PSA制氮用碳分子篩二十世紀五十年代,伴隨著工業(yè)革命的大潮,碳材料的應用越來越廣泛,其中活性碳的應用領域PSA制氮用碳分子篩
擴展快,從初的過濾雜質逐漸發(fā)展到分離不同組份。與此同時,隨著技術的進步,人類對物質的加工能力也越來越強,在這種情況下,碳分子篩應運而生。
國產分子篩由于受條件限制,對孔徑大小控制的不是很好。市面上銷售的碳分子篩微孔孔徑分布在0.3~1nm,只有巖谷分子篩做到了0.28~0.36nm。碳分子篩的原料為椰子殼、煤炭、樹脂等,步先經加工后粉化,然后與基料揉合,基料主要是增加強度,防止破碎粉化的材料;第二步是活化造孔,在600~1000℃溫度下通入活化劑,常用的活化劑有水蒸氣、二氧化碳、氧氣以及它們的混合氣。它們與較為活潑的無定型碳原子進行熱化學反應,以擴大比表面積逐步形成孔洞活化造孔時間從10~60min不等;第三步為孔結構調節(jié),利用化學物質的蒸氣:如苯在碳分子篩微孔壁進行沉積來調節(jié)孔的大小,使之滿足要求。
長期以來,碳分子篩成為日本和德國壟斷的產品,2000年以前國內80%的份額被其占有,國際市場上更是如此。碳分子篩技術通過長興化工廠引進國內,國內碳分子篩廠家主要分布在長興、山東、宣城、等地。國產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,提高產品性能指標,打破技術貿易壁壘。
未來幾年,碳分子篩產品將向高指標、高強度、高堆密度方向發(fā)展,低指標低檔次的產品將會被淘汰,空分設備將趨向小型化,對分子篩行業(yè)提出了更高的要求,因此如抓住當前的良好時機,擴大生產,逐步改變國際國內對于中國產碳分子篩低質的認識,迅速搶占國內國際市場,將有可能在兩到三年內成為行業(yè)排頭兵。
根據(jù)國際國內的分析,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,隨著應用深度的提高,對碳分子篩的產氮量、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成要素,成本占整個設備的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(xiàn)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(jié)約了外匯的同時也推動了國內PSA制氮裝置的蓬勃發(fā)展。
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(huán)操作。 變壓吸附過程循環(huán)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(huán)操作過程。其根據(jù)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。 P.S.A制氮機設備根據(jù)用戶的需要可包括空氣壓縮純化系統(tǒng)、變壓吸附系統(tǒng)、閥門程序控制系統(tǒng)(真空再生的還需帶有真空泵),及氮氣供應系統(tǒng)。
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(jù)持續(xù)監(jiān)測出的實際氧含量,調節(jié)進入原料氣中的配氫量。為了使過量氫達到小值,采用經特殊設計的混合裝置和具有的氫氣控制系統(tǒng)?;旌蠚馊缓筮M入一催化反應器,在反應器內氫氣與氧氣發(fā)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(jù)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(xù)進行監(jiān)測。當產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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