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1、9/8/2018,变压吸附学习 PSA,9/8/2018,1 概况：变压吸附（Pressure Swing Adsorption.简称PSA）是一种新型气体吸附分离技 术，它有如下优点：产品纯度高。一般可在室温和不高的压力下 工作，床层再生时不用加热，节能经济。设备简 单，操作、维护简便。连续循环操作，可完全达 到自动化。正是因为这样的优点，PSA技术发展到现 在，技术发展迅速并相当成熟。变压吸附发展史 变压吸附空分制氧始创于20世纪60年代初，并于70年 代实现工业化生产。在此之前,传统的工业空分装置大部 分采用深冷精馏法(简称深冷法) 。,9/8/2018,80年代以来至今高吸附分离性能的
2、沸石分子筛的相继开 发利用和工艺流程的改进，使得变压吸附空分技术得到迅 速地发展，与深冷空分装置相比，PSA过程具有启动时间 短和开停车方便、能耗较小和运行成本低、自动化程度高 和维护简单、占地面积小和土建费用低等特点。在不需要 高纯氧的中小规模(小于100吨/天，相当于3000Nm3/h )氧 气生产中比深冷法更具有竞争力。广泛的应用于电炉炼 钢、有色金属冶炼、玻璃加工、甲醇生产、碳黑生产、化 肥造气、化学氧化过程、纸浆漂白、污水处理、生物发 酵、水产养殖、医疗和军事等诸多领域 四十多年来变压吸附空分制氧技术的研究进展主要表 现在两个方面:一是空分制氧吸附剂和其吸附理论的研究 方面，二是空分
3、制氧工艺循环过程的研究方面。国内对这 项技术的研究尽管起步较早，然而在较长的一段时间内发 展相对较缓。但是近几年各种流程的设备相继投产为各行 各业带来了巨大的经济效益。,9/8/2018,一、变压吸附工艺基本知识,9/8/2018,变压吸附的主要任务及其基本原理,变压吸附（pressure swing absorption）的主要任务:,(1) 分离提纯氢气; (2) 为加氢改质装置及聚丙烯装置提供氢气; (3) 连续重整装置开车用氢,变压吸附的基本原理:,9/8/2018,2 原理2.1先看吸附，当两种相态不同的物质接触时， 其中密度较低物质的分子 在密度较高的物质表面被 富集的现象和过程。
4、具有吸附作用的物质（一般 为密度相对较大的多孔固体） 被称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。吸附按其性质的不同可分为四大类，即： 化学吸附、活性吸附、毛细管凝缩、物理吸附。 本次学习的变压吸附主要就是物理吸附。,气 相,固 相,9/8/2018,气体吸附分离技术的基础,被吸附的气体分子在固体表面上形成的吸附层，称为吸附相。吸附相的密度比一般气体的密度大得多，有可能接近液体密度。当气体是混合物时，由于固体表面对不同气体分子的压力差异，使吸附相的组成与气相组成不同，这种气相与吸附相在密度上和组成上的差别构成了气体吸附分离技术的基础。,9/8/2018,化学吸附与物理吸附,化学吸附：即吸附过程伴随有
5、化学反应的吸附。在化学吸附中，吸附质分子和吸附剂表面将发生反应生成表面络合物，其吸附热接近化学反应热。化学吸附需要一定的活化能才能进行。通常条件下，化学吸附的吸附或解吸速度都要比物理吸附慢。石灰石吸附氯气，沸石吸附乙烯都是化学吸附。,物理吸附：也称范德华（van der Waais） 吸附，它是由吸附质分子和吸附剂表面分子之间的引力所引起的，此力也叫作范德华力。由于固体表面的分子与其内部分子不同，存在剩余的表面自由力场，当气体分子碰到固体表面时，其中一部分就被吸附，并释放出吸附热。在被吸附的分子中，只有当其热运动的动能足以克服吸附剂引力场的位能时才能重新回到气相，所以在与气体接触的固体表面上总
6、是保留着许多被吸附的分子。由于分子间的引力所引起的吸附，其吸附热较低，接近吸附质的汽化热或冷凝热，吸附和解吸速度也都较快。被吸附气体也较容易地从固体表面解吸出来，所以物理吸附是可逆的。物理吸附通常分为变温吸附和变压吸附。,9/8/2018,物理吸附是指依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力（即范德华力）进行的吸附。其特点是：吸附过程中没有化学反应，吸附过程进行的极快，参与吸附的各相物质间的平衡在瞬间即可完成，并且这种吸附是完全可逆的。2.2 吸附平衡 吸附平衡是指在一定的温度和压力下，吸附剂与吸附质充分接触，最后吸附质在两相中的分布达到平衡的过程。这个过程为动态平衡，对于相同的吸附剂和吸附质，其平衡
7、吸附容量是一个定值，这个量主要受压力与温度影响。,9/8/2018,温度、压力对吸附过程的影响,在同一温度下，吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附质的分压上升而增加； 在同一吸附质分压下，吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附温度上升而减少； 因此降低吸附温度和升高吸附压力有利于气体组分的吸附。反之，提高温度和降低压力则气体的吸附量减少而解吸。,9/8/2018,压力越高单位时间内撞击 到吸附剂表面的气体分子 数越多，因而压力越高平 衡吸附容量也就越大；由 于温度越高气体分子的动 能越大，能被吸附剂表面 分子引力束缚的分子就越 少，因而温度越高平衡吸 附容量也就越小。,从上图的BA和CD可以看出：在温度一定
8、时，随着压力的升高吸附容量逐渐增大；从上图的BC和AD可以看出：在压力一定时，随着温度的升高吸附容量逐渐减小。一般吸附在常温状态下吸附，视作等温。,图一 不同温度下的吸附等温线,9/8/2018,变压吸附工作基本步骤,对于变压吸附循环过程，有三个基本工作步骤： 1压力下吸附 吸附床在过程的最高压力下通入被分离的气体混合物，其中强吸附组分被吸附剂选择性吸收，弱吸附组分从吸附床的另一端流出。 2减压解吸 根据被吸附组分的性能，选用前述的降压、抽真空、冲洗和置换中的几种方法使吸附剂获得再生。一般减压解吸，先是降压到大气压力，然后再用冲洗、抽真空或置换。 3升压 吸附剂再生完成后，用弱吸附组分对吸附床
9、进行充压 ，直到吸附压力为止。接着又在压力下进行吸附。,9/8/2018,吸附剂的种类,工业上常用的吸附剂有：硅胶、活性氧化铝、活性炭、分子筛等，另外还有针对某种组分选择性吸附而研制的吸附材料。,硅胶：坚硬、无定形链状和网状结构硅酸聚合物颗粒，亲水性极性吸附剂。硫酸+硅酸钠的水溶液+水洗+干燥=玻璃状的硅胶用于干燥,活性氧化铝：铝的水合物加热脱水制成，对微量水深度干燥,活性炭：木炭、果壳、煤等含碳原料经炭化、活化后制成。水处理、脱色、气体吸附等干燥,沸石分子筛：均匀的孔径，有4埃孔径沸石可吸附甲烷、乙烷，而不吸附三个碳以上的正烷烃。气体吸附分离、气体和液体干燥以及正异烷烃的分离。,碳分子筛：微
10、孔孔径均匀地分布在一狭窄的范围内,吸附剂相关知识,9/8/2018,PSA吸附剂：PSA工业上常用的吸附剂有：硅胶、活性氧化铝、活性炭、分子筛等，另外还有针对某组分选择性吸附而研制的特殊吸附材料。吸附剂对各种气体组分的吸附性能是通过实验测定静态下的等温吸附线和动态下的穿透曲线来评价的。,9/8/2018,变压吸附分离气体混合物所采用的常用吸附剂,9/8/2018,吸附剂的物理性质,孔容（VP）：吸附剂中微孔的容积称为孔容，通常以单位重量吸附剂中吸附剂微孔的容积来表示(cm3/g).孔容是吸附剂的有效体积，它是用饱和吸附量推算出来的值，也就是吸附剂能容纳吸附质的体积，所以孔容以大为好。吸附剂的孔
11、体积（Vk）不一定等于孔容（VP），吸附剂中的微孔才有吸附作用，所以VP中不包括粗孔。而Vk中包括了所有孔的体积，一般要比VP大。,比表面积：即单位重量吸附剂所具有的表面积，常用单位是m2/g。吸附剂表面积每克有数百至千余平方米。吸附剂的表面积主要是微孔孔壁的表面，吸附剂外表面是很小的。,9/8/2018,吸附剂的物理性质,孔径与孔径分布：在吸附剂内，孔的形状极不规则，孔隙大小也各不相同。直径在数埃至数十埃的孔称为细孔，直径在数百埃以上的孔称为粗孔。孔径分布是表示孔径大小与之对应的孔体积的关系。由此来表征吸附剂的孔特性。,表观重度：又称视重度。D/ Vl，Vl= Vg+ Vk， Vg固体骨架的
12、体积， Vk孔体积，D本身重量,真实重度（dg）：又称真重度或吸附剂固体的重度，D/Vg,堆积重度（db）：又称填充重度，即单位体积内所填充的吸附剂重量。,孔隙率：即吸附颗粒内的孔体积与颗粒体积之比。,空隙率：即吸附颗粒之间的空隙与整个吸附剂堆积体积之比。,9/8/2018,吸附剂的物理性质,9/8/2018,下图为不同组分在分子筛上的吸附强弱大致顺序组分 吸附能力 氦气 弱氢气 氧气 氩气 氮气 一氧化碳 甲烷 二氧化碳 乙烷 乙烯 丙烷 异丁烷 丙烯 戊烷 丁烯 硫化氢 硫醇 戊烯 苯 甲苯 乙基苯 苯乙烯 水 强,不同的气 体，要选择 合适的吸附 剂。,9/8/2018,a.降压：吸附床
13、在较高压力下吸附，然后降到较低压力，通常接近大气压，这时一部分吸附组分解吸出来。这个方法操作简单，单吸附组分的解吸不充分，吸附剂再生程度不高。 b.抽真空：吸附床降到大气压以后，为了进一步减少吸附组分的分压，可用抽真空的方法来降低吸附床压力，以得到更好的再生效果，但此法增加了动力消耗。 c.冲洗：利用弱吸附组分或者其它适当的气体通过需再生的吸附床，被吸附组分的分压随冲洗气通过而下降。吸附剂的再生程度取决于冲洗气的用量和纯度。 d.置换：用一种吸附能力较强的气体把原先被吸附的组分从吸附剂上置换出来。这种方法常用于产品组分吸附能力较强而杂质组分较弱即从吸附相获得产品的场合。,吸附剂的再生方法,9/
14、8/2018,气体流速，油和水对吸附剂的影响,气体流速,油,水,导致吸附剂悬浮时，则磨损加剧，造成吸附剂破碎,油性物质会粘附在吸附颗粒的外表面，堵塞吸附剂内的通道，使吸附剂失去吸附能力,使水大量带入吸附塔会导致吸附剂性能下降甚至失效,温度150以上的惰性气体循环通入,不可恢复,9/8/2018,吸附剂的良好吸附性能是吸附剂分离过程的 基本条件。选择吸附剂时应注意以下问题。 （1）吸附剂对杂质应有较大吸附量，同时被 吸附的杂质易于解吸，从而在短周期内达到吸 附、解吸间的平衡，确保分离提纯。 （2）组分间的分离系数尽可能大。气体组分的分离系 数越大，分离越容易，得到的产品纯度越高，同时回收 率也高。 （3）使用的吸附剂应有足够的强度，以减少破碎和磨 损。 （4）分离组分复杂、类别较多的气体混合物，可选用 多种吸附剂，这些吸附剂可按吸附分离性能依次分层装 填在同一吸附床内，也可分别装填在多个吸附床内。,
