一、碳分子篩制氮原理

碳分子篩屬于碳素吸附劑，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散速度，或不同的吸附力，或兩種效應(yīng)同時起作用。在平衡條件下，碳分子篩對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)到平衡條件的時間之前，通過PSA工藝流程使氮氣從空氣中分離出來。

二、碳分子篩空分制氮裝置

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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)氣；均壓；降壓、排氣；然后再充壓、產(chǎn)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(shè)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(yīng)系統(tǒng)。

三、碳分子篩制氮需要控制的條件

1、空氣壓縮純化過程

純原料空氣進入碳分子篩吸附塔，是非常必要的，因為顆粒及有機氣氛進入吸附塔會堵塞碳分子篩的微孔，并逐漸使碳分子篩的分離性能降低。

純化原料空氣的方法有：使空壓機的進氣口遠(yuǎn)離有灰塵、油霧、有機氣氛的場所；通過冷干機、吸附劑凈化系統(tǒng)等，最后經(jīng)處理后的原料空氣進入碳分子篩吸附塔。

2、產(chǎn)品氮氣的濃度和產(chǎn)氣量

碳分子篩制取氮氣，其N2濃度和產(chǎn)氣量可根據(jù)用戶的需要進行任意調(diào)節(jié)，在產(chǎn)氣時間及操作壓力確定時，調(diào)低產(chǎn)氣量，N2濃度將提高，反之，N2濃度則下降。用戶可根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)。

3、均壓時間

碳分子篩制氮過程，當(dāng)一個吸附塔吸附結(jié)束時，可將此吸附塔內(nèi)的有壓氣體從上下兩個方向注入另一個已再生好的吸附塔中，并使兩塔氣體壓力相同，此一過程稱為吸附塔的均壓，選擇適當(dāng)?shù)木鶋簳r間，即可回收能量，也可以減緩吸附塔內(nèi)的分子篩受到的沖擊，從而達(dá)到延長碳分子篩的使用壽命。參考伐門的切換速度一般選擇均壓時間為1～3秒。

4、產(chǎn)氣時間

根據(jù)碳分子篩對氧和氮的吸擴散速率不同，其吸附O2在短時間內(nèi)就達(dá)到平衡，此時，N2的吸附量很少，較短的產(chǎn)氣時間，可有效的提高碳分子篩的產(chǎn)氣率，但同時也增加了伐門的動作頻率，因此伐門的性能也很重要。一般選擇吸附時間為30～120秒。小型高純制氮機推薦使用短的產(chǎn)氣時間，大型低濃度推薦使用長的產(chǎn)氣時間。

5、操作壓力

碳分子篩在動力學(xué)效應(yīng)的同時，又具有平衡吸附效應(yīng)，吸附質(zhì)分壓高，吸附容量也高，因此加壓吸附是有利的，但吸附壓力太高，對空壓機的選型要求也增高，另外常壓再生與真空再生兩個流程對吸附壓力要求也不同，綜合各項因素，建議常壓再生流程的吸附壓力選為5～8Kg/cm2為宜；真空再生流程的吸附壓力選擇為3～5Kg/cm2為宜。

6、使用溫度

作為吸附劑選擇較低的吸附溫度有利于碳分子篩性能的發(fā)揮，制氮機工藝在有條件的情況下，采取降低吸附溫度是有利的。