碳分子篩是20世紀(jì)七十年代發(fā)展起來的一種新型吸附劑，是一種優(yōu)良的非極性碳素材料，制氮碳分子篩(Carbon Molecular Sieves，CMS)用于分離空氣富集氮?dú)猓捎贸氐蛪褐频に?，比傳統(tǒng)的深冷高壓制氮工藝具有投資費(fèi)用少，產(chǎn)氮速度快、氮?dú)獬杀镜偷葍?yōu)點(diǎn)。因此，它是工程界的變壓吸附(簡(jiǎn)稱P.S.A)空分富氮吸附劑，這種氮?dú)庠诨瘜W(xué)工業(yè)、石油天然氣工業(yè)、電子工業(yè)、食品工業(yè)、煤炭工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、電纜行業(yè)、金屬熱處理、運(yùn)輸及儲(chǔ)存等方面廣泛應(yīng)用。

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PSA制氮用碳分子篩
PSA制氮用碳分子篩
二十世紀(jì)五十年代，伴隨著工業(yè)革命的大潮，碳材料的應(yīng)用越來越廣泛，其中活性碳的應(yīng)用領(lǐng)域PSA制氮用碳分子篩
擴(kuò)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(shí)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，人類對(duì)物質(zhì)的加工能力也越來越強(qiáng)，在這種情況下，碳分子篩應(yīng)運(yùn)而生。

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?。在分子篩吸附雜質(zhì)氣體時(shí)，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(dòng)力學(xué)尺寸小的分子快速擴(kuò)散到孔內(nèi)，同時(shí)限制大直徑分子的進(jìn)入。由于不同尺寸的氣體分子相對(duì)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。因此，在制造碳分子篩時(shí)，根據(jù)分子尺寸的大小，碳分子篩內(nèi)部微孔分布應(yīng)在0.28～0.38nm。在該微孔尺寸范圍內(nèi)，氧氣可以快速通過微孔孔口擴(kuò)散到孔內(nèi)，而氮?dú)鈪s很難通過微孔孔口，從而達(dá)到氧、氮分離。微孔孔徑大小是碳分子篩分離氧、氮的基礎(chǔ)，如果孔徑過大，氧氣、氮?dú)夥肿雍Y都很容易進(jìn)入微孔中，也起不到分離的作用；而孔徑過小，氧氣、氮?dú)舛疾荒苓M(jìn)入微孔中，也起不到分離的作用。

我國碳分子篩的研發(fā)是在上個(gè)世紀(jì)八十年代開始的，比美國晚大約二十年。當(dāng)時(shí)國際市場(chǎng)有供應(yīng)的主要是德國BF和日本武田產(chǎn)的碳分子篩，價(jià)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(jí)為產(chǎn)氮量185NM3/h.t。當(dāng)時(shí)國產(chǎn)碳分子篩（長(zhǎng)興中泰的前身長(zhǎng)興化工廠產(chǎn)）的產(chǎn)氮量只有140NM3/h.t，指標(biāo)雖然落后有近30%的差距，但也改寫了中國只能依賴進(jìn)口碳分子篩的歷史，實(shí)現(xiàn)了從無到有的一次飛躍！又由于國產(chǎn)碳分子篩的價(jià)格低廉，從而迫使進(jìn)口碳分子篩的價(jià)格有了大幅度的下降，為國家節(jié)約了外匯的同時(shí)也推動(dòng)了國內(nèi)PSA制氮裝置的蓬勃發(fā)展。

在國產(chǎn)碳分子篩以質(zhì)優(yōu)全球的同時(shí)，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)模化企業(yè)發(fā)展創(chuàng)造基礎(chǔ)；二是碳分子篩品牌針對(duì)不同的用氮場(chǎng)所的工藝要求，可再細(xì)分為以節(jié)能型、普氮型及長(zhǎng)周期型等；再者，在行業(yè)方面，積極探索同行間友好競(jìng)爭(zhēng)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)。

該產(chǎn)品屬于碳素吸附劑，是由碳組成的多孔物質(zhì)，孔結(jié)構(gòu)模型為無序堆積碳素結(jié)構(gòu)。碳分子篩是非計(jì)量化合物，其重要性質(zhì)是基于它的微孔結(jié)構(gòu)。它分離空氣的能力，取決于空氣中各種氣體在碳分子篩微孔中的不同擴(kuò)散速度，或不同的吸附力，或兩種效應(yīng)同時(shí)起作用。在平衡條件下，碳分子篩對(duì)氧和氮的吸附量相當(dāng)接近，但氧分子通過碳分子篩微孔系統(tǒng)的狹窄空隙的擴(kuò)散速度要比氮分子快得多，碳分子篩空分制氮就是基于這一性能，在遠(yuǎn)未達(dá)到平衡條件的時(shí)間之前，通過PSA工藝流程使氮?dú)鈴目諝庵蟹蛛x出來。