碳分子筛知识小百科发布时间: 2013-2-21
   
碳分子筛
碳分子筛是20世纪七十年代发展起来的一种新型吸附剂,是一种优良的非极性碳素材料,制氮碳分子筛(Carbon Molecular Sieves,CMS)用于分离空气富集氮气,采用常温低压制氮工艺,比传统的深冷高压制氮工艺具有投资费用少,产氮速度快、氮气成本低等优点。因此,它是目前工程界首选的变压吸附(简称P.S.A)空分富氮吸附剂,这种氮气在化学工业、石油天然气工业、电子工业、食品工业、煤炭工业、医药工业、电缆行业、金属热处理、运输及储存等方面广泛应用。
研发背景
二十世纪五十年代,伴随着工业革命的大潮,碳材料的应用越来越广泛,其中活性碳的应用领域
  PSA制氮用碳分子筛
PSA制氮用碳分子筛
扩展最快,从最初的过滤杂质逐渐发展到分离不同组份。与此同时,随着技术的进步,人类对物质的加工能力也越来越强,在这种情况下,碳分子筛应运而生。
工作原理
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。因此,在制造碳分子筛时,根据分子尺寸的大小,碳分子筛内部微孔分布应在0.28~0.38nm。在该微孔尺寸范围内,氧气可以快速通过微孔孔口扩散到孔内,而氮气却很难通过微孔孔口,从而达到氧、氮分离。微孔孔径大小是碳分子筛分离氧、氮的基础,如果孔径过大,氧气、氮气分子筛都很容易进入微孔中,也起不到分离的作用;而孔径过小,氧气、氮气都不能进入微孔中,也起不到分离的作用。
生产工艺
国产分子筛由于受条件限制,对孔径大小控制的不是很好。目前,市面上销售的碳分子筛微孔孔径分布在0.3~1nm,只有岩谷分子筛做到了0.28~0.36nm。碳分子筛的原料为椰子壳、煤炭、树脂等,第一步先经加工后粉化,然后与基料揉合,基料主要是增加强度,防止破碎粉化的材料;第二步是活化造孔,在600~1000℃温度下通入活化剂,常用的活化剂有水蒸气、二氧化碳、氧气以及它们的混合气。它们与较为活泼的无定型碳原子进行热化学反应,以扩大比表面积逐步形成孔洞活化造孔时间从10~60min不等;第三步为孔结构调节,利用化学物质的蒸气:如苯在碳分子筛微孔壁进行沉积来调节孔的大小,使之满足要求。
国产制氮碳分子筛的两次飞跃
碳分子筛(英文名carbon molecular sieves)是新型的非极性吸附剂[1],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。
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。
国产碳分子筛经过了廿十多年的发展后,现取得了突破性的进展,产氮量达到220至260NM3/h.t。经国内外制氮机生产企业,将我公司生产的碳分子筛与国外品牌碳分子筛在同机型上多次开机比较,证明了我国生产的碳分子筛技术质量已跻身于世界先进行列,其中产气性能及时间响应已超出国际水平,得到了国内外PSA制氮行业的一致好评。碳分子筛产品在国内已广泛应用于煤田、石油、化工、金属热处理、电子制造、食品保鲜等行业,并远销美、欧、亚各国,且其出口量早已超越了当年的进口量,再次改写了中国碳分子筛没有出口的历史,实现了从进到出的第二次飞跃!
在国产碳分子筛以质优价廉热销全球的同时,碳分子筛及制氮装置还有很多工作要做。一是积极研制环保型碳分子筛生产工艺,以为碳分子筛企业向大中型规模化企业发展创造基础;二是碳分子筛品牌针对不同的用氮场所的工艺要求,可再细分为以节能型、普氮型及长周期型等;再者,在行业方面,积极探索同行间友好竟争发展模式,如强强联合和资本联合等,以创造国际品牌企业。
我们相信通过进一步的努力,我国的碳分子筛会做得更好更强大。
注意事项
目前,大多数厂家生产的碳分子筛在外型上并无多大差别,因此用户只靠观察分子筛外型是很难区分到底是进口分子筛还是国产分子筛的。但有一点,如果在购买设备时,厂家宣称使用的是优质进口分子筛,但价格远远低于市场价格的话,那就要小心了。买的没有卖的精,设备制造厂家是不可能亏本卖设备的。买内装国产分子筛的设备并不可怕,但花了进口分子筛的价钱却买了国产分子筛,那损失可就大了。
我们知道,利用碳分子筛变压吸附制氮是靠范德华力来分离氧气和氮气的,因此,分子筛的比表面积越大,孔径分布越均匀,并且微孔或亚微孔数量越多,吸附量就越大;同时,如果孔径能尽量小,范德华力场重叠,对低浓度物质也有更好的分离作用。因此,在PSA制氮设备中,分子筛的性能直接关系到整套设备的产气量及能耗,所以,选择合适的吸附剂是重中之重。
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