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碳分子篩的起源
發(fā)布者:wzw412666336  發(fā)布時(shí)間:2021-06-12 15:29:24

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?dú)猓捎贸氐蛪褐频に?,比傳統(tǒng)的深冷高壓制氮工藝具有投資費(fèi)用少,產(chǎn)氮速度快、氮?dú)獬杀镜偷葍?yōu)點(diǎn)。因此,它是工程界首選的變壓吸附(簡(jiǎn)稱P.S.A)空分富氮吸附劑,這種氮?dú)庠诨瘜W(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(yùn)輸及儲(chǔ)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(duì)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?dú)?,工業(yè)上利用變壓吸附裝置(PSA)制取氮?dú)狻L挤肿雍Y制氮量大、氮?dú)饣厥章矢?,使用壽命長(zhǎng),適用于各種型號(hào)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)。

工作原理

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(shí),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(dòng)力學(xué)尺寸小的分子快速擴(kuò)散到孔內(nèi),同時(shí)限制大直徑分子的進(jìn)入。由于不同尺寸的氣體分子相對(duì)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(shí),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(guó)產(chǎn)分子篩由于受條件限制,對(duì)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(shí)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。

市場(chǎng)分析

長(zhǎng)期以來,碳分子篩成為日本和德國(guó)壟斷的產(chǎn)品,2000年以前國(guó)內(nèi)80%的份額被其占有,國(guó)際市場(chǎng)上更是如此。碳分子篩技術(shù)通過長(zhǎng)興化工廠引進(jìn)國(guó)內(nèi),國(guó)內(nèi)碳分子篩廠家主要分布在長(zhǎng)興、山東、宣城、等地。國(guó)產(chǎn)分子篩逐步搶占了大部分市場(chǎng)份額,但要想在這個(gè)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(huì)被淘汰,空分設(shè)備將趨向小型化,對(duì)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(shí)機(jī),擴(kuò)大生產(chǎn),逐步改變國(guó)際國(guó)內(nèi)對(duì)于中國(guó)產(chǎn)碳分子篩低價(jià)低質(zhì)的認(rèn)識(shí),迅速搶占國(guó)內(nèi)國(guó)際市場(chǎng),將有可能在兩到三年內(nèi)成為行業(yè)排頭兵。

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)

2012年,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(guó)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(duì)碳分子篩的需求水平會(huì)逐年增長(zhǎng),尤其是最近幾年,國(guó)家對(duì)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(guó)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(zhǎng)率都在80%以上,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)前景十分廣闊。

使用說明

一、產(chǎn)品的主要型號(hào)

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(jì)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(shí)起作用。在平衡條件下,碳分子篩對(duì)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(shí)間之前,通過PSA工藝流程使氮?dú)鈴目諝庵蟹蛛x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(jiǎn)稱P.S.A),變壓吸附為無熱源的吸附分離過程,碳分子篩對(duì)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(shí)吸附,在降壓排氣時(shí)解吸,使碳分子篩再生。同時(shí),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(gè)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)。

四、碳分子篩制氮需要控制的條件

1、空氣壓縮純化過程

純?cè)峡諝膺M(jìn)入碳分子篩吸附塔,是非常必要的,因?yàn)轭w粒及有機(jī)氣氛進(jìn)入吸附塔會(huì)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(chǎng)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?dú)獾臐舛群彤a(chǎn)氣量

碳分子篩制取氮?dú)?,?span>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(shí)間及操作壓力確定時(shí),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(shí)際需要調(diào)節(jié)。

3、均壓時(shí)間

碳分子篩制氮過程,當(dāng)一個(gè)吸附塔吸附結(jié)束時(shí),可將此吸附塔內(nèi)的有壓氣體從上下兩個(gè)方向注入另一個(gè)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(shí)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(zhǎng)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(shí)間為1~3秒。

4、產(chǎn)氣時(shí)間

根據(jù)碳分子篩對(duì)氧和氮的吸擴(kuò)散速率不同,其吸附O2在短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到平衡,此時(shí),N2的吸附量很少,較短的產(chǎn)氣時(shí)間,可有效的提高碳分子篩的產(chǎn)氣率,但同時(shí)也增加了伐門的動(dòng)作頻率,因此伐門的性能也很重要。一般選擇吸附時(shí)間為30~120秒。小型高純制氮機(jī)推薦使用短的產(chǎn)氣時(shí)間,大型低濃度推薦使用長(zhǎng)的產(chǎn)氣時(shí)間。

5、操作壓力

碳分子篩在動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的同時(shí),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(duì)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(gè)流程對(duì)吸附壓力要求也不同,綜合各項(xiàng)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。

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