PSA变压吸附制氮机（PressureSwingAdsorptionNitrogenGenerator）是一种“常温、低能耗”的空气分离设备，核心通过碳分子筛对空气中氧气（O₂）和氮气（N₂）的选择性吸附差异，结合“高压吸附、低压再生”的压力切换，实现氮气的连续制备，广泛应用于化工、食品、电子、医药等领域，其原理与工作流程可拆解为以下关键环节：
一、核心原理：碳分子筛的“选择性吸附-变压再生”机制
PSA制氮的本质是“基于吸附剂选择性的空气组分分离”，关键依赖碳分子筛的特性与压力对吸附能力的调控：
1.碳分子筛：分离氧氮的核心载体
碳分子筛（CMS）是特制多孔炭材料，其结构与吸附特性决定氧氮分离效率：
孔径精准匹配：内部孔隙直径约0.3-0.5nm，与氧气分子直径（0.346nm）接近、略小于氮气分子直径（0.364nm），且孔道表面存在极性基团，对氧气的“范德华力吸附作用”更强（吸附容量是氮气的3-5倍）；
动力学吸附差异：在高压下，氧气分子能快速进入碳分子筛孔隙被吸附，而氮气分子因吸附力弱、扩散慢，大部分直接穿过吸附床层，实现“氧被截留、氮被富集”；
再生可逆性：当压力降低时，碳分子筛对氧气的吸附力显著下降，孔隙内的氧气会自动脱附释放，吸附剂恢复吸附能力，可重复循环使用（单次再生后吸附效率仍达初始值的98%以上，寿命约3-5年）。
2.变压吸附的热力学逻辑
吸附阶段（高压，0.6-1.0MPa）：经预处理的压缩空气进入吸附塔，在高压环境下，碳分子筛优先吸附氧气（同时少量吸附二氧化碳、水分），氮气因吸附量极低，从塔顶部流出，经检测达标后（纯度95%-99.999%）储存或直接使用；此过程中，吸附塔内氧气吸附量随时间增加，约1-2分钟后达到饱和；
再生阶段（低压，常压或-0.04~-0.06MPa负压）：当吸附塔内碳分子筛接近饱和时，快速降低塔内压力，破坏“氧气-碳分子筛”的吸附平衡，被吸附的氧气会脱附释放，再用少量干燥氮气（或空气）吹扫床层，将氧气彻底排出塔外，吸附剂恢复吸附能力，为下一轮吸附做准备。
二、工作流程：双塔交替实现连续制氮
为避免再生过程中断氮气供应，PSA制氮机普遍采用“双塔结构”（A塔、B塔），通过PLC与电磁阀精准控制，使两塔交替处于“吸附制氮”与“降压再生”状态，标准工作周期为2-4分钟（可根据氮气纯度、产气量调整），具体分4个阶段：
1.前置预处理：保护碳分子筛的关键环节
压缩空气进入制氮机前，需经过三级预处理系统，避免杂质污染碳分子筛：
精密过滤器（精度1μm）：去除空气中的粉尘颗粒（粉尘会堵塞碳分子筛孔隙，导致吸附效率下降20%-30%，寿命缩短至1-2年）；
高效除油器（含油量≤0.001ppm）：清除压缩空气中的油污（油污会包裹碳分子筛表面，使其失去选择性吸附能力，直接报废）；
冷冻式/吸附式干燥机：将空气露点降至-20℃以下（水分会与碳分子筛结合形成“水合效应”，破坏孔道结构，且低温环境可提升碳分子筛对氧的吸附选择性）。
2.阶段1：A塔吸附制氮，B塔降压再生（核心工作阶段）
A塔吸附制氮：预处理后的压缩空气（压力0.6-1.0MPa）通过进气阀进入A塔底部，自下而经碳分子筛床层（床层高度800-1200mm，确保空气与吸附剂充分接触），氧气被快速吸附，氮气从A塔顶部流出，经氮气纯度检测仪（在线监测，纯度不达标时自动回流）、流量计后，进入氮气储罐或直接供下游设备（如食品包装、电子焊接）；
B塔降压再生：同时，B塔通过排气阀快速泄压至常压（或负压），碳分子筛吸附的氧气脱附释放，再用A塔产出的少量氮气（约占产气量5%-10%的“吹扫气”）自上而下吹扫B塔，将脱附的氧气彻底排出（尾气含氧量达25%-30%，直接排入大气），B塔碳分子筛完成再生。
3.阶段2：双塔均压，平衡压力（切换准备）
当A塔吸附接近饱和（运行1-2分钟后），系统进入“均压阶段”：
关闭A塔的进气阀与B塔的排气阀，打开A塔与B塔之间的均压阀，使A塔内高压氮气缓慢流入B塔，两塔压力逐渐平衡（蕞终压力约0.3-0.5MPa），均压时间约10-20秒；
此阶段可回收A塔内的高压氮气（避免泄压浪费），同时避免切换时压力骤变冲击碳分子筛床层（防止吸附剂粉化），确保下一轮吸附稳定启动。
4.阶段3：B塔吸附制氮，A塔降压再生（双塔角色互换）
均压完成后，电磁阀切换工作状态：
压缩空气改道进入B塔，B塔开始吸附制氮，持续向下游供应氮气；
A塔通过排气阀泄压，进入再生阶段，用B塔产出的少量氮气吹扫，脱附氧气；
后续重复“均压-切换”流程，A塔、B塔交替吸附与再生，实现24小时不间断产出高纯度氮气。
三、关键特性与适用场景
纯度与产气量灵活调节：通过调整吸附时间、压力、吹扫气量，可实现氮气纯度95%-99.999%（99.999%需加装精提纯装置）、产气量5-5000Nm³/h，适配不同场景需求；
优势显著：常温运行（无需低温设备）、能耗低（比深冷法节能30%-50%）、启停快（开机30分钟内可产出合格氮气）、占地面积小（仅为深冷设备的1/5）；
适用场景：化工行业（惰性保护）、食品行业（防腐保鲜）、电子行业（焊接保护）、医药行业（无菌生产）等，尤其适合中小规模氮气需求场景。
