吸附劑的具體應(yīng)用（二）

1、吸附劑的具體應(yīng)用（二） 1變壓吸附 變壓吸附(pressure-swing adsorption, psa)是基于降壓加充洗的再生或降壓加抽空的再生的循環(huán)工藝。圖2.13是psa最容易的兩床循環(huán)工藝原理暗示圖。吸附操作是在相對(duì)高的壓力下舉行，而再生操作是在較低的壓力下舉行。脫除了強(qiáng)吸附質(zhì)的弱吸附質(zhì)(通常作為產(chǎn)品氣)的一部分用于沖洗床層(或?qū)Υ矊映檎婵?以脫附被吸附的強(qiáng)吸附質(zhì)，因此，psa工藝除了降低床層總壓力外還準(zhǔn)時(shí)移走氣相中的強(qiáng)吸附質(zhì)，以降低其在氣相中的分壓力來(lái)達(dá)到再生的目的。因?yàn)閴毫Φ淖兓每梢院芸焖俚貙?shí)現(xiàn)，因此循環(huán)時(shí)光可以很短，通常為幾分鐘甚至幾秒鐘，在這種狀況下，絕大部分吸附熱尚未被氣流

2、帶走而被儲(chǔ)存在床層中，為下一步的解析提供了有利的條件，這種循環(huán)的吸附和再生基本上處于同一溫度(吸附溫度和解析溫度不會(huì)高于和低于原料氣溫度5)，故又稱(chēng)為等溫吸附或絕熱吸附。 圖2.13 變壓吸附循環(huán)工藝原理圖 該工藝尤其適用于主體分別，也適用于脫除微量雜質(zhì)的氣體純化，尤其是因?yàn)榭蓪?shí)現(xiàn)短周期的迅速循環(huán)，使得原先只能在深冷溫度下吸附分別的有些tsa工藝，現(xiàn)在在常溫下用psa工藝就能實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于tsa工藝不能經(jīng)濟(jì)地脫除高濃度的雜質(zhì)，特殊是在常溫下無(wú)法脫除的高濃度低沸點(diǎn)雜質(zhì)，對(duì)于psa工藝來(lái)說(shuō)，那就是輕而易舉的事了。該工藝既適合于處理小氣量更相宜于大處理量的氣體分別過(guò)程，目前，最大的psa空氣干燥裝置的

3、處理能力已經(jīng)達(dá)到35.7×104 m3/h。但是，psa與tsa相比，其降壓再生的效果遠(yuǎn)不如后者，因此對(duì)吸附劑的挑選有它自己的特點(diǎn)，即一種簡(jiǎn)單再生的吸附劑往往要比吸附容量和挑選性好的吸附劑更具有優(yōu)越性。以co2為例來(lái)看它在不同吸附劑上的解析特性，吸附柱內(nèi)分離裝填有四種吸附劑，其中兩種是孔體積不同的煤基活性炭，即bpl(孔體積0.70ml/g)和rb(孔體積1.22m1/g)，另兩種是煤基碳分子篩mscv(孔體積0.5ml/g)和分子篩。它們都在溫度為303k和大氣壓下被純co2吸附飽和，然后在相同的溫度壓力下，用純氫舉行沖洗解析，從氫的消耗量的多少可以解釋吸附劑解析的難易。結(jié)果是rb

4、活性炭最簡(jiǎn)單解析徹低，就是說(shuō)解析特性最好，而分子篩最難解析。 總之，解決好吸附與解吸之間的沖突是psa挑選吸附劑的主要原則，例如，對(duì)co2, h2o,nh3,c6h6(苯)、丁烷等強(qiáng)吸附質(zhì)就要選用較弱的吸附劑如活性炭、硅膠或活性氧化鋁等，以使吸附容量適當(dāng)，又有利于解析操作；而對(duì)弱吸附質(zhì)如ar,n2, co等就選用較強(qiáng)的吸附劑如分子篩，以期吸附容量大些。假如原料氣中既含有強(qiáng)吸附質(zhì)雜質(zhì)又含有弱吸附質(zhì)雜質(zhì)組分，此時(shí)通常可采納幾種吸附劑，從吸附塔的進(jìn)口到出口端的方向，按較弱的吸附劑到較強(qiáng)的吸附劑逐次分層裝在同一個(gè)吸附塔內(nèi)，先吸附原料氣中強(qiáng)吸附質(zhì)，再吸附弱吸附質(zhì)組分。 早期的變壓吸附技術(shù)在氣體干燥領(lǐng)域已

5、得到廣泛應(yīng)用，然后用于主體分別，例如空氣分別制氧，技術(shù)可行。但是產(chǎn)品純度和回收率并不抱負(fù)，死空間以及中弱吸附質(zhì)產(chǎn)品組分排放損失，以及強(qiáng)吸附質(zhì)產(chǎn)品組分在解析沖洗過(guò)程中被弱吸附質(zhì)污染而不利于其回收，使得當(dāng)初psa在主體分別方面未得到廣泛認(rèn)可。為了使這些缺點(diǎn)的影響降到最低程度，40多年來(lái)人們已開(kāi)發(fā)出各種psa流程，具有更多的吸附床和床與床之間氣體壓力的不同形式變幻。循環(huán)裝置包括吸附、順向放壓(順著原料氣流淌的方向降壓)、真空解析和用不被吸附的氣體加壓。這種工藝提高了強(qiáng)吸附質(zhì)產(chǎn)品純度，而且也增強(qiáng)了弱吸附質(zhì)產(chǎn)品的回收率。 主體分別的psa工藝進(jìn)展十分快速，按產(chǎn)品提取的形式分類(lèi)，有從氣相中提取、從吸附相中

6、提取和從氣相及吸附相中提取三類(lèi)，其中以氣相中提取產(chǎn)品工藝最為成熟。該工藝特點(diǎn)是以弱吸附質(zhì)為產(chǎn)品組分，在吸附壓力下，從氣相中提取產(chǎn)品，而被吸附的強(qiáng)吸附質(zhì)則視為無(wú)用物質(zhì)，在臨近常壓的壓力下從吸附相解析出來(lái)后，通常作為廢氣挺直放空或作為燃料燒掉。從氣相提取產(chǎn)品的工藝應(yīng)用最廣泛的是氫氣的提純回收和空氣分別，為了提高產(chǎn)品回收率，充實(shí)工藝的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)原始的兩床工藝做出了許多改進(jìn)，其中最重要和最有影響的改進(jìn)是增強(qiáng)壓力均衡步驟和多床工藝。 (1)壓力均衡步驟 又稱(chēng)均壓步驟，當(dāng)一個(gè)床(a床)已經(jīng)將床層壓力降到常壓并已沖洗結(jié)束時(shí)，a床不是挺直放空，而是通過(guò)兩個(gè)床出口端相連的管道與b床舉行均壓，即用a床富產(chǎn)品氣體對(duì)

7、b床舉行部分升壓，待壓力平衡后，斷開(kāi)兩個(gè)床。然后a床放空而b床接著用原料氣升壓至吸附壓力。均壓就是將上述的順向放壓氣用于另外一個(gè)床的升壓，儲(chǔ)存了壓縮能，這樣不僅削減壓縮能的損失，而且又提高了產(chǎn)品的回收率。 (2)多床工藝 己開(kāi)發(fā)了很復(fù)雜的工藝，包括三床和四床工藝，以利用均壓的優(yōu)點(diǎn)。在這些工藝中，一個(gè)床處于吸附步驟，而其他床處于再生階段的不同步驟，即分離處于降壓、沖洗和升壓。其中降壓步驟又細(xì)分為均壓放壓、順向放壓和逆向放壓，升壓步驟也細(xì)分為均壓充壓和終于充壓。結(jié)合四床工藝的原理圖2.14的循環(huán)過(guò)程加以解釋。 吸附步驟(a)：原料氣在循環(huán)的最高壓力下進(jìn)入吸附床，較強(qiáng)吸附質(zhì)的組分被吸附在吸附劑上，弱

8、吸附質(zhì)組分作為產(chǎn)品輸出，部分產(chǎn)品氣用于另一個(gè)床層的終于升壓。吸附步驟舉行到吸附前沿離產(chǎn)品出口端還有一段距離時(shí)便停止，產(chǎn)品出口端附近還保留一段未被利用的吸附劑，供順向放壓時(shí)吸附前沿推動(dòng)之用。 均壓放壓步驟(ed)：簡(jiǎn)稱(chēng)均壓降，完成了吸附步驟的床層順向放壓而將排放氣引入另一個(gè)已完成沖洗而處于最低壓力下的床層(通常是大氣壓)，使兩床的出口端相通，均壓結(jié)束時(shí)兩床的壓力大致相等，處于一個(gè)中間壓力，它起到了利用壓縮能的作用，因而提高了產(chǎn)品氣的回收率。在均壓放壓步驟中吸附前沿向產(chǎn)品出口端推動(dòng)，但是雜質(zhì)組分還沒(méi)有發(fā)生穿透，因此放壓步驟的排放氣基本上是純的產(chǎn)品氣。 順向放壓步驟(pp)：簡(jiǎn)稱(chēng)順?lè)?，完成了均壓降?/p>

9、驟而處于較高中間壓力的床層進(jìn)一步順向放壓至較低的中間壓力，此時(shí)的吸附前沿進(jìn)一步向產(chǎn)品出口端推動(dòng)，使順向放壓步驟結(jié)束時(shí)吸附前沿正巧到達(dá)吸附床的出口處，因而排放氣中產(chǎn)品組分濃度仍臨近產(chǎn)品氣，此排放氣常用于另一床層的沖洗。 逆向放壓步驟(d)：簡(jiǎn)稱(chēng)逆放，關(guān)閉產(chǎn)品出口端閥門(mén)，而打開(kāi)進(jìn)料端閥門(mén)，使床層內(nèi)的氣體逆著原料氣流淌的方向排出床層，床層內(nèi)的壓力由較低的中間的壓力放壓到循環(huán)的最低壓力，通常為大氣壓力，在這個(gè)步驟中吸附劑吸附的雜質(zhì)組分部分解析并排出床層，而且產(chǎn)品出口端附近的死空間中余留的產(chǎn)品組分濃度較高的氣體，在逆向流淌中對(duì)床層起了沖洗的作用，使進(jìn)料端附近的雜質(zhì)組分在該步驟中排出床層。 圖2.14 四

10、塔psa工藝原理圖 沖洗步驟(p)：床層在循環(huán)的最低壓力下由另一個(gè)正舉行順?lè)挪襟E的床層的排放氣對(duì)床層舉行逆流沖洗，在沖洗過(guò)程中使雜質(zhì)組分的分壓降低而從吸附劑上進(jìn)一步解析，被沖洗出床層并把吸附前沿推回進(jìn)料端，因此沖洗結(jié)束時(shí)吸附劑的再生就基本完成了。逆放和沖洗步驟所排出的氣體統(tǒng)稱(chēng)為解析氣。 均壓充壓步驟(er)：簡(jiǎn)稱(chēng)均壓升，已完成再生但處于循環(huán)最低壓力的床層必需充壓到吸附壓力才干舉行下一步的吸附操作，其充壓先是采納另一個(gè)正舉行均壓降壓步驟的床層排放氣舉行充壓，使兩床的出口端相互連通，床層的壓力從循環(huán)的最低壓力升壓到一個(gè)中間壓力。逆向充壓可以將吸附前沿進(jìn)一步推回進(jìn)料端而保證產(chǎn)品端比較整潔。 終于充壓

11、步驟(fr)：簡(jiǎn)稱(chēng)為終充，床層從較低中間壓力升到吸附壓力，既可以采納原料氣順向充壓，也可以采納產(chǎn)品氣逆向充壓。用產(chǎn)品氣逆向充壓可以將雜質(zhì)的吸附前沿更進(jìn)一步推回床層進(jìn)料端，并使其濃度前沿變陡，對(duì)下一步吸附操作有利，但需消耗較多的產(chǎn)品氣。工業(yè)上已采納了改進(jìn)的充壓辦法，由原料氣充壓到較高的中間壓力后再用產(chǎn)品氣逆向充壓至吸附壓力，這樣既保證下一步吸附操作時(shí)產(chǎn)品氣具有較高的純度，又可節(jié)省一部分產(chǎn)品氣。另一種充壓辦法從床層兩端同時(shí)用原料氣和產(chǎn)品氣舉行終于充壓。至此，床層完成一個(gè)循環(huán)操作，并預(yù)備好舉行下一步循環(huán)的吸附操作。四個(gè)床層的工作步驟相同，而在時(shí)序上錯(cuò)開(kāi)四分之一周期。因?yàn)樗乃痪に嚨奶卣魇撬膫€(gè)吸附床在任何時(shí)光始終惟獨(dú)一個(gè)床處于吸附步驟，囫圇工藝只采取一次均壓，故又以4-1-1工藝表示之。 圖2.15、圖2.16為標(biāo)準(zhǔn)的四塔變壓吸附工藝流程圖和大型創(chuàng)造高純氫的多床psa工藝流程。 圖2.15 四塔變壓吸附工藝流程圖 用這種流程以自然蒸氣轉(zhuǎn)化氣為原料，從富氫氣體提取純氫，再?gòu)募儦渫ㄟ^(guò)低溫吸附純化為純度達(dá)到99.9999%氫氣(配置其他57臺(tái)閥門(mén)和10只塔)，其產(chǎn)品回收率可達(dá)89%。該工藝滿(mǎn)足了制氫的迫切需要，極大程度地促進(jìn)了psa裝置的大型化的進(jìn)