1、PSA变压吸附制氮技术申天庭申天庭2011年8月6日气体知识 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中的含量为 （ 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 ： -21
2、0。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 0.750.9MPa，整个制氮系统中气体均是带压的 ，具有冲击能量 ；因此设备安装 、 调试 、 操作维修时必须注意安全 ， 不得备安装 、 调试 、 操作维修时必须注意安全 ， 不得近距离面对气体 。非专业人员或未经许可 ，请勿擅动系统中管路阀门 、压力表等部件 。内部拆卸时，必须确认其内压力为零 。 本说明书及技术方案中所指压力除注明外 ，均为表压 。变压吸附制氮机 相关知识 变压吸附 （ PSA）制氮原理及系统设备概述 设备维护设备维护电力知识 制氮系统中空压机
3、 、冷干机或其它气体干燥设备、制氮主机 、氮气纯化装置等设备均需要接入380V或 220V电源 ，电源条件规定见下表 。 电压 V允差 % 相 位频率 Hz 允差 % 380 5 三相 50 1 三相 220 5 单相 50 1 必须注意安全用电 （电压超过 36V对人有危害 ）！请仔细阅读各设备的接电要求 ，严格按照要求连接电源 。使用 220V电源的设备切勿使用 380V电源 ，一定要有接地保护 ，避免发生短路 。非专业人员或未经许可请勿擅动制氮系统中的电路电器。安全知识 高纯氮气作为隔绝空气或氧气等气体的惰性气体 ，在密封环境中容易使人缺氧窒息 。使用时 ，人员必须处于通风良好的环境中
4、，人或动物切勿在充满高纯氮气的密封环境中，以免发生伤亡事故 。当发生事故时 ，迅速将事故者运往敞开 、通风的大气中做人工呼吸 。 由于整个制氮系统中气体均是带压的 ，需防止压力气体的加渣冲击 ； 在空压机 、 冷干机 、 气体干燥设备 、 制氮主的加渣冲击 ； 在空压机 、 冷干机 、 气体干燥设备 、 制氮主机及氮气纯化装置等设备的排气口 ，请勿站人 。整个系统中的连接管路必须牢固可靠密封 ，经设备销售商确认可靠，以免漏气或造成管路破裂 ，发生人员伤亡或财物损坏 。 由于整个制氮系统中要使用 380V或 220V动力电源 ，请注意用电安全 ！非专业人员或未经许可和培训的其他人员切勿擅自操作电
5、器或擅改电路 。制氮原理 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 ：孔孔孔孔孔50100碳孔碳碳孔孔碳孔碳碳孔碳3 5 10A碳分子筛 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
6、 （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对 、 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 。碳分子筛碳分子筛碳分子筛对 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 ：mol/kg）1.2相相相相相VkNO 2 0.80.61.21.0 O 2平平相相相V（molO0.40.80.4相
7、相相相相氧氧氧孔相相氧氧氧氧氧相相吸氧P（mPa）0.4 0.8 1.21.0 150.20 604530 9075 105t(min)N 2 N 2 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
8、氮气 。3 PSA制氮基本工艺流程 ：空吸空空空空空空空空空储左相相相相右空储氧流相计测测测左相左空左右相左空左上上吸左反反左左氧空产空流相放空左产氧左空空空空空储罐相塔相塔罐储电电左消音器左左空左右左空左下上吸左左相左空左右相左空左放空左放空左氧空氮氮氮吸左先导空氮吸左空空左空左相计下球左制氮工艺流程 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 左吸左吸左吸左吸 ，持续时间为几十秒
9、。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 均压均压均压均压 ，持续时间为 23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 右吸右吸右吸右吸 ，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 解吸解吸解吸解吸 。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，
10、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 反吹反吹反吹反吹 ，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 。碳分子筛碳分子筛碳分子筛碳分子筛氮气氮气氮气氮气氧气氧气氧气氧气左塔左塔左塔左塔 右塔右塔右塔右塔碳分子筛碳分子筛碳分子筛碳分子筛压缩空气压缩空气压缩空气压缩空气PSA制氮机 PSA制氮机的主要流程技术及简单分析 ：1、传统流程技术 ：下部进气 (即压缩净化空气由吸附塔的底部进入 ，氮气由吸附塔上部流出 )；能耗较高 ，有隧道效应和喷筛的危险 ，分子筛更换难度较大 。2、 普通流程技术 ： 下
11、部进气中部均压 (除了下部进气还有、 普通流程技术 ： 下部进气中部均压 除了下部进气还有一个均压的过程 ，以提高设备效率 )；有隧道效应和喷筛的危险 ，分子筛更换难度较大 。3、先进流程技术 ：上部进气 ，中部均压 (是目前世界上最先进的流程技术之一 )；能耗较底 ，永不喷筛 ，分子筛更换容易 。从两种氮气来源的经济性 ，方便性等对比 ，制氮机都有明显的优势 ； “一步法 “PSA制氮机是首选 。PSA制氮机变压吸附制氮的四个步骤变压吸附制氮的四个步骤变压吸附制氮的四个步骤变压吸附制氮的四个步骤为了获得连续的氮气 ，一般采用两个吸附塔进行交替吸附和再生 ，完整的变压吸附过程为 ：吸附吸附吸附
12、吸附装有碳分子筛的吸附塔共有 A、 B二塔 。当洁净的压缩空气进入 A塔底端经碳分子筛向出口端流动时 ， O2、 CO2和 H2O被吸附 , 产品氮气由吸附塔出口流出 。均压均压均压均压变压吸附制氮的四个步骤变压吸附制氮的四个步骤变压吸附制氮的四个步骤变压吸附制氮的四个步骤均压均压均压均压经一段时间后 ， A塔内的碳分子筛吸附饱和 。这时 ， A塔自动停止吸附 ，并对 B塔进行一个短暂的均压过程 ，从而迅速提高 B塔压力并达到提高制氮效率的目的 。所谓均压 ，就是将两塔连通 ，使一只塔 （待解吸塔 ）的气体流向另一只塔 （待吸附塔 ）， 最终达到两塔的气体压力基本均衡 。解吸解吸解吸解吸均压完
13、成后 ， A塔通过底端出气口继续排气 ，将吸附塔迅速下降至常压 ，从而脱除已吸附的 O2、 CO2、 H2O，实现分子筛的解吸再生 。吹扫吹扫吹扫吹扫为了使分子筛彻底再生 ，以氮气缓冲罐内的合格氮气对 A塔进行逆流吹扫 。分子筛活化再生方法分子筛活化再生方法分子筛活化再生方法分子筛活化再生方法分子筛 ,在饱和吸收水分或其他物质后 ,需要经过活化再生 ,将吸附物解吸出来 ,才能够重新投入使用 。正确再生后的分子筛同新鲜的一样 ,其吸附性能和机械强度的衰减和老化是非常低的 。分子筛活化再生的方式 ,一般分为 :加热活化再生 (变温 )；抽真空活化再生 (变压 )。分子筛活化再生方法分子筛活化再生方
14、法分子筛活化再生方法分子筛活化再生方法变压 。加热活化再生 ,其流程可以包括 :吸附 卸压 加热 冷却 充压 再吸附 。这其中 ,主要就是通过加热和冷却分子筛床层 ,来完成对分子筛的活化再生 。分子筛吸附器卸压时 ,放气过程不宜过快 ,因为在高压下被分子筛吸附的物质 ,会在低压下进一步的解吸脱附出来 ,泄压速度过快容易导致分子筛出现粉化破碎的现象 ,一般卸压速度宜小于 0.2 MPa/min。分子筛加热活化的热源有 :蒸汽加热 (SH)和电加热 (EH)。蒸汽加热在使用过程中易发生泄漏 ,所以在制造方面要求严格 ,设备的造价也比较高 ；但使用蒸汽其价格比电要便宜许多 。从操作上看 ,电加热没有
15、因蒸汽泄漏而影响吸附器再生的问题 ,所以设备造价较低 ；但是使用能耗较高 。设备容量较大 、而且工厂有充足的蒸汽源的 ,多采用蒸汽加热 ；设备容量较小且工厂蒸汽源有困难的 ,则采用电加热 。一般在正常生产中 ,使用蒸汽加热器进行加热 ,当蒸汽压力不足或分子筛需要进行高温特殊活化时 ,再串联入电加热器 ,以提高加热介质的温度 。加热再生的温度一般可设置为 180-280之间 ,但要保证出口温度至少在 150以上 ,才能够比较彻底的完成再生 。分子筛活化再生方法分子筛活化再生方法分子筛活化再生方法分子筛活化再生方法上 才能够比较彻底的完成再生 。加热再生的方式 :一般以产品气作为再生气源 ,反向
16、(逆向 )吹扫冲洗分子筛床层来进行脱附解吸 。也可使用别处的干气 、低露点气等作为再生气源 ,但应保证其不含能够被分子筛吸附的组分 。加热再生的时间 :一般为分子筛吸附时间的 1/2或者更多 ；冷吹 :加热后的分子筛 ,不能马上用作吸附之用 。必须将分子筛床层冷却到吸附温度 ,才算完成再生 。冷却终了的温度应控制在 4055 (50 ),以提高分子筛的吸附效果 。冷吹时间 :一般为分子筛吸附时间的 1/2或者更少。1、空气压缩纯化过程纯原料空气进入碳分子筛吸附塔 ，是非常必要的 ，因为棵粒及有机气氛进入吸附塔会堵塞碳分子筛的微孔 ，并逐渐使碳分子筛的分离性能降低 。纯化原料空气的方法有 ： 1
17、、使空压机的进气口远离有 、油雾 、 有机气氛的场所 ； 2、 通过冷干机 、 吸附剂净化系统等 ，碳分子筛制氮需要控制的条件碳分子筛制氮需要控制的条件碳分子筛制氮需要控制的条件碳分子筛制氮需要控制的条件油雾 、 有机气氛的场所 ； 、 通过冷干机 、 吸附剂净化系统等 ，最后经处理后的原料空气进入碳分子筛吸附塔 。2、产品氮气的浓度和产气量碳分子筛制取氮气 ，其 N2浓度和产气量可根据用户的需要进行任意调节 ，在产气时间及操作压力确定时 ，调低产气量 ， N2浓度将提高 ，反之 ， N2浓度则下降 。用户可根据实际需要调节 。3、均压时间碳分子筛制氮过程 ，当一个吸附塔吸附结束时 ，可将此吸
18、附塔内的有压气体从上下两个方向注入另一个已再生好的吸附塔中，并使两塔气体压力相同 ，此一过程称为吸附塔的均压 ，选择适当的均压时间 ，即可回收能量 ，也可以减缓吸附塔内的分子筛受到冲击 ， 从而达到延长碳分子筛的使用寿命 。 参考伐门碳分子筛制氮需要控制的条件碳分子筛制氮需要控制的条件碳分子筛制氮需要控制的条件碳分子筛制氮需要控制的条件子筛受到冲击 ， 从而达到延长碳分子筛的使用寿命 。 参考伐门的切换速度一般选择均压时间为 1-3秒。4、产气时间根据碳分子筛对氧和氮的吸扩散速率不同 ，其吸附 O2在短时间内就达到平衡 ，此时 ， N2的吸附量很少 ，较短的产气时间 ，可有效的提高碳分子筛的产
19、气率 ，但同时也增加了伐门的动作频率 ，因此伐门的性能也很重要 。一般选择吸附时间为 30-120秒。小型高纯制氮机推荐使用短的产气时间 ，大型低浓度推荐使用长的产气时间 。5、操作压力碳分子筛在动力学效应的同时 ，又具有平衡吸附效应 ，吸附质分压高 ，吸附容量也高 ，因此加压器吸附是有利的 ，但吸附压力太高 ，对空压机的造型要求也增高 ，另外常压再生与真空再生两个流程对吸附压力要求也不同 ， 综合各项因素 ，碳分子筛制氮需要控制的条件碳分子筛制氮需要控制的条件碳分子筛制氮需要控制的条件碳分子筛制氮需要控制的条件与真空再生两个流程对吸附压力要求也不同 ， 综合各项因素 ，建议常压再生流程的吸附
20、压力选为 5-8kg/cm2为宜 ；真空再生流程的吸附压力选择为 3-5Kg/cm2为宜 。6、使用温度作为吸附剂选择较低的吸附温度有利于碳分子筛性能的发挥，制氮机工艺在有条件的情况下 ，采取降低吸附温度是有利的 。更换碳分子筛更换碳分子筛更换碳分子筛更换碳分子筛碳分子筛使用过程中 ，如操作维护不当会造成中毒 。如：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
21、用要求 。遇到此类情况 ，就得考虑更换碳分子筛 。设备维护 设备日常维护 对制氮系统中的设备的维护主要包括空压机 、冷干机 、过滤器 、制氮主机的维护 。空 压机的日常维护主要是经常检查空压机储气罐压机的日常维护主要是经常检查空压机储气罐的排污口是否堵塞 ，散热孔处是否有遮拦 ；冷干机的散热器要经常清扫 ；过滤器的排污口要经常检查是否堵塞 ；制氮机消音器的排气口要经常检查是否畅通 。所有设备外观均要保持清洁、干净 ，经常用湿布或中性肥皂水擦洗 。设备周期性维护 有油螺杆空压机的维护主要是空气进气过滤器 （其会被灰尘堵塞 ）的周期更换 ，以及每年的润滑油和油分离器的更换 。压缩机的维护也包括对机
22、油的定期补充和更换 （如有必要 ）。 无油活塞空压机也需要定期更换活塞环和补充润滑剂 。为保证制氮系统稳定可靠地运行和压缩机的长寿命运行 ，必须按照压缩机厂商推荐的周期维护办法和措施来维护压缩机 。 风冷式冷干机的周期性维护主要是定期吹扫 ，清洗排污口 ；水冷式冷干机主要是定期清洗水冷凝器 ，以防水垢沉淀堵塞 。请认真阅读冷干机的操作维护使用说明书 ，严格按照冷干机厂商推荐的周期维护办法和措施来维护冷干机 。 过滤器的周期性维护主要是根据过滤器的使用状况定期更换滤芯 。如果发现过滤器的压力差过大 ，请及时更换滤芯 。请参照过滤器厂商推荐的周期维护办法和措施来维护过滤器 。 制氮主机基本上不用周
23、期性维护 。故障现象 故障原因 排除办法打开电源开关 ，电源指示灯不亮 1.电源未接通2.电源保险损坏3.电源开关损坏1.接通电源2.更换电源保险3.更换电源开关流程指示灯不亮 1.指示灯损坏或连线未接好2.可编程控制器故障1.接好连线或更换指示灯2.检查控制器 ，如有问题及时与厂家联系流程指示不正常 可编程控制器故障 检查控制器 ，如有问题及时与厂家联系左吸时左吸附罐压力不能上升到正常值 先导气压力未设定好控制左吸的电磁阀损坏左吸进气阀未打开先导气压力设定为空气压力的 1/2维修电磁阀或更换检查管道阀 ，如有故障维修或更换均压时左右吸附罐压力不能均衡 1.控制均压的电磁阀损坏 维修电磁阀或更换均压时左右吸附罐压力不能均衡 控制均压的电磁阀损坏2.上下均压阀未打开维修电磁阀或更换检查均压阀 ，如有故障维修或更换右吸时右吸附罐压力不能上升到正常值 1.控制右吸的电磁阀损坏2右吸进气阀未打开1维修电磁阀或更换2检查管道阀 ，如有故障维修或更换左吸或右吸时消音器不停排气 ，同时吸附罐压力不上升反吹阀开得过大电磁阀损坏均压阀漏气解吸阀漏气1.将反吹阀开度调到适当2.维修电磁阀或更换3.维修管道阀或更换使用过程中氮气纯度波动 空气压力有波动用气量有波动1.保养 、维修空压机2.保持用气量不超过额定流量测氧仪示数不准确 1.有空气混入2. 氧探头失效1.检定氧探头及测纯系统2.更换氧探头
