变压吸附制氮机的选用和使用情况

变压吸附制氮机的选用和使用情况

新疆中泰化学股份有限公司黄永军

【关键词】变压吸附

【论文摘要】变压吸附制氮机的选用和使用情况

1．序言

随着国民经济持续稳定地增长，中国空分设备制造业也不断发展，特别是在大型空分项目上，国产设备的市场份额在逐年上升。但是我们应该充分认识到，在大型空分设备项目上，我们的综合能力与水平同国外大公司相比还存在很大的差距。因此要想在这个领域拥有一席之地，我们的路还很长。

2．氮气的性质和特点和用途

氮是空气的主要成份，约占空气的78·03%，单质氮N2 ，在常态下是一种无色，无臭的气体。在标态下的气体密度是1·25克/升。熔点心为-210℃，沸点-196℃。液态氮是一种低温致辞冷剂（-196℃）。氮在工业上的制取方法有：低温分馏空气（简称ASU）；变压吸附制取氮（简称PSA）；膜分离制取氮（简称Mem—N2）。

氮在冶金、化工、轻工、电子等部门，作为原料气、保护气、置换气和密封气。液氮产品还广泛用于食品速冻，蔬菜水果防腐保鲜。在农牧业中也有广泛应用，如杀虫储粮、良种牲畜的精液冷冻保存等。是组成动植物体内蛋白质的成分。

随着科学技术的进步和经济的发展，氮的应用范围日益扩大。

氮气的典型用途

3．瑞气变压吸附设备的特点

3．1 拥有自主的先进专利技术，采用性能优异的吸附剂，使设备运行更节能，较常规变压吸附制氮设备节能10%～40%（如氮气纯度99.99%的设备节能达30%）。

3．2 独特的程控阀门，结构紧装、占空间小、漂亮美观、开关次数高达100万次无故障。

3．3 装置工艺流程简单、结构紧凑、占地面积小、最小空间需求。

3．4 独特的专利压紧结构，具有分子筛松动自动补偿功能，使分子筛始终处于压紧状态，有效延长了分子筛的寿命，可达10年。

3．5 装置自动化程度高，触摸屏控制开停机方便快捷，启动时间短，可远程控制设备启停。

3．6 装置运行稳定性好，可靠性高，常温常压下工作，安全性能好，正常使用、维护下碳分子筛寿命可达10年以上。

3．7 无需纯化装置可一次性制取99.9995%纯度的产品氮气，较变压吸附制氮装置＋氮气纯化装置组合购机成本、运行成本相差无几。

3．8 吸附器结构设计独特，气流的分布相当均匀，碳分子筛在很大程度上得到充分利用。

4．瑞气变压吸附制氮设备功能

常规配置功能：

4．1．1 气动、电动阀门切换由可编程序控制器自动控制；

4．1．2 氮气纯度、流量在线监测；

4．1．3 不合格氮气声光报警；

4．1．4 不合格氮气长时报警自动停机功能；

4．1．5 冷干机、过滤器自动排污；

4．1．6 分子筛自动压紧(微型设备无此项功能)。

可选功能：

4．2．1 不合格氮气自动放空；

4．2．2 负荷适应功能；

4．2．3 设备故障、停电、供气不足备用氮气自动补充、自动切换系统；

4．2．4 设备故障、停电时备用氮气自动切换系统；

4．2．5 远程控制/全自动；

4．2．6 多储罐充气自动切换、停机/重启动系统；

4．2．7 终端用气后回收系统；

4．2．8 一机可产两种以上不同纯度对应不同流量自动切换系统；

4．2．9 人机界面操作系统；

5．瑞气制氮设备优势

瑞气提供的节能型碳分子筛制氮机，设备采用了不等势均压流程(PL-VI型流程，专利证书号第364124)，不等势均压流程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，按照吸附塔内氮气纯度的倒金字塔型梯度分布特点进行均压，这样将氮气纯度较高的气体从吸附塔均压到解吸塔，还原了床层固有的纯度梯度分布，提高了解吸塔的氮气浓度，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。RL-VI流程应用以上设计，不仅提高了氮气回收率和碳分子筛利用率，也改变了利用变压吸附不能制取ppm级高纯氮气的历史。

6．制氮机的选用和使用情况

我公司工艺要求选用制氮机涉及问题较多，但只要我们仔细分析、比较、把握重点，针对用气工艺和设备功能特点就可以得到满意结

果。

首先，在确定具体型号规格前，应着重对制氮机的性能和特点作全面的比较分析：

㈠应从哪几个方面对制氮机进行比较分析：

⒈系统设计的合理性；

⒉碳分子筛性能及装填技术；

⒊控制阀门的使用寿命；

⒋研究开发，制造经验、用户使用情况；

⒌影响制氮成本的因素；

①一次性投资。

②投入使用所必备配套条件及费用。

③使用寿命。

④操作维护费用（人工）及电、水、压缩空气耗用量。

㈡影响制氮机稳定性之因素：

制氮机是涉及多学科，机、电、仪密集一体高科技产品，在长期使用中稳定是很重要的。从制氮机的组成可以看出，影响稳定性关键有二：

⒈管路上的控制阀门：

对于变压吸附制氮机来讲，阀门必须具有以下几点性能：

a. 应在接受电信号的1秒钟内完成开或关动作

b. 密封性能好，绝对不漏气

c. 能承受频繁的开、关，保证足够长的使用寿命

d. 容易维护和判断故障

因为在正常的工况下，每只阀门在每一个周期（120秒左右）必须开关一次，以制氮机每年300个工作日计，每天24小时连续开车，吸附解吸周期为2分钟计，那么每只阀门每年需要开、关20多万次。而只要其中一只阀门故障都会破坏整台设备正常工况。所以阀门连续使用寿命是制氮机稳定可靠的最重要一环节。

⒉碳分子筛是变压附制氮设备核心。碳分子筛有几个重要性能指标：

a. 硬度

b. 最大产氮量（Nm3/T-h）

c. 最大回收率（N2/Air）%

d. 充填密度

以上指标碳分子筛专业生产厂家均已在出厂时注明，问题的关键在于使用。如何使碳分子筛发挥最大效能，实现更长使用寿命就很有讲究：

①碳分子筛装填技术：

碳分子筛装入钢制吸附塔时必须具备专门的技术，否则极易粉化并导致失效。从工艺流程分析我们不难发现，当压缩空气高速进入吸附塔时，如果没有特制的气体分布器，分子筛受到气流的强力冲击、摩擦，容易造成分子筛的粉化。另外分子筛在吸附塔内是不可能“绝对紧密”，在使用一段时间后，分子筛之间的空隙在减少，慢慢下沉，

如果没有“压紧装置”，吸附塔上部有可能出现明显空间。当压缩空气进入吸附塔下部时，分子筛就会在短时间内发生快速的位移，导致分子筛互相碰撞、摩擦并与吸附塔壁发生撞击，这样就极易使分子筛粉化失效。

分子筛的装填技术还影响气体分布，氮气回收率。

②空气中油、水对分子筛的影响：

由于空气中不可避免含有一定油蒸汽，如果不经严格除油，油蒸汽极易被碳分子筛所吸附，并难以脱附，填塞分子筛微孔，导致分子筛“中毒”失效。所以在压缩空气进入吸附塔前设置严格除油装置（高效除油器）是保证分子筛使用寿命必不可少的一环。水对分子筛来讲虽然不是致命的，但会使分子筛吸附“负荷”增加，即影响其吸附O2、CO2之能力。因此压缩空气干燥除水，是提高分子筛吸附能力和稳定不可忽视的问题。

用瑞气公司制氮机十台，最早从一九九三年的100m3制氮机1

台（现已停用，因压力容器使用寿命）九台在用的设备分别于2000年购买1台100m3制氮机，400 m3制氮机4台，，2003年、2004年、2005年、2007年分别购入400 m3制氮机，2005年购1000 m3制氮机1台，2008年购1500 m3制氮机3台。从近几年的设备使用状况来看，制氮机全年8000小时的运行状况下，设备运行比较平稳，氮气纯度合格，氮气流量正常，且设备从未进行过大修。下面将瑞气公司在本公司制氮机的使用情况分析如下：

1，各制氮机使用过程中吸附塔气缸压力正常，消声器出气正常，从

此处可以看出吸附塔棕垫压实，碳分子筛未有粉化现象。

2，在每年8000小时的连续运行状况下，氮气流量可以开到满负荷，气纯度均达到要求99.5％。

3、由于本公司循环水水质不是特别好，所以制氮机冷干机中的水冷凝器出现过温度较高现象，经过检查发现冷凝器铜管有堵塞现象，在经过清洗后运行正常。

4、由于我公司制氮机使用周围的环境比较恶劣，空气中粉尘较高，故制氮机的易损件过滤器芯的寿命比较短，更换频率比较高，根据我公司这一情况，瑞气公司也在出厂设备配件做了相应调整。

5、气动阀内部密封O型圈破损，但出现频率不是特别高，但处理时非常方便简洁，可以在最短的时间内进行修复。

6、较早购买的几台设备的冷干系统前后三道过滤器滤芯下部自动排污容易堵塞，造成水份不能及时排除，大部分都已改为手动排污。后面的设备都改进使用电子自动排污器，并且将排污口改为大口径的，避免在排污时杂质堵塞排污口及排水器。

7、瑞气公司分子筛质保十年，在我公司使用制氮机时出现碳位下降（制氮机分子筛合理损耗），设备无法正常运行，我公司属化工企业，制氮机停止运行意味着有可能会发生重大事故，由于新疆路途较为遥远，瑞气公司在乌鲁木齐设有办事处并储备一些分子筛，便于制氮机在新疆各危险企业中能够在最短的时间内给予解决故障。

8、目前我公司使用的螺杆式空压机，由于螺杆机空压机分为有油及无油两种，有油螺杆机带油量较大，对后续制氮机会有一些影响，瑞

气公司到我公司现场实际勘察，并在后来购买的设备的冷干系统前面加装一道除油式过滤器，以避免三道滤芯堵塞较为严重，分子筛被润滑油污染。

9，目前我们公司使用瑞气的所有制氮机均采用瑞气公司根据制氮机的工艺设计的专用管道式气动阀，完全克服了使用平繁开启的问题。10，对于分子筛的选用瑞气公司一直采用日本进口分子筛，而该公司依据分子和性能改进了制氮机的工艺流程，让分子筛的效率达到了最高，同时还降低了用户的运行成本。真正起到了节能作用。

7．结束语

瑞气公司产品在我公司使用还是比较满意，在每年长周期的运行时间内设备运行平稳，各项指标达到设计能力，各部位配件及设备质量较好，目前单制氮机来说故障率较低，易损件气动阀以及分子筛在使用中损耗除外，主要存在故障较高的就是冷干系统，冷干机在调试好后由于在使用过程中冷却水及气温的变化，多时出现冷媒高低压不稳现象。保证设备长周期稳定运行离不开设备的质量与运行环境，瑞气公司产品在我公司使用中得到了充分的肯定。