PSA变压吸附制氮原理.docx
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PSA变压吸附制氮原理
制氮机
制氮机，是指以空气为原料，利用物理方法将其中的氧和氮分离而获得氮气的设备。
根据分类方法的不同，即深冷空分法、分子筛空分法（PSA）和膜空分法，工业上应用的制氮机，可以分为三种。
制氮机是按变压吸附技术设计、制造的氮气设备。
制氮机以优质进口碳分子筛（CMS）为吸附剂，采用常温下变压吸附原理（PSA）分离空气制取高纯度的氮气。
通常使用两吸附塔并联，由进口PLC控制进口气动阀自动运行，交替进行加压吸附和解压再生，完成氮氧分离，获得所需高纯度的氮气。
中文名制氮机
含 义制取氮气的机械组合
工作原理利用碳分子筛的吸附特性
主要分类深冷空分，膜空分，碳分子筛空分、
1 工作原理
1.▪ PSA变压吸附制氮原理
2.▪ 深冷空分制氮原理
3.▪ 膜空分制氮原理
2 主要分类
1.▪ 深冷空分制氮
2.▪ 分子筛空分制氮
3.▪ 膜空分制氮
3 设备特点
4 系统用途
5 技术参数
工作原理
PSA变压吸附制氮原理
碳分子筛可以同时吸附空气中的氧和氮，其吸附量也随着压力的升高而升高，而且在同一压力下氧和氮的平衡吸附量无明显的差异。
因而，仅凭压力的变化很难完成氧和氮的有效分离。
如果进一步考虑吸附速度的话，就能将氧和氮的吸附特性有效地区分开来。
氧分子直径比氮分子小，因而扩散速度比氮快数百倍，故碳分子筛吸附氧的速度也很快，吸附约1分钟就达到90%以上；而此时氮的吸附量仅有5%左右，所以此时吸附的大体上都是氧气，而剩下的大体上都是氮气。
这样，如果将吸附时间控制在1分钟以内的话，就可以将氧和氮初步分离开来，也就是说，吸附和解吸是靠压力差来实现的，压力升高时吸附，压力下降时解吸。
而区分氧和氮是靠两者被吸附的速度差，通过控制吸附时间来实现的，将时间控制的很短，氧已充分吸附，而氮还未来得及吸附，就停止了吸附过程。
因而变压吸附制氮要有压力的变化，也要将时间控制在1分钟以内。
深冷空分制氮原理
分子筛制氮机工艺流程图
深冷制氮不仅可以生产氮气而且可以生产液氮，满意需要液氮的工艺要求，并且可在液氮贮槽内贮存，当出现氮气间断负荷或空分设备小修时，贮槽内的液氮进入汽化器被加热后，送入产品氮气管道满意工艺装置对氮气的需求。
深冷制氮的运转周期（指两次大加温之间的间隔期）一般为1年以上，因此，深冷制氮一般不考虑备用。
而变压吸附制氮只能生产氮气，无备用手段，单套设备不能保证连续长周期运行。
膜空分制氮原理
空气经压缩机压缩过滤后进入高分子膜过滤器，由于各种气体在膜中溶解度和扩散系数不同，导致不同气体在膜中相对渗透速率不同。
根据这一特性，可将各种气体分为“快气”和“慢气”。
当混合气体在膜两侧压力差的作用下，渗透速率相对快的气体，如水、氢气、氦气、硫化氢、二氧化碳等透过膜后，在膜的渗透侧被富集，而渗透速率相对较慢的气体，如甲烷、氮气、一氧化碳和氩气等气体则被滞留在膜的侧被富集，从而达到混合气体分离的目的。
主要分类
深冷空分制氮
深冷空分制氮是一种传统的制氮方法，已有近几十年的历史。
它是以空气为原料，经过压缩、净化，再利用热交换使空气液化成为液空。
液空主要是液氧和液氮的混合物，利用液氧和液氮的沸点不同（在1大气压下，前者的沸点为-183℃，后者的为-196℃），通过液空的精馏，使它们分离来获得氮气。
深冷空分制氮设备复杂、占地面积大，基建费用较高，设备一次性投资较多，运行成本较高，产气慢（12～24h），安装要求高、周期较长。
综合设备、安装及基建诸因素，3500Nm3/h以下的设备，相同规格的PSA装置的投资规模要比深冷空分装置低20%～50%。
深冷空分制氮装置宜于大规模工业制氮，而中、小规模制氮就显得不经济。
分子筛空分制氮
以空气为原料，以碳分子筛作为吸附剂，运用变压吸附原理，利用碳分子筛对氧和氮的选择性吸附而使氮和氧分离的方法，通称PSA制氮。
此法是七十年代迅速发展起来的一种新的制氮技术。
与传统制氮法相比，它具有工艺流程简单、自动化程度高、产气快（15～30分钟）、能耗低，产品纯度可在较大范围内根据用户需要进行调节，操作维护方便、运行成本较低、装置适应性较强等特点，故在1000Nm3/h以下制氮设备中颇具竞争力，越来越得到中、小型氮气用户的欢迎，PSA制氮已成为中、小型氮气用户的首选方法。
膜空分制氮
以空气为原料，在一定压力条件下，利用氧和氮等不同性质的气体在膜中具有不同的渗透速率来使氧和氮分离。
和其它制氮设备相比它具有结构更为简单、体积更小、无切换阀门、维护量更少、产气更快（≤3分钟）、增容方便等优点，它特别适宜于氮气纯度≤98%的中、小型氮气用户，有最佳功能价格比。
而氮气纯度在98%以上时，它与相同规格的PSA制氮机相比价格要高出15%以上。
设备特点
（1）产氮气方便快捷：
先进的技术，独特的气流分布器，使气流分布更均匀，高效地利用碳分子筛，20分钟左右即可提供合格的氮气。
（2）使用方便：
设备结构紧凑、整体撬装，占地小无需基建投资，投资少，现场只需连接电源即可制取氮气。
（3）比其它供氮方式更经济：
PSA工艺是一种简便的制氮方法，以空气为原料，能耗仅为空压机所消耗的电能，具有运行成本低、能耗低、效率高等优点。
（4）机电一体化设计实现自动化运行：
进口PLC控制全自动运行，氮气流量压力纯度可调并连续显示，可实现无人值守。
（5）运用范围广：
金属热处理过程的保护气，化学工业生产用气及各类储罐、管道的充氮净化，橡胶、塑料制品的生产用气，食品行业排氧保鲜包装，饮料行业净化和覆盖气，医药行业充氮包装及容器的充氮排氧，电子行业电子元件及半导体生产过程的保护气等。
纯度、流量、压力稳定可调，满足不同客户的需要。
技术指标：
流量：
5-1000Nm3/h
纯度：
95%-99.9995%
露点：
≤-40℃
压力：
≤0.8Mpa可调
系统用途
石油天然气行业专用制氮机适用于大陆石油及天然气开采、沿海及深海石油及天然气开采中的氮气保护、输送、覆盖、置换、抢险、维修、注氮采油等领域。
具有安全性高、适应强、连续性生产待特点。
化工行业专用制氮机适用于石油化工、煤化工、盐化工、天然气化工、精细化工、新材料等及其衍伸化工产品加工行业，氮气主要用于覆盖、吹扫、置换、清洗、压力输送、化学反应搅动、化纤生产保护、充氮保护等领域。
冶金行业专用制氮机适用于热处理、光亮退火、保护加热、粉末冶金、铜材铝材加工、磁性材料烧结、贵金属加工、轴承生产等领域。
具有纯度高、连续生产、部分工艺要求氮气含一定量的氢以增加光亮度等特点。
煤矿行业专用制氮机适用于煤炭开采中的防火灭火、瓦斯及煤气稀释等领域，具有地面固定式、地面移动式、井下移动式三种规格，充分满足不同工况下的氮气需求。
橡胶轮胎行业专用制氮机适用于橡胶及轮胎生产硫化过程中的氮气保护、成型等领域。
特别是在全钢子午线轮胎生产中，用氮气硫化新工艺已逐步取代蒸汽硫化工艺。
具有氮气纯度高、连续性生产、氮气压力较高等特点。
食品行业专用制氮机适用于粮食绿色仓储、食品充氮包装、蔬菜保鲜、酒类封（罐）装和保存等。
防爆型制氮机适用于化工、石油天然气等对设备有防爆要求的场所。
制药行业专用制氮机主要用于药品生产、储存、封装、包装等领域。
电子行业专用制氮机适用于半导体生产封装、电子元器件生产、LED、LCD液晶显示器、锂电池生产等领域。
制氮机具有纯度高、体积小、噪声低、能耗低等特点。
集装箱式制氮机适用于石油、天然气、化工及其它相关领域，即有适应性强、可移动作业等特点。
车载移动式制氮车适用于石油天然气行业的开采、管道吹扫、置换、应急抢险、易燃气体、液体的稀释等领域、分为低压、中压、高压系列，具有机动性强、可移动作业等特点。
汽车轮胎冲氮氮气机，主要用于汽车4S店、汽车维修厂的汽车轮胎冲氮，可延长轮胎使用寿命，降低噪音和油耗。
技术参数
质量即气体的重量，常以毫克（mg）、克（g）、千克（kg）、吨（t）来表示。
体积是指气体所处的容器之容积。
常以立方毫米（mm3）、立方厘米（cm3）、立方米（m3）表示。
比容是单位重量物质所占有的容积，用符号V表示，气体比容单位用m3/kg，液态比容l/kg表示。
压力、压强、大气压、绝对压力、相对压力
气体分子运动时对容器壁的撞击时产生的力称压力。
对容器单位面积所产生的压力叫压强。
压强的单位习惯上使用毫米汞柱（mmHg）/平方厘米（cm2），国际通用（法定计量）帕（Pa）、千帕（kPa）、兆帕（MPa）。
经换算1mmHg=133.3Pa=0.1333kPa，1MPa=1000kPa=1000000Pao1ATA=0.1MPao。
包围在地球表面一层很厚的大气层对地球表面或表面物体所造成的压力称为“大气压”，符号为B；直接作用于容器或物体表面的压力，称为“绝对压力”，绝对压力值以绝对真空作为起点，符号为PABS。
用压力表、真空表、U型管等仪器测出的压力叫“表压力”（又叫相对压力），“表压力”以大气压力为起点，符号为Pg。
三者之间的关系是：
PABS==B+Pg。
温度、绝对温度、相对温度、临界温度、临界压力
温度是物质分子热运动的统计平均值。
气体温度是气体分子热运动产生的。
气体温度的单位常用摄氏（℃）表示，水结冰的温度为0℃。
物理学上常使用绝对温度，用“K”表示。
绝对温度以－273℃作为零度。
摄氏和绝对温度的关系是T=t+273。
此外英国科学家还经常用“华氏温度”，符号为oF。
因为任何气体在一点温度和压力下都可以液化，温度越高，液化所需要的压力也越高，但是当温度超过某一数值时，即使在增加多大的压力也不能液化，这个温度叫临界温度，在这一温度下最低的压力就叫做临界压力。
是指气体中的水份从未饱和水蒸气变成饱和水蒸气的温度，当未饱和水蒸气变成饱和水蒸气时，有极细的露珠出现，出现露珠时的温度叫做“露点”。
露点和压力有关，因此又有大气压露点（常压露点）和压力下露点之分。
大气压露点是指在大气压力下水份的凝结温度，而压力下露点是指该压力下的水份凝结温度，两者有换算关系（可查换算表），如压力0.7Mpa时压力露点为5℃，则相应的大气压（0.101Mpa）露点则为－20℃。
在气体行业中，若无特殊说明，所指的露点均为大气压露点。
汽化是指物质由液态变成气体的过程，其包括蒸发和沸腾。
凝结是指气体变成液体的过程。
纯度
纯度是气体的一个重要技术参数。
举氮气为例，按国标氮气的纯度分为工业用氮气、纯氮和高纯氮三级，它们的纯度分别为99.5%（O2小于等于0.5%），99.99%（O2小于等于0.01%）和99.999%（O2小于等于0.001%）。
流量、体积流量、质量流量
流量是指气体流动过程中，单位时间内通过任一截面的气体量。
流量有两种方式来表示，即体积流量和质量流量。
前者指通过管路任一截面的气体体积，后者为通过的气体质量，在气体工业中一般均采用体积流量以m3/h（或L/H）为计量单位。
因气体体积与温度、压力和湿度有关，为便于比较通常所说的体积流量是指标准状态（温度为20℃，压力为0.101MPa，相对湿度为65%）而言，此时的流量以Nm3/h为单位，"N"即表示标准状态。
空气具有可压缩性，经空气压缩机做机械功使本身体积缩小、压力提高后的空气叫压缩空气。
压缩空气里含有很多杂质：
1.水，包括水雾、水蒸气、凝结水；2.油：
包括油污、油蒸气；3.各种固态物质如：
锈泥、金属粉末、橡胶粉末、焦油粒及滤材、密封材料的细末等；此外还有多种有害的化学异味物质等。
压缩空气可以通过加压、降温、吸附等方法来除去其中的水蒸气。
可通过加热、过滤、机械分离等方法除去液态水份。
吸附、膜渗透
吸附是气体中一个或多个组分在多孔固体表面的选择性浓缩，被吸附的组分称作吸附介质，多孔固体称为吸附剂。
吸附剂与吸附介质的连接力是化学键，而吸附介质的解析靠升温或降低该组分在气压中分压。
另一种情况是吸附组分与固体吸附剂去化学反应时，称为化学吸附，化学吸附一般情况下不能再生。
膜渗透指在气体净化过程中聚合物分离气体是基于一个或多个气体组分从膜的一边选择性的渗透到另一边。
该组分溶解于聚合物膜的表面，并沿着膜传递形成一浓度差，保持此浓度差是靠膜一边组分的分压高于膜另一边该组分的分压。
气体常用法定计量单位
根据一九八四年二月二十七日国务院《关于在我国统一实行法定计量单位的命令》编制
法定计量单位：
SI单位
法定计量单位：
非国际单位制的单位
量的名称
量的符号
单位符号
单位符号
备注
长度
l（L）
米
m
SI基本单位
海里
nmile
1nmile=1852m
埃
A
1A=10-10m
质量/重量
m
千克（公斤）
kg
SI基本单位
吨
t
1t=1000kg
磅
lb
1lb=0.4536kg
克拉
1克拉=2x10-4kg
时间
t
秒
s
SI基本单位
分
min
1min=60s
[小]时
h
1h=3600s
天（日）
d
1d=84600s
电流
I
安[培]
A
SI基本单位
速度
u,v,w,c
米/秒
m/s
SI基本单位
力/重力
F,W,（P、G）
牛[顿]
N
SI基本单位
达因
dyn
1dyn=10-5N
千克力，（公斤力）
kgf
1kgf=9.80665x103N
吨力
tf
1tf=9.80665x103N
导致制氮机碳分子筛中毒的因素
我们知道，利用碳分子筛变压吸附制氮是靠范德华力来分离氧气和氮气的，因此，分子筛的比表面积越大，孔径分布越均匀，并且微孔或亚微孔数量越多，吸附量就越大；同时，如果孔径能尽量小，范德华力场重叠，对低浓度物质也有更好的分离作用。
因此，在PSA
制氮设备中，分子筛的性能直接关系到整套设备的产气量及能耗，所以，选择合适的吸附剂是重中之重。
目前，大多数厂家生产的碳分子筛在外型上并无多大差别，因此用户只靠观察分子筛外型是很难区分到底是进口分子筛还是国产分子筛的。
但有一点，如果在购买设备时，厂家宣称使用的是优质进口分子筛，但价格远远低于市场价格的话，那就要小心了。
买的没有卖的精，设备制造厂家是不可能亏本卖设备的。
买内装国产分子筛的设备并不可怕，但花了进口分子筛的价钱却买了国产分子筛，那损失可就大了。
碳分子筛使用过程中，如操作维护不当会造成中毒。
制氮机整套设备的主要组成部分一般是由空压机→Q级精密过滤器→P级精密过滤器→S级精密过滤器→冷冻式干燥机→活性碳过滤器→氮气发生器，也就是说从空压机出来的压缩空气，在进入氮机发生器之前的压缩空气要经过净化设备的严格处理，如果前期空气净化未配备处理设备或所配设备带病运行，致使油、水杂质随空气直接进入吸附塔被碳分子筛吸附造成中毒，解析能力严重受损，制氮量和制氮纯度大大下降。
另外碳分子筛达到一定使用年限后，其氮气纯度会明显下降，无法保证使用要求。
遇到此类情况，就得考虑更换碳分子筛
PSA制氮机工作原理及工艺流程
一、基础知识
1．气体知识
氮气作为空气中含量最丰富的气体，取之不竭，用之不尽。
它无色、无味，透明，属于亚惰性气体，不维持生命。
高纯氮气常作为保护性气体，用于隔绝氧气或空气的场所。
氮气（N2）在空气中的含量为78.084%（空气中各种气体的容积组分为：
N2：
78.084%、O2：
20.9476%、氩气：
0.9364%、CO2：
0.0314%、其它还有H2、CH4、N2O、O3、SO2、NO2等，但含量极少），分子量为28，沸点：
-195.8℃，冷凝点：
-210℃。
2．压力知识
变压吸附（PSA）制氮工艺是加压吸附、常压解吸，必须使用压缩空气。
现使用的吸附剂——碳分子筛最佳吸附压力为0.75~0.9MPa，整个制氮系统中气体均是带压的，具有冲击能量。
二、PSA制氮工作原理：
变压吸附制氮机是以碳分子筛为吸附剂，利用加压吸附，降压解吸的原理从空气中吸附和释放氧气，从而分离出氮气的自动化设备。
碳分子筛是一种以煤为主要原料，经过研磨、氧化、成型、碳化并经过特殊的孔型处理工艺加工而成的，表面和内部布满微孔的柱形颗粒状吸附剂，呈黑色，其孔型分布如下图所示：
碳分子筛的孔径分布特性使其能够实现O2、N2的动力学分离。
这样的孔径分布可使不同的气体以不同的速率扩散至分子筛的微孔之中，而不会排斥混合气（空气）中的任何一种气体。
碳分子筛对O2、N2的分离作用是基于这两种气体的动力学直径的微小差别，O2分子的动力学直径较小，因而在碳分子筛的微孔中有较快的扩散速率，N2分子的动力学直径较大，因而扩散速率较慢。
压缩空气中的水和CO2的扩散同氧相差不大，而氩扩散较慢。
最终从吸附塔富集出来的是N2和Ar的混合气。
碳分子筛对O2、N2的吸附特性可以用平衡吸附曲线和动态吸附曲线直观表现出来：
由这两个吸附曲线可以看出，吸附压力的增加，可使O2、N2的吸附量同时增大，且O2的吸附量增加幅度要大一些。
变压吸附周期短，O2、N2的吸附量远没有达到平衡（最大值），所以O2、N2扩散速率的差别使O2的吸附量在短时间内大大超过N2的吸附量。
变压吸附制氮正是利用碳分子筛的选择吸附特性，采用加压吸附，减压解吸的循环周期，使压缩空气交替进入吸附塔（也可以单塔完成）来实现空气分离，从而连续产出高纯度的产品氮气。
三、PSA制氮基本工艺流程：
PSA制氮机基本工艺流程示意图
PSA制氮流程图.doc（84KB）
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2007-8-120:
54
空气经空压机压缩后，经过除尘、除油、干燥后，进入空气储罐，经过空气进气阀、左吸进气阀进入左吸附塔，塔压力升高，压缩空气中的氧分子被碳分子筛吸附，未吸附的氮气穿过吸附床，经过左吸出气阀、氮气产气阀进入氮气储罐，这个过程称之为左吸，持续时间为几十秒。
左吸过程结束后，左吸附塔与右吸附塔通过上、下均压阀连通，使两塔压力达到均衡，这个过程称之为均压，持续时间为2~3秒。
均压结束后，压缩空气经过空气进气阀、右吸进气阀进入右吸附塔，压缩空气中的氧分子被碳分子筛吸附，富集的氮气经过右吸出气阀、氮气产气阀进入氮气储罐，这个过程称之为右吸，持续时间为几十秒。
同时左吸附塔中碳分子筛吸附的氧气通过左排气阀降压释放回大气当中，此过程称之为解吸。
反之左塔吸附时右塔同时也在解吸。
为使分子筛中降压释放出的氧气完全排放到大气中，氮气通过一个常开的反吹阀吹扫正在解吸的吸附塔，把塔内的氧气吹出吸附塔。
这个过程称之为反吹，它与解吸是同时进行的。
右吸结束后，进入均压过程，再切换到左吸过程，一直循环进行下去。
制氮机的工作流程是由可编程控制器控制三个二位五通先导电磁阀，再由电磁阀分别控制八个气动管道阀的开、闭来完成的。
三个二位五通先导电磁阀分别控制左吸、均压、右吸状态。
左吸、均压、右吸的时间流程已经存储在可编程控制器中，在断电状态下，三个二位五通先导电磁阀的先导气都接通气动管道阀的关闭口。
当流程处于左吸状态时，控制左吸的电磁阀通电，先导气接通左吸进气阀、左吸产气阀、右排气阀开启口，使得这三个阀门打开，完成左吸过程，同时右吸附塔解吸。
当流程处于均压状态时，控制均压的电磁阀通电，其它阀关闭；先导气接通上均压阀、下均压阀开启口，使得这两个阀门打开，完成均压过程。
当流程处于右吸状态时，控制右吸的电磁阀通电，先导气接通右吸进气阀、右吸产气阀、左排气阀开启口，使得这三个阀门打开，完成右吸过程，同时左吸附塔解吸。
每段流程中，除应该打开的阀门外，其它阀门都应处于关闭状态。
二、变压吸附制氧
变压吸附制氧，以沸石分子筛吸附剂为核心，根据吸附剂在较高压力下选择吸附氮气，未被吸附的氧气在吸附塔顶部聚集，作为产品气输出。
当处于吸附的吸附塔临近吸附饱和之前，原料空气停止进气，转而向另一只完成再生的吸附塔均压，随后泄压再生。
被均压的吸附塔引入原料空气开始吸附。
两只吸附塔如此交替重复，完成氧气生产的工艺过程。
工业用变压吸附制氧可采用加压吸附，常压解吸流程；超大气压真空解吸流程；穿透大气压真空解吸流程。
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