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1、吸附分离工艺,化学化工教研室,概述,吸附分离过程由两个主要部分构成 首先使流体与吸附剂接触，吸附质被吸附剂吸附，与不被吸附或吸附少的组分分离，为吸附操作； 将吸附质从吸附剂上解吸，使吸附剂得到再生，称为再生操作；或者吸附剂更新。 被解吸下来的组分往往需要通过精馏等办法与解吸剂进行分离。,固定床吸附,采用固定床吸附器，多为圆柱形立式设备，吸附剂颗粒均匀堆放在多孔的支撑板上，成为吸附剂床层。 流体自上而下流动，通过吸附剂层进行吸附。 吸附剂吸附饱和后需要再生，可以使用部分产品作为再生用气（改变工作条件），常用水蒸气再生活性炭等吸附剂。,固定床吸附,工作原理（见书P283） 固定床吸附流程：双器流程
2、、串联流程、并联流程,模拟移动床吸附,模拟移动床是目前吸附分离中广泛使用的设备。,移动床反应器,固定床催化剂一般无法进行连续再生，而流化床催化剂可以很好地进行连续再生，但只适用于催化剂颗粒较小的工艺。 催化剂颗粒大，难以形成流态化，为了使再生连续进行，可以使用移动床。 在移动床中，当催化剂由于积炭而迅速失活时，可通过特制的闭锁装置，利用催化剂本身的重力，缓缓地将催化剂移出反应器。 这些待再生的催化剂，通过机械传送或气体输送，进入再生器自上而下地再生，再生过的催化剂则用同样的办法，输送回反应器，这样实现了反应与再生的连续操作。 这种系统，催化剂床层相当于在系统移动，称为移动床。这类反应器最先应用
3、于石油炼制的催化裂化工艺，后来又推广到连续催化重整工艺。,附,移动床特点,1、连续运转 催化剂随着反应时间的增加，表面积炭相应增加，活性下降。为了确保一定的反应速率，必须将积炭的催化剂移出反应器，不断地补充新鲜的或再生过的催化剂，以保持催化剂的平均活性，这种不间断的过程，确保了反应系统操作的连续性。 2、可以在较苛刻的反应条件下稳定运转 固定床的缺点之一是反应初期与末期的催化剂活性变化大，因而反应深度不同，导致产品的分布及产品的质量都有差异，甚至影响到处理量的变化。移动床反应器，由于催化剂活性可以调节，在一定范围内保持恒定，整个反应器也可以在较苛刻的条件下进行，有利于充分利用催化剂的潜力，提高
4、重整油的品质。,附,移动床的特点,3、较低的反应压力 从理论上讲，对于一定的空速及原料特性，反应压力越低，重整油收率和氢纯度就越高。同时压力低对降低对设备的要求、减少投资是非常有利的，重整的发展历史也表明了这点。固定床反应器的重整反应压力为3.43MPa，第一代连续重整反应压力为0.690.98 MPa，第二代连续重整压力只有0.290.49 MPa。 4、操作比较复杂 移动床反应器工艺不太适宜强烈放热的反应。反应器、再生器中的催化剂始终都在流动状态，从上而下依靠重力流动，提升可用氢气或惰性气体。为了保证整个系统的平稳循环，对控制系统的要求较高，操作相应比固定床反应器要复杂。,附,模拟移动床吸
5、附,一种利用吸附原理进行液体分离操作的传质设备。 它是以逆流连续操作方式，通过变换固定床吸咐设备的物料进出口位置，产生相当于吸附剂连续向下移动，而物料连续向上移动的效果。 这种设备的生产能力和分离效率比固定吸附床高，又可避免移动床吸附剂磨损、碎片或粉尘堵塞设备或管道以及固体颗粒缝间的沟流。,模拟移动床把固定吸附床分为许多段（常为24段），段内装有吸附剂，段间液体不能直接流通。 每段均装有进出口管道（进出两用），由中央控制装置控制其进出。 24个进出口中的20个只起段间联系的作用，另四个供四股物料的进入或离出，某一段时间的物料进出口位置把整个吸附床层分成了四个区，各区距离不等长，每段相际传质也不
6、同。,模拟移动床吸附,A脱附区液体中含有A与D，此区是用D使A脱附。 B脱附区是用 A及D使B脱附。 由上述两区之间的出料口所引出的吸附液只含 A与D，而且A的浓度也较大。 A吸附区是使原料中A与B分离，因此在A吸附区上部取出的吸余液中不含A而只含B与D。 若吸附剂固定不动,则随着时间的推移，固相中被分离组分的浓度将自下而上逐渐变大。 模拟移动床则是利用一定的机构（如旋转阀），使四个物料的进出口以与固相浓度的变化同步的速度上移。这样，构成一闭合回路，其总的结果与保持进出口位置不动，而固体吸附剂在吸附器中自上而下移动的效果基本相同。,模拟移动床吸附,模拟移动床可用来从烷烃中分离正构烷烃；从烯烃中
7、分离直链烯烃。 1972年，美国环球油品公司首次在工业生产中利用这种设备由碳八芳烃中分离对二甲苯。 此后不久，日本东丽公司又利用此设备分离对二甲苯。 两者在设备方面有所不同，前者采用立式吸附床及24孔旋转阀匀速转动（图2）以控制床内各物料口进出物料的转换；后者采用卧式吸附器及大量自动切换阀。24孔旋转阀具有灵便、占地省等优点。,模拟移动床吸附,变压吸附（ Pressure Swing Adsorption.简称PSA）,概述：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
8、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，部分采用深冷精馏法(简称深冷法) 。,80年代以来至今高吸附分离性能的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
9、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。,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
10、，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,变压吸附工作原理：变压吸附（PSA），就是利用吸附剂对不同气体组分随压力变化而变化的吸附特性，加压吸附部分组分，降压解吸这些组分，从而吸附剂得到再生，并使不同气体得到分离的过程。下面主要以PSA制氢的工艺来讲解变压吸 附。,变压吸附的主要内容 吸附剂 工艺流程 自控系统 吸附剂 PSA吸附剂：PSA工业上常用的吸附剂有：硅胶、活性氧化 铝、活
11、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。,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
12、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。,吸附剂的物理性质,常见组分对各种吸附剂的分离系数(常压,20),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。,工艺流程(以PSA-H2流程做介绍）1、 变压吸附（PSA）大致过程根据变压吸附的原理，在工业变压吸附(PSA)工艺中，吸附剂通常都是在常温和较高压力下，将混合气体中的易吸附组分吸附，不易吸附的组分从床层的
13、一端流出，然后降低吸附剂床层的压力，使被吸附的组分脱附出来，从床层的另一端排出，从而实现了气体的分离与净化，同时也使吸附剂得到了再生。,制一氧化碳,制氢,制氮,制氧,吸附床层,吸附床层怎样实现 吸附分离的呢？ “顶出去”理论，容易被吸附的“顶”出 不容易被吸附的。,为了使吸附剂再生比较彻底，选择冲洗与抽空在变压吸附(PSA)工艺中，吸附床层压力即使降至常压，被吸附的杂质也不能完全解吸，这时可采用两种方法使吸附剂完全再生：一种是用产品气对床层进行“冲洗”，将较难解吸的杂质冲洗下来，其优点是常压下即可完成，但缺点是会多损失部分产品气；另一种是利用抽真空的办法进行再生，使较难解吸的杂质在负压下强行解
14、吸下来，这就是通常所说的真空变压吸附(VPSA)。VPSA工艺的优点是再生效果好，产品收率高，但缺点是需要增加真空泵。在实际应用过程中，究竟采用以上何种工艺，主要视原料气的组成条件、流量、产品要求以及工厂的资金和场地等情况而决定。,2、 吸附分离流程的主要工序 吸附工序-在常温、吸附压力下吸附杂质，出产品。 减压工序-通过一次或多次的均压降压过程，将床层死空间氢气回收。 顺放工序-通过顺向减压过程获得冲洗再生气源。 逆放工序-逆着吸附方向减压使吸附剂获得部分再生 冲洗工序-用其它塔顺放出的氢气冲洗吸附床，降低杂质分压，使吸附剂完成最终的再生，冲洗时间越长越好 升压工序-通过一次或多次的均压升压和产品气升压过程使吸附塔压力升至吸附压力，为下一次吸附作好准备,
