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碳分子篩

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(chǎn)氮速度快、氮氣成本低等優(yōu)點。因此，它是目前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。

二十世紀五十年代，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

PSA制氮用碳分子篩

擴展最快，從最初的過濾雜質(zhì)逐漸發(fā)展到分離不同組份。與此同時，隨著技術(shù)的進步，人類對物質(zhì)的加工能力也越來越強，在這種情況下，碳分子篩應(yīng)運而生。

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(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尺寸小的分子快速擴散到孔內(nèi)，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(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散到孔內(nèi)，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(chǔ)，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(chǎn)分子篩由于受條件限制，對孔徑大小控制的不是很好。目前，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，第一步先經(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(yīng)，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(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)，利用化學物質(zhì)的蒸氣：如苯在碳分子篩微孔壁進行沉積來調(diào)節(jié)孔的大小，使之滿足要求。

碳分子篩（英文名carbon molecular sieves）是新型的非極性吸附劑^[1]，具有在常溫變壓下吸附空氣中氧分子的性能，因而可獲得富氮氣體。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(yīng)同時起作用，碳分子篩PSA空分制氮就是基于這一性能。

我國碳分子篩的研發(fā)是在上個世紀八十年代開始的，比美國晚大約二十年。當時國際市場有供應(yīng)的主要是德國BF和日本武田產(chǎn)的碳分子篩，價格約在20萬元/噸，但其產(chǎn)氮量為100NM3/h.t左右，到九十年代升級為產(chǎn)氮量185NM3/h.t。當時國產(chǎn)碳分子篩（長興中泰的前身長興化工廠產(chǎn)）的產(chǎn)氮量只有140NM3/h.t，指標雖然落后有近30%的差距，但也改寫了中國只能依賴進口碳分子篩的歷史，實現(xiàn)了從無到有的一次飛躍！又由于國產(chǎn)碳分子篩的價格低廉，從而迫使進口碳分子篩的價格有了大幅度的下降，為國家節(jié)約了外匯的同時也推動了國內(nèi)PSA制氮裝置的蓬勃發(fā)展。

國產(chǎn)碳分子篩經(jīng)過了廿十多年的發(fā)展后，現(xiàn)取得了突破性的進展，產(chǎn)氮量達到220至260NM3/h.t。經(jīng)國內(nèi)外制氮機生產(chǎn)企業(yè)，將我公司生產(chǎn)的碳分子篩與國外品牌碳分子篩在同機型上多次開機比較，證明了我國生產(chǎn)的碳分子篩技術(shù)質(zhì)量已躋身于世界先進行列，其中產(chǎn)氣性能及時間響應(yīng)已超出國際水平，得到了國內(nèi)外PSA制氮行業(yè)的一致好評。碳分子篩產(chǎn)品在國內(nèi)已廣泛應(yīng)用于煤田、石油、化工、金屬熱處理、電子制造、食品保鮮等行業(yè)，并遠銷美、歐、亞各國，且其出口量早已超越了當年的進口量，再次改寫了中國碳分子篩沒有出口的歷史，實現(xiàn)了從進到出的第二次飛躍！ ?

在國產(chǎn)碳分子篩以質(zhì)優(yōu)價廉熱銷全球的同時，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)模化企業(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竟爭發(fā)展模式，如強強聯(lián)合和資本聯(lián)合等，以創(chuàng)造國際品牌企業(yè)。

我們相信通過進一步的努力，我國的碳分子篩會做得更好更強大。

目前，大多數(shù)廠家生產(chǎn)的碳分子篩在外型上并無多大差別，因此用戶只靠觀察分子篩外型是很難區(qū)分到底是進口分子篩還是國產(chǎn)分子篩的。但有一點，如果在購買設(shè)備時，廠家宣稱使用的是優(yōu)質(zhì)進口分子篩，但價格遠遠低于市場價格的話，那就要小心了。買的沒有賣的精，設(shè)備制造廠家是不可能虧本賣設(shè)備的。買內(nèi)裝國產(chǎn)分子篩的設(shè)備并不可怕，但花了進口分子篩的價錢卻買了國產(chǎn)分子篩，那損失可就大了。

 我們知道，利用碳分子篩變壓吸附制氮是靠范德華力來分離氧氣和氮氣的，因此，分子篩的比表面積越大，孔徑分布越均勻，并且微孔或亞微孔數(shù)量越多，吸附量就越大；同時，如果孔徑能盡量小，范德華力場重疊，對低濃度物質(zhì)也有更好的分離作用。因此，在PSA制氮設(shè)備中，分子篩的性能直接關(guān)系到整套設(shè)備的產(chǎn)氣量及能耗，所以，選擇合適的吸附劑是重中之重。