制氮機，是指以空氣為原料，利用物理方法將其中的氧和氮分離而獲得氮氣的設備。根據分類方法的不同，即深冷空分法、分子篩空分法(PSA)和膜空分法，工業上套用的制氮機，可以分為三種。
制氮機是按變壓吸附技術設計、製造的氮氣製取設備。制氮機以優質進口碳分子篩（CMS）為吸附劑，採用常溫下變壓吸附原理（PSA）分離空氣製取高純度的氮氣。通常使用兩吸附塔並聯，由進口PLC控制進口氣動閥自動運行，交替進行加壓吸附和解壓再生，完成氮氧分離，獲得所需高純度的氮氣。
基本介紹
- 中文名：制氮機
- 含義：製取氮氣的機械組合
- 工作原理：利用碳分子篩的吸附特性
- 主要分類：深冷空分，膜空分，碳分子篩空分
工作原理,主要分類,設備特點,系統用途,技術參數,
工作原理
PSA變壓吸附制氮原理
碳分子篩可以同時吸附空氣中的氧和氮，其吸附量也隨著壓力的升高而升高，而且在同一壓力下氧和氮的平衡吸附量無明顯的差異。因而，僅憑壓力的變化很難完成氧和氮的有效分離。如果進一步考慮吸附速度的話，就能將氧和氮的吸附特性有效地區分開來。氧分子直徑比氮分子小，因而擴散速度比氮快數百倍，故碳分子篩吸附氧的速度也很快，吸附約1分鐘就達到90%以上；而此時氮的吸附量僅有5%左右，所以此時吸附的大體上都是氧氣，而剩下的大體上都是氮氣。這樣，如果將吸附時間控制在1分鐘以內的話，就可以將氧和氮初步分離開來，也就是說，吸附和解吸是靠壓力差來實現的，壓力升高時吸附，壓力下降時解吸。而區分氧和氮是靠兩者被吸附的速度差，通過控制吸附時間來實現的，將時間控制的很短，氧已充分吸附，而氮還未來得及吸附，就停止了吸附過程。因而變壓吸附制氮要有壓力的變化，也要將時間控制在1分鐘以內。
深冷空分制氮原理
深冷制氮不僅可以生產氮氣而且可以生產液氮，滿足需要液氮的工藝要求，並且可在液氮貯槽內貯存，當出現氮氣間斷負荷或空分設備小修時，貯槽內的液氮進入汽化器被加熱後，送入產品氮氣管道滿足工藝裝置對氮氣的需求。深冷制氮的運轉周期（指兩次大加溫之間的間隔期）一般為1年以上，因此，深冷制氮一般不考慮備用。而變壓吸附制氮只能生產氮氣，無備用手段，單套設備不能保證連續長周期運行。
分子篩制氮機工藝流程圖
分子篩制氮機工藝流程圖膜空分制氮原理
空氣經壓縮機壓縮過濾後進入高分子膜過濾器，由於各種氣體在膜中溶解度和擴散係數不同，導致不同氣體在膜中相對滲透速率不同。根據這一特性，可將各種氣體分為“快氣”和“慢氣”。
當混合氣體在膜兩側壓力差的作用下，滲透速率相對快的氣體，如水、氫氣、氦氣、硫化氫、二氧化碳等透過膜後，在膜的滲透側被富集，而滲透速率相對較慢的氣體，如甲烷、氮氣、一氧化碳和氬氣等氣體則被滯留在膜的側被富集，從而達到混合氣體分離的目的。
主要分類
深冷空分制氮
分子篩空分制氮
以空氣為原料，以碳分子篩作為吸附劑，運用變壓吸附原理，利用碳分子篩對氧和氮的選擇性吸附而使氮和氧分離的方法，通稱PSA制氮。此法是七十年代迅速發展起來的一種新的制氮技術。與傳統制氮法相比，它具有工藝流程簡單、自動化程度高、產氣快(15～30分鐘)、能耗低，產品純度可在較大範圍內根據用戶需要進行調節，操作維護方便、運行成本較低、裝置適應性較強等特點，故在1000Nm3/h以下制氮設備中頗具競爭力，越來越得到中、小型氮氣用戶的歡迎，PSA制氮已成為中、小型氮氣用戶的首選方法。
膜空分制氮
以空氣為原料，在一定壓力條件下，利用氧和氮等不同性質的氣體在膜中具有不同的滲透速率來使氧和氮分離。和其它制氮設備相比它具有結構更為簡單、體積更小、無切換閥門、維護量更少、產氣更快(≤3分鐘)、增容方便等優點，它特別適宜於氮氣純度≤98%的中、小型氮氣用戶，有最佳功能價格比。而氮氣純度在98%以上時，它與相同規格的PSA制氮機相比價格要高出15%以上。
設備特點
（1）產氮氣方便快捷：
先進的技術，獨特的氣流分布器，使氣流分布更均勻，高效地利用碳分子篩，20分鐘左右即可提供合格的氮氣。
（2）使用方便：
設備結構緊湊、整體撬裝，占地小無需基建投資，投資少，現場只需連線電源即可製取氮氣。
（3）比其它供氮方式更經濟：
PSA工藝是一種簡便的制氮方法，以空氣為原料，能耗僅為空壓機所消耗的電能，具有運行成本低、能耗低、效率高等優點。
（4）機電一體化設計實現自動化運行：
進口PLC控制全自動運行，氮氣流量壓力純度可調並連續顯示，可實現無人值守。
（5）運用範圍廣：
金屬熱處理過程的保護氣，化學工業生產用氣及各類儲罐、管道的充氮淨化，橡膠、塑膠製品的生產用氣，食品行業排氧保鮮包裝，飲料行業淨化和覆蓋氣，醫藥行業充氮包裝及容器的充氮排氧，電子行業電子元件及半導體生產過程的保護氣等。純度、流量、壓力穩定可調，滿足不同客戶的需要。
技術指標：
流量：5-1000Nm3/h
純度：95%-99.9995%
露點：≤-40℃
壓力：≤0.8Mpa可調
系統用途
石油天然氣行業專用制氮機適用於大陸石油及天然氣開採、沿海及深海石油及天然氣開採中的氮氣保護、輸送、覆蓋、置換、搶險、維修、注氮採油等領域。具有安全性高、適應強、連續性生產待特點。
化工行業專用制氮機適用於石油化工、煤化工、鹽化工、天然氣化工、精細化工、新材料等及其衍伸化工產品加工行業，氮氣主要用於覆蓋、吹掃、置換、清洗、壓力輸送、化學反應攪動、化纖生產保護、充氮保護等領域。
冶金行業專用制氮機適用於熱處理、光亮退火、保護加熱、粉末冶金、銅材鋁材加工、磁性材料燒結、貴金屬加工、軸承生產等領域。具有純度高、連續生產、部分工藝要求氮氣含一定量的氫以增加光亮度等特點。
煤礦行業專用制氮機適用於煤炭開採中的防火滅火、瓦斯及煤氣稀釋等領域，具有地面固定式、地面移動式、井下移動式三種規格，充分滿足不同工況下的氮氣需求。
橡膠輪胎行業專用制氮機適用於橡膠及輪胎生產硫化過程中的氮氣保護、成型等領域。特別是在全鋼子午線輪胎生產中，用氮氣硫化新工藝已逐步取代蒸汽硫化工藝。具有氮氣純度高、連續性生產、氮氣壓力較高等特點。
食品行業專用制氮機適用於糧食綠色倉儲、食品充氮包裝、蔬菜保鮮、酒類封（罐）裝和保存等。
防爆型制氮機適用於化工、石油天然氣等對設備有防爆要求的場所。
製藥行業專用制氮機主要用於藥品生產、儲存、封裝、包裝等領域。
電子行業專用制氮機適用於半導體生產封裝、電子元器件生產、LED、LCD液晶顯示器、鋰電池生產等領域。制氮機具有純度高、體積小、噪聲低、能耗低等特點。
貨櫃式制氮機適用於石油、天然氣、化工及其它相關領域，即有適應性強、可移動作業等特點。
車載移動式制氮車適用於石油天然氣行業的開採、管道吹掃、置換、應急搶險、易燃氣體、液體的稀釋等領域、分為低壓、中壓、高壓系列，具有機動性強、可移動作業等特點。
汽車輪胎沖氮氮氣機，主要用於汽車4S店、汽車維修廠的汽車輪胎沖氮，可延長輪胎使用壽命，降低噪音和油耗。
技術參數
質量即氣體的重量，常以毫克(mg)、克(g)、千克(kg)、噸(t)來表示。體積是指氣體所處的容器之容積。常以立方毫米(mm3)、立方厘米(cm3)、立方米(m3)表示。比容是單位重量物質所占有的容積，用符號V表示，氣體比容單位用m3/kg，液態比容l/kg表示。
壓力、壓強、大氣壓、絕對壓力、相對壓力
氣體分子運動時對容器壁的撞擊時產生的力稱壓力。對容器單位面積所產生的壓力叫壓強。壓強的單位習慣上使用毫米汞柱(mmHg)/平方厘米(cm2)，國際通用(法定計量)帕(Pa)、千帕(kPa)、兆帕(MPa)。經換算1mmHg=133.3Pa=0.1333kPa，1MPa=1000kPa=1000000Pao1ATA=0.1MPao。
包圍在地球表面一層很厚的大氣層對地球表面或表面物體所造成的壓力稱為“大氣壓”，符號為B；直接作用於容器或物體表面的壓力，稱為“絕對壓力”，絕對壓力值以絕對真空作為起點，符號為PABS。
用壓力表、真空表、U型管等儀器測出的壓力叫“表壓力”(又叫相對壓力)，“表壓力”以大氣壓力為起點，符號為Pg。三者之間的關係是：PABS==B+Pg。
溫度、絕對溫度、相對溫度、臨界溫度、臨界壓力
溫度是物質分子熱運動的統計平均值。氣體溫度是氣體分子熱運動產生的。氣體溫度的單位常用攝氏(℃)表示，水結凍的溫度為0℃。物理學上常使用絕對溫度，用“K”表示。絕對溫度以－273℃作為零度。攝氏和絕對溫度的關係是T=t+273。此外英國科學家還經常用“華氏溫度”，符號為oF。
因為任何氣體在一定溫度和壓力下都可以液化，溫度越高，液化所需要的壓力也越高，但是當溫度超過某一數值時，即使在增加多大的壓力也不能液化，這個溫度叫臨界溫度，在這一溫度下最低的壓力就叫做臨界壓力。
是指氣體中的水份從未飽和水蒸氣變成飽和水蒸氣的溫度，當未飽和水蒸氣變成飽和水蒸氣時，有極細的露珠出現，出現露珠時的溫度叫做“露點”。露點和壓力有關，因此又有大氣壓露點(常壓露點)和壓力下露點之分。大氣壓露點是指在大氣壓力下水份的凝結溫度，而壓力下露點是指該壓力下的水份凝結溫度，兩者有換算關係(可查換算表)，如壓力0.7Mpa時壓力露點為5℃，則相應的大氣壓(0.101Mpa)露點則為－20℃。在氣體行業中，若無特殊說明，所指的露點均為大氣壓露點。 汽化是指物質由液態變成氣體的過程，其包括蒸發和沸騰。凝結是指氣體變成液體的過程。
純度
純度是氣體的一個重要技術參數。舉氮氣為例，按國標氮氣的純度分為工業用氮氣、純氮和高純氮三級，它們的純度分別為99.5%(O2小於等於0.5%)，99.99%(O2小於等於0.01%)和99.999%(O2小於等於0.001%)。
流量、體積流量、質量流量
流量是指氣體流動過程中，單位時間內通過任一截面的氣體量。流量有兩種方式來表示，即體積流量和質量流量。前者指通過管路任一截面的氣體體積，後者為通過的氣體質量，在氣體工業中一般均採用體積流量以m3/h(或L/H)為計量單位。因氣體體積與溫度、壓力和濕度有關，為便於比較通常所說的體積流量是指標準狀態(溫度為20℃，壓力為0.101MPa，相對濕度為65%)而言，此時的流量以Nm3/h為單位，"N"即表示標準狀態。
空氣具有可壓縮性，經空氣壓縮機做機械功使本身體積縮小、壓力提高后的空氣叫壓縮空氣。壓縮空氣里含有很多雜質：1.水，包括水霧、水蒸氣、凝結水；2.油：包括油污、油蒸氣；3.各種固態物質如：銹泥、金屬粉末、橡膠粉末、焦油粒及濾材、密封材料的細末等；此外還有多種有害的化學異味物質等。壓縮空氣可以通過加壓、降溫、吸附等方法來除去其中的水蒸氣。可通過加熱、過濾、機械分離等方法除去液態水份。 吸附、膜滲透
吸附是氣體中一個或多個組分在多孔固體表面的選擇性濃縮，被吸附的組分稱作吸附介質，多孔固體稱為吸附劑。吸附劑與吸附介質的連線力是化學鍵，而吸附介質的解析靠升溫或降低該組分在氣壓中分壓。另一種情況是吸附組分與固體吸附劑去化學反應時，稱為化學吸附，化學吸附一般情況下不能再生。
膜滲透指在氣體淨化過程中聚合物分離氣體是基於一個或多個氣體組分從膜的一邊選擇性的滲透到另一邊。該組分溶解於聚合物膜的表面，並沿著膜傳遞形成一濃度差，保持此濃度差是靠膜一邊組分的分壓高於膜另一邊該組分的分壓。
氣體常用法定計量單位
根據一九八四年二月二十七日國務院《關於在我國統一實行法定計量單位的命令》編制
法定計量單位：SI單位
法定計量單位：非國際單位制的單位
量的名稱 | 量的符號 | 單位符號 | 單位符號 | 備註 |
長度 | l(L) | 米 | m | SI基本單位 |
海里 | n mile | 1n mile=1852m | ||
埃 | A | 1A=10-10m | ||
質量/重量 | m | 千克(公斤) | kg | SI基本單位 |
噸 | t | 1t=1000kg | ||
磅 | lb | 1lb=0.4536kg | ||
克拉 | 1克拉=2x10-4kg | |||
時間 | t | 秒 | s | SI基本單位 |
分 | min | 1 min=60s | ||
[小]時 | h | 1 h=3600s | ||
天(日) | d | 1 d=84600s | ||
電流 | I | 安[培] | A | SI基本單位 |
速度 | u,v,w,c | 米/秒 | m/s | SI基本單位 |
力/重力 | F,W,(P、G) | 牛[頓] | N | SI基本單位 |
達因 | dyn | 1 dyn=10-5N | ||
千克力，(公斤力) | kgf | 1 kgf=9.80665x103N | ||
噸力 | tf | 1 tf=9.80665x103N |
