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制 氮机原理及流程
发表于:2020-01-07 13:00 分享至:

  制氮机原理及流程_能源/化工_工程科技_专业资料。PSA 制氮工作原理及流程 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、

  PSA 制氮工作原理及流程 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。 3.PSA 制氮机装置基本工艺流程: PSA 制氮机及二氧化碳脱除装置基本工艺流程示意图 制氮机部分: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。 二氧化碳脱除装置部分:氮气从氮气储罐出来后,经过氮气进气阀、▲●…△左吸进气阀进入左 干燥塔,塔压力升高,氮气中的二氧化碳和水被吸附,未吸附的氮气穿过吸附床,经过氮气 产气阀供给用户,这个过程称之为左工作,持续时间为 8 小时。氮气经过氮气进气阀、右吸 进气阀进入右左干燥塔,塔压力升高,氮气中的二氧化碳和水被吸附,未吸附的氮气穿过吸 附床,经过氮气产气阀供给用户,这个过程称之为右工作,持续时间为 8 小;同时加热塔利 用干燥过的高纯氮气为介质给左干燥塔加热活化 6 小时,然后冷吹却 2 小时,此过程称之为 再生。反之左干燥塔吸附时右干燥塔同时也在再生。右干燥结束后,切换到左干燥过程,一 直循环进行下去。 整个工作流程可由可编程控制器控制二位五通先导电磁阀, 再由电磁阀分别控制气动管 道阀的开、闭来完成的。▲★-●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,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。 1 4.PSA 制氮系统设备 制造普通纯度氮气(95%~99.99%),▼▼▽●▽●本 PSA 空分制氮系统由下列设备组成: 空 压 缩 空 二 氧 化 氮气储罐 压 ? 气 预 处 ? 制 氮 ? 碳 脱 除 ? 或 机 理设备 主 机 装 置 用气点 4.1 空气压缩机 因为 PSA 空分制氮是通过加压吸附、常压解吸从空气中直接制取氮气,所以空压机是提 供气体压缩的动力源。目前广泛使用的空压机主要有螺杆空压机和活塞空压机两大类。这两 种空压机各有其特点,都可用于制氮系统。一般来说,螺杆空压机气量损耗少,产气效率高,◆◁• 噪音低,维修量较小,但压缩空气中一般都含油,价格相对较高;活塞空压机现有无油润滑 和有油润滑两种,对于制氮系统来说,最好配套使用无油润滑空压机。 空压机的排气量根据制氮机的规格而定。一般为了不使空压机一直满负荷运转,◇•■★▼有一定 的卸载时间,有利于空压机长期有效使用,在选择空压机的排气量时,螺杆空压机的排气量 一般要比制氮机要求的气量大 10~15%,活塞空压机一般要比要求的排气量大 20~25%。 空压机的额定排气压力最好选择为 0.8~1.0Mpa(最少要≥0.7Mpa),排气压力过高、过 低均不好。 对于地处海拔高度≥1000m 的地方,选择空压机时要考虑大气压力,请咨询空压机供货 商或咨询我公司。 空压机排出的压缩空气中含油量必须≤10ppm w/w,最好使用无油空压机。 PSA 制氮系统中设备主要电力消耗就是空压机的功率消耗。•☆■▲ 4.2 压缩空气预处理设备 因为制氮主机中碳分子筛对压缩空气的品质要求很高,极速快三平台而压缩空气中气体温度高,又含 有大量的水分和一定的粉尘、油雾,所以在压缩空气进入制氮主机前必须进行降温、▪️•★除水、 除油、除尘等处理,此部分设备主要就是为了此目的。 对压缩空气的净化处理至关重要,这一点请用户千万不要忽视!因为压缩空气净化处理 的好坏直接关系到碳分子筛的使用寿命,从而直接关系制氮机的长期有效使用。一旦碳分子 筛油“中毒”或水“中毒”,制氮机将效率下降,指标无法达到正常。 对压缩空气除水主要采用冷冻式干燥机或(和)吸附式干燥器。冷冻式干燥机是采用 R-134a 或 R-22 冷媒作为冷却剂,将压缩空气中气体降温,其内气态水和油冷却至液态,然 后除去。具体操作参照冷干机使用说明。吸附式的无热再生干燥机是采用一种可再生的干燥 剂作为吸附剂,利用压力变化、气体膨胀等原理,采用变压吸附分离水分的分离工艺,将压 缩空气中的水分除去。 如果要求氮气露点不是太低(≤—40℃常压),则用一级冷冻干燥机即可;如果要求氮 气露点较低(≤—60℃常压),则需同时配置冷冻干燥机和吸附式干燥器。冷冻式干燥机有 风冷和水冷两种方式,处理气量较小时(≤12~20m3/min),用风冷式即可。吸附式干燥器有 无热再生和微热再生两种类型,都对气量有一定损耗,★◇▽▼•一般采用无热再生干燥装置。 对压缩空气除油、除尘主要采用不同类型、不同过滤精度的多级过滤器。过滤器是通过 由很多微孔的纤维材料制成的滤芯或活性炭除去介质中的污染物(水、油、微粒、异味), 所有过滤器都有除水、除油、除尘的作用,只不过不同类别的过滤器主要功能不同。主路过 滤器主要起除尘和除液态水作用;初过滤器主要起一级除油作用;精过滤器主要是进一步除 油,使介质含油量很少;活性炭除油过滤器主要是起深度除油和吸附碳氢化合物、除异味的 作用。过滤器的配置主要根据空压机排出的压缩空气品质而定。配置太少,压缩空气得不到 2 充分的净化处理,无法达到制氮机对压缩空气的品质要求,这是不允许的;配置太多,固然 对压缩空气处理效果好,但会造成管路中气体压力损耗较多,同时也造成成本过高,没有必 要。一般来说,口▲=○▼对无油空压机,需配置一至两级过滤器,主要是除尘、除水;对含油空压机, 则需配置三至四级过滤器。 北京中成航宇空分设备有限公司 2014.11.13 3