一种负压吸附高纯制氮装置的制作方法

本实用新型涉及制氮设备的领域，具体而言，涉及一种负压吸附高纯制氮装置。

背景技术：

变压吸附制氮是以空气为原材料，利用一种高效能、高选择的固体吸附剂对氮和氧的选择性吸附的性能把空气中的氮和氧分离出来。碳分子筛对氮和氧的分离作用主要是基于这两种气体在碳分子筛表面的扩散速率不同，氧气扩散较快，较多进入分子筛固相。这样气相中就可以得到氮的富集成分。一段时间后，分子筛对氧的吸附达到平衡，根据碳分子筛在不同压力下对吸附气体的吸附量不同的特性，降低压力使碳分子筛解除对氧的吸附，这一过程称为再生。变压吸附法通常使用两塔并联，交替进行加压吸附和解压再生，从而获得连续的氮气流。

变压吸附制氮机(简称psa制氮机)是按变压吸附技术设计、制造的氮气发生设备，主要由空压机、吸附塔、程控阀、压紧装置组成。压缩机出口压力为0.65-0.8mpag，通常使用两吸附塔并联，由全自动控制系统按特定可编程序严格控制时序，交替进行加压吸附和解压再生，完成氮氧分离，获得所需高纯度的氮气。

现有技术的变压吸附制氮机只能制得氮气，功能单一；同时，结构复杂能耗高，生产的氮气纯度较低。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种负压吸附高纯制氮装置，其能够生产高纯度的氮气和富氧气，同时结构简单能耗低。

本实用新型的实施例是这样实现的：

一种负压吸附高纯制氮装置，其特征是：包括氮气总管、均压下端总管、富氧总管、空气总管、均压上端总管、氮气真空泵、氮气增压机、富氧真空泵和四个吸附塔；所述吸附塔内设置有吸附剂；

每个所述吸附塔底端均通过进气管连通所述空气总管，每个所述吸附塔顶端均通过出气管连通所述氮气总管；每个所述进气管均设置有空气控制阀，每个所述出气管均设置有氮气控制阀；

每个所述出气管于对应的吸附塔和氮气控制阀之间连通有均压上端支管；所述均压上端支管均连通所述均压上端总管，每个所述均压上端支管均设置有均压上端控制阀；所述均压上端总管连通所述氮气总管；所述均压上端总管靠近所述氮气总管的一端设置有终升总控阀；

每个所述进气管于对应的吸附塔和空气控制阀之间连通有富氧支管和均压下端支管；所述富氧支管均连通所述富氧总管，每个所述富氧支管均设置有富氧控制阀；所述均压下端支管均连通所述均压下端总管，每个所述均压下端支管均设置有均压下端控制阀；

所述氮气真空泵和氮气增压机均串联于所述氮气总管，以使四个所述吸附塔生产的氮气均能够通过氮气真空泵和氮气增压机排出；

所述富氧真空泵连接于所述富氧总管，以使四个所述吸附塔解吸的富氧气均能够通过富氧真空泵排出。

进一步地，所述氮气总管还设置有氮气缓冲罐，以使四个所述吸附塔生产的氮气均能够通过氮气缓冲罐后再经氮气真空泵和氮气增压机排出；所述富氧总管还设置有富氧缓冲罐，以使四个所述吸附塔解吸的富氧气均能够通过富氧缓冲罐后再经富氧真空泵排出。

进一步地，所述空气总管的进气端设置有滤网。

进一步地，所述吸附塔底层装有氧化铝或硅胶或3a分子筛；所述吸附塔上层装有碳分子筛。

进一步地，所述富氧控制阀、氮气控制阀、均压下端控制阀、均压上端控制阀、终升总控阀和空气控制阀均通过plc或dcs控制。

进一步地，所述均压下端总管的数量为1个；每个所述吸附塔均连通于所述均压下端总管。

进一步地，还包括备用吸附塔；所述备用吸附塔与四个所述吸附塔并联。

本实用新型的有益效果是：

空气进入吸附塔后，氧气等气体均被制氮吸附剂吸附，只有氮气通过吸附塔。由于空气中氧气占有21％，大量的气体被制氮吸附剂吸附，这就使得吸附塔内形成较大的负压，使得空气在负压作用下被吸进吸附塔。同时，氮气真空泵将氮气压缩并排出也会使得吸附塔内形成负压。这些都使得本实用新型的负压吸附制氮的变压吸附装置可自行吸取空气，而不需通过鼓风机等辅助设备将空气送入吸附塔，简化了结构，同时降低了能耗。

本实用新型的负压吸附高纯制氮装置吸附时，吸附塔内为负压，这就有助于制氮吸附剂吸附非产品气体，使得吸附效果更好，进而使得制得的氮气的纯度更高。

另外本实用新型的负压吸附高纯制氮装置解吸时能够得到并收集富氧气体，使得一次可生产两种产品。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型的示意图；

图2为本实用新型设置备用吸附塔的示意图。

图标：1-空气总管，11-进气管，111-空气控制阀，12-滤网，2-氮气总管，21-出气管，211-氮气控制阀，22-氮气缓冲罐，3-富氧总管，31-富氧支管，311-富氧控制阀，32-富氧缓冲罐，4-均压下端总管，41-均压下端支管，411-均压下端控制阀，5-均压上端总管，51-均压上端支管，511-均压上端控制阀，52-终升总控阀，6-氮气真空泵，7-氮气增压机，8-富氧真空泵，9-吸附塔，91-备用吸附塔。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例：

请参照图1，本实施例提供一种负压吸附高纯制氮装置，包括氮气总管2、均压下端总管4、富氧总管3、空气总管1、均压上端总管5、氮气真空泵6、氮气增压机7、富氧真空泵8和四个吸附塔9。吸附塔9内底部设置有干燥剂，可以是硅胶或氧化铝或3a分子筛，用于吸附水分和二氧化碳；吸附塔9内上部设置有碳分子筛，用于吸附氧气。

每个吸附塔9底端均通过进气管11连通空气总管1，每个吸附塔9顶端均通过出气管21连通氮气总管2。每个进气管11均设置有用于控制空气进入吸附塔9的空气控制阀111，每个出气管21均设置有用于控制氮气排出吸附塔9的氮气控制阀211。

每个出气管21于对应的吸附塔9和氮气控制阀211之间连通有均压上端支管51。均压上端支管51均连通均压上端总管5，每个均压上端支管51均设置有用于均压的均压上端控制阀511。均压上端总管5连通氮气总管2。均压上端总管5靠近氮气总管2的一端设置有终升总控阀52。

每个进气管11于对应的吸附塔9和空气控制阀111之间连通有富氧支管31和均压下端支管41。富氧支管31均连通富氧总管3，每个富氧支管31均设置有用于控制富氧气排出吸附塔9的富氧控制阀311。均压下端支管41均连通均压下端总管4，每个均压下端支管41均设置有均压下端控制阀411。连通于同一均压下端总管4和同一均压上端总管5的两个吸附塔9的均压下端控制阀411和均压上端控制阀511均打开时，两个吸附塔9内的气压逐渐通过均压下端总管4和均压上端总管5调节至相同。

氮气真空泵6和氮气增压机7均串联于氮气总管2，以使四个吸附塔9生产的氮气均能够通过氮气真空泵6和氮气增压机7排出。氮气总管2还设置有氮气缓冲罐22，以使四个吸附塔9生产的氮气均能够通过氮气缓冲罐22后再经氮气真空泵6和氮气增压机7排出。

富氧真空泵8连接于富氧总管3，以使四个吸附塔9解吸的富氧气均能够通过富氧真空泵8排出。富氧总管3还设置有富氧缓冲罐32，以使四个吸附塔9解吸的富氧气均能够通过富氧缓冲罐32后再经富氧真空泵8排出。

本实用新型的负压吸附高纯制氮装置的四个吸附塔9分别为吸附塔a、吸附塔b、吸附塔c和吸附塔d。本实施例中，以吸附塔a和吸附塔b为例描述整个制氮工艺步序过程及两个吸附塔9相互配合的情况。吸附塔c和吸附塔d的工艺过程与相互配合的情况相同于吸附塔a和吸附塔b的工艺过程与相互配合的情况。本实用新型的时序控制简图如表1所示。表1中的a代表吸附，ed代表均压降，w代表等待，vc代表抽真空，er代表均压升，fr代表终压升。

表1

步序1至4，吸附塔a吸附，吸附塔b解吸：控制原料气(空气)从空气总管1和进气管11进入吸附塔a吸附，制得的氮气经出气管21和氮气总管2进入氮气缓冲罐22；在氮气真空泵6的作用下，氮气缓冲罐22内的氮气被送至氮气增压机7压缩至设定压力后至用户。吸附塔9a吸附饱和后即停止吸附。吸附塔a吸附的过程中，吸附塔b解吸。这个过程中，富氧真空泵8对吸附塔b进行抽真空，使得吸附塔b解吸。吸附塔b解吸得到的富氧气从吸附塔9底部抽出，经富氧真空泵8升压至微正压后至用户。

步序5和6，吸附塔a均压降，吸附塔b均压升：此时，吸附塔a的均压下端控制阀411、均压上端控制阀511和吸附塔b的均压下端控制阀411、均压上端控制阀511均打开。吸附塔a和吸附塔b通过均压下端总管4和均压上端总管5连通，使得吸附塔a内的气压逐渐降低而吸附塔b内的气压逐渐升高，最终使得两者的气压基本相同。

步序7和8，吸附塔a等待，吸附塔b终压升。此过程中，吸附塔b的均压上端控制阀511和均压上端总管5的终升总控阀52均打开。由于吸附塔b内的气压仍然较低，其他吸附塔9生产的氮气被吸入吸附塔b，使得吸附塔b内的气压继续升高。

步序9至12，吸附塔a抽真空，吸附塔b吸附。由于吸附塔a开始被抽真空，随着吸附塔a内的气压逐渐降低，吸附塔a内的吸附剂逐渐解吸。吸附塔a内解吸出的富氧气体从吸附塔9底部抽出，经富氧真空泵8升压至微正压后至用户。同时，这个过程中，控制原料气(空气)从空气总管1和进气管11进入吸附塔b吸附，制得的氮气经出气管21和氮气总管2进入氮气缓冲罐22；在氮气真空泵6的作用下，氮气缓冲罐22内的氮气被送至氮气增压机7压缩至设定压力后至用户。吸附塔a吸附饱和后即停止吸附。

步序13和14，吸附塔a均压升，吸附塔b均压降。吸附塔a的均压下端控制阀411、均压上端控制阀511和吸附塔b的均压下端控制阀411、均压上端控制阀511均打开。吸附塔a和吸附塔b通过均压下端总管4和均压上端总管5连通，使得吸附塔a内的气压逐渐升高而吸附塔b内的气压逐渐降低，最终使得两者的气压基本相同。

步序15和16，吸附塔a终压升，吸附塔b等待。此过程中，吸附塔a的均压上端控制阀511和均压上端总管5的终升总控阀52均打开。由于吸附塔a内的气压仍然较低，其他吸附塔9生产的氮气被吸入吸附塔a，使得吸附塔a内的气压继续升高。

本实用新型中，吸附塔9均压升或均压降的过程中，均压上端总管5用于均压；吸附塔9终压升的过程中，均压上端总管5的终升总控阀52打开，均压上端总管5用于终压升。

吸附塔9底部装有硅胶或氧化铝或3a分子筛干燥剂，将水分二氧化碳吸附，主吸附剂为碳分子筛。由于氧气氮气这两种气体在碳分子筛表面的扩散速率不同，大量的氧气在通过吸附剂床层时被碳分子筛吸附，氮气被吸附的量相对较少，逐渐提浓的氮气达标后汇集后流向吸附塔9出口。

空气进入吸附塔9后，氧气等气体均被制氮吸附剂吸附，只有氮气通过吸附塔9。由于空气中氧气占有21％，氧气被制氮吸附剂吸附，这就使得吸附塔9内形成较大的负压，使得空气在负压作用下被吸进吸附塔9。同时，氮气真空泵6抽取至氮气增压机7将氮气压缩并排除也会使得吸附塔9内形成负压。这些都使得本实用新型的负压吸附制氮的变压吸附装置可自行吸取空气，而不需通过鼓风机等辅助设备将空气送入吸附塔9，简化了结构，同时降低了能耗。

本实用新型的负压吸附高纯制氮装置吸附时，吸附塔9内为负压，这就有助于制氮吸附剂吸附非产品气体，使得吸附效果更好，进而使得制得的氮气的纯度更高。全程始终有一个塔在吸附，一个塔在抽真空，增大了系统的稳定性。

另外本实用新型的负压吸附高纯制氮装置解吸时能够得到并收集富氧气体，使得一次可生产两种产品。

本实施例中，空气总管1的进气端设置有滤网12。能够过滤空气中的颗粒物，避免其进入吸附塔9。

本实施例中，富氧控制阀311、氮气控制阀211、均压下端控制阀411、均压上端控制阀511、终升总控阀52和空气控制阀111均通过plc或dcs系统控制。使得本装置的控制更加智能化，大大的提高了生产的效率。

本实施例中，均压下端总管4的数量为1个。每个吸附塔9均连通于均压下端总管4。打开其中任意两个吸附塔9的均压下端控制阀411和均压上端控制阀511均可使得两个吸附塔9连通，均可通过均压下端总管4和均压上端总管5平衡两者的压强。

本实施例中，还包括备用吸附塔9。备用吸附塔9与四个吸附塔9并联。此处的并联指的是：备用吸附塔9设置有与吸附塔9完全相同的富氧支管31、均压下端支管41、均压上端支管51和出气管21；出气管21连接于氮气总管2并设置有氮气控制阀211；富氧支管31连接于富氧总管3并设置有富氧控制阀311；均压下端支管41连接于均压下端总管4并设置有均压下端控制阀411；均压上端支管51连接于均压上端总管5并设置有均压上端控制阀511。当吸附塔a、吸附塔b、吸附塔c和吸附塔d中任意一个吸附塔9故障或需要更换分子筛时，可用备用吸附塔91替换任意一个吸附塔9，避免停机。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。