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[气体技术]气体分离和纯化技术之---变压吸附

发布:hyzbkj 日期:2017-08-28 浏览次数:12次

  一、变压吸附基本原理

  1.什么叫吸附?

  当气体分子运动到固体表面上时,由于固体表面原子剩余引力的作用,气体中的一些分子便会暂时停留在固体表面上,这些分子在固体表面上的浓度增大,这种现象称为气体分子在固体表面上的吸附。吸附物质的固体称为吸附剂,被吸附的物质称为吸附质。按吸附质与吸附剂之间引力场的性质,吸附可分为化学吸附和物理吸附。

  2.气体分离的原理是什么?

  当气体是混合物时,由于固体表面对不同气体分子的引力差异,使吸附相的组成与气相组成不同,这种气相与吸附相在密度上和组成上的差别构成了气体吸附分离技术的基础。

  伴随吸附过程所释放的热量叫吸附热,解吸过程所吸收的热量叫解吸热。气体混合物的吸附热是吸附质的冷凝热和润湿热之和。不同的吸附剂对各种气体分子的吸附热均不相同。

  3.什么叫化学吸附?什么叫物理吸附?

  化学吸附:即吸附过程伴随有化学反应的吸附。在化学吸附中,吸附质分子和吸附剂表面将发生反应生成表面络合物,其吸附热接近化学反应热。化学吸附需要一定的活化能才能进行。通常条件下,化学吸附的吸附或解吸速度都要比物理吸附慢。石灰石吸附氯气,沸石吸附乙烯都是化学吸附。

  物理吸附:也称范德华(van der  Waais) 吸附,它是由吸附质分子和吸附剂表面分子之间的引力所引起的,此力也叫作范德华力。由于固体表面的分子与其内部分子不同,存在剩余的表面自由力场,当气体分子碰到固体表面时,其中一部分就被吸附,并释放出吸附热。在被吸附的分子中,只有当其热运动的动能足以克服吸附剂引力场的位能时才能重新回到气相,所以在与气体接触的固体表面上总是保留着许多被吸附的分子。由于分子间的引力所引起的吸附,其吸附热较低,接近吸附质的汽化热或冷凝热,吸附和解吸速度也都较快。被吸附气体也较容易地从固体表面解吸出来,所以物理吸附是可逆的。物理吸附通常分为变温吸附和变压吸附。

  4.变压吸附属化学吸附或物理吸附?

  分离气体混合物的变压吸附过程系纯物理吸附,在整个过程中没有任何化学反应发生。

  5.变压吸附常用吸附剂有哪几种?他们各自的作用是什么?

  变压吸附常用的吸附剂有:硅胶、活性氧化铝、活性炭、分子筛等,另外还有针对某种组分选择性吸附而研制的吸附材料。气体吸附分离成功与否,很大程度上依赖于吸附剂的性能,因此选择吸附剂是确定吸附操作的首要问题。

  硅胶是一种坚硬、无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒,分子式为SiO2.nH2O,为一种亲水性的极性吸附剂。它是用硫酸处理硅酸钠的水溶液,生成凝胶,并将其水洗除去硫酸钠后经干燥,便得到玻璃状的硅胶,它主要用于干燥、气体混合物及石油组分的分离等。工业上用的硅胶分成粗孔和细孔两种。粗孔硅胶在相对湿度饱和的条件下,吸附量可达吸附剂重量的80%以上,而在低湿度条件下,吸附量大大低于细孔硅胶。

  活性氧化铝是由铝的水合物加热脱水制成,它的性质取决于最初氢氧化物的结构状态,一般都不是纯粹的Al2O3,而是部分水合无定形的多孔结构物质,其中不仅有无定形的凝胶,还有氢氧化物的晶体。由于它的毛细孔通道表面具有较高的活性,故又称活性氧化铝。它对水有较强的亲和力,是一种对微量水深度干燥用的吸附剂。在一定操作条件下,它的干燥深度可达露点-70℃以下。

  活性炭是将木炭、果壳、煤等含碳原料经炭化、活化后制成的。活化方法可分为两大类,即药剂活化法和气体活化法。药剂活化法就是在原料里加入氯化锌、硫化钾等化学药品,在非活性气氛中加热进行炭化和活化。气体活化法是把活性炭原料在非活性气氛中加热,通常在700℃以下除去挥发组分以后,通入水蒸气、二氧化碳、烟道气、空气等,并在700~1200℃温度范围内进行反应使其活化。活性炭含有很多毛细孔构造,所以具有优异的吸附能力。因而它用途遍及水处理、脱色、气体吸附等各个方面。

  沸石分子筛又称合成沸石或分子筛,其化学组成通式为:

  [M(Ⅰ)M(Ⅱ)]O.Al2O3.nSiO2.mH2O

  式中M(Ⅰ)和M(Ⅱ)分别为为一价和二价金属离子,多半是钠和钙,n称为沸石的硅铝比,硅主要来自于硅酸钠和硅胶,铝则来自于铝酸钠和Al(HO)3等,它们与氢氧化钠水溶液反应制得的胶体物,经干燥后便成沸石,一般n=2~10,m=0~9。

  沸石的特点是具有分子筛的作用,它有均匀的孔径,如3A0、4A0、5A0、10A0细孔。有4A0孔径的4A0沸石可吸附甲烷、乙烷,而不吸附三个碳以上的正烷烃。它已广泛用于气体吸附分离、气体和液体干燥以及正异烷烃的分离。

  碳分子筛实际上也是一种活性炭,它与一般的碳质吸附剂不同之处,在于其微孔孔径均匀地分布在一狭窄的范围内,微孔孔径大小与被分离的气体分子直径相当,微孔的比表面积一般占碳分子筛所有表面积的90%以上。碳分子筛的孔结构主要分布形式为:大孔直径与碳粒的外表面相通,过渡孔从大孔分支出来,微孔又从过渡孔分支出来。在分离过程中,大孔主要起运输通道作用,微孔则起分子筛的作用。

  以煤为原料制取碳分子筛的方法有炭化法、气体活化法、碳沉积法和浸渍法。其中炭化法最为简单,但要制取高质量的碳分子筛必须综合使用这几种方法。

  碳分子筛在空气分离制取氮气领域已获得了成功,在其它气体分离方面也有广阔的前景。

  6.温度、压力对吸附过程的影响分别是什么?

  在同一温度下,吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附质的分压上升而增加;在同一吸附质分压下,吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附温度上升而减少;因此降低吸附温度和升高吸附压力有利于气体组分的吸附。反之,提高温度和降低压力则气体的吸附量减少而解吸。

  7.什么叫变温吸附?什么叫变压吸附?

  1.变温吸附法

  在较低温度(常温或更低)下进行吸附,而升高温度将吸附的组分解吸出来。变温吸附是在两条不同温度的等温吸附线之间上下移动进行着吸附和解吸。由于常用吸附剂的热传导率比较低,加温和冷却的时间就比较长(往往需要几个小时),所以吸附床比较大,而且还要配备相应的加热和冷却设施,能耗、投资都很高。

  此外,温度大幅度周期性变化也会影响吸附剂的寿命。但变温吸附法可适用于许多场合,产品损失少,回收率高,所以目前仍为一种应用较广的方法。

  2.变压吸附法

  在加压下进行吸附,减压下进行解吸。由于循环周期短,吸附热来不及散失,可供解吸之用,所以吸附热和解吸热引起的吸附床温度变化一般不大,波动范围仅在几度,可近似看作等温过程。变压吸附工作状态仅仅是在一条等吸附线上变化。

  常用减压吸附方法有以下几种,其目的都是为了降低吸附剂上被吸附组分的分压,使吸附剂得到再生。

  8.吸附剂的再生方法有几种?分别阐述?

  为了能使吸附分离法经济有效的实现,除了吸附剂要有良好的吸附性能以外,吸附剂的再生方法具有关键意义。吸附剂再生深度决定产品的纯度,也影响吸附剂的吸附能力;吸附剂的再生时间决定了吸附循环周期的长短,从而也决定了吸附剂用量的多少。因此选择合适的再生方法,对吸附分离法的工业化起着重要的作用。

  由描述吸附平衡的等温吸附线知道,在同一温度下,吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附质的分压上升而增加;在同一吸附质分压下,吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附温度上升而减少;也就是说加压降温有利于吸附质的吸附,降压加温有利于吸附质的解吸或吸附剂的再生。

  于是按吸附剂的再生方法将吸附分离循环过程分成两类:变温吸附法和变压吸附法。图2-9表示了这两种方法的概念,图中横座标为吸附质的分压,纵座标为单位吸附剂的吸附量。上面一条是常温下的等温吸附线,下面一条是高温下的等温吸附线。

  a. 降压:

  吸附床在较高压力下吸附,然后降到较低压力,通常接近大气压,这时一部分吸附组分解吸出来。这个方法操作简单,单吸附组分的解吸不充分,吸附剂再生程度不高。

  b. 抽真空:

  吸附床降到大气压以后,为了进一步减少吸附组分的分压,可用抽真空的方法来降低吸附床压力,以得到更好的再生效果,但此法增加了动力消耗。

  c. 冲洗:

  利用弱吸附组分或者其它适当的气体通过需再生的吸附床,被吸附组分的分压随冲洗气通过而下降。吸附剂的再生程度取决于冲洗气的用量和纯度。

  d. 置换:

  用一种吸附能力较强的气体把原先被吸附的组分从吸附剂上置换出来。这种方法常用于产品组分吸附能力较强而杂质组分较弱即从吸附相获得产品的场合。

  在变压吸附过程中,采用哪种再生方法是根据被分离的气体混合各组分性质、产品要求、吸附剂的特性以及操作条件来选择,通常是由几种再生方法配合实施的。

  应当注意的是,无论采用何种方法再生,再生结束时,吸附床内吸附质的残余量不会等于零,也就是说,床内吸附剂不可能彻底再生。这部分残余量也不是均匀分布再吸附床内各个部位。图2-10中曲线-2示出了这部分残余量在床内的分布情况。曲线-1就是前述的吸附负荷曲线。两根曲线分别与座标所形成的面积之差称为吸附床的有效吸附负荷。此质增大,有利于吸附操作。吸附工况确定后,有效吸附负荷就取决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、变压吸附操作基本原理

  1.变压吸附基本工作步骤?

  单一的固定吸附床操作,无论是变温吸附还是变压吸附,由于吸附剂需要再生,吸附是间歇式的。因此,工业上都是采用两个或更多的吸附床,使吸附床的吸附和再生交替(或依次循环)进行,保证整个吸附过程的连续。

  对于变压吸附循环过程,有三个基本工作步骤:

  1.压力下吸附

  吸附床在过程的最高压力下通入被分离的气体混合物,其中强吸附组分被吸附剂选择性吸收,弱吸附组分从吸附床的另一端流出。

  2.减压解吸

  根据被吸附组分的性能,选用前述的降压、抽真空、冲洗和置换中的几种方法使吸附剂获得再生。一般减压解吸,先是降压到大气压力,然后再用冲洗、抽真空或置换。

  3.升压

  吸附剂再生完成后,用弱吸附组分对吸附床进行充压 ,直到吸附压力为止。接着又在压力下进行吸附。

  图2-11示出了在一个变压循环中吸附剂的吸附负荷与压力的变化关系。

  2.吸附剂的选择对变压吸附装置的影响?

  吸附剂对各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流出曲线来评价的。吸附剂的良好吸附性能是吸附分离过程的基本条件。

  在变压吸附过程中吸附剂的选择还要考虑解决吸附和解吸之间的矛盾。既要选择吸附容量大,又容易解吸的吸附剂,以减少降压解吸的电耗。选择吸附剂的另一要点是组分间的分离系数尽可能大,从而减少有效气体的损失。

  3.什么叫死空间?

  所谓死空间,既吸附床层内扣除吸附剂所占体积后,剩余的空间。

  也就是说,某组分吸附平衡时在吸附床内的总量有两部分,一部分是在死空间中,另一部分被吸附剂所吸附,其总和叫做某组分在吸附床内的存留量;弱吸附组分和强吸附组分各自在死空间中含有的量占床内存留量的比值之比称为分离系数。分离系数越大分离越容易。

  4.为什么要控制适宜的气流速度?

  在吸附床运行过程中因床内压力周期地变化,气体短时间内进入、排出,吸附剂应有足够的强度,以减少破碎和磨损。当气流速度过快,导致吸附剂悬浮时,则磨损加剧,造成吸附剂破碎,影响吸附剂使用寿命。不同的吸附剂,选择的气流速度不同。这主要取决于吸附剂的强度和吸附剂颗粒的大小。

  5.为什么进入PSA装置的原料气必须要除油?

  被分离的气体如果含有象有机机械润滑油、煤焦油之类的物质,那么在吸附过程中,这些油性物质会粘附在吸附颗粒的外表面,堵塞吸附剂内的通道,使吸附剂失去吸附能力。粘附有油类物质的任何吸附剂,不管采用升温还是降压抽空的再生方法,都是不能再生的。因此对气体中的含油量必须严格限制,有的场合就需增设除油设施,以免吸附剂在使用中失效。

  6.为什么进入PSA装置的原料气必须要除水?

  被分离的气体如果含有游离水和饱和水,在吸附床层中只能除去一定量的饱和水。那么在吸附过程中,若使水大量带入吸附塔会导致吸附剂性能下降甚至失效。此时需对失效的吸附剂重新活化或更换。吸附剂的活化需要采用温度150℃以上的惰性气体循环通入,费时、费力,相当困难。因此,操作时一定要严格控制进入PSA装置的水含量,不能含有机械水。