变压吸附制氮机（Pressure Swing Adsorption，简称 PSA 制氮机）是利用吸附剂对不同气体分子的 “选择性吸附” 特性，通过周期性改变压力实现氮气与氧气等气体分离的设备，其核心原理可概括为 “吸附 - 解吸” 的循环过程，具体如下：

一、核心原理：吸附剂的选择性与压力依赖性

吸附剂的关键作用
变压吸附制氮机的核心是碳分子筛（CMS），这是一种具有微孔结构的吸附材料，其孔径（约 0.3-0.5 纳米）恰好能对空气中的氧气（O₂，分子直径 0.346nm）和氮气（N₂，分子直径 0.364nm）产生 “筛分效应”：

这种 “选择性吸附” 是分离的基础。

氧气分子直径略小，更容易被碳分子筛的微孔吸附（物理吸附，无化学反应）；

氮气分子直径稍大，吸附能力远弱于氧气，会优先通过吸附剂层。

压力对吸附能力的影响
碳分子筛的吸附能力与压力正相关：

高压环境（通常 0.6-0.8MPa）下，吸附能力增强，大量氧气被吸附在碳分子筛表面，氮气则因吸附量少而作为 “产品气” 流出；

低压环境（接近常压或负压）下，吸附能力减弱，被吸附的氧气会从碳分子筛表面脱离（解吸），使吸附剂再生，恢复吸附能力。

二、工作流程：双塔循环实现连续制氮

为保证氮气的连续产出，PSA 制氮机通常采用双吸附塔（A 塔和 B 塔）交替工作，配合阀门控制完成 “吸附 - 均压 - 解吸 - 冲洗” 的循环（单塔周期约 60-120 秒），具体步骤如下：

1. 吸附阶段（A 塔工作，B 塔再生）

压缩空气经净化处理（除水、除油、除尘）后，从底部进入 A 塔。

在 0.6-0.8MPa 的压力下，空气中的氧气、二氧化碳（CO₂）、水分（H₂O）等被碳分子筛优先吸附，氮气因吸附量少，从 A 塔顶部流出，经流量计、分析仪检测后，作为成品氮气输出。

此时 B 塔处于 “解吸阶段”（见步骤 3），为下一次吸附做准备。

2. 均压阶段（能量回收）

当 A 塔吸附接近饱和时，系统自动切换阀门，A 塔内的高压氮气部分回流至 B 塔（此时 B 塔处于低压）。

作用：① 利用 A 塔剩余高压氮气为 B 塔升压，减少后续进气能耗；② 降低 A 塔压力，为其解吸做准备，同时减少 B 塔再生后的残留杂质。

3. 解吸阶段（A 塔再生，B 塔工作）

A 塔泄压至常压（或抽真空至负压），碳分子筛因压力降低，吸附能力下降，之前吸附的氧气、水分等从微孔中脱离，随少量废气从塔底排出（称为 “逆放”）。

同时，B 塔开始进入吸附阶段（重复步骤 1），产出氮气；部分成品氮气会被分流至 A 塔，进一步冲洗残留杂质（称为 “冲洗”），确保 A 塔再生彻底。

4. 循环交替

两塔通过可编程控制器（PLC）控制阀门自动切换，交替进行 “吸附 - 均压 - 解吸 - 冲洗”，实现连续、稳定的氮气产出。

三、关键特点：高效分离的核心保障

快速循环：单塔吸附时间短（30-120 秒），避免吸附剂饱和，保证氮气纯度稳定（通常可达 95%-99.999%，通过调节参数可灵活控制）。

无需化学试剂：仅通过物理吸附与压力变化实现分离，无二次污染，能耗主要来自压缩空气（约占总能耗的 80% 以上）。

自动化程度高：全程由 PLC 控制阀门切换，无需人工干预，可根据用气需求自动调节产气量。

总结

变压吸附制氮机的本质是利用碳分子筛对氧、氮的吸附差异，通过 “高压吸附氧气、低压解吸再生” 的双塔交替循环，从空气中高效分离出氮气，具有流程简单、产气快、纯度可调等优势，广泛应用于化工、食品、电子等行业。