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1、1变压吸附变压吸附Pressure Swing Adsorption缩写为缩写为PSA第第二二部分部分常用气体分离方法介绍常用气体分离方法介绍l低温分离法低温分离法：利用气体组份间沸点的差异，采用低温精：利用气体组份间沸点的差异，采用低温精馏实现混合气体组份的分离的方法。已有馏实现混合气体组份的分离的方法。已有100多年的历多年的历史，主要用于大规模空分制史，主要用于大规模空分制O2、N2。l其其局限性局限性在于：在于： (1)工艺中要先除去工艺中要先除去CO2和和H2O等高沸点组份，预处理系等高沸点组份，预处理系统复杂；统复杂； (2)需消耗大量的冷量，能耗高；需消耗大量的冷量，能耗高； (

2、3)设备复杂，开停车不方便，开车数小时才能得到合设备复杂，开停车不方便，开车数小时才能得到合格产品；格产品； (4)产品纯度低，沸点相近的组份要分离得到高纯度产产品纯度低，沸点相近的组份要分离得到高纯度产品很困难。品很困难。l膜分离法膜分离法：利用气体组份在中空纤维膜上渗透速率的：利用气体组份在中空纤维膜上渗透速率的差异实现混合气体的分离。是一种较新的气体分离方差异实现混合气体的分离。是一种较新的气体分离方法，目前主要用于制法，目前主要用于制H2。l其其局限性局限性在于：在于： (1)处理系统复杂，膜对处理系统复杂，膜对NH3、硫化物很敏感，要求原硫化物很敏感，要求原料气中料气中NH3和和H2

3、O等均小于等均小于1ppm； (2)得到的产品纯度不高，混合气体中的每种组份均可得到的产品纯度不高，混合气体中的每种组份均可渗透；渗透； (3)压力为气体渗透的动力，因此需要较大的压差，并压力为气体渗透的动力，因此需要较大的压差，并且透过气体没有压力，能量损失较大。且透过气体没有压力，能量损失较大。l变压吸附法变压吸附法：利用不同气体在吸附剂上吸附性能的差：利用不同气体在吸附剂上吸附性能的差异，以及同种气体在吸附剂上的吸附性能随压力的变异，以及同种气体在吸附剂上的吸附性能随压力的变化而变化的特性来实现混合气体的分离。其化而变化的特性来实现混合气体的分离。其特点特点在于：在于： (1)产品纯度高

4、；产品纯度高； (2)工艺简单，原料气中的工艺简单，原料气中的H2O、H2S、CO2等杂质组等杂质组份可一步除去，不需进行预处理；份可一步除去，不需进行预处理； (3)操作简便，能耗低。一般在常温和不高的压力下操操作简便，能耗低。一般在常温和不高的压力下操作，设备简单，整个过程全部实现自动化；作，设备简单，整个过程全部实现自动化； (4)吸附剂寿命长，为半永久性使用，每年只需少量补吸附剂寿命长，为半永久性使用，每年只需少量补充，正常操作条件下吸附剂一般使用充，正常操作条件下吸附剂一般使用10年以上。年以上。低低低低 高高 装置投资装置投资较小较小中中较大较大 装置占地面积装置占地面积 数分钟数

5、分钟 数分钟数十分钟数分钟数十分钟 数小时数十小时数小时数十小时 装置出产品时间装置出产品时间容易容易容易容易 较难较难 生产可调性生产可调性 3.0 15.0或更高或更高 0.5 3.0 1.0 8.0 操作压力，操作压力，MPa9092 6092 90 95 氢氧气回收率氢氧气回收率% 较低较低低低 高高 能耗能耗 98 9899.999 9099氢气纯度氢气纯度()技术开发阶段技术开发阶段 成熟成熟 成熟成熟技术情况技术情况 膜分离法膜分离法(Memb.) 变压吸附法变压吸附法(PSA)低温精馏法低温精馏法(ASU)比较项目比较项目第第三三部分部分吸附的基本概念吸附的基本概念l吸附吸附固

6、体表面原子的剩余引力对气体分子的吸着固体表面原子的剩余引力对气体分子的吸着现象。当气体分子运动到固体表面时，由于固体表面现象。当气体分子运动到固体表面时，由于固体表面原子的剩余引力的作用，气体中的一些分子便会暂时原子的剩余引力的作用，气体中的一些分子便会暂时停留在固体表面上，形成这些分子在固体表面上的浓停留在固体表面上，形成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的度增大，这种现象称为气体分子在固体表面的吸附吸附。l吸附相吸附相被吸附的气体分子在固体表面上形成的吸被吸附的气体分子在固体表面上形成的吸附层称为附层称为吸附相吸附相。其分子密度非常大，可能接近于液。其分子密度非

7、常大，可能接近于液体。体。l脱附脱附固体表面上被吸附的分子又重新返回气体相固体表面上被吸附的分子又重新返回气体相的过程称为的过程称为脱附脱附或或解吸解吸。 l吸附剂吸附剂吸附物质的固体称为吸附物质的固体称为吸附剂吸附剂。l吸附质吸附质被吸附的物质称为被吸附的物质称为吸附质吸附质。l吸附热吸附热伴随吸附过程所释放的热量称为伴随吸附过程所释放的热量称为吸吸 附热附热。l解吸热解吸热脱附或解吸过程所需要吸收的热量脱附或解吸过程所需要吸收的热量 称为称为解吸热解吸热。 l表面表面有有内表面内表面和和外表面外表面之分，吸附主要发生之分，吸附主要发生在内在内表面表面，外表面与内表面相比相当小，而内表面积大

8、是，外表面与内表面相比相当小，而内表面积大是固体作为吸附剂的先决条件。以下为几种常用吸附剂固体作为吸附剂的先决条件。以下为几种常用吸附剂的表面积的大小：的表面积的大小：l硅胶硅胶 SG500600 m2/gl活性炭活性炭 Ac7001100 m2/gl分子筛分子筛 MS7001000 m2/g（其外表面积仅其外表面积仅为为2.6710-4 m2/gl吸附吸附分为分为物理吸附物理吸附和和化学吸附化学吸附l物理吸附物理吸附也称范德华吸附，是由吸附质分子和吸也称范德华吸附，是由吸附质分子和吸附剂表面分子之间的引力产生的吸着现象，是附剂表面分子之间的引力产生的吸着现象，是可逆可逆的的表面吸附。变压吸附

9、过程属于物理吸附。表面吸附。变压吸附过程属于物理吸附。l化学吸附化学吸附吸附过程中伴有化学反应的吸附，是不吸附过程中伴有化学反应的吸附，是不可逆的吸附，吸附过程发生了质变。石灰石吸附氯气，可逆的吸附，吸附过程发生了质变。石灰石吸附氯气，沸石吸附乙烯的过程属于化学吸附。沸石吸附乙烯的过程属于化学吸附。 l吸附平衡吸附平衡：吸附刚开始时，吸附剂存在大量的活性表：吸附刚开始时，吸附剂存在大量的活性表面，被吸附的吸附质分子数大大超过离开表面的分子面，被吸附的吸附质分子数大大超过离开表面的分子数；随着吸附的进行，吸附剂表面铸件被吸附质分子数；随着吸附的进行，吸附剂表面铸件被吸附质分子遮盖，其再吸附的能力

10、下降，直到吸附速度等于解吸遮盖，其再吸附的能力下降，直到吸附速度等于解吸速度时，就表示吸附达到了平衡。吸附平衡是一种速度时，就表示吸附达到了平衡。吸附平衡是一种动动态平衡态平衡。假设吸附速率为。假设吸附速率为v1，解吸速率为解吸速率为v2，则：则：v1v2时，为时，为吸附吸附过程过程v1v2时，为时，为解吸解吸过程过程v1v2时，为时，为吸附平衡吸附平衡状态状态l吸附量吸附量：吸附达到平衡时单位重量吸附剂所吸附的气体：吸附达到平衡时单位重量吸附剂所吸附的气体量。也称为量。也称为平衡吸附量平衡吸附量。l测量方法如下：测量方法如下：先抽真空，得到弹簧秤读数先抽真空，得到弹簧秤读数W0引入气体，平衡

11、后得到读数引入气体，平衡后得到读数W吸附量吸附量qWW0 q= (毫升毫升/克克) M 吸附剂重量吸附剂重量弹簧秤密闭容器吸附剂抽真空钢瓶PTl吸附等温线吸附等温线：固定温度：固定温度T不变，改变压力不变，改变压力P，测出不同压测出不同压力力P1、P2、P3下的吸附量下的吸附量q1、q2、q3。然后然后以以P为横坐标，以为横坐标，以q为纵坐标，得到的曲线称为为纵坐标，得到的曲线称为吸附等温吸附等温线线。它是描述吸附量与吸附压力之间关系的曲线。改变。它是描述吸附量与吸附压力之间关系的曲线。改变钢瓶内气体组份，就能得到不同气体的吸附等温线。变钢瓶内气体组份，就能得到不同气体的吸附等温线。变压吸附技

12、术主要依据吸附剂上不同气体的吸附等温线来压吸附技术主要依据吸附剂上不同气体的吸附等温线来确定吸附剂的选用。确定吸附剂的选用。l吸附等压线吸附等压线：固定压力固定压力P不变，改变温度不变，改变温度T，测出不同温测出不同温度度T1、T2、T3下的吸附量下的吸附量q1、q2、q3。然后然后以以T为横坐标，以为横坐标，以q为纵坐标，得到的曲线称为为纵坐标，得到的曲线称为吸附等压吸附等压线线。它是描述吸附量与吸附温度之间关系的曲线。它是描述吸附量与吸附温度之间关系的曲线。015304560759000.10.20.30.40.5吸附压力吸附压力(MPa)平衡吸附量平衡吸附量(ml/g)C2H6C3H8C

13、H4N2H2O2CO2CO 常见气体组份在常见气体组份在CNA229吸附剂上的吸附等温线吸附剂上的吸附等温线05101520253035404500.10.20.30.40.5吸附压力吸附压力（MPa)平衡吸附量平衡吸附量（ml/g)C2H4CO ArAr C2H6CH4N2O2H2 常见气体组份在常见气体组份在CNA133吸附剂上的吸附等温线吸附剂上的吸附等温线相 对 压 力 (P/P0)吸 附 量l吸附等温线吸附等温线通常被分为通常被分为5种类型，其形状的差异是由于种类型，其形状的差异是由于吸附剂和吸附质分子之间作用力不同造成的。吸附剂和吸附质分子之间作用力不同造成的。l类型类型是平缓地趋

14、近饱和值的郎格谬尔型等温吸附线，是平缓地趋近饱和值的郎格谬尔型等温吸附线，这种吸附相当于在吸附剂表面上只形成单分子层吸附。这种吸附相当于在吸附剂表面上只形成单分子层吸附。l类型类型是最普通的物理吸附，能形成多分子层。是最普通的物理吸附，能形成多分子层。l类型类型比较少见，它的特点是吸附热与被吸附组份的比较少见，它的特点是吸附热与被吸附组份的液化热大致相等。液化热大致相等。l第第、种认为是由于毛细管凝结现象所致。种认为是由于毛细管凝结现象所致。变压吸附变压吸附：在加压下进行吸附，减：在加压下进行吸附，减压下进行解吸，由于吸附循环周期压下进行解吸，由于吸附循环周期短，吸附热来不及散失，可供解吸短，

15、吸附热来不及散失，可供解吸之用，可近似看做等温过程。从图之用，可近似看做等温过程。从图中看出，变压吸附过程是在一条等中看出，变压吸附过程是在一条等温吸附线上变化。温吸附线上变化。变温吸附变温吸附：在较低温度下进行吸附，：在较低温度下进行吸附，升高温度将吸附的组份解吸出来。升高温度将吸附的组份解吸出来。从图中看出，变温吸附过程是在两从图中看出，变温吸附过程是在两条不同温度的等温线之间上下移动条不同温度的等温线之间上下移动进行着吸附和解吸。进行着吸附和解吸。q3q2q1P2P3变 压 吸 附变 温 吸 附高 温低 温Pq第第四四部分部分吸附分离的基本过程吸附分离的基本过程l将固体物料吸附剂充填在容

16、器将固体物料吸附剂充填在容器(固定床固定床)中，当气流经过中，当气流经过床层时，固体物料不被扰动。要求吸附床上下有较好床层时，固体物料不被扰动。要求吸附床上下有较好的气流分布设施。最理想的状况是活塞流或称平推流，的气流分布设施。最理想的状况是活塞流或称平推流，这样吸附剂的利用才充分。这样吸附剂的利用才充分。l假设床层内吸附剂完全没有阻力，吸附质就会一直以假设床层内吸附剂完全没有阻力，吸附质就会一直以C0的初始浓度向气体流动方向推进。但是由于传质阻的初始浓度向气体流动方向推进。但是由于传质阻力的存在、流体速度、吸附相平衡等的影响，混合物力的存在、流体速度、吸附相平衡等的影响，混合物通过吸附床层时

17、，首先在吸附床入口处形成通过吸附床层时，首先在吸附床入口处形成S形曲线，形曲线，此曲线称为吸附前沿。此曲线称为吸附前沿。l S形曲线所在的区域称为形曲线所在的区域称为传质区传质区。随着气流的不断进。随着气流的不断进入，吸附床底部吸附剂逐渐入，吸附床底部吸附剂逐渐达到吸附平衡，此区域吸附达到吸附平衡，此区域吸附剂不再吸附杂质，称为剂不再吸附杂质，称为吸附吸附饱和区饱和区。传质区以上的床层。传质区以上的床层吸附剂未吸附杂质，称为吸附剂未吸附杂质，称为未未饱和区饱和区。原料气传质区未饱和区饱和区l在吸附床中，随着气体混合物不断流入，吸附前沿不在吸附床中，随着气体混合物不断流入，吸附前沿不断向床的出口

18、端推进，经过一定时间，吸附质出现在断向床的出口端推进，经过一定时间，吸附质出现在吸附床出口端，并随着时间推移，吸附质浓度不断上吸附床出口端，并随着时间推移，吸附质浓度不断上升，最终达到进入吸附床的吸附质浓度升，最终达到进入吸附床的吸附质浓度C0。测定吸附测定吸附床出口处吸附质浓度随时间的饱和，便可绘出床出口处吸附质浓度随时间的饱和，便可绘出流出曲流出曲线线。l当传质区达到吸附床出口端时，流出气体中的吸附质当传质区达到吸附床出口端时，流出气体中的吸附质浓度开始突然上升的位置，就是所谓的浓度开始突然上升的位置，就是所谓的穿透点穿透点(图中图中2点点)，与其相对应的吸附质浓度和吸附时间分别称为，与其

19、相对应的吸附质浓度和吸附时间分别称为穿穿透浓度透浓度和和穿透时间穿透时间。氢气氢气H2富集区N2富集区CO富集区CH4富集区CO2富集区C2富集区原料气吸附床吸附床 吸附剂被吸附质吸附饱和后必须进行再生才能进行再吸附剂被吸附质吸附饱和后必须进行再生才能进行再一次的吸附，常用的再生方法有以下几种，其目的都一次的吸附，常用的再生方法有以下几种，其目的都是为了降低吸附剂上被吸附组份的分压。是为了降低吸附剂上被吸附组份的分压。l降压降压：吸附床在较高压力下吸附，然后降到较低压力，：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，这时一部分被吸附组份解吸出来。通常接近大气压，这时一部分被吸附组

20、份解吸出来。 特点特点：该方法操作简单，但吸附组份的解吸不充分，：该方法操作简单，但吸附组份的解吸不充分，吸附剂再生程度不高。吸附剂再生程度不高。l抽真空抽真空：吸附床在降到大气压后，为了进一步减小吸：吸附床在降到大气压后，为了进一步减小吸附组份的分压，可用抽空的方法来降低吸附床压力，附组份的分压，可用抽空的方法来降低吸附床压力，以得到更好的再生效果。以得到更好的再生效果。特点特点：该方法再生效率高，所得产品回收率高，但要增：该方法再生效率高，所得产品回收率高，但要增加动力消耗和真空泵的投资。加动力消耗和真空泵的投资。l冲洗：利用纯产品气或者其它适当的气体通过需再生冲洗：利用纯产品气或者其它适

21、当的气体通过需再生的吸附床，被吸附组份的分压随冲洗气通过而下降，的吸附床，被吸附组份的分压随冲洗气通过而下降，从而达到吸附剂再生的目的。从而达到吸附剂再生的目的。特点特点：该方法的再生程度取决于冲洗气的用量和纯度，：该方法的再生程度取决于冲洗气的用量和纯度，由于通常采用产品气冲洗，因此产品收率较低。由于通常采用产品气冲洗，因此产品收率较低。l置换置换：用一种吸附能力较强的气体把原先被吸附的组：用一种吸附能力较强的气体把原先被吸附的组份从吸附剂上置换出来。这种方法常用于产品组份吸份从吸附剂上置换出来。这种方法常用于产品组份吸附能力强而杂质组份吸附能力弱即从吸附相获得产品附能力强而杂质组份吸附能力

22、弱即从吸附相获得产品的场合，如的场合，如PSA-CO，PSA-CO2装置。装置。特点特点：该方法能较大幅度提高吸附能力强的产品组份的：该方法能较大幅度提高吸附能力强的产品组份的浓度，但必须与抽空再生方法配合使用。浓度，但必须与抽空再生方法配合使用。 通常在变压吸附过程中是根据被分离的气体混合物各通常在变压吸附过程中是根据被分离的气体混合物各组份性质、产品要求、吸附剂的特性以及操作条件来组份性质、产品要求、吸附剂的特性以及操作条件来选择几种上述的再生方法配合实施的。选择几种上述的再生方法配合实施的。 单一的固定吸附床操作，无论是变温吸附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

23、需要再生，吸还是变压吸附，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或更多的吸附床，使吸附床的吸附和再生交替交替(或依次循环或依次循环)进行，保证整个吸附过进行，保证整个吸附过程的连续。对于变压吸附循环过程，最常程的连续。对于变压吸附循环过程，最常采用的为采用的为常压解吸常压解吸和和抽空解吸抽空解吸两种。下图两种。下图为这两种循环过程的基本过程示意图。为这两种循环过程的基本过程示意图。常压解吸真空解吸l 升压过程升压过程(AB)l 吸附过程吸附过程(BC)l 顺向降压过程顺向降压过程(CD)l 逆向放压过程

24、逆向放压过程(DE)l 冲洗过程冲洗过程(EA)l 升压过程升压过程(AB)l 吸附过程吸附过程(BC)l 顺向降压过程顺向降压过程(CD)l 逆向放压过程逆向放压过程(DE)l 抽空过程抽空过程(EA)第第五五部分部分吸附剂介绍吸附剂介绍l有比较大的吸附容量，要求有很大的比表有比较大的吸附容量，要求有很大的比表面积、大的孔容，并且微孔要多。面积、大的孔容，并且微孔要多。l吸附剂的选择性要好，即组份间的分离系吸附剂的选择性要好，即组份间的分离系数要大。数要大。l要求有较高的机械强度，以免在高强气流要求有较高的机械强度，以免在高强气流冲刷下粉碎。冲刷下粉碎。 xAg/xBg分离系数分离系数 xA

25、a/xBa xAg A组份在气相中的浓度组份在气相中的浓度 xBg B组份在气相中的浓度组份在气相中的浓度 xAa A组份在吸附相中的浓度组份在吸附相中的浓度 xBa B组份在吸附相中的浓度组份在吸附相中的浓度l硅胶硅胶：简写为：简写为SG，是坚硬的多孔结构的玻是坚硬的多孔结构的玻璃状颗粒。主要用于提纯璃状颗粒。主要用于提纯CO2、脱碳、干脱碳、干燥和烃类分离等。燥和烃类分离等。l活性氧化铝活性氧化铝：简写为：简写为Al2O3，是无定形凝胶是无定形凝胶和氢氧化物晶体构成的白色颗粒，对水有和氢氧化物晶体构成的白色颗粒，对水有较强的聚合力。主要用于各种类型装置中较强的聚合力。主要用于各种类型装置中脱水。脱水。l活性炭活性炭：简写为：简写为Ac，是木炭、果壳、煤等是木炭、果壳、煤等含炭原料经炭化、活化后制成。含炭原料经炭化、活化后制成。PSA工业工业中主要用于各种类型装置中中主要用于各种类型装置中CO2的脱除、的脱除、硫化