变压吸附式制氮机

变压吸附式制氮机（psa制氮机）是以空气为原料，以优质碳分子筛为吸附剂，运用变压吸附原理(PSA)，利用充满微孔的分子筛，对空气进行选择性吸附，以达到氧氮分离的目的。分子筛在加压时氧被优先吸附，氮从非吸附相得到。这样在气相中可获得氮的富集成分。因此利用碳分子筛对氧和氮在某一时间内吸附量差别的这一特性，由自动控制软件按特定时间程序进行加压吸附，常压解析的循环过程，完成氧氮分离，从而获得高纯度的成品氮气。在变压吸附式制氮机的研发过程中，上海岭泉实业发展有限公司采用先进模具技术，性能非常稳定。

目前在制氮、制氧领域内使用较多的是碳分子筛和沸石分子筛。分子筛对氧和氮的分离作用主要是基于这两种气体在分子筛表面的扩散速率不同，碳分子筛是一种兼具活性炭和分子筛某些特性的碳基吸附剂。碳分子筛具有很小微孔组成，孔径分布在0.3nm ~ 1nm之间。较小直径的气体（氧气）扩散较快，较多进入分子筛固相，这样气相中就可以得到氮的富集成分。一段时间后，分子筛对氧的吸附达到平衡，根据碳分子筛在不同压力下对吸附气体的吸附量不同的特性，降低压力使碳分子筛解除对氧的吸附，这一过程称为再生。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制氮机是根据变压吸附原理，采用高品质的碳分子筛作为吸附剂，在一定的力学效应，氧在碳分子筛微孔中扩散速率远大于氮，在吸附未达到平衡时，氮在气相中被富集起来，形成成品氮气。然后减压至常压，吸附剂脱附所吸附的氧气等其它杂质，实现再生。一般在系统中设置两个吸附塔，一塔吸附产氮，另一塔脱附再生，通过PLC程序自动控制，使两塔交替循环工作，以实现连续生产高品质氮气之目的。压力下，经过净化干燥的压缩空气，在吸附器中进行加压吸附、减压脱附。

（1） 变压吸附制氮设备具有适用气源广、产品纯度高、工艺简单、操作自动化程度高、运行费用低、等特点。

（2） 压缩空气净化组件使用寿命长易更换、易维护。

（3） 制氮设备出口流量大、出口压力可在设定范围内调节。

（4） 根据生产情况可随时开、停车。

（5） 产品氮气纯度高，通过变压吸附方式即可达到氮气纯度>99.99%，无需再配置氮气纯化设备。

（1） 采用了独特的分子筛密实装填技术，及压紧装置，既避免了气流在高速流动中，冲击分子筛造成的分子筛粉化现象，提高了系统长期运行的可靠性。

（2） 科学合理的工艺流程和设备配置，设备结构紧凑、外型美观，占地面积小。

（3） 设备运行成本低，氮气纯度、流量稳定可靠。

（4） 空气预处理部分设备，每级过滤器都带有压差指示，自动排污系统。

（5）设备采用标准件连接拆卸，安装、维护更方便，更便捷。

（6） 用高可靠性的进口程控阀门，使用寿命长，能够满足设备长期稳定运行需要。

（7） 自动化程度高，采用我公司自研发的微电脑自动程序控制系统，设备可自动化运行，并可根据需要调节氮气纯度、压力、流量。

（8） 设备采用航空铝型材更佳使用于食品、医药行业或要求气源更高精度。

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。变压吸附制氮机在工业领域的用途：^[1]

[1]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。

冶金行业专用制氮肥机适用于热处理、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。

煤矿行业专用专用制氮机适用于煤炭开采中的防火灭火、瓦斯及煤气稀释等领域，具有地固定式、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、包装待领域。

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。

一般分为三部分：

1，压缩空气部分（空气压缩机，空气储气罐）

2，压缩空气净化部分（前置粗过滤器，除尘过滤器，微油污过滤器，压缩空气干燥机，活性炭过滤器，空气缓冲罐）

3，制氮主机（吸附塔，PLC控制器,切换阀，氮气工艺罐，氮气粉尘过滤器，流量计，氮气储气罐），如果纯度大于99.99%时，就会有第4部分，氮气纯化部分，一般有催化剂纯化，和氢气纯化两种。

随着工业的迅速发展，氮气在化工、电子、冶金、食品、机械等领域获得了广泛的应用，我国对氮气的需求量每年以大于8%的速度增加。 氮气的化学性质不活泼，在寻常的状态下表现为很大的惰性，不易与其他物质发生化学反应。因此，氮气在冶金工业、电子工业、化工工业中广泛的用来作为保护气和密封气，一般保护气的纯度要求为99.99%，有的要求99.998%以上的高纯氮。液氮是一个较方便的冷源，在食品工业、医疗事业以及畜牧业的精液贮藏等方面得到越来越普遍的应用。在化肥工业生产合成氨时，合成氨的原料气—氢、氮混合气若用纯液氮洗涤精制，可使惰**气体的含量极微小，一氧化硫和氧的含量不超过20ppm。

纯净的氮气无法从自然界直接汲取，主要采用空气分离法。空气分离法中包括：深冷法、变压吸附法(PSA)、膜分离法。

二、PSA制氮机的工艺流程和设备简介

1、工艺流程简介

空气经空气过滤器清除灰尘和机械杂质后进入空气压缩机，压缩至所需压力，经严格的除油、除水、除尘净化处理，输出洁净的压缩空气，目的是确保吸附塔内分子筛的使用寿命。装有碳分子筛的吸附塔共有二个，一个塔工作时，另一个塔则减压脱附。洁净空气进入工作吸附塔，经过分子筛时氧、二氧化碳和水被其吸附，流至出口端的气体便是氮气及微量的氩和氧。另一塔（脱附塔）使已吸附的氧气、二氧化碳和水从分子筛微孔中脱离排至大气中。这样两塔轮流进行，完成氮氧分离，连续输出氮气，见图-2。变压(_bian4 ya1)吸附制取的氮气纯度为95%-99.9%，假如需要更高纯度的氮气需增加氮气净化设备。变压吸附制氮机输出的95%-99.9%氮气进入氮气净化设备，同时通过一流量计添加适量的氢气，在净化设备的除氧塔中氢和氮气中的微量氧进行催化反应，以除去氧然后经水冷凝器冷却，汽水分离器除水，再通过干燥器深度干燥（两个吸附干燥塔交替使用：一个吸附干燥除水，另一个加热脱附排水），得到高纯氮气，此时的氮气纯度可达99.9995%，见图-3。目前海内变压吸附制氮最大的生产能力为3000m3n/h。

三、深冷制氮的工艺流程和设备简介

1、深冷制氮的典型工艺流程：

整个流程由空气压缩及净化、空气分离、液氮汽化组成。

⑴ 空气压缩及净化

空气经空气过滤器清除灰尘和机械杂质后进入空气压缩机，压缩至所需压力，然后送入空气冷却器，降低空气温度。再进入空气干燥净化器，除去空气中的水份、二氧化碳、乙炔及其它碳氢化合物。

⑵ 空气分离：

净化后的空气进入空分塔中的主换热器，被返流气体（产品氮气、废气）冷却至饱和温度，送入精馏塔底部，在塔顶部得到氮气，液空经节流后送入冷凝蒸发器蒸发，同时冷凝由精馏塔送来的部分氮气，冷凝后的液氮一部分作为精馏塔的回流液，另一部分作为液氮产品出空分塔。

由冷凝蒸发器出来的废气经主换热器复热到约130K进膨胀机膨胀制冷为空分塔提供冷量，膨胀后的气体一部分作为分子筛的再生和吹冷用，然后经消音器排入大气。

⑶ 液氮汽化

由空分塔出来的液氮进液氮贮槽贮存，当空分设备检修时，贮槽内的液氮进入汽化器被加热后，送入产品氮气管道。

深冷制氮可制取纯度≧99.999%的氮气。

四、深冷制氮与变压吸附制氮的技术经济比较

1、流程比较

从以上的论述中我们可以发现：变压吸附制氮流程简朴，设备数量少，主要设备仅有空压机、空气干燥器、吸附制氮机和储气罐等。而深冷制氮流程复杂，设备数量多，主要设备有空压机、空冷器、空气净化干燥器、换热器、膨胀机和精流塔等。

制氮机

2、产品种类和纯度比较

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。

深冷制氮可制取纯度≧99.999%的氮气。氮气纯度受到(de dan qi _dan qi chun du shou dao)氮气负荷、塔板数量、塔板效率和液空中氧纯度等的限制，调节范围很小。因此，对于一套深冷制氮设备其产品纯度基本是一定的，不便调节。变压吸附制氮制取的氮气纯度一般在95%-99.9%范围内，假如需要更高纯度的氮气需增加氮气净化设备。氮气纯度只受产品氮气负荷的影响，在其他条件不变情况下，氮气排出量越大，氮气的纯度就越低；反之则越高。因此，对于一套变压吸附制氮设备只要负荷答应其产品纯度可以在90-99.9%之间任意调节。

3、运行控制比较

深冷法由于是在极低温度下进行的，设备在投入正常运行之前，必须有一个预冷启动过程，启动时间即从膨胀机启动至氮气纯度达到要求的时间一般不小于12h；设备在进入大修之前，必须有一段加温解冻的时间，一般为24h。因此，深冷法制氮设备不宜常常起、停，宜长时间连续运行。变压吸附法启动时，只要按一下按钮，启动30分钟内便可以获得合格的氮气产品，假如需要高纯的氮气，那么经过氮气净化装置，大约再用30分钟便可获得99.99%-99.9999%的高纯氮气。停机时也只需按一下按钮便可。因此，变压吸附制氮特殊适用于间断运行的情况。

现在深冷法制氮一般均采用先进的DCS（或PLC）计算机控制技术，实现中控、机旁、就地一体化的控制，可有效的监控整套设备的生产过程。变压吸附制氮采用智能化全自动控制，按钮即可进行氮气生产，无需专人治理。

五、结论

对于石油化工装置，所需氮气纯度大多为99.9%，从以上对深冷制氮和变压吸附制氮的简介及比较中，我们可以得出以下结论：

a)当氮气连续负荷大于600 m3n/h，间断负荷用量不太大，可以通过液氮汽化满意要求时，应采用深冷制氮。

b)当氮气连续负荷大于600 m3n/h，间断负荷用量大，液氮汽化已不能满意其用量时，可采用以深冷制氮为主，变压吸附间断供气的方式。

c)当氮气连续负荷小于600 m3n/h，可采用变压吸附制氮。

d)变压吸附制氮特殊适用于氮气负荷小于3000 m3n/h，氮气纯度为95%，并且是间断运行工况。

e)当工艺装置需要液氮时，除非有外部供给液氮的可能，否则均应采用深冷制氮。

　　制氮项目30Nm3/h、氮气纯度99.999%使用要求来计算

　　1、瓶氮的运行成本

　　一般市场上纯度为99.999%的氮气的价格是50元/瓶,一瓶氮气在12Mpa压力下标准体积是40升，实际上每瓶只有5M3左右，这样计算出来，也就是每立方米普通氮气价格是10元左右。该种用气方式只适用于用气量非常小的用户。

　　使用钢瓶氮的费用：30Nm3/h×10元=300元/小时

　　年使用费用：300×8000小时/年=240万元/年

　　2、液氮的运行成本

　　市场上纯度为99.999%液氮的价格是1500元/吨，一吨的液氮可汽化得到600立方左右的气态氮，每立方米氮气价格是2. 5元左右。（不含先期投入的液氮储糟、汽化器、每年的保养、人工的费用）

　　使用液氮的费用：30Nm3/h×2.5元=75元/小时

　　年使用费用：75×8000小时/年=60万元/年

　　3、现场制氮的运行成本（按贵公司制氮项目30Nm3/h计算）

　　系统的运行成本主要由以下几个方面组成：

　　1、电能的消耗

　　2、人工

　　3、设备维护费用

　　4、设备的折旧

　　电能的消耗主要来自以下几个方面：

　　空压机： 空压机的额定功率为15kw,因为在系统选型时就考虑到空压机的卸载和适当的压缩空气余量，所以空压机的实际消耗功率约为额定功率的60%左右，即为：9kw左右。

　　冷冻干燥机：冷冻干燥机的额定功率为0.58kw.

　　制氮机：制氮机的原料是压缩空气，而制氮机本身基本不耗电，其主要是仪表用电，额定功率大约为0.6kw.

　　氮气纯化功率：功率6Kw

　　综合以上，整个制氮系统的使用功率为：17kw

　　假设电费按：0.7元/kwh,那么每小时耗电17×0.7=12元

　　折合成每立方成品氮气耗电：12÷30=0.4元

　　使用费用：30Nm3/h×0.4元=12元/小时（电费）

　　年使用费用： 12×8000小时/年=9.6万元/年（电费）

　　人工费：因设备无须专人职守，只须作定期和不定期的巡视，所以该套制气设备在计算运行成本时，人工费可按照20元每天计算。

　　设备维护及保养费用：

　　整机维护和保养费用主要体现在：

　　空压机

　　空气过滤器滤芯：每4000小时更换一次 单价：445元/只

　　油气过滤器滤芯：每8000小时更换一次 单价：480元/只

　　油过滤器滤芯：每2000小时更换一次 单价：346元/只

　　润滑油：每2000小时更换一次 单价：350元/次

　　压缩空气过滤器C、T、A三级过滤

　　每4000小时更换一次：600/3只

　　制氮机：氧分析仪探头：每两年更换一次 单价：580元/只

　　氮气纯化：整台设备无须更换零部件只须经常检查各部件的稳定性即可。

　　设备的折旧费：设备的折旧期十年

　　4、制氮系统PD5N-30Nm3/h整套总投资为17.24万元（含螺杆空压机系统）

　　1)、使用钢瓶氮的费用：

　　使用钢瓶氮的费用：30Nm3/h×10元=300元/小时

　　年使用费用：300×8000小时/年=240万元/年（未含先期投入的汇流排设备和减压阀和人工操作费用）

　　2)、液氮的运行成本

　　使用液氮的费用：30Nm3/h×2.5元=75元/小时

　　年使用费用： 75×8000小时/年=60万元/年(未含先期投入的液氮罐、汽化器、汇流排设备和减压阀和人工操作费用）

　　3)、制氮系统的费用：

　　电费+人工费+设备维护保养费+设备的折旧费

　　年使用费：96000元/年（电费）+7200元/年（人工费）+2830元/年（维护保养费）+18000元/年（折旧费）=12.4万元/年使用费

　　4)、年使用钢瓶氮费：240万元/年

　　年使用液氮费：60万元/年

　　年使用制氮机费用：12.4万元/年

　　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99.99%(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。

　　气体常用法定计量单位

　　根据一九八四年二月二

　　十七日国务院《关于在我国统一实行法定计量单