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空气制氮类型及压缩机选型与配置

   【压缩机网】空气是由78%的氮气,21%的氧气以及1%的稀有气体和杂质组成。氧气是人们赖以生存的气体,而氮气取之不尽,用之不竭,如今越来越受到欢迎,目前已被广泛应用于粮食仓储、金属热处理、石油化学工业、玻璃工业等诸多领域。本文给大家重点介绍如何从空气中分离氮气及PSA制氮机选型相关的知识。
 
  氮气的化学性质
  氮气,化学式为N2,通常状况下是一种无色无味的气体,而且一般氮气比空气密度小。氮气占大气总量的78.08%(体积分数),是空气的主要成份之一。在标准大气压下,氮气冷却至-195.8℃时,变成无色的液体;冷却至-209.8℃时,液态氮变成雪状的固体。氮气的化学性质不活泼,常温下很难跟其他物质发生反应,但在高温、高能量条件下可与某些物质发生化学变化,用来制取对人类有用的新物质。
空气制氮类型及压缩机选型与配置
  制氮设备
  在社会生产活动中,利用氮气的化学性质,氮气被广泛的应用在各行各业。比如:电子芯片行业、激光切割,食品保鲜,粮库、化工、石化、锂电、半导体、医药等等。面对各行各业的使用需求,制取氮气的设备就是关键。
空气制氮类型及压缩机选型与配置
  如今随着科学技术的发展,市面上氮气制取的设备主要有三种:
  1、深冷制氮:主要是利用不同气体的沸点不同,通过低温分馏,得到液氮。(参考化学性质中提到的温度)
  2、膜分离制氮:类似于过滤器,利用氧氮分子对膜的渗透能力的不同,富集氮气达到一定的氮气浓度,一般浓度不高于99%,运用范围比较小。(本文不做过多介绍)
  3、PSA变压吸附制氮:PSA气体分离技术是非低温气体分离技术,以压缩空气为原料,碳分子筛为媒介,利用氧分子直径<氮分子、氧氮分子大小不同,氧分子可以进入分子筛表面的微孔被吸附,氮分子不能进入而从堆积的分子筛间隙通过,再通过快速排空减压将吸附在分子筛表面的氧分子脱附,排放到大气中。配合一定的程序循环切换,可以将氮气纯度制取到95-99.999%的纯度(体积比)。
  三十年来该技术发展较快,技术日趋成熟,在中小型制氮领域已成为深冷空分的强有力竞争对手。
 
  氮气设备的选型
  1、不管选择什么类型的制氮机设备,我们都必须知道以下几个参数:即氮气纯度、氮气流量、氮气压力、氮气露点。
  ①氮气纯度,氮气一般作为工艺气体,有别于我们的压缩空气作为动力气源,必须达到一定的压力和气量。氮气一般直接接触产品隔绝产品周边氧气,在发生高温、焊接、切削等动作时,降低被氧化的风险,保证加工后的产品品质。
  ②氮气流量,即客户使用氮气的用量(氮气流量单位:Nm3/h或NL/min,其中N表示标准状况俗称标况:20℃、101325Pa,为1个标准大气压)氮气用量也是保证生产时的必须条件。
  ③氮气压力,用于输送氮气到使用点。氮气压力高低影响氮气的流量大小,条件不变时压力越高流量越大。
  ④氮气露点,即氮气的含水量。氮气在直接接触产品时也是有一定露点(含水量指标)要求的,否则同样会影响产品品质。
空气制氮类型及压缩机选型与配置
  2、当知道客户提供的以上4个指标后,可有效的为客户选择配套设备:
  液氮(形似于我们常见的水,无色液体),温度为-200℃左右。如此低的温度大部分行业是不能直接使用,必须通过空温气化装置将液氮气化,达到常温状态才能使用。因为液氮形似于水,体积被压缩(每吨液氮根据使用压力不同可以气化出700-800Nm3,纯度99.9995%氮气),方便运输,通过气化装置可以快速提供大量的氮气,同时液氮有较低的压力露点(约-70℃),所以液化氮气如此高的指标可以满足各行各业使用。
  但是液氮的使用门槛也比较高。例如用量太小可能只能买散装,瓶装的氮气成本非常高;液氮需要专用的使用场地(土建)和专用储存设备和气化设备,特种设备使用登记证书,有每月最低消费用量,用量不稳定的不划算。液化氮气都是一样的性能指标,那么对于低纯度(例如99.9%纯度)的使用者又增加了使用成本。
  PSA变压吸附制氮可以根据用量需求定制不同大小的制氮设备,同时配置相应的空压机干燥机就能得到氮气。不管是95%、99%、99.99%还是99.9995%的纯度都有相应的设备规格满足。而压力不管是0.1MPa,还是30MPa也都可以得到。
  PSA系统的选型:(如图1)
空气制氮类型及压缩机选型与配置
  图1是一套常规参数(纯度95-99.999%、流量1-2000Nm3/H,压力0.1-0.75MPa、压力露点-40℃的配置示意图)。
  看到上面的配置图,大家最大的疑惑就是空压机怎么选?空压机根据氮气的纯度、流量、压力来选型。氮气的纯度流量决定我们选择什么型号的碳分子筛,不同碳分子筛都对应不同空氮比(以下为伊普思公司的常规CMS-260分子筛)的空氮比。
  例如:120Nm3/H-99.99%制氮机空气消耗量计算:120/60*4.9=8.8m3/min(其中60为60min,4.9为空氮比数。9.6m3/min为实时消耗量,根据干燥机耗气量空压机选型应放大10%-30%)
  如干燥机部分配有吸干机产生气耗,需放大30%,则空压机最少选择12.5m3/min的排量,参照此流量选择相应的空压机功率75kW即可。
  空压机流量算出来以后,可以得到整体管道内的气体压力(如压缩空气压力最高0.8MPa,则氮气压力最高0.7MPa)。
空气制氮类型及压缩机选型与配置
  干燥净化部分根据成品氮气的露点要求配置
  露点无要求,可单独配置冷干机。由于碳分子筛也有一定吸附水分子的作用,此配置成品氮气压力露点在-30℃以下。但是碳分子筛长期使用含水量相对较高的压缩气体,会使碳分子筛软化,加速衰减,降低使用寿命。
  建议大家在制氮机前端配置吸附式干燥机,经吸干机处理后的压缩空气压力露点在-30~-40℃之间,含水、含油量极低,对碳分子的污染可以忽略不计,可大大延长碳分子的使用寿命,降低制氮机件故障率。
  如果需要更低的露点,可以将干燥机放大或者定制低露点的吸干机,就可以达到-50~-70℃的成品氮气露点。
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