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【摘 要】变压吸附（PSA）制氮工艺具有自动化程度相对较高、运行成本低、操作维护简便及能耗较低等特点，本文以某公司“空冷（铝钎焊）氮气项目”为例，阐述了项目制氮工艺流程的基础上，分析了项目在实际应用过程中的应用效果，氮气压力在0.60 MPa 以上时，纯度可达99.9995%以上，很好地满足了正常生产时所需氮气压力和纯度，以及大修开停车氮气高峰的用量。项目同时也根据生产工艺提出了一些优化措施，主要更换电磁阀并且加入可编程逻辑控制器模拟量模块，并且根据生产用量采用气压传感器监测氮气罐压力，并设计有组态程序，项目在讨论了变压吸附制氮系统发展方向的基础上提出了节能增效的思路，做到对设备运行过程中维护和保养。
【关键词】制氮机;原理;控制系统;发展方向;
1 前言
近年来， 一些发达国家对氮的需求量以大于10%的年速率增长。传统获得氮气的深冷法，由于其投资大、操作复杂，尤其是能耗高，通过调研，变压吸附（PSA）制氮工艺具有自动化程度相对较高、运行成本低、操作维护简便及能耗较低等特点。变压吸附制氮系统主要包括空气压缩机、冷干机、过滤器、空气贮罐、吸附塔（A、B）、氮气缓冲罐等设备和一些附属器件如调节阀、节流阀、调压阀等，此系统较好地满足了生产的需要。
某公司厂区占地面积约为150亩，用地面积约10万平方米，建筑面积3.8万平方米，主要包括联合厂房、生产辅房、办公楼/综合楼、公用工程、附属设施等。本文以某公司“空冷（铝钎焊）氮气项目”为例，阐述了变压吸附制氮系统的相关应用分析。
2 项目制氮工艺流程介绍
变压吸附式制氮机采用双吸附塔并联交替进行吸附，一塔工作一塔再生，极大提高了产气效率。通过控制阀门动作时间，可以获得一定浓度的氮气。通常变压吸附制氮设备的氮气纯度受到吸附均压时间和产气量的影响，其中产气量与纯度成反比，产气量越大氮气的纯度越低。一般吸附时间为54s、均压时间为4s、氮气流量为7m3 /h 时效果较好。
空气先经空气压缩机压缩到0.8MPa，再由空气储气罐对含有水分和油雾的空气进行初步除水除油，然后通过C 级过滤器粗滤空气中的颗粒物和水，接着经冷干机冷却干燥到-5℃，最后依次经过T 级和A 级过滤器精滤掉微小颗粒物及油、水。除尘后的洁净压缩空气经过左吸进气阀进入A 吸附塔，A 塔压力升高，压缩空气中的氧分子被碳分子筛吸附，未被吸附的氮气穿过吸附床，经过左吸出气阀和氮气产气阀流向氮气储气罐，这个过程称之为左吸。
左吸過程结束后，A 吸附塔与B 吸附塔通过上下均压阀连通，使A、B 吸附塔压力达到均衡，这个过程称之为均压。均压结束后，压缩空气经过右吸进气阀进入B吸附塔，压缩空气中的氧分子被碳分子筛吸附，富集的氮气经过右吸出气阀、氮气产气阀流向氮气储气罐，这个过程称之为右吸。同时，A 吸附塔中碳分子筛吸附的氧气通过左排气阀降压释放回大气当中，此过程称之为解吸。同理，A 吸附塔吸附时，B 吸附塔同时也在解吸。为使分子筛中降压释放出的氧气完全排放到大气中，氮气通过一个常开的反吹阀吹扫正在解吸的吸附塔，把塔内的氧气吹出吸附塔。这个过程称之为反吹。它与解析是同时进行的。右吸结束后，进入均压过程，再切换到左吸过程，一直循环进行下去。
3 项目应用效果分析
本文在收集某公司变压吸附制氮机运行状况的基础上分析了该设备的运用效果。项目设备氮气压力在0.60 MPa 以上时，纯度可达99.9995%以上，很好地满足了正常生产时所需氮气压力和纯度，以及大修开停车氮气高峰的用量。由于加强了制氮机的维护和保养， 科学合理地运行设备，分子筛更换周期平均为6～7 年。运行成本为0.45 元/m3。相对传统深冷法具有运行费用低、能耗低、设备占地面积少、操作安全系数高、自动化程度也较高等优点。
4 项目优化设计
4.1 优化要点分析
目前这种生产工艺的制氮机可以进一步优化改进。1） 设备初期生产的氮气纯度满足不了生产要求时，需要人工开启排空柱塞阀把不合格的氮气向空气中排空，经一段时间后氮气纯度达到要求后，再由人工关闭排空柱塞阀，打开送气柱塞阀把符合纯度要求的成品气送入氮气储气罐。优化方法是把柱塞阀换成电磁阀; 采用数字氮气分析仪检测气体纯度，并由可编程逻辑控制器（ PLC）模拟量模块采集数字氮气分析仪的模拟电流值，运算后控制电磁阀实现排空和送气状态自动切换，实现无人值守。2） 企业用气量随生产需要存在一定变化，而制氮机工作状态不会随用气量需求而变化，过量的氮气送到储气罐后会因储气罐压力过大排放掉，十分浪费。优化方法是采用气压传感器检测氮气储气罐压力，并修改控制程序使制氮机在储气罐压力高于0.7MPa 时停止工作，低于0. 4MPa时启动。
为实现制氮机的控制功能，系统按照以下要求设计：
1） 能设定吸附、均压时间并存储，而且能实时显示吸附、均压工作状态的时间;
2） 能显示制氮机各电磁阀的工作状态;
3） 能实时显示氮气的纯度;
4） 能自动判断氮气的纯度，当纯度符合要求时自动由排放切换到送气;
5） 当氮气储气罐的储气压力高于一定值时，停止氮气生产，当氮气储气罐储气压力低于一定值时，启动氮气生产，从而降低设备能耗。
4.2 组态程序设计
组态设计时考虑到省略设备手动状态的检修程序，在组态程序中把电磁阀输出量Q 点设置为读写量，在选择手动模式检修时，直接通过按下触摸屏上电磁阀符号即可从PLC 的Q 点输出高电平检测电磁阀动作情况。至于制氮机的吸附均压时间参数设定项，关系到企业用气的纯度，为保证设备的稳定性，在组态程序的参数设定项中设置操作员和管理员两种用户，仅给予管理员修改吸附和均压时间的权限。 5 讨论
变压吸附制氮技术对于空冷制造企业仍是一种适宜的生产氮气的好方法，虽然比较成熟，但也存在一些问题，如生产操作中使用不当，极易造成吸附塔
内的分子筛中毒，且分子筛价格昂贵，还不能有效地控制分子筛的孔径等，因此，今后研究方向主要有：（1）新型吸附剂的研制。对碳分子筛、沸石分子筛等吸附剂进行深入地研究，进一步提高吸附剂的分离性能及强度; （2） 发展多种分离过程的集成技术。国内有些公司已着手进行发展集成分离技术，如超细化中空纤维膜法、变压吸附深冷联合过程等;（3）提高控制水平，向智能型控制系统发展，最终实现全自动化操作;（4） 开展基础理论的研究，应充分利用计算机技术进行吸附床数学模型及计算机模拟等基础理论的研究， 以及吸附脱附过程中的传质、传热规律的研究;（5）在保证氮气纯度的同时，减少吸附剂的用量，提高设备生产能力，增加氮气回收率并降低能源消耗。
6 结束语
项目使用的变压吸附式制氮机经多家企业使用表明，该设备参数设置方便，监控画面简单直觀，性能可靠。使用数字式氮气分析仪和气压传感器后，能够实现设备无人值守，节省了人力，降低了能耗，达到了设计要求。我们需要做的是在维护与保养工作是保证PSA 制氮机正常工作做为公用工程设备的PSA 制氮机，它的平稳工作是单位开展工业的实验条件与保障。按时对设备的各个单元做好维护与保养工作，可以防止故障、延长设备使用寿命、降能增效。
参考文献
[1]朱自洲，喻纯钢. 褐煤提质装置中PSA制氮机运行故障分析及处理[J].现代化工，2016（01）：44-46.
[2]和亚鹏. PSA变压吸附制氮机的维护与保养[J] .中国设备工程，2017（20）：55-57.
[3]章志湖. KGZD98-3000PSA制氮机在综放工作面防灭火中的应用[J]. 煤炭工程，2011（07）：61-63.
[4]廖常初.PLC 编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2009.
[5]张文明，华祖银.嵌入式组态控制技术[M].2 版.北京：中国铁道出版社，2015.
[6]王超. 基于PLC的PSA制氮机控制系统设计[J] .电子制作，2017（08）：30-32.
[7]李更申. S7-200 在PSA 制氮机上的应用[J] . 科技风，2011（18）：70-72.
【关键词】制氮机;原理;控制系统;发展方向;
1 前言
近年来， 一些发达国家对氮的需求量以大于10%的年速率增长。传统获得氮气的深冷法，由于其投资大、操作复杂，尤其是能耗高，通过调研，变压吸附（PSA）制氮工艺具有自动化程度相对较高、运行成本低、操作维护简便及能耗较低等特点。变压吸附制氮系统主要包括空气压缩机、冷干机、过滤器、空气贮罐、吸附塔（A、B）、氮气缓冲罐等设备和一些附属器件如调节阀、节流阀、调压阀等，此系统较好地满足了生产的需要。
某公司厂区占地面积约为150亩，用地面积约10万平方米，建筑面积3.8万平方米，主要包括联合厂房、生产辅房、办公楼/综合楼、公用工程、附属设施等。本文以某公司“空冷（铝钎焊）氮气项目”为例，阐述了变压吸附制氮系统的相关应用分析。
2 项目制氮工艺流程介绍
变压吸附式制氮机采用双吸附塔并联交替进行吸附，一塔工作一塔再生，极大提高了产气效率。通过控制阀门动作时间，可以获得一定浓度的氮气。通常变压吸附制氮设备的氮气纯度受到吸附均压时间和产气量的影响，其中产气量与纯度成反比，产气量越大氮气的纯度越低。一般吸附时间为54s、均压时间为4s、氮气流量为7m3 /h 时效果较好。
空气先经空气压缩机压缩到0.8MPa，再由空气储气罐对含有水分和油雾的空气进行初步除水除油，然后通过C 级过滤器粗滤空气中的颗粒物和水，接着经冷干机冷却干燥到-5℃，最后依次经过T 级和A 级过滤器精滤掉微小颗粒物及油、水。除尘后的洁净压缩空气经过左吸进气阀进入A 吸附塔，A 塔压力升高，压缩空气中的氧分子被碳分子筛吸附，未被吸附的氮气穿过吸附床，经过左吸出气阀和氮气产气阀流向氮气储气罐，这个过程称之为左吸。
左吸過程结束后，A 吸附塔与B 吸附塔通过上下均压阀连通，使A、B 吸附塔压力达到均衡，这个过程称之为均压。均压结束后，压缩空气经过右吸进气阀进入B吸附塔，压缩空气中的氧分子被碳分子筛吸附，富集的氮气经过右吸出气阀、氮气产气阀流向氮气储气罐，这个过程称之为右吸。同时，A 吸附塔中碳分子筛吸附的氧气通过左排气阀降压释放回大气当中，此过程称之为解吸。同理，A 吸附塔吸附时，B 吸附塔同时也在解吸。为使分子筛中降压释放出的氧气完全排放到大气中，氮气通过一个常开的反吹阀吹扫正在解吸的吸附塔，把塔内的氧气吹出吸附塔。这个过程称之为反吹。它与解析是同时进行的。右吸结束后，进入均压过程，再切换到左吸过程，一直循环进行下去。
3 项目应用效果分析
本文在收集某公司变压吸附制氮机运行状况的基础上分析了该设备的运用效果。项目设备氮气压力在0.60 MPa 以上时，纯度可达99.9995%以上，很好地满足了正常生产时所需氮气压力和纯度，以及大修开停车氮气高峰的用量。由于加强了制氮机的维护和保养， 科学合理地运行设备，分子筛更换周期平均为6～7 年。运行成本为0.45 元/m3。相对传统深冷法具有运行费用低、能耗低、设备占地面积少、操作安全系数高、自动化程度也较高等优点。
4 项目优化设计
4.1 优化要点分析
目前这种生产工艺的制氮机可以进一步优化改进。1） 设备初期生产的氮气纯度满足不了生产要求时，需要人工开启排空柱塞阀把不合格的氮气向空气中排空，经一段时间后氮气纯度达到要求后，再由人工关闭排空柱塞阀，打开送气柱塞阀把符合纯度要求的成品气送入氮气储气罐。优化方法是把柱塞阀换成电磁阀; 采用数字氮气分析仪检测气体纯度，并由可编程逻辑控制器（ PLC）模拟量模块采集数字氮气分析仪的模拟电流值，运算后控制电磁阀实现排空和送气状态自动切换，实现无人值守。2） 企业用气量随生产需要存在一定变化，而制氮机工作状态不会随用气量需求而变化，过量的氮气送到储气罐后会因储气罐压力过大排放掉，十分浪费。优化方法是采用气压传感器检测氮气储气罐压力，并修改控制程序使制氮机在储气罐压力高于0.7MPa 时停止工作，低于0. 4MPa时启动。
为实现制氮机的控制功能，系统按照以下要求设计：
1） 能设定吸附、均压时间并存储，而且能实时显示吸附、均压工作状态的时间;
2） 能显示制氮机各电磁阀的工作状态;
3） 能实时显示氮气的纯度;
4） 能自动判断氮气的纯度，当纯度符合要求时自动由排放切换到送气;
5） 当氮气储气罐的储气压力高于一定值时，停止氮气生产，当氮气储气罐储气压力低于一定值时，启动氮气生产，从而降低设备能耗。
4.2 组态程序设计
组态设计时考虑到省略设备手动状态的检修程序，在组态程序中把电磁阀输出量Q 点设置为读写量，在选择手动模式检修时，直接通过按下触摸屏上电磁阀符号即可从PLC 的Q 点输出高电平检测电磁阀动作情况。至于制氮机的吸附均压时间参数设定项，关系到企业用气的纯度，为保证设备的稳定性，在组态程序的参数设定项中设置操作员和管理员两种用户，仅给予管理员修改吸附和均压时间的权限。 5 讨论
变压吸附制氮技术对于空冷制造企业仍是一种适宜的生产氮气的好方法，虽然比较成熟，但也存在一些问题，如生产操作中使用不当，极易造成吸附塔
内的分子筛中毒，且分子筛价格昂贵，还不能有效地控制分子筛的孔径等，因此，今后研究方向主要有：（1）新型吸附剂的研制。对碳分子筛、沸石分子筛等吸附剂进行深入地研究，进一步提高吸附剂的分离性能及强度; （2） 发展多种分离过程的集成技术。国内有些公司已着手进行发展集成分离技术，如超细化中空纤维膜法、变压吸附深冷联合过程等;（3）提高控制水平，向智能型控制系统发展，最终实现全自动化操作;（4） 开展基础理论的研究，应充分利用计算机技术进行吸附床数学模型及计算机模拟等基础理论的研究， 以及吸附脱附过程中的传质、传热规律的研究;（5）在保证氮气纯度的同时，减少吸附剂的用量，提高设备生产能力，增加氮气回收率并降低能源消耗。
6 结束语
项目使用的变压吸附式制氮机经多家企业使用表明，该设备参数设置方便，监控画面简单直觀，性能可靠。使用数字式氮气分析仪和气压传感器后，能够实现设备无人值守，节省了人力，降低了能耗，达到了设计要求。我们需要做的是在维护与保养工作是保证PSA 制氮机正常工作做为公用工程设备的PSA 制氮机，它的平稳工作是单位开展工业的实验条件与保障。按时对设备的各个单元做好维护与保养工作，可以防止故障、延长设备使用寿命、降能增效。
参考文献
[1]朱自洲，喻纯钢. 褐煤提质装置中PSA制氮机运行故障分析及处理[J].现代化工，2016（01）：44-46.
[2]和亚鹏. PSA变压吸附制氮机的维护与保养[J] .中国设备工程，2017（20）：55-57.
[3]章志湖. KGZD98-3000PSA制氮机在综放工作面防灭火中的应用[J]. 煤炭工程，2011（07）：61-63.
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[6]王超. 基于PLC的PSA制氮机控制系统设计[J] .电子制作，2017（08）：30-32.
[7]李更申. S7-200 在PSA 制氮机上的应用[J] . 科技风，2011（18）：70-72.