碳分子篩是20世紀七十年代發(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，產氮速度快、氮氣成本低等優(yōu)點。因此，它是工程界的變壓吸附(簡稱P.S.A)空分富氮吸附劑，這種氮氣在化學工業(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，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，是變壓吸附制氮機的產品。
碳分子篩空分制氮已廣泛地應用于石油化工、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到分離氧氣、氮氣的目的。在分子篩吸附雜質氣體時，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，碳分子篩內部包含有大量的微孔，這些微孔允許動力學尺寸小的分子快速擴散到孔內，同時限制大直徑分子的進入。由于不同尺寸的氣體分子相對擴散速率存在差異，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，碳分子篩內部微孔分布應在0.28~0.38nm。在該微孔尺寸范圍內，氧氣可以快速通過微孔孔口擴散到孔內，而氮氣卻很難通過微孔孔口，從而達到氧、氮分離。微孔孔徑大小是碳分子篩分離氧、氮的基礎，如果孔徑過大，氧氣、氮氣分子篩都很容易進入微孔中，也起不到分離的作用;而孔徑過小，氧氣、氮氣都不能進入微孔中，也起不到分離的作用。
國產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行熱化學反應，以擴大比表面積逐步形成孔洞活化造孔時間從10~60min不等;第三步為孔結構調節(jié)，利用化學物質的蒸氣:如苯在碳分子篩微孔壁進行沉積來調節(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品，2000年以前國內80%的份額被其占有，國際市場上更是如此。碳分子篩技術通過長興化工廠引進國內，國內碳分子篩廠家主要分布在長興、山東、宣城、等地。國產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，必須自主創(chuàng)新，提高產品性能指標，打破技術貿易壁壘。
未來幾年，碳分子篩產品將向高指標、高強度、高堆密度方向發(fā)展，低指標低檔次的產品將會被淘汰，空分設備將趨向小型化，對分子篩行業(yè)提出了更高的要求，因此如抓住當前的良好時機，擴大生產，逐步改變國際國內對于中國產碳分子篩低價低質的認識，迅速搶占國內國際市場，將有可能在兩到三年內成為行業(yè)排頭兵。
國內市場
2012年，國內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)濟的不斷發(fā)展，工業(yè)尤其是化工業(yè)規(guī)模不斷擴大，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，強制油田、油輪配備制氮機，電子工業(yè)和材料工業(yè)的需求，進一步擴大了國內碳分子篩的需求量。據(jù)調查，自2000年以來，年平均增長率都在80%以上，國內市場前景十分廣闊。
一、產品的主要型號
CMS-180 CMS-200 CMS-220 CMS-240 CMS-260 CMS-F
二、碳分子篩空分制氮的原理
該產品屬于碳素吸附劑，是由碳組成的多孔物質，孔結構模型為無序堆積碳素結構。碳分子篩是非計量化合物，其重要性質是基于它的微孔結構。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散速度，或不同的吸附力，或兩種效應同時起作用。在平衡條件下，碳分子篩對氧和氮的吸附量相當接近，但氧分子通過碳分子篩微孔系統(tǒng)的狹窄空隙的擴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，在遠未達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。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、產氣;均壓;降壓、排氣;然后再充壓、產氣;……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制氮機設備根據(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
純原料空氣進入碳分子篩吸附塔，是非常必要的，因為顆粒及有機氣氛進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使空壓機的進氣口遠離有灰塵、油霧、有機氣氛的場所;2通過冷干機、吸附劑凈化系統(tǒng)等，最后經(jīng)處理后的原料空氣進入碳分子篩吸附塔。
2、產品氮氣的濃度和產氣量
碳分子篩制取氮氣，其N2濃度和產氣量可根據(jù)用戶的需要進行任意調節(jié)，在產氣時間及操作壓力確定時，調低產氣量，N2濃度將提高，反之，N2濃度則下降。用戶可根據(jù)實際需要調節(jié)。
3、均壓時間
碳分子篩制氮過程，當一個吸附塔吸附結束時，可將此吸附塔內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?shù)木鶋簳r間，即可回收能量，也可以減緩吸附塔內的分子篩受到的沖擊，從而達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、產氣時間
根據(jù)碳分子篩對氧和氮的吸擴散速率不同，其吸附O2在短時間內就達到平衡，此時，N2的吸附量很少，較短的產氣時間，可有效的提高碳分子篩的產氣率，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。小型高純制氮機推薦使用短的產氣時間，大型低濃度推薦使用長的產氣時間。
5、操作壓力
碳分子篩在動力學效應的同時，又具有平衡吸附效應，吸附質分壓高，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，制氮機工藝在有條件的情況下，采取降低吸附溫度是有利的。
