变压吸附制氮设备设计

毕业设计(论文)成果材料

（2010届）

题 目 实习岗位 项目工程师助理

2010年 04月25日

目 录

 文本成果

摘要 ................................................. 2

引言 ................................................. 2

1 任务分析 .......................................... 2

2 方案的初步选定 .................................... 3

2.1 两个制氮方案拟定 ................................ 3

2.2 两个方案的比较 .................................. 3

3 方案的详细设计 .................................... 3

3.1 设计参数的确定 .................................. 4

3.2 干燥及净化设备简单介绍 .......................... 5

3.3 变压吸附的制氮原理 .............................. 7

3.4影响纯度和流量因素的控制 ......................... 8

3.5 调试与改进 ..................................... 12

4 总结评价 ......................................... 13

致谢 ................................................ 13

参考文献 ............................................ 14  实际成果

一、实物（照片） .................................... 15

二、附录（图片） .................................... 17

变压吸附制氮设备设计

章琦君

摘要：PSA新型变压吸附制氮装置是一种在常温下从空气中直接制取氮气的高新、节能分离技术。利用压缩空气经除水、除油、除尘一系列的净化后在变压吸附作用下，由于动力学效应，氧在碳分子筛上的扩散速率明显高于氮，在吸附未达到平衡时，氮在气相中被富集起来，采用西门子PLC自动控制技术，实现连续生产高品质的氮气。具有设备紧凑、占地面积小、全自动操作、运行可靠、起停车快、运行成本低、常温生产和维修方便等优点，且氮气的纯度和产量可适当调节，无污染，是一种高效的现场制氮装置。

关键词：变压吸附，碳分子筛，制氮装置

引言

制氮装置一般有三种形式：深冷式空分装置、膜分离空分设置、变压吸附空

分设置。深冷式空分是将压缩空气采用极低温度把空气液化，并通过分馏塔上的分布，根据不同种类气体密度不同来分离气体的一种装置。膜分离空分装置是利用压缩空气在膜组上的渗透速率来分离提取气体的一种手段通常需要空气源压力在1.3Mpa以上，其主要的优势是结构简单，适用于小量和低纯度氮气的使用。变压吸附空分装置是在一定压力下，由于动力学效应，氮氧在碳分子筛上的扩张速率的差异，利用压力变化来制取氮气。该形式的设备，现已经入成熟期，其技术已经非常成熟，生产成本已经达到客户所愿意接受的价格空间，所以现在各行业中使用非常广泛，氮气纯度也可以在95%---99.9995%的空间中选择。并适合于几十到几千立方的氮气使用量，所以其经济效益非常明显。相比较这三种制氮装置，选择变压吸附式的优势在于不需把空气液化，氮气纯度的选择范围也广泛。

1 任务分析

根据客户对氮气的纯度和流量的要求，确定制氮设备的型号，计算有效耗气量选择其他设备的型号。根据客户对所需氮气的要求选择相应型号的净化设备及干燥设备。如果有必要，还需要将制氮分为两步：第一步，制取普氮；第二步，将符合设计标准的普氮纯化。

2 方案的初步选定

根据客户对氮气的纯度和流量的要求，确定制氮机的型号为PFN－120D，制氮机流量为120 Nm³/h，纯度为99.9%

2.1 两个制氮方案拟定

方案一：制氮吸附筒采用直径700mm筒体方案设计

方案二：制氮吸附筒采用直径750mm筒体方案设计

2.2 两个方案的比较

由于最终所需氮气的流量和纯度是固定的。故所需要的碳分子筛的量是固定的，制氮机吸附筒的容积是固定的，区别在于根据制氮机吸附筒直径的不同，筒体的高度是不同的。而直径和高度又影响到碳分子筛的产氮率和使用寿命。设备高度过低，影响产氮率和使用寿命；设备高度过高，则不便于运输和安装使用，所以需要选择合适的筒体直径，设计合适的筒体高度。

3 方案的详细设计

根据分子筛性能，制取纯度为99.9%的氮气，分子筛产氮量≥120Nm³/h·t

1、按分子筛产氮量120 Nm³/h·t计算：

分子筛用量：120/120＝1T

采用2筒体方案

单筒分子筛用量1/2=0.5T

填装分子筛所用容积：0.5T/0.68=0.735M³

（堆积密度：0.68㎏/L）

方案一：采用筒体直径700方案计算

0.735=3.14×0.7×0.7×h/4

h=1911mm

取筒体中间高度1700mm

筒体高度：1700+（350+50+20）+450+30+20=2620mm

气缸高度约为500mm

设备总高度：2780+500=3280mm

制氮机外形尺寸（长X宽X高）约：1800X1000X3280

货车底盘高度1200mm

由于货物重量，货车底盘下降约100mm

运输时候高度：2620+160（机架高度）+1200-100=3880mm

不会超过货物运输高度要求

方案二：采用筒体直径750方案计算

0.735=3.14×0.75×0.75×h/4

h=1664mm

取筒体中间高度1460mm

筒体高度：1460+（375+50+20）+450+30+25=2410mm

气缸500mm

设备总高度：2570+500=3070mm

制氮机外形尺寸（长X宽X高）约：1900X1050X3070

货车底盘高度1200mm

由于货物重量，货车底盘下降约100mm

运输时候高度：2570+160（机架高度）+1200-100=3830mm

不会超过货物运输高度要求

3.1 设计参数的确定

1.两个方案比较：

⑴方案一设计的制氮机在运输高度为3880mm，

方案二设计的制氮机在运输高度为3830mm，

两个方案均不超过交通运输限高4200mm，所以高度都符合运输要求。

⑵根据流体力学原理，气体流程越远，气体流向越近似平行，所以高度越高，，气体流向越平行，压缩空气与分子筛接触面积越大，碳分子筛利用率越高，使用寿命越长，产氮流量和纯度越稳定，所以方案一设计明显优于方案二设计。

⑶方案一中吸附筒Φ700mm，加工后吸附筒重量约为220kg，

方案二中吸附筒Φ750mm，加工后吸附筒重量约为240kg。

从生产成本上来讲，方案一略低于方案二。

⑷从外形尺寸上讲，方案一外形（长X宽）为1800mmX1000mm，占地面积为

1.8㎡，方案二外形（长X宽）为1950mmX1000mm，占地面积为1.95㎡，方案一更可以节省土地利用，所以方案一略低于方案二。

综上四个方面比较，我们选择方案一设计，取吸附筒Φ700mm。

2.计算制氮设备有效耗气量，确定与制氮机匹配的净化及干燥设备分子筛纯度99.9的氮气回收率为31.5%

理论有效耗气量 =120*99.9%/79%/31.5%/60 =8.03 Nm3/min

实际量=理论量*1.2=8.03*1.2=9.63 Nm3/min

故选用有效耗气量为10 Nm3/min的净化和干燥设备

3.整套设备配置清单

3.2 干燥及净化设备简单介绍

从空气压缩机中出来的压缩空气是很脏的。压缩空气中的污染物可分为水分(包括液态水滴和水蒸气)、油分(包括油滴、油雾和油蒸汽)、固形粉尘和颗粒及各种气体杂质及化学异味四类。除了水蒸气需要由干燥器去除外，其它污染物(包括呈气态的油蒸气及各种化学异味)均可用过滤方法来去除。为此在生产中有适用来除去各种污染物的空气过滤器。

1.干燥机

吸附式干燥机是压缩空气除水干燥的常用设备。工业上在制备低于零度压力露点的干燥压缩空气时，吸附式干燥机几乎是惟一的选择。

吸附作用又称吸着作用，是两相交界面上物质分子浓度自动发生变化的自然现象。研究表明，吸附现象不仅发生在固—气交界面上，在液—气界面、固一液界面上同样也会发生。

吸附体系由吸附剂和吸附质组成，我们将具有一定吸附能力的材料称为吸附剂， 将吸附的物质称为吸附质。在压缩空气干燥器中，常用吸附剂有硅胶、活性氧化铝和分子筛，均匀混合在压缩空气中的水蒸气是吸附质。

吸附干燥机通常按吸附剂再生方法进行分类，可分为微热再生干燥机和无热再生干燥机两类。有热再生干燥器(TSA)利用吸附剂在低温时吸附水分，在高温下将所吸附水分脱附返回气相的特点使吸附剂获得活性再生;无热再生干燥器以变压吸附 (PSA)为基础，在气体混合组分中高水分分压时吸附水分，低水分分压时将所吸附的水分脱附返回气相使吸附剂获得活性再生。

2.过滤器

用来阻挡压缩空气中的污染物和去除水分的装置叫压缩空气过滤器，简称过滤器。与单独功能的干燥器比起来，过滤器对压缩空气的净化功能要广得多，经

过滤器处理后的压缩空气可以达到无尘、无水、无油及无菌元臭的目的。过滤器至少由滤芯(一支或多支)和壳体(金属或塑料等)两部分组成。一只完整的过滤器还配备自动排水器和差压计等附件。可以按多种原则给压缩空气过滤器进行分类。如按过滤器在空压系统中的安装位置，可分为吸气过滤器(安装在空压机吸气口)及管道过滤器(安装在空压机后的输气管网中)两大类。按照过滤器在系统中所发挥的功用分，有除水过滤器、除尘过滤器、除油过滤器、除臭过滤器及除菌过滤器多种;此外还有粗过滤器、精密过滤器之分。KFL系列精密过滤器主要由上下筒体、滤芯、滤芯吊杆组件、排水组件、仪表等组成。

常用过滤器的过滤精度等级分为C、T、A三个级别，见表一是游离状态的水分去除率及过滤精度。

表一 游离状态的水分去除率及过滤精度

3.高效除油器

若单纯用过滤器来滤除有时效率会显得不够高、有时会出现早期堵塞等现象。此时可采用分离器将大颗粒固体杂质先行除去或将杂质浓度降下来，再由过滤器进行深度净化处理。一般分离器的工作原理都建立在惯性(撞击或离心)分离基础上。在压缩空气净化流程中用得较多的分离器是高效除油器。KFY系列高效除油器科学的集螺旋分离、预过滤和凝聚式精过滤三级净化为一体，能高效除水、除油、滤尘，使压缩空气的净化工艺流程得以缩短，再经后处理的精密过滤器，其过滤精度可达0.1μm，残油含量可小于0.1mg/m3，使气源净化质量得到了可靠的保证。 3.3 变压吸附的制氮原理

图1 碳分子筛的孔径分布图

变压吸附制氮机是以碳分子筛为吸附剂，利用加压吸附，降压解吸的原理从空气中吸附和释放氧气，从而分离出氮气的自动化设备。碳分子筛是一种以煤为主要原料，经过研磨、氧化、成型、碳化并经过特殊的孔型处理工艺加工而成的，表面和内部布满微孔的柱形颗粒状吸附剂，呈黑色，其孔径分布如图1所示。

图2 平衡吸附曲线 图3 动态吸附曲线

碳分子筛的孔径分布特性使其能够实现O2、N2的动力学分离。这样的孔径分布可使不同的气体以不同的速率扩散至分子筛的微孔之中，而不会排斥混合气（空气）中的任何一种气体。碳分子筛对O2、N2的分离作用是基于这两种气体的动力学直径的微小差别，O2分子的动力学直径较小，因而在碳分子筛的微孔中有较快的扩散速率，N2分子的动力学直径较大，因而扩散速率较慢。压缩空气中的水和CO2的扩散同氧相差不大，而氩扩散较慢。最终从吸附塔富集出来的是N2和Ar的混合气。

碳分子筛对O2、N2的吸附特性可以用平衡吸附曲线和动态吸附曲线直观表现出来，如图2、图3所示、

由这两个吸附曲线可以看出，吸附压力的增加，可使O2、N2的吸附量同时增大，且O2的吸附量增加幅度要大一些。变压吸附周期短，O2、N2的吸附量远没有达到平衡（最大值），所以O2、N2扩散速率的差别使O2的吸附量在短时间内大大超过N2的吸附量。

变压吸附制氮正是利用碳分子筛的选择吸附特性，采用加压吸附，减压解吸的循环周期，使压缩空气交替进入吸附塔（也可以单塔完成）来实现空气分离，从而连续产出高纯度的产品氮气。

3.4影响纯度和流量因素的控制

影响氮气的纯度和流量是多方面的，主要分主观和客观两个方面。主观方面主要是指设备的结构原理，填充吸附剂品质，各种零配件性能。客观方面是压缩空气原料气的压强、湿度、设备使用的环境状况以及使用操作。具体如下：

1.主观方面

（1）制氮系统及净化系统和干燥系统的选型和设计都会影响氮气纯度。所以设计设备都要比理论计算值偏大然后选型。

（2）吸附剂选用进口高品质吸附剂。

吸附剂应具备的条件 ：

（1）有强的吸附能力，即要求有大的比表面积;

（2）不与吸附质和其它接触介质发生化学反应;

（3）有良好的机械强度及热强度;

（4）易再生，不易劣化;

气体的吸附过程是纯物理吸附，即所谓的范得华吸附，由于这种吸附通常只发生固体表面几个分子直径的厚度区域，单位面积固体表面所吸附的气体量非常少，因此作为工业选用的吸附剂，必须有微孔结构的，足够大的比表面积以弥补这一不足。设备中填充的吸附剂常用的有两种,一种是活性氧化铝，另一种是碳分子筛。

活性氧化铝由三水合铝[AI (OH)3]或三水铝矾土加热脱水而成。用在压缩空气吸附干燥的是γ形态的活性氧化铝，其活化温度低于600℃。活性氧化铝对水有较强的亲合力，在一定操作条件下，它的干燥精度可达露点- 70℃以下。而它的再生温度 又比分子筛低得多。活性氧化铝具有很高的表面硬度和抗压强度，在静压力作用下不破碎，在交变压力作用下不易磨损，很适宜作压缩空气吸附剂。

分子筛是泛指具有均一微孔且能有选择性地吸附直径小于其孔径分子的一大类吸附剂。 常用的沸石分子筛是结晶硅铝酸盐的多水化合物，其化学通式为

Mex/n〔（AlO2）x·(SiO2)y〕·mH2O

式中Me一一阳离子，主要是铀、饵和钙等金属离子

x/n-一价数为n，可交换的金属阳离子Me的数目

m一一-结晶水的数目

分子筛主要特点是具有十分单一的表面孔径，比孔径小的分子可以通过微孔进入穴内，吸附于孔穴表面，并在一条件下解吸出来。比孔径大的分子则不能进入，从而按分子直径不同而把混合物分离开来，分子筛由此而得名。分子筛对极性分子尤其对水有极大的亲和力，又有极大的比表面积，在压缩空气含水量较低及温度较高时均有较大的吸附能力，因此可用于深度干燥。 分子筛的缺点是机械强度有限，抗水滴性能不强，在压力作用下容易破碎，长期 使用堆积比重可增大20% ，另外再生能耗也比氧化铝高。在处理水分负载较高的压缩空气时，应先用氧化铝等吸附剂进行预干燥，再用分子筛进行深度处理。常用吸附剂吸水/脱水性能见表二，常用吸附剂使用条件见表三。

表二 常用吸附剂吸水/脱水性能

选用国内外知名品牌配件，阀门选用进口阀门，保证设备正常工作性能和工作周期，提高劳动生产率

2.客观方面

（1）为保证制氮过程中有足够的空气量和碳分子筛的产氮率，压缩空气的

流量和压强一定得到保证。根据研究表明，碳分子筛的产氮率与压强有直接关系。在压强1Mpa范围内，压强越高。产氮率越高，压强越低，产氮率越低。所以客户在选择空气压缩机时，一定要选择满足条件的空气压缩机

（2）由于周围环境的湿度和温度也可以影响到设备的正常使用。如果设备使用地方温度较高，那在压缩空气进入制氮设备前，需要加一个前置冷却器或者加一个较大的空气储气罐，保证压缩空气进入设备前温度低于45℃。另外还需对空压机、制氮机和吸干机周围保证通风状态，如果有必要，制氮房内需要配置换气扇，保证设备不会因为温度过高而影响使用。

（3）制氮过程最重要的环节是要对设备正常操作和维护。

正常操作：

一：开机前检查

1、检查空压机、制氮机、吸干机通电指示灯情况，如指示灯不亮，断电，检查电路或设备。

2、检查所有阀门是否处于关闭状态，未关闭关掉。

二：开机运行

1、开启空压机：如需冷却水，首先打开其前后阀门；按照使用说明书开启电源开关

2、当空气储气罐压力达到0.7MPa时，开启冷冻式干燥机并且打开1号截止阀（空气储气罐及冷冻式干燥机之间的截止阀），让吸干机运行3~5分钟，将空气排入空气缓冲罐。

3、打开制氮机空气入口截止阀，等待20~30秒后开启制氮机，开启制氮机氮气出气口截止阀让氮气进入氮气缓冲罐。

4、氮气缓冲罐压力达到0.7MPa时。打开放空系统阀门,调节出气口压力（出气压力≤0.65MPa可调）根据出气口压力计算出出气口流量。调节放空阀门大小来调节出气流量以达到计算值。氮分析仪显示氮气储气罐内氮气的纯度，等待氮分析仪纯度上升到可用纯度。

5、当流量达到计算值且纯度达到用气要求时关闭放空阀门，打开用气阀门，此时为正常用气，并调节正常用气的截止阀，使流量计示数维持在理论计算值附近。

三：停机运行操作

1、停止制氮机，关闭制氮机氮气出口、入口截止阀，及氮气缓冲罐用气阀门。

2、停止空气压缩机，关闭1号截止阀。

3、停止微热干燥机。

4、打开所有球阀，放空设备中的气体，然后关闭所有阀门。

四：注意事项

因为出气量用户可调，所以有些用户会把出气量调到远远超过计算值，这样使用是不合理的。虽然纯度也可能达到要求，但是却加快了分子筛的粉化速度，导致使用年限大大减少。更多可能是因为流量过大导致氮气纯度降低。当纯度低于理论纯度太多时，需要重新调试纯度，不但费时费力又影响到制氮机正常使用寿命。所以用户必须严格控制氮气流量。

（1）空压机后储气罐、高效除油器及精密过滤器每隔1.5~2小时要进行一次排气。

（2）调试人员调节好的阀门不要随意转动，以免影响纯度。

（3）不要随意动电控柜内的电器件，不要随意拆动气动管道阀门。

（4）定期观察出口压力、流量计指示及氮气纯度，与性能页的值对照，发现问题及时解决。

（5）按照空压机、吸干机、过滤器的技术要求保养和维护，以保证空气品质。空压机、吸干机必须每年至少检修一次，按照设备维护、保养规定更换易损件，并进行保养；如发现过滤器前后压差≥0.05~0.1Mpa，必须及时更换过滤器滤芯。

正常维护：

一、设备日常维护

对制氮系统中的设备的维护主要包括空压机、冷干机、过滤器、制氮主机的维护。空压机的日常维护主要是经常检查空压机储气罐的排污口是否堵塞，散热孔处是否有遮拦；冷干机的散热器要经常清扫；过滤器的排污口要经常检查是否堵塞；制氮机消音器的排气口要经常检查是否畅通。所有设备外观均要保持清洁、干净，经常用湿布或中性肥皂水擦洗。

二、设备周期性维护

有油螺杆空压机的维护主要是进空气过滤器 （其会被灰尘堵塞）的周期更换，以及每年的润滑油和油分离器的更换。压缩机的维护也包括对机油的定期补充和更换（如有必要）。 无油活塞空压机也需要定期更换活塞环和补充润滑剂。为保证制氮系统稳定可靠地运行和压缩机的长寿命运行，必须按照压缩机厂商推荐的周期维护办法和措施来维护压缩机。

风冷式冷干机的周期性维护主要是定期吹扫，清洗排污口；水冷式冷干机主要是定期清洗水冷凝器，以防水垢沉淀堵塞。请认真阅读冷干机的操作维护使用说明书，严格按照冷干机厂商推荐的周期维护办法和措施来维护冷干机。

过滤器的周期性维护主要是根据过滤器的使用状况定期更换滤芯。如果发现过滤器的压力差过大，请及时更换滤芯。请参照过滤器厂商推荐的周期维护办法和措施来维护过滤器。

制氮主机基本上不用周期性维护。用户可在每年公司（厂）所有设备大修时检查一下制氮机是否运行正常。

3.5 调试与改进

在设备完全配套完成后调试中发现，设备制氮机流量为128Nm³/h，纯度为99.96%，完全满足客户需求。然而在二十一世纪的现在，当需要用氮气做原料气时，这样的纯度是远远不够，可能会用到99.9995%这样纯度的氮气了，这个时候就需要对我们的制氮设备和工艺做很多的改进。

可以在设备中干燥系统中加入冷干机，进一步降低压缩空气中的含水量，更好的使碳分子筛发挥作用。

一般来说，制氮机产出的氮气还是比较洁净的，可满足大多数用户的用气标准。但对于食品、啤酒、饮料、制药、精密加工等行业，要求成品氮气无菌、无异味、无尘等，就要对氮气进行后期除菌、除尘、除异味处理。主要是在氮气输出管道中再配置除菌过滤器、除尘除异味过滤器，使成品氮气中不含细菌和尘埃等无机物和有机物。除去空气中更细小的杂质，并且可以除去异味。这是在医药和食品行业必不可少的设备。

对制取的氮气在催化剂作用下进一步做纯化处理，可以得到更低露点，纯度更高的氮气。

4 总结评价

变压吸附制氮机是一种逐步取代瓶装氮气和深冷空分制氮的新型高科技设备,它具有设备成本低，体积小、重量轻、操作简单、维护方便、运行费用小、现场制氮快捷、开关方便、无污染等优点,。广泛运用于石油化工、橡胶塑料、电子、制药、啤酒饮料、食品保鲜、机械加工、冶金、玻璃煤碳、航空航天、军事等行业和领域，设备运行稳定，安全可靠，深受广大用户的青睐。

参考文献

（1） 《化工工厂初步设计内容深度的规定》

（2） 《化工装置设备布置设计规定》 JB/T6427-92

（3） 压力容器安全技术监察规程

（4） 钢制压力容器 GB150-1998

（5） 钢制压力容器 相关标准 GB150-89

（6） 钢制压力容器 标准释义 GB150-89

（7） 优质碳素结构钢技术条件 GB699-88

（8） 《吸附制氧、制氮设备》 JB/T6427-92

（9） 碳素结构钢和低合金结构热轧厚钢板和钢带 GB711-65

（10） 焊条检验、包装和标志 GB1225-76

（11） 压力容器用碳素钢及普通低合金钢热轧厚钢板 GB6654-86

（12） 压缩空气干燥 规范与试验 GB10893-89

（13） 机电产品包装通用技术要求 GB/T13384-92

（14） 弹簧直截荷式安全阀 GB/T12243-91

（15） 流量测量节流装置 GB/T2624-93

（16） 容积式空气压缩机，噪音功率级的测定——工程法

（17） 压力容器油漆，包装和运输 JB2536-95

（18） 钢制管法兰垫片标准 JB/T81-90-94

（19） 压力容器法兰标准 JB4700-4707-92

（20） 压力容器无损探伤 JB4730-94

（21） 一般压缩空气质量等级 GB/T3277-91

（22） 钢制压力容器焊接工艺评定 JB478-92

（23） 钢制管法兰、垫片、紧固件 HG20592-20635-97

（24） 锅炉受压力元件焊接接头机械性能检验方法 JB1614-83

（25） 氟利昂制冷装置用辅助设备技术条件 ZBJ73036-73039-89 化工部 1988.6 国家质量技术监督局 GB/T4980-95

（26） 压缩空气质量等级 ISO8573.1

（27） 《过程检测和控制系统用文字代号和图形符号》 HG20505-92

（28） 《化工自控设计技术规定》 HGJ20507～205016-89

（29） 《化工自控安装图册》 HGJ516-87 (上下册)

（30） 《化工建设项目噪声控制设计规定》 HG20503-92

（31） 《工业和民用电力制造的接地设计规范》 GBJ665-83

（32） 《低压配电装置及线路设计规范》 GBJ65-83

 实际成果

一 实物照片

下列图片是变压吸附干燥机

下列图片是微热干燥机

二 附录

下列图是PFN-120D底座图

下列图是高效除油漆

下列图是过滤器

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下列图是

PFN-120D型制氮装置工艺流程图

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