擴展快,從初的過濾雜質(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(xué)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。
長期以來,碳分子篩成為日本和德國壟斷的產(chǎn)品,2000年以前國內(nèi)80%的份額被其占有,國際市場上更是如此。碳分子篩技術(shù)通過長興化工廠引進國內(nèi),國內(nèi)碳分子篩廠家主要分布在長興、山東、宣城、等地。國產(chǎn)分子篩逐步搶占了大部分市場份額,但要想在這個行業(yè)做大做強,自主創(chuàng)新,提高產(chǎn)品性能指標,打破技術(shù)貿(mào)易壁壘。
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)濟的不斷發(fā)展,工業(yè)尤其是化工業(yè)規(guī)模不斷擴大,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,強制油田、油輪配備制氮機,電子工業(yè)和材料工業(yè)的需求,進一步擴大了國內(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。
根據(jù)國際國內(nèi)的分析,碳分子篩行業(yè)呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢:,隨著變壓吸附制氮機的使用范圍不斷擴大,對碳分子篩的需求不斷增加,這將進一步促進行業(yè)發(fā)展,未來幾年,這一行業(yè)將從一個生僻的行業(yè)變得眾所周知。其次,隨著應(yīng)用深度的提高,對碳分子篩的產(chǎn)氮量、氮回收率、堆密度、抗壓強度等指標的要求越來越高,進一步提高產(chǎn)品性能指標將是這一行業(yè)今后發(fā)展的大趨勢。第三,由于碳分子篩是變壓吸附制氮機的主要構(gòu)成要素,成本占整個設(shè)備的70%以上,因此,降低成本將是促進本行業(yè)發(fā)展的重要條件。今后一個時期,各企業(yè)將會在采用新材料新工藝方面不斷探索,爭取用低成本達到高水平。
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。
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(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。
根據(jù)碳分子篩對氧和氮的吸擴散速率不同,其吸附O2在短時間內(nèi)就達到平衡,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)品氮氣緩沖罐組成。流程簡圖。根據(jù)持續(xù)監(jiān)測出的實際氧含量,調(diào)節(jié)進入原料氣中的配氫量。為了使過量氫達到小值,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,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(chǎn)品氣,露點低于-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)進行監(jiān)測。當產(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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