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1、分子筛吸附原理及应用,吸附原理,1 吸附原理 吸附作用又称吸着作用, 是两相交界面上物质分子浓度自动发生变化的自然现象。研究表明, 吸附现象不仅发生在固气交界面上, 在液气界面、固液界面上同样也会发生。 吸附体系由吸附剂和吸附质组成, 我们将具有一定吸附能力的材料称为吸附剂, 将被吸附的物质称为吸附质。在空分制氧设备的吸附器中, 常用吸附剂有硅胶、活性氧化铝、惰性氧化铝和分子筛。,2,空分分子筛培训,吸附原理,2吸附作用的特点 吸附剂与吸附质一旦接触便会自发的产生吸附现象, 这是吸附作用的一个重要特点。 按照热力学定律, 在自然界中凡是能降低自身能量的作用都是可以自发进行的。例如水从高处流向低
2、处, 热从高温端传到低温端, 都是自动进行的, 因为其结果都使自身原先所具有的能量得到降低。吸附剂表面吸附其它介质的分子, 这个过程的结果是降低了吸附剂自身原先所拥有的“表面自由能”, 所以吸附作用能自发进行。在压缩空气干燥器中, 水蒸气被吸附的过程是不需外界提供任何能量的自发过程。,3,空分分子筛培训,吸附原理,3物理吸附与化学吸附 按照吸附剂表面与吸附质分子间作用力的不同, 吸附可分为物理吸附及化学吸附两种。对于物理吸附, 吸附剂和吸附质之间通过分子间力(也称“范得华”力) 相互吸引发生吸附现象。在化学吸附中, 被吸附的分子与吸附剂表面的原子发生化学作用, 在吸附剂和吸附质之间会发生电子转
3、移、原子重排或化学键的破坏与生成等现象。 在我们研究的压缩空气吸附干燥范围内发生的是物理吸附。物理吸附有下列特点:,4,空分分子筛培训,几种常见分子筛型号、化学组成及孔径大小,5,空分分子筛培训,分子筛,13X-APG1/16条形分子筛,13X球形分子筛,是指钠X型晶体结构的钠型，能吸 附临界直径10A的分子，化学式为 Na2OAl2O3（2.80.2）SiO2（6-7）H2O,主要用途 空分装置原料的净化； 凡可吸附于3A、4A、5A型分 子筛上的分子，都能吸附13X型； 可吸附临界直径较大的分子， 如某些芳烃和支链烃； 深度吸附H2O和CO2， 以及部分碳氢化合物。,主要产品技术指标见表一
4、,5A分子筛在此不作详细介绍,6,空分分子筛培训,分子筛,13X分子筛主要产品技术指标见表一 指标项目 单位 产品规格型号及标准 球状(812目 48目) 条状(1/16“ 1/8) 直径(D) mm 1.6-2.5 3-5 5-8 1.6 3.2 粒度 % 98 98 98 92 92 堆积密度 g/ml 67.00% 0.66 0.64 0.62 0.61 磨耗率 %wt 0.1 0.1 0.1 0.2 0.2 抗压强度 N 40 80 100 30 70 吸附CO2量 mg/g 180 180 180 180 180 静态水吸附 mg/g 265 265 265 265 265 包装含水
5、量 %wt 1 1 1 1 1,7,空分分子筛培训,分子筛,分子筛经加热失去结晶水，晶体内形成许多孔穴，其孔径大小与被吸附气体分子直径相近，且非常均匀。它能把小于孔径的分子吸进孔隙内，把大于孔径的分子挡在孔隙外。因此，它可以根据分子的大小，把各种组分分离，“分子筛”亦由此得名。,8,空分分子筛培训,分子筛,类型:分子筛是人工合成泡沸石，硅铝酸盐的晶体，呈白色粉末，加入粘结剂后可挤压成条状、片状和球状。 在空分上常用分子筛13X-APG， 1.球状有4X8目，(4mm) 2.球状有8x12目, (2.38mm) 3.条状有1/16”, (1.6mm,L=3-6mm) 现有些厂家有新开发的分子筛,
6、吸附能力提高(10%),可降低能耗或延长工作时间,9,空分分子筛培训,分子筛,13X型的分子筛化学通式 Na86(AlO2)86(SiO2)106 .mH2O 能吸附临界直径10艾的分子。 1艾=10(-10)米 特点:分子筛无毒、无味、无腐蚀性，不溶于水及有机溶剂， 但能溶于强酸和强碱。,10,空分分子筛培训,X型分子筛 X分子筛属于八面体分子筛，其晶体结构完全相同，两者的区别在于（SiO2/Al2O3）不同。虽然单位晶胞中含有192个硅铝原子。,分子筛结构,11,空分分子筛培训,孔性质,孔径,孔体积,表面积,均匀的微孔,与一般物质的分子大小的数量级相当,吸附位或者活性位绝大多数是在其微孔孔
7、道内,1) 3A分子筛； 2) 4A分子筛； 3) 5A分子筛； 4) 10X分子筛； 5) 13X分子筛； 6) 硅胶； 7) 活性炭,12,空分分子筛培训,孔体积,分子筛具有空旷的骨架结构，晶穴体积约为总体积的40-50%。 根据分子筛的晶体结构可以计算晶胞体积和晶穴体积，也可利用某种吸附质在饱和蒸气压(P=P0)或接近饱和蒸气压时的饱和吸附量计算。 孔体积与分子筛的吸附性能有很大关系，它直接决定着分子筛的饱和吸附量。,13,空分分子筛培训,活性氧化铝,活性氧化铝是一种具有多孔性高分散度 的固体物料，有很大的比表面积，既有 良好的吸附性能，又有良好的耐压、耐 磨损和耐热性能，具有抗压强度高
8、、磨 耗率低、不粉化、不爆裂等特点。其抗 冷、热的突变性也很强。在空气饱和含 水量高时有较好的吸水性，而且与分子 筛等高度的床层下，阻力也更低。 分子式：AL2O3 活性氧化铝主要作用去除 空气中的水分，并且强度 大，不易破碎 。,活性氧化铝价格相对低一些，所以一般在处理空气温度较高的情况下（15-20左右）， 其空气中饱和含水量较大时，在下层设置活性氧化铝，利用它对空气进行初步干燥， 更经济，节能。所以现在大中型空分中选择双层床吸附器较为普遍。,14,空分分子筛培训,活性氧化铝,活性氧化铝是用碱从铝盐溶液或用酸从铝盐溶液中沉淀出水合氧化铝，然后经过老化、洗涤、胶溶、干燥和成型得到氢氧化铝，再
9、经脱水而得氧化铝。 其化学式为Al2O3。它是白色具有较好的化学稳定性和机械强度的固体吸附剂。,15,空分分子筛培训,活性氧化铝,现在使用的活性氧化铝是以三水铝石为原料，经过干燥、高温快速脱水，然后经再水化和活化等制备工艺制取的X型干燥剂。 特点:具有抗压强度高、磨耗低，不粉化，不爆裂等独特的优点，其抗冷热的突变性也很强，在极恶劣的工作条件下，也能承担吸附作用。吸水性能好。,16,空分分子筛培训,活性氧化铝,我们现在常用活性氧化铝来初步吸附水分。颗粒3-5mm.放在下层。 惰性氧化铝 30-65%的Al2O3含量，SiO2等组成。铺于床层底层，用于分布气流。在床面分布好的吸附器内，可以不用.,
10、17,空分分子筛培训,常用吸附剂对比,吸附剂在不同温度下对水分的静吸附容量 (质量分数) 温度/ 25 50 75 100 125 150 250 吸附剂 13X型分子筛 22 % 21 % 18.5 % 15 % 9 % 6 % 3.5 % 活性氧化铝 10 % 6 % 2.5 % 2 % 1 % 0 注: 以上为水蒸气分压力011kPa 的实验数据。,18,空分分子筛培训,常用吸附剂对比,常温下不同吸附剂的干燥效能 吸附剂 干燥气体的露点/ 完全再生时 不完全再生时 活性氧化铝 - 70 - 40 13X型分子筛 - 90 - 60,19,空分分子筛培训,影响吸附性能的因素-温度、浓度,吸
11、附容量的大小受多种因素的影响，主要有： 吸附过程的温度和被吸附组分的分压力（或浓度）的影响。 随水蒸汽分压力增加而增大，但增大到一定程度以后，吸附容量大体上与分压力无关了。所以应尽量降低吸附过程的温度，温度降低，饱和水分含量也减少，有利于吸附。,20,空分分子筛培训,影响吸附性能的因素,与气体（或液体）的流速有关 流速越高，吸附效果越差，动吸附容量越小。 气体湿度的影响 分子筛对相对湿度较低的气体干燥能力较大。 与吸附剂的再生完善程度有关 吸附剂解吸再生越彻底，吸附容量就 越大， 反之越小，而再生的完善程度与再生温度有关，也与再生气体中含有多少吸附质有关。,21,空分分子筛培训,影响吸附性能的
12、因素再生,吸附剂的再生 为使吸附质从吸附剂表面上解脱出来,从而使吸附剂恢复吸附能力称为“解吸”(或“再生”)。 在吸附质与吸附剂充分接触后，终将达到动平衡，被吸附的量达到了最大值（即饱和），“动平衡”是指吸附和解吸的吸附质,分子数相等，处于平衡状态，此时吸附剂失去了吸附能力。 吸附和解析事实上是同时进行的，只不过未达饱和前吸附的量大于解析的量。,22,空分分子筛培训,影响吸附性能的因素再生,吸附剂被吸附质饱和以后就失去了吸附的能力，应当进行再生，把所吸附的水分，乙炔和二氧化碳赶走，然后再继续使用。 再生是吸附的逆过程解析过程。再生是利用吸附温度越高，压力越低，吸附容量越小的特性进行的，因为气体
13、温度升高，分子动能增大，吸附剂吸附不住吸附质时，吸附质就逃逸了。 所以再生在低压、高温下进行。,23,空分分子筛培训,不同再生温度下的再生效果比较 再生温度/ 200 170 150 120 冷吹峰值温度/ 160 130 100 80 二氧化碳和水分 解吸情况 效果最佳 均能解吸 基本解吸 部分残留 1 %2 %,影响吸附性能的因素,24,空分分子筛培训,再生曲线图,25,空分分子筛培训,冷吹温度曲线,26,空分分子筛培训,再生曲线,27,空分分子筛培训,影响吸附性能的因素,吸附剂的再生温度应该是对于该吸附质的吸附容量等于零时的温度，称为完全再生。 空气中的乙炔、丙烯、丁烷在吸附器切换之前一
14、般可纯化至 10-4ppm、在解析过程中，大部分乙炔在10分钟之内解析掉，解析气中乙炔的最高含量在加热开始后15分钟左右。,28,空分分子筛培训,新型分子筛的应用,空气分离 在对氮气、氧气及其他大气气体进行液化和低温分离前清除空气中的水和二氧化碳 利用变压吸附系统或真空变压吸附系统分离氧气和氮气 石油炼化 对烷基化进料、低温分离前的精炼厂气流、石脑油和柴油进行脱水处理 清除重整装置物料中的水、HCl 和 H2S 石化产品 清除乙烯、丙烯、丁烯、戊烯及各种溶剂和共聚单体内的水、二氧化碳、甲醇及其他氧化物、氢化硫和硫化物、氨气以及水银 清除 Hg、O2、CO2、H2S 和/或 COS 天然气 利用
15、深冷法回收液态天然气和氦之前进行脱水处理 对酸性气体（CO2 和 H2S）含量高的天然气和天然气冷凝液进行脱水处理 空气干燥器 在塑料粒成型前对其进行脱水处理 对仪表气体进行脱水处理 用装满吸附剂的除湿转轮对室内空气进行脱水处理,29,空分分子筛培训,新型分子筛的对比,增加进气流量改造的改造方案,30,空分分子筛培训,新型分子筛的对比,全新的空分设计,31,空分分子筛培训,新型分子筛应用结论,显著提高可处理的进气量，可以提高16%的处理气量。 可处理二氧化碳浓度和进气温度超出原设计是的工况，是原设计的1.7倍。 更长的吸附时间，并具有更好的运行稳定、更低的再生频率、更低的能量消耗以及更长的吸附剂使用寿命。,32,空分分子筛培训,谢谢！,
