空分制氮的工作原理与设备的维护保养.docx

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空分制氮的工作原理与设备的维护保养

空分制氮的工作原理与设备的维护保养

空分制氮又称变压吸附制氮（简称PSA）是自上世纪80年代从国外引进的气体分离技术。

采用进口碳分子筛为吸附剂，在常温下利用变压吸附原理从空气中来获取氮气，在一定压力下，利用空气中氧、氮在碳分子筛表面的吸附量的差异，即碳分筛对氧的扩散吸附远大于氮，通过PLC控制气动阀的启动，达到A、B两塔交替循环，加压吸附，减压脱附的过程完成氮氧分离，得到所需程度的氮气。

碳分子吸附剂在加压的条件下，空气中的氧气和氮气在碳粉丝筛孔穴内的扩散速度差异而将空气中的氧气、氮气分离开来，氧气分子比氮气分子先行扩散到碳分子筛吸附剂的孔穴内，未能扩散到碳分子筛吸附剂孔穴的氮气作为产品气输出供用气站使用。

一、我司制氮站设计能力与设备配置

1、制氮机系统设计能力

序号

项目

指标

备注

1

氮气流量

≥1000Nm3/h

20℃

2

纯度

≥98%

无氧含量

3

压力

≥0.7Mpa

表压

4

露点

≤-40℃

常压

5

运行方式

连续运行

≥8000小时/年

2、氮气站设备组成

（1）压缩空气系统螺杆式空气压缩机2台

（2）压缩空气净化系统过滤器组、微热再生干燥机

空气缓冲罐1套

（3）变压吸附制氮装置变压吸附制氮机1套

（4）氮气储罐10m3氮气储罐2台

2.1压缩空气系统

空气压缩技术指标：

型号：

GA160-8.5数量：

2台

排气量：

27m3min排气压力：

0.85Mpa

电气功率：

160KW电源：

380V50HZ

重量：

3025kg

2.2空气净化系统技指标

微热再生干燥机：

型号：

SJ-50/8数量：

1台

额定处理：

55Nm3/h出口露点：

≤-40℃

进口温度：

≤40℃再生气耗量：

13-15%

功率：

12KW电源电压：

380V50HZ

工作方式：

两吸附筒轮换交替吸附，实现连续干燥。

切换周期：

一般定位T=10min,亦可用T=4min、T=20min

三级过滤器：

型号：

HC50HT50HA50数量：

3台/1套

处理气量：

50m3/min除水率100%

过滤精度：

0.01U除油精度：

0.01PPM

空气缓冲罐：

容积5m3数量：

1台

设计压力：

1.0Mpa

2.3PSA空分制氮装置技术指标

型号：

FD-1000-98数量：

1台

产气量：

1000Nm3/h氮气纯度：

≥98%（无氧含量）

出口压力：

0.80Mpa出口露点：

≤-40℃

电源：

220V50HZ功率：

1KW

2.4氮气储罐

容积：

10m3数量：

2台

设计压力：

0.8Mpa

二、空气制氮系统工艺流程图

1、工艺流程图见图1

2、工艺步骤：

2.1压缩空气提纯

空压机采集外界空气经压缩进入一级聚合微粒过滤器（F101）除去大部分粉尘与油水滴；性能：

过滤精度3U，除水率99%，除油雾率40%，（自动排放5～6分钟/次），然后进入二级聚合粒过滤器，进一步除去粉尘与油水滴，性能：

过渡精度1U，除水率100%，除油雾率70%（自动排放10～20分钟/次）。

最后经第三级除油过滤器，进一步除去压缩空气中的油雾，性能：

过滤精度0.01U，除水率100%，除油雾率99.99%（自动排放20分钟/次）。

自动排放阀电磁阀控制时间可调。

2.2微热再生干燥机的工作原理：

吸附式干燥机的工作原理是利用吸附剂，具有多孔性，大的比表积在较高压力下（高的水汽分压）具有吸附空气中的水份，而在较低压力下（低的水汽分压）又能解吸水份的性能，本机利用这个特性，采用变压吸附的方式，用两只吸附筒进行轮换，一只升压吸附干燥，另一只减压用少部分已干燥的空气经空气节流孔膨胀至近大气压（进一步降低露点），流过吸附剂，把水汽解吸，带出干燥机，其运行程序如下：

见图2

（1）湿空气进入：

通过截止阀进入吸附筒A空气由下而上沿吸附剂流过，水汽被吸附，湿度逐渐降低，达到干燥后，由上面的单向阀作为干燥的产品气排出干燥机。

（2）一部分已干燥的产品气约14%，通过节流孔膨胀至近大气压进入吸附筒B此气流（亦称再生气）自上而下，从吸附剂表面逐渐解吸水汽，使吸附剂再生恢复吸附性能，然后此再生气通过截止阀4和消声器排放至大气中。

（3）吸附筒B再生后截止阀4关闭，逐渐升压至工作压力（称均压过程）。

（4）均压后，接着截止阀3打开B筒进入吸附运转同时阀1关闭，阀2打开A筒进入再生，如此反复交替切换，实现连续吸附干燥运转。

（5）吸附干燥机主要特色，应用范围：

本装置采用变压吸附和微热再生方法，对压缩空气进行深度干燥，采用了优质吸附剂，先进的气动（或电控）截止阀，可编程序控制仪，精心设计，均匀分布吸附筒，再生气可调等先进技术，具有自动计时，程序自动切换，设备安全可靠，自动操作，维修方便，可以就地亦可远程控制等特点。

2.3氧气和氮气分离的制氮原理：

2.3.1功能和系统结构

采用气体分离工艺将空气中的氮气和氧气分离的方式制氮。

2.3.2采用CMS分离空气

用一种特殊处理过的活性碳即分子筛（CMS）分离空气。

CMS的孔直径在氮气和氧气分子直径范围内，由于氧分子比氮分子体积小，重量轻，因此先被吸附在碳分子筛表面。

如图3为碳分子筛分离空气过程。

2.3.3变压吸附（PSA）

空气压力越高CMS表面所吸附的气体分子越多，如图4所示，压缩气体进入吸附塔，从下到上流经塔体。

吸附塔内充满了CMS，气体通过时，氧分子和氮分子在CMS表面吸附。

由于分子直径不同，氧分子被吸附在CMS表面多于氮分子。

根据流经吸附塔空气的速度，大多数氧分子被吸附，氮分子由吸附塔上端流出。

流量速度决定了气体在吸附塔中的吸附时间，即氧分子的吸附时间：

●流速高——→氧吸附时间短——→产品中剩余氧含量高——→氮气纯度低

●流速低——→氧吸附时间长——→产品中剩余氧含量低——→氧气纯度高

经过一段时间后，CMS被所吸附的氧分子饱和需进行再生，再生是通过降压实现的。

由于CMS在低压时不能再吸附气体分子，大多数分子在降压时被排空，这一过程称为解吸。

为达到连续供气，在一个吸附塔再生状态晨，另一吸附塔为生产状态。

碳分子筛的性能通过是由产气量和回收率来描述的，这两个性能指标是与产生的氮气纯度、运行压力直接相关的。

一般来讲，纯度不变时，产气量是随运行压力的提高而增加，而回收率只随压力升高稍有增长，当压力一定时，回收率和产气量都随产生的氮气中的氧含量增大，PSA系统的最佳操作压力为0.75Mpa左右。

2.3.4PSA工艺是由PC阀AV101—108八个阀所控制的。

下表详细叙述了该工艺如下：

生成的氮气通过PC阀AV106A或AV107、AV108流出吸附塔A或B进入氮气缓冲罐。

在制氮机顶部安装有反吹气手动阀，适当调节此阀开度来给予再生塔一定量的再生气以帮助再生塔解吸，此阀在第一次开机调试好以后使用过程中基本不用再调节，保持当初开度即可。

2.3.5氮气储存及供气

氮气缓冲罐

●缓冲由PSA过程后引起的压力波动

●保证吸附塔A和B在吸附开始时的压力最小值

手动流量控制阀（纯气出口阀、不合格放空阀）根据流量计F101测量的值手动调节氮气流量，然后氮气进入客户系统。

流量计F101显示氮气缓冲罐输出的氮气实际流量。

本设备配置的流量计，起显示产品气流量的作用，单位为Nm3/h。

一般地流量计在标准状况下标定，实际纯气气量=纯气流量计示值×√P+1。

P为纯气压力，单位为kg/cm2，具体换算参见流量计说明附录。

如果流量计在出口压力下标定，可直接读出实际氮气含量。

在氮气出口管理路上装了氮气取样口以检测氮气纯度。

3.系统控制与操作

3.1控制系统

PSA系统是由德国西门子SIEMENS（S7—200）型程序逻辑控制器（PLC）、控氧仪、流量计及辅助线路构成。

控制系统按一定的时序发出信号，控制8个程序阀的开闭，控氧仪在线分析产品但其中的氮含量，如果氮含量低于设定报警值时，控制器发出信号提醒打开不合格气出口阀，关闭氮气出口阀。

让气体直接放空，防止不合格气进入下工段。

当氮气罐压力高于0.7Mpa时，电极点压力表输出信号，PLC控制电路，自动停机：

当氮气罐压力0.5Mpa时，电极点压力表输出信号，PLC控制电路，自动开机。

3.2控制过程

●主要控制过程

由可编程序逻辑控制器（PLC）、电磁阀、气动控制阀组成。

程序控制阀按事先编制的时序开户和关闭，自动完成PSA过程的吸附、均压和解吸。

●控制柜面板介绍

控制柜操作面板上有控氧仪、流程显示铭牌、压力表及开关键。

详见图5：

（1）AIA控制氧仪及氮含量低报警（A1）

在线分析产品其中的氮含量。

已数字直接显示，当产品起的氮含量低于设定之后，产品气氮浓度低限报警（报警值在控氧仪上设定），控制器发出信号，提醒操作员打开不合格气出口阀，管不氮气出口阀，让气体直接放空，防止不合格气进入下工段。

（2）电源开关（A2）

两位选择开关，通断控制柜上的工作电源即启动和关闭PSA系统。

（3）运行/停止按钮（A3）

当运行/停止按钮按下后，制氮机需运行一个周期（2分钟）停止。

再次按运行/停止按钮，制氮机恢复运行。

如需立即停机可关闭电源开关。

（4）压力表（P1-P6）

P1-P4压力表分别显示A塔压力、B塔压力、氮气罐压力和出口压力，P5电极点压力表显示出压力，P6显示仪表气罐压力。

3.3控氮仪

PSA系统生产的氮气中氮气含量是由控氧仪连续监控的。

样品气管路由以下部分构成：

●减压阀调节正确样品气压力

●流量调节阀调节样品气流量

测量氮气中的氮含量：

（1）打开减压阀前的截止阀

（2）调节减压阀，感觉到控氧仪控头处有气出来即可

（3）当控氧仪读数稳定时，读出氮含量

为确保控氧仪读数正确，控氧仪必须按一周期校正。

氧检测池在使用过程中会发生漂移，所以应该在使用一段时间后，对氧检测池重新进行标定。

矫正控氧仪

氮分析仪中的氧检测池在出厂时都是经过了严格标定，氧检测池在使用过程中会发生漂移，所以应该在使用一段时间后，对氧检测池重新进行标定。

利用空气上氮含量恒定的原理进行满刻度标定，压缩空气进入系统后，先将气体样支路接入空气一方，等待5分钟左右观看测量值是否为“20.9”，如果不符，需要重新调整，详见控氧仪使用说明书。

3.4开机

（1）当压缩空气源压力达到0.7Mpa以上时打开制氮机总进口截止阀，此阀不宜开得过大，能保证制氮机最终达到吸附压力即可，调节气动阀工作气源处的减压阀压力至0.4～0.5Mpa.

（2）顺时针打开PLC主站电控柜上制氮机电源开关，在制氮机控制柜上的控氧仪上设定氮气含量量上限，装置正常工作。

根据两个吸附塔的压力变化来判断两吸附塔是否正常切换，工作塔的压力应与压缩空气的压力相差0.05Mpa左右，再生塔压力为零，均压时两塔压力应接近工作塔压力的一半。

（3）打开控氧仪电源，打开取样截止阀，调节减压阀，将气量调至在探头出口处能感觉到有气出来即可，注意采样气量不可过大，检测氮气纯度。

（4）通过调整氮气出口阀的开度来调节氮气的纯度和流量，缓慢打开放空截止阀，调节流量至额定流量的二分之一。

当氮气纯度达到要求后，缓慢打开纯气出口阀，将流量调节至所需流量，关闭放空出口截止阀，设备正常运转即可投入使用。

3.5关机

（1）关闭氮气出口阀和取样阀

（2）关闭压缩空气进口阀

（3）关闭制氮机电源

三、维护保养

1、微热再生干燥机的日常维修

1.1吸干机运转一个月后，应打开加料口，适当补充吸附剂，运行1～3年后，应更换吸附剂，（视前置除油水效果而定，若很少有污染，即可更长时间更换）。

1.2定期检查各电磁阀，各阀门运行情况

1.3检查气控系统的减压过滤器、调整、维护，供气稳定在0.4～0.5Mpa。

1.4前置过滤器，自动排水器，应定期清洗，确保滤筒不积液，前置过滤器滤芯使用寿命为8000h，到时应更换。

1.5程控仪应定时表灰，若不用，应每月通过电一次，通一小时，以免受潮。

1.6检查吸附筒的再生压力，压力＞0.04Mpa，应清洗消声器。

1.7当吸附干燥机不用时，应把进出口阀门关闭，以免吸附剂受潮。

2、吸附干燥机故障检查：

故障

原因

检查维修

1、程控器不发讯号或讯号混乱

1、按线头松动

2、程控器发生故障

3、程控器电线插头未按号插好

1、检查各接线端

2、更换或修理程控器

3、核对一下进线插头是对按号插好

2、电磁先导阀不动作

1、程控器不发记号

2、电磁线圈断线

3、弹簧损坏

动铁芯卡死

1、按故障现象1处理

2、修复线圈或更换

3、更换弹簧

4、保修铁芯、清洁赃物去毛

3、气动切断阀不动作

1、电磁先导阀不动作

2、阀门气控系统压力过低

1、近故障2处理

2、调整减压阀、使气控压力达到0.4～0.5Mpa

4、再生干燥器压力表＞0.05Mpa

1、止加阀泄漏

2、再生气偏大

1、检查止回阀密封面是否损坏

2、若工作正常，可调节截止阀头适量减少再生气量

5、产品气露点偏高

1、吸附剂未能干燥好

2、吸附剂被油污染

3、进气温度过高

1、减少成品气、加大再生气量

2、更换吸附剂

3、应降低进气温度，保持在40℃以下

4、接干燥机、设计处理量操作

6、压降偏大

1、吸附剂破碎严重

2、扩散器被粉尘阻塞较多

3、单向阀弹力过大

1、更换或筛选

2、清灰尘

3、适当调整

3、关于吸附干燥机的程序控制

本吸附干燥机采用了先进可编的微电子程控仪，对吸附干燥工艺过程，进行最佳的编程，严格控制进气和再生气电磁截止阀，（或电磁先导气控截止阀）的开和关，本装置在出厂时已按10分钟切换周期（即5分钟切换）的程序调整好，用户不必去另行调整，以免搞错，若要调整，必须仔细阅读程控仪说明书，熟悉后按其要求仔细调整。

4、制氮机日常检查维护内容

检查内容

检查方法

正常值

周期

差压表

检查压力是否在正常范围内

指针在绿色范围内

每日

过滤器的排放

观察排放口是否有排出物

每日

过滤器内置排水器的清洗

观察排水器内淤面是否超过液面高限，拆下排水器，用中性溶液清洗

指针在红色范围内

每周

滤芯更换

检查压力是否在正常范围内

指针在红色范围内

压缩空气罐

压力表

检查压力是否在正常范围内

每日

底部排放阀

观察排放口是否有排出物

每二小时

FD制氮机

控氧仪

检查取氧气量和压力，如有要求调整流量及压力

控氧仪探头处感觉到有气出来

每日

压力表

检查各压力表工作是否正常

每日

阀门工作情况

观察阀门传动器上的黄色指示标志

阀门开关时，黄色指示标志与管道方向垂直或平行

每日

完整管路

氮气管路

查漏，应无泄漏

三个月

5、系统常见问题的处理方法

现象

原因

处理

N2报警

氮气流量过大

检查流量计设置点

控氧仪设置失调

检查控氧仪设置点

气

动

阀

打

不

开

1、PLC有问题

检查PLC输出点灯是否亮，不亮则PLC坏掉中，更换。

2、气源压力低

检查气源压力是否大于4bar,可将压力调大。

若不行则检查软管及铜管各接头处有无泄漏，更换接头。

3、阀杆卡死

若无上述现象，拆开气动头的铜管接头，检查铜管是否有气，若有气则为阀杆卡死，将气动头卸下，强迫其阀杆作往复运动几次即可。

4、电磁阀线圈烧坏

若无上述现象，则检查电控箱内对应的电磁阀，并检查接线是否松动，坚固电线，若线圈烧坏或阀芯漏气则更换电磁阀。

消声器或流量计有大量灰尘

分子筛泄露

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制氮机工作压力正常，但产气量不足

终端过滤器或单向阀堵死

分别拆下来检查疏通，无法维修则换新的。