碳分子筛的主要成分为元素碳,外观为黑色柱状固体。因含有大量直径为4埃的微孔,该微孔对氧分子的瞬间亲和力较强,可用来分离空气中的氧气和氮气,工业上利用变压吸附装置(PSA)制取氮气。碳分子筛制氮量大、氮气回收率高,使用寿命长,适用于各种型号的变压吸附制氮机,是变压吸附制氮机的产品。碳分子筛空分制氮已广泛地应用于石油化工、金属热处理、电子制造、食品保鲜等行业。
2012年,主要采用中低档碳分子筛,年总需求量在6000吨以上,随着我国经济的不断发展,工业尤其是化工业规模不断扩大,对碳分子筛的需求水平会逐年增长,尤其是近几年,国家对煤矿、油田、油轮的安全高度重视,强制油田、油轮配备制氮机,电子工业和材料工业的需求,进一步扩大了国内碳分子筛的需求量。据调查,自2000年以来,年平均增长率都在80%以上,前景十分广阔。
我国碳分子筛的研发是在上个世纪八十年代开始的,比美国晚大约二十年。当时国际市场有供应的主要是德国BF和日本武田产的碳分子筛,价格约在20万元/吨,但其产氮量为100NM3/h.t左右,到九十年代升级为产氮量185NM3/h.t。当时国产碳分子筛(长兴中泰的前身长兴化工厂产)的产氮量只有140NM3/h.t,指标虽然落后有近30%的差距,但也改写了中国只能依赖进口碳分子筛的历史,实现了从无到有的一次飞跃!又由于国产碳分子筛的价格低廉,从而迫使进口碳分子筛的价格有了大幅度的下降,为国家节约了外汇的同时也推动了国内PSA制氮装置的蓬勃发展。
变压吸附过程循环操作包括:充压、产气;均压;降压、排气;然后再充压、产气;……几个工作阶段,形成循环操作过程。其根据流程的再生方法不同,可分为真空再生流程和常压再生流程。P.S.A制氮机设备根据用户的需要可包括空气压缩纯化系统、变压吸附系统、阀门程序控制系统(真空再生的还需带有真空泵),及氮气供应系统。
碳分子筛制氮过程,当一个吸附塔吸附结束时,可将此吸附塔内的有压气体从上下两个方向注入另一个已再生好的吸附塔中,并使两塔气体压力相同,此一过程称为吸附塔的均压,选择适当的均压时间,即可回收能量,也可以减缓吸附塔内的分子筛受到的冲击,从而达到延长碳分子筛的使用寿命。参考伐门的切换速度一般选择均压时间为1~3秒。
碳分子筛在动力学效应的同时,又具有平衡吸附效应,吸附质分压高,吸附容量也高,因此加压吸附是有利的,但吸附压力太高,对空压机的选型要求也增高,另外常压再生与真空再生两个流程对吸附压力要求也不同,综合各项因素,建议常压再生流程的吸附压力选为5~8Kg/cm2为宜;真空再生流程的吸附压力选择为3~5Kg/cm2为宜。