工业生产过程中通常需要可靠的高纯氮气供应，用于惰性气体保护、气体保护和其他关键功能。现场制氮可以避免钢瓶或散装氮气运输的成本和物流问题。两种主要的现场制氮技术是变压吸附 (PSA) 和膜分离，各有优缺点。选择合适的现场制氮机取决于所需的氮气纯度、流量和运行条件。
工作原理
PSA 氮气发生器利用吸附作用分离气体。两个压力容器内装有碳分子筛 (CMS)。洁净的压缩空气（通常为 6–10 bar）被送入其中一个容器；CMS 选择性地吸附氧气、水分和其他痕量气体，使氮气作为产物排出。当一个容器达到饱和状态时，气流切换到第二个容器，第一个容器则被减压并排出气体。交替进行这些循环即可持续供应氮气。
膜式制氮机利用半透性聚合物纤维从空气中分离氮气。压缩空气（通常为 6-8 巴）流经一束中空纤维。氧气和水蒸气等小分子穿过纤维壁并排出，而氮气扩散速度较慢，最终以浓缩产物的形式排出。通过背压调节器控制渗透气体的排出量，从而设定目标氮气纯度。该过程连续进行，无周期性压力波动，可立即稳定地输出氮气。
PSA制氮机设计与运行
PSA系统采用空气压缩机、空气干燥器和过滤器，以及两个带有控制阀的CMS吸附床。进料空气经过干燥（通常干燥至露点-40°C）和过滤，以保护筛网。每个循环（10-60秒）中，一个吸附床在高压下吸附氧气，而另一个吸附床则在低压下进行吹扫。产生的氮气储存在储气罐中，以缓冲流量并满足需求高峰。PSA发生器可以以压缩机排气压力（通常高达8-10巴）或更高的压力（通过额外增压）输送氮气。
能耗取决于氮气的纯度和流量。在氮气纯度约为 95% 时，能耗约为每立方米/小时 0.2–0.4 千瓦；达到 99% 以上的纯度则需要更多的吹扫和更高的能耗。变压吸附 (PSA) 装置的规格范围很广，从小型台式装置（流量为几立方米/小时）到大型工业装置（流量为数百或数千立方米/小时）不等。维护工作包括定期更换碳筛（每隔几年一次）以及阀门和过滤器的维护。其优势在于能够可靠地供应超高纯度、大流量的氮气。
膜式制氮机的设计与运行
膜分离系统由压缩机和一个或多个中空纤维组件组成，仅需极少的空气过滤（无需干燥剂干燥器）。进料空气（6-8 巴）通过纤维，富氮浓缩液在受控压力（通常为 3-5 巴）下收集。
在膜内部，富氧渗透液被排出，而氮气则被截留。需要持续排出渗透液；增加排出量可以提高氮气纯度，但会降低产量。单级膜发生器通常可产生约 90–98% 的氮气。对于极高纯度（~99%），可以使用多级或混合系统。由于没有高压循环，因此启动时输出瞬时且平稳。日常维护极少（仅需更换滤芯）；膜组件的使用寿命通常为 5–10 年。在中等纯度下，能耗相对较低（95% 氮气时约为 0.1–0.3kW/Nm³），但随着纯度的提高，能耗也会增加。
PSA发生器与膜发生器的比较
| 特征 | PSA发生器 | Membrane Generator |
|---|---|---|
| N₂纯度 | 高达 99.9%–99.999% | 单阶段效率约为 90–98%；多阶段效率高达约 99–99.5%。 |
| 流量能力 | 范围极广：从实验室规模到 1000+Nm³/h | 中等：每单位最高可达几百立方米/小时 |
| 能源利用 | 中等至高；纯度越高，功率密度越高（例如，纯度为 95% 时约为 0.2–0.5kW/Nm³） | 中等纯度时较低；高纯度时急剧上升 |
| 维护 | 介质：更换筛网介质，维修阀门/过滤器 | 低：主要指滤芯更换；滤膜寿命长 |
| 启动时间 | 几分钟（需要压力积聚和循环） | <1分钟（连续、即时输出） |
| 脚印 | 规模更大（两座塔、管道、阀门） | 结构紧凑且模块化（膜盒） |
| Applications | 超高纯度需求（制药、电子、激光行业） | 通用惰性气体保护（覆盖、防火等） |
PSA发生器可提供最高纯度和最大产量的氮气，而膜装置则为中等纯度应用提供了一种简单、紧凑的解决方案。
应用及使用案例
- 半导体和电子行业：在晶圆制造和焊接过程中，需要使用超高纯度氮气（>99.99%）来防止氧化。现场PSA氮气发生器通常以高压和稳定的流量供应这种高品质氮气。
- 激光切割和金属加工：金属激光切割需要高压无氧氮气才能实现干净利落的切割。大型工厂使用变压吸附 (PSA) 系统来满足所需的纯度和流量；对于小型或便携式切割机，膜分离式氮气发生器即可满足要求。
- 食品饮料包装：氮气冲洗可置换包装食品和饮料中的氧气，从而延长保质期。大多数包装线需要约 99% 的氮气。PSA 发生器服务于大型包装作业，而小型生产线可能使用膜分离装置（95-98% 的氮气）以节省成本。
- Chemical and Petrochemical: Nitrogen is used to blanket reactors, tanks, and pipelines. For routine blanketing (~95% N₂), membrane generators are efficient. When very low oxygen is needed (e.g. in pharmaceutical or fine chemical processes), PSA systems provide the ultra-high-purity nitrogen.
- 石油与天然气：海上平台使用氮气进行吹扫和维护。紧凑型膜式氮气发生器常用于管线和储罐惰性气体填充（约95% N₂）。在大型陆上设施中，PSA系统可根据需要持续供应高纯度氮气。
这些例子表明，高纯度、高需求的应用有利于 PSA 技术，而中等纯度或分散式需求通常可以通过膜系统来满足。
设计考虑因素
现场制氮系统的关键因素包括：
- 压缩空气质量：洁净干燥的空气供应至关重要。PSA 机组通常需要露点约为 -40°C 且无油的空气来保护 CMS。膜式机组仅需基本过滤（去除油和颗粒物）。空气处理不当会降低性能并缩短使用寿命。
- 压力和储存：这两个系统通常使用约 6–8 bar 的进气压力。如果工艺需要更高压力的氮气（例如 >8 bar），则可能需要额外的增压器或压缩机。发生器后通常会配备一个储气罐来缓冲压力并满足峰值需求。
- 控制与监控：现代发生器采用自动化控制系统。PSA系统包含阀门，通常还配备氧传感器以维持水的纯度。膜分离系统则使用压力调节器。远程监控和诊断（工业4.0特性）可实现预测性维护和快速故障检测。
- 空间和安装：膜分离式除尘器结构紧凑，可安装在空间有限的场所。变压吸附式除尘器则需要更大的空间来容纳两个容器、管道和控制设备。两者都可以采用撬装式安装。请规划通风系统（用于排出压缩机热量和废气），并确保符合电气和安全要求。
- 安全：富氧废物必须安全排放。使用泄压阀，并考虑在封闭区域安装氧气传感器。氮气本身性质稳定，但会置换氧气，因此适当的通风至关重要。必须遵守压力容器和电气安全标准。
氮生成技术的最新趋势
- 自动化和智能控制： 新系统采用数字PLC控制，可实时监测纯度和流量，并具备远程连接功能。预测性维护警报（针对过滤器、筛网）可提高正常运行时间和效率。
- 先进材料与效率：改进的碳筛和膜材料提高了分离效率。现代设计以更低的能耗实现了所需的纯度。变速驱动和优化的吹扫循环进一步降低了能耗。
- 模块化和便携式系统：撬装式即插即用型发生器（压缩机、干燥机、发生器）简化了安装。便携式拖车或集装箱式装置可为偏远或临时场所提供氮气。紧凑型台式发生器适用于实验室和特殊应用。
- 可持续性和增长：与外送氮气相比，现场制氮可降低排放和成本。食品、制药、电子等行业正在采用氮气发生器来满足更严格的纯度标准和环保目标。市场预测显示，全球范围内现场制氮发生器的应用将强劲增长。
结论
变压吸附 (PSA) 和膜分离技术是现场制氮的互补解决方案。PSA 制氮机可生产纯度极高的氮气（高达 99.999%），并能满足极高的流量和压力要求，是先进工业应用的理想之选。膜分离制氮机结构更简单、更紧凑，可提供经济高效的氮气（通常纯度为 90-98%），适用于一般的惰性气体保护和保护作业。选择合适的制氮机以满足所需的纯度和流量，可确保可靠且经济高效的氮气供应。
