集装箱式制氮装置.docx

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集装箱式制氮装置

气体钻井

气体钻井是近年来发展起来的一种欠平衡钻井方式，用气体压缩机向井内注入压缩气体，依靠环空高压气体的能量，把钻屑从井底带回地面，并在地面进行固/气体分离，将分离出的可燃气体燃烧释放、除尘、降噪的一种钻井方式。

和传统泥浆钻井相比，气体钻井优点为：

提高机械钻速，减少或避免井漏，延长钻头寿命，减少井下复杂事故，减少完井增产措施，降低钻井综合成本，保护油气产层，增加油气产量。

气体钻井设备配套组成为：

空气压缩机系统，增压机系统，膜分离制氮设备系统等。

集装箱式制氮车为气体钻井提供氮气源，为钻透油气产层提供安全保证。

基于捷能膜的优势——高压膜能更好的匹配空气压缩机，高的分离效率，对于大流量的气体钻井节能优势更为明显，IGS业已成为此行业的领导者。

在中国，我们的制氮装置已经在如下的气体钻井现场作业过：

宜宾塔15井、大邑1井、普光2井、普光3井、普光10井、普光301-4井、普光12井、大湾102井、大湾3井、清溪1井、清溪2井、龙岗6井、莲花000-X2井、达州大湾101井、德阳新2井、彭州马蓬1H井、龙岗12井、龙岗110-6井、龙岗21井、龙岗29井（２次）、龙岗19井、龙岗16井；龙岗28井、龙岗26井、龙岗27井、龙岗36井、普光301-4井、河坝102井、云坝2井、河坝101井、新沙311井、普光201-4井、普光3011-1井、普光3011-5井、普光101-3井等。

工艺原理

由空气压缩机提供压缩空气，进入集装箱式制氮装置，经过空气系统的净化、温度控制，进入膜分离制氮，分离出合格的氮气通过管线送出装置外到增压机，再进入下一工段。

集装箱式制氮装置在气体钻井现场（2006年）

集装箱式制氮装置常用规格

型号

NPU1800

NPU2700

NPU3600

流量Nm3/h（纯度95%）

1800

2700

3600

集装箱规格

6mx2.4mx2.6m

7mx2.4mx2.6m

7.5mx2.4mx2.6m

说明：

1）氮气纯度可调范围为：

90%-99.9%

2）其他规格可根据用户需求量定做

膜制氮

工艺流程

实际生产过程中，喷油螺杆压缩机产生的压缩空气，在排气温度和压力下为油/水的饱和气体，在后面的工艺过程中，温度降低，会析出液态的油和水，该液态的油和水会对膜性能造成伤害。

因此，在选择好膜的前提下，还应该提供一个完整的解决方案—膜系统的空气处理和控制系统。

空压机提供的压缩空气进入空气缓冲罐，再进入多级过滤器，包含活性碳过滤器---除去空气中的颗粒、油、水。

洁净的空气进入膜进行氧氮分离，产生的氮气进入到用户用气工段。

一般地，进口的过滤器一般能将空气中的颗粒除到﹤0.01um，油﹤0.003ppm，完全能满足膜对空气质量的要求；在过滤器的中间还有温度加热及控制器---保证膜在最佳的工作条件下工作；恒温的，洁净的空气再进入膜进行分离，合格气体进入下道工序，不合格气体自动排放。

因此，维护膜系统时，其中的定期工作之一是检查过滤器的工作情况。

工艺流程图示为：

膜设备的特点

和其它的现场制气方法比较，膜制氮具有：

●技术先进，是常温空气分离的最新技术

●没有噪音，完全静态运行，满足环保要求

●没有运动部件，设备维护保养少

●连续运行可靠性高、设备使用寿命长，可达10年以上、

●增容简单，仅仅需要并联添加膜件即可

●和PSA比较，没有大的空气罐和氮气罐，体积小、重量轻，

是移动制氮设备的不二选择

●氮气露点低、可达-60℃

●氮气没有任何灰尘、颗粒

●开停机方便迅速，操作简单，能在短时间产生合格氮气

●设备形式可以根据用户应用情况，有箱式、撬装式、集装箱式

●设备对土建没有任何特殊要求，安装费用低

●对环境无特殊要求，可在恶劣工况下运行

撬装式膜制氮设备1000Nm3/h@95%

西梅卡膜制氮设备的优势

●与膜件生产商和系统集成商捷能（Generon®）同属于IGS集团，

共享膜技术研发、成套、应用的经验；

●选用世界上业已经证明的最好的捷能（Generon®）膜；

●配套高档，保证系统稳定性；

●完善培训和服务体系，保证设备使用无后顾之忧；

●选用高端的空气净化系统,确保了膜的长寿命。

1997年投入使用至今的膜制氮设备

膜制氮设备形式

根据用户的需要及使用现场实际情况，西梅卡可设计撬装式、固定式、移动式膜制氮设备（车载式及集装箱式两种）。

移动式制氮车

无论是在偏远的山区还是在遥远的沙漠，移动式制氮车都能满足不同用气量、连续用气的要求，确保客户生产。

作为世界上最大的移动制氮车供应商，结合其核心产品—捷能膜，IGS集团深谙顾客需求，我们已经提供的上百套移动式制氮车，包含了IGS工程师、用户的智慧结晶，确保我们比别人更了解移动式制氮车的设计、制造和应用。

专业 —IGS集团的经营哲学，指导我们密切与专业成套供应商Sullair、Atlas、Ariel、GE等合作，以确保移动制氮车的高质量、长寿命，为客户带来长远价值。

移动制氮车NPU900/95/35

工艺原理

环境空气经喷油螺杆空气压缩机组进行压缩、油/气分离、冷却后，进入膜系统的空气处理装置；膜系统的空气处理装置对空气中的油/水进行分级过滤、温度调节、活性碳吸附除油等处理。

处理后的干燥、洁净、恒温的压缩空气进入膜分离制氮装置；膜分离制氮装置对处理后的空气进行氧氮分离，分离出的富氧空气收集后排入大气；达到所需纯度/压力的氮气再经增压机组增压到用户所需的压力后，送至用户下段使用。

系统构成

移动制氮车的三个主要构成为：

空气压缩系统、膜分离系统、增压机系统，运转设备为空气压缩机及增压机，膜分离为静止的物理过程。

一台移动制氮车可以生产不同的气体，满足不同的生产需要，这些气体包含：

●低压压缩空气

●净化后的低压压缩空气

●低压氮气

●高压氮气

●高压空气

西梅卡秉承专业的哲学，选用专业成套设备的空气压缩机及增压机，专注于膜分离系统的技术和生产，给用户带来的价值为：

●专业生产经验，从设计到生产运用保证产品的质量

●产品质量保证期长，如Sullair的机头5年或者10000小时保证

●享受西梅卡及原厂的双重服务

●完善而范围广泛的售后服务体系，如Sullair/Atlas在全国建立了几十家售后服务点

移动制氮车常用型号及主要组成

设备型号

NPU600

NPU900

NPU1200

技术参数

流量（95%N2）Nm3/h

600

900

1200

排压（MPa）

2.0-35

系统构成

捷能膜组

NPU600

NPU900

NPU1200

空压机

Sullair900XHDL

Sullair1150XHDL

Sullair1350XHDL

增压机

ArielJG/2

GEH302

ArielJGA/2

GEH302

ArielJGA/4

GEH304

说明：

1）产品氮气纯度可调（范围为90-99.9%）

2）其他规格产品可根据用户用气要求量身定做（氮气>100Nm3/h，压力>0.5MPa，纯度90-99.9%）

3）以上表格主要设备选型是以高压膜为参考，也可选低压膜（13.8bar）

4）以上主要设备选型中空气压缩机可选Atlas

移动制氮车应用

采油生产

●注气保持油井压力

●氮气驱、氮气泡沫驱

●气举作业

●配合连续油管车作业

●热采助排、提高采收率

●蒸汽吞吐氮气井筒隔热

完井及修井

●控制泥浆密度

●清洁油井

●表面活性剂的理想载体

●提高油井产量

●延长油井寿命

管道应用

●管道的试压及吹扫

●管道氮气填充

●吹扫处理易燃液体、气体的容器及管道

●管道和容器的置换、抢修等作业

●利用氮气的惰性特质，用于“气封”

管道应用举例

● 油气管道

●油气集输

●LNG接收站

●化学品码头

●城市油品，燃气罐及管道

÷?

600Nm3/h800Nm3/h1200Nm3/h?

6000

15MPa20MPa25MPa30MPa35MPa?

е?

С?

IGS?

100?

NPU?

Texaco

Aramco

MountainAir

QuintonLittle

Hibernia

BurkRoyalty

Statoil

Aavangen

Chevron

Stewart&Stevenson

OdraGas

Oilvest

Shell

AmeradaHess

Pemex

Weatherford

Conoco

Oiltools

Sinopec

HoekLoos

SanteFeDrilling

Mitsubishi

Nitro-LiftService

Sinopec

CNPC

DomePetroleum

Halliborton

NPU租赁设备

设备租赁，在市场经济发达的国家，作为一种简便、高效的方式被广为使用。

在全球范围内，IGS是行业中唯一提供集装箱式制氮设备装置（NPU）租赁的服务商，拥有20多套NPU租赁设备，在中国、北美、墨西哥湾、中东、北海....，都能见到IGS标记的NPU租赁设备。

IGS不但提供设备，还提供操作、维护服务，因此累积了丰富的使用经验，保证了比别人更了解NPU。

租赁NPU设备规格

规格型号

流量

纯度

压力

尺寸/米

重量

接口法兰尺寸

连接电源线

NPU3600

60Nm3/min

95%

2.0MPa

6x2.4x2.6

约11吨

进口4"，出口21/2"

100米

NPU1800

30Nm3/min

95%

2.0MPa

6x2.4x2.6

约8吨

进口4"，出口2"

100米

为了满足客户的具体需求我们提供仅出租设备的干租和出租设备及服务人员的湿租两种形式。

租赁业务的优点

●即租即用，可免去购买新设备的时间。

可免去购买设备后的操作、维护人员，节约人力成本。

●西梅卡租赁设备配备专业的现场操作工程师，负责设备操作，保证设备处于最佳作业状态。

●既满足用户使用需要，又可减少用户的投资，实现财务利益最大化。

●简洁的租赁手续、灵活的租期、机动能力高、环境适应力强。

租赁设备在中石化第一口氮气钻井

—四川大邑1#服务

变压吸附制氮

西梅卡可为各类用户提供从便携式到大型的数以吨计的PSAN2系统，我们一直是亚洲最大PSAN2系统记录的创造者和保持者。

高可靠性，低运行成本和长使用寿命是西梅卡制氮设备的标致特征。

为用户带来长久的经济效益。

西梅卡的PSAN2设备还具有：

• 设备自动运行，无人值守

• 可以变工况运行，范围为30-100%

• 运行成本低，是同类产品的70-80%

• 市场上最高端的系统配置

• 控制系统能输出控制信号到上位机实现工厂的中央控制

• 为高端用户提供人机界面

• 能提供最足量氮气

• 灵活的设计以满足不同客户的特定氮气需求

• 中、小型装置撬装式/箱式一体化设计，方便运输和安装

2000Nm3/h@99.5%+600Nm3/h@99.9995%

亚洲最大的单套PSAN2

变压吸附制氮原理

变压吸附制氮是利用了吸附剂---碳分子筛在不同压力下对氧、氮的吸附能力大小的不同而达到分离空气中氧氮的目的。

变压吸附制氮是一种常温空气分离技术，和传统深冷空分相比，具有工艺流程简单，设备制造容易，适应性广，自动化程度高，运行成本低，投资省的特点。

碳分子筛如上图所示，是多孔颗粒，其比表面积远远大于表面积，颗粒内部的微孔能优先吸附氧分子，少量吸附氮分子。

一般地，在吸附平衡情况下，任何一种吸附剂在吸附同一气体时，气体压力越高，则吸附剂的吸附量越大。

反之，压力越低，则吸附量越小。

变压吸附制氮的动力学原理如右图：

变压吸附制氮的四个步骤

为了获得连续的氮气，一般采用两个吸附塔进行交替吸附和再生，完整的变压吸附过程为：

吸附装有碳分子筛的吸附塔共有A、B二塔。

当洁净的压缩空气进入A塔底端经碳分子筛向出口端流动时，O2、CO2和H2O被吸附,产品氮气由吸附塔出口流出。

均压经一段时间后，A塔内的碳分子筛吸附饱和。

这时，A塔自动停止吸附，并对B塔进行一个短暂的均压过程，从而迅速提高B塔压力并达到提高制氮效率的目的。

所谓均压，就是将两塔连通，使一只塔（待解吸塔）的气体流向另一只塔（待吸附塔），最终达到两塔的气体压力基本均衡。

解吸均压完成后，A塔通过底端出气口继续排气，将吸附塔迅速下降至常压，从而脱除已吸附的O2、CO2、H2O，实现分子筛的解吸再生。

吹扫为了使分子筛彻底再生，以氮气缓冲罐内的合格氮气对A塔进行逆流吹扫。

以上过程是通过压力变化来实现的，因此该工艺称为变压吸附（PSA，PressureSwingAdsorption）。

变压吸附制氮流程

压缩机提供的压缩空气，经过空气系统净化处理，洁净的压缩空气进入吸附塔进行氧、氮分离，得到合格的氮气，其流程包含：

空气压缩：

在一定的压力下，变压吸附才能达到最佳的吸附效果，因此，环境空气必须经过压缩；通常采用的是螺杆压缩机，由于螺杆压缩机分为两类，即有油润滑和无油润滑型，而考虑到无油机过高的价格，目前用户通常使用的是有油润滑型，由于分子筛为微孔状颗粒，压缩空气中携带的油过多，则会造成微孔堵塞，从而降低分子筛效率，影响设备的产量，而这种损害是不可恢复的，因此选择品质高，含油量小的空气压缩机，是保证系统正常运行的关键因素之一。

空气净化：

由于压缩空气中含有水、颗粒、油，这些杂质对分子筛有破坏作用，因此，必须用空气处理系统（过滤器及冷干机）将其除去，达到保护分子筛的目的。

选用高品质的过滤系统及冷干机同样是保证系统正常运行的关键因素之一。

变压吸附制氮：

是整个过程的核心和技术关键点，叙述如前。

变压吸制氮流程图示如下：

西梅卡变压吸附制氮特点

变压吸附的核心—分子筛是多孔的碳基材料，在变压吸附的循环过程中（1分钟）内有数次变化及多孔的碳分子筛本身对压力变化，特别是降压时更敏感的特点，造成分子筛粉化，使分子筛减少，当然产量就下降，同时粉化后的分子筛可能进入后面的管路系统，造成气动阀门密封面的损害，进而造成系统停产。

因此分子筛的防粉化技术，成为保证整套系统性能的核心技术。

分子筛的防粉化技术是IGS集团工程师及合作单位科研人员的多年智慧的结晶，体现在：

●IGS集团专利技术和30多年的经验积累

●变压吸附发明人和推广人德国卡波公司在中国的唯一技术授权商

●特殊的防止分子筛粉化工艺

●选用经过实践检验的进口分子筛

●高品质的空气压缩及净化系统

西梅卡提供的设备具有多年的技术及经验，配套设备选型高品质，为优势技术实现提供物质保障，因此，系统设备质量可靠，具有超长的使用寿命，为用户带来长久的经济性。

高品质的可靠设备保证客户避免因设备故障带来的不确定因素，消除可能造成的系统紧急停车产生的无法估量的经济损失，同时也避免了设备故障带来的维修烦恼。

氮气纯化系统

为了适应一些工艺过程对高纯氮气的要求，西梅卡提供粗氮纯化方式以满足客户需求，包含加氢纯化和碳载纯化两种，均具有投资省和运行经济的特点。

加氢纯化（H2Deoxo）

经变压吸附（PSA）或膜系统制得的原料氮气与少量氢混合后，在一填装有金属钯催化剂的反应器中残氧与氢反应生成水蒸气，随后经一后冷却器使大部分水蒸气冷凝下来，并经过高效水分离器除去冷凝水，吸附式干燥器可使产品气露点达到-70℃以下。

产品气纯度通过分析仪连续进行在线监测。

其化学方程式为:

2H2+O2=2H2O+热

为了确保氧被完全脱除，实际的H2与O2比率略高于理论值，若进口原料氮气中氧含量高于1.5vol%，可采用多级处理系统。

精制后氮气纯度可达99.9999%。

PSAN2+H2Deoxo3DModel

加氢精制N2装置由混合器、催化反应器、后冷却器、旋风分离器、过滤器或吸附式干燥器、氧分析仪、流量计以及产品氮气缓冲罐组成。

加氢纯化工艺流程图

加氢纯化系统特别适合于氮/氢气氛的热处理行业。

碳载纯化（CDeoxo）

对于氢气比较敏感，或氢气源有困难的工艺过程，可以使用碳载脱氧。

原料氮气与过量的碳精在高温条件下，反应生成CO2，再经过脱碳氧化合物的吸附塔，可以得到99.999%的高纯氮气。

化学反应方程式：

C+O2=CO2+热

碳载纯化N2装置由：

加热器、反应塔、水冷却器、CO2脱去吸附塔、氧分仪、流量计，及产品氮气缓冲罐组成。

为了减少碳纤维的更换频率，提高设备的利用率并减少更换碳纤维的繁琐工作，目前一般推荐粗氮纯度为99.9%，在此纯度条件下可以兼顾空压机功率消耗和碳纤维的消耗的平衡。

碳载纯化工艺流程图

真空变压吸附制氧

西梅卡提供的现场常温空分制氧的方式有：

真空变压吸附制氧（VPSAO2）和变压吸附制氧（PSAO2）。

变压吸附制氧原理

变压吸附制氧原理和变压吸附制氮类似，只不过吸附剂是吸附氮气。

目前变压吸附法制取富氧采用对氧、氮组分分离系数比较大的沸石分子筛吸附剂。

在压力条件下，空气在沸石分子筛上氮气是被吸附组分，氧气仅有少量被吸附。

未被吸附的氧作为产品气流出。

当吸附达到一定的负荷后，凭借减压使氮气解吸，吸附剂得到再生。

采用多个吸附床循环操作即可达到连续制取氧气的目的。

由于空气中有与氧在沸石分子筛上吸附性能相同的氩组分，所以当产品含氧量为95%时，其余部分几乎全部是氩组分。

真空变压吸附制氧（VPSAO2）

运行压力较低，能耗低，适合于大量的氧气供应。

它使用鼓风机向吸附塔供空气，在塔内进行氮气吸附产生氧气，而用一真空泵使氧分子筛脱氮再生，以获取更低的能量消耗和大量氧气源，其流程如下图所示：

西梅卡公司制氧设备具有长期性、低投资、高稳定性、低能耗的优点，确保对任何状况有解决之道。

西梅卡VPSAO2特点

• IGS集团专利技术

• 专用高效锂分子筛能耗低，节省运行费用

• 控制及阀门系统全进口

• 设备高稳定性，确保氧气输出的连续性

• 低维护成本，更少的占地面积

• 可变负荷运行

• 开、停车方便、迅速

• 氧气产量可以根据用量进行调节

• 全自动运行，无人值守

• 全球远程通讯，确保设备置于安全监控之下

• 和深冷空分比较，建设周期短，投资省

变压吸附制氧

与VPSAO2比较，变压吸附制氧运行压力较高（7.5bar），适合于各种中、小氧气用量的现场供应。

变压吸附制氧（PSAO2）具有工艺流程简单、全自动运行、安全的特点，其流程和变压吸附制氮类似。

传承西梅卡的经营哲学，西梅卡Oxyswing®变压吸附制氧机是西梅卡近年从集团兄弟公司引进的世界先进的现场制氧设备，具有长寿命、高可靠性，运行经济等特点。

变压吸附制氧（PSAO2）和瓶装氧及液氧的比较优势为：

● 用气成本低

● 不受供应商供应能力，运输及价格限制，实现用气自我作主

● 安全性高（低压）

● 无蒸发损失

西梅卡Oxyswing®制氧机的优势为：

● 成熟先进的全进口工艺流程设计

● 能耗低，比国内同类装置低20-30%

● 采用原装德国进口制氧专用分子筛吸附剂，吸附性能高

● 采用独有的气流分布设计技术，保证分子筛不粉化，分子筛床长久使用达10年以上

● 气动控制阀门全部进口，安全可靠，使用寿命长

● 主控设备全部进口，自动控制、安全保护功能完善

● 操作简单，不需要配备专门的操作人员

● 制氧机运行模式自动运行，自动切换

● 运行稳定、可靠性高

● 维护和保养费用低

● 结构紧凑、占地面积小

西梅卡与合作伙伴公司合作，Oxyswing®制氧机还取得国家食品药品监督管理局，质量技术监督局医疗器械产品质量检测中心检验注册，获得SFDA证书，满足任何规模医院使用。

PSAO2撬装式 PSAO2箱式

变压吸附制氧和变压吸附制氮原理相同，只不过是以制氧分子筛取代制氮过程中制氮分子筛，吸附氮分子，释放氧源。

其原理如下所示：

真空变压吸附制氧（VPSA、VSA）运行压力较低，它使用鼓风机向吸附塔供空气，而用一真空泵使氧分子筛再生，以获取更低的能量消耗和大量氧气源，其流程如下图所示：

多年经验和长期的研发投入，保证了西梅卡制氧设备的低能耗优势，和类似产品比较，具有10-60%的能耗差异。

比较如下图所示:

我们专有的变压吸附制氧（PSA，VSA，VPSA）系统提供了一种高可靠性，低成本的氧气供应方法。

标准产品和为客户订制的OXYSWING®系统可以覆盖很宽的客户需求范围，我们的PSA系统可以提供流量达150吨/天，纯度为99%（体积比）的氧气，我们产品的应用领域包括：

切割/铅焊/铜焊：

任何时候均能提供洁净，快速切割，我们的标准产品和客户化设计的OXYSWING®系统提供最大的灵活性以满足您的纯度和流量要求。

医学：

可提供连续流量的医疗级氧气并易于操作与维护。

冶金：

应用OXYSWING®制氧系统于返焰炉，旋转炉，坩锅式炉，是提高工艺经济性的下一步选择。

鱼类繁衍/水产业：

OXYSWING®系统对于这种环境要求是一种自然的选择。

玻璃/陶瓷：

使用OXYSWING®系统可降低油烟排放，燃料消耗并延长燃烧炉寿命。

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