使用变压吸附 (PSA) 技术制氮

能够自已制取氮气意味着可以掌控氮气 (N2) 的供应。这对于每天都要使用氮气的很多企业来说好处多多。那么，这对您的公司意味着什么呢？通过自主制氮，您不必依赖第三方的供应，还能节省处理、灌注和运输成本。变压吸附是其中的一种制氮方法。

变压吸附的工作原理是什么？

在生产自用的氮气时，了解并理解您想要达到的纯度水平非常重要。某些应用需要较低的纯度水平（介于 90% 和 99% 之间），例如轮胎充气和防火，而其他应用（例如食品和饮料行业或注塑行业）则需要较高的纯度水平（97% 到 99.999%）。在这些情况下，PSA 技术是理想而又简单的方法。实际上，制氮机是通过将压缩空气中的氮分子与氧分子分离来工作的。变压吸附通过吸附方式从压缩空气流中捕获氧气来实现这一目的。吸附是在分子与吸附剂相结合时进行的，在制氮情况下，氧分子吸附到碳分子筛 (CMS) 上。这一过程发生在两个单独的压力容器中，每个容器都装有 CMS，可在分离过程和再生过程之间切换。让我们暂时将它们称为塔 A 和塔 B。一开始，洁净干燥的压缩空气进入塔 A，由于氧分子比氮分子小，它们将进入碳分子筛的孔中。另一方面，氮分子不能进入孔中，而会绕过碳分子筛。这样，您就会获得所需纯度的氮气。此阶段称为吸附或分离阶段。然而，过程并没有结束。塔 A 中生成的大多数氮气离开系统（可直接使用或存储起来），而有一小部分制取的氮气则沿着相反的方向（从上到下）流入塔 B。

此流量用于排出在塔 B 的上一吸附阶段中捕获的氧气。通过释放塔 B 中的压力，使碳分子筛丧失容纳氧分子的能力。氧分子将从筛中分离出来，并被来自塔 A 的少量氮气流通过排气带走。通过这种方式，系统为新的氧分子在下一吸附阶段吸附到分子筛上提供了空间。我们将这种“净化”过程称为氧饱和塔再生。

制氮过程示意图。在第一个阶段，塔 A 处于吸附阶段，而塔 B 处于再生阶段。在第二个阶段，两个容器平衡压力，随后塔 A 开始再生，而塔 B 开始制氮。

在第一个阶段，塔 A 处于吸附阶段，而塔 B 处于再生阶段。在第二个阶段，两个容器平衡压力，准备切换角色。切换后，塔 A 开始再生，而塔 B 开始制氮。

此时，两个塔中的压力将达到平衡，二者的角色互换，一个由吸附变为再生，另一个则由再生变为吸附。塔 A 中的碳分子筛将逐渐饱和，而塔 B 已经释放压力，将能够重新开始吸附过程。此过程也称为“变压”，意味时允许在较高的压力下捕获特定气体并在较低的压力下释放。双塔 PSA 系统允许以所需纯度水平连续制氮。

氮气纯度和对进气的要求

了解每种应用所需的纯度水平从而有目的地自行制氮非常重要。不过，对于进气来说，有一些通用的要求。进入制氮机之前，压缩空气必须清洁和干燥，这不仅对于保证氮气质量非常有利，还能防止湿气造成碳分子筛损坏。此外，进气温度和压力应分别控制在 10 至 25°C 之间，以及保持在 4 至 13 bar 之间。为确保正确地处理空气，应在压缩机和制氮机之间配备干燥机。如果进气来自油润滑压缩机，则还应安装油聚结和碳过滤器，以便滤除掉压缩空气中的所有杂质之后，压缩空气才能进入制氮机。大多数制氮机都安装了压力、温度和压力露点传感器，确保制氮机的防故障自动运行，防止被污染的空气进入 PSA 系统并损坏其部件。

典型安装：空气压缩机、干燥机、过滤器、储气罐、制氮机、储氮罐。可以直接使用制氮机排出的氮气，也可以通过额外的缓冲罐（图中未显示）来使用氮气。

PSA 制氮的另一个重要参数是空气因数。对于制氮机系统而言，它是非常重要的参数之一，因为它决定了获得特定流量的氮气所需的压缩空气。因此，空气因数可指示制氮机的效率，也就是说，空气因数越小，效率就越高，当然总运行成本也就越低。

选择 PSA 制氮机还是膜式制氮机

	PSA	膜片
可实现的纯度	效率达 99.999%	效率达 99.9%
效率	更高	高
性能与温度	高温下较低	高温下更高
系统复杂性	中	低
保养强度	低	非常低
压力稳定性	进气/出气波动	稳定
流量稳定性	进气/出气波动	稳定
起动速度	分钟/小时	秒
对水（蒸气）的敏感性	压力露点高达 8°C	不得有液态水
对油的敏感性	不允许有油 (< 0.01mg/m³)	不允许有油 (< 0.01mg/m³)
噪声水平	高（放空峰值）	非常低
重量	中	低