變壓吸附（PSA）制氮淺析
變壓吸附（PSA）制氮淺析
工作原理
市場上目前的供氮方式主要有液氮、瓶裝氮、現場制氮。綜合三種供氮方式，現場制氮是目前最經濟、高效、節能的的一種供氮方式。現場制氮適合于用氣量在1000 Nm3/h以下的用戶。現場制氮的一種主要方式即是變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）制氮機。PSA制氮的原理主要是基于碳分子篩（Carbon Molecular Sieving,，CMS）對氧和氮的吸附速率不同，碳分子篩優先吸附氧，而氮大部分富集于不吸附相中。CMS是一種以煤為主要原料經過特殊加工而成的，黑色表面充滿微孔的顆粒，是一種半永久性吸附劑（可再生使用）。它對氧和氮的分離作用主要基于這兩種氣體在碳分子篩表面上的擴散速率不同，O2動力學直徑較小，氣體分子擴散較快，較多地進入分子篩固相（微孔），N2動力學直徑較大，氣體分子擴散較慢，進入分子篩固相較少，這樣在氣相中就可得到氮的富集成份。因此利用CMS對O2和N2在某一時間內吸附量的差別這一特性，按特定的程序，結合加壓吸附、減壓脫附的快速循環過程（變壓吸附），完成氧-氮分離，從而在氣相中獲得高純度的N2。PSA制氮具有經濟、高效、運行成本低、適應 性強、易于操作、安全方便等特點。由于CMS有一定的吸附容量，當吸附飽和時就需要再生，所以單吸附塔的吸附是間歇式的，為保證連續供氣，采用雙吸附塔并聯交替進行吸附，一塔工作一塔再生，連續產生N2。
CMS對O2、N2的吸附特性
注：隨著吸附壓力的增加，O2、N2的吸附量都增加，但是O2的吸附增加量遠遠高于N2。
工藝流程
空氣經空氣過濾器清除灰塵和機械雜質后進入空氣壓縮機，壓縮至所需壓力，經嚴格的除油、除水、除塵凈化處理，輸出潔凈的壓縮空氣，目的是確保吸附塔內分子篩的使用壽命。裝有碳分子篩的吸附塔共有二個，一個塔工作時，另一個塔則減壓脫附。潔凈空氣進入工作吸附塔，經過分子篩時氧、二氧化碳和水被其吸附，流至出口端的氣體便是N2及微量的氬和氧。另一塔（脫附塔）使已吸附的O2、二氧化碳和水從分子篩微孔中脫離排至大氣中。這樣兩塔輪流進行，完成氮氧分離，連續輸出N2。PSA吸附制取的N2純度為95%-99.9%，假如需要更高純度的N2需增加N2凈化設備。變壓吸附制氮機輸出的95%-99.9%N2進入N2凈化設備，同時通過一流量計添加適量的氫氣，在凈化設備的除氧塔中氫和N2中的微量氧進行催化反應，以除去氧然后經水冷凝器冷卻，汽水分離器除水，再通過干燥器深度干燥（兩個吸附干燥塔交替使用：一個吸附干燥除水，另一個加熱脫附排水），得到高純N2，此時的N2純度可達99.9995%。目前PSA制氮最大的生產能力為3000 Nm3/h。
應用領域
通過PSA制氮機制取到的純度大于99.5%的N2，通過和N2純化設備的聯合處理，能獲得純度大于99.9995%、露點低于-65℃的高品質N2，主要用于退火保護、燒結保護、氮化處理、洗爐及吹掃用氣等，金屬熱處理、粉末冶金、磁性材料、銅加工、金屬絲網、鍍鋅線、半導體、粉末還原等領域應用廣泛；純度大于98%或所需要純度的N2，主要用于化工原料、管道吹掃、氣體保護、產品輸送等，主要應用于化工、生物科技等行業；純度大于98%或純度為99.9%的N2，主要應用于食品包裝、食品保鮮、醫藥包裝、醫藥置換氣、醫藥輸送；純度大于99.9%或99.99% 以上的N2，或經過N2純化設備得到純度大于99.9995%、露點低于-65℃的高品質N2，主要用于電子產品的封裝、燒結、退火、還原、儲存等。
安全防護
氮氣作為隔絕氧氣的惰性氣體，高濃度下容易使人缺氧窒息。使用時，人員必須處于通風良好的環境中，發生窒息事故，應把傷者及時送到新鮮空氣流通的地方進行人工呼吸。PSA制氮系統中氣體都是加壓的，應該防止氣體的帶渣沖擊，在空壓機、制氮主機、氮氣純化裝置等設備的排氣口嚴禁站人，各個設備的鏈接處必須牢固可靠，系統運行前必須進行相應的安全檢測。PSA制氮機所排的廢氣是濃縮的氧氣，鑒于氧氣的助燃作用，所以制氮系統工作時要嚴格控火，防止火災發生。
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