变压吸附制氮实验报告

变压吸附制氮实验报告
变压吸附制氮机的原理分析
变压吸附制氮机的原理分析
川汇气体
变压吸附制氮机名词解释及工作原理分析
变压吸附（PSA）制氮技术，具有能耗低、低噪音、无污染、操作简便、性能稳定等优点。

可满足各种用气需要，在冶炼、金属加工、石化工业、电子工业、食品行业、仓储运输、等众多领域得到广泛使用。

变压吸附制氮机是以空气为原料，利用分子筛吸附剂对空气中氮、氧不同的吸附性能，在常温下变压吸附(简称PSA)制取氮气。

主要结构由空气净化系统，自动控制系统，制氮系统、氮气储罐等部分构成。

碳分子筛是由碳组成的多孔物质，孔结构模型为无序堆积碳素结构。

它分离空气的能力，取决于空气中各种气体在碳分子筛微孔中的不同扩散速度或不同的吸附力。

由于氧分子通过碳分子筛微孔系统的狭窄空隙的扩散速度比氮分子快得多。

因此，当加压时它对氧优先吸附，而氮则被富集成高纯度气体。

变压吸附制氮机正是利用这一特性，采用加压吸附、减压解吸的方式实现氮氧分离。

变压吸附法通常使用两塔并联，交替进行加压吸附和解压再生，从而获得连续的氮气流。

PSA制氮机工艺流程
压缩后的空气经空气贮存缓冲罐进入活性碳过滤器，除去油和
水，然后经过冷干机干燥冷却卸压再经过T级和A级精密过滤后进入两个吸附塔。

PSA制氮工艺流程是采用在常温下变压吸附（即PSA）为无热源的吸附分离过程，碳分子筛对吸附组合（主要是氧分子）的吸附容量因其分压升高而增加，因其分压的下降而减少。

这样，碳分子筛在加压时吸附，减压时解吸，放出被吸附的部分，使碳分子再生，形成循环操作。

变压吸附过程，循环操作包括：吸附、均压、降压、释放、冲洗，然后再充压、吸附几个工作阶段，形成循环操作过程。

PSA制氮装置根据流程的再生压力不同，可分为真空再生和常压再生流程。

在两种流程中，原料空气经无油空压机压缩调压后，进入除油系统和冷却器，再经干燥进入碳分子筛吸附塔，吸附塔的上部排出产品氮气，被吸附的氧气直接排放到大气中，实现碳分子筛的再生。

篇二：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.
2.
3. ? PSA变压吸附制氮原理? 深冷空分制氮原理? 膜空分制氮原理
2 主要分类
1.
2.
3. ? 深冷空分制氮? 分子筛空分制氮? 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(来自: 写论文网:变压吸附制氮实验报告)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。

篇三：变压吸附制氮装置
变压吸附制氮装置用于工业生产中的惰性保护
顾飞龙张力钧张丽华
上海化工研究院200062
摘要本文简要介绍变压吸附制氮技术的基本原理及数学模型，变压吸附制氮装置用于工业生产中的惰性保护。

关键词变压吸附数学模型制氮装置应用
1、概述
工业生产过程中，有毒有害、易燃易爆、易挥发的物料需要惰性气体保护，而氮气作为惰性气体的一种，气源丰富，空气中含量79％，在生产中的应用已日益广泛。

目前广泛应用于安全保护气、置换气、注氮三次采油、煤矿防火灭火、氮基气氛热处理、防腐防爆、电子工业、集成电路等。

例如化工助剂生产中采用封
闭式循环干燥系统，采用氮气作惰性保护，可以防止由溶剂引起的爆炸和燃烧，防止溶剂和粉末释放，同时防止干燥产品在干燥期间的过热氧化作用和降解。

传统的空气分离是采用深冷法，利用空气中氧氮等的沸点不同，使空气深冷液化，进行分离提纯。

虽然分离量大，纯度高，但是工艺流程复杂，设备制造、安装、调试要求高，投资大，占地面积大，不适宜应用于中小气量。

通过近三十年来的摸索，变压吸附制氮技术已经相当完善。

变压吸附气体分离技术（PSA）工艺过程简单，设备制造容易，占地少，启动时间短，设备维护简便，适应性强，自动化程度高，可随时开停车不需采用特别措施。

因此，近年来变压吸附在中小规模装置的应用日益增加。

2、变压吸附制氮技术基本原理
由于吸附剂对不同气体在吸附量、吸附速度、吸附力等方面的差异，以及吸附剂的吸附容量随压力的变化而变化，因此可在加压条件下完成混合气体的吸附分离过程，减低压力解吸所吸附的杂质组份，从而实现气体分离以及吸附剂的循环使用。

变压吸附制氮技术，一般采用碳分子筛为吸附剂，碳分子筛对氧氮的吸附速度相差很大，（如图1所示），在短时间内，氧的吸附速度大大超过氮的吸附速度，利用这一特性来完成氧氮分离。

碳分子筛对氧的吸附容量随压力的降低而减少，减低压力，即可解吸，完成碳分子筛的再生。

另外，碳分子筛对二氧化碳和水分也有吸附能力，且较容易减压解吸。

时间MIN
图1. 碳分子筛对氧氮的吸附动力学曲线
3、变压吸附制氮的数学模型
PSA制氮过程的动态行为可以从以下几个方面来描述：
3.1．吸附等温方程
PSA制氮是基于恒温（一般为常温）下气体的压力升降相平衡的吸附剂吸附容量相应变化，过程消耗的能量是气体的压缩能；温度恒定，吸附剂的吸附量q和气相中组份的分压p的平衡关系用吸附等温方程来描述。

PSA制氮，低温下以物理吸附为主，与Langmuir方程描述一致。

Langmuir方程基本假设：①吸附是单分子层；②局部吸附，吸附剂的表面有一定数量的吸附中心，且各吸附中心相互独立，成为局部吸附；③各吸附中心具有相等的吸附能，并在各中心均匀分布。

在吸附平衡时，均匀表面的气体分子的吸附速率和解吸速率相等，推得基本吸附等温的Langmuir方程：
q
qm=k1p1+k1p(1)
式中：k1为常数，由实验测得，q表示气体压力为p的吸附浓度
3.2．物料衡算
流动气相各组分质量衡算：
A组分：
cA
z
222-DL+v?cA?z+cA?c?1-ε??qA+?=0?z?ε??t?(2) B组分：?cB
t-DLcBz2+vcBz+cBc1-ε??qB+?=0??z?ε??t(3)
3.3．吸附速率
吸附由以下几步组成：①吸附质从流体中向吸附剂表面的扩散；
②吸附质在吸附剂毛细孔中传递；③吸附质在吸附剂表面上的附着。

变压吸附制氮的吸附速率主要由②吸附质在毛细孔内的扩散速度决定。

因此其吸附速率方程为：
Ci2(4)2rtttr
式中：Dp为毛细孔内扩散系数；i为吸附剂粒子在毛细孔内的参数；r为制吸附剂粒子中心Dp(+2?Ci)=ε?Ci+ρB?Ni
测量起的距离；ε为孔隙度。

这些数学模型微分方程和边界条件的假设，对于我们从经验设计转向数学模型设计，以及在放大中必须注意的关键问题，提供了理论指导依据，工程设计人员在实践中使得PSA制氮工业规模由中小型逐步积极稳妥地向大型发展。

4、变压吸附制氮装置
4.1 变压吸附制氮工艺流程
上海化工研究院研制的NGN型PSA制氮装置，原料空气压力为0.8MPa，环境温度20℃，相对湿度80％，氮气产量从10Nm3/h 到3000Nm3/h，氮气纯度从95％到99.99％。

其工艺流程图如图4
1.
5.原料空气经压缩机压缩至0.8MPa(或以上)，经冷却器冷却至常温，再经过滤器过滤油、水后，进入吸附塔（填充碳分子筛），空气中氧、二氧化碳和水分被吸附，其余组份（主要为氮气）则从出口端流出进入缓冲罐。

吸附塔经均压、减压至常压，脱除所吸附的杂质组份，完成碳分子筛的再生。

两吸附塔循环交替操作，连续产出氮气。

4.2 变压吸附制氮系统的设计原则
变压吸附制氮系统的设计要综合考虑氮气回收率、氮气产量及投资成本，而实际设计和操作是受许多变量的影响。

4.2.1 压缩空气预处理
吸附剂对油份的吸附是不可逆的，不能使用减压再生的方法，空气中油份的含量会直接影响到吸附剂的寿命，因此，必须采用精密油过滤器，分离粒径范围为0.01μm，保证制氮装置的长期运行。

4.2.2 吸附剂的选定
吸附剂的吸附平衡、吸附速度、脱附速度、吸附选择性等吸附特性，其它如形状、粒径、密度、空隙率、热容以及压缩强度、耐磨性等形状和机械特性也在考虑的范围内。

4.2.3 吸附塔高
平衡分离型的吸附塔的设计必须考虑传质速率和传质区的高
度。

吸附塔的高度控制在一定范围内，过高空气的线速度过高，会影响到物质扩散，以及对吸附剂物理形态的影响；过低则实际吸附剂利用率低，影响氮气回收率。

4.2.4 吸附压力
综合考虑产氮率和氮气回收率来选定吸附压力，一般在0.6～0.8MPa为宜
5、应用与技术经济
5.1. 应用
上海化工研究院在八十年代初即率先在国内推出PSA工业制氮装置应用于工业生产。

近二十年来，已推广PSA技术装置近三百余套，为工矿企业节能降耗取得经济效益提供了优良的设备和技术。

化工、石油化工、精细化工生产中，氮气作为惰性保护气氛可用于反应、置换、吹扫、压力输送等工艺场合。

如上海吴凇化肥厂用于双氧水工艺生产；中外合资上海浦东联胜化工有限公司用于PEO生产，江苏汉光集团用于化工助剂生产的惰性干燥系统等。

在一些新兴的材料行业、电子工业、集成电路、啤酒饮料等惰性气体的应用也在不断
地拓展新的应用领域。

如新型PSA制氮装置已用于手机锂电池生产的惰性保护，用于啤酒饮料等的氮气封装，有机硅生产中的氮气脱水干燥，休闲食品取代空气和脱氧剂进行氮气封装。

氮气的应用使得这些企业的产品在工艺技术、产品质量上档次，赢得
了竞争力。

如新天国际葡萄酒业公司的NGN－100制氮装置，用于酒的发酵后期和灌装的惰性保护，提高了酒的品味、延长保质期等。

PSA制氮技术作为新兴的高新气体分离技术，应用的广度和深
度还将进一步不断地拓展和发展。

5.2. 技术经济性
采用PSA制氮装置，与一般的钢瓶氮气供应，液氮供应相比，优势明显。

首先PSA法，省去了钢瓶、液氮的运输，减少了运输过程的不确定性，减少了工人搬运、下车等的体力劳动，改善了工人的劳动条件。

PSA制氮装置经二十年的工业实践，已完全达到了全自动控制，连续开机等工业生产要求。

其次，PSA制氮相对于采用购买氮气的方法，其技术经济性明显，以NGN－100型制氮装置为例，PSA制氮装置每小时生产氮气100M，成本为0.3元/ M，购买钢瓶氮气的费用为3元，以一年计算，每年节约费用为：
100 m3/h×24h/天×365天×（3－0.3）元=2365200元
一套NGN－100型制氮装置的设备价在50万元以内，其投资回报快，一般三～六月即可收回投资，技术经济性是明显的。

6. 结论
变压吸附气体分离技术作为一项新兴节能的高新气体分离技术，其用于空气干燥和空气分离制氮前景广阔，可应用于石油、。