碳分子篩是20世紀(jì)七十年代發(fā)展起來的一種新型吸附劑，是一種優(yōu)良的非極性碳素材料，制氮碳分子篩(Carbon Molecular Sieves，CMS)用于分離空氣富集氮氣，采用常溫低壓制氮工藝，比傳統(tǒng)的深冷高壓制氮工藝具有投資費用少，產(chǎn)氮速度快、氮氣成本低等優(yōu)點。因此，它是工程界首選的變壓吸附(簡稱P.S.A)空分富氮吸附劑，這種氮氣在化學(xué)工業(yè)、石油天然氣工業(yè)、電子工業(yè)、食品工業(yè)、煤炭工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、電纜行業(yè)、金屬熱處理、運輸及儲存等方面廣泛應(yīng)用。
主要成分
碳分子篩的主要成分為元素碳，外觀為黑色柱狀固體。因含有大量直徑為4埃的微孔，該微孔對氧分子的瞬間親和力較強(qiáng)，可用來分離空氣中的氧氣和氮氣，工業(yè)上利用變壓吸附裝置(PSA)制取氮氣。碳分子篩制氮量大、氮氣回收率高，使用壽命長，適用于各種型號的變壓吸附制氮機(jī)，是變壓吸附制氮機(jī)的首選產(chǎn)品。
碳分子篩空分制氮已廣泛地應(yīng)用于石油化工、金屬熱處理、電子制造、食品保鮮等行業(yè)。
碳分子篩是利用篩分的特性來達(dá)到分離氧氣、氮氣的目的。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)，而氮氣卻很難通過微孔孔口，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、氮氣分子篩都很容易進(jìn)入微孔中，也起不到分離的作用;而孔徑過小，氧氣、氮氣都不能進(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，首先先經(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。
長期以來，碳分子篩成為日本和德國壟斷的產(chǎn)品，2000年以前國內(nèi)80%的份額被其占有，國際市場上更是如此。碳分子篩技術(shù)通過長興化工廠引進(jìn)國內(nèi)，國內(nèi)碳分子篩廠家主要分布在長興、山東、宣城、等地。國產(chǎn)分子篩逐步搶占了大部分市場份額，但要想在這個行業(yè)做大做強(qiáng)，必須自主創(chuàng)新，提高產(chǎn)品性能指標(biāo)，打破技術(shù)貿(mào)易壁壘。
未來幾年，碳分子篩產(chǎn)品將向高指標(biāo)、高強(qiáng)度、高堆密度方向發(fā)展，低指標(biāo)低檔次的產(chǎn)品將會被淘汰，空分設(shè)備將趨向小型化，對分子篩行業(yè)提出了更高的要求，因此如抓住當(dāng)前的良好時機(jī)，擴(kuò)大生產(chǎn)，逐步改變國際國內(nèi)對于中國產(chǎn)碳分子篩低價低質(zhì)的認(rèn)識，迅速搶占國內(nèi)國際市場，將有可能在兩到三年內(nèi)成為行業(yè)排頭兵。
國內(nèi)市場
2012年，國內(nèi)市場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，尤其是最近幾年，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，國內(nèi)市場前景十分廣闊。
一、產(chǎn)品的主要型號
CMS-180 CMS-200 CMS-220 CMS-240 CMS-260 CMS-F
二、碳分子篩空分制氮的原理
該產(chǎn)品屬于碳素吸附劑，是由碳組成的多孔物質(zhì)，孔結(jié)構(gòu)模型為無序堆積碳素結(jié)構(gòu)。碳分子篩是非計量化合物，其重要性質(zhì)是基于它的微孔結(jié)構(gòu)。它分離空氣的能力，取決于空氣中各種氣體在碳分子篩微孔中的不同擴(kuò)散速度，或不同的吸附力，或兩種效應(yīng)同時起作用。在平衡條件下，碳分子篩對氧和氮的吸附量相當(dāng)接近，但氧分子通過碳分子篩微孔系統(tǒng)的狹窄空隙的擴(kuò)散速度要比氮分子快得多，碳分子篩空分制氮就是基于這一性能，在遠(yuǎn)未達(dá)到平衡條件的時間之前，通過PSA工藝流程使氮氣從空氣中分離出來。
三、碳分子篩空分制氮裝置
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，床層氣相富集的氮氣穿過床層成為產(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)，及氮氣供應(yīng)系統(tǒng)。
四、碳分子篩制氮需要控制的條件
1、空氣壓縮純化過程
純原料空氣進(jìn)入碳分子篩吸附塔，是非常必要的，因為顆粒及有機(jī)氣氛進(jìn)入吸附塔會堵塞碳分子篩的微孔，并逐漸使碳分子篩的分離性能降低。
純化原料空氣的方法有:1使空壓機(jī)的進(jìn)氣口遠(yuǎn)離有灰塵、油霧、有機(jī)氣氛的場所;2通過冷干機(jī)、吸附劑凈化系統(tǒng)等，最后經(jīng)處理后的原料空氣進(jìn)入碳分子篩吸附塔。
2、產(chǎn)品氮氣的濃度和產(chǎn)氣量
碳分子篩制取氮氣，其N2濃度和產(chǎn)氣量可根據(jù)用戶的需要進(jìn)行任意調(diào)節(jié)，在產(chǎn)氣時間及操作壓力確定時，調(diào)低產(chǎn)氣量，N2濃度將提高，反之，N2濃度則下降。用戶可根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)。
3、均壓時間
碳分子篩制氮過程，當(dāng)一個吸附塔吸附結(jié)束時，可將此吸附塔內(nèi)的有壓氣體從上下兩個方向注入另一個已再生好的吸附塔中，并使兩塔氣體壓力相同，此一過程稱為吸附塔的均壓，選擇適當(dāng)?shù)木鶋簳r間，即可回收能量，也可以減緩吸附塔內(nèi)的分子篩受到的沖擊，從而達(dá)到延長碳分子篩的使用壽命。參考伐門的切換速度一般選擇均壓時間為1~3秒。
4、產(chǎn)氣時間
根據(jù)碳分子篩對氧和氮的吸擴(kuò)散速率不同，其吸附O2在短時間內(nèi)就達(dá)到平衡，此時，N2的吸附量很少，較短的產(chǎn)氣時間，可有效的提高碳分子篩的產(chǎn)氣率，但同時也增加了伐門的動作頻率，因此伐門的性能也很重要。一般選擇吸附時間為30~120秒。小型高純制氮機(jī)推薦使用短的產(chǎn)氣時間，大型低濃度推薦使用長的產(chǎn)氣時間。
5、操作壓力
碳分子篩在動力學(xué)效應(yīng)的同時，又具有平衡吸附效應(yīng)，吸附質(zhì)分壓高，吸附容量也高，因此加壓吸附是有利的，但吸附壓力太高，對空壓機(jī)的選型要求也增高，另外常壓再生與真空再生兩個流程對吸附壓力要求也不同，綜合各項因素，建議常壓再生流程的吸附壓力選為5~8Kg/cm2為宜;真空再生流程的吸附壓力選擇為3~5Kg/cm2為宜。
6、使用溫度
作為吸附劑選擇較低的吸附溫度有利于碳分子篩性能的發(fā)揮，制氮機(jī)工藝在有條件的情況下，采取降低吸附溫度是有利的。
