碳分子篩是利用篩分的特性來達(dá)到分離氧氣、氮?dú)獾哪康摹T诜肿雍Y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(yùn)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(xué)尺寸小的分子快速擴(kuò)散到孔內(nèi),同時限制大直徑分子的進(jìn)入。由于不同尺寸的氣體分子相對擴(kuò)散速率存在差異,氣體混合物的組分可以被有效的分離。
未來幾年,碳分子篩產(chǎn)品將向高指標(biāo)、高強(qiáng)度、高堆密度方向發(fā)展,低指標(biāo)低檔次的產(chǎn)品將會被淘汰,空分設(shè)備將趨向小型化,對分子篩行業(yè)提出了更高的要求,因此如抓住當(dāng)前的良好時機(jī),擴(kuò)大生產(chǎn),逐步改變國際國內(nèi)對于中國產(chǎn)碳分子篩低質(zhì)的認(rèn)識,迅速搶占國內(nèi)國際市場,將有可能在兩到三年內(nèi)成為行業(yè)排頭兵。
2012年,主要采用中低檔碳分子篩,年總需求量在6000噸以上,隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,工業(yè)尤其是化工業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,對碳分子篩的需求水平會逐年增長,尤其是近幾年,國家對煤礦、油田、油輪的安全高度重視,強(qiáng)制油田、油輪配備制氮機(jī),電子工業(yè)和材料工業(yè)的需求,進(jìn)一步擴(kuò)大了國內(nèi)碳分子篩的需求量。據(jù)調(diào)查,自2000年以來,年平均增長率都在80%以上,前景十分廣闊。
隨著變壓吸附技術(shù)的不斷成熟,制氮機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬闊,國際上對碳分子篩的需求也越來越大,歐美等發(fā)達(dá)國家的需求量每年都穩(wěn)步增長,近幾年發(fā)展中國家的需求量更是突飛猛進(jìn),每年以成倍的速度增長,保守估計,2013年國際上碳分子篩總需求量在數(shù)十萬噸以上。
在國產(chǎn)碳分子篩以質(zhì)優(yōu)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)?;髽I(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(xì)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競爭發(fā)展模式,如強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合和資本聯(lián)合等,以創(chuàng)造國際品牌企業(yè)。
碳分子篩制氮需要控制的條件
1、空氣壓縮純化過程
純原料空氣進(jìn)入碳分子篩吸附塔,是非常必要的,因?yàn)轭w粒及有機(jī)氣氛進(jìn)入吸附塔會堵塞碳分子篩的微孔,并逐漸使碳分子篩的分離性能降低。
純化原料空氣的方法有:1使空壓機(jī)的進(jìn)氣口遠(yuǎn)離有灰塵、油霧、有機(jī)氣氛的場所;2通過冷干機(jī)、吸附劑凈化系統(tǒng)等,后經(jīng)處理后的原料空氣進(jìn)入碳分子篩吸附塔。
2、產(chǎn)品氮?dú)獾臐舛群彤a(chǎn)氣量
碳分子篩制取氮?dú)猓銷2濃度和產(chǎn)氣量可根據(jù)用戶的需要進(jìn)行任意調(diào)節(jié),在產(chǎn)氣時間及操作壓力確定時,調(diào)低產(chǎn)氣量,N2濃度將提高,反之,N2濃度則下降。用戶可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)。
碳分子篩制氮過程,當(dāng)一個吸附塔吸附結(jié)束時,可將此吸附塔內(nèi)的有壓氣體從上下兩個方向注入另一個已再生好的吸附塔中,并使兩塔氣體壓力相同,此一過程稱為吸附塔的均壓,選擇適當(dāng)?shù)木鶋簳r間,即可回收能量,也可以減緩吸附塔內(nèi)的分子篩受到的沖擊,從而達(dá)到延長碳分子篩的使用壽命。參考伐門的切換速度一般選擇均壓時間為1~3秒。
根據(jù)碳分子篩對氧和氮的吸擴(kuò)散速率不同,其吸附O2在短時間內(nèi)就達(dá)到平衡,此時,N2的吸附量很少,較短的產(chǎn)氣時間,可有效的提高碳分子篩的產(chǎn)氣率,但同時也增加了伐門的動作頻率,因此伐門的性能也很重要。一般選擇吸附時間為30~120秒。小型高純制氮機(jī)推薦使用短的產(chǎn)氣時間,大型低濃度推薦使用長的產(chǎn)氣時間。
PSA—N2精制裝置有混合器、催化反應(yīng)器、后冷卻器、旋風(fēng)分離器、過濾器、吸附式干燥器、氧分析儀、 流量計以及產(chǎn)品氮?dú)饩彌_罐組成。流程簡圖。根據(jù)持續(xù)監(jiān)測出的實(shí)際氧含量,調(diào)節(jié)進(jìn)入原料氣中的配氫量。為了使過量氫達(dá)到小值,采用經(jīng)特殊設(shè)計的混合裝置和具有的氫氣控制系統(tǒng)?;旌蠚馊缓筮M(jìn)入一催化反應(yīng)器,在反應(yīng)器內(nèi)氫氣與氧氣發(fā)生放熱反應(yīng),轉(zhuǎn)化為水蒸氣。經(jīng)一后冷卻器可使大部分水蒸氣冷凝下來,并經(jīng)過水分離器除去冷凝水。隨后根據(jù)所需產(chǎn)品氣露點(diǎn),由一冷干機(jī)或吸附式干燥器進(jìn)行干燥。冷干機(jī)可獲得常壓露點(diǎn)為-25℃的產(chǎn)品氣,露點(diǎn)低于-40℃時需使用吸附式干燥器。產(chǎn)品氣純度通過氧分儀連續(xù)進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)產(chǎn)品氣純度低于客戶要求時放空。整套系統(tǒng)全部通過自控操作,無需操作人員。
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