Nitơ được sử dụng rộng rãi trong các ngành như chế biến thực phẩm, điện tử, dược phẩm, gia công kim loại, sản xuất hóa chất và các ứng dụng khác cần môi trường khí được kiểm soát.
Theo phương thức truyền thống, nitơ có thể được cung cấp bằng bình khí hoặc nguồn khí số lượng lớn. Tuy nhiên, đối với các cơ sở có nhu cầu sử dụng thường xuyên, hệ thống tạo nitơ tại chỗ cung cấp một phương án khác bằng cách tách nitơ trực tiếp từ không khí môi trường đã được nén.
Vậy máy tạo nitơ hoạt động như thế nào?
Đối với các hệ thống công nghiệp của Lingyu, công nghệ chính là hấp phụ biến thiên áp suất (PSA). Máy tạo nitơ PSA sử dụng khí nén, hệ thống lọc, rây phân tử carbon (CMS), các tháp hấp phụ luân phiên và hệ thống điều khiển tự động để liên tục tạo nitơ với độ tinh khiết yêu cầu. Các hệ thống PSA của Lingyu vận hành với áp suất khí vào 0,5–0,8 MPa, nhiệt độ khí vào ≤40°C và phạm vi độ tinh khiết nitơ 95%–99,999%.
Máy tạo nitơ là gì?
Máy tạo nitơ là một hệ thống tách nitơ từ khí nén và cung cấp trực tiếp cho quy trình sử dụng.
Không khí môi trường tự nhiên chứa tỷ lệ nitơ cao cùng với oxy, độ ẩm, carbon dioxide và các khí khác. Thay vì tạo nitơ bằng phản ứng hóa học, máy tạo nitơ tại chỗ tách dòng khí giàu nitơ khỏi các thành phần khác trong khí nén.
Đối với các cơ sở công nghiệp, điều này có thể giảm sự phụ thuộc vào nguồn nitơ được giao từ bên ngoài và cho phép sản xuất khí trực tiếp tại điểm sử dụng.
Tạo nitơ PSA là gì?
PSA là viết tắt của Pressure Swing Adsorption, tức hấp phụ biến thiên áp suất.
Máy tạo nitơ PSA sử dụng một vật liệu hấp phụ gọi là rây phân tử carbon (CMS) để chọn lọc loại bỏ oxy khỏi khí nén.
Máy tạo nitơ của Lingyu sử dụng hai bình áp lực, hay hai tháp hấp phụ, chứa CMS. Trong khi một tháp đang sản xuất nitơ, tháp còn lại thực hiện tái sinh. Sau đó hai tháp tự động đổi vai trò, cho phép quá trình sản xuất nitơ tiếp tục mà không bị gián đoạn.
Quá trình hấp phụ và tái sinh luân phiên này là nguyên lý cơ bản của công nghệ tạo nitơ PSA. Hai tháp vận hành dưới sự điều khiển tự động của PLC để duy trì nguồn nitơ liên tục với độ tinh khiết quy định.
Máy tạo nitơ hoạt động như thế nào? Từng bước
1. Không khí môi trường được nén
Quá trình bắt đầu từ máy nén khí.
Không khí môi trường được hút vào máy nén và nén đến áp suất mà hệ thống tạo nitơ yêu cầu.
Máy tạo nitơ PSA của Lingyu được thiết kế cho áp suất khí vào khoảng 0,5–0,8 MPa, với nhiệt độ khí vào ≤40°C trong các điều kiện vận hành quy định.
Sau đó, khí nén đi vào khu vực xử lý khí.
2. Khí nén được xử lý
Trước khi khí nén đi vào các tháp hấp phụ, các chất gây ô nhiễm cần được kiểm soát.
Khí nén có thể chứa độ ẩm, sương dầu, bụi và các hạt khác. Những chất gây ô nhiễm này có thể ảnh hưởng đến độ ổn định và tuổi thọ của thiết bị xử lý khí và thiết bị hấp phụ phía sau.
Cấu hình hệ thống PSA của Lingyu bao gồm bình chứa khí, máy sấy khí lạnh, bình đệm và các thiết bị xử lý khí liên quan trước giai đoạn tách nitơ.
Đó là lý do máy tạo nitơ thường nên được xem là một phần của toàn bộ hệ thống xử lý khí nén và tách khí thay vì chỉ là hai bình hấp phụ.
3. Khí nén đi vào tháp hấp phụ thứ nhất
Khí nén đã được xử lý đi vào một trong hai tháp chứa CMS.
Bên trong tháp, các phân tử oxy được rây phân tử carbon ưu tiên hấp phụ, trong khi nitơ đi qua lớp hấp phụ và tiếp tục đến đầu ra sản phẩm.
Do đó, khí nén đi vào Tháp A tạo ra dòng khí sản phẩm giàu nitơ khi oxy được CMS ưu tiên giữ lại.
4. Tháp thứ hai thực hiện tái sinh
Trong khi một tháp đang hấp phụ oxy, tháp còn lại được tái sinh.
Trong quá trình tái sinh, áp suất trong tháp đã bão hòa được giảm xuống. Oxy trước đó được CMS giữ lại sẽ được giải hấp và xả ra ngoài.
Sự thay đổi áp suất này chính là “pressure swing” trong công nghệ hấp phụ biến thiên áp suất.
Sau khi tái sinh hoàn tất, tháp đã tái sinh sẵn sàng bắt đầu quá trình hấp phụ trở lại.
5. Hai tháp tự động chuyển đổi
Khi tháp hấp phụ đang hoạt động đạt đến điểm vận hành đã định trước, hệ thống điều khiển sẽ chuyển đổi quá trình.
Tháp đã tái sinh bắt đầu sản xuất nitơ, trong khi tháp vừa hoạt động trước đó giảm áp và tái sinh. Hệ thống liên tục luân phiên giữa hai tháp dưới sự điều khiển tự động của PLC.
Chu kỳ chuyển đổi khoảng 45–60 giây trong các điều kiện vận hành quy định.
Độ tinh khiết nitơ được kiểm soát như thế nào?
Độ tinh khiết nitơ là một trong những thông số quan trọng nhất của hệ thống PSA.
Máy tạo nitơ PSA của Lingyu được quy định cho phạm vi độ tinh khiết nitơ khoảng 95% đến 99,999%, tùy theo cấu hình yêu cầu.
Các mức độ tinh khiết có sẵn bao gồm:
- 99,0%
- 99,5%
- 99,9%
- 99,99%
- 99,999%
Các mức độ tinh khiết này nằm trong phạm vi sản phẩm máy tạo nitơ PSA của Lingyu.
Độ tinh khiết cao hơn không tự động tốt hơn cho mọi ứng dụng. Mức độ tinh khiết phù hợp cần được xác định theo yêu cầu thực tế của quy trình vì độ tinh khiết nitơ ảnh hưởng đến việc lựa chọn công suất máy, nhu cầu khí nén và hiệu quả vận hành.
Người dùng đang so sánh thiết bị có thể tham khảo danh mục máy tạo nitơ.
Điều gì xảy ra nếu cần độ tinh khiết nitơ cao hơn nữa?
Đối với các ứng dụng yêu cầu hàm lượng oxy dư cực thấp, có thể lắp thêm một giai đoạn tinh chế sau máy tạo nitơ PSA.
Hệ thống tinh chế khử oxy bằng carbon của Lingyu được thiết kế để tiếp nhận nitơ có độ tinh khiết khoảng 99,9% và tiếp tục tinh chế lên ≥99,999%.
Trong hệ thống này, oxy dư phản ứng với vật liệu khử oxy gốc carbon để tạo thành CO₂. Khí sau đó tiếp tục được xử lý để loại bỏ CO₂ và độ ẩm, rồi trải qua quá trình lọc chính xác.
Các thông số kỹ thuật chính bao gồm:
- Độ tinh khiết nitơ: ≥99,999%
- Hàm lượng oxy: ≤10 ppm
- Hàm lượng CO₂: ≤5 ppm
- Điểm sương khí quyển: ≤−60°C
Đây là các thông số vận hành quy định cho hệ thống tinh chế khử oxy bằng carbon.
Giai đoạn tinh chế bổ sung này đặc biệt phù hợp khi độ tinh khiết PSA tiêu chuẩn không đáp ứng yêu cầu.
Những bộ phận nào thường có trong hệ thống tạo nitơ PSA?
Máy tạo nitơ thường chỉ là một phần của toàn bộ hệ thống.
Một cấu hình tạo nitơ PSA hoàn chỉnh của Lingyu có thể bao gồm máy nén khí tiết kiệm năng lượng, bình chứa khí, máy sấy khí lạnh, bình đệm, các tháp hấp phụ PSA, bình đệm nitơ, van giảm áp, thiết bị phân tích nitơ/oxy, đầu ra nitơ không đạt yêu cầu, van điều khiển và đầu ra cấp nitơ.
Cấu hình cụ thể phụ thuộc vào độ tinh khiết, áp suất, lưu lượng, điểm sương và điều kiện vận hành yêu cầu.
Đó là lý do việc lựa chọn máy tạo nitơ chỉ dựa trên lưu lượng nitơ danh định có thể gây sai lệch.
Tại sao rây phân tử carbon lại quan trọng?
CMS là vật liệu tách chính bên trong máy tạo nitơ PSA.
Chức năng của nó là ưu tiên hấp phụ oxy khỏi khí nén trong khi cho phép dòng khí giàu nitơ đi qua lớp hấp phụ.
Do đó, việc duy trì tình trạng của lớp hấp phụ rất quan trọng đối với hiệu suất lâu dài.
Máy tạo nitơ PSA của Lingyu bao gồm hệ thống nén chặt CMS tự động, được thiết kế để duy trì mật độ đóng gói phù hợp và giúp ngăn hiện tượng CMS bị nghiền vụn do chuyển động của lớp hấp phụ.
Chất lượng nitơ được giám sát như thế nào?
Máy tạo nitơ công nghiệp không nên chỉ dựa vào bản thân quá trình hấp phụ.
Hệ thống PSA của Lingyu liên tục giám sát trực tuyến độ tinh khiết và lưu lượng nitơ. Nếu độ tinh khiết nitơ giảm xuống dưới giá trị quy định, hệ thống có thể kích hoạt cảnh báo. Nếu tình trạng khí không đạt yêu cầu tiếp tục trong khoảng thời gian được cài đặt trước, hệ thống sẽ tự động dừng để bảo vệ.
Cấu hình hệ thống cũng bao gồm thiết bị phân tích nitơ/oxy và một đầu ra riêng dành cho nitơ không đạt yêu cầu.
Điều này cho phép tách nitơ không đạt yêu cầu khỏi nguồn nitơ sản phẩm thông thường.
Tại sao sử dụng máy tạo nitơ tại chỗ?
Hệ thống tại chỗ có thể mang lại một số lợi ích thực tế cho các cơ sở có nhu cầu nitơ thường xuyên.
Hệ thống có thể giảm sự phụ thuộc vào việc xử lý bình khí và lịch giao hàng, cung cấp nitơ theo nhu cầu và cho phép lựa chọn hệ thống theo độ tinh khiết và lưu lượng yêu cầu.
Tuy nhiên, việc máy tạo nitơ tại chỗ có làm giảm tổng chi phí hay không phụ thuộc vào các yếu tố như mức tiêu thụ nitơ, độ tinh khiết yêu cầu, giá điện, hiệu suất máy nén, yêu cầu bảo trì, tỷ lệ sử dụng và giá nguồn khí được cung cấp từ bên ngoài. Vì vậy, cần đánh giá theo điều kiện vận hành thực tế thay vì mặc định một mức hoàn vốn cố định.
Máy tạo nitơ được sử dụng ở đâu?
Yêu cầu về nitơ khác nhau đáng kể giữa các ngành.
Các ứng dụng điển hình có thể bao gồm chế biến thực phẩm và đồ uống, sản xuất dược phẩm, điện tử, gia công kim loại, sản xuất hóa chất, cắt laser và các quy trình khác cần giảm oxy hoặc duy trì môi trường nitơ được kiểm soát.
Đối với các ứng dụng cụ thể theo ngành, người dùng có thể tham khảo thực phẩm và đồ uống và điện tử, sản xuất chính xác.
Lingyu cũng đã cung cấp thiết bị tạo nitơ trong các dự án công nghiệp, bao gồm máy tạo nitơ 350 m³/h cho một dự án vật liệu năng lượng mới và các cấu hình kết hợp máy sấy khí lạnh với máy tạo nitơ cho thị trường nước ngoài.
PSA so với các công nghệ sản xuất nitơ khác
PSA là công nghệ tạo nitơ chính được trình bày ở đây vì phù hợp với cấu hình và nguyên lý vận hành của máy tạo nitơ công nghiệp Lingyu.
Các công nghệ tách nitơ khác cũng tồn tại, nhưng chúng sử dụng cơ chế tách và cấu hình hệ thống khác nhau. Khi so sánh các công nghệ tạo nitơ cho một ứng dụng công nghiệp, việc lựa chọn cần dựa trên độ tinh khiết nitơ yêu cầu, công suất, điều kiện vận hành, nhu cầu năng lượng và toàn bộ quy trình.
Kết luận
Vậy máy tạo nitơ hoạt động như thế nào?
Trong hệ thống PSA, khí nén trước tiên được xử lý để kiểm soát các chất gây ô nhiễm không mong muốn. Sau đó khí đi vào hai tháp hấp phụ luân phiên chứa rây phân tử carbon.
CMS ưu tiên hấp phụ oxy trong khi nitơ đi qua để trở thành khí sản phẩm. Một tháp sản xuất nitơ trong khi tháp còn lại tái sinh bằng cách giảm áp, và hai tháp tự động chuyển đổi để duy trì vận hành liên tục.
Đối với máy tạo nitơ PSA của Lingyu, độ tinh khiết nitơ nằm trong khoảng 95% đến 99,999%, áp suất khí vào 0,5–0,8 MPa, nhiệt độ khí vào ≤40°C và chu kỳ chuyển đổi 45–60 giây. Hệ thống cũng cung cấp giám sát trực tuyến độ tinh khiết và lưu lượng, chuyển đổi tháp tự động, điều khiển PLC và bảo vệ khi khí không đạt yêu cầu.
Vì vậy, máy tạo nitơ phù hợp cần được lựa chọn theo độ tinh khiết yêu cầu, lưu lượng nitơ, áp suất, điểm sương, điều kiện khí cấp và chế độ vận hành thay vì chỉ dựa trên độ tinh khiết.
