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        公司新聞
        變壓吸附知識問答
        發布時間:2015/1/20 20:16:56 閱讀:

        一、變壓吸附基本原理
        1        什么叫吸附?
        當氣體分子運動到固體表面上時,由于固體表面原子剩余引力作用,氣體中一些分子便會暫時停留在固體表面上,這些分子在固體表面上的濃度增大,這種現象稱為氣體分子在固體表面上的吸附。吸附物質的固體稱為吸附劑,被吸附的物質稱為吸附質。按吸附質與吸附劑之間引力場的性質,吸附可分為化學吸附和物理吸附。
        2        氣體分離的原理是什么?
        當氣體是混合物時,由于固體表面對不同氣體分子的引力差異,使吸附相的組成與氣相組成不同,這種氣相與吸附相在密度上和組成上的差別構成了氣體吸附分離技術的基礎。
        伴隨吸附過程所釋放的熱量叫吸附熱,解吸過程所吸收的熱量叫解吸熱。氣體混合物的吸附熱是吸附質的冷凝熱和潤濕熱之和。不同的吸附劑對各種氣體分子的吸附熱均不相同。
        3        什么叫化學吸附?什么叫物理吸附?
        化學吸附:即吸附過程伴隨有化學反應的吸附。在化學吸附中,吸附質分子和吸附劑表面將發生反應生成表面絡合物,其吸附熱接近化學反應熱;瘜W吸附需要一定的活化能才能進行。通常條件下,化學吸附的吸附或解吸速度都要比物理吸附慢。石灰石吸附氯氣,沸石吸附乙烯都是化學吸附。
        物理吸附:也稱范德華(van der  Waais) 吸附,它是由吸附質分子和吸附劑表面分子之間的引力所引起的,此力也叫作范德華力。由于固體表面的分子與其內部分子不同,存在剩余的表面自由力場,當氣體分子碰到固體表面時,其中一部分就被吸附,并釋放出吸附熱。在被吸附的分子中,只有當其熱運動的動能足以克服吸附劑引力場的位能時才能重新回到氣相,所以在與氣體接觸的固體表面上總是保留著許多被吸附的分子。由于分子間的引力所引起的吸附,其吸附熱較低,接近吸附質的汽化熱或冷凝熱,吸附和解吸速度也都較快。被吸附氣體也較容易地從固體表面解吸出來,所以物理吸附是可逆的。物理吸附通常分為變溫吸附和變壓吸附。
        4        變壓吸附屬化學吸附或物理吸附?
        分離氣體混合物的變壓吸附過程系純物理吸附,在整個過程中沒有任何化學反應發生。
        5        變壓吸附常用吸附劑有哪幾種?他們各自的作用是什么?
        變壓吸附常用的吸附劑有:硅膠、活性氧化鋁、活性炭、分子篩等,另外還有針對某種組分選擇性吸附而研制的吸附材料。氣體吸附分離成功與否,很大程度上依賴于吸附劑的性能,因此選擇吸附劑是確定吸附操作的首要問題。
        硅膠是一種堅硬、無定形鏈狀和網狀結構的硅酸聚合物顆粒,分子式為SiO2.nH2O,為一種親水性的極性吸附劑。它是用硫酸處理硅酸鈉的水溶液,生成凝膠,并將其水洗除去硫酸鈉后經干燥,便得到玻璃狀的硅膠,它主要用于干燥、氣體混合物及石油組分的分離等。工業上用的硅膠分成粗孔和細孔兩種。粗孔硅膠在相對濕度飽和的條件下,吸附量可達吸附劑重量的80%以上,而在低濕度條件下,吸附量大大低于細孔硅膠。
        活性氧化鋁是由鋁的水合物加熱脫水制成,它的性質取決于最初氫氧化物的結構狀態,一般都不是純粹的Al2O3,而是部分水合無定形的多孔結構物質,其中不僅有無定形的凝膠,還有氫氧化物的晶體。由于它的毛細孔通道表面具有較高的活性,故又稱活性氧化鋁。它對水有較強的親和力,是一種對微量水深度干燥用的吸附劑。在一定操作條件下,它的干燥深度可達露點-70以下。
        活性炭是將木炭、果殼、煤等含碳原料經炭化、活化后制成的;罨椒ǹ煞譃閮纱箢,即藥劑活化法和氣體活化法。藥劑活化法就是在原料里加入氯化鋅、硫化鉀等化學藥品,在非活性氣氛中加熱進行炭化和活化。氣體活化法是把活性炭原料在非活性氣氛中加熱,通常在700℃以下除去揮發組分以后,通入水蒸氣、二氧化碳、煙道氣、空氣等,并在7001200℃溫度范圍內進行反應使其活化;钚蕴亢泻芏嗝毧讟嬙,所以具有優異的吸附能力。因而它用途遍及水處理、脫色、氣體吸附等各個方面。
        沸石分子篩又稱合成沸石或分子篩,其化學組成通式為:
        [M(Ⅰ)M(Ⅱ)]O.Al2O3.nSiO2.mH2O
        式中M(Ⅰ)M(Ⅱ)分別為為一價和二價金屬離子,多半是鈉和鈣,n稱為沸石的硅鋁比,硅主要來自于硅酸鈉和硅膠,鋁則來自于鋁酸鈉和Al(HO)3等,它們與氫氧化鈉水溶液反應制得的膠體物,經干燥后便成沸石,一般n=210,m=09。
        沸石的特點是具有分子篩的作用,它有均勻的孔徑,如3A0、4A0、5A0、10A0細孔。有4A0孔徑的4A0沸石可吸附甲烷、乙烷,而不吸附三個碳以上的正烷烴。它已廣泛用于氣體吸附分離、氣體和液體干燥以及正異烷烴的分離。
        碳分子篩實際上也是一種活性炭,它與一般的碳質吸附劑不同之處,在于其微孔孔徑均勻地分布在一狹窄的范圍內,微孔孔徑大小與被分離的氣體分子直徑相當,微孔的比表面積一般占碳分子篩所有表面積的90%以上。碳分子篩的孔結構主要分布形式為:大孔直徑與碳粒的外表面相通,過渡孔從大孔分支出來,微孔又從過渡孔分支出來。在分離過程中,大孔主要起運輸通道作用,微孔則起分子篩的作用。
        以煤為原料制取碳分子篩的方法有炭化法、氣體活化法、碳沉積法和浸漬法。其中炭化法最為簡單,但要制取高質量的碳分子篩必須綜合使用這幾種方法。
        碳分子篩在空氣分離制取氮氣領域已獲得了成功,在其它氣體分離方面也有廣闊的前景。
        6        溫度、壓力對吸附過程的影響分別是什么?
        在同一溫度下,吸附質在吸附劑上的吸附量隨吸附質的分壓上升而增加;在同一吸附質分壓下,吸附質在吸附劑上的吸附量隨吸附溫度上升而減少;因此降低吸附溫度和升高吸附壓力有利于氣體組分的吸附。反之,提高溫度和降低壓力則氣體的吸附量減少而解吸。
        7        什么叫變溫吸附?什么叫變壓吸附?
        1.變溫吸附法
        在較低溫度(常溫或更低)下進行吸附,而升高溫度將吸附的組分解吸出來。變溫吸附是在兩條不同溫度的等溫吸附線之間上下移動進行著吸附和解吸。由于常用吸附劑的熱傳導率比較低,加溫和冷卻的時間就比較長(往往需要幾個小時),所以吸附床比較大,而且還要配備相應的加熱和冷卻設施,能耗、投資都很高。
        此外,溫度大幅度周期性變化也會影響吸附劑的壽命。但變溫吸附法可適用于許多場合,產品損失少,回收率高,所以目前仍為一種應用較廣的方法。
        2.變壓吸附法
        在加壓下進行吸附,減壓下進行解吸。由于循環周期短,吸附熱來不及散失,可供解吸之用,所以吸附熱和解吸熱引起的吸附床溫度變化一般不大,波動范圍僅在幾度,可近似看作等溫過程。變壓吸附工作狀態僅僅是在一條等吸附線上變化。
        常用減壓吸附方法有以下幾種,其目的都是為了降低吸附劑上被吸附組分的分壓,使吸附劑得到再生。
        8        吸附劑的再生方法有幾種?分別闡述?
        為了能使吸附分離法經濟有效的實現,除了吸附劑要有良好的吸附性能以外,吸附劑的再生方法具有關鍵意義。吸附劑再生深度決定產品的純度,也影響吸附劑的吸附能力;吸附劑的再生時間決定了吸附循環周期的長短,從而也決定了吸附劑用量的多少。因此選擇合適的再生方法,對吸附分離法的工業化起著重要的作用。
        由描述吸附平衡的等溫吸附線知道,在同一溫度下,吸附質在吸附劑上的吸附量隨吸附質的分壓上升而增加;在同一吸附質分壓下,吸附質在吸附劑上的吸附量隨吸附溫度上升而減少;也就是說加壓降溫有利于吸附質的吸附,降壓加溫有利于吸附質的解吸或吸附劑的再生。
        于是按吸附劑的再生方法將吸附分離循環過程分成兩類:變溫吸附法和變壓吸附法。圖2-9表示了這兩種方法的概念,圖中橫座標為吸附質的分壓,縱座標為單位吸附劑的吸附量。上面一條是常溫下的等溫吸附線,下面一條是高溫下的等溫吸附線。
        a. 降壓:
        吸附床在較高壓力下吸附,然后降到較低壓力,通常接近大氣壓,這時一部分吸附組分解吸出來。這個方法操作簡單,單吸附組分的解吸不充分,吸附劑再生程度不高。
        b. 抽真空:
        吸附床降到大氣壓以后,為了進一步減少吸附組分的分壓,可用抽真空的方法來降低吸附床壓力,以得到更好的再生效果,但此法增加了動力消耗。
        c. 沖洗:
        利用弱吸附組分或者其它適當的氣體通過需再生的吸附床,被吸附組分的分壓隨沖洗氣通過而下降。吸附劑的再生程度取決于沖洗氣的用量和純度。
        d. 置換:
        用一種吸附能力較強的氣體把原先被吸附的組分從吸附劑上置換出來。這種方法常用于產品組分吸附能力較強而雜質組分較弱即從吸附相獲得產品的場合。
        在變壓吸附過程中,采用哪種再生方法是根據被分離的氣體混合各組分性質、產品要求、吸附劑的特性以及操作條件來選擇,通常是由幾種再生方法配合實施的。
        應當注意的是,無論采用何種方法再生,再生結束時,吸附床內吸附質的殘余量不會等于零,也就是說,床內吸附劑不可能徹底再生。這部分殘余量也不是均勻分布再吸附床內各個部位。圖2-10中曲線-2示出了這部分殘余量在床內的分布情況。曲線-1就是前述的吸附負荷曲線。兩根曲線分別與座標所形成的面積之差稱為吸附床的有效吸附負荷。此質增大,有利于吸附操作。吸附工況確定后,有效吸附負荷就取決于吸附床的再生程度。由此,可看出再生在吸附操作中的重要性。

        二、變壓吸附操作基本原理
        1.變壓吸附基本工作步驟?
        單一的固定吸附床操作,無論是變溫吸附還是變壓吸附,由于吸附劑需要再生,吸附是間歇式的。因此,工業上都是采用兩個或更多的吸附床,使吸附床的吸附和再生交替(或依次循環)進行,保證整個吸附過程的連續。
        對于變壓吸附循環過程,有三個基本工作步驟:
        1.壓力下吸附
        吸附床在過程的最高壓力下通入被分離的氣體混合物,其中強吸附組分被吸附劑選擇性吸收,弱吸附組分從吸附床的另一端流出。
        2.減壓解吸
        根據被吸附組分的性能,選用前述的降壓、抽真空、沖洗和置換中的幾種方法使吸附劑獲得再生。一般減壓解吸,先是降壓到大氣壓力,然后再用沖洗、抽真空或置換。
        3.升壓
        吸附劑再生完成后,用弱吸附組分對吸附床進行充壓 ,直到吸附壓力為止。接著又在壓力下進行吸附。
        2-11示出了在一個變壓循環中吸附劑的吸附負荷與壓力的變化關系。
            
        2.吸附劑的選擇對變壓吸附裝置的影響?
        吸附劑對各氣體組分的吸附性能是通過實驗測定靜態下的等溫吸附線和動態下的流出曲線來評價的。吸附劑的良好吸附性能是吸附分離過程的基本條件。
        在變壓吸附過程中吸附劑的選擇還要考慮解決吸附和解吸之間的矛盾。既要選擇吸附容量大,又容易解吸的吸附劑,以減少降壓解吸的電耗。選擇吸附劑的另一要點是組分間的分離系數盡可能大,從而減少有效氣體的損失。
        3.什么叫死空間?
        所謂死空間,既吸附床層內扣除吸附劑所占體積后,剩余的空間。
        也就是說,某組分吸附平衡時在吸附床內的總量有兩部分,一部分是在死空間中,另一部分被吸附劑所吸附,其總和叫做某組分在吸附床內的存留量;弱吸附組分和強吸附組分各自在死空間中含有的量占床內存留量的比值之比稱為分離系數。分離系數越大分離越容易。
        4.為什么要控制適宜的氣流速度?
        在吸附床運行過程中因床內壓力周期地變化,氣體短時間內進入、排出,吸附劑應有足夠的強度,以減少破碎和磨損。當氣流速度過快,導致吸附劑懸浮時,則磨損加劇,造成吸附劑破碎,影響吸附劑使用壽命。不同的吸附劑,選擇的氣流速度不同。這主要取決于吸附劑的強度和吸附劑顆粒的大小。
        5.為什么進入PSA裝置的原料氣必須要除油?
        被分離的氣體如果含有象有機機械潤滑油、煤焦油之類的物質,那么在吸附過程中,這些油性物質會粘附在吸附顆粒的外表面,堵塞吸附劑內的通道,使吸附劑失去吸附能力。粘附有油類物質的任何吸附劑,不管采用升溫還是降壓抽空的再生方法,都是不能再生的。因此對氣體中的含油量必須嚴格限制,有的場合就需增設除油設施,以免吸附劑在使用中失效。
        6.為什么進入PSA裝置的原料氣必須要除水?
            被分離的氣體如果含有游離水和飽和水,在吸附床層中只能除去一定量的飽和水。那么在吸附過程中,若使水大量帶入吸附塔會導致吸附劑性能下降甚至失效。此時需對失效的吸附劑重新活化或更換。吸附劑的活化需要采用溫度150℃以上的惰性氣體循環通入,費時、費力,相當困難。因此,操作時一定要嚴格控制進入PSA裝置的水含量,不能含有機械水。


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