吸附過程及應(yīng)用

任課教師：崔群吸附過程吸附裝置主要內(nèi)容第三章吸附過程及應(yīng)用

工業(yè)上用吸附法進行分離與凈化，一般需要滿足如下幾個方面的要求：產(chǎn)品的純度；有效組分的回收率；控制能量的消耗；裝置簡單、且操作可靠。

為滿足上述要求，必須選擇優(yōu)良的吸附劑和適宜的工藝過程。3.1吸附工藝過程

由于吸附過程是吸附與再生循環(huán)使用的，則在工業(yè)上常用的吸附工藝過程有如下幾種：變溫吸附（ThermalSwingAdsorption）：常溫吸附，高溫再生；變壓吸附（PressureSwingAdsorption）：高壓吸附，常壓再生；或常壓吸附，真空再生；模擬移動床吸附；移動床吸附。使用最多的是前兩種，即TSA，PSA。3.1吸附工藝過程

變溫吸附是根據(jù)溫度升高，吸附率降低的原理進行的，此法適用于少量組分的凈化。（1）裝置

吸附通常是在常溫下進行的，而在較高的溫度下進行脫附再生，變溫吸附裝置一般用如圖所示的雙塔流程。其中，一個塔進行吸附操作，另一塔處于再生，輪換使用。被吸附分離（凈化）的原料流經(jīng)此塔即達(dá)到分離（凈化）的目的。也有設(shè)置三塔流程的變溫吸附裝置。3.1.1變溫吸附3.1吸附工藝過程再生加熱的方式基本有兩種：用不含吸附質(zhì)的吹洗氣經(jīng)加熱后通入吸附劑床層直接加熱；在吸附劑床層內(nèi)設(shè)置加熱器，進行間接加熱，同時通入少量吹洗氣，以將脫附出來的吸附質(zhì)帶出床層。(1)加熱方式7.1.1變溫吸附

另一個處于脫附再生階段，即被吸附飽和的吸附塔進行加熱，使吸附質(zhì)脫附，稱為再生。7.1吸附工藝過程床層加熱再生后需進行冷卻，前者是通入冷的吹洗氣，后者是向加熱器中通入冷卻水。

直接加熱時吸附器設(shè)備簡單，所用吹洗氣量多；間接加熱時吸附器設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所用吹洗氣量少，約為直接加熱時所耗吹洗氣的10~20%。（2）加熱方式工業(yè)上多采用直接加熱再生的方式7.1.1變溫吸附7.1吸附工藝過程逆向加熱和逆向冷卻即加熱與冷卻時吹洗氣的方向均與吸附相反，這可使床層吸附出口的一端能保證為最低的殘余負(fù)荷，但冷卻時吹洗氣中應(yīng)不含吸附質(zhì)組分。這種流動方向可以保證未用的床層部分不重新吸附與解吸，以保吸附劑床層出口（吸附柱）處不被污染。對于深度凈化的過程均用逆向加熱與冷卻。(3)再生流動方式直接加熱再生的方法多為向床層通入高溫氣體（150~300℃）進行直接加熱再生，然后吹冷。吹洗氣流動方向有下面四種（與吸附時流動方向比較）：3.1吸附工藝過程3.1.1變溫吸附順向加熱與順向冷卻

此方式在出口（吸附柱）殘余負(fù)荷高，一般不常采用。逆向加熱與順向冷卻

此方式是在冷卻吹洗氣中含有吸附質(zhì)時采用順向加熱與逆向冷卻

熱較少采用。（3）再生流動方式3.1吸附工藝過程3.1.1變溫吸附選擇吹洗氣方向的目的是保證下一次吸附時有較高的凈化度。(4)再生溫度再生溫度高，脫附快而且殘余吸附量少，但這會使能量消耗增加，因為部分熱量要用于加熱吸附劑和設(shè)備，過高的溫度還會使吸附劑劣化，縮短吸附劑使用壽命。具體的選擇再生溫度視吸附劑品種和被吸附的物質(zhì)而定，如，分子篩脫水再生溫度>200℃，硅膠脫水再生溫度為130~150℃。3.1.1變溫吸附3.1吸附工藝過程由于再生能耗約為吸附質(zhì)蒸發(fā)熱的3~4倍，故僅適用于少量組分的吸附凈化（一般<1%）。變溫吸附的循環(huán)周期（一個吸附器一次使用的時間）一般最少為8小時，也有更長的周期。變溫吸附再生加熱與冷卻均需較長時間，由于吸附劑一般是低導(dǎo)熱物質(zhì)，傳熱較慢，吸附循環(huán)周期長，裝置大即投資大，但操作方便。對于微量組分的凈化，為保證停留時間，其吸附循環(huán)時間要長些。（5）循環(huán)周期變溫吸附的循環(huán)氣可循環(huán)使用，既減少氣體消耗，又減少污染。3.1吸附工藝過程3.1.1變溫吸附3.1吸附工藝過程3.1.1變溫吸附例—溶劑回收吸附裝置的工藝流程吸附與脫附都在常溫下操作；循環(huán)周期短，一般為2~20min；自動操作。

變壓吸附是根據(jù)吸附率隨吸附壓力的不同而進行吸附分離的。這是無外供熱的吸附過程，在壓力下吸附，在低壓或真空下解吸（再生）。變壓吸附的主要特點是：變壓吸附可用于微量組分的凈化，更多用于大量組分的分離。3.1吸附工藝過程3.1.2變壓吸附雙塔變壓吸附原理3.1.2變壓吸附3.1吸附工藝過程現(xiàn)以雙塔變壓吸附進行空氣分離制氧為例說明其原理。每個塔均裝5A吸附劑，此吸附劑對N2的吸附速度快（而平衡吸附量差別較?。?。3.1.2變壓吸附3.1吸附工藝過程每個塔的吸附時間為61s，吸附壓力為1.8MPa，解吸壓力為500mmHg。對于吸附塔A，原料空氣進入吸附N2后的O2送入緩沖罐。對于再生塔B，分三個階段：逆向放壓（常壓）逆向抽空（500mmHg）逆向充壓（用產(chǎn)品氣）如果使用緩沖罐，可以在放壓前先順向降到一定的壓力,使氣體進入緩沖罐，用這部分氣體作另一吸附器部分充壓使用。3.1吸附工藝過程3.1.2變壓吸附四塔變壓吸附流程

這是最常用的變壓吸附流程，增多塔數(shù)的目的是提高產(chǎn)品的回收率。因為床層（和管道中）死空間（空隙）氣體中有大量產(chǎn)品組分，為避免在降壓時全部被放掉，故增加塔數(shù)作為均壓氣和沖洗氣使用，也就是使這部分氣體多次利用。但是塔數(shù)過多，雖然可以多回收些產(chǎn)品，但使裝置復(fù)雜，成本成倍增加，也是不利的。3.1吸附工藝過程3.1.2變壓吸附四塔變壓吸附流程典型的四塔精制氫氣的PSA流程為美國UCC公司開發(fā)。精制后氫純度可達(dá)99.999%以上，其它雜質(zhì)總量在10ppm以下。3.1.2變壓吸附3.1吸附工藝過程四塔吸附流程是一個塔處于吸附階段，另三個分別處于降壓、沖洗和升壓階段。吸附——得到產(chǎn)品（A塔）均壓——A塔順向放到B塔此時，B塔已再生完畢，處于低壓或常壓；A塔吸附前沿向前推進，但仍未達(dá)到穿透點。均壓的目的是減少產(chǎn)品損失，增加回收率。3.1.2變壓吸附3.1吸附工藝過程四塔變壓吸附流程(六個階段A塔)③

順向放壓——A塔內(nèi)的氣體順向放到C塔此時，C塔已經(jīng)逆向放到最低壓力；A塔順向放壓控制到其吸附前沿剛到達(dá)出口而尚未穿透為止。順向放壓目的是用這部分純氣體沖洗C塔；逆向放壓——使氣體降至最低壓力（常壓），以使被吸附物質(zhì)解吸排出一部分。沖洗——利用D塔順向放壓的純氣體逆向沖洗A塔，以達(dá)到最終的再生。3.1吸附工藝過程3.1.2變壓吸附四塔變壓吸附流程(六個階段A塔)⑥充壓——分兩次，一次充壓：利用B塔的均壓氣體使A塔充到一定壓力（約一半）；二次充壓：利用C塔（正處于吸附）產(chǎn)品氣使A塔充到吸附壓力。由以上看出，設(shè)均壓階段是為了減少排放原料，提高回收率，若均壓至吸附壓力的一半，則死空間的氣體就減了一半的損失。實際排放的氣體為順向和逆向放壓兩階段的氣體，但設(shè)了順向放壓階段，因這部分是純氣體，故又減少了用產(chǎn)品氣體沖洗，從而提高了產(chǎn)品回收率。3.1.2變壓吸附3.1吸附工藝過程吸附方式變溫吸附變壓吸附變溫—變壓吸附設(shè)備大小中等再生耗能耗熱耗動力（降壓排氣）中等再生氣耗用量小（0~8%）大（15~20%）中等（4~8%）表7.1三種吸附流程的主要特點此流程是既利用變溫的特點又利用變壓的特點，但基本性質(zhì)屬于變溫。主要不同之處如下表：3.1.3變溫—變壓吸附流程3.1吸附工藝過程3.1.4移動床裝置3.1吸附工藝過程穩(wěn)態(tài)逆流循環(huán)移動床吸附分離(又稱超吸附)的機理是頂替色譜分離。根據(jù)進料混合氣體中各組分對吸附劑的吸附能力強弱不同，床層內(nèi)不斷吸附和置換解吸，使各組分的濃度譜帶沿床層高度逐漸展開，最終得以分離提純。逆流操作提供了最大的傳質(zhì)推動力，原則上比間歇系統(tǒng)能更有效地利用吸附劑的吸附能力。而逆流接觸或是需要吸附劑循環(huán)，或是需要仔細(xì)設(shè)計流動系統(tǒng)模擬吸附劑的循環(huán)。移動床過程，1922年Soddy最早獲得該工藝過程的專利權(quán)權(quán)。40年代末期，F(xiàn)orster和Wheeler公司合作建立了6套裝置。液體中—B組分被吸附，吸附劑內(nèi)—D被部分置換出來，B+D圖7-27固液相移動床吸附塔的工作原理設(shè)進料液里只含A、B兩個組分用固體吸附劑和液體解吸劑D分離A、B,混合物吸附力大小順序A>B>D液體解吸劑DA吸附區(qū)B解吸區(qū)——A精制或第一精餾段A解吸區(qū)D部分解吸區(qū)——第二精餾段液體中—A被吸附，吸附劑內(nèi)—D被A置換出來。吸附劑內(nèi)—A+B+D液體中—A+D吸附劑內(nèi)—A+D吸附劑內(nèi)—A全部被沖洗解吸出來。吸附劑內(nèi)—D液體中—D液體中—A+D液體中—B+D吸附劑內(nèi)—B被A置換出來（因A比B有更強的吸附力）。液體中—A被吸附移動床吸附原理：3.1.4移動床裝置3.1吸附工藝過程3.1.4移動床裝置3.1吸附工藝過程移動床具體應(yīng)用實例是從含氫／甲烷的裂解氣中回收乙烯，吸附劑為活性炭。移動床過程，1922年Soddy最早獲得該工藝過程的專利權(quán)權(quán)。40年代末期，F(xiàn)orster和Wheeler公司合作建立了6套裝置。氣體由下向上流動，活性炭由上向下流動。吸附劑兩端有換熱器，塔頂為冷卻器，用來冷卻再生好的吸附劑。在冷卻器與汽提器之間有4個塔盤，把吸附器分成三段，吸附氣回收成兩股物流，一股為中間乙烯產(chǎn)品、一股為強吸附質(zhì)丙烯、載氣、水蒸汽。再生好的吸附劑用提升風(fēng)機通過提升管道反復(fù)由塔底循環(huán)到塔頂。為了解決吸附劑顆粒在移動中造成床層裝填性能的劣化，以及吸附劑顆拉的磨損問題，同時兼顧裝填良好的固定床和移動床連續(xù)操作的優(yōu)點，并保持吸附塔在等溫下操作，一般采用程序控制的方法。定期啟閉切換吸附塔各塔節(jié)的進出液料和解吸劑的閥門，從而使各液流進入口的位置不斷變化(圖7—28)，相當(dāng)于吸附劑在全塔內(nèi)連續(xù)地“移動”。3.1吸附工藝過程3.1.5模擬移動床裝置在閥門未切換前，對每個塔節(jié)而言是固定床間歇操作，當(dāng)塔節(jié)較多和各閥門不斷地切換，或采用多通道(如24通道)的旋轉(zhuǎn)閥代替眾多的單通道閥并不停地轉(zhuǎn)動時，吸附塔是“連續(xù)操作的移動床”。

當(dāng)固體吸附劑在床層內(nèi)固定不動，而通過旋轉(zhuǎn)閥的控制將各段相應(yīng)的溶液進出口連續(xù)地向上移動(圖7—28)。這和進出口位置不動，保持固體吸附劑自上而下地移動的結(jié)果是一樣的。這就是多段串聯(lián)模擬移動床。3.1吸附工藝過程3.1.5模擬移動床裝置旋轉(zhuǎn)閥是一種多通道的閥，又稱24通閥。是由一接通各塔節(jié)管道的定子和分配各通道的聯(lián)接和封閉的轉(zhuǎn)子所組成。旋轉(zhuǎn)閥的定子和轉(zhuǎn)于之間的接觸面要求加工精度很高，雖然在接觸面敷設(shè)一層聚四氟乙烯之類塑料層。如果接觸面加工精度不高仍可能有液體滲漏，特別是二甲苯、低碳烷烴等有機溶劑滲透性很強的液體更容易滲漏。如改用閘閥代替時，需用多至144個以上的閘閥.3.1吸附工藝過程3.1.5模擬移動床裝置在某一時間，旋轉(zhuǎn)閥接通塔節(jié)3、

6、15、23。一定時間后，旋轉(zhuǎn)閥向前旋轉(zhuǎn)，接通塔節(jié)2

、5、14、22。依此類推，當(dāng)進出口升到l點后又轉(zhuǎn)回到24，循環(huán)操作。3.1吸附工藝過程3.1.5模擬移動床裝置在實際操作中，塔上一般開24個等距離的口，同接于一個24通旋轉(zhuǎn)閥上。第6塔節(jié)與抽余液出口連接第15塔節(jié)與原料進出口連接第23塔節(jié)與抽出液進出口連接第3塔節(jié)與解吸劑進出口連接24通旋轉(zhuǎn)閥，在同一時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)閥接通四個口，其余均封閉。3.1吸附工藝過程3.1.5模擬移動床裝置吸附段（7→15）共9節(jié)一精餾段（16→23）共8節(jié)解吸段（24，1→3）共4節(jié)二精餾段（4→6）共3節(jié)有一循環(huán)泵，使流體在吸附床內(nèi)自下而上流動。模擬移動床除用于分離二甲苯外還用于：分離二乙基苯（得對位二乙基苯）C8~C18烷烴和烯烴混合物分離葡萄糖—果糖漿分離得高果糖漿液支鏈和環(huán)烷烴分離正構(gòu)烷烴。3.1.5模擬移動床裝置3.1吸附工藝過程3.2.1評價可行性與合理性可行性①能否達(dá)到吸附分離的效果（主要指凈化度）如用分子篩吸附凈化氣體中的硫化物，要求達(dá)到<1ppm，若含有有機硫，特別是COS就有困難，若全部是H2S就可以達(dá)到。

②考慮不同吸附物料對吸附過程的影響如脫S時H2O的影響，即能否選擇吸附。③考慮物料的物理化學(xué)性質(zhì)對吸附過程的影響（如粘度、酸堿性、催化作用等）。3.2吸附裝置應(yīng)用合理性——在技術(shù)經(jīng)濟上是合理的。吸附法與其他分離方法（精餾、萃取、吸收、冷凍等）比較。其中主要有：操作可靠性和操作方便，吸附法有變溫和變壓，變溫屬間歇，變壓閥門可靠性；能量消耗和操作費用；再生吹洗氣來源和再生氣排放是否有三廢；物料的處理量即裝置大小。3.2吸附裝置應(yīng)用例1:吸附法干燥與冷凍干燥比較。25℃T（露點）HT0冷凍吸附合理性①能耗：常溫→T0（約-20℃），冷凍能耗低；常溫→低于T0（露點），吸附能耗低。②操作：吸附無動設(shè)備，操作管理方便；③投資吸附法可用普通鋼材，投資低。

3.2吸附裝置應(yīng)用能耗：吸附法（變壓）高；操作：吸附法方便；規(guī)模：吸附法只能小型（切換閥門多）；投資：吸附法低。含氯化物的氣體或有機物（<100ppm），且要求凈化度高，需用吸附法；含量大者不宜用吸附法，操作費用高。

例2:空分（吸附法與深冷法比較）合理性例3:氯化物的吸附凈化3.2吸附裝置應(yīng)用原則上，變溫與變壓都可進行吸附分離，但從上述合理性方面來考慮，擬下列條件選擇：含強極性物質(zhì)，且含量<1%時—TSA；液體和常（低）壓氣體凈化—TSA；原料不能排放（造成損失），且脫附出的雜質(zhì)不易用其它方法除去—TSA；兩組分吸附速度差別大，而平衡吸附量差別小—PSA；大量組分分離—PSA；加壓操作，且脫附出的組分可返回到前工序或能回收的氣體吸附—PSA。塔數(shù)：變溫—2~3塔，變壓—3~10塔。

3.2.2吸附法選擇（變溫與變壓）3.2吸附裝置應(yīng)用例如，脫水①分子篩：動態(tài)吸附量~15%

凈化度<10ppm

壽命>1000次（一般為三年）再生溫度~280℃

②

氧化鋁：動態(tài)吸附量~15%

凈化度<30ppm

壽命>1000次再生溫度~200℃凈化度要求不太高時宜用Al2O3，能耗低些。3.2.3吸附劑選擇吸附劑要求：吸附容量大、凈化度高、選擇性好、強度高、壽命長、再生方便、能耗低。3.2吸附裝置應(yīng)用氣源產(chǎn)品氣—可保證產(chǎn)品純度，