PSA制氮机工作原理及工艺流程

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
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。

PSA制氮机的工艺流程和设备简介
发布时间：2011-12-17 文章来自：日立鼓风机|日立水泵|日立马达|氮气机|日立增压机|日立真空泵 - 东莞市东捷贸易有限公司1、工艺流程简介
空气经空气过滤器清除灰尘和机械杂质后进入空气压缩机，压缩至所需压力，经严格的除油、除水、除尘净化处理，输出洁净的压缩空气，目的是确保吸附塔内分子筛的使用寿命。

装有碳分子筛的吸附塔共有二个，一个塔工作时，另一个塔则减压脱附。

洁净空气进入工作吸附塔，经过分子筛时氧、二氧化碳和水被其吸附，流至出口端的气体便是氮气及微量的氩和氧。

另一塔（脱附塔）使已吸附的氧气、
二氧化碳和水从分子筛微孔中脱离排至大气中。

这样两塔轮流进行，完成氮氧分离，连续输出氮气，见图-2。

变压(_bian4 ya1)吸附制取的氮气纯度为95%-99.9%，假如需要更高纯度的氮气需增加氮气净化设备。

变压吸附制氮机输出的95%-99.9%氮气进入氮气净化设备，同时通过一流量计添加适量的氢气，在净化设备的除氧塔中氢和氮气中的微量氧进行催化反应，以除去氧然后经水冷凝器冷却，汽水分离器除水，再通过干燥器深度干燥（两个吸附干燥塔交替使用：一个吸附干燥除水，另一个加热脱附排水），得到高纯氮气，此时的氮气纯度可达99.9995%，见图-3。

目前海内变压吸附制氮最大的生产能力为3000m3n/h。

三、深冷制氮的工艺流程和设备简介
1、深冷制氮的典型工艺流程：
整个流程由空气压缩及净化、空气分离、液氮汽化组成。

⑴空气压缩及净化
空气经空气过滤器清除灰尘和机械杂质后进入空气压缩机，压缩至所需压力，然后送入空气冷却器，降低空气温度。

再进入空气干燥净化器，除去空气中的水份、二氧化碳、乙炔及其它碳氢化合物。

⑵空气分离：
净化后的空气进入空分塔中的主换热器，被返流气体（产品氮气、废气）冷却至饱和温度，送入精馏塔底部，在塔顶部得到氮气，液空经节流后送入冷凝蒸发器蒸发，同时冷凝由精馏塔送来的部分氮气，
冷凝后的液氮一部分作为精馏塔的回流液，另一部分作为液氮产品出空分塔。

由冷凝蒸发器出来的废气经主换热器复热到约130K进膨胀机膨胀制冷为空分塔提供冷量，膨胀后的气体一部分作为分子筛的再生和吹冷用，然后经消音器排入大气。

⑶液氮汽化
由空分塔出来的液氮进液氮贮槽贮存，当空分设备检修时，贮槽内的液氮进入汽化器被加热后，送入产品氮气管道。

深冷制氮可制取纯度≧99.999%的氮气。

四、深冷制氮与变压吸附制氮的技术经济比较
1、流程比较
从以上的论述中我们可以发现：变压吸附制氮流程简朴，设备数量少，主要设备仅有空压机、空气干燥器、吸附制氮机和储气罐等。

而深冷制氮流程复杂，设备数量多，主要设备有空压机、空冷器、空气净化干燥器、换热器、膨胀机和精流塔等。

制氮机
2、产品种类和纯度比较
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。

深冷制氮可制取纯度≧99.999%的氮气。

氮气纯度受到(de dan qi _dan qi chun du shou dao)氮气负荷、塔板数量、塔板效率和液空中氧纯度等的限制，调节范围很小。

因此，对于一套深冷制氮设备其产品纯度基本是一定的，不便调节。

变压吸附制氮制取的氮气纯度一般在95%-99.9%范围内，假如需要更高纯度的氮气需增加氮气净化设备。

氮气纯度只受产品氮气负荷的影响，在其他条件不变情况下，氮气排出量越大，氮气的纯度就越低；反之则越高。

因此，对于一套变压吸附制氮设备只要负荷答应其产品纯度可以在90-99.9%之间任意调节。

3、运行控制比较
深冷法由于是在极低温度下进行的，设备在投入正常运行之前，必须有一个预冷启动过程，启动时间即从膨胀机启动至氮气纯度达到要求的时间一般不小于12h；设备在进入大修之前，必须有一段加温解冻的时间，一般为24h。

因此，深冷法制氮设备不宜常常起、停，宜长时间连续运行。

变压吸附法启动时，只要按一下按钮，启动30分钟内便可以获得合格的氮气产品，假如需要高纯的氮气，那么经过氮气净化装置，大约再用30分钟便可获得99.99%-99.9999%的高纯氮气。

停机时也只需按一下按钮便可。

因此，变压吸附制氮特殊适用于间断运行的情况。

现在深冷法制氮一般均采用先进的DCS（或PLC）计算机控制技术，实现中控、机旁、就地一体化的控制，可有效的监控整套设备的生产过程。

变压吸附制氮采用智能化全自动控制，按钮即可进行氮气生产，无需专人治理。

五、结论
对于石油化工装置，所需氮气纯度大多为99.9%，从以上对深冷制氮和变压吸附制氮的简介及比较中，我们可以得出以下结论：
a)当氮气连续负荷大于600 m3n/h，间断负荷用量不太大，可以通过液氮汽化满意要求时，应采用深冷制氮。

b)当氮气连续负荷大于600 m3n/h，间断负荷用量大，液氮汽化已不能满意其用量时，可采用以深冷制氮为主，变压吸附间断供气的方式。

c)当氮气连续负荷小于600 m3n/h，可采用变压吸附制氮。

d)变压吸附制氮特殊适用于氮气负荷小于3000 m3n/h，氮气纯度为95%，并且是间断运行工况。

e)当工艺装置需要液氮时，除非有外部供给液氮的可能，否则均应采用深冷制氮。

制氮机工艺流程/制氮机操作流程
制氮机是根据变压吸附原理，采用高品质的碳分子筛作为吸附剂，在一定的压力下，从空气中制取氮气。

经过纯化干燥的压缩空气，在吸附器中进行加压吸附、减压脱附。

由于空气动力学效应，氧在碳分子筛微孔中扩散速率远大于氮，氧被碳分子筛优先吸附，氮在气相中被富集起来，形成成品氮气。

然后经减压至常压，吸附剂脱附所吸附的氧气等杂质，实现再生。

一般在系统中设置两个吸附塔，一塔吸附产氮，另一塔脱附再生，通过PLC程序控制器控制气动阀的启闭，使两塔交替循环，以实现连续生产高品质氮气之目的。

整套系统由以下部件组成：压缩空气净化组件、空气储罐、氧氮分离装置、氮气缓冲罐。

压缩空气净化组件
空气压缩机提供的压缩空气首先通入压缩空气净化组件中，压缩空气先由管道过滤器除去大部分的油、水、尘，再经冷冻干燥机进一步除水、精过滤器除油、除尘，并由在紧随其后的超精过滤器进行深度净化。

根据系统工况，特别设计了一套压缩空气除油器，用来防止可能出现的微量油渗透，为碳分子筛提供充分保护。

设计严谨的空气净化组件确保了碳分子筛的使用寿命。

经本组件处理后的洁净空气可用于仪表空气。

2、空气储罐
空气储罐的作用是：降低气流脉动，起缓冲作用；从而减小系统压力波动，使压缩空气平稳地通过压缩空气净化组件，以便充分除去油水杂质，减轻后续PSA氧氮分离装置的负荷。

同时，在吸附塔进行工作切换时，它也为PSA氧氮分离装置提供短时间内迅速升压所需的大量压缩空气，使吸附塔内压力很快上升到工作压力，保证了设备可靠稳定的运行。

3、氧氮分离装置
装有专用碳分子筛的吸附塔共有A、B两只。

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

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，压缩空气流入B塔进行吸氧产氮，对并A塔分子筛进行再生。

分子筛的再生是通过将吸附塔迅速下降至常压脱除已吸附的O2、CO2和H2O来实现的。

两塔交替进行吸附和再生，完成氧氮分离，连续输出氮气。

上述过程均由可编程序控制器（PLC）来控制。

当出气端氮气纯度大小设定值时，PLC 程序作用，自动放空阀门打开，将不合格氮气自动放空，确保不合格氮气不流向用气点。

气体放空时利用消声使噪声小于75dBA。

4、氮气缓冲罐
氮气缓冲罐用于均衡从氮氧分离系统分离出来的氮气的压力和纯度，保证连续供给氮气稳定。

同时，在吸附塔进行工
作切换后，它将本身的部分气体回充吸附塔，一方面帮助吸附塔升压，另外也起到保护床层的作用，在设备工作过程中起到极重要的工艺辅助作用。

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变压吸附制氮机参数：
1、罐容积： 0.3--2.0(L) 排气量： 3-3000(L/Min) 出口尺寸： 15-80(mm) 功率： 2-250(KW)
用途：制造氮气产品别名：氮气机
排气压力： 6--8(bar) 冷却方式：风冷马力： 150(HP）。