碳分子筛自动化生产工艺的研究

郑世涛

摘 要：碳分子筛是一种新型吸附剂，是变压吸附制氮设备的主要组成部件，碳分子筛的制备过程复杂，稳定性差，要想稳定生产，必须对生产工艺做自动化设计，目前国内普遍采用的是单炉间断生产工艺，每炉产量不足200公斤，而且每炉的指标也参差不齐，这种生产工艺远远无法满足行业对碳分子筛数量及质量的要求，严重阻碍了行业的健康发展。研究开发自动化、连续化碳分子筛生产工艺，已经是行业发展的重中之重。碳分子筛自动化生产工艺早在十多前年德国、日本等国家已普遍采用，且技术日臻成熟，国内由于对相关关键技术掌握不够，目前尚处于空白阶段。

关键词：碳分子筛；自动化生产工艺

1碳分子筛制备工艺的现状及发展趋势

碳分子筛是二十世纪七十年代发展起来的一种新型吸附材料，主要用于变压吸附制氮设备，利用其特殊的微孔结构进行氮氧分离，由于其制氮成本低、速度快、节能环保等优势得以迅速推广，其制备过程工艺复杂，主要过程包括）--原材料粉碎、捏合、挤条成型、碳化、碳沉积、活化、检测、包装等，目前国内主要采用的制备方法都是间断生产法，就是将各个生产过程采取独立分开，间断作业，尤其是碳化、碳沉积及活化工艺都是单独分步进行，实现单炉生产，这种方法的好处是可以根据不同材料情况分别控制工艺参数，缺点是生产过程无法实现连续性，效率低，产品稳定性差，国际上多年以前就尝试自动化生产线的开发，并取得了进展，随着变压吸附行业的逐步发展，对碳分子筛需求越来越大，对碳分子筛品质要求也越来越高，国内现有的生产工艺必须进行革命性改进，自动化生产线的开发研究迫在眉睫。

2碳分子筛自动化制备工艺的关键技术分析

碳分子筛的指标主要包括强度和产氮率，所以其自动化生产工艺的设计必须充分考虑到对这两项指标产生影响的各个参数。

首先是强度指标，其影响因素主要有两个方面：第一是原料粉碎的粒度，第二个就是成型工序的挤压力度。因此在设计工艺的时候就必须针对这两个因素做科学设计，保证颗粒度能稳定在20微米-这需要对原料粉碎过程进行精准控制，设计粒度自动控制程序，达到粒度后实现自动出料，这一技术目前在国内已经得到解决，多家公司的粉碎机已经能做到超微粉碎的精细化控制，另外在挤压强度方面要求也十分严格，尽量稳定控制在8MPa。就现有技术看，可采用液压或螺杆挤压的方法进行成型控制。

其次是产氮率指标，这是碳分子筛的关键指標，控制起来相当复杂，必须对碳化温度、温升速率、沉积时间、活化时间等参数进行精准控制，而要在自动化生产线上实现对这几个参数的精准控制，首先必须解决的问题是设备的保温，这个环节处理不好，很难提供一个稳定的处理温度，可采用综合保温措施，包括真空法、隔热材料法等。保好温只是做好了第一步，关键技术还是各个处理程序的连贯性、持续性的组合设计，因为碳化、沉积及活化的温度控制各不相同，因此就需要在生产工艺的设计上充分考虑其自动过渡过程的温度转换，要在不同程序间设置处理过渡空间，在过渡空间实现不同温度的转换，保证每段工艺过程的顺利完成。

还有一个关键技术需要重点研究，那就是时时检测与控制技术，因为在沉积与活化过程中需要有半成品的数据指标，通过这个指标决定处理的时间，在间断的生产工艺中可以通过过程检测来获取数据，而在自动化生产工艺中没处理完成是无法取料检测的，这就需要设计一套时时的在线监测系统，通过时时的数据检测与控制自动完成沉积及活化工艺的处理参数设置。

另外，解决碳分子筛处理过程的稳定性，也是碳分子筛自动化制备工艺设计的难点问题。这需要在流水线的设计中重点考虑碳分子筛处理过程的输送稳定性、沉积浓度稳定性、活化条件稳定性、处理时间稳定性、分子筛与补孔剂或活化剂接触程度的稳定性等等，只有每个环节都做到稳定可靠，才能最终保证碳粉子筛产品质量的稳定性。要做到这一步，必须解决好以下关键技术：原料挤条成型速度均匀、连续，颗粒度均匀，可设计采用螺杆式挤出机并对成型颗粒进行定尺设计；成型后颗粒料输送均匀、稳定，这个相对容易实现，可采用速度可控的耐高温不锈钢链板传输；碳化、沉积及活化工位要求对颗粒搅拌均匀，这个工位设计时可采用震动筛结构-当原料进入处理区后自动转入振动筛中，通过控制振动频率，使原料在处理过程中能够均匀接触补孔剂或活化剂，以达到均匀处理、稳定指标的目的。这一过程还需要充分设计好纵向震动与横向传输的合理关系，才能使原料在处理过程中既能保证稳定性，又能保证连续性，真正做到自动化生产要求。

碳分子筛自动化制备工艺的最后一个关键技术是自动包装，成品经过处理检测合格后经输送系统传输到包装系统，包装系统需要有恒温箱，产品进入后能保持恒温，包装时应保持恒温40度，这样才能保证封装后成品自动形成真空从而满足产品长期稳定储存的条件。恒温箱出料口设置自动分装阀，当包装桶通过流水线转到出口时，出口阀自动打开进行分装包装。

最后需要重点提到的是，以上几项关键技术是互相关联，相互制约的，只有每隔环节都处理好，才能得到最终想要达到的处理效果。

3结束语

综上所述，碳分子筛的自动化生产工艺是一个综合多学科知识、极其复杂的工艺过程，要想做到完美，必须对每个环节做精细化设计，同时对每个环节的连接都需要一丝不苟，只有这样，才能使生产出的碳分子筛产品质量稳定、品质可靠。