碳分子篩自動(dòng)化生產(chǎn)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(shè)備的主要組成部件，碳分子篩的制備過(guò)程復(fù)雜，穩(wěn)定性差，要想穩(wěn)定生產(chǎn)，必須對(duì)生產(chǎn)工藝做自動(dòng)化設(shè)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)普遍采用的是單爐間斷生產(chǎn)工藝，每爐產(chǎn)量不足200公斤，而且每爐的指標(biāo)也參差不齊，這種生產(chǎn)工藝遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足行業(yè)對(duì)碳分子篩數(shù)量及質(zhì)量的要求，嚴(yán)重阻礙了行業(yè)的健康發(fā)展。研究開(kāi)發(fā)自動(dòng)化、連續(xù)化碳分子篩生產(chǎn)工藝，已經(jīng)是行業(yè)發(fā)展的重中之重。碳分子篩自動(dòng)化生產(chǎn)工藝早在十多前年德國(guó)、日本等國(guó)家已普遍采用，且技術(shù)日臻成熟，國(guó)內(nèi)由于對(duì)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)掌握不夠，目前尚處于空白階段。

關(guān)鍵詞：碳分子篩；自動(dòng)化生產(chǎn)工藝

1碳分子篩制備工藝的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

碳分子篩是二十世紀(jì)七十年代發(fā)展起來(lái)的一種新型吸附材料，主要用于變壓吸附制氮設(shè)備，利用其特殊的微孔結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shì)得以迅速推廣，其制備過(guò)程工藝復(fù)雜，主要過(guò)程包括）--原材料粉碎、捏合、擠條成型、碳化、碳沉積、活化、檢測(cè)、包裝等，目前國(guó)內(nèi)主要采用的制備方法都是間斷生產(chǎn)法，就是將各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程采取獨(dú)立分開(kāi)，間斷作業(yè)，尤其是碳化、碳沉積及活化工藝都是單獨(dú)分步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)單爐生產(chǎn)，這種方法的好處是可以根據(jù)不同材料情況分別控制工藝參數(shù)，缺點(diǎn)是生產(chǎn)過(guò)程無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)性，效率低，產(chǎn)品穩(wěn)定性差，國(guó)際上多年以前就嘗試自動(dòng)化生產(chǎn)線的開(kāi)發(fā)，并取得了進(jìn)展，隨著變壓吸附行業(yè)的逐步發(fā)展，對(duì)碳分子篩需求越來(lái)越大，對(duì)碳分子篩品質(zhì)要求也越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝必須進(jìn)行革命性改進(jìn)，自動(dòng)化生產(chǎn)線的開(kāi)發(fā)研究迫在眉睫。

2碳分子篩自動(dòng)化制備工藝的關(guān)鍵技術(shù)分析

碳分子篩的指標(biāo)主要包括強(qiáng)度和產(chǎn)氮率，所以其自動(dòng)化生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)必須充分考慮到對(duì)這兩項(xiàng)指標(biāo)產(chǎn)生影響的各個(gè)參數(shù)。

首先是強(qiáng)度指標(biāo)，其影響因素主要有兩個(gè)方面：第一是原料粉碎的粒度，第二個(gè)就是成型工序的擠壓力度。因此在設(shè)計(jì)工藝的時(shí)候就必須針對(duì)這兩個(gè)因素做科學(xué)設(shè)計(jì)，保證顆粒度能穩(wěn)定在20微米-這需要對(duì)原料粉碎過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)控制，設(shè)計(jì)粒度自動(dòng)控制程序，達(dá)到粒度后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出料，這一技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到解決，多家公司的粉碎機(jī)已經(jīng)能做到超微粉碎的精細(xì)化控制，另外在擠壓強(qiáng)度方面要求也十分嚴(yán)格，盡量穩(wěn)定控制在8MPa。就現(xiàn)有技術(shù)看，可采用液壓或螺桿擠壓的方法進(jìn)行成型控制。

其次是產(chǎn)氮率指標(biāo)，這是碳分子篩的關(guān)鍵指標(biāo)，控制起來(lái)相當(dāng)復(fù)雜，必須對(duì)碳化溫度、溫升速率、沉積時(shí)間、活化時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，而要在自動(dòng)化生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)對(duì)這幾個(gè)參數(shù)的精準(zhǔn)控制，首先必須解決的問(wèn)題是設(shè)備的保溫，這個(gè)環(huán)節(jié)處理不好，很難提供一個(gè)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(guān)鍵技術(shù)還是各個(gè)處理程序的連貫性、持續(xù)性的組合設(shè)計(jì)，因?yàn)樘蓟?、沉積及活化的溫度控制各不相同，因此就需要在生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)上充分考慮其自動(dòng)過(guò)渡過(guò)程的溫度轉(zhuǎn)換，要在不同程序間設(shè)置處理過(guò)渡空間，在過(guò)渡空間實(shí)現(xiàn)不同溫度的轉(zhuǎn)換，保證每段工藝過(guò)程的順利完成。

還有一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)需要重點(diǎn)研究，那就是時(shí)時(shí)檢測(cè)與控制技術(shù)，因?yàn)樵诔练e與活化過(guò)程中需要有半成品的數(shù)據(jù)指標(biāo)，通過(guò)這個(gè)指標(biāo)決定處理的時(shí)間，在間斷的生產(chǎn)工藝中可以通過(guò)過(guò)程檢測(cè)來(lái)獲取數(shù)據(jù)，而在自動(dòng)化生產(chǎn)工藝中沒(méi)處理完成是無(wú)法取料檢測(cè)的，這就需要設(shè)計(jì)一套時(shí)時(shí)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)時(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)檢測(cè)與控制自動(dòng)完成沉積及活化工藝的處理參數(shù)設(shè)置。

另外，解決碳分子篩處理過(guò)程的穩(wěn)定性，也是碳分子篩自動(dòng)化制備工藝設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問(wèn)題。這需要在流水線的設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮碳分子篩處理過(guò)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(shí)間穩(wěn)定性、分子篩與補(bǔ)孔劑或活化劑接觸程度的穩(wěn)定性等等，只有每個(gè)環(huán)節(jié)都做到穩(wěn)定可靠，才能最終保證碳粉子篩產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。要做到這一步，必須解決好以下關(guān)鍵技術(shù)：原料擠條成型速度均勻、連續(xù)，顆粒度均勻，可設(shè)計(jì)采用螺桿式擠出機(jī)并對(duì)成型顆粒進(jìn)行定尺設(shè)計(jì)；成型后顆粒料輸送均勻、穩(wěn)定，這個(gè)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，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(duì)顆粒攪拌均勻，這個(gè)工位設(shè)計(jì)時(shí)可采用震動(dòng)篩結(jié)構(gòu)-當(dāng)原料進(jìn)入處理區(qū)后自動(dòng)轉(zhuǎn)入振動(dòng)篩中，通過(guò)控制振動(dòng)頻率，使原料在處理過(guò)程中能夠均勻接觸補(bǔ)孔劑或活化劑，以達(dá)到均勻處理、穩(wěn)定指標(biāo)的目的。這一過(guò)程還需要充分設(shè)計(jì)好縱向震動(dòng)與橫向傳輸?shù)暮侠黻P(guān)系，才能使原料在處理過(guò)程中既能保證穩(wěn)定性，又能保證連續(xù)性，真正做到自動(dòng)化生產(chǎn)要求。

碳分子篩自動(dòng)化制備工藝的最后一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是自動(dòng)包裝，成品經(jīng)過(guò)處理檢測(cè)合格后經(jīng)輸送系統(tǒng)傳輸?shù)桨b系統(tǒng)，包裝系統(tǒng)需要有恒溫箱，產(chǎn)品進(jìn)入后能保持恒溫，包裝時(shí)應(yīng)保持恒溫40度，這樣才能保證封裝后成品自動(dòng)形成真空從而滿足產(chǎn)品長(zhǎng)期穩(wěn)定儲(chǔ)存的條件。恒溫箱出料口設(shè)置自動(dòng)分裝閥，當(dāng)包裝桶通過(guò)流水線轉(zhuǎn)到出口時(shí)，出口閥自動(dòng)打開(kāi)進(jìn)行分裝包裝。

最后需要重點(diǎn)提到的是，以上幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是互相關(guān)聯(lián)，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(dá)到的處理效果。

3結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，碳分子篩的自動(dòng)化生產(chǎn)工藝是一個(gè)綜合多學(xué)科知識(shí)、極其復(fù)雜的工藝過(guò)程，要想做到完美，必須對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)做精細(xì)化設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)的連接都需要一絲不茍，只有這樣，才能使生產(chǎn)出的碳分子篩產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、品質(zhì)可靠。