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分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物。分子筛具有均匀的微孔结构,它的孔穴直径大小均匀,这些孔穴能把比其直径小的分子吸附到孔腔的内部,并对极性分子和不饱和分子具有吸附能力,因而能把极性程度不同,饱和程度不同,分子大小不同及沸点不同的分子分离开来,即具有“筛分”分子的作用,故称分子筛。由于分子筛具有吸附能力高,热稳定性强等其它吸附剂所没有的优点,使得分子筛获得广泛的应用
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。
我国碳分子筛的研发是在上个世纪八十年代开始的,比美国晚大约二十年。当时国际市场有供应的主要是德国BF和日本武田产的碳分子筛,价格约在20万元/吨,但其产氮量为100NM3/h.t左右,到九十年代升级为产氮量。当时国产碳分子筛(长兴中泰的前身长兴化工厂产)的产氮量只有140NM3/h.t,指标虽然落后有近30%的差距,但也改写了中国只能依赖进口碳分子筛的历史,实现了从无到有的一次飞跃!又由于国产碳分子筛的价格低廉,从而迫使进口碳分子筛的价格有了大幅度的下降,为国家节约了外汇的同时也推动了国内PSA制氮装置的蓬勃发展。
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