制氮机原理及工艺流程

时间：2024-12-24

制氮机原理

1、PSA制氮法

碳分子筛可以同时吸附空气中的氧和氮，其吸附量也随着压力的升高而升高，而且在同一压力下氧和氮的平衡吸附量无明显的差异。因而，仅凭压力的变化很难完成氧和氮的有效分离。如果进一步考虑吸附速度的话，就能将氧和氮的吸附特性有效地区分开来。氧分子直径比氮分子小，因而扩散速度比氮快数百倍，故碳分子筛吸附氧的速度也很快，吸附约1分钟就达到以上；而此时氮的吸附量仅有5%左右，所以此时吸附的大体上都是氧气，而剩下的大体上都是氮气。这样，如果将吸附时间控制在1分钟以内的话，就可以将氧和氮初步分离开来，也就是说，吸附和解吸是靠压力差来实现的，压力升高时吸附，压力下降时解吸。而区分氧和氮是靠两者被吸附的速度差，通过控制吸附时间来实现的，将时间控制的很短，氧已充分吸附，而氮还未来得及吸附，就停止了吸附过程。因而变压吸附制氮要有压力的变化，也要将时间控制在1分钟以内。

2、深冷制氮法

深冷制氮不仅可以生产氮气而且可以生产液氮，满足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足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，单套设备不能连续长周期运行。

3、膜制氮法

空气经压缩机压缩过滤后进入高分子膜过滤器，由于各种气体在膜中溶解度和扩散系数不同，导致不同气体在膜中相对渗透速率不同。根据这一特性，可将各种气体分为“快气”和“慢气”。

当混合气体在膜两侧压力差的作用下，渗透速率相对快的气体，如水、氢气、氦气、硫化氢、二氧化碳等透过膜后，在膜的渗透侧被富集，而渗透速率相对较慢的气体，如甲烷、氮气、一氧化碳和氩气等气体则被滞留在膜的侧被富集，从而达到混合气体分离的目的。

制氮机流程

1、PSA制氮基本工艺流程

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。

2、深冷制氮工艺流程

整个流程由空气压缩及净化、空气分离、液氮汽化组成。

1.1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。

1.2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**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。

1.3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。

3、膜制氮工艺流程

空压机提供的压缩空气进入空气缓冲罐，再进入多级过滤器，包含活性碳过滤器---除去空气中的颗粒、油、水。洁净的空气进入膜进行氧氮分离，产生的氮气进入到用户用气工段。

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