碳分子篩自動化生產工藝的研究

鄭世濤

摘 要：碳分子篩是一種新型吸附劑，是變壓吸附制氮設備的主要組成部件，碳分子篩的制備過程復雜，穩(wěn)定性差，要想穩(wěn)定生產，必須對生產工藝做自動化設計，目前國內普遍采用的是單爐間斷生產工藝，每爐產量不足200公斤，而且每爐的指標也參差不齊，這種生產工藝遠遠無法滿足行業(yè)對碳分子篩數量及質量的要求，嚴重阻礙了行業(yè)的健康發(fā)展。研究開發(fā)自動化、連續(xù)化碳分子篩生產工藝，已經是行業(yè)發(fā)展的重中之重。碳分子篩自動化生產工藝早在十多前年德國、日本等國家已普遍采用，且技術日臻成熟，國內由于對相關關鍵技術掌握不夠，目前尚處于空白階段。

關鍵詞：碳分子篩；自動化生產工藝

1碳分子篩制備工藝的現狀及發(fā)展趨勢

碳分子篩是二十世紀七十年代發(fā)展起來的一種新型吸附材料，主要用于變壓吸附制氮設備，利用其特殊的微孔結構進行氮氧分離，由于其制氮成本低、速度快、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢得以迅速推廣，其制備過程工藝復雜，主要過程包括）--原材料粉碎、捏合、擠條成型、碳化、碳沉積、活化、檢測、包裝等，目前國內主要采用的制備方法都是間斷生產法，就是將各個生產過程采取獨立分開，間斷作業(yè)，尤其是碳化、碳沉積及活化工藝都是單獨分步進行，實現單爐生產，這種方法的好處是可以根據不同材料情況分別控制工藝參數，缺點是生產過程無法實現連續(xù)性，效率低，產品穩(wěn)定性差，國際上多年以前就嘗試自動化生產線的開發(fā)，并取得了進展，隨著變壓吸附行業(yè)的逐步發(fā)展，對碳分子篩需求越來越大，對碳分子篩品質要求也越來越高，國內現有的生產工藝必須進行革命性改進，自動化生產線的開發(fā)研究迫在眉睫。

2碳分子篩自動化制備工藝的關鍵技術分析

碳分子篩的指標主要包括強度和產氮率，所以其自動化生產工藝的設計必須充分考慮到對這兩項指標產生影響的各個參數。

首先是強度指標，其影響因素主要有兩個方面：第一是原料粉碎的粒度，第二個就是成型工序的擠壓力度。因此在設計工藝的時候就必須針對這兩個因素做科學設計，保證顆粒度能穩(wěn)定在20微米-這需要對原料粉碎過程進行精準控制，設計粒度自動控制程序，達到粒度后實現自動出料，這一技術目前在國內已經得到解決，多家公司的粉碎機已經能做到超微粉碎的精細化控制，另外在擠壓強度方面要求也十分嚴格，盡量穩(wěn)定控制在8MPa。就現有技術看，可采用液壓或螺桿擠壓的方法進行成型控制。

其次是產氮率指標，這是碳分子篩的關鍵指標，控制起來相當復雜，必須對碳化溫度、溫升速率、沉積時間、活化時間等參數進行精準控制，而要在自動化生產線上實現對這幾個參數的精準控制，首先必須解決的問題是設備的保溫，這個環(huán)節(jié)處理不好，很難提供一個穩(wěn)定的處理溫度，可采用綜合保溫措施，包括真空法、隔熱材料法等。保好溫只是做好了第一步，關鍵技術還是各個處理程序的連貫性、持續(xù)性的組合設計，因為碳化、沉積及活化的溫度控制各不相同，因此就需要在生產工藝的設計上充分考慮其自動過渡過程的溫度轉換，要在不同程序間設置處理過渡空間，在過渡空間實現不同溫度的轉換，保證每段工藝過程的順利完成。

還有一個關鍵技術需要重點研究，那就是時時檢測與控制技術，因為在沉積與活化過程中需要有半成品的數據指標，通過這個指標決定處理的時間，在間斷的生產工藝中可以通過過程檢測來獲取數據，而在自動化生產工藝中沒處理完成是無法取料檢測的，這就需要設計一套時時的在線監(jiān)測系統，通過時時的數據檢測與控制自動完成沉積及活化工藝的處理參數設置。

另外，解決碳分子篩處理過程的穩(wěn)定性，也是碳分子篩自動化制備工藝設計的難點問題。這需要在流水線的設計中重點考慮碳分子篩處理過程的輸送穩(wěn)定性、沉積濃度穩(wěn)定性、活化條件穩(wěn)定性、處理時間穩(wěn)定性、分子篩與補孔劑或活化劑接觸程度的穩(wěn)定性等等，只有每個環(huán)節(jié)都做到穩(wěn)定可靠，才能最終保證碳粉子篩產品質量的穩(wěn)定性。要做到這一步，必須解決好以下關鍵技術：原料擠條成型速度均勻、連續(xù)，顆粒度均勻，可設計采用螺桿式擠出機并對成型顆粒進行定尺設計；成型后顆粒料輸送均勻、穩(wěn)定，這個相對容易實現，可采用速度可控的耐高溫不銹鋼鏈板傳輸；碳化、沉積及活化工位要求對顆粒攪拌均勻，這個工位設計時可采用震動篩結構-當原料進入處理區(qū)后自動轉入振動篩中，通過控制振動頻率，使原料在處理過程中能夠均勻接觸補孔劑或活化劑，以達到均勻處理、穩(wěn)定指標的目的。這一過程還需要充分設計好縱向震動與橫向傳輸的合理關系，才能使原料在處理過程中既能保證穩(wěn)定性，又能保證連續(xù)性，真正做到自動化生產要求。

碳分子篩自動化制備工藝的最后一個關鍵技術是自動包裝，成品經過處理檢測合格后經輸送系統傳輸到包裝系統，包裝系統需要有恒溫箱，產品進入后能保持恒溫，包裝時應保持恒溫40度，這樣才能保證封裝后成品自動形成真空從而滿足產品長期穩(wěn)定儲存的條件。恒溫箱出料口設置自動分裝閥，當包裝桶通過流水線轉到出口時，出口閥自動打開進行分裝包裝。

最后需要重點提到的是，以上幾項關鍵技術是互相關聯，相互制約的，只有每隔環(huán)節(jié)都處理好，才能得到最終想要達到的處理效果。

3結束語

綜上所述，碳分子篩的自動化生產工藝是一個綜合多學科知識、極其復雜的工藝過程，要想做到完美，必須對每個環(huán)節(jié)做精細化設計，同時對每個環(huán)節(jié)的連接都需要一絲不茍，只有這樣，才能使生產出的碳分子篩產品質量穩(wěn)定、品質可靠。