碳分子筛制氮原理 碳分子筛的制氮控制条件

一、碳分子筛制氮原理

碳分子筛属于碳素吸附剂，是由碳组成的多孔物质，孔结构模型为无序堆积碳素结构。碳分子筛是非计量化合物，其重要性质是基于它的微孔结构。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。在平衡条件下，碳分子筛对氧和氮的吸附量相当接近，但氧分子通过碳分子筛微孔系统的狭窄空隙的扩散速度要比氮分子快得多，碳分子筛空分制氮就是基于这一性能，在远未达到平衡条件的时间之前，通过PSA工艺流程使氮气从空气中分离出来。

二、碳分子筛空分制氮装置

该装置一般称为制氮机。其工艺流程是采用在常温下变压吸附法（简称P.S.A法），变压吸附为无热源的吸附分离过程，碳分子筛对被吸附组份（主要是氧分子）的吸附容量因上述原理在充压、产气时吸附，在降压排气时解吸，使碳分子筛再生。同时，床层气相富集的氮气穿过床层成为产品气，各步骤连为循环操作。

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。

三、碳分子筛制氮需要控制的条件

1、空气压缩纯化过程

纯原料空气进入碳分子筛吸附塔，是非常必要的，因为颗粒及有机气氛进入吸附塔会堵塞碳分子筛的微孔，并逐渐使碳分子筛的分离性能降低。

纯化原料空气的方法有：使空压机的进气口远离有灰尘、油雾、有机气氛的场所；通过冷干机、吸附剂净化系统等，最后经处理后的原料空气进入碳分子筛吸附塔。

2、产品氮气的浓度和产气量

碳分子筛制取氮气，其N2浓度和产气量可根据用户的需要进行任意调节，在产气时间及操作压力确定时，调低产气量，N2浓度将提高，反之，N2浓度则下降。用户可根据实际需要调节。

3、均压时间

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。

4、产气时间

根据碳分子筛对氧和氮的吸扩散速率不同，其吸附O2在短时间内就达到平衡，此时，N2的吸附量很少，较短的产气时间，可有效的提高碳分子筛的产气率，但同时也增加了伐门的动作频率，因此伐门的性能也很重要。一般选择吸附时间为30～120秒。小型高纯制氮机推荐使用短的产气时间，大型低浓度推荐使用长的产气时间。

5、操作压力

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。

6、使用温度

作为吸附剂选择较低的吸附温度有利于碳分子筛性能的发挥，制氮机工艺在有条件的情况下，采取降低吸附温度是有利的。