【文章內(nèi)容簡介】 sa制氮機(jī)相比價(jià)格要凌駕逾越 15%以上 。 167。 32 系統(tǒng)構(gòu)成 PSA 制氧系統(tǒng)主要由空氣壓 縮機(jī)、空氣凈化系統(tǒng)，空氣儲罐、切換閥、吸附器和氧氣緩沖罐等組成。 原料空氣經(jīng)空壓機(jī)壓縮后，經(jīng)過除塵、除油 、干燥后，進(jìn)入空氣儲罐，再經(jīng)過左進(jìn)氣閥進(jìn)入左吸附塔。此時(shí)塔壓力升高，壓縮空氣中的氮分子被沸石分子篩吸附，未被吸附的氧氣則穿過吸附床層，經(jīng)過出氣閥進(jìn)入氧氣緩沖罐。這個(gè)過程稱為吸附，持續(xù)時(shí)間為幾十秒。吸附過程結(jié)束后，左吸附塔與右吸附塔通過均壓閥連通，使兩塔壓力達(dá)到均衡，這個(gè)過程稱之為均壓，持續(xù)時(shí)間約為 3~5秒。均壓結(jié)束后，壓縮空氣又經(jīng)過右進(jìn)氣閥，進(jìn)入右吸附塔，重復(fù)上述吸附過程。同時(shí)左吸附塔中被分子篩吸附的氧氣通過左排空閥解壓釋放至大氣當(dāng)中，此過程稱為解吸，吸附飽和的分子篩從而得到再生。同樣，左塔吸附時(shí)右塔同時(shí)也 在解吸。右塔吸附結(jié)束后，同樣進(jìn)入均壓過程，然后再切換到左塔吸附，如此循環(huán)交替，連續(xù)生產(chǎn)氧氣。 上述基本工藝步驟都是由 PLC 和自動切換閥來實(shí)現(xiàn)自動控制。 167。 33 工作原理 焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) xiii PSA 制氮機(jī)是根據(jù)變壓吸附原理，采用高品質(zhì)的碳分子篩作為吸附劑，在一定的壓力下，從空氣中制取氮?dú)狻? 經(jīng)過純化干燥的壓縮空氣，在吸附器中進(jìn)行加壓吸附、減壓脫附。由于空氣的動力學(xué)效應(yīng)，氧在碳分子篩微孔中擴(kuò)散速率遠(yuǎn)大于氮，氧被碳分子篩優(yōu)先吸附，氮在氣相中被富集起來，形成成品氮?dú)?。然后?jīng)減壓至常壓，吸附劑脫附所吸附的氧氣等雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)再生。一 般在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)吸附塔 A 和 B，一塔吸附產(chǎn)氮，另一塔脫附再生，通過控制裝置控制氣動閥的啟閉，使兩塔交替循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)高品質(zhì)氮?dú)庵康摹? 一、基礎(chǔ)知識 1．氣體知識 氮?dú)庾鳛榭諝庵泻孔钬S富的氣體，取之不竭，用之不盡。它無色、無味，透明，屬于亞惰性氣體，不維持生命。高純氮?dú)獬Ｗ鳛楸Ｗo(hù)性氣體，用于隔絕氧氣或空氣的場所。氮?dú)猓?N2）在空氣中的含量為 %（空氣中各種氣體的容積組分為： N2： %、 O2： %、氬氣： %、 CO2： %、其它還有 H CH N2O、 O SO NO2 等，但含量極少），分子量為 28，沸點(diǎn)： ℃ ，冷凝點(diǎn)： 210℃ 。 2．壓力知識 變壓吸附（ PSA）制氮工藝是加壓吸附、常壓解吸，必須使用壓縮空氣?，F(xiàn)使用的吸附劑 —— 碳分子篩最佳吸附壓力為 ~，整個(gè)制氮系統(tǒng)中氣體均是帶壓的，具有沖擊能量。 二、 PSA 制氮工作原理： 變壓吸附制氮機(jī)是以碳分子篩為吸附劑，利用加壓吸附，降壓解吸的原理從空氣中吸附和釋放氧氣，從而分離出氮?dú)獾淖詣踊O(shè)備。碳分子篩是一種以煤為主要原料，經(jīng)過研磨、氧化、成型、碳化并經(jīng) 過特殊的孔型處理工藝加工而成的，表面和內(nèi)部布滿微孔的柱形顆粒狀吸附劑，呈黑色，其孔型分布如下圖所示： 焦作大學(xué)機(jī)電工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) xiv 碳分子篩的孔徑分布特性使其能夠?qū)崿F(xiàn) O N2的動力學(xué)分離。這樣的孔徑分布可使不同的氣體以不同的速率擴(kuò)散至分子篩的微孔之中，而不會排斥混合氣（空氣）中的任何一種氣體。碳分子篩對 O N2 的分離作用是基于這兩種氣體的動力學(xué)直徑的微小差別， O2 分子的動力學(xué)直徑較小，因而在碳分子篩的微孔中有較快的擴(kuò)散速率， N2 分子的動力學(xué)直徑較大，因而擴(kuò)散速率較慢。壓縮空氣中的水和 CO2 的擴(kuò)散同氧相差不大，而氬擴(kuò)散較慢。最終從吸 附塔富集出來的是N2和 Ar 的混合氣。 碳分子篩對 O N2的吸附特性可以用平衡吸附曲線和動態(tài)吸附曲線直觀表現(xiàn)出來： 由這兩個(gè)吸附曲線可以看出，吸附壓力的增加，可使 O N2的吸附量同時(shí)增大，且 O2 的吸附量增加幅度要大一些。變壓吸附周期短， O N2 的吸附量遠(yuǎn)沒有達(dá)到平衡（最大值），所以 O N2擴(kuò)散速率的差別使 O2 的吸附量在短時(shí)間內(nèi)大大超過 N2 的吸附量。 變壓吸附制氮正是利用碳分子篩的選擇吸附特性，采用加壓吸附，減壓解吸的循環(huán)周期，使壓縮空氣交替進(jìn)入吸附塔（也可以單塔完成）來實(shí)現(xiàn)空氣分離 ，從而連續(xù)產(chǎn)出高純度的產(chǎn)品氮?dú)狻? 167。 34 控制過程 PSA 制氮系統(tǒng)的工藝流程圖如圖 1 所示。 圖 1 中空氣壓縮機(jī)用來提供足夠的氣量和相對恒定的輸入壓力（ ～）的原料氣。經(jīng)冷干機(jī)除水、除油、除固態(tài)粒子等凈化處理后，為了能連續(xù)不斷的輸出恒定的氮?dú)?。系統(tǒng)設(shè)置 A、 B 兩個(gè)吸附塔進(jìn)行交替工作，由氣源系統(tǒng)來的純凈壓縮空氣，經(jīng)電磁氣動控制閥 Y Y2由吸附塔 A 下部進(jìn)入塔體。焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) xv 經(jīng)吸附塔中碳分子篩床層吸附，并逐步向上推進(jìn)。在此過程中，空氣中的氧分子被吸附在碳分子篩微孔中，而氮被濃縮在氣相中，由塔上部流出，經(jīng) 電磁氣動控制閥 Y Y8進(jìn)入氮?dú)鈨?，此過程即為 A塔吸附制氮。與此同時(shí)， B吸附塔中吸附的氧分子經(jīng)由電磁氣動控制閥 Y5 排空，即 B 塔解吸至常壓。 A、 B 兩塔交替進(jìn)行連續(xù)供氮。當(dāng) A 塔中碳分子篩對氧的吸附量將達(dá)到平衡時(shí)，則該塔立即停止吸附，此時(shí) Y Y Y Y8 均處于關(guān)閉狀態(tài)，而 Y Y Y Y7 同時(shí)處于開啟狀態(tài)。實(shí)行 A、 B兩吸附塔均壓，均壓后即切換進(jìn)入 B塔吸附、 A塔解吸狀態(tài)。此時(shí)壓縮空氣經(jīng)電氣控制閥 Y Y3進(jìn)入 B 吸附塔下部，經(jīng) B塔中碳分子篩床層吸附。分離出來的氮?dú)饨?jīng) Y Y8 進(jìn)入氮?dú)鈨?，?B塔吸附制氮。這樣 A、 B 兩塔交替吸附、解吸，即形成連續(xù)不斷的向氮?dú)鈨掭斔偷獨(dú)?。以上Y1— Y8 電氣控制閥的動作順序、切換時(shí)間等全部由 PLC 控制，使二塔連續(xù)不斷供應(yīng)合格氮?dú)狻? 在正常工作時(shí)自動循環(huán)過程如下： 按程序啟動鍵→冷干機(jī)啟動→延時(shí) X 秒→空掛機(jī)啟動→延時(shí) X 秒→進(jìn)入吸附 A→延時(shí) X秒→均壓 A=B→延時(shí) X秒→吸附 B延時(shí) X 秒→均壓 B=A→延時(shí) X秒→再次進(jìn)入吸附 A，如此自動循環(huán)，按停止鍵。系統(tǒng)全部停止工作。 在制氮機(jī)工作過程的各個(gè)階段。閥 Y1— Y8的工作狀態(tài)如表 2所示： 表 2系統(tǒng)手動、自動操作時(shí)電磁閥工作狀態(tài)表 閥號 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 吸附 A + + + + + 均壓 A=B + + + + 吸附 B + + + + + 均壓 B=A + + + + 注：① +表示該閥處于開啟狀態(tài)；②在均壓 A=B，均壓 B=A時(shí) 要比 Y?Y 滯后焦作大學(xué)機(jī)電工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) xvi X秒開啟 。③ 上延時(shí) X秒均應(yīng)在 099 9 秒 任 意設(shè)置調(diào) 控制要求有手動和自動兩種工作方式，并要求在手動方式時(shí)能進(jìn)行 Y1— Y8閥的檢查。 在手動能獨(dú)立起動、停止空壓機(jī)和冷干機(jī)；能顯示吸附 A、均壓 A=B、吸附B、均壓 B=A 四個(gè)階段 Y1— Y8 的開啟情況；各 項(xiàng)操作均應(yīng)有指示燈顯示。自動工作時(shí)，應(yīng)該能按照自動工藝流程要求工作。并能在模擬工藝流程圖中顯示相應(yīng)工作狀態(tài)。同時(shí)對自動運(yùn)行過程中的各延時(shí)時(shí)間均要能任意調(diào)節(jié)，并能實(shí)時(shí)顯示和查詢當(dāng)前延時(shí)設(shè)定值。 167。 41 PLC 可編程控制器部分 2 1 輸人／輸出點(diǎn)數(shù)的確定與 PLC 的選擇 根據(jù)工藝流程和控制要求分析． PSA制氮機(jī)的輸入信號有 19 個(gè)．分別是手動操作按鈕、自動操作按鈕、自動起動按鈕、停止按鈕 空壓機(jī)起動按鈕、冷干機(jī)起動按鈕、吸附 A按鈕、均壓 A=B 按鈕、吸附 B 按鈕、均壓 B=A 按鈕、鬮檢測按鈕、 Y 一 Y 閥檢 測按鈕 (8個(gè) )；閥檢測按鈕只有在手動方式下起作用，而 Y．一Ye閻檢測按鈕只有在閥檢測按鈕按下后有閥檢測指示后才起作用。輸出信號也是 19 個(gè)．分別是 Y 一 Y 日閥輸出 (8個(gè) )、手動狀態(tài)指示 自動狀態(tài)指示、自動Y8 焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) xvii 起動指示、停止指示、空壓機(jī)工作指示、冷干機(jī)工作指示、吸附 A 指示、均壓A=B 指示、吸附 B 指示、均壓 B=A 指示．閥檢測指示。即在每一個(gè)輸入信號旁邊均有相應(yīng)的指示。電磁閥 Y 一 的工作電壓為直流 24v，功率 8W。根據(jù)一般的設(shè)計(jì)方法，至少要選帶 19 點(diǎn)輸入點(diǎn)和 19 點(diǎn)輸出點(diǎn)的 PLC，或采用主機(jī)加擴(kuò)展的方式用了 外加 L16T 作為擴(kuò)展單元．并用 CL02DS 作為參數(shù)設(shè)定和監(jiān)控單元。 SM 一 16T具有 10 個(gè)輸入點(diǎn)和 6個(gè)輸出點(diǎn)，采用直流 24V 匯點(diǎn)輸入方式，直流 24V晶體管(NPN 型 )輸出方式。 SM 一 16T 本身的工作電壓為交流 220V，并帶有 RS 一 485和 RS 一 232 通訊接 I： Z1．可實(shí)現(xiàn) CCM 協(xié)議、無協(xié) }義通訊。 RS232 接 I： Zl又兼作編程 I： Zl。程序的存放采用 FlashROM，無需后備電池； L 一 16T 有 16個(gè)輸出點(diǎn)，采用直流 24V晶體管 (NPN 型 )輸出方式， L一 16T 與 SM 一 16T之間通過 RS 一 485 進(jìn)行通訊；通過 CL 一 02DS 液晶式顯示設(shè)定單元可進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定和監(jiān)控，它與 SM一 16T 之間通過 RS一 232 進(jìn)行通訊 22 輸入／輸出點(diǎn)的編號分配和輸入／輸出接線圖 412 PLC 選型和性能指標(biāo) 根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域、采集數(shù)據(jù)的類型和大小、 I/O 點(diǎn)數(shù)、以及設(shè)置數(shù)據(jù)需要得內(nèi)存大小，本文中所選用的 PLC 是西門子公司的產(chǎn)品 S7200 系列， CPU的型號是 CPU226。 CPU226 集成了 24 點(diǎn)輸入和 16 點(diǎn)輸出，共有 40個(gè)數(shù)字量 I/O點(diǎn)?？蛇B接 7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 248點(diǎn)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O。CPU226 有 13KB 程序和數(shù)據(jù)存儲空間， 6 個(gè)獨(dú)立的 30kHz 高速脈沖輸出，具有PID控制器。 CPU226 配有 2個(gè) RS485通信編程口，具有 PPI 通信、 MPI通信和自由方式通信能力，用于較高要求的中小型控制系統(tǒng)。 413 PLC 內(nèi)部分配 CPU226I/O 接口及內(nèi)部寄存器分配如表 1和表 2。 表 1 內(nèi)部存儲器使用 焦作大學(xué)機(jī)電工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) xviii 觸摸屏 PID 參數(shù)設(shè)定置 VW10 風(fēng)機(jī)組啟動位 M0． 0 觸摸屏 PID 參數(shù)增益 VW12 手動、自動轉(zhuǎn)換 M0． 1 觸摸屏 PID 參數(shù)采樣時(shí)間 VW14 電機(jī)急停 M0． 2 觸摸屏 PID 參數(shù)積分時(shí)間 VW16 自動 空壓 機(jī)組 1 啟動位 M1． 0 觸摸屏 PID 參數(shù)微分時(shí)間 VW18 自動 空壓 機(jī)組 2 啟動位 M1． 1 PID 反饋量（ PVn） VD100 手動 空壓 機(jī)組 1 啟動位 M1． 2 PID 給定置（ SPn） VD104 手動 空壓 機(jī)組 2 啟動位 M1． 3 PID 輸出置（ Yn） VD108 防 止 空壓 機(jī)組 1 頻繁啟動位 M1． 4 PID 增益（ KC） VD112 防止 空壓 機(jī)組 2 頻繁啟動位 M1． 5 PID 采樣時(shí)間（ T） VD116 壓力下限位 M2． 0 PID 積分時(shí)間（ TI） VD120 空壓 機(jī)組 1 軸溫報(bào)警位 M20． 0 PID 微分時(shí)間（ TD） VD124 空壓 機(jī)組 1 軸溫?cái)嚯娗袚Q位 M20． 1 模擬輸入壓力值存儲 VD128 空壓 機(jī)組 1 定溫報(bào)警位 M20． 2 壓力下限存儲 VD132 空壓 機(jī)組 1 定溫?cái)嚯娗袚Q位 M20． 3 空壓 機(jī)組 1軸承溫度 VD1 空壓 機(jī)組 2 軸溫報(bào)警 M20焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) xix 80 位 ． 4 空壓 機(jī)組 1定子溫度 VD184 空壓 機(jī)組 2 軸溫?cái)嚯娗袚Q位 M20． 5 空壓 機(jī)組 2軸承溫度 VD188 空壓 機(jī)組 2 定溫報(bào)警位 M20． 6 空壓 機(jī)組 2定子溫度 VD192 空壓 機(jī)組 2 定溫?cái)嚯娗袚Q位 M20． 7 手動報(bào)警 VD196 414 輸入輸出外部接線 CPU226 接線規(guī)則如下： （ 1） DC輸入端中 1M、 ～ 為第 1組， 2M、 ～ 2組組成， 1M、 2M 分別為各級公共端。 DC24V 的負(fù)極接公共端 1N 或 2M。輸入開關(guān)的一端接天 DC24V 的正極，輸入開關(guān)的另一端連接到 CPU226 各輸入端。 DC 輸出端中 1M、 1L+、 ～ 為第 1 組， 2M、 2L+、 ～ 為第 2 組組成。1L+、 2L+分別為公共端。第 1 組 DC24V 的負(fù)極接 1M端，正極接 1L+端。輸出負(fù)載的一端接到 1M端，輸出負(fù)載的另一端接到 CPU226 各輸出端。第 2組的接線與第 1組相似。接繼電器輸出端的 1L端。負(fù)載的另一端分別接到 CPU226 各繼電器輸出端子。第 2 組的接線與第 1組相似。根據(jù)接線規(guī)則， PLC 輸入 /輸出接線和變頻器接線