1 、空气分离制取氮气的主要方法
气体行业是朝阳产业，有着非常广阔的前景。作为现代工业重要的基础原料，气体产品广泛应用于钢铁、冶金、化工、航天、电子、汽车、环保、医品、饮料等领域，被誉为现代工业的血液。气体的应用技术在发达国家已经达到相当高的水平，但在我国还处于起步阶段。空分制氮、制氧所用原料来自大气，取之不尽，用之不竭。目前，常用的制取氮气的方法主要有低温分离法和非低温分离法。低温分离技术即深冷分离法，非低温分离技术包括变压吸附法和膜分离法。
1．1深冷分离方法，深冷分离方法是利用深度冷冻原理液化空气，根据氮气、氧气及其他组分的沸点不同，在精馏塔进行精馏获得氮气和氧气等产品。原料空气经空气过滤器吸人，去除其中的尘埃及机械杂质后进人空压机，压缩后进入后冷却器，再进预冷系统，之后经水分离器入纯化器，在此除去空气中的水分、二氧化碳和碳氢化合物等杂质。净化后的空气除少部分作为气体轴承透平膨胀机和轴承气，其余进入分馏塔进行精馏。在上塔下部得到氧气体积分数为99．5％的纯氧气，经主换热器复热后送出分馏塔；在上塔顶部得到99．99％的纯氮气，经液氮、液空过冷器、主换热器复热后出分馏塔；从上塔上部排出的污氮经主换热器复热后出分馏塔作为分子筛纯化器的再生气，纯化器中分子筛再生后放空。整套装置结构复杂，占地面积大。随着自动化技术的不断提高，深冷分离装置配置DCS控制系统，在操作上也趋于简单化。
深冷分离方法工作过程为 空气压缩机→冷却器→高效除油器→缓冲储气罐→预冷机组→纯化器→气体膨胀机→分馏塔→氮气储气罐→用户。
1．2变压吸附分离技术 变压吸附分离技术最广泛的应用是工业气体的分离提纯。在分离过程中，气体组分在升压时吸附，降压时解吸，不同组分由于其吸附和解吸特性不同，在压力周期性的变化过程中实现分离，这一过程称为变压吸附分离过程(简称VSA)。由于氧、氮在碳分子筛上的扩散速率差异较大，氧分子被碳分子筛大量吸附，氮分子在气相富集，生成高浓度的氮气变压吸附分离过程一般在中等压力(低于6．0MPa)下进行，具有操作简单、自动化程度高、设备不需要特殊材料等优点。原料气中的杂质组分(如H、0、NH、硫化物等)同时除去，预处理和分离过程同时进行，省去了繁琐的预处理装置，流程简单，操作费用低。但是，若用户需要高纯度的氮气，一级吸附不易实现，需经过二级、甚至三级变压吸附才能达到要求，设备投资会大幅增加，运行成本升高。分子筛的质量是变压吸附设备运行好坏的关键，国产分子筛质量不太稳定，进口分子筛价格又太高。目前大多数生产厂家选用进口分子筛，分子筛的投资约占整套设备投资的1／2。其工作流程为：空气压缩机→冷却器→高效除油器→活性炭过滤器→缓冲储气罐→粉尘过滤器→氮气储气罐→氮气用户。
1．3膜分离制氮技术
膜分离制氮技术是根据空气中的氮气和氧气在膜两侧的压差作用，在膜中的溶解度和扩散系数不同，导致渗透率较快的水蒸气、氧气等一些气体先透过膜，成为富氧气体，而渗透率较慢的氮气则滞留富集，成为干燥的富氮气体，使氧氮分离。膜的分离选择性(各气体组分渗透量的差异)、膜面积和膜两侧的分压差构成了膜分离的三要素。其中，膜分离的选择性取决于制造商选用的膜材料及制备工艺，是决定膜分离系统性能和效率的关键因素。
气体分离膜是近年来发展很快的一项新技术，被认为是20世纪末到21世纪中期最有发展前途的新技术之一，不同的高分子膜对不同种类的气体分子的透过率和选择性不同，因而可以从气体混合物中选择分离某种气体。美国洛杉矶加州大学的化学家用一种能导电的有机材料制作出一种薄膜，这种聚合物能掺人带电的原子，利用掺杂剂的含量来改变薄膜的渗透性，在透过这种薄膜时，氧比氮快。目前，气体分离膜的研究主要集中在富氧膜，作为富氧膜的高分子，要求兼具高透过性和高选择性。
膜分离技术应用在低浓度富氧生产中最具有优势，但是由于国内膜的制造技术处于发展阶段，大多从国外进口，价格较高，且膜易老化，限制了该技术的发展，目前在空分制氮项目中应用很少。其工作流程如下：空气压缩机→冷却器→高效除油器→冷冻干燥机→过滤器→加热器→膜分离组件→氮气储气罐→用户。
2、技术特点
2．1深冷分离的技术特点
可同时制取氮气和氧气，一般适用于用气量≥5000 m3／h、所需气体露点较低、纯度较高的场所。操作控制及监控点多且比较复杂，生产出合格氮气的时间长，无法随开随停，无效能耗的过程长。须定期维护和保养，操作人员需要长时间专业技术培训，办理气体分离特种作业证，并且要具有丰富的实践经验。机组复杂，占地面积大，安装费用高。深冷分离较适用于用气稳定、长期用气的生产中。
2．2变压吸附的技术特点
变压吸附技术是一种低能耗的气体分离技术。变压吸附工艺所要求的压力一般在0．1—2．5MPa，允许压力变化范围较宽，对于处理一些有压力的气源，气源本身的压力可满足变压吸附工艺的要求，可省去再次加压的能耗，装置的消耗仅是照明、仪表用电及仪表空气的消耗，能耗很低，优势比较明显；变压吸附装置压力损失很小，一般不超过0．05 MPa。变压吸附装置可获得高纯度的产品气，可得到95．O％一99．5％的氮气产品；变压吸附工艺流程简单，无需复杂的预处理系统，一步或两步即可实现多种气体的分离；变压吸附装置的运行由PLC自动控制，自动化程度高，操作方便，启动后短时间内(一般40 rain)即可投入正常运行。
2．3膜分离的技术特点
膜分离的技术特点：①易于操作，随时开关，不需要多人操作；②易于安装，占地面积小，质量轻，应于小或拥挤的场所；③安全可靠，生产中产品不合格时系统将自动关闭以保证产品质量；④能耗低，大大降低生产成本；⑤连续过程，无需循环切换，不中断产品供给。
3、 3种装置的基本参数比较
3种装置的基本参数比较情况如表1所示。
4、结 论
深冷分离和变压吸附制氮技术都是比较成熟的技术，由于对氮气的质量和规模要求不同，深冷分离和变压吸附各有优劣。深冷分离法可同时获取多种气体，适合大规模生产；变压吸附法制氮只能制取单一气体，投资省，启动快；膜分离法较适合氮气纯度≤98％的中小型用户，但是膜分离具有投资低、占地面积小、运行成本低、产气快、噪声低等优点，是一种值得推广的技术。
