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%（空气中各种气体的容积组分为：N2：%、O2：%、氩气：%、CO2：%、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~，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 PSA制氮流程图.doc (84 KB)

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。

制氮机原理及工艺过程（2个吸附塔－A/B)

PSA制氮的吸附剂采用CMS，利用氧氮在CMS表面吸附量的差异，即氧的扩散速远远大于氮的扩散速度，吸附O2而解吸N2。通过PLC可编程序控制器控制程控阀的启动关闭，来实现每个吸附解吸循环过程，加压吸附，减压解吸，完成氧氮的分离，得到所需纯度的氮。 三、工艺流程说明

净化：通过螺杆压缩机将空气加压，通过一级过滤器除去空气中的尘埃和部分残油，经过冷干机除水，将空气露点降至常压下的-23℃，此时大部分的水已经被除去。然后通过二、三级过滤器，达到吸附装置长期稳定运转所必须的条件：残油含量≤，尘埃直径≤μm 。 吸附再生：经过净化后的空气进入空气缓冲罐，空气缓冲罐主要用来保证制氮系统压力的均衡。从空气缓冲罐出来的净化空气从吸附塔底部进入A吸附塔，A塔进行吸附，CMS吸附O2，N2从塔顶出来进入N2产品缓冲罐。运行一段时间，A吸附塔中分子筛被O2饱和，但氧的吸附前沿还没有到达A吸附塔的出口端，进行再生，PLC自动关闭A塔进气阀，同时A塔给刚好完成冲洗的B塔均压升，其本身是均压降解吸，接下来，用产品气对B塔进行终升压达到吸附压力，A塔逆放解吸，O2从塔底解吸出来释放到大气，B塔开始吸附，A塔进行冲洗。两个吸附塔交替进行吸附和再生，保证产品连续输出。

每个塔都经历以下步骤：吸附、降压解吸、逆放、冲洗 、升压 、终压升 ，1-2分钟内完成一个循环。

为了获得连续稳定的产品氮气，配置了产品氮气缓冲罐。

氮气输出：经缓冲罐后，氮气由调压阀调节输出压力，并由调节阀结合流量计，调节输出流量。当氮气纯度大于等于设定值时，氮分析仪发出信号，通过阀门调节，氮气输入用气点。当氮气纯度小于设定值时, 通过阀门调节，氮气自动排空。 PSA制氮机的自动运行由PLC、二位五通电磁阀自动控制。

在空气缓冲罐上设置安全阀，安全阀的启跳压力为正常工作压力的～倍。PLC系统设置空气低压报警，低压报警值根据用户氮气最低压力值进行设置。

吸附塔是PSA制氮装置的核心部分之一。它的设计要求不同于普通的压力容器。其一，属于疲劳压力容器，空气吸附过程有反复的压力震荡，这是影响吸附塔使用寿命的重要因素；

其二，吸附塔的设计需要与选用的吸附剂的性能相匹配，内构件结构需要进行专门研究和设计。比如气流分布器、压紧系统等等。