孫 移

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，江蘇 江陰 214405)

1 變壓吸附(PSA)制氮技術(shù)原理

PSA制氮是以空氣為原料，采用碳分子篩為吸附劑，運(yùn)用變壓吸附原理，使充滿微孔的碳分子篩對氣體分子進(jìn)行有選擇的吸附來獲得純度為98.000 0%～99.999 5%的氮?dú)庵频夹g(shù)。

碳分子篩屬于速度分離型吸附劑，其優(yōu)先吸附氧氣，而氮?dú)獯蟛糠指患诓晃较嘀?。碳分子篩具有在加壓時(shí)對氧氣的吸附容量增加，減壓時(shí)對氧氣的吸附量減少的特性。利用這種變壓吸附的特性，可以實(shí)現(xiàn)氧氣和氮?dú)獾姆蛛x。利用壓力的變化，就能有效地從空氣中分離出所需要的氮?dú)?。通常只要把吸附時(shí)的空氣壓力控制在適宜的壓力范圍，就能得到較佳的吸附效果[1]。

2 制氮工藝流程描述

變壓吸附式制氮機(jī)由A、B兩塔組成，采用雙吸附塔并聯(lián)交替進(jìn)行吸附，一塔工作一塔再生，極大提高了產(chǎn)氣效率。通過控制閥門動作時(shí)間，可以獲得一定濃度的氮?dú)?。通常變壓吸附制氮設(shè)備的氮?dú)饧兌仁艿轿骄鶋簳r(shí)間和產(chǎn)氣量的影響，其中產(chǎn)氣量與純度成反比，產(chǎn)氣量越大氮?dú)獾募兌仍降汀Ｒ话阄綍r(shí)間為54s、均壓時(shí)間為4s、氮?dú)饬髁繛?m3/h時(shí)效果較好[2-3]。

變壓吸附式制氮機(jī)制氮基本工藝流程示意圖如圖1所示。

空氣先經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮到0.8MPa，再由空氣儲氣罐對含有水分和油霧的空氣進(jìn)行初步除水除油，然后通過C級過濾器粗濾空氣中的顆粒物和水，接著經(jīng)冷干機(jī)冷卻干燥到-5℃，最后依次經(jīng)過T級和A級過濾器精濾掉微小顆粒物及油、水。除塵后的潔凈壓縮空氣經(jīng)過左吸進(jìn)氣閥進(jìn)入A吸附塔，A塔壓力升高，壓縮空氣中的氧分子被碳分子篩吸附，未被吸附的氮?dú)獯┻^吸附床，經(jīng)過左吸出氣閥和氮?dú)猱a(chǎn)氣閥流向氮?dú)鈨夤蓿@個(gè)過程稱之為左吸。

圖1 制氮機(jī)制氮基本工藝流程示意圖

左吸過程結(jié)束后，A吸附塔與B吸附塔通過上下均壓閥連通，使A、B吸附塔壓力達(dá)到均衡，這個(gè)過程稱之為均壓。

均壓結(jié)束后，壓縮空氣經(jīng)過右吸進(jìn)氣閥進(jìn)入B吸附塔，壓縮空氣中的氧分子被碳分子篩吸附，富集的氮?dú)饨?jīng)過右吸出氣閥、氮?dú)猱a(chǎn)氣閥流向氮?dú)鈨夤?，這個(gè)過程稱之為右吸。

同時(shí)，A吸附塔中碳分子篩吸附的氧氣通過左排氣閥降壓釋放回大氣當(dāng)中，此過程稱之為解吸。

同理，A吸附塔吸附時(shí)，B吸附塔同時(shí)也在解吸。為使分子篩中降壓釋放出的氧氣完全排放到大氣中，氮?dú)馔ㄟ^一個(gè)常開的反吹閥吹掃正在解吸的吸附塔，把塔內(nèi)的氧氣吹出吸附塔。這個(gè)過程稱之為反吹。它與解析是同時(shí)進(jìn)行的。右吸結(jié)束后，進(jìn)入均壓過程，再切換到左吸過程，一直循環(huán)進(jìn)行下去[4]。

3 控制系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前這種生產(chǎn)工藝的制氮機(jī)有一定缺陷，可以進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。1)設(shè)備初期生產(chǎn)的氮?dú)饧兌葷M足不了生產(chǎn)要求時(shí)，需要人工開啟排空柱塞閥把不合格的氮?dú)庀蚩諝庵信趴?，?jīng)一段時(shí)間后氮?dú)饧兌冗_(dá)到要求后，再由人工關(guān)閉排空柱塞閥，打開送氣柱塞閥把符合純度要求的成品氣送入氮?dú)鈨夤?。?yōu)化方法是把柱塞閥換成電磁閥；采用數(shù)字氮?dú)夥治鰞x檢測氣體純度，并由可編程邏輯控制器(PLC)模擬量模塊采集數(shù)字氮?dú)夥治鰞x的模擬電流值，運(yùn)算后控制電磁閥實(shí)現(xiàn)排空和送氣狀態(tài)自動切換，實(shí)現(xiàn)無人值守。2)企業(yè)用氣量隨生產(chǎn)需要存在一定變化，而制氮機(jī)工作狀態(tài)不會隨用氣量需求而變化，過量的氮?dú)馑偷絻夤藓髸騼夤迚毫^大排放掉，十分浪費(fèi)。優(yōu)化方法是采用氣壓傳感器檢測氮?dú)鈨夤迚毫?，并修改控制程序使制氮機(jī)在儲氣罐壓力高于0.7MPa時(shí)停止工作，低于0.4MPa時(shí)啟動。

為實(shí)現(xiàn)制氮機(jī)的控制功能，系統(tǒng)按照以下要求設(shè)計(jì)：

1)能設(shè)定吸附、均壓時(shí)間并存儲，而且能實(shí)時(shí)顯示吸附、均壓工作狀態(tài)的時(shí)間；

2)能顯示制氮機(jī)各電磁閥的工作狀態(tài)；

3)能實(shí)時(shí)顯示氮?dú)獾募兌龋?/p>

4)能自動判斷氮?dú)獾募兌龋?dāng)純度符合要求時(shí)自動由排放切換到送氣；

5)當(dāng)?shù)獨(dú)鈨夤薜膬鈮毫Ω哂谝欢ㄖ禃r(shí)，停止氮?dú)馍a(chǎn)，當(dāng)?shù)獨(dú)鈨夤迌鈮毫Φ陀谝欢ㄖ禃r(shí)，啟動氮?dú)馍a(chǎn)，從而降低設(shè)備能耗。

3.2 PLC選型及輸入輸出點(diǎn)分配

根據(jù)制氮機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制要求，共需要3個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)，考慮到西門子200系列PLC的編程軟件Micro-WIN中有PID Wizard(PID向?qū)?，只需進(jìn)行簡單的設(shè)置就能生成PID功能子程序，從而簡化了PID算法。故選用西門子S7-200PLC，其CPU型號為224 DC/DC。該CPU集成了14輸入/10輸出，可以直接驅(qū)動直流電磁閥。氮?dú)夥治鰞x輸出電流信號為4～20mA，故選用西門子模擬量輸入模塊EM231，該模塊單極性滿量程為32 000，完全滿足氮?dú)饧兌?9.999 5%的檢測要求[5]。氮?dú)鈨夤薜膶?shí)際使用壓力小于1MPa，選用神視DP-102型氣壓傳感器。硬件選用具體情況見表1。

表1 制氮機(jī)控制系統(tǒng)硬件選型表

PLC與硬件的連接圖如圖2所示。相應(yīng)的輸入輸出分配點(diǎn)見表2。

圖2 PLC硬件原理圖

名稱符號元件名稱對應(yīng)點(diǎn)數(shù)輸入點(diǎn)SB1啟動按鈕I0.0SB2停止按鈕I0.1SP氣壓傳感器I0.2I氮?dú)夥治鰞xAIW0輸出點(diǎn)Y1進(jìn)氣電磁閥Q0.0Y2A塔進(jìn)氣閥Q0.1Y3B塔進(jìn)氣閥Q0.2Y4A塔排放閥Q0.3Y5B塔排放閥Q0.4Y6A塔出氣閥Q0.5Y7B塔出氣閥Q0.6Y8進(jìn)氣閥Q0.7Y9非成品排空閥Q1.0Y10成品送氣閥Q1.1

3.3 控制系統(tǒng)軟件流程

控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，分成3個(gè)部分：1)初始化程序，用于制氮機(jī)通電時(shí)程序的初始化自檢，主要對氮?dú)饧兌扔绊戄^大的因素——均壓和吸附時(shí)間參數(shù)進(jìn)行檢測，保證均壓時(shí)間設(shè)置在50～60s內(nèi)，吸附時(shí)間設(shè)置在1～4s內(nèi)。2)制氮機(jī)電磁閥的動作控制程序，通過控制Y1～Y8電磁閥的動作時(shí)序，依次為A塔吸附時(shí)，電磁閥Y1，Y2，Y5，Y6，Y8工作；AB均壓時(shí)，電磁閥Y2，Y3，Y6，Y7，Y8工作；B塔吸附時(shí)，電磁閥Y1，Y3，Y4，Y7，Y8工作；BA均壓時(shí)，電磁閥Y2，Y3，Y6，Y7，Y8工作，保證A、B吸附塔交替工作。3)氮?dú)饧兌葦?shù)據(jù)采集處理程序，用于對氮?dú)夥治鰞x采集的氮?dú)饧兌入娏髦颠M(jìn)行PID處理和濾波處理，當(dāng)?shù)獨(dú)鈾z測純度大于氮?dú)庠O(shè)定純度時(shí)，氮?dú)廨敵龅呐趴针姶砰yY9關(guān)閉，同時(shí)送氣電磁閥Y10打開。具體軟件流程如圖3所示。

圖3 控制軟件流程圖

3.4 組態(tài)程序設(shè)計(jì)

組態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到省略設(shè)備手動狀態(tài)的檢修程序，在組態(tài)程序中把電磁閥輸出量Q點(diǎn)設(shè)置為讀寫量，在選擇手動模式檢修時(shí)，直接通過按下觸摸屏上電磁閥符號即可從PLC的Q點(diǎn)輸出高電平檢測電磁閥動作情況。至于制氮機(jī)的吸附均壓時(shí)間參數(shù)設(shè)定項(xiàng)，關(guān)系到企業(yè)用氣的純度，為保證設(shè)備的穩(wěn)定性，在組態(tài)程序的參數(shù)設(shè)定項(xiàng)中設(shè)置操作員和管理員兩種用戶，僅給予管理員修改吸附和均壓時(shí)間的權(quán)限[6]。組態(tài)設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 組態(tài)程序圖

4 結(jié)束語

改進(jìn)后的變壓吸附式制氮機(jī)經(jīng)多家企業(yè)使用表明，該設(shè)備參數(shù)設(shè)置方便，監(jiān)控畫面簡單直觀，性能可靠。使用數(shù)字式氮?dú)夥治鰞x和氣壓傳感器后，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備無人值守，節(jié)省了人力，降低了能耗，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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