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PSA制氮機(jī)工藝概述
在制氮、制氧領(lǐng)域內(nèi)使用較多的是碳分子篩和沸石分子篩。分子篩對(duì)氧和氮的分離作用主要是基于這兩種氣體在分子篩表面的擴(kuò)散速率不同，碳分子篩是一種兼具活性炭和分子篩某些特性的碳基吸附劑。碳分子篩具有很小微孔組成，孔徑分布在0.3nm ~ 1nm之間。較小直徑的氣體（氧氣）擴(kuò)散較快，較多進(jìn)入分子篩固相，這樣氣相中就可以得到氮的富集成分。一段時(shí)間后，分子篩對(duì)氧的吸附達(dá)到平衡，根據(jù)碳分子篩在不同壓力下對(duì)吸附氣體的吸附量不同的特性，降低壓力使碳分子篩解除對(duì)氧的吸附，這一過程稱為再生。變壓吸附法通常使用兩塔并聯(lián)，交替進(jìn)行加壓吸附和解壓再生，從而獲得連續(xù)的氮?dú)饬鳌?/div>
PSA制氮機(jī)作用范圍
以空氣為原料，以碳分子篩作為吸附劑，運(yùn)用變壓吸附原理，利用碳分子篩對(duì)氧和氮的選擇性吸附而使氮和氧分離的方法，通稱PSA制氮。此法是七十年代迅速發(fā)展起來的一種新的制氮技術(shù)。與傳統(tǒng)制氮法相比，它具有工藝流程簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、產(chǎn)氣快(15～30分鐘)、能耗低，產(chǎn)品純度可在較大范圍內(nèi)根據(jù)用戶需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，操作維護(hù)方便、運(yùn)行成本較低、裝置適應(yīng)性較強(qiáng)等特點(diǎn)，故在1000Nm3/h以下制氮設(shè)備中頗具競(jìng)爭(zhēng)力，越來越得到中、小型氮?dú)庥脩舻臍g迎，PSA制氮已成為中、小型氮?dú)庥脩舻姆椒ā?/div>
PSA制氮機(jī)比較
隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，氮?dú)庠诨ぁ㈦娮印⒁苯稹⑹称贰C(jī)械等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，我國(guó)對(duì)氮?dú)獾男枨罅棵磕暌源笥?%的速度增加。 氮?dú)獾幕瘜W(xué)性質(zhì)不活潑，在尋常的狀態(tài)下表現(xiàn)為很大的惰性，不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此，氮?dú)庠谝苯鸸I(yè)、電子工業(yè)、化工工業(yè)中廣泛的用來作為保護(hù)氣和密封氣，一般保護(hù)氣的純度要求為99.99%，有的要求99.998%以上的高純氮。液氮是一個(gè)較方便的冷源，在食品工業(yè)、醫(yī)療事業(yè)以及畜牧業(yè)的精液貯藏等方面得到越來越普遍的應(yīng)用。在化肥工業(yè)生產(chǎn)合成氨時(shí)，合成氨的原料氣—?dú)洹⒌旌蠚馊粲眉円旱礈炀疲墒苟?*氣體的含量極微小，一氧化硫和氧的含量不超過20ppm。
純凈的氮?dú)鉄o法從自然界直接汲取，主要采用空氣分離法。空氣分離法中包括：深冷法、變壓吸附法(PSA)、膜分離法。
PSA制氮機(jī)PSA制氮機(jī)的工藝流程
1、工藝流程簡(jiǎn)介
空氣經(jīng)空氣過濾器清除灰塵和機(jī)械雜質(zhì)后進(jìn)入空氣壓縮機(jī)，壓縮至所需壓力，經(jīng)嚴(yán)格的除油、除水、除塵凈化處理，輸出潔凈的壓縮空氣，目的是確保吸附塔內(nèi)分子篩的使用壽命。裝有碳分子篩的吸附塔共有二個(gè)，一個(gè)塔工作時(shí)，另一個(gè)塔則減壓脫附。潔凈空氣進(jìn)入工作吸附塔，經(jīng)過分子篩時(shí)氧、二氧化碳和水被其吸附，流至出口端的氣體便是氮?dú)饧拔⒘康臍搴脱酢Ａ硪凰摳剿┦挂盐降难鯕狻⒍趸己退畯姆肿雍Y微孔中脫離排至大氣中。這樣兩塔輪流進(jìn)行，完成氮氧分離，連續(xù)輸出氮?dú)猓妶D-2。變壓(_bian4 ya1)吸附制取的氮?dú)饧兌葹?5%-99.9%，假如需要更高純度的氮?dú)庑柙黾拥獨(dú)鈨艋O(shè)備。變壓吸附制氮機(jī)輸出的95%-99.9%氮?dú)膺M(jìn)入氮?dú)鈨艋O(shè)備，同時(shí)通過流量計(jì)添加適量的氫氣，在凈化設(shè)備的除氧塔中氫和氮?dú)庵械奈⒘垦踹M(jìn)行催化反應(yīng)，以除去氧然后經(jīng)水冷凝器冷卻，汽水分離器除水，再通過干燥器深度干燥（兩個(gè)吸附干燥塔交替使用：一個(gè)吸附干燥除水，另一個(gè)加熱脫附排水），得到高純氮?dú)猓藭r(shí)的氮?dú)饧兌瓤蛇_(dá)99.9995%，見圖-3。海內(nèi)變壓吸附制氮的生產(chǎn)能力為3000m3n/h。
PSA制氮機(jī)深冷制氮的工藝流程
1、深冷制氮的典型工藝流程：
整個(gè)流程由空氣壓縮及凈化、空氣分離、液氮汽化組成。
⑴ 空氣壓縮及凈化
空氣經(jīng)空氣過濾器清除灰塵和機(jī)械雜質(zhì)后進(jìn)入空氣壓縮機(jī)，壓縮至所需壓力，然后送入空氣冷卻器，降低空氣溫度。再進(jìn)入空氣干燥凈化器，除去空氣中的水份、二氧化碳、乙炔及其它碳?xì)浠衔铩?/div>
⑵ 空氣分離：
凈化后的空氣進(jìn)入空分塔中的主換熱器，被返流氣體（產(chǎn)品氮?dú)狻U氣）冷卻至飽和溫度，送入精餾塔底部，在塔頂部得到氮?dú)猓嚎战?jīng)節(jié)流后送入冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)，同時(shí)冷凝由精餾塔送來的部分氮?dú)猓淠蟮囊旱徊糠肿鳛榫s塔的回流液，另一部分作為液氮產(chǎn)品出空分塔。
由冷凝蒸發(fā)器出來的廢氣經(jīng)主換熱器復(fù)熱到約130K進(jìn)膨脹機(jī)膨脹制冷為空分塔提供冷量，膨脹后的氣體一部分作為分子篩的再生和吹冷用，然后經(jīng)消音器排入大氣。
⑶ 液氮汽化
由空分塔出來的液氮進(jìn)液氮貯槽貯存，當(dāng)空分設(shè)備檢修時(shí)，貯槽內(nèi)的液氮進(jìn)入汽化器被加熱后，送入產(chǎn)品氮?dú)夤艿馈?/div>
深冷制氮可制取純度≧99.999%的氮?dú)狻?/div>
PSA制氮機(jī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
深冷制氮與變壓吸附制氮的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
1、流程比較
從以上的論述中我們可以發(fā)現(xiàn)：變壓吸附制氮流程簡(jiǎn)樸，設(shè)備數(shù)量少，主要設(shè)備僅有空壓機(jī)、空氣干燥器、吸附制氮機(jī)和儲(chǔ)氣罐等。而深冷制氮流程復(fù)雜，設(shè)備數(shù)量多，主要設(shè)備有空壓機(jī)、空冷器、空氣凈化干燥器、換熱器、膨脹機(jī)和精流塔等。
制氮機(jī)
2、產(chǎn)品種類和純度比較
深冷制氮不僅可以生產(chǎn)氮?dú)舛铱梢陨a(chǎn)液氮，滿意需要液氮的工藝要求，并且可在液氮貯槽內(nèi)貯存，當(dāng)出現(xiàn)氮?dú)忾g斷負(fù)荷或空分設(shè)備小修時(shí)，貯槽內(nèi)的液氮進(jìn)入汽化器被加熱后，送入產(chǎn)品氮?dú)夤艿罎M意工藝裝置對(duì)氮?dú)獾男枨蟆Ｉ罾渲频倪\(yùn)轉(zhuǎn)周期（指兩次大加溫之間的間隔期）一般為1年以上，因此，深冷制氮一般不考慮備用。而變壓吸附制氮只能生產(chǎn)氮?dú)猓瑹o備用手段，單套設(shè)備不能保證連續(xù)長(zhǎng)周期運(yùn)行。
深冷制氮可制取純度≧99.999%的氮?dú)狻５獨(dú)饧兌仁艿?de dan qi _dan qi chun du shou dao)氮?dú)庳?fù)荷、塔板數(shù)量、塔板效率和液空中氧純度等的限制，調(diào)節(jié)范圍很小。因此，對(duì)于一套深冷制氮設(shè)備其產(chǎn)品純度基本是一定的，不便調(diào)節(jié)。變壓吸附制氮制取的氮?dú)饧兌纫话阍?5%-99.9%范圍內(nèi)，假如需要更高純度的氮?dú)庑柙黾拥獨(dú)鈨艋O(shè)備。氮?dú)饧兌戎皇墚a(chǎn)品氮?dú)庳?fù)荷的影響，在其他條件不變情況下，氮?dú)馀懦隽吭酱螅獨(dú)獾募兌染驮降停环粗畡t越高。因此，對(duì)于一套變壓吸附制氮設(shè)備只要負(fù)荷答應(yīng)其產(chǎn)品純度可以在90-99.9%之間任意調(diào)節(jié)。
3、運(yùn)行控制比較
深冷法由于是在極低溫度下進(jìn)行的，設(shè)備在投入正常運(yùn)行之前，必須有一個(gè)預(yù)冷啟動(dòng)過程，啟動(dòng)時(shí)間即從膨脹機(jī)啟動(dòng)至氮?dú)饧兌冗_(dá)到要求的時(shí)間一般不小于12h；設(shè)備在進(jìn)入大修之前，必須有一段加溫解凍的時(shí)間，一般為24h。因此，深冷法制氮設(shè)備不宜常常起、停，宜長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。變壓吸附法啟動(dòng)時(shí)，只要按一下按鈕，啟動(dòng)30分鐘內(nèi)便可以獲得合格的氮?dú)猱a(chǎn)品，假如需要高純的氮?dú)猓敲唇?jīng)過氮?dú)鈨艋b置，大約再用30分鐘便可獲得99.99%-99.9999%的高純氮?dú)狻ＭC(jī)時(shí)也只需按一下按鈕便可。因此，變壓吸附制氮特殊適用于間斷運(yùn)行的情況。
深冷法制氮一般均采用*的DCS（或PLC）計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)中控、機(jī)旁、就地一體化的控制，可有效的監(jiān)控整套設(shè)備的生產(chǎn)過程。變壓吸附制氮采用智能化全自動(dòng)控制，按鈕即可進(jìn)行氮?dú)馍a(chǎn)，無需專人治理。
五、結(jié)論
對(duì)于石油化工裝置，所需氮?dú)饧兌却蠖酁?9.9%，從以上對(duì)深冷制氮和變壓吸附制氮的簡(jiǎn)介及比較中，我們可以得出以下結(jié)論：
a、當(dāng)?shù)獨(dú)膺B續(xù)負(fù)荷大于600 m3n/h，間斷負(fù)荷用量不太大，可以通過液氮汽化滿意要求時(shí)，應(yīng)采用深冷制氮。
b、當(dāng)?shù)獨(dú)膺B續(xù)負(fù)荷大于600 m3n/h，間斷負(fù)荷用量大，液氮汽化已不能滿意其用量時(shí)，可采用以深冷制氮為主，變壓吸附間斷供氣的方式。
c、當(dāng)?shù)獨(dú)膺B續(xù)負(fù)荷小于600 m3n/h，可采用變壓吸附制氮。
d、變壓吸附制氮特殊適用于氮?dú)庳?fù)荷小于3000 m3n/h，氮?dú)饧兌葹?5%，并且是間斷運(yùn)行工況。
e、當(dāng)工藝裝置需要液氮時(shí)，除非有外部供給液氮的可能，否則均應(yīng)采用深冷制氮。
PSA制氮機(jī)用途
石油天然氣行業(yè)專用制氮機(jī)適用于大陸石油及天然氣開采、沿海及深海石油及天然氣開采中的氮?dú)獗Ｗo(hù)、輸送、覆蓋、置換、搶險(xiǎn)、維修、注氮采油等領(lǐng)域。具有安全性高、適應(yīng)強(qiáng)、連續(xù)性生產(chǎn)待特點(diǎn)。
化工行業(yè)專用制氮機(jī)適用于石油化工、煤化工、鹽化工、天然氣化工、精細(xì)化工、新材料等及其衍伸化工產(chǎn)品加工行業(yè)，氮?dú)庵饕糜诟采w、吹掃、置換、清洗、壓力輸送、化學(xué)反應(yīng)攪動(dòng)、化纖生產(chǎn)保護(hù)、充氮保護(hù)等領(lǐng)域。
冶金行業(yè)專用制氮肥機(jī)適用于熱處理、光亮退火、保護(hù)加熱、粉末冶金、銅材鋁材加工、磁性材料燒結(jié)、貴金屬加工、軸承生產(chǎn)等領(lǐng)域。具有純度高、連續(xù)生產(chǎn)、部分工藝要求氮?dú)夂欢康臍湟栽黾庸饬炼鹊忍攸c(diǎn)。
煤礦行業(yè)專用專用制氮機(jī)適用于煤炭開采中的防火滅火、瓦斯及煤氣稀釋等領(lǐng)域，具有地固定式、地面移動(dòng)式、井下移動(dòng)式三種規(guī)格，充分滿足不同工況下的氮?dú)庑枨蟆?/div>
橡膠輪胎行業(yè)專用制氮機(jī)適用于橡膠及輪胎生產(chǎn)硫化過程中的氮?dú)獗Ｗo(hù)、成型等領(lǐng)域。特別是在全鋼子午線輪胎生產(chǎn)中，用氮?dú)饬蚧鹿に囈阎鸩饺〈羝蚧に嚒＞哂械獨(dú)饧兌雀摺⑦B續(xù)性生產(chǎn)、氮?dú)鈮毫^高等特點(diǎn)。
食品行業(yè)專用制氮機(jī)適用于糧食綠色倉(cāng)儲(chǔ)、食品充氮包裝、蔬菜保鮮、酒類封（罐）裝和保存等。
防爆型制氮機(jī)適用于化工、石油天然氣等對(duì)設(shè)備有防爆要求的場(chǎng)所。
制藥行業(yè)專用制氮機(jī)主要用于藥品生產(chǎn)、儲(chǔ)存、封裝、包裝待領(lǐng)域。
電子行業(yè)專用制氮機(jī)適用于半導(dǎo)體生產(chǎn)封裝、電子元器件生產(chǎn)、LED、LCD液晶顯示器、鋰電池生產(chǎn)等領(lǐng)域。制氮機(jī)具有純度高、體積小、噪聲低、能耗低等特點(diǎn)。
集裝箱式制氮機(jī)適用于石油、天然氣、化工及其它相關(guān)領(lǐng)域，即有適應(yīng)性強(qiáng)、可移動(dòng)作業(yè)等特點(diǎn)。
車載移動(dòng)式制氮車適用于石油天然氣行業(yè)的開采、管道吹掃、置換、應(yīng)急搶險(xiǎn)、、液體的稀釋等領(lǐng)域、分為低壓、中壓、高壓系列，具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、可移動(dòng)作業(yè)等特點(diǎn)。
汽車輪胎沖氮氮?dú)鈾C(jī)，主要用于汽車4S店、汽車維修廠的汽車輪胎沖氮，可延長(zhǎng)輪胎使用壽命，降低噪音和油耗。
參考資料
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