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，孔結構模型為無序堆積碳素結構。碳分子篩是非計量化合物，其重要性質是基于它的微孔結構。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散速度，或不同的吸附力，或兩種效應同時起作用。在平衡條件下，碳分子篩對氧和氮的吸附量相當接近，但氧分子通過碳分子篩微孔系統的狹窄空隙的擴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，在遠未達到平衡條件的時間之前，通過PSA工藝流程使氮氣從空氣中分離出來。

二、碳分子篩空分制氮裝置

該裝置一般稱為制氮機。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、產氣時吸附，在降壓排氣時解吸，使碳分子篩再生。同時，床層氣相富集的氮氣穿過床層成為產品氣，各步驟連為循環操作。

變壓吸附過程循環操作包括：充壓、產氣；均壓；降壓、排氣；然后再充壓、產氣；……幾個工作階段，形成循環操作過程。其根據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制氮機設備根據用戶的需要可包括空氣壓縮純化系統、變壓吸附系統、閥門程序控制系統（真空再生的還需帶有真空泵），及氮氣供應系統。

三、碳分子篩制氮需要控制的條件

1、空氣壓縮純化過程

純原料空氣進入碳分子篩吸附塔，是非常必要的，因為顆粒及有機氣氛進入吸附塔會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：使空壓機的進氣口遠離有灰塵、油霧、有機氣氛的場所；通過冷干機、吸附劑凈化系統等，最后經處理后的原料空氣進入碳分子篩吸附塔。

2、產品氮氣的濃度和產氣量

碳分子篩制取氮氣，其N2濃度和產氣量可根據用戶的需要進行任意調節，在產氣時間及操作壓力確定時，調低產氣量，N2濃度將提高，反之，N2濃度則下降。用戶可根據實際需要調節。

3、均壓時間

碳分子篩制氮過程，當一個吸附塔吸附結束時，可將此吸附塔內的有壓氣體從上下兩個方向注入另一個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，選擇適當的均壓時間，即可回收能量，也可以減緩吸附塔內的分子篩受到的沖擊，從而達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間為1～3秒。

4、產氣時間

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

5、操作壓力

碳分子篩在動力學效應的同時，又具有平衡吸附效應，吸附質分壓高，吸附容量也高，因此加壓吸附是有利的，但吸附壓力太高，對空壓機的選型要求也增高，另外常壓再生與真空再生兩個流程對吸附壓力要求也不同，綜合各項因素，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揮，制氮機工藝在有條件的情況下，采取降低吸附溫度是有利的。