第四章 研究結果與討論
第一節 氮氣的生產方式
由於產業界大量使用氮氣，對氮氣之品質、純度、數量等條件因使用之場所需 求不同而有所區別，但對氮氣的依存度卻日漸升高。於是現行各專業氣體廠商因應這 種需要而發展出低溫製造與非低溫製造兩大類截然不同的製造方式，如表 4。
表 4
氮氣的生產方式 非
低 溫 製 程
PSA-Pressure Swing Adsorption，
壓力變化吸附法。
分子篩或活性碳等之壓力變化吸附方式 除去不純物方式將氣體純化。
AMSA-Advance Membrane Supply Approach。
利用高分子薄膜滲透方式將氣體純化。
FLOXAL-MEMBRANE Separation System
與 AMSA 相似，其使用之薄膜為杜邦公 司發展的中空尼龍纖維束簡(稱為
MSDAL)來純化氮氣之小型製氮設備。
低 溫 製 程
ASUZ–Air Separation System Union
將原料空氣壓縮經由純化去除水份及二 氧化碳後．再經膨脹冷凍後經精餾塔分 餾、精餾而得氮、氧、氬氣。
N2 Generator
原理與 ASU 相近，是小型化的 ASU，但 只用來生產氮氣，有約 5%產品氣轉為液 態產出。
Micro-LN
原理與 ASU 相近，是更小型化的 ASU。
而其冷源則來自外加之液氮。也只用來生 產氮氣。
氮是空氣中含量最多的氣體，約佔空氣總體積的體積比 78.03%，重量比 75.5%，
是自然含量最大的氣體種類(李偉祥，2008)。所以生產氮氣大都是採用抽取大量空氣 後，加以過濾、分離、純化程序而得。
定點現場使用場合，與傳統低溫製氮方法相比，此技術能夠更廉價投入即可進行生產 氮氣，但是生產氮氣單位成本較高，純度等級較低。而傳統低溫製程常為量大、生產 程序複雜、純度高（5N 以上）、價格高之冷凍空氣分離方式產氮，需要人力較多故呈 工廠型態設立。
吸附是利用多孔性質固體物當媒介，當流質與它接觸時讓流質中某些成份留置 在媒介物上，使得通過的流質發生某些成份數量或濃度變化的過程(田春剛，2007)。
變壓吸附(簡稱 PSA-Pressure Swing Adsorption)技術是 1959 年由美國埃索公司首先開 發成功，是將原料空氣經過濾後壓縮初步除水後，再利用分子篩或活性碳等作為吸附 劑，運 用壓力變化輔助吸附之方式除去水份、二氧化碳、氧氣等，達到純化製氮的 目的，其製氮法原理如圖 2。
A、B 兩塔為分子篩或活性碳容器，因為各種氣體分子的體積大小差異，所以形 成在碳分子篩表面上的擴散速率不同，直徑較小的氧氣體分子(體積直徑約 2.8 埃) 擴 散較快，較多地進入碳分子篩微孔，直徑較大的氮氣體分子(體積直徑約 3.0 埃)擴散 較慢，進入碳分子篩較少，同時根據碳分子篩隨壓力不同，吸附氧、氮的容量也有差 異的特性，吸附塔加壓時碳分子篩優先吸附氧分子，這樣在氮在氣相中被富集起來，
形成了成品氮氣。在減壓時，引導成品氮氣進行充吹使碳分子篩脫附所吸附的氧及其 他雜質成分，讓碳分子篩得以再生。
圖 2 PSA 製氮結構圖
資料來源 : 台灣區高壓氣體工業同業公會，知識園地，氣體百科。
但是這種產氮方式一般是使用兩具吸附塔更替使用，約兩分鐘一個循環。當吸 附塔 A 正進行生產 N2 程序時，塔 B 之吸附床會降壓至大氣壓，並由頂部導入部份 自塔 A 純化後的氮氣在大氣壓之條件下進行充吹脫附使分子篩內已吸附之 O2、
CO2、水汽等被吹落脫附除去，完成再生程序。當塔 B 完成再生且塔 A 達吸附飽和 時，塔 B 由頂部自塔 A 導進氮氣建壓，其與塔 A 達壓力平衡後，即改由塔 B 底部進 料生產氮氣，塔 A 則開始進行再生循環。如此，通過全自動控制系統按特定程式自 動控制加壓吸附，減壓脫附，常壓解吸的循環交替過程，以實現連續生產氮氣之目的。
分子篩主要任務為吸附水分和非氮氣雜質，PSA出口氮氣之含水量決定於其前 端之進氣處理。而其含水量對氮氣純度影響極大，進氣由吸附式乾燥機處理優於冷凍 式乾燥機處理，去水分較為徹底。所以程序上是原料空氣吸入後，先經冷凍是乾燥機
Compressed air N2
Vent
A B
Close
Open
做初步除水和油份後，在進一步由分子篩進行更徹底的消除水分子以提高氮氣品質。
此類型產能大多為單機流量 200Nm3/h 以下。與其他製氮方式相比，此為現場裝 置設備，能夠以廉價投入即可生產氮氣使用，比起傳統低溫製程非低溫製氮耗用能源 較小，可間斷使用，不須太多前置時間以提升氣體品質，機動即時等優點，用途廣泛。
因為 PSA 製程純度等級較低，約為 95%至 99% 的粗氮(韓光瑤，1999)，生產氮氣的 純度最高可以達到 99.9％；當氮氣純度為 99.5％時，其能耗約為 0.42kWh/m3(石江、
郜豫 1996)。
另一非低溫製程製氮方法為 AMSA (Advance Membrane Supply Approach) – 高 分子膜製氮技術，原理如圖 3。由美國陶道氏化學公司(DOW Chemical)在 50 年代首 創開發出來，利用混合型空氣通過高分子膜時後，由於各種單純氣體對高分子膜的溶 解度或擴散係數不同(氧分子的體積較氮分子小，故擴散速度較大)而導致不同氣體在 膜中相對滲透率不同而形成篩濾功能，使得氮氣順利被分離出來。
圖 3 AMSA 製氮結構及各種氣體滲透率分布順序圖 資料來源 : 天津梅塞爾凱德氣體系統有限公司，2007。
當產能提升超過隔膜的生產能力時，產品純度就會下降。產能體現在產品氣流 量上，產品氣純度一般是由氧含量和露點來表示。高分子膜製氮系統的產能取決於隔 膜的擴散能力，產能和產品氣體純度相互影響，薄膜製氮技術裝置流程及操作簡單，
可以提供純度為99％的氮氣，並且可以同時獲得純度為30％〜40％的富氧氣體，因而 在小型集氧生產設備中應用是合適的。
膜分離技術是利用具有特殊的有機高分子和無機材料，形成不同形態結構的濾 膜，在一定的壓力驅動力作用下，使氣體因透過膜的速率或能力的不同而達到分離或 特定成份聚集的目的。
由沈宗荣(2011)等人研究結果顯示，環境溫度越高，高分子膜入口溫度越高，產 品氣流量越大；環境溫度越高，產品氣氧含量相對較低；露點相對較高，產品氣質量 下降，其間關係如表5所示：
表 5
膜製氮環境溫度與產品氣流量、產品質量質的關係表 環境溫度
℃
加熱器出 口溫度℃
模組入口 溫度℃
產品流量 Nm3/h
氧含量
％ 露點℃ 溫差℃
10 54.4 47.2 33 1.46 -99.9 7.2 15 54.7 49.1 32 1.22 -95.5 5.6 20 54.8 49.8 36 0.98 -95.4 5.0 25 54.9 50.1 42 0.94 -92.2 4.8 30 55.1 50.4 45 0.97 -88.6 4.7 註：加熱器出口與模組入口存在一定距離，有熱損失所以存在一定溫差。
資料來源 :天然氣技術與經濟，2011，第一期。
另一個影響流量的重要因素是壓縮機的輸出壓力，如圖4所示。它反映了壓縮機 加壓、卸載運行全過程中壓力與流量關係，具有普遍性，能夠較精確反映壓力與流量 的關係。由圖中可以看出，壓縮機載入過程中，隨著壓力上升，產品氣流量不斷加大，
直到產能極限時，產品氣流量加大趨勢並不明顯。降載的過程中，隨著壓力逐漸降低，
產品氣流量也隨之降低。所以，在高分子膜的負荷極限前，膜製氮的流量與壓縮機的 輸出壓力呈正向關係。
0 10 15
5 25 30
20 35 45 40
產品氣流量Nm3 /h
模組入口壓力 - Mpa
1.01 1.04 1.07 1.10 1.13 1.16 1.19 1.22 1.24 1.21 1.18 1.15 1.12 1.09 1.031.06
圖 4 模組入口壓力與產品氣流量關係圖
資料來源 :天然氣技術與經濟，2011，第一期。
FLOXAL製氮法之原理相似於AMSA，使用之薄膜為杜邦公司發展的中空尼龍 纖維束簡稱為MSDAL來純化氮氣之小型製氮設備(高銘樹，2004)。主要是一個圓筒 形的高分子材料製成的中空纖維膜束，每束像列管式換熱器一樣包含上百萬根中空纖 維，以提供最大限度的分離面積，每根中空纖維直徑約幾十微米1，就像人的頭髮絲 一般細微，壓縮空氣由中空纖維束模組的一端進入，氣體分子在壓力作用下，經過吸 附、擴散、逸出，從中空纖維管束的另一端排出產品氣。由於每種氣體對纖維的滲透 速率均不相同，氧、水蒸氣、二氧化碳等因相對體積較小而滲透速率較快，即由高壓 內側纖維壁向低壓外側滲出容易，由膜元件一側的排氣口排出；而氮氣因為相對體積 較大故滲透速率較慢，被集合在高壓內側，由模組件的另一端排出，從而實現了氧和
氮的分離目的(沈宗荣、王剛、廖倫豐、邊遠，2011)。其原理如圖5所示：
圖 5 FLOXAL 製氮結構及各種氣體滲透率分布順序圖 資料來源 : 天津梅塞爾凱德氣體系統有限公司，2007。
這種超細化高壓中空纖維膜空分制氮系統方式因為須利用氣體壓力已迫使通過中空 纖維膜束，從而實現了氧、氮的分離，分離出來的氮氣壓力一般大於20kg/cm2，生產 氮氣量可以從 1 Nm3/h 到 5000 Nm3/h，可得到體積純度95〜99.99％氮氣，同時得到 30〜45％ 體積純度的富氧氣體(韓光瑤，1999)。
註 1 - 微米 (Micrometer) 是長度單位，符號 µm。1 微米相當於 1 公尺的一百萬分 之一（10-6），此即為「微」的字義）。
低溫製程生產氮氣是利用壓縮機抽取大量空氣後，經除水桶 (reciver tank) 除去 壓縮空氣中的部分液態水和油份，再送入一個 PPU (Pre-Purifier Unit) 分子篩純化塔 (內有活性氧化鋁、分子篩雙層床)，在那裡空氣中的二氧化碳和水分被吸附除去。而 同時另一個分子篩塔則使用從冷箱排出的廢氣來進行再生。經過純化後的空氣進入冷 箱，在空氣換熱器中與逆流而出的產品氮氣、廢氣等進行熱交換冷卻至接近液化溫 度。利用氮、氧、氬氣的沸點不同，將沸點較高之雜質陸續冷凍下來然後使用後段廢
氣來將它吹除，如此可階段性的將不同氣體分離出來。再經膨脹冷凍後送至精餾塔分 餾、精餾而得高品質氮氣，產氮純度可達99.999% (5N) 以上的ppb等級。生產過程中 無須投入原料或助劑，並無公害產生，是一種智慧兼具環保型的產業。
A.S.U (Air Separation Union) 為具有較完整而複雜的空氣分離系統設備，可以同 時生產出氮、氧、氬氣，而這三種氣體為空氣中含量最高者，製氮流程如圖 6。
圖 6 ASU 製氣流程圖
資料來源 : 聯華氣體工業股份有限公司，2011。
氣體製造廠透過壓縮機及熱交換器的組合，將空氣一次又一次的壓縮、冷卻、
再壓縮、再冷卻…。數道次的程序之後，空氣中原本所內含的熱能被冰水帶走了。而 空氣中如氧、氮、氬等主要成分因其臨界壓力、溫度的不同。在不同梯次的冷凝器中 被冷凝收集下來，以液態的方式存在。在精餾或分餾階段是利用各種氣體不同的液化 臨界溫度差異之特點，分別篩出不同氣體並排除而進行純化，並利用純化過程中不純 的低溫廢氣作為冷源循環於前段製程，引發前製程氣體預冷的冷源，最能後才予以排