制氮機(jī)工作原理及工藝流程簡介

一、基礎(chǔ)知識
1．氣體知識氮氣作為空氣中含量豐富的氣體，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。高純氮氣常作為保護(hù)性氣體，用于隔絕氧氣或空氣的場所。氮氣（N2）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：-195.8，冷凝點：-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，從而分離出氮氣的自動化設(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）來實現(xiàn)空氣分離，從而連續(xù)產(chǎn)出高純度的產(chǎn)品氮氣。
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，未吸附的氮氣穿過吸附床，經(jīng)過左吸出氣閥、氮氣產(chǎn)氣閥進(jìn)入氮氣儲罐，這個過程稱之為左吸，持續(xù)時間為幾十秒。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，這個過程稱之為均壓，持續(xù)時間為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，富集的氮氣經(jīng)過右吸出氣閥、氮氣產(chǎn)氣閥進(jìn)入氮氣儲罐，這個過程稱之為右吸，持續(xù)時間為幾十秒。同時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。反之左塔吸附時右塔同時也在解吸。為使分子篩中降壓釋放出的氧氣排放到大氣中，氮氣通過一個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。這個過程稱之為反吹，它與解吸是同時進(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二位五通先導(dǎo)電磁閥，再由電磁閥分別控制八個氣動管道閥的開、閉來完成的。三個二位五通先導(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，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，使得這三個閥門打開，完成左吸過程，同時右吸附塔解吸。當(dāng)流程處于均壓狀態(tài)時，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，使得這兩個閥門打開，完成均壓過程。當(dāng)流程處于右吸狀態(tài)時，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，使得這三個閥門打開，完成右吸過程，同時左吸附塔解吸。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氣，未被吸附的氧氣在吸附塔頂部聚集，作為產(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。