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(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。

二、碳分子篩空分制氮裝置

該裝置一般稱為制氮機(jī)。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(duì)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(shí)吸附，在降壓排氣時(shí)解吸，使碳分子篩再生。同時(shí)，床層氣相富集的氮?dú)獯┻^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(gè)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(jī)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?dú)夤?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?cè)峡諝膺M(jìn)入碳分子篩吸附塔，是非常必要的，因?yàn)轭w粒及有機(jī)氣氛進(jìn)入吸附塔會(huì)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(jī)的進(jìn)氣口遠(yuǎn)離有灰塵、油霧、有機(jī)氣氛的場(chǎng)所；通過冷干機(jī)、吸附劑凈化系統(tǒng)等，最后經(jīng)處理后的原料空氣進(jìn)入碳分子篩吸附塔。

2、產(chǎn)品氮?dú)獾臐舛群彤a(chǎn)氣量

碳分子篩制取氮?dú)?，其N2濃度和產(chǎn)氣量可根據(jù)用戶的需要進(jìn)行任意調(diào)節(jié)，在產(chǎn)氣時(shí)間及操作壓力確定時(shí)，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(shí)際需要調(diào)節(jié)。

3、均壓時(shí)間

碳分子篩制氮過程，當(dāng)一個(gè)吸附塔吸附結(jié)束時(shí)，可將此吸附塔內(nèi)的有壓氣體從上下兩個(gè)方向注入另一個(gè)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(shí)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(shí)間為1～3秒。

4、產(chǎn)氣時(shí)間

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

5、操作壓力

碳分子篩在動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的同時(shí)，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(duì)空壓機(jī)的選型要求也增高，另外常壓再生與真空再生兩個(gè)流程對(duì)吸附壓力要求也不同，綜合各項(xiàng)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(jī)工藝在有條件的情況下，采取降低吸附溫度是有利的。