集成式制氮抽真空設(shè)備的設(shè)計

李根

上海韋航裝備科技有限公司（上海 201908）

長期以來，國內(nèi)外使用的制氮機沒有抽真空功能，制氮設(shè)備和抽真空設(shè)備通常為獨立產(chǎn)品，功能單一，不便于集中控制且使用不方便，存在整體設(shè)備占地面積較大、質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。針對該問題，設(shè)計了一種抽真空和制氮兩用的集成式設(shè)備，將抽真空及制氮功能融于一體，可將密閉容器中的空氣置換為氮氣，也可直接向用戶提供高純度（體積分數(shù)，下同）氮氣。

該設(shè)備可自行生產(chǎn)高純度氮氣，不需配備氮氣瓶，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，還具備先進的抽真空技術(shù)，且抽真空效率高、適用性強。抽真空和充氮氣工作程序均由可編程邏輯控制器（PLC）全自動控制，且每個工作環(huán)節(jié)均可根據(jù)需要任意進行選擇與調(diào)節(jié)，操作簡單。

1 工作原理及工藝流程

1.1 工作原理

經(jīng)壓縮機自身過濾器過濾后的空氣進入無油空氣壓縮機，加壓后的壓縮空氣經(jīng)冷卻器冷卻后進入儲氣罐緩沖，在儲氣罐中分離出大部分水分，這部分水汽通過儲氣罐自動排水系統(tǒng)（由電子排水閥控制）排出；出儲氣罐的氣體經(jīng)過氣體過濾器過濾掉其中的顆粒和水分，經(jīng)吸附式干燥機吸收少量水汽，得到的預(yù)處理過的壓縮空氣進入儲氣罐。

處理后的0.8 MPa壓縮空氣進入制氮系統(tǒng)，在電磁閥的控制下分別進入兩個分子篩筒。加壓空氣進入一個分子篩筒時，氧氣被碳分子篩吸附，氮氣則通過吸附筒進入儲氣罐儲存，此時，另一個吸附筒進行分子篩解析再生動作。當吸附筒飽和時，另一個吸附筒解析完成，系統(tǒng)會進行兩筒切換，重復(fù)吸附、解析循環(huán)過程[1]，由此，持續(xù)產(chǎn)出高濃度的合格氮氣。氮氣經(jīng)過真空發(fā)生器可將光電儀器中的空氣抽真空置換成氮氣，也可以直接供光學(xué)儀器充氮氣。

1.2 工藝流程

無油空氣壓縮機（1）產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)冷卻器（2）冷卻后進入儲氣罐（3）緩沖，在儲氣罐中分離出部分水分，然后經(jīng)過氣體過濾器（4和5），其中的顆粒和部分水分被過濾，得到預(yù)處理過的壓縮空氣。處理后的0.8 MPa壓縮空氣進入干燥及變壓吸附制氮系統(tǒng)（6），將氮氣和氧氣分離，氧氣排空，氮氣輸出。待氮氣純度達到要求時，電磁閥SV9關(guān)閉，電磁閥SV10打開。點擊輸出氮氣按鈕，通過控制系統(tǒng)將電磁閥SV11或SV12相應(yīng)打開，如此，高純度低露點氮氣直接通過25 kPa接口或200 kPa接口輸出，供用戶直接使用。

利用正壓氣源產(chǎn)生負壓的抽真空設(shè)備，可將密閉光學(xué)儀器中的空氣置換成氮氣[2]。氮氣純度滿足需要時，點擊抽真空按鈕，抽真空電磁閥SV13和SV14打開，電磁閥SV12關(guān)閉，待達到所需的真空壓力時，抽真空電磁閥SV13和SV14關(guān)閉，電磁閥SV12打開，直至充氮到所需要的壓力，來回循環(huán)抽真空、充氮，次數(shù)可以設(shè)置。集成式制氮抽真空設(shè)備工藝流程如圖1所示。

圖1 集成式制氮抽真空設(shè)備工藝流程

2 系統(tǒng)配置

集成式制氮抽真空設(shè)備在設(shè)計過程中充分考慮了制造成本、能耗、運行成本及長期運轉(zhuǎn)可靠性等因素，主要由隔音罩、無油空氣壓縮機、冷卻器、儲氣罐、氣體過濾器、干燥及變壓吸附制氮系統(tǒng)、電控控制系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)、排污系統(tǒng)、真空發(fā)生器以及連接管路等組成。

2.1 電控控制系統(tǒng)

集成式制氮抽真空設(shè)備采用可編程人機界面控制系統(tǒng)（簡稱“控制器”）?？刂破魇且惶子筛咝阅芪⑿陀嬎銠C控制的全自動監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合先進的控制技術(shù)，經(jīng)過通訊能精確讀取顯示的空氣壓力、氮氣純度、充氮壓力、抽真空壓力、各種電磁閥運行狀態(tài)、無油空氣壓縮機運行狀態(tài)、運行時間記錄及當前狀態(tài)等，并能根據(jù)要求設(shè)定對上述參數(shù)進行監(jiān)控，發(fā)出相應(yīng)的控制和報警信號；具有過載、過流、漏電、壓力傳感器失靈等保護及緊急停機功能，發(fā)生故障時，關(guān)閉空氣壓縮機、停止電磁閥切換。通過控制器參數(shù)配置按鈕可以調(diào)整電磁閥的通斷時間，并在控制面板上額外增加了25 kPa和200 kPa2個啟動按鈕，方便用戶操作。

2.2 無油空氣壓縮機

無油空氣壓縮機選用國內(nèi)成熟可靠的產(chǎn)品，功率為1 500 W，排氣量為120 L/min?？諝鈮嚎s機結(jié)構(gòu)為搖擺活塞式，由單相電機直接驅(qū)動曲軸連桿，使活塞在氣缸內(nèi)快速壓縮氣體（1 400 r/min），并通過進、排氣閥的開閉將常壓空氣壓縮到額定排氣壓力。電機采用優(yōu)質(zhì)銅線，并通過多次實驗設(shè)計，實現(xiàn)高效率、低能耗、高性能和高可靠性；活塞環(huán)采用高分子環(huán)保材料，摩擦系數(shù)小，可以自我潤滑，避免了傳統(tǒng)空壓機需要潤滑油的弊端，保證產(chǎn)生的氣體干凈無污染；進出氣閥片采用進口瑞典鋼，加上后期的加工處理，在噪音方面相比老款空壓機有明顯的改善；在-40℃環(huán)境中使用時，可以采用低溫軸承，保證空壓機在高原或者極寒冷地區(qū)正常工作。綜上所述，無油空壓機具有噪音低、全無油、振動小、能耗低、性能穩(wěn)定、安全可靠等特點。

2.3 氣體過濾器

氣體過濾器集氣水分離、精密過濾和超精密過濾功能為一體，其設(shè)計特點在于除去無油空氣壓縮機產(chǎn)生的高壓氣體中的水分（除水效率高達99%）并去除管道中的灰塵，過濾精度達到0.01μm。過濾器表面殼體經(jīng)過陽極氧化處理，具有優(yōu)越的防腐性能。為了滿足更多的使用要求，多個過濾器可以直接連接在一起串聯(lián)使用，無需加裝螺紋連接。在使用維護方面，不需要拆除任何螺絲，直接用手握住過濾器的底部即可拆除濾芯進行更換。

2.4 吸附式干燥機

吸附式干燥機采用新型鋁合金擠壓成型，模塊化設(shè)計的非壓力容器縮短了加工周期，且具備低噪音、低保養(yǎng)成本等優(yōu)點；使用氣體擴散裝置，使分子篩與空氣充分接觸，大大提高分子篩使用效率，從而獲得更潔凈的氣體。吸附式干燥機利用制氮系統(tǒng)變壓吸附原理，在制氮系統(tǒng)兩塔底部和頂部增加了一定量13X分子篩干燥劑，以達到除水的效果。

2.5 排污系統(tǒng)

排污系統(tǒng)用于自動排出儲氣罐及氣體過濾器最下端的積水。自動排污技術(shù)已得到公司其他產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，避免了人工手動定期排污，降低了設(shè)備的維護保養(yǎng)難度，提高了設(shè)備適用范圍和領(lǐng)域。利用設(shè)備自身電源控制排污，投資少、效果好，且實現(xiàn)集中控制排污，減輕人工勞動強度。

2.6 變壓吸附制氮系統(tǒng)

變壓吸附制氮技術(shù)利用分子篩對空氣中N2，H2O，CO2等的選擇性吸附，分離并回收氮氣，加壓時吸附，減壓時脫附再生，通過控制閥使這一過程循環(huán)進行，從而實現(xiàn)連續(xù)制氮。[3-4]集成式制氮抽真空設(shè)備設(shè)計中，在傳統(tǒng)變壓吸附技術(shù)基礎(chǔ)上，增加上均壓、下均壓和恒壓吹掃等功能，實現(xiàn)脫附且脫附效率更高。同時，選用新型高效碳分子篩作為吸附劑，使吸附更徹底，制氮效率更高。因此，高效變壓吸附技術(shù)是制氮的關(guān)鍵技術(shù)之一。

碳分子篩是一種新型非極性分離吸附劑，具有在常溫變壓下吸附空氣中氧分子的性能，因而可獲得富氮氣體，氮氣純度可達99.5%以上。設(shè)備選用吉鑫牌碳分子篩，總裝填量為8 kg。該分子篩產(chǎn)氮率及回收率較高、機械強度較高且使用壽命長。

制氮系統(tǒng)吸附塔采用鎂鋁合金擠壓而成，強度高，通過陽極氧化確保不腐不銹，最高工作壓力可達1.2 MPa；控制閥門采用國內(nèi)知名品牌產(chǎn)品，閥門動作穩(wěn)定，制氮組件壽命也因此延長。

2.7 冷卻器

選用板翅式冷卻器，獨特的翅片結(jié)構(gòu)增加了二次換熱面積，促進了擾流，提高了換熱系數(shù)。該冷卻器比同類冷卻器加大了換熱面積，而且在表面做了防鹽霧處理，即使在高原或者極寒冷地區(qū)也可以正常工作。冷卻器是經(jīng)過風(fēng)扇的冷卻來降低排氣溫度，這種雙重冷卻設(shè)計解決了排氣溫度高的問題，而且使隔音罩內(nèi)空氣流動合理，不但利于消除噪音，更有利于排走隔音罩的輻射熱量，使設(shè)備的溫度控制在40℃以下，以保證在環(huán)境惡劣的條件下安全運行，且有效防塵。選用板翅式結(jié)構(gòu)，主要是因為其傳熱效率高、溫度控制性好、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、經(jīng)濟性好。

2.8 真空發(fā)生器

配置SMC真空發(fā)生器。SMC真空發(fā)生器是利用正負壓氣源產(chǎn)生負壓的一種小型真空元器件[2]，其真空度可達到-100 kPa，基本能夠滿足各種抽真空場合的需要。在控制界面中設(shè)計了抽真空值及抽真空循環(huán)次數(shù)參數(shù)，方便設(shè)置。

2.9 降噪設(shè)計

集成式制氮抽真空設(shè)備在工作過程中，由于壓縮機的振動及周期性的進氣和排氣，會產(chǎn)生一定音量的噪音，長期處于噪音環(huán)境中，會使人的聽覺產(chǎn)生損傷。設(shè)計人員在充分考慮整機系統(tǒng)工作基礎(chǔ)上，研制出一款專用的進氣消音器，利用阻抗復(fù)合消音聲波反射衰減等聲學(xué)原理，合理設(shè)計內(nèi)部結(jié)構(gòu)以滿足降噪要求，并根據(jù)不同頻率的噪音選用相應(yīng)的吸音材料，最大限度地降低機器運轉(zhuǎn)時由壓縮機、風(fēng)機、控制閥等部件發(fā)出的噪音，充分體現(xiàn)了人-機-環(huán)設(shè)計理念。

3 運行分析

集成式制氮抽真空設(shè)備的性能測試結(jié)果如表1所示。

表1 集成式制氮抽真空設(shè)備運行分析

從表1可以看出，主要參數(shù)均達到設(shè)計要求。目前該設(shè)備已經(jīng)投入市場使用，并得到客戶好評。

4 結(jié)語

集成式制氮抽真空設(shè)備操作簡便，人機交互友好，穩(wěn)定可靠，制氮純度高、露點低，功耗低且充氮壓力可調(diào)，是見效快、性能可靠的新一代制氮抽真空設(shè)備。目前，該制氮抽真空設(shè)備已經(jīng)在國內(nèi)投入使用，普遍用于光電儀器、化工實驗室、醫(yī)療、化工廠和精密儀器的貯存和充氮。設(shè)備電控系統(tǒng)集中控制，采用一套自動切換控制系統(tǒng)，簡化了整機結(jié)構(gòu)，使用方便，安全可靠，且可大大節(jié)省操作成本，對用戶儀器設(shè)備的安全長周期運行意義重大。