碳分子篩(英文名carbon molecular sieves)是新型的非極性吸附劑,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的主要是德國BF和日本武田產的碳分子篩,價格約在20萬元/噸,但其產氮量為100NM3/h.t左右,到九十年代升級為產氮量185NM3/h.t。當時國產碳分子篩(長興中泰的前身長興化工廠產)的產氮量只有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,實現了從無到有的一次飛躍!又由于國產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,為國家節約了外匯的同時也推動了國內PSA制氮裝置的蓬勃發展。
在國產碳分子篩以質優全球的同時,碳分子篩及制氮裝置還有很多工作要做。一是積極研制環保型碳分子篩生產工藝,以為碳分子篩企業向大中型規模化企業發展創造基礎;二是碳分子篩品牌針對不同的用氮場所的工藝要求,可再細分為以節能型、普氮型及長周期型等;再者,在行業方面,積極探索同行間友好競爭發展模式,如強強聯合和資本聯合等,以創造國際品牌企業。
大多數廠家生產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分到底是進口分子篩還是國產分子篩的。但有一點,如果在購買設備時,廠家宣稱使用的是進口分子篩,但價格遠遠格的話,那就要小心了。買的沒有賣的精,設備制造廠家是不可能虧本賣設備的。買內裝國產分子篩的設備并不可怕,但花了進口分子篩的價錢卻買了國產分子篩,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,對低濃度物質也有更好的分離作用。因此,在PSA制氮設備中,分子篩的性能直接關系到整套設備的產氣量及能耗,所以,選擇合適的吸附劑是重中之重。
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,各步驟連為循環操作。
變壓吸附過程循環操作包括:充壓、產氣;均壓;降壓、排氣;然后再充壓、產氣;……幾個工作階段,形成循環操作過程。其根據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。
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。
PSA—N2精制裝置有混合器、催化反應器、后冷卻器、旋風分離器、過濾器、吸附式干燥器、氧分析儀、 流量計以及產品氮氣緩沖罐組成。流程簡圖。根據持續監測出的實際氧含量,調節進入原料氣中的配氫量。為了使過量氫達到小值,采用經特殊設計的混合裝置和具有的氫氣控制系統。混合氣然后進入一催化反應器,在反應器內氫氣與氧氣發生放熱反應,轉化為水蒸氣。經一后冷卻器可使大部分水蒸氣冷凝下來,并經過水分離器除去冷凝水。隨后根據所需產品氣露點,由一冷干機或吸附式干燥器進行干燥。冷干機可獲得常壓露點為-25℃的產品氣,露點低于-40℃時需使用吸附式干燥器。產品氣純度通過氧分儀連續進行監測。當產品氣純度低于客戶要求時放空。整套系統全部通過自控操作,無需操作人員。
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