1、 氮气的制取方法及供氮方式
氮气在自然界中分布很广，它的分子式为N2，是空气的主要成分，氮气在干燥空气中体积占空气的78．08％。因此，空气是制取氮气的最大原料库，它取之不尽，用之不竭。
工业用氮的制取方法主要有：低温精馏法(深冷法)：低温精馏法已有100多年的历史，工业上大规模生产氧、氮以此法最为经济，但至今已难以在空气分离领域中一统天下；变压吸附法：20世纪70年代初，我国变压吸附法制取N2的就地装置开始在市场上出现，经过不断完善和改进，促使中小型空分设备在制氮领域内采用变压吸附法已远远超过低温精馏法；薄膜渗透法；化学吸收法。
目前国内外供氮的方式，一般有以下几种：氮气就地装置供氮；液氮贮槽汽化供氮；管线供氮；钢瓶供氮。
我国在20世纪80年代前制氮装置大多采用深冷法．深冷空分作为一种传统的制氮方法为人类服务了几十年，至今在大规模供氮时还是离不开深冷法。然而，深冷空分装置复杂，设备投资、占地面积及基建费用等都比较大，操作、管理和维修也比较麻烦，因而20世纪70年代以来，国内外积极运用变压吸附分离理论，研究开发分子筛空分的制氮技术，变压吸附制氮设备简单，装置小巧，投资省操作、维修方便，可实现自动和远程控制，所以。它备受青睐。
2、 变压吸附分离原理及技术优势
2.1 变压吸附分离原理
变压吸附制氮(简称PSA制氮)是一种先进的气体分离设备，以优质的碳分子筛(CMS)为吸附剂，采用常温下变压吸附原理(PSA)分离空气制取高纯度的氮气。氧、氮两种气体在分子筛表面上的扩散速率不同，直径较小的气体分子(02)扩散速率较快，较多地进入碳分子筛微孔，直径较大的分子N2扩散速率较慢，进入碳分子筛微孔较少。利用碳分子筛对氮和氧的这种选择吸附性差异，当压缩空气通过碳分子筛吸附塔时，氧在吸附相富集，氮在气体相富集，可使氧氮分离，在PSA条件下连续制取氮气。碳分子筛对氧的吸附容量随压力的降低而减少，减低压力，即可解吸，完成碳分子筛的再生。另外。碳分子筛对二氧化碳和水分也有吸附能力，且较容易减压解吸。碳分子筛对氧氮的吸附速度相差很大，在短时间内，氧的吸附速度大大超过氮的吸附速度，利用这一特性来完氮分离。
2.2变压吸附制氮装置优势
(1)成本低：PSA是一种简便的制氮方式，开机后几分钟产生氮气，氮气成本低于深冷法空分制氮；
(2)选用优质进口碳分子筛：具有吸附容量大，抗压性能高，使用寿命长；
(3)雄厚的技术力量和优良的售后服务：设备集装箱化，现场安装时，只需连接气源，电源；
(4)优良的电气和机械装配技术，提供连续性技术服务，负责现场调试及培训工作；
(5坻能耗：采用独特的吸附塔、布气系统碳分子筛装填工艺，并针对不同要求的制氮机选用不同工艺和不同型号的优质碳分子筛，使吸附塔体积缩小，空气消耗量降低，从而合使能耗降低；
(6)智能化：采用人性化的人机界面，智能化控制，您所做的只是按一下按钮，就能源源不断的供应所需的氮气，解决您外购氮气及搬运气瓶的烦恼；
(7)个性化；为特殊客户量身定做，无需氮气纯化装置，也可直接制取纯度为99．99％的高纯氮气；
(8)模块化：采用独有国家专利技术的模块化结构，设备结构清晰流畅，紧凑美观，具有极大的灵活性，便于未来系统扩容，降低投资成本；
(9)长寿命：采用独有的气流控制技术和分子筛装填技术，最大限度的减小气流对分子筛的冲击，降低分子筛的磨损，寿命更长。
2．3变压吸附制氮装置流程简述
变压吸附制氮装置采用常压解吸双塔流程，即环境空气经空气压缩机并吹除饱和水后，流经冷冻干燥机组，除去大部分的冷凝水。除油后进入分子筛吸附器，以保障碳分子筛的吸附效率和寿命。
吸附器共有两个，净化后的压缩空气进入一个吸附器的底部向上流动，在经过分子筛时，少量水分、二氧化碳和氧被其吸附，流至吸附器顶部的气体，即为所获得的产品氮。空气中氧、氮的分离是在两吸附器之间轮流进行的，所设置的切换阀使一个吸附器处于加压吸附状态，另一个吸附器则处于减压解吸状态；如此交替，便可连续生产氮气。所供氮气的压力一般为0．5～0．8MPa，氮纯度可达99．5％~99．99％。99．99％以上的纯度一般配后级净化装置(小设备除外)，使生产的氮气纯度达到99．995％99．9995％的高纯氮。
空气分离设备--变压吸附制氮装置主要技术指标：氮气产量1-2000Nma／h；露点：．40~60℃：氮气纯度：950／'0--99．999％；氮气出口压力：≤0．6MPa；压缩空气：压力≥O．8MPa。
2．4碳分子筛(CMS)及吸附原理
(1)原材料(煤、树脂、椰壳等)进行氧化、粉碎精选、碳化等一系列工序，加工成同时具有大孔(>500x10dom)、过渡孔(20500x10。om)、微孔(3x10‘10～30x10。om)和超微孔(<3x10J0m)的碳分子筛，其内部结构为海绵状互相连通的发达的多孔组织。
(2)碳分子筛常被制成柱状或球状。一般柱状优于球状，但装有柱状分子筛吸附床流体阻力稍大于球状的，这对降低气体的窜透效应，提高产品氮气纯度有利。
(3)碳分子筛对氧气与氮气有着共同吸附传质的过程，碳分子筛属于速度分离型吸附剂，当被吸附物质的性质相差不大时，直径较小的气体扩散速度较快，进入吸附相的也较多，相反直径较大的气体分子扩散速度慢，进入碳分子筛吸附剂的分子较少。
表征吸附分离能力强弱的主要依据微孔孔容和比表面积，对氧、氮分离来说，碳分子筛的孔径最好能控制在0．3nm以下。
2.5碳分子筛的典型种类
(1)以树脂为原料：国产分子筛；
(2)以煤为原料：德国RC工程公司CMS．F(BF)型分子筛，2002年前的国产分子筛；
(3)以椰壳为原料：日本武田分子筛。
3 、变压吸附制氮装置选型时注意事项
变压吸附制氮装置(简称制氮机)的选用涉及问题较多，主要应注意如下事项：
3.1气源系统配置应合理
由于吸附剂是绝对不能被油或水污染的，否则吸附效果会大幅度下降，因此气源的清洁度是十分重要的。根据压缩空气中不可避免含有一定油蒸气的实际情况，因此一般应选用无油压缩机。如果采用有油压缩机，则系统必须配置严格除油的装置，以确保分子筛不被污染。同时由于水对分子筛来讲是第二个致命“杀手”，因此压缩空气需干燥除水，提高分子筛吸附能力和稳定是需要十分重视的问题。
3.2碳分子筛(CMS)质量应可靠
碳分子筛是变压吸附制氮设备核心。碳分子筛的主要性能指标：硬度、最大产氮量、最大回收率、充填密度等都会直接影响CMS的吸附性能与使用寿命。
3.3碳分子筛应采用先进的装填方法
碳分子筛装入吸附塔后，吸附塔的结构必须保证碳分子筛在气流冲击下，位移最小，否则容易造成分子筛的粉化。但分子筛在塔内是不可能“绝对紧密”，在使用一段时间后，分子筛间的空隙在减少，慢慢下沉，因此必须采用压紧绷装置，使碳分子筛处于压缩状态，以免相互碰撞，发生移动，导致分子筛粉化。
3.4 控制阀门的使用寿命
阀门的使用寿命应超过106次。阀门必须具有以下性能：应在接受动作信号后的0．5～ls内完成开或关的动作；密封性能好；能承受频繁的开、关，保证106次的使用寿命；维修方便；易损件采购方便。
4、技术发展和展望
变压吸附制氮技术的发展主要是吸附剂技术的发展。1977年德国埃森矿业研究有限公司BergauForschung(B．F公司)研制开发了碳分子筛制氮技术以来，日本美国等都迅速发展起来。1981年吉林化工设计研究院研制的碳分子筛通过了省级鉴定，随后中国船舶工业总公司也研制开发了碳分子筛。1986年浙江长兴化工厂采用上海化工研究院技术生产的碳分子筛成为国内主要碳分子筛生产力量。国外大批量生产碳分子筛的有德国BF公司、美国Calgon碳公司、日本Takeda化学工业公司和Kuraray化学品公司。通过对不同的分子筛比较，国内碳分子筛的产氮率还远低于国外产品，主要原因是国产碳分子筛比表面积仅是BF公司的55％，微孔不够发达。造成此状况的原医是没有完全掌握制作工艺条件和原料配比，检测设备落后无法及时监控生产，原料煤杂质高等。近年来国内碳分子筛也有了长足进步，以浙江长兴化工厂的碳分子筛的产氮率也接近180Nm3／h·t，但是性能不稳定易粉化，使用超过3～6年产气量明显下降。
工艺流程的设计发展与20世纪70、80年代相比也有了很大发展。用产品氮气的充压和冲洗等流程的采用，提高了氮气回收率和产量。从2塔流程发展到三塔四塔流程，提高了装置的经济性能。特别是不等势均压的应用，使均压后的2个吸附塔内氮气纯度不同，从而降低排空气体的含氮量，提高回收率。从变压吸附制氮运行装置来看，国内主流流程为以国外碳分子筛为吸附剂，采用双塔流程，在0．6~0．8MPa吸附压力下，利用氮气冲洗和常压解吸流程，提取氮气。这种配置能耗低，在0．3～0．4Nm3／kW·h左右。最新碳分子筛研究技术是向碳分子筛中添加氧化铁，以其磁性增加碳分子筛对氧气的选择吸附性。日本有过书面报道，大连理工大学也进行了这方面的研究。在将来变压吸附制氮技术生产的氮气纯度高于99．999％是极为可能的。从目前制氮技术应用来看，碳分子筛技术成为主流技术，沸石分子筛技术由于处理原料气和真空解吸等繁杂步骤应用较少。尽管沸石分子筛技术可以提取高纯氮，不过能耗高规模也在200Nm3以下。高纯氮制取一般采用加氢脱氧技术，在普氮中加入适量的氢气，在加氢脱氧催化剂作用下，氢气和氧气反应生成水，然后再除去残余的氢或氧，最后通过干燥塔除去水分得到高纯氮气。
采用变压吸附技术从空气中提取氮气，在中小规模用户已经广泛普及。在2000Nm3／h能力范围内，比深冷更具吸引力，已经成为氮气市场的主流，它不但生产过程简单，维护操作方便，产品纯度在一定范围内可以任意调节，而且规模从几十到上千方规模可以任意选用。
