制氮机主要原理是:由于空气中氧、氮两种气体分子在碳分子筛表面微孔的扩散速率不同,直径较小的氧分子扩散较快,较多的进入分子筛固相(微孔),直径较大的氮分子扩散较慢,进入分子筛固相(微孔)也较小,这样,在气相中就得到氮的富集成份;在吸附平衡情况下,空气压力越高,则碳分子筛的吸附量越大;反之压力越低,则吸附量越小。投入工业运行的PSA空分制氮装置一般具有二个或二个以上吸附器组成,各吸附器通过优化纵使,交替循环工作,以达到连续产氮和提高氮气回收率等目的。制氮设备(也称制氮机,制氮装置)工作流程是:空气经压缩机压缩,进入冷干机进行冷冻干燥,以达到变压吸附制氮系统对原料空气的要求。再经过过滤器除去原料空气中的油和水,进入空气缓冲罐,以减少压力波动。后,经调压阀将压力调至额定的工作压力,送至二台吸附器(内装碳分子筛),空气在此得到分离,制得氮气。原料空气进入其中一台吸附器,产出氮气;另一台吸附器,则减压解吸再生。二台吸附器交替工作,连续供给原料空气,连续产出氮气。氮气送至氮气缓冲罐,经调压阀将压力调至额定压力;再通过流量计计量,氮气分析仪分析检测,合格的氮气备用,不合格氮气放空(刚开制氮机时)。深冷空分制氮是一种传统的制氮方法,已有近几十年的历史。它是以空气为原料,经过压缩、净化,再利用热交换使空气液化成为液空。液空主要是液氧和液氮的混合物,利用液氧和液氮的沸点不同(在1大气压下,前者的沸点为-183℃,后者的为-196℃),通过液空的精馏,使它们分离来获得氮气。深冷空分制氮设备复杂、占地面积大,基建费用较高,设备一次性投资较多,运行成本较高,产气慢(12~24h),安装要求高、周期较长。综合设备、安装及基建诸因素,3500Nm3/h以下的设备,相同规格的PSA装置的投资规模要比深冷空分装置低20%~50%。深冷空分制氮装置宜于大规模工业制氮,而中、小规模制氮就显得不经济。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,在一定的压力下,从空气中制取氮气。经过纯化干燥的压缩空气,在吸附器中进行加压吸附、减压脱附。由于空气动力学效应,氧在碳分子筛微孔中扩散速率远大于氮,氧被碳分子筛**吸附,氮在气相中被富集起来,形成成品氮气。然后经减压至常压,吸附剂脱附所吸附的氧气等杂质,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程序控制器控制气动阀的启闭,使两塔交替循环,以实现连续生产高品质氮气之目的。整套系统由以下部件组成:压缩空气净化组件、空气储罐、氧氮分离装置、氮气缓冲罐。
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