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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:⑴产品纯度高。⑵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。⑶设备简单,操作、维护简便。⑷连续循环操作,可完全达到自动化。因此,当这种新技术问世后,就受到各国工业界的关注,竞相开发和研究,发展迅速,并日益成熟。 9 z; L. l1 j$ F8 w 1960年Skarstrom提出PSA专利,他以5A沸石分子筛为吸附剂,用一个两床PSA装置,从空气中分离出富氧,该过程经过改进,于60年代投入了工业生产。70年代,变压吸附技术的工业应用取得了突破性的进展,主要应用在氧氮分离、空气干燥与净化以及氢气净化等。其中,氧氮分离的技术进展是把新型吸附剂碳分子筛与变压吸附结合起来,将空气中的O2和N2加以分离,从而获得氮气。) V0 z3 z. e1 [! j& o 随着分子筛性能改进和质量提高,以及变压吸附工艺的不断改进,使产品纯度和回收率不断提高,这又促使变压吸附在经济上立足和工业化的实现。' a* h7 ?, b# P# \
# D, ^+ [. ~ G2 O' o' p原理2 j8 D7 ]7 p% T, Q7 k( I2 a' M 任何一种吸附对于同一被吸附气体(吸附质)来说,在吸附平衡情况下,温度越低,压力越高,吸附量越大。反之,温度越高,压力越低,则吸附量越小。因此,气体的吸附分离方法,通常采用变温吸附或变压吸附两种循环过程。4 f& o& ~& i! v5 _& I. _ 如果压力不变,在常温或低温的情况下吸附,用高温解吸的方法,称为变温吸附(简称TSA)。显然,变温吸附是通过改变温度来进行吸附和解吸的。变温吸附操作是在低温(常温)吸附等温线和高温吸附等温线之间的垂线进行,由于吸附剂的比热容较大,热导率(导热系数)较小,升温和降温都需要较长的时间,操作上比较麻烦,因此变温吸附主要用于含吸附质较少的气体净化方面。 1 Z% x+ P3 \$ ]* g* R) t* _ 如果温度不变,在加压的情况下吸附,用减压(抽真空)或常压解吸的方法,称为变压吸附。可见,变压吸附是通过改变压力来吸附和解吸的。 2 k5 P- P1 a- |! s( K+ v) k( a 变压吸附操作由于吸附剂的热导率较小,吸附热和解吸热所引起的吸附剂床层温度变化不大,故可将其看成等温过程,它的工况近似地沿着常温吸附等温线进行,在较高压力(P2)下吸附,在较低压力(P1)下解吸。变压吸附既然沿着吸附等温线进行,从静态吸附平衡来看,吸附等温线的斜率对它的是影响很大的,在温度不变的情况下,压力和吸附量之间的关系,如图示所示,图中PH表示吸附压力,PL表示解吸(减压后)压力,这时PH与PL所应的吸附量的差,实质上是有效吸附量,以Ve表示之。显然,直线型吸附等温线的有效吸附量比曲线型(Langmuir型)的要来得大。 4 K; g* q, {4 d) v' j- U 吸附常常是在压力环境下进行的,变压吸附提出了加压和减压相结合的方法,它通常是由加压吸附、减压再组成的吸附一解吸系统。在等温的情况下,利用加压吸附和减压解吸组合成吸附操作循环过程。吸附剂对吸附质的吸附量随着压力的升高而增加,并随着压力的降低而减少,同时在减压(降至常压或抽真空)过程中,放出被吸附的气体,使吸附剂再生,外界不需要供给热量便可进行吸附剂的再生。因此,变压吸附既称等温吸附,又称无热再生吸附。 * [1 F1 |3 y, } 变压吸附,吸附,PSA - n4 p, T$ K& {9 R1 Z( l! @ 来自空气压缩机的压缩空气,首先进入冷干机脱除水分,然后进入由两台吸附塔组成的PSA制氮装置,利用塔中装填的专用碳分子筛吸附剂选择性地吸附掉O2、CO2等杂质气体组分,而作为产品气N2将以99%的纯度由塔顶排出。& L0 U/ U6 s. O0 M 在降压时,吸附剂吸附的氧气解吸出来,通过塔底逆放排出,经吹洗后,吸附剂得以再生。完成再生后的吸附剂经均压升压和产品升压后又可转入吸附。两塔交替使用,达到连续分离空气制氮的目的。d8 E( Y) f+ }& [. w5 l) w 用碳分子筛制氮主要是基于氧和氮在碳分子筛中的扩散速率不同,在0.7-1.0Mpa压力下,即氧在碳分子筛表面的扩散速度大于氮的扩散速度,使碳分子筛优先吸附氧,而氮大部分富集于不吸附相中。碳分子筛本身具有加压时对氧的吸附容量增加,减压时对氧的吸附量减少的特性。利用这种特性采用变压吸附法进行氧、氮分离。从而得到99.99%的氮气。" p, ^8 e- A7 Z& ? }2 @9 ]
: Y5 j: m6 T$ m% {# w变压吸附发展史 $ J- t' u) Y+ J2 \! [4 Z/ O 变压吸附空分制氧始创于20世纪60年代初(Skarstrom, 1960; Guerin de Montgarenil & Domine, 1964),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)4 g5 S; d5 o4 g# M2 m. `/ A% Z 80年代以来至今CaX和LiX等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(杨,1991; Kumar, 1996; Jee, Park, Haam & Lee,2002)。+ o+ U) r4 _% q& y+ T* s6 y 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(Sircar,1994;Ruthven.Farooq&Knaebel, 1994)。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。直至进入九十年代以来,变压吸附制氧设备的优越性才逐渐被国人认可,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。 |
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