1 前言
　　采用變壓吸附技術(shù)從空氣中提取氮?dú)猓谥行∫?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?dú)馐袌龅闹髁鳎坏a(chǎn)過程簡單維護(hù)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(jī)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?dú)庠谔挤肿雍Y上的擴(kuò)散速率不同（35℃時擴(kuò)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(kuò)散速度大于氮?dú)獾臄U(kuò)散速度，使得碳分子篩優(yōu)先吸附氧氣，而氮?dú)飧患诓晃较嘀?，從而在吸附塔流出得到產(chǎn)品氮?dú)狻?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(jī)除去氣體中的水分和微量油進(jìn)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(jì)。 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(fù)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(yán)格脫除水分和CO2，然后再進(jìn)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(yán)格，需要流程較為復(fù)雜投資和操作費(fèi)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(biāo)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(dá)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(yùn)行裝置來看，一般氮?dú)饣厥章试?5-60%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?dú)庋b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?dú)饧兌龋珘毫_(dá)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?dú)獾漠a(chǎn)量和純度是一對對立的因素，氮?dú)獬鰵饬吭礁撸兌仍降突厥章试降?，反之亦然?br />

	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(jī)廠等企業(yè)生產(chǎn)氮?dú)庋b置規(guī)模和技術(shù)水平發(fā)展速度很快，接近世界先進(jìn)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(yuǎn)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(dá)。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(jìn)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?dú)獾某鋲汉蜎_洗等流程的采用，提高了氮?dú)饣厥章屎彤a(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(jì)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?dú)饧兌炔煌瑥亩档团趴諝怏w的含氮量，提高回收率。 從變壓吸附制氮運(yùn)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?dú)鉀_洗和常壓解吸流程，提取氮?dú)?。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(jìn)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?dú)饧兌雀哂?9.999%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?dú)狻?

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

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