碳分子筛是利用筛分的特性来达到分离氧气、氮气的目的。在分子筛吸附杂质气体时,大孔和中孔只起到通道的作用,将被吸附的分子运送到微孔和亚微孔中,微孔和亚微孔才是真正起吸附作用的容积。如前图所示,碳分子筛内部包含有大量的微孔,这些微孔允许动力学尺寸小的分子快速扩散到孔内,同时限制大直径分子的进入。由于不同尺寸的气体分子相对扩散速率存在差异,气体混合物的组分可以被有效的分离。
长期以来,碳分子筛成为日本和德国垄断的产品,2000年以前国内80%的份额被其占有,国际市场上更是如此。碳分子筛技术通过长兴化工厂引进国内,国内碳分子筛厂家主要分布在长兴、山东、宣城、等地。国产分子筛逐步抢占了大部分市场份额,但要想在这个行业做大做强,自主创新,提高产品性能指标,打破技术贸易壁垒。
随着变压吸附技术的不断成熟,制氮机的应用领域越来越宽阔,国际上对碳分子筛的需求也越来越大,欧美等发达国家的需求量每年都稳步增长,近几年发展中国家的需求量更是突飞猛进,每年以成倍的速度增长,保守估计,2013年国际上碳分子筛总需求量在数十万吨以上。
碳分子筛(英文名carbon molecular sieves)是新型的非极性吸附剂,具有在常温变压下吸附空气中氧分子的性能,因而可获得富氮气体。它分离空气的能力取决于空气中各种气体在碳分子筛微孔中的不同扩散速度、或不同的吸附力、或两种效应同时起作用,碳分子筛PSA空分制氮就是基于这一性能。
碳分子筛制氮需要控制的条件
1、空气压缩纯化过程
纯原料空气进入碳分子筛吸附塔,是非常必要的,因为颗粒及有机气氛进入吸附塔会堵塞碳分子筛的微孔,并逐渐使碳分子筛的分离性能降低。
纯化原料空气的方法有:1使空压机的进气口远离有灰尘、油雾、有机气氛的场所;2通过冷干机、吸附剂净化系统等,后经处理后的原料空气进入碳分子筛吸附塔。
2、产品氮气的浓度和产气量
碳分子筛制取氮气,其N2浓度和产气量可根据用户的需要进行任意调节,在产气时间及操作压力确定时,调低产气量,N2浓度将提高,反之,N2浓度则下降。用户可根据实际需要调节。
PSA—N2精制装置有混合器、催化反应器、后冷却器、旋风分离器、过滤器、吸附式干燥器、氧分析仪、 流量计以及产品氮气缓冲罐组成。流程简图。根据持续监测出的实际氧含量,调节进入原料气中的配氢量。为了使过量氢达到小值,采用经特殊设计的混合装置和具有的氢气控制系统。混合气然后进入一催化反应器,在反应器内氢气与氧气发生放热反应,转化为水蒸气。经一后冷却器可使大部分水蒸气冷凝下来,并经过水分离器除去冷凝水。随后根据所需产品气露点,由一冷干机或吸附式干燥器进行干燥。冷干机可获得常压露点为-25℃的产品气,露点低于-40℃时需使用吸附式干燥器。产品气纯度通过氧分仪连续进行监测。当产品气纯度低于客户要求时放空。整套系统全部通过自控操作,无需操作人员。