节能型模块式变压吸附制氮系统及其控制流程的制作方法

本发明涉及气体分离与净化设备技术领域，特别是涉及一种利用变压吸附操作原理生产氮气的节能型模块式变压吸附制氮系统及其控制流程，也可利用于其他变压吸附设备，例如氧气机，氢气机等。

背景技术：

采用气体分离工艺可将空气中的氮气和氧气分离的方式生产氮气，通常使用一种特殊处理过的活性碳即碳分子筛分离空气。碳分子筛的孔径在氮气和氧气分子的直径范围内，由于氧分子比氮分子体积小，因此先被吸附在碳分子筛表面。氮分子通过分子筛床层排出进入储罐达到制氮的目的，氧分子通过设备解吸排放到大气内，达到分子筛再生的目的。

习用的变压吸附制氮的流程如图1所示，由界外送来的空气经过压缩机导入净化装置，包括冷干机或吸附式干燥机、过滤器与活性炭吸附罐等组成，以便除去压缩空气中的大部分油、水和灰尘，然后进入缓冲用空气槽。空气槽中的压缩空气即为商用变压吸附制氮机的进气，活性炭吸附罐为装有活性炭吸附剂的压力容器，安装在吸附筒的前端，发挥保护分子筛的作用，以避免污染分子筛。

接着压缩空气从下到上流经吸附筒，吸附筒内充满了碳分子筛，气体通过时氧分子和氮分子在碳分子筛表面吸附。由于分子直径不同，氧分子吸附在碳分子筛表面多于氮分子。根据流经吸附筒空气的速度，大多数氧分子被吸附，氮分子由吸附塔上端流出进入氮气槽。经过一段时间吸附后，碳分子筛被所吸附的氧分子饱和需进行再生，再生是通过降压解吸予以实现。由于碳分子筛在低压时不能再吸附气体分子，大多数分子在降压时被排空。此种过程称为脱附，排空时释出的气体经过消音器排出，以免产生扰人的噪音。

为达到连续供气，通常采用双塔式操作，如图1所示，即使用两个吸附筒a与b，在吸附筒a处于吸附状态时，吸附筒b为脱附状态，并且利用时间控制与切换，两筒互相转换为吸附与脱附状态。至于变压吸附制氮机生产的氮气则流入氮气槽，以供工厂制程使用。

为达到标准化，弹性组合，通常可采用图2所示的多组子机组成的模块化制氮机。图2系由四个变压吸附制氮子机组成，可共享控制系统与氮气槽。控制系统可按流量与纯度等设定，启动子机操作数量。通常在氮气储槽后端设置一个氧分仪，当氧气含量超标时，就会发出警报，以及采取将氮气排空的动作，如此不合格的氮气就不会进入客户端使用氮气的装置。

由于制氮机工作是周期性的，主要分为吸附时间和均压时间，在吸附时间内需有大量压缩空气进入制氮机，而当在均压时间时，制氮机无需进入空气，也不产生氮气。此时，空压机仍在产生压缩空气，当压缩空气压力达到空压机卸载压力时，空压机就处于卸载状态。一般吸附时间和均压时间在50s和3s左右，即加载时间为50s而卸载时间约为3s，不断循环，而模块式变压吸附制氮机系统由多组子机组成，间隔吸附与均压，使得空压机加载卸载时间更短且更过于频繁。空压机的频繁切换存在以下问题：（1）总体消耗电能过大；（2）启动时，瞬间电流过大，影响电网安全；（3）空压机各部件快速损伤，影响空压机使用寿命与缩短耗材更换时间，增加耗材更换次数，影响压缩空气品质，增加空气预处理单元处理负荷与寿命；（4）压缩空气压力波动幅度大，影响管网安全。

另外，由于节能减碳已经是政府的政策，也是产业降低生产成本的共同要求，因此改善模块化变压吸附制氮系统的节能设计与应用，以节省所消耗的能源，亦即达到节能的效果，就成为急需解决的课题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：为了解决模块式变压吸附制氮机节能减碳的问题，本发明提供一种节能型模块式变压吸附制氮系统及其控制流程，以节省所消耗的能源，亦即达到节能的效果。

本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种节能型模块式变压吸附制氮系统，包括空压机、空气储罐和至少两组变压吸附制氮子机，所述空压机输出的压缩空气一路通过管路直接连接至变压吸附制氮子机，另一路通过管路经过空气储罐连接至变压吸附制氮子机，且所述空气储罐入口端的管路上设有自动阀门a，与变压吸附制氮子机连接的管路上设有阀门c。

进一步，为了避免空气储槽内压力过高，还包括自动阀门b，所述自动阀门b设置在所述空气储罐引出的管路上，能够使空气储罐内的压缩空气放空。

优选的，所述自动阀门a和自动阀门b为机械式阀门或电磁阀，所述阀门c为单向阀。其中，自动阀门a和自动阀门b上还可自带定位器控制。

优选的，所述变压吸附制氮子机为偶数个，例如二个、四个、六个、八个等。

进一步，还包括与所述变压吸附制氮子机连接的氮气储罐，且所述变压吸附制氮子机共用一个氮气储罐。

进一步，为了保证用户用气点的氮气浓度满足要求，还包括氧分仪，所述氧分仪设置在氮气储罐的后端。通过氧分仪实时监测输出的氮气浓度，反馈给制氮机的控制单元，以调整压缩空气的进气量。

进一步，为了使进入制氮机的压缩空气含水量、含油量、颗粒杂质粒径较低，还包括空气预处理单元，所述空气预处理单元的入口端与空压机的出口端连接，所述空气预处理单元的出口端分别连接至空气储罐和变压吸附制氮子机前端的管路上。压缩空气在进入空气储罐和变压吸附制氮子机之前，首先经过空气预处理单元，对压缩空气进行脱水除油及除尘等处理。一种节能型模块式变压吸附制氮系统的控制流程，包括以下步骤：

开机启动制氮机，至少有一组变压吸附制氮子机进入工作状态，此时，空压机将外界的空气进行压缩，经管路直接输送至变压吸附制氮子机，开始进行吸附制氮；

在吸附过程中，随着吸附时间的延长，管路中的压力逐渐上升，当管路中压力p满足：p＞p1且p1＜p0时，自动阀门a打开，使多余的压缩空气通过自动阀门a进入空气储槽储存起来，其中，p1为最佳吸附压力，p0为空压机的卸载压力；其中，自动阀门a为机械式阀门或电磁阀，通过机械式调整入口压力感知，自动调整自动阀门a的开度，或者通过监控管路中压力大小通过控制器调节电磁阀的开度。一方面使多余的压缩空气进入空气储槽，避免管路中压力过高使空压机频繁卸载；另一方面保证管路1中的压力。

当进入工作状态的变压吸附制氮子机数量增加时，此时需要的压缩空气量会增加，为了尽快使变压吸附制氮子机中压力达到最佳吸附压力p1，在直接提供压缩空气的基础上，同时将空气储槽内的压缩空气也提供给变压吸附制氮子机；管路和空气储槽可同时快速向模块式变压吸附制氮机系统提供大量压缩空气，使子机在很短时间内达到最佳吸附压力p1，从而能提高制氮机的产能，反之亦可减小空压机型号，以达到节能的效果。

当进入工作状态的变压吸附制氮子机数量减少时，需要的压缩空气量会减少，为了使管路中压力尽快达到最佳吸附压力，此时，多余的压缩空气通过自动阀门a进入空气储槽储存起来。

进一步，当有工作状态的子机减少时，空压机有大量富裕的空气进入空气储槽，增加了空气储槽压力，可能会导致空压机卸载，此时可利用自动阀门b（阀门工作原理同自动阀门a）使压缩空气放空。具体判断标准为：当进入空气储槽的压缩空气的压力p2满足：p2≥p0时，空气储槽进入泄压状态，p0为空压机的卸载压力。

进一步，所述自动阀门a的开度根据管路中压力p进行自动调节。压力p越大，开度越大，压力p越小，开度越小。

通过以上调整，使得压缩空气管网压力平稳，波动小，充分利用空压机的有效功，更加发挥了模块式变压吸附制氮机系统的节能优势。

模块式变压吸附制氮机系统中，空压机的进料空气在吸附塔均压操作时供应给空气储槽，在吸附塔吸附时则与空气储槽同时供应给吸附塔，如此可减少空压机的卸载时间，减少空压机的启动耗能，达到模块化变压制氮机节能的效果。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种节能型模块式变压吸附制氮系统及其控制流程，空压机的进料空气在吸附塔均压操作时供应给空气缓冲槽，在吸附塔吸附时则与空气缓冲槽同时供应给吸附塔，如此可减少空压机的卸除时间。可以减少空压机的启动耗能，达到模块化变压制氮机节能的效果。同时，此种发明的结构简单、制造容易与安装方便。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是习知的变压吸附氮气机流程。

图2是传统模块化变压吸附制氮的流程。

图3是本发明的变压吸附制氮的流程。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图3所示，本发明的一种节能型模块式变压吸附制氮系统，包括空压机、空气预处理单元、空气储罐、n组变压吸附制氮子机（n≥2）以及氮气储罐，其中，n组变压吸附制氮子机并行设置，采用同一气源提供压缩空气，并且共用一个氮气储罐，优选，变压吸附制氮子机为偶数个，例如二个、四个、六个、八个等。

空压机通过管路连接至空气预处理单元，空气预处理单元的输出分为两路，一路通过管路1直接连接至n组变压吸附制氮子机，另一路通过管路2连接至空气储罐，空气储罐通过管路3再连接至n组变压吸附制氮子机，且管路2上设置自动阀门a，管路3上设置单向阀c，空气储罐上还设置自动阀门b用于使空气储罐与外界连通，达到空气储罐内压缩空气放空的目的。其中，空气预处理单元包括但不限于冷干机加过滤器的组合，对压缩空气进行脱水除油及除尘处理；优选的，自动阀门a和自动阀门b为机械式阀门或电磁阀，阀门c为单向阀。

为了保证用户用气点的氮气浓度满足要求，还包括氧分仪，所述氧分仪设置在氮气储罐的后端。通过氧分仪实时监测输出的氮气浓度，反馈给制氮机的控制单元，以调整压缩空气的进气量。

空压机输出的压缩空气首先通过管路输送至空气预处理单元进行脱水除油及除尘，然后经过脱水除油及除尘的压缩空气，一路通过管路1直接连接至变压吸附制氮子机，另一路通过管路2经过空气储罐输送至变压吸附制氮子机，管路1和管路2的前端是连通的，管路1和管路2前端的压力同时增减，自动阀门a根据管路2内压缩空气压力的大小自动调节开度，控制进入空气储罐的压缩空气量，单向阀c根据工作的变压吸附制氮子机数量的增减，确定是否由管路1和空气储罐同时提供压缩空气。为了避免空气储槽内压力过高，还包括自动阀门b，所述自动阀门b设置在所述空气储罐引出的管路上，能够使空气储罐内的压缩空气放空。

针对该系统的一种节能型模块式变压吸附制氮系统的控制流程，包括以下步骤：

启动制氮机，确定至少有一组变压吸附制氮子机进入工作状态，此时，由于刚刚开启制氮机，整个系统内处于常压状态，系统内压力小于空压机的卸载压力，空气储罐内也未储存多余的压缩空气。此时，空压机将外界的空气进行压缩，经过空气预处理单元脱水除油及除尘后经管路1直接输送至变压吸附制氮子机，开始进行吸附制氮；

在吸附过程中，随着吸附时间的延长，管路1中的压力逐渐上升，由于管路1和管路2连通，管路2中压力也随之上升，当管路2中压力p满足：p＞p1且p1＜p0时，管路2上自动阀门a打开，使多余的压缩空气通过自动阀门a进入空气储槽储存起来，其中，p1为最佳吸附压力，p0为空压机的卸载压力；本实施例中，自动阀门a为机械式阀门，通过机械式调整入口压力感知，自动调整自动阀门a的开度，一方面使多余的压缩空气进入空气储槽，避免管路中压力过高使空压机频繁卸载；另一方面保证管路1中的压力稳定。自动阀门a的开度根据管路中压力p进行自动调节。压力p越大，开度越大，压力p越小，开度越小。

当进入工作状态的变压吸附制氮子机数量增加时，此时需要的压缩空气量会增加，为了尽快使变压吸附制氮子机中压力达到最佳吸附压力p1，管路3上的单向阀c打开，使管路1和空气储罐同时将压缩空气提供给变压吸附制氮子机，可同时快速向模块式变压吸附制氮机系统提供大量压缩空气，使子机在很短时间内达到最佳吸附压力p1，从而能提高制氮机的产能，反之亦可减小空压机型号，以达到节能的效果。

当进入工作状态的变压吸附制氮子机数量减少时，需要的压缩空气量会突变减少，而空压机输入的空气量是逐渐减少的，无法立即平衡突变带来的管路内部压力增加，为了使管路中压力尽快回落至最佳吸附压力，此时，多余的压缩空气可以通过自动阀门a进入空气储槽储存起来，一方面可以快速降低管路中压力，避免空压机频繁卸载，另一方面当再有子机数量增加时可以快速补充管路内的压缩空气。

系统一直重复上述的循环。

当有工作状态的子机减少或者管路中压力升高时，空压机有大量富裕的空气进入空气储槽，增加了空气储槽压力，可能会导致空压机卸载，此时可利用自动阀门b（阀门工作原理同自动阀门a）使压缩空气放空。具体判断标准为：当进入空气储槽的压缩空气的压力p2满足：p2≥p0时，空气储槽进入泄压状态，p0为空压机的卸载压力。

通过以上调整，使得压缩空气管网压力平稳，波动小，充分利用空压机的有效功，更加发挥了模块式变压吸附制氮机系统的节能优势。本实施例中控制单元对阀门的控制通过已知的方式是可以实现的，属于现有技术。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。