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PSA制氮工艺

变压吸附制氮解决方案,

1，PSA原理简介

1.1变压吸附（Pressure Swing Adsorption，简称PSA）是一种先进的气体分离技术，它在当今世界的现场供气方面具有不可替代的地位。

1.2PSA技术具有以下优点：

产品纯度可以随流量的变化进行调节；

在低压和常压下工作，安全节能；

设备简单，维护简便

微机控制，全自动无人操作。

1.3关于吸附剂

吸附剂是PSA制氮设备的核心部分。

一般地，PSA制氮设备选择的是碳分子筛，它吸附空气中的氧气、二氧化碳、水分等，而氮气不能被吸附。

1.4变压吸附的原理

在吸附平衡情况下，任何一种吸附剂在吸附同一气体时，气体压力越高，则吸附剂的吸附量越大。

反之，压力越低，则吸附量越小。

如下图所示：

如上所述，在空气压力升高时，碳分子筛将大量吸附氧气、二氧化碳和水分。

当压力降到常压时，碳分子筛对氧气、二氧化碳和水分的吸附量非常小。

变压吸附设备主要由A、B二只装有碳分子筛的吸附塔和控制系统组成。

当压缩空气从下至上通过A塔时，氧气、二氧化碳和水分被碳分子筛所吸附，而氮气则被通过并从塔顶流出。

当A塔内分子筛吸附饱和时便切换到B塔进行上述吸附过程并同时对A塔分子筛进行再生。

所谓再生，即将吸附塔内气体排至大气从而使压力迅速降低至常压，使分子筛吸附的氧气、二氧化碳和水分从分子筛内释放出来的过程。

2，变压吸附技术的背景介绍

早在1960年，Skarstrom提出了PSA专利，他以5A分子筛为吸附剂用一个二床PSA装置，实现从空气中分离出富氧，并于60年代投入工业生产。

1970年，PSA技术在工业应用取得了突破性的进展，最先应用于空气干燥与净化。

1976年，PSA技术随着吸附剂的快速发展实现了从空气中分离氮气。

RICH公司自1979年从美国引进PSA技术开始，便一直致力于PSA技术的研究、创新和发展，并首先在国内使该项技术产业化。

RICH公司在20余年的设备生产和市场推广过程中，已拥有1000多套的PSA设备，在国内各行业投入了工业运行。

RICH已成为中国PSA行业的第一品牌。

3、RICH氮气设备的特点及功能简介

3.1RICH氮气设备积累了RICH公司20多年的工业市场应用经验，具有以下特点：

所需气源流量仅为同类产品的70%～80%，运行成本最低；

系统设计合理，运行可靠，使用安全。

3.2RICH设备系统功能

阀门切换由可编程序控制器自动控制；

氮气纯度、流量监测；

不合格氮气声光报警及自动排空；

不合格氮气长时排空自动停机功能；

冷干机、过滤器自动排污；

成品氮气出口压力、纯度、流量就地显示；

成品氮气出口压力、纯度、流量端口与用户DCS端口相连；

通过人机界面实现自动远程监测功能，在控制室内通过工控机人机界面直接监测空压机、冷干机、变压吸附制氮装置的工作状态、程控阀们的工作状态、整个工艺流程示意图、气源压力、吸附压力、成品氮气出口压力、成品氮气纯度、流量，并对以上数据进行授权修改，通过程序设置对以上数据进行调阅、查看历史记录；

4、RICH氮气设备的工艺流程简要说明

4.1产品气技术指标：

氮气流量：

1000m3/h（20℃，101.325kPa）

氮气纯度：

≥99.99% （无氧含量）

氧含量：

≤100PPm

露点：

≤-45℃

出口压力：

0.6Mpa

4.2系统组成

由RICH公司设计的氮气设备主要由以下部件组成:

空气压缩机

空气贮罐

压缩空气净化组件

PSA氧氮分离系统

氮气缓冲罐

现场监测系统

4.3系统流程图

4.4各部件说明

4.4.1空气压缩机

结合贵方提供的参数，选择压缩机有以下两种方式

采用四台单级压缩微油螺杆压缩机，电机采用三相异步电机，防护等级IP55，绝缘等级F及，380V电源，采用水冷冷却方式，为变压吸附装置提供压缩气源。

采用单台离心式压缩机，电机采用三相异步电机，防护等级IP55，绝缘等级F及，6000V或10000V电源，采用水冷冷却方式，为变压吸附装置提供压缩气源。

我们建议采用第二种解决方案，其优点是设备数量少，维护费用低廉，需要更换的易损件最少，可靠性稳定性相对要高许多！

并且，电耗最低！

同时，压缩空气不含油份，后置设备的过滤器滤芯更换频率会大大减少！

4.4.2压缩空气净化组件

压缩空气经冷冻干燥机除水、过滤器除尘、除油，并由在紧随其后的超精过滤器进行深度净化。

设计严谨的空气净化组件确保了碳分子筛的使用寿命。

经本组件处理后的部分洁净空气用于仪表空气。

4.4.3空气储罐

压缩空气经净化组件除尘、除水、除油后进入空气储罐中。

空气储罐的作用是：

减小气流脉动，起缓冲作用；进一步分离油水杂质，减轻后续变压吸附压力变化及瞬间进气量大时对分子筛的油污染，并保证提供平稳洁净的气源。

4.4.4氮氧分离系统

装有专用碳分子筛的吸附塔共有A、B、C、D四只。

当洁净的压缩空气进入A、B塔入口端经碳分子筛向出口端流动时，O2、CO2和H2O被其吸附，产品氮气由吸附塔出口端流出。

经一段时间后，A、C塔内的碳分子筛吸附饱和。

这时，A、C塔自动停止吸附，压缩空气流入B、D塔进行吸氧产氮，并对A塔分子筛进行再生。

分子筛的再生是通过将吸附塔迅速下降至常压脱除已吸附的O2、CO2和H2O来实现的。

两塔交替进行吸附和再生，完成氧氮分离，连续输出氮气。

上述过程均由PLC来控制。

我公司给贵方提供的是节能型碳分子筛制氮机，节能型碳分子筛制氮机采用了不等势均压流程，而传统型碳分子筛制氮机采用等势均压流程。

所谓等势均压是分别在吸附塔底部和顶部设一对均压阀门，在吸附结束时，两塔进出口阀关闭，均压阀打开，气体分别从吸附塔的进出口通过均压阀均压到解吸塔。

均压的好处有两个：

一是减少气体对分子筛的冲击，二是提高压缩空气利用率，等势均压的结果是均压后两塔压力与氮气纯度一致，因其均压位置在同一高度，故称为等势均压。

节能型碳分子筛制氮机采用不等势均压流程，不等势均压对下均压位置作了改进。

均压时均压气体从吸附结束的吸附塔中部引出进入脱附结束的吸附塔的底部，这样将氮气纯度较高的气体从吸附塔均压到解吸塔，均压的结果是提高了解吸塔的氮气浓度，因此提高氮气回收率。

同时降低了解吸塔内碳分子筛对氧气的预吸附，提高了碳分子筛的利用率，即提高碳分子筛的产氮率。

不等势均压流程比等势均压流程更加合理、科学、成熟、其直接效果是氮气回收率提高，产气量上升，间接效果是节约能耗。

另外，我公司现采用产气率，产氮率更高的分子筛，可使设备更加小型化，同时节约能耗更加明显。

当出气端氮气纯度小于设定值时，PLC可编程序控制器打开自动放空阀门，将不合格氮气自动放空，确保不合格氮气不流向用户，并对放空氮气进行消声使噪声小于85dBA。

4.4.5氮气缓冲罐

氮气缓冲罐用于均衡从氮氧分离系统分离出来的氮气的压力和氧含量，保证连续稳定供给氮气。

4.4.6在氮气设备的出气端设置了粉尘过滤器，确保为用户提供干净无尘的氮气。

5、设计依据

5.1设备运行所处环境条件：

A,环境温度：

最大40℃，最小-5℃

B,相对湿度：

最大85%，最小60%

C,大气压力：

86～106kPa

D,制氮机工作场所的空气应洁净、无油雾，无腐蚀性气体，通风良好。

5.2设计基准：

a,进口压力：

正常1.0Mpa，

b,进气温度：

≤40℃

c,相对湿度：

最大85%，最小60%

d,大气压力：

86～106kPa

e,出气氮气温度：

周围温度

f,出气压力：

0.6Mpa

g,氮气纯度:

≥99.99%（无氧含量）

h,出气氮气流量:

1000Nm3/hr

I,常压露点：

＜-45℃

5.3如用户有特殊要求，可依据用户提供数据重新设计。

6、供货范围

本公司设计的氮气设备的各部件都经过了仔细的筛选，以保证其可靠性：

6.1空气压缩机（两种解决方案）

序号

型号

规　格

品牌

数量

供　应　商

备注

GA160-1.0

流量24.6m3/min,排气压力1.0MPa

Atlas

阿特拉斯

微油螺杆压缩机

序号

型号

规　格

品牌

数量

供　应　商

备注

330DA3

流量90m3/min,排气压力1.0MPa

elliott

美国

无油离心压缩机

6.2压缩空气净化装置

型号：

AC-100

设备组成：

序号

名称

型号

规格

品牌

数量

供应商

备注

冷冻干燥机

GL-1000WT

100m3/min

RICH

1台

瑞气

水冷33T/h，额定功率18KW

管道过滤器

（5μm）

MV-2132

100m3/min

RICH

1套

瑞气

滤芯使用寿命8000小时以上

精过滤器

（1μm）

MA-2132

100m3/min

RICH

1套

瑞气

超精过滤器

（0.01μm）

MB-2132

100m3/min

RICH

1套

瑞气

滤芯16000小时以上

自动排污阀

AD402-04

SMC

3个

日本SMC

除油器

CY-100

RICH

瑞气

活性碳三年更换一次

备注：

压缩空气经该装置以后，尘埃粒径≤0.01цm，油含量≤0.001mg/m3

6.3空气储罐

序号

型号

规格

品牌

数量

供应商

备注

CG－100

φ2028×2650,10.6m3

温州压力容器制造有限公司（瑞气控股）

设计压力1.0MPa

6.4氧氮分离装置

A、型号：

NGN49-1000

设备组成：

序号

名称

型号

规格

品牌

数量

供应商

备注

吸附塔

XFT

φ1600×2800

温州压力容器制造有限公司（瑞气控股）

设计压力1.0Mpa

吸附剂

1.5GN-H

日本岩谷

足量

日本

寿命10年以上

程控阀门

ZSGP

1.6-200

RICH

瑞气

国家专利，阀门密封件寿命≥150万次

气缸压紧装置

QG-400

RICH

瑞气

国家专利

工艺氮气缓冲罐

NT-148.5

φ2436×5000,22m3

RICH

同序1

设计压力1.0Mpa

可编程序控制器

S7-200

CPU224

SIEMENS

西门子

德国

氮气含量分析仪

ZO802

上海英盛

英盛

上海

电磁阀

SY7120-4L-02

SMC

日本

寿命≥500万次

金属流量计

H250

横河

日本

带4~20mA信号

粉尘过滤器

MB-2122

RICH

瑞气

滤芯16000小时以上

6.5远程监测系统

序号

名称

型号

品牌

数量

供应商

备注

工控机

PⅢ

研华

台湾

网络连接器

6ES7972-0BA40-0XA0

SIEMENS

西门子

通讯线缆

6XV1830-0EH10

SIEMENS

若干

西门子

通讯卡

6GK1561-1AA00

SIEMENS

西门子

显示器

17〃

三星

液晶纯平

模块

EN222

SIEMENS

西门子

模块

EM231

SIEMENS

西门子

模块

EM232

SIEMENS

西门子

模块

EM277

SIEMENS

西门子

压力传感器

MSP-300-010-B-5-W-1

精量

美国精量

控制柜

KZG

RICH

瑞气

LOGO！

电源

6EP1332-1SH41

SIEMENS

西门子

24伏直流

可编程序控制器

S7-200

SIEMENS

西门子

6.7工艺管件

RICH公司负责压缩空气净化组件出口到缓冲罐成品氮气出口界区内所有管件、法兰盘、螺钉、螺帽、密封圈、支架等配备，供方负责外接配对法兰及连接件。

注：

RICH公司保留对机组内具体细节进行改动的权利，只要这种改动对最终设计有利。

7、控制系统

7.1阀门切换过程自动控制

变压吸附的一个工作周期包括吸附、均压、脱附、均压四个工作过程，为了保证连续供气，一般采用双塔流程。

变压吸附的一个工作周期约为120s，变压吸附氮气设备的控制系统的核心是采用了可编程序控制器（PLC），利用已编好并存入PLC中的程序，控制电磁阀按相应的时序进行动作，从而控制氮氧分离系统中的相应的气动阀的启闭。

气动阀动作时序表（开：

1关：

0）

名称

代号

时间（秒）

6.5

53.5

6.5

53.5

1.5

0.5

4.5

0.5

1.5

0.5

4.5

0.5

调节阀

HV1

开机时在进气压力达到入口压力设定值时，缓慢开到一定开度。

进气阀

HCV1

HCV2

放空阀

HCV3

HCV4

HCV5

均压阀

HCV6

HCV7

HCV8

HCV9

回吹阀

HCV10

HCV11

出气阀

HCV12

HCV13

出口阀

HCV14

氮气纯度<99.5%时开，≥99.5%时关

HV2

压力达到设定值，氮气纯度≥99.5%时开；<99.5%时关

7.2不合格氮气排空系统

变压吸附氮气设备的出气口有一取样管路，氮气分析仪从设备开机起就在线监测出口氮气的纯度指标。

在氮气分析仪上可以设定好氮气纯度允许的下限值，当出口氮气纯度低于设定的下限值时，氮气分析仪就会送出控制信号分别到PLC和电磁阀，相应的电磁阀得电后开始动作，关闭用户管路出气阀并同时打开不合格氮气排空阀门，实现自动排空。

当纯度恢复到设定的下限值以上时，电磁阀失电，用户管路出气阀打开，并同时关闭不合格氮气排空阀，氮气送入用户点。

在氮气不合格排空的同时，PLC也在计时，当不合格氮气排空的时间超过设定值时，PLC会自动关闭整机，等待故障处理。

7.3碳位报警系统

变压吸附氮气为了保障氮气设备的长期稳定的运行，设置了气缸压紧装置。

并同时在控制系统中设置了二次碳位报警。

第一次碳位报警是当气缸的行程达到设定值1时，在控制柜的面板上的蜂鸣器会发出刺耳的声音，提醒你在工艺允许的情况下，及早添加分子筛。

如果工艺不允许停机，你可以按消音键后继续使用氮气设备。

当气缸的行程到达设定值2时，氮气设备的控制系统会自动停机以保护分子筛。

7.4参数智能修改、显示

通过工控机实现自动远程监测显示功能，在控制室内通过工控机人机界面数字化监测显示空压机、冷干机、变压吸附制氮装置的工作状态、程控阀们的工作状态、整个工艺流程示意图、气源压力、吸附压力、成品氮气出口压力、成品氮气纯度、流量，并对以上数据进行授权修改，通过程序设置对以上数据进行调阅、查看历史记录；

同时，在用户DCS系统上，对成品氮气的流量、纯度、压力、等参数进行远程监测。

8、CMS压紧技术

在变压吸附设备中，由于分子筛是颗粒状的物质，在装填过程中，不可能装填的绝对结实。

而吸附塔在运行过程，在气流的作用，分子筛存在着下沉的可能。

在现今的压紧装置中，一般有气缸压紧、弹簧压紧（有的用椰子壳垫压紧也属此类压紧机构）和气囊压紧三种结构。

我公司采用的是气缸压紧，气缸压紧的优点是：

A、压紧力F=PS与吸附压力和气缸的活塞面积有关，与其它因素无关，而在变压吸附过程中，吸附压力是一定的，活塞面积在制造完成以后固定了，因此气缸压紧的压紧力是不随行程的改变而改变的。

B、气缸的行程是可以在外界测量或感应的，可以预先设置报警点。

C、气缸的所需气体直接取自吸附塔，可以随时与吸附塔同步工作。

弹簧压紧的压紧力F=K（X0-X），它的压紧力与行程是成反比的，也就是说，对于弹簧压紧机构，它必须要找出两点，（分子筛的抗压强度与压紧分子筛的最小压力），然后再根据这两点来选择弹簧的刚度和初压缩量、行程，稍有出入，就有可能出现分子筛被压碎或压不紧的问题。

但弹簧压缩时的行程也可以实现自动控制。

气囊压紧，一般用于无法采用气缸或弹簧的场合，它有很大的缺点：

1、气囊的工作状态无法监测，

2、气囊本身的材质老化；但相比较起前两种压紧装置，它有一个很大的优点，就是压紧机构的形状可以是不规则的，适用一些特殊的场合。

我公司采用的气缸由气缸体、活塞、传动杆、导杆及报警装置等组成，如图所示

9、制造检测标准

PSA系统在设计、制造、安装、检验、试验过程中遵循以下标准规范：

9.1、GB150-1998《钢制压力容器标准》

9.2、《气体分离与液化设备行业标准汇编》

9.3、《气体生产适用法规与标准》

9.4、JB/T6427-2001《吸附制氧、制氮设备》

9.5、JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接规程》

9.6、《中华人民共和国标准化法》

9.7、《中华人民共和国标准化法实施条例》

9.8、Q/WKF001-2003《节能型碳分子筛制氮机》

9.9、Q/WKF009-2003《管道式气动调节阀》

9.10、GB191-2000 《包装储运图示标志》

9.11、GB3864-1996 《工业用气态氮》

9.12、GB4980-1986《容积式压缩机噪声功率级的测定-工程法》

9.13、GB5226.1-2002《机械安全机械电气设备通用技术条件》

9.14、GB/T583.2-1986 《气体中微量水份的测定露点法》

9.15、GB6286-1986 《分子筛堆积密度测定方法》

9.16、GB9969.1-1998 《工业产品使用说明书总则》

9.17、GB/T13306-1991 《标牌》

9.18、GB/T13384-1992《机电产品包装通用技术条件》

9.19、GB/T14436-1993 《工业产品保证文件总则》

9.20、JB/T4711-2003《压力容器涂敷与运输包装》

9.22、《压力容器安全技术监察规程》

9.23、HG20592～20635-97《钢制管法兰、垫片、紧固件》

9.24、GB10504-89GB10505.1~10505.4-89《3A分子筛及其试验方法》

9.25、JB/T8058-96《空气分离设备用活性氧化铝验收技术条件》

9.26、GB/T12496.1-1999《木质活性炭实验方法》

9.27、GB/T1527-1997《铜及铜合金拉制管》

9.28、GB/T11618-1999《钢管接头》

9.29、GB/T14976-2002《流体输送用不锈钢无缝钢管》

9.30、GB707-88《热轧普通槽钢》

9.31、GB9787-88《热轧等边角钢》

9.32、GB709-88《热轧钢板和钢带》

9.33、GB12459-90《钢制对焊无缝管件》

9.34、GB/T5781-2002《六角头螺栓-全螺纹-C级》

9.35、GB/T41-86《I型六角螺母-C级》

9.36、GB/T70.1-2000《内六角圆柱头螺钉》

9.37、GB3289-92《可锻管路连接件》

9.38、HG/T21577-94《快速特种管接头》

9.39、GB/T95-85《平垫圈-C级》

9.40、GB/T853-88《槽钢用方斜垫圈》

9.41、GB/T93-87《标准型弹簧垫圈>>

9.42、GB/T10002.2-2003《给水用硬聚氯乙烯PVC-U管材》

9.43、GB50275-1998《压缩机、风机、泵安装工程施工及验收规范》

9.44、JB/T6844-93《金属浮子流量计》

9.45、JJG365-1998《电化学电极气体氧分析器国家计量检定规程》

9.46、GB12244-89《减压阀一般要求》

9.47、JB/T9081-1999《空气分离设备用低温截止阀和节流阀技术条件》

9.48、GB12235-89《通用阀门法兰连接钢制截止阀和升降式止回阀》

9.49、QJ1142-1987《气体单向阀通用技术要求》

9.50、JB/T7928-1999《通用阀门供货要求》

9.51、GB12241-89《安全阀一般要求》

9.52、GB12242-89《安全阀性能试验方法》

9.53、JB/T17895《工业过程控制系统用电磁阀》

9.54、GB1227-2002《精密压力表》

9.55、JB/T6900—93《排污阀》

9.56、JB/T7376-1994《空气减压阀技术条件》

9.57、JB/7375-1994《气动油雾器技术条件》

9.58、JB/T7374-1994《空气过滤器技术条件》

9.59、GB/T13277-91《一般用压缩空气质量等级》

9.60、GB／T14525－94《波纹金属软管通用技术条件》

9.61、GB5330-85《常用工业用金属丝编织方孔筛网》

9.62、GB9119-88《板式平焊钢制管法兰（凸面）》

9.63、QJ1142-1987《气体单向阀通用技术要求》

10、其它检验要求

10.1、卖方应在发货前对设备的有关内在和外观质量、规格、性能、数量和重量进行准确的和全面的检验，并出具其货物符合本合同规定的质量证书。

该证书将作为提交给买方付款单据的组成部分，但不应视为是对质量、规格、性能、数量的最终质量确认。

买方对采购设备将进行出厂前或货物装运前检查，卖方应提前将检验内容和日程安排通知买方，经买方同意后按双方商定的时间、人员进行检验，相关费用由各自承担。

买方参加上述检验并不能解除卖方对供货质量应负的责任。

10.2、设备在抵达交货地点后，应由买卖双方会同有关部门到现场检验到货设备的数量、外观质量等。

如发现短缺、破坏或与合同规定的数量、型号等不符，根据确认的记录及相关部门出具的证明，卖方必须进行补充、修理或更换。

如上述补充、修理或更换系因卖方过失造成的，则卖方应承担由此而导致的损失。

10.3、卖方应自行承担参加验收的

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