制氮機(jī)工作原理及工藝流程簡介

一、基礎(chǔ)知識
1．氣體知識氮?dú)庾鳛榭諝庵泻控S富的氣體，取之不竭，用之不盡。它無色、無味，透明，屬于亞惰性氣體，不維持生命。高純氮?dú)獬Ｗ鳛楸Ｗo(hù)性氣體，用于隔絕氧氣或空氣的場所。氮?dú)猓∟2）在空氣中的含量為78.084%（空氣中各種氣體的容積組分為：N2：78.084%、O2：20.9476%、氬氣：0.9364%、CO2：0.0314%、其它還有H2、CH4、N2O、O3、SO2、NO2等，但含量極少），分子量為28，沸點(diǎn)：-195.8，冷凝點(diǎn)：-210。2．壓力知識變壓吸附（PSA）制氮工藝是加壓吸附、常壓解吸，使用壓縮空氣。現(xiàn)使用的吸附劑碳分子篩佳吸附壓力為0.75~0.9MPa，整個(gè)制氮系統(tǒng)中氣體均是帶壓的，具有沖擊能量。
二、PSA制氮工作原理：變壓吸附制氮機(jī)是以碳分子篩為吸附劑，利用加壓吸附，降壓解吸的原理從空氣中吸附和釋放氧氣，從而分離出氮?dú)獾淖詣踊O(shè)備。碳分子篩是一種以煤為主要原料，經(jīng)過研磨、氧化、成型、碳化并經(jīng)過特殊的孔型處理工藝加工而成的，表面和內(nèi)部布滿微孔的柱形顆粒狀吸附劑，呈黑色，其孔型分布如下圖所示：碳分子篩的孔徑分布特性使其能夠?qū)崿F(xiàn)O2、N2的動力學(xué)分離。這樣的孔徑分布可使不同的氣體以不同的速率擴(kuò)散至分子篩的微孔之中，而不會排斥混合氣（空氣）中的任何一種氣體。碳分子篩對O2、N2的分離作用是基于這兩種氣體的動力學(xué)直徑的微小差別，O2分子的動力學(xué)直徑較小，因而在碳分子篩的微孔中有較快的擴(kuò)散速率，N2分子的動力學(xué)直徑較大，因而擴(kuò)散速率較慢。壓縮空氣中的水和CO2的擴(kuò)散同氧相差不大，而氬擴(kuò)散較慢。終從吸附塔富集出來的是N2和Ar的混合氣。碳分子篩對O2、N2的吸附特性可以用平衡吸附曲線和動態(tài)吸附曲線直觀表現(xiàn)出來：由這兩個(gè)吸附曲線可以看出，吸附壓力的增加，可使O2、N2的吸附量同時(shí)增大，且O2的吸附量增加幅度要大一些。變壓吸附周期短，O2、N2的吸附量遠(yuǎn)沒有達(dá)到平衡（大值），所以O(shè)2、N2擴(kuò)散速率的差別使O2的吸附量在短時(shí)間內(nèi)大大超過N2的吸附量。變壓吸附制氮正是利用碳分子篩的選擇吸附特性，采用加壓吸附，減壓解吸的循環(huán)周期，使壓縮空氣交替進(jìn)入吸附塔（也可以單塔完成）來實(shí)現(xiàn)空氣分離，從而連續(xù)產(chǎn)出高純度的產(chǎn)品氮?dú)狻?/span>
三、PSA制氮基本工藝流程：PSA制氮機(jī)基本工藝流程示意圖空氣經(jīng)空壓機(jī)壓縮后，經(jīng)過除塵、除油、干燥后，進(jìn)入空氣儲罐，經(jīng)過空氣進(jìn)氣閥、左吸進(jìn)氣閥進(jìn)入左吸附塔，塔壓力升高，壓縮空氣中的氧分子被碳分子篩吸附，未吸附的氮?dú)獯┻^吸附床，經(jīng)過左吸出氣閥、氮?dú)猱a(chǎn)氣閥進(jìn)入氮?dú)鈨蓿@個(gè)過程稱之為左吸，持續(xù)時(shí)間為幾十秒。左吸過程結(jié)束后，左吸附塔與右吸附塔通過上、下均壓閥連通，使兩塔壓力達(dá)到均衡，這個(gè)過程稱之為均壓，持續(xù)時(shí)間為2~3秒。均壓結(jié)束后，壓縮空氣經(jīng)過空氣進(jìn)氣閥、右吸進(jìn)氣閥進(jìn)入右吸附塔，壓縮空氣中的氧分子被碳分子篩吸附，富集的氮?dú)饨?jīng)過右吸出氣閥、氮?dú)猱a(chǎn)氣閥進(jìn)入氮?dú)鈨蓿@個(gè)過程稱之為右吸，持續(xù)時(shí)間為幾十秒。同時(shí)左吸附塔中碳分子篩吸附的氧氣通過左排氣閥降壓釋放回大氣當(dāng)中，此過程稱之為解吸。反之左塔吸附時(shí)右塔同時(shí)也在解吸。為使分子篩中降壓釋放出的氧氣排放到大氣中，氮?dú)馔ㄟ^一個(gè)常開的反吹閥吹掃正在解吸的吸附塔，把塔內(nèi)的氧氣吹出吸附塔。這個(gè)過程稱之為反吹，它與解吸是同時(shí)進(jìn)行的。右吸結(jié)束后，進(jìn)入均壓過程，再切換到左吸過程，一直循環(huán)進(jìn)行下去。制氮機(jī)的工作流程是由可編程控制器控制三個(gè)二位五通先導(dǎo)電磁閥，再由電磁閥分別控制八個(gè)氣動管道閥的開、閉來完成的。三個(gè)二位五通先導(dǎo)電磁閥分別控制左吸、均壓、右吸狀態(tài)。左吸、均壓、右吸的時(shí)間流程已經(jīng)存儲在可編程控制器中，在斷電狀態(tài)下，三個(gè)二位五通先導(dǎo)電磁閥的先導(dǎo)氣都接通氣動管道閥的關(guān)閉口。當(dāng)流程處于左吸狀態(tài)時(shí)，控制左吸的電磁閥通電，先導(dǎo)氣接通左吸進(jìn)氣閥、左吸產(chǎn)氣閥、右排氣閥開啟口，使得這三個(gè)閥門打開，完成左吸過程，同時(shí)右吸附塔解吸。當(dāng)流程處于均壓狀態(tài)時(shí)，控制均壓的電磁閥通電，其它閥關(guān)閉；先導(dǎo)氣接通上均壓閥、下均壓閥開啟口，使得這兩個(gè)閥門打開，完成均壓過程。當(dāng)流程處于右吸狀態(tài)時(shí)，控制右吸的電磁閥通電，先導(dǎo)氣接通右吸進(jìn)氣閥、右吸產(chǎn)氣閥、左排氣閥開啟口，使得這三個(gè)閥門打開，完成右吸過程，同時(shí)左吸附塔解吸。每段流程中，除應(yīng)該打開的閥門外，其它閥門都應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)。
二、變壓吸附制氧變壓吸附制氧，以沸石分子篩吸附劑為核心，根據(jù)吸附劑在較高壓力下選擇吸附氮?dú)猓幢晃降难鯕庠谖剿敳烤奂鳛楫a(chǎn)品氣輸出。當(dāng)處于吸附的吸附塔臨近吸附飽和之前，原料空氣停止進(jìn)氣，轉(zhuǎn)而向另一只完成再生的吸附塔均壓，隨后泄壓再生。被均壓的吸附塔引入原料空氣開始吸附。兩只吸附塔如此交替重復(fù)，完成氧氣生產(chǎn)的工藝過程。工業(yè)用變壓吸附制氧可采用加壓吸附，常壓解吸流程；超大氣壓真空解吸流程；穿透大氣壓真空解吸流程。