PSA制氮机空气分离的工作原理及过程介绍
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PSA制氮机空气分离的工作原理及过程介绍
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变压吸附(Pressure Swing Adsorption简称PSA)是一种先进的气体分离技术，因其流程简单、运行可靠、操作简便而广泛应用于空气干燥、净化、分离（提纯氮气或氧气）等领域。空气分离（提纯氮气为例）是在装有碳分子筛（Carbon Molecular Sieves,简称CMS）的吸附塔中进行的，其主要原理是：由于空气中氮、氧两种气体分子在碳分子筛表面微孔的扩散速率不同，直径较小的氧分子扩散较快，较多的进入分子筛固相（微孔），直径较大的氮分子扩散较慢，进入分子筛固相(微孔)较少，这样，在气相中就得到氮气的富集部分；在吸附吸附平衡一定压力条件下，空气压力越高，碳分子筛的吸附量越大；反之，压力越低，则吸附量越小。当开启进气阀时，压缩的洁净空气由吸附塔的入口端进过其内部的碳分子筛向出口端顺向流动， 氧分子、二氧化碳等气体分子组分被快速吸附，产品氮气在吸附塔的出口端得到高纯度富集并经出气阀流入氮气缓冲罐，经过一段时间，碳分子筛吸附饱和，这时，自动关闭进气阀和出气阀，吸附塔停止吸附，并对碳分子筛进行再生，碳分子筛再生是通过打开排气阀将吸附塔内的气体逆流放空，脱除已吸附的氧分子、二氧化碳等气体分子组分。吸附和解吸过程是通过压力变化来实现的，故该工艺称为变压吸附（PSA）。
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＞＞＞19世纪末，英国科学家瑞利通过如下两种实验方法制取氮气，从而导..
19世纪末，英国科学家瑞利通过如下两种实验方法制取氮气，从而导致了科学史上某种气体的重大发现．请你参与他的科学发现过程，填写下列实验报告：实验一：从空气中分离出氮气
实&&验&&步&&骤
解释或结论
（1）将洁净的空气通过过量的NaOH溶液，再通过浓硫酸
通过过量的NaOH溶液的目的是为了除去空气中的______．
（2）将处理后的气体通过能与氧气反应的物质，而除尽空气中的氧气．（瑞利提醒你：反应不能生成新气体）
除尽空气中氧气的化学方程式是______
（3）收集剩余气体，并测定其密度
密度为1.2572克/升实验二：加热亚硝酸钠和氯化铵反应制取氮气，测得生成的纯氮气的密度为1.2508克/升．瑞利经过多次严密的实验，发现了两种方法测得的氮气密度均有微小差异，请你分析存在这种差异的原因是因为空气中还含有少量______．
题型：填空题难度：中档来源：宁波
实验一：（1）通过过量的NaOH溶液的目的是为了除去空气中的二氧化碳；（1）选择和氧气反应的固体，且产物不生成气体即可，红磷燃烧产生的浓浓白烟是P2O5固体；实验二：得到的氮气密度与氮气的实际密度有误差，产生误差的可能原因有：药品的量不足，氧气没有全部耗尽；稀有气体不反应，不能除去；装置漏气等．故答案为：（1）CO2或二氧化碳；（2）4P+5O2&点燃&.&2P2O5（2Cu+O2&&△&&.&2cuO等其他合理答案均给分）；稀有气体或惰性气体
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据魔方格专家权威分析，试题“19世纪末，英国科学家瑞利通过如下两种实验方法制取氮气，从而导..”主要考查你对&&空气的成分，化学反应方程式的书写，文字表达式&&等考点的理解。关于这些考点的“档案”如下：
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因为篇幅有限，只列出部分考点，详细请访问。
空气的成分化学反应方程式的书写文字表达式
空气的成分：氧气，二氧化碳，氢气，氮气，稀有气体；按体积分：N2占78%，O2占21%，稀有气体占0.94%，二氧化碳占0.03%，其他气体和杂质占0.03%。易错点：&&&&& 空气中各成分的含量在一定时间和一定范围内基本恒定，但随着人类活动的延续，气体的排放，空气的成分也在不停地变化，因此不能认为空气的成分是一成不变的。化学方程式的书写原则遵循两个原则：一是必须以客观事实为基础，绝不能凭空设想、主观臆造事实上不存在的物质和化学反应；二是遵循质量守恒定律，即方程式两边各种原子的种类和数目必须相等。 书写化学方程式的具体步骤:(1)写：根据实验事实写出反应物和生成物的化学式。反应物在左，生成物在右，中间用横线连接，如: H2+O2——H2O，H2O——H2+O2。 (2)配：根据反应前后原子的种类和数目不变的原则，在反应物和生成物的化学式前配上适当的化学计量数，使各种元素的原子个数在反应前后相等，然后将横线变成等号。配平后，化学式前的化学计量数之比应是最简整数比，如:2H2+O2=2H2O，2H2O= 2H2+O2。 (3)注：注明反应条件【如点燃、加热(常用“△”表示)、光照、通电等〕和生成物的状态(气体用“↑”。沉淀用“↓”。)。如:2H2+O22H2O，2H2O2H2↑+O2↑。 化学计量数:化学计量数指配平化学方程式后,化学式前面的数字。在化学方程式中，各化学式前的化学计量数之比应是最简整数比，计数量为1时，一般不写出。书学化学方程式的常见错误:
书写化学方程式时条件和气体、沉淀符号的使用:（1）.“△”的使用 ①“△”是表示加热的符号，它所表示的温度一般泛指用酒精灯加热的温度。 ②如果一个反应在酒精灯加热的条件下能发生，书写化学方程式时就用“△”，如:2KMnO4 K2MnO4+MnO2+O2↑。 ③如果一个反应需要的温度高于用酒精灯加热的温度，一般用“高温”表示;如:CaCO3CaO+ CO2↑&（2）“↑”的使用&①“↑”表示生成物是气态，只能出现在等号的右边。 ②当反应物为固体、液体，且生成的气体能从反应体系中逸出来，气体化学式后应该加“↑”。如Fe+ 2HCl==FeCl2+H2↑。 ③当反应物是溶液时，生成的气体容易溶于水而不能从反应体系中逸出来，则不用“↑”，如:H2SO4+ BaCl2==FeCl2+2HCl④只有生成物在该反应的温度下为气态，才能使用“↑”。 ⑤若反应物中有气态物质，则生成的气体不用标 “↑”。如:C+O2CO2 （3）“↓”使用 ①“↓”表示难溶性固体生成物，只能出现在等号的右边②当反应在溶液中进行，有沉淀生成时，用 “↓”，如:AgNO3+HCl==AgCl↓+HNO3③当反应不在溶液中进行，尽管生成物有不溶性固体，也不用标“↓”，如:2Cu+O22CuO ④反应在溶液中进行，若反应物中有难溶性物质，生成物中的难溶性物质后面也不用标“↓”。如:Fe +CuSO4==FeSO4+Cu.化学方程式中“↑”和“↓”的应用：①“↑”或“↓”是生成物状态符号，无论反应物是气体还是固体，都不能标“↑”或“↓”; ②若反应在溶液中进行且生成物中有沉淀，则使用“↓”；若不在溶液中进行，无论生成物中是否有固体或难溶物，都不使用“↓”; ③常温下，若反应物中无气体，生成物中有气体.提取信息书写化学方程式的方法:&&&&& 书写信息型化学方程式是中考热点，题目涉及社会、生产、生活、科技等各个领域，充分体现了化学学科的重要性，并考查了同学们接受信息、分析问题和解决问题的能力。解答这类题日的关键是掌握好化学方程式的书写步骤，可按两步进行:首先正确书写反应物和生成物的化学式，并注明反应条件及生成物状态；第二步就是化学方程式的配平。概念：用文字表示化学反应的式子 文字表达式的书写步骤：（1）写：根据反应事实写出反应物和生成物（2）注：注明反应条件：[点燃，加热，光照，通电等]
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与“19世纪末，英国科学家瑞利通过如下两种实验方法制取氮气，从而导..”考查相似的试题有：
255882247421568981770052006545968PSA制氮机工作原理及工艺流程
一、基础知识&&&&
1．气体知识
氮气作为空气中含量最丰富的气体，取之不竭，用之不尽。它无色、无味，透明，属于亚惰性气体，不维持生命。高纯氮气常作为保护性气体，用于隔绝氧气或空气的场所。氮气（N2）在空气中的含量为78.084%（空气中各种气体的容积组分为：N2：78.084%、O2：20.9476%、氩气：0.9364%、CO2：0.0314%、其它还有H2、CH4、N2O、O3、SO2、NO2等，但含量极少），分子量为28，沸点：
-195.8℃，冷凝点：-210℃。
2．压力知识
变压吸附（PSA）制氮工艺是加压吸附、常压解吸，必须使用压缩空气。现使用的吸附剂——碳分子筛最佳吸附压力为0.75~0.9MPa，整个制氮系统中气体均是带压的，具有冲击能量。
二、PSA制氮工作原理：
变压吸附制氮机是以碳分子筛为吸附剂，利用加压吸附，降压解吸的原理从空气中吸附和释放氧气，从而分离出氮气的自动化设备。碳分子筛是一种以煤为主要原料，经过研磨、氧化、成型、碳化并经过特殊的孔型处理工艺加工而成的，表面和内部布满微孔的柱形颗粒状吸附剂，呈黑色，其孔型分布如下图所示：
碳分子筛的孔径分布特性使其能够实现O2、N2的动力学分离。这样的孔径分布可使不同的气体以不同的速率扩散至分子筛的微孔之中，而不会排斥混合气（空气）中的任何一种气体。碳分子筛对O2、N2的分离作用是基于这两种气体的动力学直径的微小差别，O2分子的动力学直径较小，因而在碳分子筛的微孔中有较快的扩散速率，N2分子的动力学直径较大，因而扩散速率较慢。压缩空气中的水和CO2的扩散同氧相差不大，而氩扩散较慢。最终从吸附塔富集出来的是N2和Ar的混合气。
碳分子筛对O2、N2的吸附特性可以用平衡吸附曲线和动态吸附曲线直观表现出来：
&&&&由这两个吸附曲线可以看出，吸附压力的增加，可使O2、N2的吸附量同时增大，且O2的吸附量增加幅度要大一些。变压吸附周期短，O2、N2的吸附量远没有达到平衡（最大值），所以O2、N2扩散速率的差别使O2的吸附量在短时间内大大超过N2的吸附量。
变压吸附制氮正是利用碳分子筛的选择吸附特性，采用加压吸附，减压解吸的循环周期，使压缩空气交替进入吸附塔（也可以单塔完成）来实现空气分离，从而连续产出高纯度的产品氮气。
三、PSA制氮基本工艺流程：
&&&&&&&&PSA制氮机基本工艺流程示意图
空气经空压机压缩后，经过除尘、除油、干燥后，进入空气储罐，经过空气进气阀、左吸进气阀进入左吸附塔，塔压力升高，压缩空气中的氧分子被碳分子筛吸附，未吸附的氮气穿过吸附床，经过左吸出气阀、氮气产气阀进入氮气储罐，这个过程称之为左吸，持续时间为几十秒。左吸过程结束后，左吸附塔与右吸附塔通过上、下均压阀连通，使两塔压力达到均衡，这个过程称之为均压，持续时间为2~3秒。均压结束后，压缩空气经过空气进气阀、右吸进气阀进入右吸附塔，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、氮气产气阀进入氮气储罐，这个过程称之为右吸，持续时间为几十秒。同时左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。反之左塔吸附时右塔同时也在解吸。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，它与解吸是同时进行的。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。
制氮机的工作流程是由可编程控制器控制三个二位五通先导电磁阀，再由电磁阀分别控制八个气动管道阀的开、闭来完成的。三个二位五通先导电磁阀分别控制左吸、均压、右吸状态。左吸、均压、右吸的时间流程已经存储在可编程控制器中，在断电状态下，三个二位五通先导电磁阀的先导气都接通气动管道阀的关闭口。当流程处于左吸状态时，控制左吸的电磁阀通电，先导气接通左吸进气阀、左吸产气阀、右排气阀开启口，使得这三个阀门打开，完成左吸过程，同时右吸附塔解吸。当流程处于均压状态时，控制均压的电磁阀通电，其它阀关闭；先导气接通上均压阀、下均压阀开启口，使得这两个阀门打开，完成均压过程。当流程处于右吸状态时，控制右吸的电磁阀通电，先导气接通右吸进气阀、右吸产气阀、左排气阀开启口，使得这三个阀门打开，完成右吸过程，同时左吸附塔解吸。每段流程中，除应该打开的阀门外，其它阀门都应处于关闭状态。
以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。&&& 分子筛空分制氮也称PSA制氮，以空气为原料，以碳分子筛作为吸附剂，运用变压吸附原理，利用碳分子筛对氧和氮的选择性吸附而使氮和氧分离的方法。
1.工艺流程简介
空气经空气过滤器清除灰尘和机械杂质后进入空气压缩机，压缩至所需压力，经严格的除油、除水、除尘净化处理，输出洁净的压缩空气，目的是确保吸附塔内分子筛的使用寿命。装有碳分子筛的吸附塔共有二个，一个塔工作时，另一个塔则减压脱附。洁净空气进入工作吸附塔，经过分子筛时氧、二氧化碳和水被其吸附，流至出口端的气体便是氮气及微量的氩和氧。另一塔（脱附塔）使已吸附的氧气、二氧化碳和水从分子筛微孔中脱离排至大气中。这样两塔轮流进行，完成氮氧分离，连续输出氮气。变压吸附制取的氮气纯度为95%-99.999%，如果需要更高纯度的氮气需增加氮气净化设备。变压吸附制氮机输出的95%-99.9%氮气进入氮气净化设备，同时通过一流量计添加适量的氢气，在净化设备的除氧塔中氢和氮气中的微量氧进行催化反应，以除去氧然后经水冷凝器冷却，汽水分离器除水，再通过干燥器深度干燥（两个吸附干燥塔交替使用：一个吸附干燥除水，另一个加热脱附排水），得到高纯氮气，此时的氮气纯度可达99.9995%。目前国内变压吸附制氮最大的生产能力为3000m3n/h。
2.主要设备简介
该工艺中的空气过滤器和空气压缩机的简介同深冷制氮工艺。
2.1冷干机：是用来降低进入空气干燥净化器前压缩空气的温度，使之析出油和水的设备。通常采用列管式、套管式、散热片式等结构的后冷却器。
2.2油水分离器：它的作用是分离压缩空气中所含的油分和水分，使压缩空气得到初步的净化。
2.3空气干燥净化器：压缩空气经后冷却器后仍含有一定的水分，其含量取决于空气的温度。压缩空气的干燥处理一般采用分子筛吸附法和冷冻干燥法。
2.4变压吸附制氮装置：采用的吸附剂通常为5A分子筛或碳分子筛，再生方式为无热再生，高压吸附、低压或常压解析。此为分离氮气的核心设备。
2.5氮气净化设备：包括除氧塔、吸附干燥器和水冷凝器。除氧塔是一个用钯作催化剂的催化反应器。吸附干燥器的吸附剂为分子筛，再生方式为有热再生（电加热）。
PSA制氮具有工艺流程简单、自动化程度高、产气快(15～30分钟)、能耗低，产品纯度可在较大范围内根据用户需要进行调节，操作维护方便、运行成本较低、装置适应性较强等特点。在1000Nm3／h以下的中、小型氮气用户应用广泛，PSA制氮已成为中、小型氮气用户的首选方法。
地址:苏州新区中峰街168号
邮编:215000 TEL:6 传真：6
本公司主要经营产品：-制氧机-其他纯化设备
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