Введение в углеродные молекулярные сита для получения азота методом PSA
На волне промышленной революции 1950-х годов применение углеродных материалов становилось все более широким, причем наиболее быстро развивалась область активированного угля, который постепенно перешел от фильтрации примесей к разделению различных компонентов. В то же время с развитием технологий усилились возможности человека по переработке вещества, в результате чего родилось углеродное молекулярное сито. В 1960-х годах углеродные молекулярные сита были успешно произведены и быстро получили распространение в США. Первоначально они использовались в качестве адсорбентов для выделения кислорода из воздуха и постепенно стали применяться в устройствах для получения азота. К концу 1970-х - началу 1980-х годов спрос на азот в мире продолжал расти, а технология адсорбции под давлением для производства азота постепенно совершенствовалась, что способствовало дальнейшему развитию технологии производства углеродных молекулярных сит.
К 1982 году производство азота в США и Японии превысило производство кислорода. В это время на долю адсорбции под давлением в производстве азота приходилось около 18% от общего объема производства азота. По мере роста доли рынка этой технологии ведущие промышленные страны мира инвестировали средства в исследования и разработку углеродных молекулярных сит для адсорбции под давлением, среди которых США, Япония и Германия занимали лидирующие позиции в технологическом плане. До сегодняшнего дня основные мировые производители углеродных сит по-прежнему в основном находятся в этих странах.
Сырьем для производства молекулярных сит служат скорлупа кокосового ореха, уголь и смолы
Сначала они обрабатываются и измельчаются в порошок, затем смешиваются с подложкой, главным образом для повышения прочности и предотвращения фрагментации материала. На втором этапе происходит активация и образование пор, для чего вводится активатор при температуре 600-1000 ℃. В качестве активаторов обычно используются водяной пар, углекислый газ, кислород и их смеси. Они вступают в химическую реакцию с более активными атомами аморфного углерода, выделяя тепло, постепенно увеличивая площадь поверхности и образуя поры. Время активации и образования пор длится 10-60 минут. На третьем этапе происходит регулирование структуры пор, при этом пары химических веществ, например бензола, осаждаются на микропористой стенке углеродного молекулярного сита, что позволяет регулировать размер пор в соответствии с требованиями.
Углеродные молекулярные сита условно делятся на четыре ступени в соответствии с различиями в их производительности
На первом этапе углеродные молекулярные сита имели очень неравномерное распределение пор по размерам из-за ограничений технологического процесса и могли производить азот с чистотой около 97%-98%, при этом степень извлечения составляла всего 26% - 34%, что требовало больших энергозатрат.
На втором этапе углеродные молекулярные сита имели улучшенные характеристики и позволяли получать азот с чистотой более 99,9%, однако их энергопотребление было очень высоким и не обеспечивало условий для широкомасштабного применения. На этом этапе молекулярные сита позволяли получать азот с чистотой 97-98%, со степенью извлечения 37%-42% и уже широко использовались.
На третьем этапе молекулярные сита значительно улучшили свои характеристики за счет совершенствования технологии обработки и позволяют получать азот с чистотой более 99,99% за одну стадию, а при получении азота с чистотой 99,5% коэффициент извлечения составляет 40%. Молекулярные сита третьего поколения являются наиболее часто используемыми молекулярными ситами и выбираются большинством производителей.
Молекулярные сита четвертого поколения были успешно разработаны японской компанией в 2001 году. По сравнению с молекулярными ситами третьего поколения его характеристики значительно улучшились. В сочетании с технологией неизобарической адсорбции Ruiqi с маятниковым изменением давления оно позволяет получать азот с чистотой более 99,9995% за одну стадию. При производстве азота с чистотой 99,99% коэффициент извлечения азота составляет невероятные 32%. В условиях дефицита энергоресурсов его значение еще более возрастает.
