nguyên lý hoạt động, máy nén khí có thể được chia thành hai loại: máy nén thể tích và máy nén tốc độ. Máy nén khí thường sử dụng máy nén khí piston tịnh tiến, máy nén khí ly tâm và máy nén khí trục vít.

Máy làm mát không khí

Nó được sử dụng để giảm nhiệt độ của khí nén trước khi đi vào máy sấy khí và tháp tách khí, tránh những dao động nhiệt độ đáng kể trong tháp, và có thể thải phần lớn độ ẩm trong khí nén. Thường thì sử dụng bộ làm mát nước nitơ (gồm một tháp làm mát bằng nước và một tháp làm mát bằng không khí: tháp làm mát bằng nước sử dụng khí thải từ tháp tách khí để làm mát nước tuần hoàn, và tháp làm mát bằng không khí sử dụng nước tuần hoàn từ tháp làm mát bằng nước để làm mát không khí) và bộ làm mát không khí Freon.

Máy lọc không khí sấy khô

Không khí nén vẫn còn chứa một lượng ẩm, carbon dioxide, acetylene và các hydrocarbon khác sau khi đi qua bộ làm mát không khí. Độ ẩm và carbon dioxide đông lạnh lắng đọng trong tháp tách khí có thể làm tắc các kênh, đường ống và van. Acetylene tích tụ trong oxy lỏng và gây nguy cơ nổ. Bụi có thể làm mòn máy móc đang vận hành. Để đảm bảo hoạt động an toàn lâu dài của đơn vị tách khí, cần phải lắp đặt thiết bị tinh lọc chuyên dụng để loại bỏ các tạp chất này. Các phương pháp tinh lọc không khí phổ biến nhất là hấp thụ và đông lạnh. Phương pháp hấp thụ bằng hạt rây phân tử được sử dụng rộng rãi trong các đơn vị phát sinh nitơ cỡ nhỏ và vừa ở Trung Quốc.

Tháp tách không khí

Tháp tách không khí chủ yếu bao gồm một bộ trao đổi nhiệt chính, thiết bị hóa lỏng, tháp chưng cất, bình ngưng bay hơi, v.v. Bộ trao đổi nhiệt chính, bình ngưng bay hơi và thiết bị hóa lỏng là các bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, là một loại bộ trao đổi nhiệt tường composite mới với cấu trúc kim loại nhôm toàn phần. Chênh lệch nhiệt độ trung bình rất nhỏ và hiệu quả trao đổi nhiệt đạt tới 98-99%. Tháp chưng cất là thiết bị để tách không khí, và các loại thiết bị tháp được phân loại theo các thành phần bên trong. Tháp có sàng gọi là tháp sàng, tháp có nắp khí gọi là tháp nắp khí, và tháp nhồi gọi là tháp nhồi. Tấm sàng có cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và hiệu suất khay cao, vì vậy được sử dụng rộng rãi trong các cột chưng cất tách không khí. Tháp nhồi chủ yếu được sử dụng cho các tháp chưng cất có đường kính nhỏ hơn 0,8m và chiều cao không quá 7m. Tháp nắp khí hiếm khi được sử dụng do cấu trúc phức tạp và khó chế tạo.

Bộ mở rộng tua-bin

Nó là một loại máy có lưỡi quay được sử dụng trong thiết bị sản xuất một nitơ để tạo ra khả năng làm mát, và là một tuabin khí được sử dụng trong điều kiện nhiệt độ thấp. Turboexpander được chia thành dòng chảy trục, dòng chảy bán kính và dòng chảy trục bán kính theo hướng dòng khí trong cánh quạt; theo việc liệu khí có tiếp tục giãn nở trong cánh quạt hay không, nó có thể được chia thành loại phản công và loại va chạm. Giãn nở tiếp tục được gọi là loại phản công, trong khi không tiếp tục giãn nở được gọi là loại va chạm. Tuabin cấp đơn dòng trục bán kính loại va chạm được sử dụng rộng rãi trong thiết bị tách không khí. Thiết bị máy phát nitơ tách không khí sâu lạnh phức tạp, chiếm diện tích lớn, có chi phí hạ tầng cao, yêu cầu đầu tư một lần lớn cho thiết bị, chi phí vận hành cao, sản xuất khí chậm, yêu cầu lắp đặt cao và có chu kỳ dài. Khi xem xét các yếu tố như tổng thể thiết bị, lắp đặt và hạ tầng, quy mô đầu tư của các đơn vị PSA với cùng thông số kỹ thuật cho thiết bị dưới 3500Nm3/h thấp hơn 20% đến 50% so với các đơn vị tách không khí sâu lạnh. Máy phát nitơ lạnh thích hợp cho sản xuất nitơ công nghiệp quy mô lớn, trong khi sản xuất nitơ quy mô vừa và nhỏ có vẻ không kinh tế.

Thiết bị nitrogen lạnh sâu có các đặc điểm sau

1. Bộ trao đổi nhiệt độ thấp, tháp chỉnh lưu và các thùng và đường ống nhiệt độ thấp khác được đặt trong hộp lạnh, và chứa đầy vật liệu cách nhiệt có độ dẫn nhiệt thấp để ngăn nhiệt xung quanh, giảm mất mát, nếu không thiết bị không thể hoạt động;
2. Vật liệu được sử dụng để sản xuất thiết bị nhiệt độ thấp đòi hỏi độ bền và độ bền đủ ở nhiệt độ thấp, cũng như tính chất hàn và xử lý tốt. Hợp Kim nhôm thường được sử dụng, hợp Kim đồng, thép không gỉ và các vật liệu khác;
3. Các tạp chất có điểm sôi cao trong không khí, như nước, carbon dioxide, vv, nên được loại bỏ trước ở nhiệt độ phòng. Nếu không, kênh trong thiết bị sẽ bị chặn, để thiết bị không thể hoạt động;
4. Axetylen và hydrocacbon trong không khí vào tháp tách không khí và tích tụ đến một mức độ nhất định, sẽ ảnh hưởng đến hoạt động an toàn và thậm chí tai nạn vụ nổ. Do đó, cần thiết phải thiết lập các thiết bị làm sạch để loại bỏ nó;
5. Lưu trữ của vùng chứa lỏng nhiệt độ thấp, khi nhiệt độ bên ngoài được giới thiệu, sẽ có một số hấp thụ nhiệt lỏng nhiệt độ thấp và khí hóa, áp suất sẽ tự động tăng. Để tránh áp lực quá mức, một thiết bị an toàn đáng tin cậy phải được thiết lập;
6. Chất lỏng nhiệt độ thấp rò rỉ vào nền móng sẽ đóng băng và phá vỡ nền móng, và thiết bị sẽ nghiêng. Do đó, cần phải đảm bảo độ chặt của thiết bị, đường ống và van, xem xét ứng suất và biến dạng có thể gây ra bởi sự giãn nở nhiệt và co lạnh;
7. Các chất hữu cơ xốp như gỗ và than cốc bị thấm với oxy lỏng sẽ nổ tung khi chúng tiếp xúc với nguồn lửa hoặc đưa ra một lực tác động nhất định. Do đó, không có chất hữu cơ xốp nào được cho phép trong tủ lạnh. Đối với việc xả oxy lỏng, cần xem xét trước rằng có một đường ống xả oxy lỏng đặc biệt và bình chứa, và nó không thể đi đến mương;
8. Tác động lâu dài của chất lỏng nhiệt độ thấp trên tấm thép cacbon sẽ làm cho tấm thép giòn. Do đó, ống và bồn xả của chất lỏng nhiệt độ thấp không thể sử dụng sản phẩm thép cacbon;
9. Nitơ và argon là khí gây ngạt, và các ống xả lỏng của chúng nên được dẫn ra ngoài trời. Ống xả khí sẽ có chiều cao xả khí nhất định, cửa xả sẽ không phải đối mặt với bậc thang sân ga;
10. Oxy là một chất gia tốc mạnh, và ống xả của nó không thể được thải trực tiếp trong một nhà máy chưa thông khí.

So sánh máy nitrogen cryogenic và máy nitrogen công nghiệp PSA

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp, nitơ đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, điện tử, luyện kim, thực phẩm, cơ khí và các lĩnh vực khác, và nhu cầu về nitơ đang tăng một cách nhanh chóng hàng năm. Tính chất hóa học của nitơ không hoạt động nhiều, và nó rất trơ trong trạng thái bình thường, không dễ phản ứng hóa học với các chất khác. Do đó, nitơ được sử dụng rộng rãi như khí bảo vệ và khí bịt kín trong ngành luyện kim, ngành điện tử và ngành công nghiệp hóa chất, và độ tinh khiết của khí bảo vệ thông thường là 99,99%, một số yêu cầu nitơ có độ tinh khiết cao từ 99,998% trở lên. Nitơ lỏng là nguồn lạnh tiện lợi và đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm, y tế và bảo quản tinh trùng trong chăn nuôi. Trong sản xuất ammonia tổng hợp trong ngành phân bón, nếu khí nguyên liệu của ammonia tổng hợp – hỗn hợp hydro và nitơ được rửa và tinh chế bằng nitơ lỏng tinh khiết, thì hàm lượng khí trơ có thể cực kỳ thấp, và hàm lượng monoxide của lưu huỳnh và oxy không vượt quá 20ppm.

Nitơ tinh khiết không thể được chiết xuất trực tiếp từ tự nhiên và chủ yếu được phân tách bằng không khí. Các phương pháp tách không khí bao gồm: Phương pháp đông lạnh, phương pháp hấp phụ quỹ đạo áp suất (PSA), phương pháp tách màng.

So sánh kỹ thuật và kinh tế giữa sản xuất nitơ đông lạnh và sản xuất nitơ hấp phụ áp suất

Quá trình so sánh

Quá trình sản xuất nitơ hấp phụ áp suất tương đối đơn giản với một số lượng nhỏ thiết bị, chủ yếu bao gồm máy nén khí, máy sấy không khí, máy phát điện nitơ hấp phụ và bể lưu trữ khí. Quá trình sản xuất nitơ đông lạnh phức tạp với một số lượng lớn thiết bị, bao gồm máy nén không khí, máy làm mát không khí, máy sấy lọc không khí, máy trao đổi nhiệt, và tháp dòng chảy chính xác.

So sánh các loại sản phẩm và độ tinh khiết

Việc sản xuất nitơ đông lạnh không chỉ có thể tạo ra nitơ mà còn tạo ra nitơ lỏng, đáp ứng các yêu cầu của quy trình đối với nitơ lỏng. Nó cũng có thể được lưu trữ trong các bể lưu trữ nitơ lỏng. Khi có một tải bị gián đoạn nitơ hoặc bảo trì nhỏ thiết bị phân tách không khí, nitơ lỏng trong bể lưu trữ đi vào chất bay hơi và được làm nóng trước khi được đưa vào đường ống dẫn nitơ sản phẩm để đáp ứng nhu cầu nitơ của thiết bị quy trình. Chu kỳ hoạt động của sản xuất nitơ đông lạnh (đề cập đến khoảng thời gian giữa hai chu kỳ sưởi ấm lớn) thường là hơn 1 năm, do đó, sản xuất nitơ đông lạnh thường không xem xét sao lưu. Tuy nhiên, áp suất hấp phụ sản xuất nitơ chỉ có thể tạo ra khí nitơ mà không có phương tiện dự phòng, và một bộ thiết bị duy nhất không thể đảm bảo hoạt động lâu dài liên tục.

Sản xuất nitơ đông lạnh có thể tạo ra khí nitơ với độ tinh khiết ≥ 99, 999%. Độ tinh khiết của nitơ bị hạn chế bởi các yếu tố như tải nitơ, số khay, hiệu suất khay và độ tinh khiết oxy trong không khí lỏng, và phạm vi điều chỉnh là rất nhỏ. Do đó, đối với một bộ thiết bị sản xuất nitơ đông lạnh, độ tinh khiết của sản phẩm về cơ bản là chắc chắn và khó điều chỉnh. Độ tinh khiết của nitơ được tạo ra bởi áp suất hấp phụ thường nằm trong khoảng 95% -99, 9%. Nếu cần nitơ tinh khiết cao hơn, cần thêm thiết bị lọc nitơ. Độ tinh khiết của nitơ chỉ bị ảnh hưởng bởi tải lượng nitơ của sản phẩm. Trong những điều kiện không đổi khác, lượng nitơ thải càng cao, độ tinh khiết của nitơ càng thấp; Ngược lại, nó càng cao. Do đó, đối với một tập hợp các thiết bị sản xuất nitơ hấp phụ áp suất, độ tinh khiết của sản phẩm có thể được điều chỉnh trong khoảng 90 — 99, 9% miễn là tải được cho phép.

So sánh kiểm soát hoạt động

Phương pháp đông lạnh được thực hiện ở nhiệt độ cực kỳ thấp, và phải có một quá trình khởi động làm mát trước khi thiết bị được đưa vào hoạt động bình thường. Thời gian khởi động thường không ít hơn 12 giờ từ khi mở rộng đến độ tinh khiết nitơ cần thiết; Trước khi thiết bị đi vào bảo dưỡng lớn, phải có một thời gian sưởi ấm và rã đông, thường là 24 giờ. Do đó, các thiết bị sản xuất nitơ đông lạnh không nên bắt đầu và dừng lại thường xuyên, và nên hoạt động liên tục trong một thời gian dài. Khi bắt đầu áp suất phương pháp hấp phụ, chỉ cần nhấn nút và trong vòng 30 phút, có thể thu được các sản phẩm nitơ đủ điều kiện. Nếu cần nitơ có độ tinh khiết cao, nó có thể được tinh chế bằng thiết bị lọc nitơ trong khoảng 30 phút để thu được nitơ có độ tinh khiết 99, 99% -99, 9999%. Chỉ cần nhấn nút để dừng chiếc máy. Do đó, việc sản xuất nitơ hấp phụ áp suất đặc biệt thích hợp cho hoạt động liên tục.

Hiện tại, phương pháp nitơ đông lạnh thường sử dụng công nghệ điều khiển máy tính DCS (hoặc PLC) tiên tiến để đạt được điều khiển trung tâm, phía máy và kiểm soát tích hợp địa phương, có thể giám sát hiệu quả quá trình sản xuất của toàn bộ thiết bị. Nitơ hấp phụ áp suất bằng cách sử dụng điều khiển tự động thông minh, nút có thể là sản xuất nitơ, không cần phải xử lý đặc biệt.

Đối với luyện Kim dầu mỏ và các nhà máy hóa chất, độ tinh khiết nitơ cần thiết chủ yếu là 99, 9%. Từ việc giới thiệu và so sánh sản xuất nitơ đông lạnh và sản xuất nitơ hấp phụ áp suất ở trên, chúng ta có thể đưa ra các kết luận sau:

A) Khi tải nitơ liên tục lớn hơn 600 M3N/h và mức tiêu thụ tải liên tục không quá lớn, và các yêu cầu có thể được đáp ứng bởi khí hóa nitơ lỏng, sản xuất nitơ đông lạnh nên được sử dụng.

B) Khi tải liên tục của nitơ lớn hơn 600 M3N/h và tiêu thụ tải không liên tục là lớn, và lượng nitơ hóa lỏng không còn thỏa đáng, phương pháp sản xuất nitơ chính là đông lạnh, và việc cung cấp khí không liên tục vào vòng áp suất.

C) Khi tải lượng nitơ liên tục nhỏ hơn 600 m3N/h, sự hấp phụ áp suất có thể được sử dụng để sản xuất nitơ.

D) Nitơ hấp phụ áp suất đặc biệt thích hợp cho tải nitơ ít hơn 3000 M3N/h, độ tinh khiết nitơ 95% và điều kiện hoạt động liên tục.

E) Khi thiết bị quy trình yêu cầu nitơ lỏng, trừ khi có khả năng cung cấp bên ngoài nitơ lỏng, việc sản xuất nitơ đông lạnh nên được sử dụng.