工业制氮

2）工艺流程分子筛空分制氮的主要设备如图一所示。该系统的核心分子筛（如碳分子筛），装在吸附塔A和B之内，工作时压缩空气过滤后分别进入A塔和B塔，A与B两塔交替轮换进行加压吸附产氮和减压解吸再生的变压吸附操作。实现氧氮分离，从而连续制氮。
流程示意
3）特点：
与传统的深冷法相比它具有如下优点：
A .起动速度较快：通常在开机后30分钟左右便可获得合格的产品氮气。而深冷法则需6小时以上的启动时间。
1.3蒸汽、泡沫、氮气注井
实践证明，蒸汽、加泡沫剂、加氮气注井是稠油开采及油气井二次开采的最有效手段。在重质稠油地层，稠油粘度高、渗透性及流动性极差，用传统采收技术无法奏效。单独注入蒸汽会发生汽串而减低蒸汽的驱油效力。使用蒸汽泡沫注入工艺，向井内注入高温蒸汽泡沫，蒸汽泡沫阻尼大，地层中原有裂缝通道对蒸汽阻力增大，从而减低汽串的负面作用，使含油地层温度升高，在高压氮气的作用下，稠油井可以成为自流井。
二、制氮原理及各种制氮方法的比较
通常是直接从空气中获得氮气，空气中含有大量Fra Baidu bibliotek氮气。工业制氮主要是通过空气分离来实现的。目前的制氮方法主要有三种，即深冷空分法、分子筛空分法及薄膜空分法。
深冷空分法是将先空气液化然后对液化空气的精馏进行制氮，它适用于大规模生产。它的特点是产气量大、设备庞大复杂、产品纯度高成本也高。
大连力德科技开发有限公司氮气作业系统的组成：
A．主动力系统
B．空气压缩机系统
C．氮气发生器系统
D．氮气增压机系统
E．蒸汽泡沫注入系统（本项用于蒸汽、氮气、泡沫注入）
大连力德科技开发有限公司氮气作业参数可根据用户要求设计1．氮气排量
氮气排量：在氮气纯度为95％时，氮气排量为10一20Nm3 / min出口压力：< 5000Pis ( 35Mpa )
由于膜分离器原理及结构简单合理，所以比深冷法和分子筛法具有更多的优越性，除分子筛空分法所具有的优点外，膜法还具有如下几个特点：
A .启动迅速：从开机到产出氮气只需5分钟左右，而深冷法需6个小时以上，分子筛需要30分钟左右。
B .无运动部件：深冷及分子筛系统中均有运动部件，而膜法没有，不需维修，可靠性高。
1．高压应用
1.1压裂酸化
压裂酸化作业是目前油田稳产、增产的有效措施之一。压裂酸化后，油层裂缝通道加长、渗透性改善、油气采收率提高。根据有关统计资料，油气井进行得当的酸化作业后，产量可增加几倍至几十倍。
1.2气举排液
压裂酸化完成后，要进行必要的排液和诱喷作业。近年来油田采用气举诱喷新工艺，效果良好。气举排液、气举诱喷是指向井筒内注入一定量的高压气体，高压气体将油管内的液体扒到油管最下部，高压气体从油管下部进入套管空间成正举法，使环形空间内的液体和气体充分混合，并一同从井口喷出。此时井底压力急剧减小，油气喷向低压区的井底口，渗透并引起自喷。因井底积水停喷的油井使用氮气排液后，可将井抽活成为自喷井。向油井内注入的高压气体必须具有阻燃抗爆的特性，而空气中的氧分在高压高温下容易引起燃烧爆炸不宜使用，目前油田普遍使用液氮和液态二氧化碳。液氮和液态二氧化碳价格昂贵，需要专用设备长途运输，不适合油田的过程，从热能方面来讲，也是一种极大的浪费。而现场制取氮气系统可从空气中直接分离氮气，不需要外加电源及其他外围设备，消耗能源少，移动方便。
1.4管道、容器试压
在管道或容器内残存易燃、易爆气体或液体时，氮气系统可同时做吹扫及试压工作。
2.中压应用
2.1管道吹扫
易燃易爆气，液输送管线维修前，须对管道中残留气、液进行吹扫。根据管道的实际情况，用一定压力和流量的氮气对管路进行吹扫作业。
2.2燃油储罐气封
燃油储罐顶部残存空气是造成油罐起火爆炸的主要原因之一。在油罐顶部充氮，是解决这一隐患的根本途径，这一方法同样用于其它液体储罐
本世纪60年代期间，以天然气作为提高采收率的主气源，后因天然气供应不足及价格升高等原因，人们又寻求用二氧化碳做气源。但二氧化碳气源通常在远离井场的地方，因此使用也不方便，而且二氧化碳在原油中有一定的溶解。70年代后期，开始转向资源丰富的氮气，因为空气中就含有大量的氮气（空气中含有78%的氮气，21%的氧气，1%的其它气体）而且与天然气和二氧化碳相比具有无腐蚀、适应性好、经济等优点。三者相比较氮气的价格为每立方米约合人民币
2）工艺流程
如上所述，薄膜空分制氮是利用空气中的氧和氮通过中空纤维膜时的不同渗透率，把压缩空气分离为富氧和富氮的两股气流。薄膜空分制氮装置由膜分离器，空压机，加热器等部分组成。具体示意见（氮／氧膜分离器示意图）。在空分制氮流程中，中空纤维膜分离器是核心部分，过滤及加热部分是为保证原料气能清洁恒温地进入膜分离器延长膜的使用寿命。由图二可以看出，分离器的左端是空气入口．气体进入空纤维膜后氧气迅速渗透过去，从侧口出去，氮气继续前进从分离器的右端出去。在系统中，分离器是并联安装的，并联多少分离器可根据产气量和空压机排量等诸多因素而定。3）特点：
B .随时停机：可根据需要随时开车和停机，即使停机数小时甚至几天，都不会影响运行工况，而深冷则做不到。
C .实现自动化操作：设备少，运行正常后就可进行自动化及无人操作。而深冷装置机组多。故障因素多，即使自动化程度很高也得有人看管。
D.装置紧凑，占地面积小：因设备少无需建专用厂房，工程建筑投资省，而深冷机组复杂，占地面积大，故工程建设造价高。
大连力德科技开发有限公司油田高压氮气作业系统为高压大容量氮气系统，可以从空气中直接分离氮气、运行成本低、可靠性高。整套系统由制氮撬及增压撬组成，可由两部国产卡车载运，移动便捷。该系统可用于气举排液、稠油开发、二次采油、管道容器试压。制氮撬可作为低压及中压氮气气源单独运行，无需联结增压撬，可应用于管道吹及储油罐充氮防火，水果保鲜等多种用途，系统配制灵活操作灵活简便。
3．中空纤维膜空分制氮法
l）原理压缩空气由中空纤维膜分离器的纤维管程进料，其分离推动力就是气体各组分的分压在中空纤维内腔原料侧与外腔（渗透侧）所形成的分压差，当气流沿中空纤维内腔表面流动时，各组分在其分压差的推动下，渗透到丝外。“快气”如氧气H2O迅速渗透。所以丝外（渗透）气流量为富集氧气，压力为一大气压，被排放至大气中。而那些氮气、氢气的溶解扩散速度较低，决定了它们通过膜的渗透速度较慢，因此管程（非渗透侧）气流为富集氮气，氮气压力损失很小，产品氮的压力只略低原料气的压力。
0.12-0.24元，天然气的价格为每立方米约合人民币0.46-1.38元，而二氧化碳的价格为每立方米约合人民币0.39-0.92元。目前，美国和加拿大每天向油层中注入高达一千四百多万立方米的氮气，用以提高原油的采收率。在美国实施注气的30个油田中，注氮气的就有25个。
从多油藏的角度看，油层注氮主要有如下几方面作用
现代薄膜气体分离技术支柱的中空纤维膜分离器是美国盂山都公司的子公司Permea（帕米亚）于1 979年首先研制出的第一个工业用薄膜空分装置。其原理是利用薄膜对氧和氮的不同选择性，使氧和氮透过薄膜的渗透率不同而达到分离氮的目的。中空纤维膜在正常情况下使用寿命可达十年以上。
三、大连力德气体分离技术有限公司氮气作业系统
2）特点
产气量大，日产气量最大可达140万立方米以上，氮气的纯度高，可达99 . 999 %，并可连续工作。但不利因素也很突出，深冷设备庞大复杂。占地面积大、不易操作管理、启动时间长、工程建设造价高。由于其设备庞大不可能放在油井现场，液氮要运至现场需要使用液氮车。
2 .分子筛空分法（PSA )
l）基本原理由于氧气和氮气在分子筛吸附剂微孔内扩散速度不同，当空气经过分子筛时，直径较小的氧气分离以较快的速度向微孔内扩散，并优先被分子筛所吸附，剩下直径较大的氮分子供用户使用，而后再采用解吸方法释放分子筛中的富氧成分。因此分子筛空分法要连续生产需使用二个吸附罐，切换使用。
无
简单
较大
小
操作维修情况气源要求
氮气纯度%
启动时间
随时开，停车
运转稳定性
无人操作
再生工艺
维修情况
产量扩大可能性脱水，脱油
〉99.9
〉6h
不可
较难
不可
不需
需要
不能脱水，脱油
97-99.9
《30min
可以
好
可以
需要
需要
不需脱油
95-99.9
〈5min
很好
很好
可以
不需
不需
可以
从对三种空分法的技术分析来看，深冷法除在产气量大时（12 . 5万立方米／小时）有优势外，其系统占地面积、生产情况、运转状况、操作及装置保养等诸多方面均不如分子筛和薄膜空分法，尤其是油田开采地点不固定这种条件下，需使用罐装车运送至现场，一则使用量受液氮车容量的限制，一车液氮需一次使用完毕；二则运输等条件多有不便；三则氮气由气态变液态再变为气态本身就是一个能量损耗过程，而且液态车的价格很昂贵。因此深冷法液态氮气使用受到各方面的限制。
分子筛和薄膜空分法是本世纪70一80年代发展起来的新型空分技术。与深冷空分法相比具有结构简单、工艺流程简单、出气时间短、运转部件少、运转稳定性好、价格低廉等优点。
三种制氮方法原理如下：
1 .深冷空分法
l）原理及工艺过程深冷空分法在制氮领域内是最传统，技术也是最成熟的一种方法。它将压缩后的空气送入冷却装置内，使之液化，再进入精馏塔精馏，把低纯度的氧气冷凝下来，而产出高纯度的氮气，最后进入换热装置使之接近环境温度。
1．保持油层压力
将油气层的压力保持或高于其露点压力或泡点压力，或保持在目前压力水平上，以使油气层流体能顺利流出。
2．重力泄油和非混相驱
根据氮气密度小的特点，将其注入构造顶部或允许其运移至构造顶部，增强向下驱替油层流体或重力和稳定混相段塞的作用，提高油气层流体的产量。
3．混相驱
利用氮气的多次接触混相作用驱替油气层中的油气。
4．驱动二氧化碳段塞
利用氮气作为驱替流体扒动二氧化碳等溶剂在油气层中所形成的混相段塞。5．阁楼油开采
高压氮气可将构造顶部的阁楼层中被圈闭的原油驱替到生产井中。
6．气顶驱替
在油藏最佳部位注入氮气，可保持或提高油藏压力并同时驱替和采出气顶气。
从其具体使用情况看主要有以下几方面的用途
氮气泡沫液由含表面活性剂的水溶液和氮气组成，其中气体是分散相，液体是连续相。气体在液体中呈小气泡分散状态。气体的直径越小，泡沫流体的性能越好。同时泡沫流体具有密度小、粘度大、携砂能力强，遇水敏性地层不会产生粘土膨胀问题，同时具有良好的封堵能力等特性，被广泛的应用于钻井、压洗井、压裂、酸化、堵水、调剖，氮气泡沫驱等方面。
氮气在石油和天然气工业上的应用
一．氮气在油田中的应用
随着石油工业的发展，石油储量在逐年下降，石油的开采越来越困难了。然而仍然有近2/3的原油因为一二次未能采出而被封锁在地下，现在人们正为此而全力探索新方法和新技术。向油层注氮以提高原油采收率，就是其中一项新技术。利用氮气自身特性进行油层压力保持、混相与非混相驱及重力泄油等技术，可大大提高采收率，对我国石油工业稳产、高产具有很大意义。
按传统作业方法进行一次采油和二次采油采出的原油只有原始地质原油储量的1/3，仍有2/3左右的原油被封闭在油层中。在美国靠传统的开采技术已采出大约1000亿桶原油，油层中仍还有近70%的原油约3000亿桶残留在地下。要想尽可能多的采出这部分原油，就必须不断采取提高采收率的新方法。一般来说，向油藏中注入流体包括液体和气体，就是这样一种新方法。与注液体相比，注气具有注入质量少与油层不混相等优点。注入气体有空气、天然气、二氧化碳和氮气等。由于注入空气可能会导致空气和地下天然气混合达到爆炸极限，而产生爆炸，历史上曾发生过这种悲剧，因此现在注空气已被禁止或严格控制使用。
C .可移动性强：全部设备、仪表可以集中安装在一个可移动的框架上，灵活性高，可在多种场合就地现场制氮。
三种空分制氮法的综合比较
分离方法深冷分子筛膜分离
原理分离机理低温精馏高压吸附/低压解吸溶解扩散
相变化有无无
设备情况安装方式
运动部件
工艺流程
生产能力
占地面积固定式
有
复杂
大
大固定，移动式
有
简单
中等
小移动式
从资料上看，美国参与注氮项目的30个油田中的5个油田因注氮气而产出原油累计1 1 . 4亿地面桶，占其原始地质储量的68％。
在洛杉矶地区的4个油田，为了油层非混相驱、混相驱和凝析油藏保持压力而向油层注入了452 . 8万立方米的氮气，由此增产的原油达2亿桶。相比之下中国的注氮技术刚刚起步。目前在中国辽河、胜利、华北等油田己开始进行注氮项目的试验研究，并已经取得了一些可喜成果。