新型变压吸附制氮装置和制氮系统的制作方法

本实用新型涉及气体制备技术领域，特别是涉及新型变压吸附制氮装置和制氮系统。

背景技术：

变压吸附基本原理是利用吸附剂对吸附质在不同压力下具有不同的吸附容量，并且在一定压力下对被分离的气体混合物各组分具有选择吸附的特性。在吸附剂选择吸附的条件下，加压吸附除去原料其中杂质组分，减压脱吸这些杂质而使吸附剂获得再生，因此可以将空气中的氮气进行分离，用来制备氮气。但现有的变压吸附制氮领域需要的空气压力高(≥0.5mpa)，且一套新型变压吸附制氮系统，通常需要空气压缩机、冷干机、三级过滤器、空气储罐、两个吸附塔、一个氮气储罐等设备，空气压缩机运行成本高。且还需要定期更换压缩机配件和过滤器、空气储罐、氮气储罐、吸附塔也需要定期做压力容器检测，维护保养成本高。

技术实现要素：

基于此，有必要针对如何降低制氮成本的问题，提供一种新型变压吸附制氮装置和制氮系统。

一种新型变压吸附制氮装置，包括：第一吸附塔、第二吸附塔、真空泵、第一限流孔板、供气机、氮气罐和阀门组；所述阀门组包括：第一进气阀、第二进气阀、第一出气阀、第二出气阀、第一排气阀和第二排气阀；

所述第一吸附塔的进气口通过所述第一进气阀与所述供气机连通，所述第一吸附塔的进气口通过所述第一排气阀与所述真空泵连通，所述第一吸附塔的出气口通过所述第一出气阀与所述氮气罐连通；

所述第二吸附塔的进气口通过所述第二进气阀与所述供气机连通，所述第二吸附塔的进气口通过所述第二排气阀与所述真空泵连通，所述第二吸附塔的出气口通过所述第二出气阀与所述氮气罐连通；

所述第一限流孔板设置在所述第一吸附塔和所述第二吸附塔之间，且所述第一吸附塔的出气口通过所述第一限流孔板与所述第二吸附塔的出气口连通，当所述第一吸附塔吸附时，所述第一限流孔板用于辅助所述第二吸附塔中吸附剂再生，当所述第二吸附塔吸附时，所述第一限流孔板用于辅助所述第一吸附塔中吸附剂再生。

在其中一个实施例中，所述第一限流孔板以可拆卸连接的方式设置在所述第一吸附塔和所述第二吸附塔之间。

在其中一个实施例中，所述第一限流孔板设置为：使所述第一吸附塔或所述第二吸附塔进行一次吸附的过程中，通过所述第一限流孔板的气体的流量占所制得的气体的总量的3％-7％。

在其中一个实施例中，所述阀门组还包括第一均压阀和第二均压阀；所述第一吸附塔的进气口通过所述第一均压阀与所述第二吸附塔的进气口连通；所述第一吸附塔的出气口通过所述第二均压阀与所述第二吸附塔的出气口连通。

在其中一个实施例中，所述第一吸附塔的进气口和所述第二吸附塔的进气口之间设置有第二限流孔板，且所述第二限流孔板与所述第一均压阀串联。

在其中一个实施例中，所述第一吸附塔的出气口和所述第二吸附塔的出气口之间设置有第三限流孔板，且所述第三限流孔板与所述第二均压阀串联。

在其中一个实施例中，所述阀门组还包括：第三排气阀和第四排气阀，所述第三排气阀和所述第四排气阀彼此并联；

所述第三排气阀分别与所述第一排气阀和所述第二排气阀串联，用于将通过所述第一排气阀和所述第二排气阀的气体排到外界；

所述第四排气阀分别与所述第一排气阀和所述第二排气阀串联，用于使所述第一吸附塔通过所述第一排气阀与所述真空泵连通，使所述第二吸附塔通过所述第二排气阀与所述真空泵连通。

在其中一个实施例中，所述供气机为高压变频风机。

一种新型变压吸附制氮系统，包括上述的新型变压吸附制氮装置和密闭空间，所述新型变压吸附制氮装置的所述供气机与所述密闭空间的出气口连通，所述新型变压吸附制氮装置的所述氮气罐与所述密闭空间的进气口连通。

在其中一实施例中，上述新型变压吸附制氮系统还包括第三进气阀和第四进气阀，所述第三进气阀设置在所述供气机和所述密闭空间的出气口之间，用于控制所述密闭空间内的气体进入所述供气机；

所述第四进气阀与所述第三进气阀并联，用于控制外界的空气进入所述供气机。

上述新型变压吸附制氮装置一方面采用真空泵来控制第一吸附塔和第二吸附塔内压力，辅助吸附剂再生，提高吸附剂吸附效率，降低体系压力，进而降低设备要求，延长设备使用寿命，降低生产成本。另一方面上述新型变压吸附制氮装置设置了第一限流孔板，由于一个吸附塔在吸附，另一个吸附塔再生时，两个吸附塔之间存在一定的压力差，会迫使吸附的吸附塔中的气体通过第一限流孔板，以一定的流速进入再生的吸附塔中，进而对再生吸附塔中吸附剂进行吹扫，能够进一步辅助催化剂再生，提高吸附剂的使用寿命。

另外，第一限流孔板结构简单，成本较低，且孔径较易控制，仅需根据氮气产气量、吸附剂装填量、氮气纯度等，在调试时，对孔径进行调节即可实现精确气体流量的控制。相比于针阀和截止阀等阀门控制能够大幅度地提高气体流量的精度，避免气流过大造成浪费，气流过小无法达到辅助吸附剂再生的目的，进而导致下个循环氮产量减少，且其还可以避免运输途中阀门开度偏移而影响设备精度。

附图说明

图1为一实施方式的新型变压吸附制氮装置示意图；

图2为图1所示新型变压吸附制氮装置中的第一限流孔板的示意图；

图3为一实施方式的新型变压吸附制氮系统示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将对本实用新型进行更全面的描述，并给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本实用新型一实施方式的新型变压吸附制氮装置10包括：第一吸附塔100、第二吸附塔200、真空泵300、第一限流孔板400、供气机500、氮气罐600和阀门组700；阀门组700包括：第一进气阀701、第二进气阀702、第一出气阀703、第二出气阀704、第一排气阀705和第二排气阀706。

可理解的，第一吸附塔100和第二吸附塔200内设置有用于吸附杂质的吸附剂，吸附剂可以采用现有的制氮吸附剂，例如碳分子筛等，在此不做特别限定。真空泵300、供气机500和氮气罐600可以采用本领域的常规设备，在此不做特别限定。在一实施例中，供气机500为高压变频风机，使用高压变频风机，在相同功率下能提供更大的风量，可以降低投资成本和维护运行成本。

供气机500为第一吸附塔100和第二吸附塔200提供压力，可以根据需要对压力进行调节。在一实施例中，供气机500提供的压力为0.2bar-1bar。此外，第一吸附塔100、第二吸附塔200和氮气罐600内压力≤1bar，不用执行压力容器标准，可以降低制造和维护成本。

第一吸附塔100的进气口101通过第一进气阀701与供气机500连通，第一吸附塔100的进气口101通过第一排气阀705与真空泵300连通，第一吸附塔100的出气口102通过第一出气阀703与氮气罐600连通。

第二吸附塔200的进气口201通过第二进气阀702与供气机500连通，第二吸附塔200的进气口201通过第二排气阀706与真空泵300连通，第二吸附塔200的出气口通过第二出气阀704与氮气罐600连通。

可理解，相互连通的阀门之间，以及阀门与其连通的设备之间设置有相应的管道，管道的材质及其口径大小可以采用常规设置。此外，各阀门可以采用电控、磁动、电-磁动、气控等阀门，在此不做特别限定。

第一限流孔板400设置在第一吸附塔100和第二吸附塔200之间，且第一吸附塔100的出气口102通过第一限流孔板400与第二吸附塔200的出气口202连通，当第一吸附塔100吸附时，第一限流孔板400用于辅助第二吸附塔200中吸附剂再生，当第二吸附塔200吸附时，第一限流孔板400用于辅助第一吸附塔100中吸附剂再生。

其中，第一限流孔板400可以采用可拆卸连接的方式设置在第一吸附塔100和第二吸附塔200之间。通过采用可拆卸连接的方式，可以方便根据制氮需求对第一限流孔板400进行更换，以保证气流的精确调节。如图2所示，第一限流孔板400包括基体401，且基体上开设有至少一个限流孔402，限流孔的截面形状无特别限定，可以为任意规则或不规则形状。在一实施例中，第一限流孔板400设置为：第一吸附塔100或第二吸附塔200进行一次吸附的过程中，通过第一限流孔板400的气体的流量占所制得的气体的总量的3％-7％，以避免气体浪费的同时，最大限定促进吸附剂再生。

在一实施例中，制氮纯度为99.5％，制氮流量是22m³/小时-28m³/小时，单位时间内通过第一限流孔板400的气体流量为：0.70m³/小时-0.80m³/小时。在一实施例中，制氮纯度为99.5％，制氮流量是25m³/小时，单位时间内通过第一限流孔板400的气体流量为：0.75m³/小时。

在一实施例中，限流孔为圆形，可以根据氮气产气量、吸附剂装填量、氮气纯度等对限流孔的孔径和数目进行调节，以在避免浪费气体的同时，促进吸附剂的再生。在一实施例中，限流孔的直径为0.9mm-1.3mm。此外，当第一限流孔板400上开设有数个限流孔时，各限流孔的排列方式无特别限定。

第一限流孔板400的基体401可以采用任意可以材质。在一实施例中，基体401为钢板。

此外，阀门组700还包括第一均压阀707和第二均压阀708；第一吸附塔100的进气口101通过第一均压阀707与第二吸附塔200的进气口201连通；第一吸附塔100的出气口102通过第二均压阀708与第二吸附塔200的出气口202连通。

通过设置第一均压阀707和第二均压阀708可以实现第一吸附塔100和第二吸附塔200的均压，回收部分气体的同时降低真空泵的负担，在提高氮气纯度的同时降低生产成本。

此外，可以在第一吸附塔100的进气口101和第二吸附塔200的进气口201之间设置第二限流孔板800，且第二限流孔板800与第一均压阀707串联，可以在第一吸附塔100的出气口102和第二吸附塔200的出气口202之间设置第三限流孔板900，且第三限流孔板900与第二均压阀708串联。

需要说明的是，第二限流孔板800和第三限流孔板900可以任选设置一个或两个，在此不做特别限定。通过设置第二限流孔板800和第三限流孔板900，分别与第一均压阀707和第二均压阀708配合，使一方吸附塔的气体稳定的进入另一方吸附塔中，防止气流冲击过快而影响吸附剂的吸附作用，通常吸附剂在吸附气体的时候需要一定的时间，如果快速进入吸附塔，会导致低纯度氮气进入吸附塔更高床层，影响下一次吸附剂吸附。且仅需对第二限流孔板800和第三限流孔板900的孔径大小和数目进行调节，即可实现均压的同时，对气流速度的精确调节，无需额外增加生产成本。此外，还能避免第一均压阀707和第二均压阀708阀门偏移等导致的气流速度不均一的问题，同时也可以降低对均压阀进行校准维修等的频率。

在一实施例中，第一吸附塔100或第二吸附塔200进行一次吸附的过程中，通过第二限流孔板800和/或第三限流孔板900的气体的流量占所制得的气体的总量的2％-10％，优选3％-6％。

可以根据氮气产气量、吸附剂装填量、氮气纯度等对第二限流孔板800和第三限流孔板900的限流孔的孔径和数目进行调节，以在避免气体浪费的基础上，降低真空泵的负担。

另外，阀门组400还可以包括：第三排气阀709和第四排气阀710，第三排气阀709和第四排气阀710彼此并联。其中，第三排气阀709分别与第一排气阀705和第二排气阀706串联，用于将通过第一排气阀705和第二排气阀706的气体排到外界。第四排气阀710分别与第一排气阀705和第二排气阀706串联，用于使第一吸附塔100和第二吸附塔200分别通过第一排气阀705和第二排气阀706与真空泵300连通。其中，第四排气阀710可以为气动阀，在此不做特别限定。

通过设置用于与外界连通的第三排气阀709和与真空泵300连通的第四排气阀710，可以在启动真空泵300之前将吸附塔与外界连通，将压力降到一定值后再与真空泵300连通，可以有效地降低真空泵300的负担，提高真空泵300的使用寿命，降低维修成本。

再者，阀门组400还可以包括第三出气阀711和第四出气阀712，第三出气阀711分别与第一出气阀703和第二出气阀704串联，用于控制从第一出气阀703或第二出气阀704排除的气体进入氮气罐600。第四出气阀712设置在氮气罐600的出气口，用于将氮气罐600内气体排到所需空间。

此外，各阀门之间可以设置流量计，用于监控气流。在一实施例中，第三出气阀711和氮气罐600之间设置有流量计1000。低压空气经过第一吸附塔100或第二吸附塔200，通过对各阀门的控制，进而控制氮气产出流量，降低空气经过吸附塔的流速，保证第一吸附塔100或第二吸附塔200内有一定的压力(0.2～0.8bar，根据需要调整压力)经过流量计1000，进而进入氮气罐600，再通过第四出气阀712控制对外供氮气流量，保证氮气罐600具有一定的正压。

需要说明的是，上述具有相同功能的阀门的数量无特别限定，可以根据实际需求，将两个或两个以上的具有相同功能的阀门串联，以提高气流的控制精度。

上述新型变压吸附制氮装置10一方面采用真空泵300来控制第一吸附塔100和第二吸附塔200内压力，辅助吸附剂再生，提高吸附剂吸附效率，且降低体系的吸附压力，进而降低设备要求，延长设备使用寿命，降低生产成本。另一方面上述新型变压吸附制氮装置10设置了第一限流孔板400，

由于一个吸附塔在吸附，另一个吸附塔再生时，两个吸附塔之间存在一定的压力差，会迫使吸附的吸附塔中的气体通过第一限流孔板400，利用第一限流孔板400的限流作用，氮气以一定的流速进入再生的吸附塔中，进而对再生吸附塔中吸附剂进行吹扫，使吸附剂能够尽可能的脱附氧气，在下一个吸附周期能够吸附更多的氧气，提高吸附剂的使用寿命。

此外，第一限流孔板400结构简单，成本较低，且孔径较易控制，仅需根据氮气产气量、吸附剂装填量、氮气纯度等，在调试时，对孔径进行调节即可实现精确气体流量的控制。相比于针阀和截止阀等阀门控制能够大幅度地提高气体流量的精度，避免气流过大造成浪费，气流过小无法达到辅助吸附剂再生的目的，进而导致下个循环氮产量减少，且其还可以避免运输途中阀门开度偏移而影响设备精度。上述新型变压吸附制氮装置10可以在较低的压力下(≤0.5bar)工作，可以降低设备要求，减少制造和维护成本。

本实用新型一实施方式的制氮的方法，包括以下步骤：

s101：供气，具体地：开启供气机500，为系统提供压缩气体。

在一实施例中，供气机为高压变频风机，空气压强为0.2-1bar。可以根据需要调整风机频率，以提供不同压力和风量的气体。其中，气体来源可以为大气或如储藏室等密闭空间。

第一吸附塔100吸附，第二吸附塔200再生，具体包括以下步骤：

(1)打开第一进气阀701和第一出气阀703，使第一吸附塔100吸附。同时打开第二排气阀706和第三排气阀709，关闭第四排气阀710，使第二吸附塔200内压力降到0bar。

(2)关闭第三排气阀709，打开第四排气阀710，由于第二吸附塔200内压力是0bar，可以降低真空泵300的负担，延长真空泵300的使用寿命。开启真空泵300，使第二吸附塔100内压力降低至小于或等于-0.85bar，使第二吸附塔100再生。

可理解的是可以省略步骤(1)中的第三排气阀709，直接打开第四排气阀710。因为设置了第三排气阀709，可以降低第二吸附塔200的压力到0bar，降低进入真空泵的气体压力，可以降低真空泵300的负担，延长真空泵寿命，减少真空泵的维修成本。

(3)再生结束后，关闭第一进气阀701、第一出气阀703、第二排气阀706。

s102：均压，具体地包括以下步骤：

打开第一均压阀707和第二均压阀708，使第一吸附塔100和第二吸附塔200内气压平衡。

可理解的可以省略步骤s102直接进行第二吸附塔200吸附，第一吸附塔100再生的步骤，通过均压的步骤可以回收部分气体，进一步降低生产成本。

s103：供气，具体地：开启供气机，提供气体。

该步骤同步骤s101，在此不再进行赘述。

第二吸附塔200吸附，第一吸附塔100再生，具体包括以下步骤：

(1)打开第二进气阀702和第二出气阀704，使第二吸附塔200吸附。同时打开第一排气阀705和第三排气阀709，关闭第四排气阀710，使第一吸附塔100内压力降到0bar。

(2)关闭第三排气阀709，然后打开第四排气阀710，由于第一吸附塔100内压力是0bar，可以降低真空泵300的负担，延长真空泵300的使用寿命。开启真空泵300，使第一吸附塔100内压力降低至小于或等于-0.85bar，使第一吸附塔100再生。

可理解的是可以省略步骤(1)中的第三排气阀709，直接打开第四排气阀710。因为设置了第三排气阀709，可以降低第一吸附塔100的压力到0bar，降低进入真空泵的气体压力，可以降低真空泵300的负担，延长真空泵寿命，减少真空泵的维修成本。

(3)再生结束后，关闭第二进气阀702、第二出气阀704、第一排气阀705。

s104：打开第一均压阀707和第二均压阀708，使第一吸附塔100和第二吸附塔200内气压平衡。

该步骤与步骤s102相同，在此不再赘述。

s105：依次循环进行n次上述步骤s101-s104，n为大于或等于0的整数。

如此反复循环可以持续不断的制备氮气。

上述实施例中各步骤的阀门开启关闭状况如表1所示。

注：表1中off表示关闭、on表示开启。

如图2所示，本实用新型一实施方式的新型变压吸附制氮系统，包括上述的新型变压吸附制氮装置10和密闭空间20，新型变压吸附制氮装置10的供气机500与密闭空间20的出气口连通，新型变压吸附制氮装置10的氮气罐600与密闭空间20的进气口连通。

其中，密闭空间20是指需要提供氮气的储藏库等，例如食品保鲜车间等。通过将密闭空间20与新型变压吸附制氮装置10连通，使密闭空间20中的气体通过供气机500进入新型变压吸附制氮装置10，新型变压吸附制氮装置10产生的氮气通过氮气罐600进入密闭空间20，形成一个循环的过程，如此反复，不仅保证密闭空间20对氮气的需求，同时新型变压吸附制氮装置10对密闭空间内空气不停进行置换，当装置运行时间越久时，密闭空间20内的氮气浓度越来越高，供气机500提供的压缩空气的氮气纯度也越来越高，制造同等流量氮气时，新型变压吸附制氮装置10产生氮气纯度就越高，即产氮流量越高。

新型变压吸附制氮装置10与上述结构和连接方式相同，在此不做赘述。

在一实施例中，上述新型变压吸附制氮系统还包括第三进气阀713和第四进气阀714，第三进气阀713设置在供气机500和密闭空间20的出气口之间，用于控制密闭空间20内的气体进入供气机500。第四进气阀714与第三进气阀713并联，用于控制外界的空气进入供气机500。

通过第三进气阀713和第四进气阀714的配合，来保证密闭空间20内的压力。例如第三进气阀713和第四进气阀714采用互锁的方式，当第三进气阀713打开，第四进气阀714关闭；当第四进气阀714关闭，第三进气阀713打开，如此通过控制第三进气阀713和第四进气阀714的打开和关闭时间，来保证密闭空间20内的最低压力和最高压力，使进入密闭空间20内的氮气流量等于通过第三进气阀713到供气机500的流量。故也可以预设密闭空间20内压力，来调节第三进气阀713和第四进气阀714的打开时间，实现自动化控制。

本实用新型一实施例的新型变压吸附制氮系统制氮的方法，包括以下步骤：

s201：供气，具体地：根据密闭空间20中压力状况，选择性开启第三进气阀713或第四进气阀714，使密闭空间或外界的气体通过供气机500，利用供气机50的作用，提供具有一定压力的气体。

在一实施例中，供气机为高压变频风机，空气压强为0.2-1bar。可以根据需要调整风机频率，以提供不同压力和风量的气体。其中，气体来源可以为大气或如储藏室等密闭空间。

第一吸附塔100吸附，第二吸附塔200再生，具体包括以下步骤：

(1)打开第一进气阀701和第一出气阀703，使第一吸附塔100吸附。同时打开第二排气阀706和第三排气阀709，关闭第四排气阀710，使第二吸附塔200内压力降到0bar。

(2)关闭第三排气阀709，打开第四排气阀710，由于第二吸附塔200内压力是0bar，可以降低真空泵300的负担，延长真空泵300的使用寿命。开启真空泵300，使第二吸附塔100内压力降低至小于或等于-0.85bar，使第二吸附塔100再生。

可理解的是可以省略步骤(1)中的第三排气阀709，直接打开第四排气阀710。因为设置了第三排气阀709，可以降低第二吸附塔200的压力到0bar，降低进入真空泵的气体压力，可以降低真空泵300的负担，延长真空泵寿命，减少真空泵的维修成本。

(3)再生结束后，关闭第一进气阀701、第一出气阀703、第二排气阀706。

s202：均压，具体地包括以下步骤：

打开第一均压阀707和第二均压阀708，使第一吸附塔100和第二吸附塔200内气压平衡。

可理解的可以省略步骤s202直接进行第二吸附塔200吸附，第一吸附塔100再生的步骤，通过均压的步骤可以回收部分气体，进一步降低生产成本。

s203：供气，具体地：

根据密闭空间20中压力状况，选择性开启第三进气阀713或第四进气阀714，使密闭空间或外界的气体通过供气机500，利用供气机50的作用，提供具有一定压力的气体。

该步骤同步骤s201，在此不再进行赘述。

第二吸附塔200吸附，第一吸附塔100再生，具体包括以下步骤：

(1)打开第二进气阀702和第二出气阀704，使第二吸附塔200吸附。同时打开第一排气阀705和第三排气阀709，关闭第四排气阀710，使第一吸附塔100内压力降到0bar。

(2)关闭第三排气阀709，然后打开第四排气阀710，由于第一吸附塔100内压力是0bar，可以降低真空泵300的负担，延长真空泵300的使用寿命。开启真空泵300，使第一吸附塔100内压力降低至小于或等于-0.85bar，使第一吸附塔100再生。

可理解的是可以省略步骤(1)中的第三排气阀709，直接打开第四排气阀710。因为设置了第三排气阀709，可以降低第一吸附塔100的压力到0bar，降低进入真空泵的气体压力，可以降低真空泵300的负担，延长真空泵寿命，减少真空泵的维修成本。

(3)再生结束后，关闭第二进气阀702、第二出气阀704、第一排气阀705。

s204：打开第一均压阀707和第二均压阀708，使第一吸附塔100和第二吸附塔200内气压平衡。

该步骤与步骤s202相同，在此不再赘述。

s205：依次循环进行n次上述步骤s201-s204，n为大于或等于0的整数。

如此反复循环可以持续不断的制备氮气。当新型变压吸附制氮装置10运行时间越久时，密闭空间20内的氮气浓度越来越高，供气机提供的压缩气体的氮气纯度也越来越高，制造同等流量氮气时，新型变压吸附制氮装置产生氮气纯度就越高，即产氮流量越高。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。