變壓吸附制氮系統應用分析

周振華

【摘? 要】變壓吸附（PSA）制氮工藝具有自動化程度相對較高、運行成本低、操作維護簡便及能耗較低等特點，本文以某公司“空冷（鋁釬焊）氮氣項目”為例，闡述了項目制氮工藝流程的基礎上，分析了項目在實際應用過程中的應用效果，氮氣壓力在0.60 MPa 以上時，純度可達99.9995%以上，很好地滿足了正常生產時所需氮氣壓力和純度，以及大修開停車氮氣高峰的用量。項目同時也根據生產工藝提出了一些優化措施，主要更換電磁閥并且加入可編程邏輯控制器模擬量模塊，并且根據生產用量采用氣壓傳感器監測氮氣罐壓力，并設計有組態程序，項目在討論了變壓吸附制氮系統發展方向的基礎上提出了節能增效的思路，做到對設備運行過程中維護和保養。

【關鍵詞】制氮機;原理;控制系統;發展方向;

1 前言

近年來， 一些發達國家對氮的需求量以大于10%的年速率增長。傳統獲得氮氣的深冷法，由于其投資大、操作復雜，尤其是能耗高，通過調研，變壓吸附（PSA）制氮工藝具有自動化程度相對較高、運行成本低、操作維護簡便及能耗較低等特點。變壓吸附制氮系統主要包括空氣壓縮機、冷干機、過濾器、空氣貯罐、吸附塔（A、B）、氮氣緩沖罐等設備和一些附屬器件如調節閥、節流閥、調壓閥等，此系統較好地滿足了生產的需要。

某公司廠區占地面積約為150畝，用地面積約10萬平方米，建筑面積3.8萬平方米，主要包括聯合廠房、生產輔房、辦公樓/綜合樓、公用工程、附屬設施等。本文以某公司“空冷（鋁釬焊）氮氣項目”為例，闡述了變壓吸附制氮系統的相關應用分析。

2 項目制氮工藝流程介紹

變壓吸附式制氮機采用雙吸附塔并聯交替進行吸附，一塔工作一塔再生，極大提高了產氣效率。通過控制閥門動作時間，可以獲得一定濃度的氮氣。通常變壓吸附制氮設備的氮氣純度受到吸附均壓時間和產氣量的影響，其中產氣量與純度成反比，產氣量越大氮氣的純度越低。一般吸附時間為54s、均壓時間為4s、氮氣流量為7m3 /h 時效果較好。

空氣先經空氣壓縮機壓縮到0.8MPa，再由空氣儲氣罐對含有水分和油霧的空氣進行初步除水除油，然后通過C 級過濾器粗濾空氣中的顆粒物和水，接著經冷干機冷卻干燥到-5℃，最后依次經過T 級和A 級過濾器精濾掉微小顆粒物及油、水。除塵后的潔凈壓縮空氣經過左吸進氣閥進入A 吸附塔，A 塔壓力升高，壓縮空氣中的氧分子被碳分子篩吸附，未被吸附的氮氣穿過吸附床，經過左吸出氣閥和氮氣產氣閥流向氮氣儲氣罐，這個過程稱之為左吸。

左吸過程結束后，A 吸附塔與B 吸附塔通過上下均壓閥連通，使A、B 吸附塔壓力達到均衡，這個過程稱之為均壓。均壓結束后，壓縮空氣經過右吸進氣閥進入B吸附塔，壓縮空氣中的氧分子被碳分子篩吸附，富集的氮氣經過右吸出氣閥、氮氣產氣閥流向氮氣儲氣罐，這個過程稱之為右吸。同時，A 吸附塔中碳分子篩吸附的氧氣通過左排氣閥降壓釋放回大氣當中，此過程稱之為解吸。同理，A 吸附塔吸附時，B 吸附塔同時也在解吸。為使分子篩中降壓釋放出的氧氣完全排放到大氣中，氮氣通過一個常開的反吹閥吹掃正在解吸的吸附塔，把塔內的氧氣吹出吸附塔。這個過程稱之為反吹。它與解析是同時進行的。右吸結束后，進入均壓過程，再切換到左吸過程，一直循環進行下去。

3 項目應用效果分析

本文在收集某公司變壓吸附制氮機運行狀況的基礎上分析了該設備的運用效果。項目設備氮氣壓力在0.60 MPa 以上時，純度可達99.9995%以上，很好地滿足了正常生產時所需氮氣壓力和純度，以及大修開停車氮氣高峰的用量。由于加強了制氮機的維護和保養， 科學合理地運行設備，分子篩更換周期平均為6～7 年。運行成本為0.45 元/m3。相對傳統深冷法具有運行費用低、能耗低、設備占地面積少、操作安全系數高、自動化程度也較高等優點。

4 項目優化設計

4.1 優化要點分析

目前這種生產工藝的制氮機可以進一步優化改進。1） 設備初期生產的氮氣純度滿足不了生產要求時，需要人工開啟排空柱塞閥把不合格的氮氣向空氣中排空，經一段時間后氮氣純度達到要求后，再由人工關閉排空柱塞閥，打開送氣柱塞閥把符合純度要求的成品氣送入氮氣儲氣罐。優化方法是把柱塞閥換成電磁閥; 采用數字氮氣分析儀檢測氣體純度，并由可編程邏輯控制器（ PLC）模擬量模塊采集數字氮氣分析儀的模擬電流值，運算后控制電磁閥實現排空和送氣狀態自動切換，實現無人值守。2） 企業用氣量隨生產需要存在一定變化，而制氮機工作狀態不會隨用氣量需求而變化，過量的氮氣送到儲氣罐后會因儲氣罐壓力過大排放掉，十分浪費。優化方法是采用氣壓傳感器檢測氮氣儲氣罐壓力，并修改控制程序使制氮機在儲氣罐壓力高于0.7MPa 時停止工作，低于0. 4MPa時啟動。

為實現制氮機的控制功能，系統按照以下要求設計：

1） 能設定吸附、均壓時間并存儲，而且能實時顯示吸附、均壓工作狀態的時間;

2） 能顯示制氮機各電磁閥的工作狀態;

3） 能實時顯示氮氣的純度;

4） 能自動判斷氮氣的純度，當純度符合要求時自動由排放切換到送氣;

5） 當氮氣儲氣罐的儲氣壓力高于一定值時，停止氮氣生產，當氮氣儲氣罐儲氣壓力低于一定值時，啟動氮氣生產，從而降低設備能耗。

4.2 組態程序設計

組態設計時考慮到省略設備手動狀態的檢修程序，在組態程序中把電磁閥輸出量Q 點設置為讀寫量，在選擇手動模式檢修時，直接通過按下觸摸屏上電磁閥符號即可從PLC 的Q 點輸出高電平檢測電磁閥動作情況。至于制氮機的吸附均壓時間參數設定項，關系到企業用氣的純度，為保證設備的穩定性，在組態程序的參數設定項中設置操作員和管理員兩種用戶，僅給予管理員修改吸附和均壓時間的權限。

5 討論

變壓吸附制氮技術對于空冷制造企業仍是一種適宜的生產氮氣的好方法，雖然比較成熟，但也存在一些問題，如生產操作中使用不當，極易造成吸附塔

內的分子篩中毒，且分子篩價格昂貴，還不能有效地控制分子篩的孔徑等，因此，今后研究方向主要有：（1）新型吸附劑的研制。對碳分子篩、沸石分子篩等吸附劑進行深入地研究，進一步提高吸附劑的分離性能及強度; （2） 發展多種分離過程的集成技術。國內有些公司已著手進行發展集成分離技術，如超細化中空纖維膜法、變壓吸附深冷聯合過程等;（3）提高控制水平，向智能型控制系統發展，最終實現全自動化操作;（4） 開展基礎理論的研究，應充分利用計算機技術進行吸附床數學模型及計算機模擬等基礎理論的研究， 以及吸附脫附過程中的傳質、傳熱規律的研究;（5）在保證氮氣純度的同時，減少吸附劑的用量，提高設備生產能力，增加氮氣回收率并降低能源消耗。

6 結束語

項目使用的變壓吸附式制氮機經多家企業使用表明，該設備參數設置方便，監控畫面簡單直觀，性能可靠。使用數字式氮氣分析儀和氣壓傳感器后，能夠實現設備無人值守，節省了人力，降低了能耗，達到了設計要求。我們需要做的是在維護與保養工作是保證PSA 制氮機正常工作做為公用工程設備的PSA 制氮機，它的平穩工作是單位開展工業的實驗條件與保障。按時對設備的各個單元做好維護與保養工作，可以防止故障、延長設備使用壽命、降能增效。

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