CN211004573U - 一种小型高纯制氮机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及制氮设备技术领域，具体地说，涉及一种小型高纯制氮机。包括柜体和集成在柜体内的气源系统、制氮系统、纯化系统，还包括控制整个制氮机运行的PLC控制系统。本实用新型采用变压吸附与碳还原复合工艺制取高纯度氮气，具有以下优点：1、设备结构紧凑、布局合理，实现了高纯制氮设备的小型化；2、设备性能可靠、自动化程度高，采用先进的数控技术，对生产过程中的主要参数进行自动监控、自动调整和安全保护，大大降低了设备的启动时间，缩短了出氮等待时间；3、制取的氮气纯度高、露点低、洁净度高；4、设备操作容易、维护简便。

Description

一种小型高纯制氮机

技术领域

本实用新型涉及制氮设备技术领域，具体地说，涉及一种小型高纯制氮机。

背景技术

目前空分制氮技术常用的方法有深冷法、变压吸附法、膜分离法三种，这三种方法在技术上都是成熟的，都实现了产业化，且各有所长。

a、深冷法

深冷法制氮是基于液体空气中各组分的挥发性不同，通过精馏将氮与其他组分分离而制取氮。因空气的液化需在低温下进行，所处的温度范围属于深冷区段，故称之为深冷空气分离制氮。此方法适合大型装备使用，其投资规模大，技术能力要求高，维护保养成本也比较高。

b.变压吸附法

变压吸附法分离空气制氮是利用氧和氮在固体吸附剂上吸附容量、吸附速率、吸附力等方面的差异及吸附剂量对氧、氮随压力不同的吸附容量的选择吸附特性，来实现氧氮分离的。变压吸附直接制取高纯氮功耗高，重量重，启动时间长，适合于24h小时不间断运行的非移动式设备。

c.膜分离法

膜分离氮气的原理为：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而导致不同气体在膜中相对渗透速率之不同。根据这一特性可将各种气体分为“快气”和“慢气”。当混合气体在膜两侧压力差作用下，渗透速率相对较快的气体如水、氧气等迅速透过中空纤维膜壁而被放掉，而渗透速率较慢的气体如氮气、氩气等被滞留在中空纤维内而被富集，从而得到较高纯度的氮气。膜分离法适合于99.9％纯度以下的制氮设备使用，用其制取高纯氮时压力和温度的控制难度大，气耗高。

现有的高纯制氮设备体积大都比较庞大，使用过程中转移不方便，而且，设备启动时间长，出氮等待时间长。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种小型高纯制氮机，解决以上技术问题。

为解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种小型高纯制氮机，包括柜体和集成在柜体内的气源系统、制氮系统、纯化系统，还包括控制整个制氮机运行的PLC控制系统；所述气源系统包括空气压缩机和气源净化装置，其中，所述的空气压缩机连接并受控于PLC控制系统，所述的气源净化装置包括空气冷凝器、微雾分离器和高分子膜式空气干燥器；所述制氮系统包括与气源净化装置管路连接的空气工艺罐、与空气工艺罐管路连接的制氮机主机和与制氮机主机管路连接的普氮工艺罐，所述的制氮机主机包括第一吸附塔和第二吸附塔，两个吸附塔并联设置，交替进行吸附再生；所述纯化系统包括与普氮工艺罐管路连接的脱氧塔、与脱氧塔管路连接的干燥罐、设置在脱氧塔与干燥罐之间管路上的散热器和与干燥罐出气端管路连接的粉尘过滤器。

优选的：所述第一吸附塔和第二吸附塔的结构相同，包括吸附塔保温壳体和设置在吸附塔保温壳体内腔中的吸附塔主体，所述的吸附塔主体包括吸附塔筒体、装配在吸附塔筒体顶端的上封头、装配在吸附塔筒体底端的下封头、装配在吸附塔筒体中间部位的均压分流器和装配在上封头顶端的压紧装置；所述吸附塔筒体的内部采用复合床结构，其下部装填有活化处理分子筛，其上部装填有碳分子筛；所述上封头出气口处设置有筛板；所述下封头进气口处设置有吸附塔分流器，且下封头的内腔中装填有干燥剂。

优选的：所述脱氧塔包括脱氧塔保温壳体和设置在脱氧塔保温壳体内腔中的脱氧塔主体，所述的脱氧塔主体采用上下分层复式结构，包括上层的脱氧腔和下层的缓冲腔；所述脱氧腔内装填有脱氧催化剂，并设置有为脱氧催化剂加热的加热模块，所述的加热模块包括若干组加热棒和用于检测脱氧催化剂温度的温度传感器，其中，所述温度传感器与PLC控制系统电性连接，所述加热棒连接并受控于PLC控制系统；所述缓冲腔内设置有螺旋进气管，所述螺旋进气管的末端贯穿缓冲腔的侧壁，并通过设置在脱氧塔主体外侧的进气管与设置在脱氧腔上端的脱氧塔分流器相连接。

优选的：所述空气工艺罐上安装有第一压力传感器、第一泄压阀和排污阀，所述的第一压力传感器与PLC控制系统电性连接，所述的第一泄压阀连接并受控于PLC控制系统。

优选的：所述第一吸附塔上安装有第二压力传感器，所述第二吸附塔上安装有第三压力传感器，所述第二压力传感器和第三压力传感器分别与PLC控制系统电性连接。

优选的：所述普氮工艺罐上安装有第四压力传感器和第二泄压阀，所述的第四压力传感器与PLC控制系统电性连接，所述的第二泄压阀连接并受控于PLC控制系统。

优选的：所述干燥罐上安装有第五压力传感器，所述的第五压力传感器与PLC控制系统电性连接。

优选的：所述柜体的底部四角处分别安装有静音脚轮。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型采用变压吸附与碳还原复合工艺制取高纯度氮气，具有以下优点：1、设备结构紧凑、布局合理，实现了高纯制氮设备的小型化；2、设备性能可靠、自动化程度高，采用先进的数控技术，对生产过程中的主要参数进行自动监控、自动调整和安全保护，大大降低了设备的启动时间，缩短了出氮等待时间；3、制取的氮气纯度高、露点低、洁净度高；4、设备操作容易、维护简便。

附图说明

图1为本实用新型的外部立体结构示意图；

图2为本实用新型的内部立体结构示意图；

图3为本实用新型的俯视内部结构示意图；

图4为本实用新型中所述的吸附塔的结构示意图；

图5为本实用新型中所述的脱氧塔的结构示意图；

图6为本实用新型中所述的脱氧塔主体的结构示意图；

图7为本实用新型的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

实施例

参照图1-图7，本实施例所述的小型高纯制氮机，包括柜体1和集成在柜体1内的气源系统、制氮系统、纯化系统，还包括控制整个制氮机运行的PLC控制系统。为了方便制氮机的转移，在所述柜体1的底部四角处分别安装有静音脚轮34。其中：

所述气源系统包括空气压缩机2和气源净化装置，其中，所述的空气压缩机2连接并受控于PLC控制系统，所述的气源净化装置包括空气冷凝器3、微雾分离器4和高分子膜式空气干燥器5。

空气压缩机2产生的气源通过空气冷凝器3冷却进入微雾分离器4，绝大部分的水雾和油雾经微雾分离器4过滤分离后，凝结在储液杯内，在储液杯内水位到达一定高度后由底部自动排出，压缩空气中剩余的少许水分由高分子膜式空气干燥器5排出。气源净化装置使吸附塔具有最佳的分离工况，既保证了吸附塔分子筛的使用效果和寿命，又保证了分离出的氮气的质量。

本实用新型采用风冷摇摆活塞式空气压缩机提供气源，该空气压缩机2采用无油设计，输出空气清新清洁，采用专有的曲柄设计，工作时垂直度更好，运行平稳且上气快脉冲小。采用标准化的装配工艺，配以高品质的轴承，进出气阀经特殊处理，运行后整机振动小，运行平稳，噪音低。

所述制氮系统包括与气源净化装置管路连接的空气工艺罐6、与空气工艺罐6管路连接的制氮机主机和与制氮机主机管路连接的普氮工艺罐7，所述的制氮机主机包括第一吸附塔8和第二吸附塔9，两个吸附塔并联设置，交替进行吸附再生。所述第一吸附塔8和第二吸附塔9的结构相同，包括吸附塔保温壳体14和设置在吸附塔保温壳体14内腔中的吸附塔主体，所述的吸附塔主体包括吸附塔筒体15、装配在吸附塔筒体15顶端的上封头16、装配在吸附塔筒体15底端的下封头17、装配在吸附塔筒体15中间部位的均压分流器18和装配在上封头16顶端的压紧装置19。所述吸附塔筒体15的内部采用复合床结构，其下部装填有活化处理分子筛，其上部装填有碳分子筛。所述上封头16出气口处设置有筛板20。所述下封头17进气口处设置有吸附塔分流器21，且下封头17的内腔中装填有干燥剂。

所述空气工艺罐6上安装有第一压力传感器27、第一泄压阀28和排污阀35，所述的第一压力传感器27与PLC控制系统电性连接，所述的第一泄压阀28连接并受控于PLC控制系统。通过第一压力传感器27采集空气工艺罐6内的压力值控制第一泄压阀28自动开启泄压，实现了空气压缩机2不带压启动及系统超压后自动泄压，从而确保了整套系统安全高效的运行。空气工艺罐6是降低压缩空气气流脉动，起稳压缓冲稳流作用，从而减少系统因压力波动对产品气纯度的影响。同时，也为制氮系统在进行吸附塔工作切换时，提供短时间内迅速升压所需要的大量压缩空气，不仅使吸附塔内压力能够快速上升到工作压力，而且还保证了设备可靠稳定的运行。

所述第一吸附塔8上安装有第二压力传感器32，所述第二吸附塔9上安装有第三压力传感器33，所述第二压力传感器32和第三压力传感器33分别与PLC控制系统电性连接。第一吸附塔8和第二吸附塔9内的活化处理分子筛和碳分子筛采用伸展扭转式振动装填方法，即保证了分子筛的装填密度又保证了装填过程中不粉化分子筛。两个吸附塔在PLC控制系统控制下交替进行吸附再生，既能完成氮氧分离，又能保证氮气的连续产出。压缩空气经吸附塔分流器21扩散以后首先进入活化处理分子筛，使压缩空气中的水分被进一步吸附，以保证通过碳分子筛时的空气含水露点达-45℃以下。

所述普氮工艺罐7上安装有第四压力传感器29和第二泄压阀30，所述的第四压力传感器29与PLC控制系统电性连接，所述的第二泄压阀30连接并受控于PLC控制系统。所述普氮工艺罐7的主要作用是均衡从制氮机主机分离出的氮气的纯度和压力，保证连续供给稳定的氮气。在两个吸附塔进行工作切换的瞬间，它可将本身的部分气体回充到吸附塔，起到保护分子筛和帮助吸附塔升压的作用。同时，与吸附塔相配套的普氮工艺罐7，能够保证制氮机长期停机后快速启动和短期停机后开机即供气，起到非常重要的工艺辅助作用。

所述纯化系统包括与普氮工艺罐7管路连接的脱氧塔10、与脱氧塔10管路连接的干燥罐11、设置在脱氧塔10与干燥罐11之间管路上的散热器12和与干燥罐11出气端管路连接的粉尘过滤器13。所述脱氧塔10包括脱氧塔保温壳体22和设置在脱氧塔保温壳体22内腔中的脱氧塔主体，所述的脱氧塔主体采用上下分层复式结构，包括上层的脱氧腔和下层的缓冲腔。所述脱氧腔内装填有脱氧催化剂，并设置有为脱氧催化剂加热的加热模块，所述的加热模块包括若干组加热棒23和用于检测脱氧催化剂温度的温度传感器，其中，所述温度传感器与PLC控制系统电性连接，所述加热棒23连接并受控于PLC控制系统。所述缓冲腔内设置有螺旋进气管24，所述螺旋进气管24的末端贯穿缓冲腔的侧壁，并通过设置在脱氧塔主体外侧的进气管25与设置在脱氧腔上端的脱氧塔分流器26相连接。PLC控制系统根据脱氧塔10内温度传感器检测到的脱氧催化剂的温度分别控制各组加热棒23的启停。在缓冲腔内设置螺旋进气管24，增大了热交换面积，充分利用产品气的余热对进气进行预热，提高了进气的温度，缩小了脱氧塔10上下端的温差。

所述脱氧塔10内装填的脱氧催化剂为3093系惰性气体脱氧催化剂，并通过PLC控制系统和加热模块精确控制脱氧催化剂的温度。本实用新型所采用的3093系惰性气体脱氧催化剂能够直接脱除制氮机主机生产的氮气中的微量氧气，反应时原料气不需要定量配入氢气，对压力也无要求。而且，此脱氧催化剂的脱氧容量较一般的脱氧剂大100倍，因此，不需频繁再生。制取的高纯氮气经散热器12降温后，进入干燥罐11对成品氮气再次进行除水，确保输出的氮气露点符合设计要求。最后经过粉尘过滤器13及减压阀后输送到用气设备，充分保证成品氮气的品质。

所述干燥罐11上安装有第五压力传感器31，所述的第五压力传感器31与PLC控制系统电性连接。

本实用新型中所述的空气压缩机2、空气冷凝器3、微雾分离器4、高分子膜式空气干燥器5、空气工艺罐6、普氮工艺罐7、干燥罐11、散热器12和粉尘过滤器13均采用市面上现有的设备，均为现有技术，其具体结构和工作原理在此不再赘述。

本实用新型的工作原理简述如下：

空气压缩机2压缩的带压高温空气经过空气冷凝器3冷却降温后进入微雾分离器4，除去空气中的油分及绝大部分的水分，再进入高分子膜式空气干燥器5进一步深度除水，得到的净化压缩空气进入空气工艺罐6缓冲稳压后进入由两个吸附塔组成的制氮机主机进行分离制氮，两个吸附塔相互交替工作产生连续不断的纯度≥99.9％的普通氮气，制得的普通氮气进入普氮工艺罐7进行缓冲稳压后再进入脱氧塔10，在一定温度下，普通氮气在脱氧催化剂作用下脱氧，得到的高纯氮气，高纯氮气进入干燥罐11再次进行除水，最终经粉尘过滤器13滤除气体中的固体颗粒后经减压阀后输送到用气设备。

本实用新型采用变压吸附与碳还原复合工艺制取高纯度氮气，具有以下优点：1、设备结构紧凑、布局合理，实现了高纯制氮设备的小型化；2、设备性能可靠、自动化程度高，采用先进的数控技术，对生产过程中的主要参数进行自动监控、自动调整和安全保护，大大降低了设备的启动时间，缩短了出氮等待时间；3、制取的氮气纯度高、露点低、洁净度高；4、设备操作容易、维护简便。

以上仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制另一方面通过本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本实用新型的专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种小型高纯制氮机，包括柜体(1)和集成在柜体(1)内的气源系统、制氮系统、纯化系统，还包括控制整个制氮机运行的PLC控制系统；其特征在于：所述气源系统包括空气压缩机(2)和气源净化装置，其中，所述的空气压缩机(2)连接并受控于PLC控制系统，所述的气源净化装置包括空气冷凝器(3)、微雾分离器(4)和高分子膜式空气干燥器(5)；所述制氮系统包括与气源净化装置管路连接的空气工艺罐(6)、与空气工艺罐(6)管路连接的制氮机主机和与制氮机主机管路连接的普氮工艺罐(7)，所述的制氮机主机包括第一吸附塔(8)和第二吸附塔(9)，两个吸附塔并联设置，交替进行吸附再生；所述纯化系统包括与普氮工艺罐(7)管路连接的脱氧塔(10)、与脱氧塔(10)管路连接的干燥罐(11)、设置在脱氧塔(10)与干燥罐(11)之间管路上的散热器(12)和与干燥罐(11)出气端管路连接的粉尘过滤器(13)。

2.根据权利要求1所述的小型高纯制氮机，其特征在于：所述第一吸附塔(8)和第二吸附塔(9)的结构相同，包括吸附塔保温壳体(14)和设置在吸附塔保温壳体(14)内腔中的吸附塔主体，所述的吸附塔主体包括吸附塔筒体(15)、装配在吸附塔筒体(15)顶端的上封头(16)、装配在吸附塔筒体(15)底端的下封头(17)、装配在吸附塔筒体(15)中间部位的均压分流器(18)和装配在上封头(16)顶端的压紧装置(19)；所述吸附塔筒体(15)的内部采用复合床结构，其下部装填有活化处理分子筛，其上部装填有碳分子筛；所述上封头(16)出气口处设置有筛板(20)；所述下封头(17)进气口处设置有吸附塔分流器(21)，且下封头(17)的内腔中装填有干燥剂。

3.根据权利要求1所述的小型高纯制氮机，其特征在于：所述脱氧塔(10)包括脱氧塔保温壳体(22)和设置在脱氧塔保温壳体(22)内腔中的脱氧塔主体，所述的脱氧塔主体采用上下分层复式结构，包括上层的脱氧腔和下层的缓冲腔；所述脱氧腔内装填有脱氧催化剂，并设置有为脱氧催化剂加热的加热模块，所述的加热模块包括若干组加热棒(23)和用于检测脱氧催化剂温度的温度传感器，其中，所述温度传感器与PLC控制系统电性连接，所述加热棒(23)连接并受控于PLC控制系统；所述缓冲腔内设置有螺旋进气管(24)，所述螺旋进气管(24)的末端贯穿缓冲腔的侧壁，并通过设置在脱氧塔主体外侧的进气管(25)与设置在脱氧腔上端的脱氧塔分流器(26)相连接。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的小型高纯制氮机，其特征在于：所述空气工艺罐(6)上安装有第一压力传感器(27)、第一泄压阀(28)和排污阀(35)，所述的第一压力传感器(27)与PLC控制系统电性连接，所述的第一泄压阀(28)连接并受控于PLC控制系统。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的小型高纯制氮机，其特征在于：所述第一吸附塔(8)上安装有第二压力传感器(32)，所述第二吸附塔(9)上安装有第三压力传感器(33)，所述第二压力传感器(32)和第三压力传感器(33)分别与PLC控制系统电性连接。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的小型高纯制氮机，其特征在于：所述普氮工艺罐(7)上安装有第四压力传感器(29)和第二泄压阀(30)，所述的第四压力传感器(29)与PLC控制系统电性连接，所述的第二泄压阀(30)连接并受控于PLC控制系统。

7.根据权利要求1-3任意一项所述的小型高纯制氮机，其特征在于：所述干燥罐(11)上安装有第五压力传感器(31)，所述的第五压力传感器(31)与PLC控制系统电性连接。

8.根据权利要求1-3任意一项所述的小型高纯制氮机，其特征在于：所述柜体(1)的底部四角处分别安装有静音脚轮(34)。

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