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PSA全稱：Pressure Swing Adsorption，中文意思為：變壓吸附。

PSA是一種新的氣體分離技術，自60年代末70年代初在國外已經得到迅速的發展，其原理是利用分子篩對不同氣體分子“吸附”性能的差異而將氣體混合物分開，它是以空氣為原料，利用一種高效能、高選擇的固體吸附劑對氮和氧的選擇性吸附的性能把空氣中的氮和氧分離出來。

 

工藝概述：

目前在制氮、制氧領域內使用較多的是碳分子篩和沸石分子篩。分子篩對氧和氮的分離作用主要是基于這兩種氣體在分子篩表面的擴散速率不同，碳分子篩是一種兼具活性炭和分子篩某些特性的碳基吸附劑。碳分子篩具有很小微孔組成，孔徑分布在0.3nm ~ 1nm之間。較小直徑的氣體（氧氣）擴散較快，較多進入分子篩固相，這樣氣相中就可以得到氮的富集成分。一段時間后，分子篩對氧的吸附達到平衡，根據碳分子篩在不同壓力下對吸附氣體的吸附量不同的特性，降低壓力使碳分子篩解除對氧的吸附，這一過程稱為再生。變壓吸附法通常使用兩塔并聯，交替進行加壓吸附和解壓再生，從而獲得連續的氮氣流。

 

作用范圍：

以空氣為原料，以碳分子篩作為吸附劑，運用變壓吸附原理，利用碳分子篩對氧和氮的選擇性吸附而使氮和氧分離的方法，通稱PSA制氮。此法是七十年代迅速發展起來的一種新的制氮技術。與傳統制氮法相比，它具有工藝流程簡單、自動化程度高、產氣快(15～30分鐘)、能耗低，產品純度可在較大范圍內根據用戶需要進行調節，操作維護方便、運行成本較低、裝置適應性較強等特點，故在1000Nm3/h以下制氮設備中頗具競爭力，越來越得到中、小型氮氣用戶的歡迎，PSA制氮已成為中、小型氮氣用戶的首選方法。

 

深冷制氮與與PSA制氮機比較

 

隨著工業的迅速發展，氮氣在化工、電子、冶金、食品、機械等領域獲得了廣泛的應用，我國對氮氣的需求量每年以大于8%的速度增加。 氮氣的化學性質不活潑，在尋常的狀態下表現為很大的惰性，不易與其他物質發生化學反應。因此，氮氣在冶金工業、電子工業、化工工業中廣泛的用來作為保護氣和密封氣，一般保護氣的純度要求為99.99%，有的要求99.998%以上的高純氮。液氮是一個較方便的冷源，在食品工業、醫療事業以及畜牧業的精液貯藏等方面得到越來越普遍的應用。在化肥工業生產合成氨時，合成氨的原料氣—氫、氮混合氣若用純液氮洗滌精制，可使惰**氣體的含量極微小，一氧化硫和氧的含量不超過20ppm。

 

純凈的氮氣無法從自然界直接汲取，主要采用空氣分離法。空氣分離法中包括：深冷法、變壓吸附法(PSA)、膜分離法。

 

二、PSA制氮機的工藝流程和設備簡介

 

1、工藝流程簡介

 

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氮氣及微量的氬和氧。另一塔（脫附塔）使已吸附的氧氣、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，連續輸出氮氣，見圖-2。變壓(_bian4 ya1)吸附制取的氮氣純度為95%-99.9%，假如需要更高純度的氮氣需增加氮氣凈化設備。變壓吸附制氮機輸出的95%-99.9%氮氣進入氮氣凈化設備，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氮氣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），得到高純氮氣，此時的氮氣純度可達99.9995%，見圖-3。目前海內變壓吸附制氮最大的生產能力為3000m3n/h。

 

三、深冷制氮的工藝流程和設備簡介

 

1、深冷制氮的典型工藝流程：

 

整個流程由空氣壓縮及凈化、空氣分離、液氮汽化組成。

 

⑴ 空氣壓縮及凈化

 

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，然后送入空氣冷卻器，降低空氣溫度。再進入空氣干燥凈化器，除去空氣中的水份、二氧化碳、乙炔及其它碳氫化合物。

 

⑵ 空氣分離：

 

凈化后的空氣進入空分塔中的主換熱器，被返流氣體（產品氮氣、廢氣）冷卻至飽和溫度，送入精餾塔底部，在塔頂部得到氮氣，液空經節流后送入冷凝蒸發器蒸發，同時冷凝由精餾塔送來的部分氮氣，冷凝后的液氮一部分作為精餾塔的回流液，另一部分作為液氮產品出空分塔。

 

由冷凝蒸發器出來的廢氣經主換熱器復熱到約130K進膨脹機膨脹制冷為空分塔提供冷量，膨脹后的氣體一部分作為分子篩的再生和吹冷用，然后經消音器排入大氣。

 

⑶ 液氮汽化

 

由空分塔出來的液氮進液氮貯槽貯存，當空分設備檢修時，貯槽內的液氮進入汽化器被加熱后，送入產品氮氣管道。

 

深冷制氮可制取純度≧99.999%的氮氣。

 

四、深冷制氮與變壓吸附制氮的技術經濟比較

 

1、流程比較

 

從以上的論述中我們可以發現：變壓吸附制氮流程簡樸，設備數量少，主要設備僅有空壓機、空氣干燥器、吸附制氮機和儲氣罐等。而深冷制氮流程復雜，設備數量多，主要設備有空壓機、空冷器、空氣凈化干燥器、換熱器、膨脹機和精流塔等。

制氮機

 

2、產品種類和純度比較

 

深冷制氮不僅可以生產氮氣而且可以生產液氮，滿意需要液氮的工藝要求，并且可在液氮貯槽內貯存，當出現氮氣間斷負荷或空分設備小修時，貯槽內的液氮進入汽化器被加熱后，送入產品氮氣管道滿意工藝裝置對氮氣的需求。深冷制氮的運轉周期（指兩次大加溫之間的間隔期）一般為1年以上，因此，深冷制氮一般不考慮備用。而變壓吸附制氮只能生產氮氣，無備用手段，單套設備不能保證連續長周期運行。

 

深冷制氮可制取純度≧99.999%的氮氣。氮氣純度受到(de dan qi _dan qi chun du shou dao)氮氣負荷、塔板數量、塔板效率和液空中氧純度等的限制，調節范圍很小。因此，對于一套深冷制氮設備其產品純度基本是一定的，不便調節。變壓吸附制氮制取的氮氣純度一般在95%-99.9%范圍內，假如需要更高純度的氮氣需增加氮氣凈化設備。氮氣純度只受產品氮氣負荷的影響，在其他條件不變情況下，氮氣排出量越大，氮氣的純度就越低；反之則越高。因此，對于一套變壓吸附制氮設備只要負荷答應其產品純度可以在90-99.9%之間任意調節。

 

3、運行控制比較

 

深冷法由于是在極低溫度下進行的，設備在投入正常運行之前，必須有一個預冷啟動過程，啟動時間即從膨脹機啟動至氮氣純度達到要求的時間一般不小于12h；設備在進入大修之前，必須有一段加溫解凍的時間，一般為24h。因此，深冷法制氮設備不宜常常起、停，宜長時間連續運行。變壓吸附法啟動時，只要按一下按鈕，啟動30分鐘內便可以獲得合格的氮氣產品，假如需要高純的氮氣，那么經過氮氣凈化裝置，大約再用30分鐘便可獲得99.99%-99.9999%的高純氮氣。停機時也只需按一下按鈕便可。因此，變壓吸附制氮特殊適用于間斷運行的情況。

 

現在深冷法制氮一般均采用先進的DCS（或PLC）計算機控制技術，實現中控、機旁、就地一體化的控制，可有效的監控整套設備的生產過程。變壓吸附制氮采用智能化全自動控制，按鈕即可進行氮氣生產，無需專人治理。

五、結論

 

對于石油化工裝置，所需氮氣純度大多為99.9%，從以上對深冷制氮和變壓吸附制氮的簡介及比較中，我們可以得出以下結論：

 

a)當氮氣連續負荷大于600 m3n/h，間斷負荷用量不太大，可以通過液氮汽化滿意要求時，應采用深冷制氮。

 

b)當氮氣連續負荷大于600 m3n/h，間斷負荷用量大，液氮汽化已不能滿意其用量時，可采用以深冷制氮為主，變壓吸附間斷供氣的方式。

 

c)當氮氣連續負荷小于600 m3n/h，可采用變壓吸附制氮。

 

d)變壓吸附制氮特殊適用于氮氣負荷小于3000 m3n/h，氮氣純度為95%，并且是間斷運行工況。

 

e)當工藝裝置需要液氮時，除非有外部供給液氮的可能，否則均應采用深冷制氮。

 

變壓吸附制氮機系統在工業領域的用途

 

石油天然氣行業專用制氮機適用于大陸石油及天然氣開采、沿海及深海石油及天然氣開采中的氮氣保護、輸送、覆蓋、置換、搶險、維修、注氮采油等領域。具有安全性高、適應強、連續性生產待特點。

 

化工行業專用制氮機適用于石油化工、煤化工、鹽化工、天然氣化工、精細化工、新材料等及其衍伸化工產品加工行業，氮氣主要用于覆蓋、吹掃、置換、清洗、壓力輸送、化學反應攪動、化纖生產保護、充氮保護等領域。

 

冶金行業專用制氮肥機適用于熱處理、光亮退火、保護加熱、粉末冶金、銅材鋁材加工、磁性材料燒結、貴金屬加工、軸承生產等領域。具有純度高、連續生產、部分工藝要求氮氣含一定量的氫以增加光亮度等特點。

 

煤礦行業專用專用制氮機適用于煤炭開采中的防火滅火、瓦斯及煤氣稀釋等領域，具有地固定式、地面移動式、井下移動式三種規格，充分滿足不同工況下的氮氣需求。

 

橡膠輪胎行業專用制氮機適用于橡膠及輪胎生產硫化過程中的氮氣保護、成型等領域。特別是在全鋼子午線輪胎生產中，用氮氣硫化新工藝已逐步取代蒸汽硫化工藝。具有氮氣純度高、連續性生產、氮氣壓力較高等特點。

 

食品行業專用制氮機適用于糧食綠色倉儲、食品充氮包裝、蔬菜保鮮、酒類封（罐）裝和保存等。

 

防爆型制氮機適用于化工、石油天然氣等對設備有防爆要求的場所。

 

制藥行業專用制氮機主要用于藥品生產、儲存、封裝、包裝待領域。

 

電子行業專用制氮機適用于半導體生產封裝、電子元器件生產、LED、LCD液晶顯示器、鋰電池生產等領域。制氮機具有純度高、體積小、噪聲低、能耗低等特點。

 

集裝箱式制氮機適用于石油、天然氣、化工及其它相關領域，即有適應性強、可移動作業等特點。

 

車載移動式制氮車適用于石油天然氣行業的開采、管道吹掃、置換、應急搶險、易燃氣體、液體的稀釋等領域、分為低壓、中壓、高壓系列，具有機動性強、可移動作業等特點

 

汽車輪胎沖氮氮氣機，主要用于汽車4S店、汽車維修廠的汽車輪胎沖氮，可延長輪胎使用壽命，降低噪音和油耗。

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