Việc sản xuất khí nitơ có độ tinh khiết 99,99% tại chỗ không chỉ đơn giản là lựa chọn một máy tạo khí nitơ có lưu lượng danh định đủ lớn. Độ tinh khiết của nitơ, mức tiêu thụ khí nén, điều kiện khí đầu vào, hiệu suất của sàng phân tử carbon (CMS), hệ thống xử lý sơ bộ và khả năng giám sát độ tinh khiết trực tuyến đều ảnh hưởng đến thiết kế cuối cùng của hệ thống.
Máy tạo khí nitơ PSA của Lingyu sử dụng hai tháp hấp phụ chứa đầy sàng phân tử carbon (CMS). Oxy được ưu tiên hấp phụ khỏi khí nén, trong khi nitơ đi qua lớp vật liệu hấp phụ và trở thành khí sản phẩm. Hai tháp hấp phụ tự động luân phiên giữa quá trình hấp phụ và tái sinh dưới sự điều khiển của PLC để duy trì quá trình sản xuất nitơ liên tục.
Đối với người dùng cần so sánh các cấu hình độ tinh khiết PSA khác nhau, dòng máy tạo khí nitơ của Lingyu bao gồm nhiều lựa chọn trong cùng một hệ sản phẩm.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống tạo khí nitơ PSA
Công nghệ hấp phụ biến thiên áp suất (PSA) tách nitơ khỏi khí nén thông qua các chu kỳ hấp phụ và tái sinh luân phiên.
Hấp phụ
Khí nén đi vào tháp hấp phụ đang hoạt động và đi qua lớp sàng phân tử carbon.
CMS ưu tiên hấp phụ các phân tử oxy, cho phép nitơ đi qua lớp hấp phụ và được thu lại dưới dạng khí sản phẩm.
Tái sinh
Đồng thời, tháp hấp phụ thứ hai được giảm áp.
Oxy đã được CMS hấp phụ trước đó được giải phóng và xả ra môi trường với sự hỗ trợ của một lượng nhỏ khí nitơ dùng để tái sinh.
Tự động chuyển đổi giữa hai tháp
Khi tháp hấp phụ đang hoạt động đạt đến khả năng hấp phụ được cài đặt trước, PLC sẽ thay đổi trình tự vận hành.
Tháp đã hoàn thành quá trình tái sinh bắt đầu hấp phụ, trong khi tháp thứ nhất chuyển sang quá trình tái sinh.
Hai tháp liên tục luân phiên giữa các trạng thái vận hành này, giúp hệ thống duy trì sản xuất nitơ ở độ tinh khiết quy định.
Tại sao nitơ 99,99% yêu cầu tính toán công suất theo độ tinh khiết?
Nền tảng máy tạo khí nitơ PSA hỗ trợ phạm vi độ tinh khiết nitơ từ 95% đến 99,999%, nhưng không thể xem xét độ tinh khiết và công suất sản xuất một cách độc lập.
Độ tinh khiết nitơ càng cao càng ảnh hưởng đến tỷ lệ thu hồi nitơ và lượng khí nén cần thiết để sản xuất một thể tích khí sản phẩm nhất định.
Do đó, máy tạo khí nitơ PSA 99,99% phải được lựa chọn dựa trên công suất và lưu lượng tiêu thụ khí nén hiệu dụng tương ứng với cấu hình LYZD-E, thay vì sử dụng lưu lượng danh định của model 99% hoặc 99,5%.
Đối với mức độ tinh khiết này, mối quan hệ chính khi tính toán lựa chọn là:
Độ tinh khiết nitơ 99,99% + lưu lượng nitơ yêu cầu + lưu lượng tiêu thụ khí nén hiệu dụng
Điều kiện vận hành tiêu chuẩn của PSA
Hệ thống tạo khí nitơ PSA vận hành trong các điều kiện tiêu chuẩn sau:
| Thông số | Quy cách |
|---|---|
| Nhiệt độ khí đầu vào | ≤40°C |
| Áp suất khí đầu vào | 0,5–0,8 MPa |
| Độ tinh khiết nitơ PSA khả dụng | 95%–99,999% |
| Điểm sương nitơ | ≤−40°C |
| Nhiệt độ môi trường | ≤40°C |
| Chu kỳ chuyển đổi | 45–60 giây |
| Nguồn điện | 220 V / 50 Hz |
| Độ ồn | ≤75 dB |
Đây là các điều kiện vận hành áp dụng cho toàn bộ dòng sản phẩm. Công suất và lưu lượng tiêu thụ khí nén hiệu dụng được trình bày dưới đây áp dụng riêng cho cấu hình LYZD-E 99,99%.
Thông số kỹ thuật của máy tạo khí nitơ LYZD-E 99,99%
Dưới đây là các thông số đại diện của LYZD-E.
| Model | Công suất sản xuất nitơ | Ống khí vào | Ống khí ra | Kích thước C × D × R | Lưu lượng tiêu thụ khí nén hiệu dụng |
| LYZD-E5 | 5 m³/h | DN15 | DN15 | 1936 × 1000 × 600 mm | 0,43 m³/phút |
| LYZD-E10 | 10 m³/h | DN20 | DN15 | 2205 × 1050 × 650 mm | 0,86 m³/phút |
| LYZD-E20 | 20 m³/h | DN25 | DN25 | 2150 × 1250 × 550 mm | 1,73 m³/phút |
| LYZD-E50 | 50 m³/h | DN40 | DN25 | 2718 × 1750 × 765 mm | 4,33 m³/phút |
| LYZD-E120 | 120 m³/h | DN50 | DN40 | 3160 × 2350 × 1200 mm | 10,40 m³/phút |
| LYZD-E200 | 200 m³/h | DN80 | DN40 | 3232 × 2800 × 1450 mm | 17,33 m³/phút |
Lưu lượng tiêu thụ khí nén hiệu dụng 10,40 m³/phút thuộc về model LYZD-E120 với công suất 120 m³/h. Không nên chèn thêm model 100 m³/h giữa các cấu hình 90 và 120 m³/h đã được liệt kê.
Dòng LYZD-E hoàn chỉnh còn bao gồm các cấu hình 15, 25, 30, 35, 40, 60, 70, 90, 130, 150, 170 và 180 m³/h. Vì vậy, bảng trên chỉ thể hiện các model đại diện chứ không phải toàn bộ dải sản phẩm.
Lưu lượng tiêu thụ khí nén hiệu dụng ở độ tinh khiết 99,99%
Lưu lượng tiêu thụ khí nén là một thông số chính khi tính toán lựa chọn hệ thống PSA tạo nitơ có độ tinh khiết cao.
Các mối quan hệ đại diện bao gồm:
| Công suất sản xuất nitơ | Lưu lượng tiêu thụ khí nén hiệu dụng |
| 5 m³/h | 0,43 m³/phút |
| 20 m³/h | 1,73 m³/phút |
| 50 m³/h | 4,33 m³/phút |
| 120 m³/h | 10,40 m³/phút |
| 200 m³/h | 17,33 m³/phút |
Không thể lựa chọn công suất máy nén khí phía trước chỉ dựa trên lưu lượng nitơ đầu ra.
Công suất khí nén khả dụng phải đáp ứng lưu lượng tiêu thụ khí nén hiệu dụng của máy tạo khí nitơ cùng với nhu cầu của các thiết bị sử dụng khí nén khác đang hoạt động trong nhà máy.
Điều kiện thiết kế để đạt hiệu suất định mức
Các giá trị công suất và lưu lượng tiêu thụ khí nén hiệu dụng của LYZD-E được xác định dựa trên các điều kiện thiết kế cụ thể:
Áp suất hấp phụ: 0,8 MPa(g)
Nhiệt độ môi trường: 20°C
Độ ẩm tương đối của khí cấp: 80%
Công suất nitơ thực tế và lưu lượng tiêu thụ khí nén có thể thay đổi khi áp suất đầu vào, nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng khí nén hoặc các điều kiện vận hành khác khác với các điều kiện thiết kế này.
Điều này đặc biệt quan trọng đối với hệ thống 99,99%, bởi độ tinh khiết, tỷ lệ thu hồi nitơ và lưu lượng khí sản phẩm khả dụng có mối quan hệ chặt chẽ với nhau.
Vận hành tự động bằng PLC
Máy tạo khí nitơ PSA có khả năng vận hành hoàn toàn tự động, bao gồm tự động khởi động, dừng máy và tự động chuyển đổi chu kỳ.
Các van khí nén được PLC điều khiển để phối hợp các quá trình hấp phụ, cân bằng áp suất, giảm áp và tái sinh.
Tự động chuyển đổi trình tự giữa các tháp
Trong quá trình sản xuất liên tục, một tháp duy trì trạng thái hấp phụ trong khi tháp còn lại thực hiện quá trình tái sinh.
Hệ thống điều khiển tự động thay đổi đường dẫn dòng khí tại thời điểm cần thiết trong chu kỳ, loại bỏ nhu cầu chuyển đổi thủ công thường xuyên giữa các tháp hấp phụ.
Chu kỳ chuyển đổi
Chu kỳ chuyển đổi tiêu chuẩn là:
45–60 giây
Trình tự chuyển đổi chính xác giúp duy trì quá trình sản xuất nitơ liên tục, đồng thời cho phép mỗi lớp CMS luân phiên giữa quá trình hấp phụ và tái sinh.
Giám sát độ tinh khiết và lưu lượng theo thời gian thực
Độ tinh khiết và lưu lượng nitơ được giám sát trực tuyến liên tục theo thời gian thực.
Ở độ tinh khiết 99,99%, việc giám sát liên tục đặc biệt quan trọng vì những thay đổi tương đối nhỏ trong thành phần khí cũng có thể quyết định liệu nitơ sản phẩm có tiếp tục đáp ứng yêu cầu quy định hay không.
Màn hình cảm ứng kỹ thuật số hiển thị các thông tin vận hành chính, bao gồm:
- Áp suất
- Độ tinh khiết nitơ
- Lưu lượng nitơ
- Trạng thái vận hành của hệ thống
Nhờ đó, người vận hành có thể trực tiếp theo dõi cả chất lượng khí sản phẩm và điều kiện vận hành của hệ thống PSA.
Cảnh báo và bảo vệ khi nitơ không đạt tiêu chuẩn
Máy tạo khí nitơ PSA được trang bị chức năng bảo vệ khi nitơ không đạt tiêu chuẩn.
Nếu độ tinh khiết nitơ giảm xuống dưới giá trị quy định, hệ thống sẽ kích hoạt cảnh báo.
Nếu tình trạng không đạt tiêu chuẩn tiếp tục trong một khoảng thời gian cài đặt trước, máy tạo khí nitơ sẽ tự động dừng để bảo vệ hệ thống.
Chức năng này đặc biệt quan trọng trong các trường hợp nitơ có độ tinh khiết thấp hơn yêu cầu có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản xuất, hiệu suất sản phẩm hoặc thiết bị công nghệ phía sau.
Tự động ép chặt CMS
Hệ thống PSA được trang bị thiết bị tự động ép chặt sàng phân tử carbon.
Thiết bị này có nhiệm vụ duy trì mật độ đóng gói CMS cần thiết và giúp giảm hiện tượng tạo bột do vật liệu dịch chuyển bên trong lớp hấp phụ.
Việc duy trì trạng thái đóng gói CMS ổn định rất quan trọng đối với hiệu suất hấp phụ, đặc biệt khi hệ thống nitơ phải duy trì độ tinh khiết 99,99%.
Tình trạng CMS nên được đánh giá dựa trên hiệu suất độ tinh khiết, độ ổn định lưu lượng, đặc tính áp suất, lịch sử vận hành và kết quả kiểm tra thiết bị thay vì áp dụng một khoảng thời gian thay thế cố định cho mọi hệ thống.
Cân bằng áp suất và tỷ lệ thu hồi nitơ
Thiết kế PSA sử dụng quy trình cân bằng áp suất chênh lệch được tối ưu hóa.
Chiến lược vận hành này cải thiện hiệu suất thu hồi nitơ và có thể gián tiếp giảm mức tiêu thụ năng lượng tổng thể khoảng 5% trong các điều kiện so sánh tương ứng.
Hiệu suất năng lượng thực tế phụ thuộc vào hiệu suất máy nén, áp suất đầu vào, độ tinh khiết nitơ yêu cầu, lưu lượng nitơ, đặc tính tải và lịch vận hành. Vì vậy, mức khoảng 5% không nên được xem là mức giảm cố định đối với tổng mức tiêu thụ năng lượng của toàn nhà máy.
Xử lý sơ bộ khí nén cho hệ thống PSA độ tinh khiết cao
Hiệu suất của CMS phụ thuộc đáng kể vào chất lượng khí nén đi vào các tháp hấp phụ.
Dầu nhiễm bẩn, nước ở dạng lỏng và lượng hạt bụi quá mức có thể ảnh hưởng bất lợi đến hiệu suất hấp phụ cũng như tình trạng lâu dài của CMS.
Một hệ thống tạo khí nitơ hoàn chỉnh có thể bao gồm bình chứa khí nén, thiết bị sấy và nhiều cấp lọc trước máy tạo khí nitơ PSA.
Khi cần kiểm soát tạp chất ở mức cao hơn, bộ lọc khí nén chính xác của Lingyu có thể được tích hợp vào hệ thống xử lý sơ bộ.
Cấu hình bộ lọc phù hợp cần được lựa chọn dựa trên loại máy nén, mức độ nhiễm bẩn của khí nén và yêu cầu về chất lượng khí đầu vào của máy tạo khí nitơ.
Điểm sương nitơ và độ tinh khiết là hai thông số riêng biệt
Điểm sương nitơ tiêu chuẩn của hệ thống PSA là:
≤−40°C
Độ tinh khiết nitơ xác định thành phần khí, trong khi điểm sương thể hiện hàm lượng ẩm. Đây là hai thông số hiệu suất riêng biệt.
Do đó, một quy trình yêu cầu nitơ khô có độ tinh khiết cao có thể đồng thời cần:
Độ tinh khiết nitơ 99,99%
và
một mức điểm sương nitơ xác định
Khi lựa chọn hệ thống hoàn chỉnh, yêu cầu về độ ẩm cần được xác nhận cùng với độ tinh khiết nitơ.
Có phải mọi ứng dụng đều cần nitơ 99,99%?
Các ngành như điện tử, chế biến thực phẩm, dược phẩm, phòng thí nghiệm, gia công laser, dầu khí và sản xuất đồ uống đều có thể sử dụng nitơ, nhưng yêu cầu về độ tinh khiết khác nhau tùy theo từng quy trình cụ thể.
Chỉ nên lựa chọn máy tạo khí nitơ 99,99% khi thông số kỹ thuật của quy trình yêu cầu hoặc cho phép mức độ tinh khiết này.
Ví dụ, yêu cầu oxy dư đối với quá trình tạo môi trường trơ bằng nitơ thông thường và sản xuất chất bán dẫn có độ nhạy cao với oxy có thể rất khác nhau.
Đối với bối cảnh sản xuất yêu cầu độ tinh khiết cao có liên quan, người dùng có thể tham khảo ứng dụng trong sản xuất chất bán dẫn và PCB của Lingyu.
Do đó, độ tinh khiết nitơ cần được xác định theo yêu cầu của từng quy trình thay vì áp dụng một mức chung cho toàn bộ ngành.
Bộ đệm và hệ thống cấp nitơ
Một hệ thống PSA tạo nitơ hoàn chỉnh thường bao gồm bộ đệm và hệ thống phân phối ở phía sau.
Bình đệm nitơ cần được xem xét cùng với công suất máy tạo khí, mức tiêu thụ nitơ tức thời, áp suất cấp yêu cầu, tổn thất áp suất đường ống, chu kỳ vận hành của quy trình và mức dao động áp suất cho phép.
Vai trò của bình đệm nitơ
Bộ đệm có thể giúp ổn định việc cấp nitơ khi nhu cầu phía sau thay đổi nhanh hơn chu kỳ sản xuất của hệ thống PSA.
Bình đệm không làm tăng độ tinh khiết nitơ hoặc công suất định mức của máy tạo khí.
Mục đích của bình là giúp cân bằng giữa sản xuất và tiêu thụ, đồng thời hỗ trợ duy trì điều kiện cấp khí ổn định.
Ảnh hưởng của độ tinh khiết đến công suất nitơ khả dụng
Không nên xem xét độ tinh khiết và công suất sản xuất nitơ một cách độc lập.
Khi yêu cầu về độ tinh khiết nitơ PSA tăng lên, trong cùng các điều kiện vận hành chung, tỷ lệ khí cấp có thể được thu hồi dưới dạng nitơ sản phẩm sử dụng được thường sẽ giảm.
Đây là lý do các cấu hình 99%, 99,5% và 99,99% sử dụng dữ liệu công suất và lưu lượng tiêu thụ khí nén hiệu dụng khác nhau.
Không nên lựa chọn model có độ tinh khiết thấp hơn với giả định rằng lưu lượng định mức của model đó sẽ không thay đổi khi yêu cầu độ tinh khiết được nâng lên 99,99%.
Nitơ PSA 99,99% so với nitơ tinh chế ≥99,999%
Máy tạo khí nitơ PSA LYZD-E 99,99% khác về mặt kỹ thuật so với hệ thống tinh chế phía sau được thiết kế để tạo ra nitơ có độ tinh khiết ≥99,999%.
Hệ thống tinh chế khử oxy bằng carbon có thể sử dụng nitơ do PSA sản xuất với độ tinh khiết khoảng 99,9% làm khí cấp và tiếp tục tinh chế khí này.
Quy trình khử oxy bằng carbon
Quy trình tinh chế sử dụng chất khử oxy loại 3093.
Oxy dư phản ứng trong giai đoạn khử oxy để tạo thành CO₂. Sau đó, hệ thống loại bỏ CO₂ và độ ẩm trước khi thực hiện bước lọc cuối cùng.
Đây là một quy trình xử lý khí riêng biệt, không đơn thuần là cài đặt mức độ tinh khiết cao hơn trên máy LYZD-E.
Thông số riêng của hệ thống độ tinh khiết cao
Cấu hình tinh chế phía sau có các thông số vận hành riêng, bao gồm:
| Thông số | Quy cách |
| Công suất nitơ | 10–800 m³/h |
| Oxy | ≤10 ppm |
| CO₂ | ≤5 ppm |
| Độ tinh khiết nitơ | ≥99,999% |
| Điểm sương ở áp suất khí quyển | ≤−60°C |
| Nguồn điện | 380 V / 50 Hz |
Do đó, các ứng dụng yêu cầu độ tinh khiết cao hơn cần được đánh giá như một cấu hình PSA tùy chỉnh hoặc hệ thống tinh chế phía sau riêng biệt, thay vì giả định rằng cùng một thiết bị LYZD-E 99,99% có thể đơn giản điều chỉnh lên ≥99,999%.
Cách lựa chọn máy tạo khí nitơ PSA 99,99%
Hệ thống nitơ 99,99% cần được lựa chọn dựa trên toàn bộ điều kiện vận hành thay vì chỉ dựa vào lưu lượng nitơ danh định.
Độ tinh khiết nitơ yêu cầu
Xác nhận rằng nitơ 99,99% thực sự là yêu cầu của quy trình.
Nếu cần nitơ ≥99,999%, hãy đánh giá riêng cấu hình PSA có độ tinh khiết cao hơn hoặc hệ thống tinh chế phía sau phù hợp.
Lưu lượng nitơ yêu cầu
Xác định nhu cầu nitơ thông thường, nhu cầu cực đại và nhu cầu trong tương lai.
Bảng LYZD-E đại diện bao gồm công suất từ 5 đến 200 m³/h, đồng thời có thêm các model trung gian.
Công suất khí nén khả dụng
Xác minh rằng hệ thống máy nén có khả năng cung cấp lưu lượng khí nén hiệu dụng cần thiết.
Lưu lượng tiêu thụ khí nén hiệu dụng đại diện dao động từ 0,43 m³/phút cho công suất sản xuất nitơ 5 m³/h đến 17,33 m³/phút cho công suất 200 m³/h.
Áp suất khí nén
Phạm vi áp suất khí đầu vào tiêu chuẩn là:
0,5–0,8 MPa
Dữ liệu hiệu suất của model được xác định dựa trên áp suất hấp phụ:
0,8 MPa(g)
Điều kiện khí đầu vào và môi trường
Nhiệt độ khí đầu vào tiêu chuẩn là ≤40°C và giới hạn nhiệt độ môi trường tiêu chuẩn cũng là ≤40°C.
Độ ẩm thực tế, điều kiện môi trường và chất lượng khí đầu vào cũng cần được xem xét.
Điểm sương nitơ
Điểm sương nitơ tiêu chuẩn là:
≤−40°C
Cần xác nhận mức độ ẩm này có đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của quy trình phía sau hay không.
Xử lý sơ bộ
Xác định hệ thống sấy và lọc khí nén cần thiết để bảo vệ lớp CMS khỏi nước dạng lỏng, dầu nhiễm bẩn và lượng hạt bụi quá mức.
Bộ đệm và hệ thống phân phối
Đánh giá dung tích bình đệm nitơ, áp suất cấp, tổn thất áp suất đường ống, nhu cầu tức thời và chế độ vận hành của quy trình.
Giám sát độ tinh khiết và hệ thống điều khiển
Xác nhận các yêu cầu đối với tự động hóa PLC, giám sát độ tinh khiết nitơ theo thời gian thực, giám sát lưu lượng nitơ, màn hình cảm ứng, cảnh báo khi khí không đạt tiêu chuẩn và chức năng dừng bảo vệ.
Người dùng lựa chọn mức độ tinh khiết này có thể tham khảo máy tạo khí nitơ PSA 99,99% của Lingyu.
Đối với công suất đặc biệt, yêu cầu độ tinh khiết hoặc điều kiện tích hợp hệ thống riêng, cấu hình thiết bị cuối cùng cần được lựa chọn phù hợp với yêu cầu thực tế của dự án.
Kết luận
Máy tạo khí nitơ PSA LYZD-E được thiết kế xoay quanh yêu cầu sản xuất nitơ 99,99%, công suất tương ứng với độ tinh khiết, lưu lượng tiêu thụ khí nén hiệu dụng, bảo vệ CMS và kiểm soát độ tinh khiết trực tuyến.
Quy trình PSA sử dụng hai tháp hấp phụ chứa CMS, tự động luân phiên giữa hấp phụ và tái sinh. Oxy được ưu tiên hấp phụ, nitơ đi qua dưới dạng khí sản phẩm và quá trình chuyển đổi do PLC điều khiển giúp duy trì sản xuất liên tục.
Điều kiện vận hành PSA tiêu chuẩn bao gồm áp suất đầu vào 0,5–0,8 MPa, nhiệt độ khí đầu vào ≤40°C, điểm sương nitơ ≤−40°C, chu kỳ chuyển đổi 45–60 giây, nguồn điện 220 V / 50 Hz và độ ồn ≤75 dB.
Công suất đại diện của LYZD-E trải dài từ 5 m³/h với lưu lượng tiêu thụ khí nén hiệu dụng 0,43 m³/phút đến 200 m³/h với mức 17,33 m³/phút, đồng thời có thêm các model công suất trung gian.
Đối với yêu cầu độ tinh khiết cao hơn mức của LYZD-E, nitơ ≥99,999% cần được xem là một cấu hình kỹ thuật riêng biệt. Ví dụ, hệ thống tinh chế khử oxy bằng carbon sử dụng một quy trình khác và có các thông số riêng về công suất, oxy dư, CO₂, điểm sương và nguồn điện.
