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PSA制氮用碳分子篩
PSA制氮用碳分子篩
二十世紀(jì)五十年代，伴隨著工業(yè)革命的大潮，碳材料的應(yīng)用越來越廣泛，其中活性碳的應(yīng)用領(lǐng)域PSA制氮用碳分子篩
擴(kuò)展快，從初的過濾雜質(zhì)逐漸發(fā)展到分離不同組份。與此同時，隨著技術(shù)的進(jìn)步，人類對物質(zhì)的加工能力也越來越強(qiáng)，在這種情況下，碳分子篩應(yīng)運(yùn)而生。

碳分子篩是利用篩分的特性來達(dá)到分離氧氣、氮?dú)獾哪康?。在分子篩吸附雜質(zhì)氣體時，大孔和中孔只起到通道的作用，將被吸附的分子運(yùn)送到微孔和亞微孔中，微孔和亞微孔才是真正起吸附作用的容積。如前圖所示，碳分子篩內(nèi)部包含有大量的微孔，這些微孔允許動力學(xué)尺寸小的分子快速擴(kuò)散到孔內(nèi)，同時限制大直徑分子的進(jìn)入。由于不同尺寸的氣體分子相對擴(kuò)散速率存在差異，氣體混合物的組分可以被有效的分離。因此，在制造碳分子篩時，根據(jù)分子尺寸的大小，碳分子篩內(nèi)部微孔分布應(yīng)在0.28～0.38nm。在該微孔尺寸范圍內(nèi)，氧氣可以快速通過微孔孔口擴(kuò)散到孔內(nèi)，而氮?dú)鈪s很難通過微孔孔口，從而達(dá)到氧、氮分離。微孔孔徑大小是碳分子篩分離氧、氮的基礎(chǔ)，如果孔徑過大，氧氣、氮?dú)夥肿雍Y都很容易進(jìn)入微孔中，也起不到分離的作用；而孔徑過小，氧氣、氮?dú)舛疾荒苓M(jìn)入微孔中，也起不到分離的作用。

國產(chǎn)分子篩由于受條件限制，對孔徑大小控制的不是很好。市面上銷售的碳分子篩微孔孔徑分布在0.3～1nm，只有巖谷分子篩做到了0.28～0.36nm。碳分子篩的原料為椰子殼、煤炭、樹脂等，步先經(jīng)加工后粉化，然后與基料揉合，基料主要是增加強(qiáng)度，防止破碎粉化的材料；第二步是活化造孔，在600～1000℃溫度下通入活化劑，常用的活化劑有水蒸氣、二氧化碳、氧氣以及它們的混合氣。它們與較為活潑的無定型碳原子進(jìn)行熱化學(xué)反應(yīng)，以擴(kuò)大比表面積逐步形成孔洞活化造孔時間從10～60min不等；第三步為孔結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)，利用化學(xué)物質(zhì)的蒸氣：如苯在碳分子篩微孔壁進(jìn)行沉積來調(diào)節(jié)孔的大小，使之滿足要求。


2012年，主要采用中低檔碳分子篩，年總需求量在6000噸以上，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)尤其是化工業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對碳分子篩的需求水平會逐年增長，尤其是近幾年，國家對煤礦、油田、油輪的安全高度重視，強(qiáng)制油田、油輪配備制氮機(jī)，電子工業(yè)和材料工業(yè)的需求，進(jìn)一步擴(kuò)大了國內(nèi)碳分子篩的需求量。據(jù)調(diào)查，自2000年以來，年平均增長率都在80%以上，前景十分廣闊。

在國產(chǎn)碳分子篩以質(zhì)優(yōu)全球的同時，碳分子篩及制氮裝置還有很多工作要做。一是積極研制環(huán)保型碳分子篩生產(chǎn)工藝，以為碳分子篩企業(yè)向大中型規(guī)?；髽I(yè)發(fā)展創(chuàng)造基礎(chǔ)；二是碳分子篩品牌針對不同的用氮場所的工藝要求，可再細(xì)分為以節(jié)能型、普氮型及長周期型等；再者，在行業(yè)方面，積極探索同行間友好競爭發(fā)展模式，如強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合和資本聯(lián)合等，以創(chuàng)造國際品牌企業(yè)。

該裝置一般稱為制氮機(jī)。其工藝流程是采用在常溫下變壓吸附法（簡稱P.S.A法），變壓吸附為無熱源的吸附分離過程，碳分子篩對被吸附組份（主要是氧分子）的吸附容量因上述原理在充壓、產(chǎn)氣時吸附，在降壓排氣時解吸，使碳分子篩再生。同時，床層氣相富集的氮?dú)獯┻^床層成為產(chǎn)品氣，各步驟連為循環(huán)操作。
變壓吸附過程循環(huán)操作包括：充壓、產(chǎn)氣；均壓；降壓、排氣；然后再充壓、產(chǎn)氣；……幾個工作階段，形成循環(huán)操作過程。其根據(jù)流程的再生方法不同，可分為真空再生流程和常壓再生流程。
P.S.A制氮機(jī)設(shè)備根據(jù)用戶的需要可包括空氣壓縮純化系統(tǒng)、變壓吸附系統(tǒng)、閥門程序控制系統(tǒng)（真空再生的還需帶有真空泵），及氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)。