碳分子筛的工作原理
碳分子筛制氮设备工作原理
碳分子筛制氮设备（CMS-PSA）是以碳分子筛（Carbon Molecular Sieving，简称CMS）为吸附剂，空气为原料，利用变压吸附原理进行氧氮分离制取高纯氮气的气体分离设备。
碳分子筛是以煤作主要原料，经精选、粉碎、成型、干燥、活化、热处理等工序加工而成的表面充满微孔的高效非极性吸附剂。他对不同分子量的气体分子吸附能力不同，而且不同动力学直径的气体分子被吸附在碳分子筛微孔内的扩散速度不同。
碳分子筛对氧、氮存在着共吸附，在同一吸附压力下，氧、氮的平衡吸附量无明显差异，见图3因此，仅凭压力的变化很难完成氧、氮的有效分离。
氧和氮的一般性质虽相差不大，但其动力学直径却不同：氧是3.5埃，氮是3.7埃。两者虽都比碳分子筛微孔孔径小，可是氧分子的扩散速度却比氮分子快数百倍。这是因为分子愈小其扩散速度愈快。如图4所示，在短时间内，因氧分子的扩散速度远大于氮分子，故氧分子优先占据分子筛吸附中心而被大量吸附，数分钟后其吸附量就达90％以上，几乎接近平衡，而此时氮的吸附量仅有5％左右。利用氧、氮短时间内的吸附差异甚大的特点，由程序控制器按特定的时间程序在两个相同的吸附塔之间进行快速的切换，结合加压氧吸附、减压氧解吸的变压吸附过程而将氧从空气中分离出来。含氧的废气从塔底部排出，氮气则因不吸附或极少吸附而在气相得到富集并以产品气形式连续输出。
碳分子筛的工作原理
碳分子筛是利用筛分的特性来达到分离氧气、氮气的目的。在分子筛吸附杂质气体时，大孔和中孔只起到通道的作用，将被吸附的分子运送到微孔和亚微孔中，微孔和亚微孔才是真正起吸附作用的容积。如前图所示，碳分子筛内部包含有大量的微孔，这些微孔允许动力学尺寸小的分子快速扩散到孔内，同时限制大直径分子的进入。由于不同尺寸的气体分子相对扩散速率存在差异，气体混合物的组分可以被有效的分离。因此，在制造碳分子筛时，根据分子尺寸的大小，碳分子筛内部微孔分布应在0.28～0.38nm。在该微孔尺寸范围内，氧气可以快速通过微孔孔口扩散到孔内，而氮气却很难通过微孔孔口，从而达到氧、氮分离。微孔孔径大小是碳分子筛分离氧、氮的基础，如果孔径过大，氧气、氮气分子筛都很容易进入微孔中，也起不到分离的作用；而孔径过小，氧气、氮气都不能进入微孔中，也起不到分离的作用。 国产分子筛由于受条件限制，对孔径大小控制的不是很好。市面上销售的碳分子筛微孔孔径分布在0.3～1nm，只有岩谷分子筛做到了0.28～0.36nm。碳分子筛的原料为椰子壳、煤炭、树脂等，第一步先经加工后粉化，然后与基料揉合，基料主要是增加强度，防止破碎粉化的材料；第二步是活化造孔，在600～1000℃温度下通入活化剂，常用的活化剂有水蒸气、二氧化碳、氧气以及它们的混合气。它们与较为活泼的无定型碳原子进行热化学反应，以扩大比表面积逐步形成孔洞活化造孔时间从10～60min不等；第三步为孔结构调节，利用化学物质的蒸气：如苯在碳分子筛微孔壁进行沉积来调节孔的大小，使之满足要求。
