CN106507777B - 高效制氮纯化增压机 - Google Patents
高效制氮纯化增压机Info
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Abstract
本发明属于机电领域，具体涉及一种集变压吸附、膜分离、增压、纯化于一体的集成设备，是一种集机电一体化的装置。本发明对膜分离制氮技术、变压吸附技术及增压技术的工艺整合，实现了制普氮、深度提纯、增压、深度净化的高度集成及节能、高效；采用了独有的蒸发器冷却技术，实现了高温运行的高可靠性，提高了变压吸附的吸附性能；采用了变频器控制，实现了软启动，并使制氮增压系统与增压系统具有良好的匹配性能。因此，该高效制氮纯化增压机是导弹用制冷的理想设备。
Description
技术领域
本发明属于机电领域，具体涉及一种集变压吸附、膜分离、增压、纯化于一体的集成设备(以下简称高效制氮纯化增压机)，是一种集机电一体化的装置。
背景技术
当前，我军导弹测试过程的制冷是通过高压气体的膨胀过程吸热来实现，而目前部队配发的高压气体大部分为高压空气，因空气中的水含量相对较高，在制冷过程中形成的液态水极易造成冰堵，给测试工作带来很大难题。而传统的制氮机在生产纯氮达到99.99％，增压达到35MPa时设备体积大、功耗高，无法实现野外保障，而通过气瓶灌装的方式，耗时耗力，效率低。据调查，尚无导弹测试专用制氮纯化增压机，不能满足我军导弹测试及野外包装的需求。而采用高压空气及氮气气源站有诸多的问题需要解决，主要有：
1、气体纯度低、含水量高
目前，我军主要采用高压空气实现导弹测试，而经过压缩机的高压空气由于水、二氧化碳、氧气等含量过高，容易造成测试不准确，且露点较高的空气在压缩过程中形成的液态水极易结冰，导致封堵管路使测试工作无法进行。
2、制氮机能耗高、体积大
变压吸附制氮和膜分离制氮是最主要的两种制氮模式，前者自动化程度高、产品气纯度、流量易于调整，但对空气的质量要求较高。后者制氮效率高、寿命长无运动部件，但在制取95％以上纯度的氮气时效率较低。因此采取以上两种方式制取纯氮，体积大、能耗高。
3、启动速度慢
用变压吸附和膜分离方式制取纯氮时，启动速度较慢，约为45分钟。
发明内容
本发明的目的是提供一种集制氮、增压、净化、充装于一体的小型高效集成化设备。该高效制氮纯化增压机能提供武器系统装筒弹进行功能检查、功能检测、技术维护所需的高压氮气，用于导弹测试制冷。
本发明的目的是这样实现的：
一种制氮纯化增压机，其特征在于：包括膜分离制氮系统、变压吸附制氮系统、增压净化系统；所述的膜分离制氮系统包括空气压缩机及所配电机和变频器、空气储罐、散热器、空气过滤器、空气加热器、膜分离器、氮气储罐A、蒸发器；空气压缩机出口与散热器入口相连，散热器出口与蒸发器第一入口相连，蒸发器第一输出管路接入空气储罐，空气储罐输出管路经空气过滤器与空气加热器入口相连，空气加热器出口与膜分离器入口相连，膜分离器出口接入到氮气储罐A，氮气储罐A出口接蒸发器第二入口；所述的变压吸附制氮系统包括吸附塔A和吸附塔B、氮气储罐B、氧分析仪；蒸发器第二输出管路通过电磁阀组分别与吸附塔A和吸附塔B相连，吸附塔A和吸附塔B的出口接入氮气罐B，氮气罐B输出氮气管路上安装有氧分析仪；所述的增压净化系统包括粉尘过滤器、氮气压缩机及所配电机和变频器、净化器、高压精密过滤器、高压截止阀、高压单向阀和高压手动减压阀；氮气罐B输出氮气管路经粉尘过滤器接入氮气压缩机，氮气压缩机输出氮气管路经净化器、高压精密过滤器后与高压氮气瓶相通，并通过手动高压减压阀调节输出压力，通过高压截止阀调节输出流量。
一种利用制氮纯化增压机的制氮纯化方法，(1)空气经空气压缩机压缩后进入散热器，经过蒸发器后进入空气储罐，经空气过滤器过滤后进入加热器，再进入膜分离器进行氧氮分离，然后进入到氮气储罐A进行存储；(2)经膜分离后的氮气经蒸发器冷却后进入吸附塔A、B进行轮流吸附后进入氮气罐B，经氧分析仪测试后，氮气纯度符合设定要求进入增压净化系统，纯度不符合要求放空氮气罐B；(3)纯度符合要求的氮气先经粉尘过滤器将吸附时的粉尘滤掉，再经氮气压缩机增压至35MPa，经过净化器将增压过程中混入的水和油滤除，最后经过高压精密过滤器深度除油后进入高压氮气瓶储存，通过手动高压减压阀调节输出压力，通过高压截止阀调节输出流量。
本发明对膜分离制氮技术、变压吸附技术及增压技术的工艺整合，实现了制普氮、深度提纯、增压、深度净化的高度集成及节能、高效；采用了独有的蒸发器冷却技术，实现了高温运行的高可靠性，提高了变压吸附的吸附性能；采用了变频器控制，实现了软启动，并使制氮增压系统与增压系统具有良好的匹配性能。因此，该高效制氮纯化增压机是导弹用制冷的理想设备。
附图说明
图1是本发明左前侧结构示意图；
图2是本发明右后侧结构示意图。
图中的标号标示为：1-空气压缩机；2-变频器；3-散热器；4-蒸发器；5-空气储罐；6-空气过滤器；7-空气加热器；8-膜分离器；9-氮气储罐A；10-电磁阀组；11-吸附塔A、B；12-氮气罐B；13-粉尘过滤器；14-氮气压缩机；15-净化器；16-高压过滤器；17-高压氮气瓶；18-控制器；19-高压截止阀；20-手动高压减压阀。
具体实施方式
一种高效制氮纯化增压机，其主要包括柜体、膜分离制氮系统、变压吸附制氮系统、增压净化系统和电器控制系统。所述的膜分离制氮系统包括空气压缩机及所配电机和变频器、空气储罐、散热器、空气过滤器、空气加热器、膜分离器、氮气储罐A、蒸发器(包括蒸发器罐、蒸发器压缩机、蒸发器冷凝器、蒸发器截止阀、蒸发器散热风扇)；空气压缩机出口与散热器入口相连，散热器出口与蒸发器第一入口相连，蒸发器第一输出管路接入空气储罐，空气储罐输出管路经空气过滤器与空气加热器入口相连，空气加热器出口与膜分离器入口相连，膜分离器出口接入到氮气储罐A，氮气储罐A出口接蒸发器第二入口；所述的变压吸附制氮系统包括吸附塔A和吸附塔B、氮气储罐B、氧分析仪；蒸发器第二输出管路通过电磁阀分别与吸附塔A和吸附塔B相连，吸附塔A和吸附塔B的出口接入氮气罐B，氮气罐B输出氮气管路上安装有氧分析仪；所述的增压净化系统包括粉尘过滤器、氮气压缩机及所配电机和变频器、净化器、高压精密过滤器、高压截止阀、高压单向阀和高压手动减压阀；氮气罐B输出氮气管路经粉尘过滤器接入氮气压缩机，氮气压缩机输出氮气管路经净化器、高压精密过滤器后通过高压单向阀与高压氮气瓶相通，并通过手动高压减压阀调节输出压力，通过高压截止阀调节输出流量。所述的电器控制系统包括1套控制器(共有1个PLC模块)、1个人机界面、1个开关电源、执行元件。
如图1、图2所示，在柜体内部，空气压缩机和氮气压缩机所配的变频器、蒸发器安装在底面板上，底面板固定在柜体底板上；空气压缩机及其电机安装于柜体中层面板上；氮气压缩机及其电机、氮气罐B安装于柜体上层面板上；吸附塔A、B，空气储罐通过卡子固定于柜体后面的中梁和上梁上；净化器通过卡子固定于柜体的右后侧中梁和上梁上；高压氮气瓶、膜分离器、氮气罐A通过卡子固定于柜体左面的中梁和上梁上；散热器的上下侧管分别通过U型卡固定于柜体右面中梁和上梁之间；6个二位三通阀与1个三位五通阀固定于柜体上方的顶板上，顶板通过支柱与柜体焊接在一起；控制器固定于柜体上方的L型面板上；电器操作面板固定于柜体前面的中梁、下梁及左侧梁上，高压截止阀、手动高压减压阀、人机界面镶嵌于电器操作面板上；蒸发器的冷凝器固定于机柜前面右上侧的中梁与上梁之间，蒸发器的散热风扇固定在梯形罩内，梯形罩固定于柜体前面右侧的中梁和上梁上；氧分析仪通过螺栓及不锈钢卡安装于氮气罐B输出氮气的管路上，空气过滤器通过左右支架固定于散热器下方的横梁上；高压精密过滤器安装于梯形罩下方的小面板上，通过不锈钢卡固定。
运行过程中，空气经空气压缩机1压缩后经过散热器3进入蒸发器4，后经空气储罐5和空气过滤器6过滤后由空气加热器7进行加热至约60℃，然后进入膜分离器8进行分离。膜分离器的分离原理为：两种或两种以上的气体混合物通过高分子膜时，由于各种气体在膜中溶解度和扩散系数的差异，导致不同气体在膜中相对渗透率不同。根据这一特性，可将各种气体分“快气”和“慢气”。当空气在驱动力——膜两侧的压力差和浓度差作用下，渗透速率相对快的汽体如水、氧气、氢气、氦气、二氧化碳等透过膜后，在膜的渗透侧被富集；而渗透速率相对较慢的气体，如氮气和氩气等气体则在膜滞留侧被富集，从而达到将空气分离，制取产品氮气的目的。渗透侧的富氧空气作为废气排空。分离后的氮气进入氮气罐A9缓冲后通过蒸发器4进行冷却，再通过电磁阀组10控制轮流进入吸附塔A、B11进行吸附提纯，经提纯后的氮气进入氮气罐B12缓冲，取样纯度达到设定之后，进入粉尘过滤器13并启动氮气压缩机14进行增压，增压后的氮气经净化器15进行除油除水，再经高压过滤器16深度除油、除尘，合格的高压氮气进入高压氮气瓶17储存，经高压截止阀19输出，经手动高压减压阀20调节至所需压力。整个过程的控制均由控制器18控制中心根据采集及预订的程序进行控制。
电器控制系统，当从人机界面接收到动作信号后，空气压缩机所配变频器启动并带动空压机运行，加热器根据空气的温度进行运行，三位五通阀、二位三通阀根据设定的程序周期运行实现吸附塔A、B的轮流吸附、解吸，氧分析仪对氮气罐B的氮气进行取样测量，并将测量值传送至控制器，控制器将测量结果与设定结果比较，并输出控制信号，根据氮气罐B压力的大小改变变频器的频率，从而控制氮气压缩机的转速，使增压系统与制氮系统同步、匹配。
作为本发明的进一步改进，设备还留有净化器自还原设计，即设备工作500小时后，系统将提示进行净化器还原，打开两个高压手动截止阀后，制氮系统启动，增压系统停止，纯度高的氮气对净化器进行吹洗还原，保持净化器内吸附剂的工作能力。
该发明的主要技术指标如下：
氮气纯度：不小于99.99％；
综合杂质含量：不大于10PPM，其中烃类含量不大于0.004mg/m3；
颗粒度：不大于5μm，颗粒物密度不大于0.009mg/m3；
露点温度：不高于-60℃；
氮压机末级纯氮排量：不小于60L/min；
氮气空罐增压时间(0.1～35Mpa)不大于30min，间隙增压时间(21MPa～35Mpa)不大于20min；
氮压机最大排气压力：不小于35Mpa。
Claims (5)
1.一种制氮纯化增压机，其特征在于：包括膜分离制氮系统、变压吸附制氮系统、增压净化系统；所述的膜分离制氮系统包括空气压缩机(1)及所配电机和变频器、空气储罐(5)、散热器(3)、空气过滤器(6)、空气加热器(7)、膜分离器(8)、氮气储罐A(9)、蒸发器(4)；空气压缩机(1)出口与散热器(3)入口相连，散热器(3)出口与蒸发器(4)第一入口相连，蒸发器(4)第一输出管路接入空气储罐(5)，空气储罐(5)输出管路经空气过滤器(6)与空气加热器(7)入口相连，空气加热器(7)出口与膜分离器(8)入口相连，膜分离器(8)出口接入到氮气储罐A(9)，氮气储罐A(9)出口接蒸发器(4)第二入口；所述的变压吸附制氮系统包括吸附塔A和吸附塔B、氮气储罐B(12)、氧分析仪；蒸发器(4)第二输出管路通过电磁阀组(10)分别与吸附塔A和吸附塔B相连，吸附塔A和吸附塔B的出口接入氮气储罐B(12)，氮气储罐B(12)输出氮气管路上安装有氧分析仪；所述的增压净化系统包括粉尘过滤器(13)、氮气压缩机(14)及所配电机和变频器、净化器(15)、高压精密过滤器(16)、高压截止阀(19)和手动高压减压阀(20)；氮气储罐B(12)输出氮气管路经粉尘过滤器(13)接入氮气压缩机(14)，氮气压缩机(14)输出氮气管路经净化器(15)、高压精密过滤器(16)后与高压氮气瓶(17)相通，并通过手动高压减压阀(20)调节输出压力，通过高压截止阀(19)调节输出流量。
2.如权利要求1所述的制氮纯化增压机，其特征在于：还包括电控制系统，包括控制器(18)、人机界面、压力传感器、温度传感器；人机界面接收到动作信号后，控制器(18)启动空气压缩机所配变频器，根据温度传感器测量结果运行加热器，控制电磁阀组(10)的周期运行使得吸附塔A和吸附塔B轮流吸附、解吸；氧分析仪测量值传送至控制器，控制器(18)将测量结果与设定结果比较，并输出控制信号；控制器(18)根据压力传感器测得的氮气储罐B压力的大小改变氮气压缩机变频器所配频率。
3.如权利要求2所述的制氮纯化增压机，所述的电磁阀组(10)为1个三位五通电磁阀和6个二位三通电磁阀。
4.如权利要求3所述的制氮纯化增压机，所述的膜分离制氮系统、变压吸附制氮系统、增压净化系统、电器控制系统安装在柜体内；空气压缩机(1)和氮气压缩机(14)所配的变频器(2)、蒸发器(4)安装在底面板上，底面板固定在柜体底板上；空气压缩机(1)及其电机安装于柜体中层面板上；氮气压缩机(14)及其电机、氮气储罐B(12)安装于柜体上层面板上，吸附塔A和吸附塔B，空气储罐(5)通过卡子固定于柜体后面的中梁和上梁上；净化器(15)通过卡子固定于柜体的右后侧中梁和上梁上；高压氮气瓶(17)、膜分离器(8)、氮气储罐A(9)通过卡子固定于柜体左面的中梁和上梁上；散热器(3)的上下侧管分别通过U型卡固定于柜体右面中梁和上梁之间；二位三通电磁阀与三位五通电磁阀固定于柜体上方的顶板上；顶板通过支柱与柜体焊接在一起；控制器(18)固定于柜体上方的L型面板上；电器操作面板固定于柜体前面的中梁、下梁及左侧梁上，高压截止阀(19)、手动高压减压阀(20)、人机界面镶嵌于电器操作面板上；蒸发器(4)的冷凝器固定于机柜前面右上侧的中梁与上梁之间，蒸发器(4)的散热风扇固定在梯形罩内，梯形罩固定于柜体前面右侧的中梁和上梁上；氧分析仪通过螺栓及不锈钢卡安装于氮气储罐B(12)输出氮气的管路上，空气过滤器(6)通过左右支架固定于散热器(3)下方的横梁上；高压精密过滤器(16)安装于梯形罩下方的小面板上，通过不锈钢卡固定。
5.一种利用如权利要求1所述的制氮纯化增压机的制氮纯化方法，其特征在于：
(1)空气经空气压缩机(1)压缩后进入散热器(3)，经过蒸发器(4)后进入空气储罐(5)，经空气过滤器(6)过滤后进入空气加热器(7)，再进入膜分离器(8)进行氧氮分离，然后进入到氮气储罐A(9)进行存储；
(2)经膜分离后的氮气储罐A(9)中输出的氮气经蒸发器(4)冷却后进入吸附塔A、吸附塔B进行轮流吸附后进入氮气储罐B(12)，经氧分析仪测试后，氮气纯度符合设定要求进入增压净化系统，纯度不符合要求放空氮气储罐B。
(3)纯度符合要求的氮气先经粉尘过滤器(13)将吸附时的粉尘滤掉，再经氮气压缩机(14)增压至35MPa，经过净化器(15)将增压过程中混入的水和油滤除，最后经过高压精密过滤器(16)深度除油后进入高压氮气瓶(17)储存，通过手动高压减压阀(20)调节输出压力，通过高压截止阀(19)调节输出流量。
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