吸附过程及应用

任课教师：崔群吸附过程吸附装置主要内容第三章吸附过程及应用

工业上用吸附法进行分离与净化，一般需要满足如下几个方面的要求：产品的纯度；有效组分的回收率；控制能量的消耗；装置简单、且操作可靠。

为满足上述要求，必须选择优良的吸附剂和适宜的工艺过程。3.1吸附工艺过程

由于吸附过程是吸附与再生循环使用的，则在工业上常用的吸附工艺过程有如下几种：变温吸附（ThermalSwingAdsorption）：常温吸附，高温再生；变压吸附（PressureSwingAdsorption）：高压吸附，常压再生；或常压吸附，真空再生；模拟移动床吸附；移动床吸附。使用最多的是前两种，即TSA，PSA。3.1吸附工艺过程

变温吸附是根据温度升高，吸附率降低的原理进行的，此法适用于少量组分的净化。（1）装置

吸附通常是在常温下进行的，而在较高的温度下进行脱附再生，变温吸附装置一般用如图所示的双塔流程。其中，一个塔进行吸附操作，另一塔处于再生，轮换使用。被吸附分离（净化）的原料流经此塔即达到分离（净化）的目的。也有设置三塔流程的变温吸附装置。3.1.1变温吸附3.1吸附工艺过程再生加热的方式基本有两种：用不含吸附质的吹洗气经加热后通入吸附剂床层直接加热；在吸附剂床层内设置加热器，进行间接加热，同时通入少量吹洗气，以将脱附出来的吸附质带出床层。(1)加热方式7.1.1变温吸附

另一个处于脱附再生阶段，即被吸附饱和的吸附塔进行加热，使吸附质脱附，称为再生。7.1吸附工艺过程床层加热再生后需进行冷却，前者是通入冷的吹洗气，后者是向加热器中通入冷却水。

直接加热时吸附器设备简单，所用吹洗气量多；间接加热时吸附器设备结构复杂，所用吹洗气量少，约为直接加热时所耗吹洗气的10~20%。（2）加热方式工业上多采用直接加热再生的方式7.1.1变温吸附7.1吸附工艺过程逆向加热和逆向冷却即加热与冷却时吹洗气的方向均与吸附相反，这可使床层吸附出口的一端能保证为最低的残余负荷，但冷却时吹洗气中应不含吸附质组分。这种流动方向可以保证未用的床层部分不重新吸附与解吸，以保吸附剂床层出口（吸附柱）处不被污染。对于深度净化的过程均用逆向加热与冷却。(3)再生流动方式直接加热再生的方法多为向床层通入高温气体（150~300℃）进行直接加热再生，然后吹冷。吹洗气流动方向有下面四种（与吸附时流动方向比较）：3.1吸附工艺过程3.1.1变温吸附顺向加热与顺向冷却

此方式在出口（吸附柱）残余负荷高，一般不常采用。逆向加热与顺向冷却

此方式是在冷却吹洗气中含有吸附质时采用顺向加热与逆向冷却

热较少采用。（3）再生流动方式3.1吸附工艺过程3.1.1变温吸附选择吹洗气方向的目的是保证下一次吸附时有较高的净化度。(4)再生温度再生温度高，脱附快而且残余吸附量少，但这会使能量消耗增加，因为部分热量要用于加热吸附剂和设备，过高的温度还会使吸附剂劣化，缩短吸附剂使用寿命。具体的选择再生温度视吸附剂品种和被吸附的物质而定，如，分子筛脱水再生温度>200℃，硅胶脱水再生温度为130~150℃。3.1.1变温吸附3.1吸附工艺过程由于再生能耗约为吸附质蒸发热的3~4倍，故仅适用于少量组分的吸附净化（一般<1%）。变温吸附的循环周期（一个吸附器一次使用的时间）一般最少为8小时，也有更长的周期。变温吸附再生加热与冷却均需较长时间，由于吸附剂一般是低导热物质，传热较慢，吸附循环周期长，装置大即投资大，但操作方便。对于微量组分的净化，为保证停留时间，其吸附循环时间要长些。（5）循环周期变温吸附的循环气可循环使用，既减少气体消耗，又减少污染。3.1吸附工艺过程3.1.1变温吸附3.1吸附工艺过程3.1.1变温吸附例—溶剂回收吸附装置的工艺流程吸附与脱附都在常温下操作；循环周期短，一般为2~20min；自动操作。

变压吸附是根据吸附率随吸附压力的不同而进行吸附分离的。这是无外供热的吸附过程，在压力下吸附，在低压或真空下解吸（再生）。变压吸附的主要特点是：变压吸附可用于微量组分的净化，更多用于大量组分的分离。3.1吸附工艺过程3.1.2变压吸附双塔变压吸附原理3.1.2变压吸附3.1吸附工艺过程现以双塔变压吸附进行空气分离制氧为例说明其原理。每个塔均装5A吸附剂，此吸附剂对N2的吸附速度快（而平衡吸附量差别较小）。3.1.2变压吸附3.1吸附工艺过程每个塔的吸附时间为61s，吸附压力为1.8MPa，解吸压力为500mmHg。对于吸附塔A，原料空气进入吸附N2后的O2送入缓冲罐。对于再生塔B，分三个阶段：逆向放压（常压）逆向抽空（500mmHg）逆向充压（用产品气）如果使用缓冲罐，可以在放压前先顺向降到一定的压力,使气体进入缓冲罐，用这部分气体作另一吸附器部分充压使用。3.1吸附工艺过程3.1.2变压吸附四塔变压吸附流程

这是最常用的变压吸附流程，增多塔数的目的是提高产品的回收率。因为床层（和管道中）死空间（空隙）气体中有大量产品组分，为避免在降压时全部被放掉，故增加塔数作为均压气和冲洗气使用，也就是使这部分气体多次利用。但是塔数过多，虽然可以多回收些产品，但使装置复杂，成本成倍增加，也是不利的。3.1吸附工艺过程3.1.2变压吸附四塔变压吸附流程典型的四塔精制氢气的PSA流程为美国UCC公司开发。精制后氢纯度可达99.999%以上，其它杂质总量在10ppm以下。3.1.2变压吸附3.1吸附工艺过程四塔吸附流程是一个塔处于吸附阶段，另三个分别处于降压、冲洗和升压阶段。吸附——得到产品（A塔）均压——A塔顺向放到B塔此时，B塔已再生完毕，处于低压或常压；A塔吸附前沿向前推进，但仍未达到穿透点。均压的目的是减少产品损失，增加回收率。3.1.2变压吸附3.1吸附工艺过程四塔变压吸附流程(六个阶段A塔)③

顺向放压——A塔内的气体顺向放到C塔此时，C塔已经逆向放到最低压力；A塔顺向放压控制到其吸附前沿刚到达出口而尚未穿透为止。顺向放压目的是用这部分纯气体冲洗C塔；逆向放压——使气体降至最低压力（常压），以使被吸附物质解吸排出一部分。冲洗——利用D塔顺向放压的纯气体逆向冲洗A塔，以达到最终的再生。3.1吸附工艺过程3.1.2变压吸附四塔变压吸附流程(六个阶段A塔)⑥充压——分两次，一次充压：利用B塔的均压气体使A塔充到一定压力（约一半）；二次充压：利用C塔（正处于吸附）产品气使A塔充到吸附压力。由以上看出，设均压阶段是为了减少排放原料，提高回收率，若均压至吸附压力的一半，则死空间的气体就减了一半的损失。实际排放的气体为顺向和逆向放压两阶段的气体，但设了顺向放压阶段，因这部分是纯气体，故又减少了用产品气体冲洗，从而提高了产品回收率。3.1.2变压吸附3.1吸附工艺过程吸附方式变温吸附变压吸附变温—变压吸附设备大小中等再生耗能耗热耗动力（降压排气）中等再生气耗用量小（0~8%）大（15~20%）中等（4~8%）表7.1三种吸附流程的主要特点此流程是既利用变温的特点又利用变压的特点，但基本性质属于变温。主要不同之处如下表：3.1.3变温—变压吸附流程3.1吸附工艺过程3.1.4移动床装置3.1吸附工艺过程稳态逆流循环移动床吸附分离(又称超吸附)的机理是顶替色谱分离。根据进料混合气体中各组分对吸附剂的吸附能力强弱不同，床层内不断吸附和置换解吸，使各组分的浓度谱带沿床层高度逐渐展开，最终得以分离提纯。逆流操作提供了最大的传质推动力，原则上比间歇系统能更有效地利用吸附剂的吸附能力。而逆流接触或是需要吸附剂循环，或是需要仔细设计流动系统模拟吸附剂的循环。移动床过程，1922年Soddy最早获得该工艺过程的专利权权。40年代末期，Forster和Wheeler公司合作建立了6套装置。液体中—B组分被吸附，吸附剂内—D被部分置换出来，B+D图7-27固液相移动床吸附塔的工作原理设进料液里只含A、B两个组分用固体吸附剂和液体解吸剂D分离A、B,混合物吸附力大小顺序A>B>D液体解吸剂DA吸附区B解吸区——A精制或第一精馏段A解吸区D部分解吸区——第二精馏段液体中—A被吸附，吸附剂内—D被A置换出来。吸附剂内—A+B+D液体中—A+D吸附剂内—A+D吸附剂内—A全部被冲洗解吸出来。吸附剂内—D液体中—D液体中—A+D液体中—B+D吸附剂内—B被A置换出来（因A比B有更强的吸附力）。液体中—A被吸附移动床吸附原理：3.1.4移动床装置3.1吸附工艺过程3.1.4移动床装置3.1吸附工艺过程移动床具体应用实例是从含氢／甲烷的裂解气中回收乙烯，吸附剂为活性炭。移动床过程，1922年Soddy最早获得该工艺过程的专利权权。40年代末期，Forster和Wheeler公司合作建立了6套装置。气体由下向上流动，活性炭由上向下流动。吸附剂两端有换热器，塔顶为冷却器，用来冷却再生好的吸附剂。在冷却器与汽提器之间有4个塔盘，把吸附器分成三段，吸附气回收成两股物流，一股为中间乙烯产品、一股为强吸附质丙烯、载气、水蒸汽。再生好的吸附剂用提升风机通过提升管道反复由塔底循环到塔顶。为了解决吸附剂颗粒在移动中造成床层装填性能的劣化，以及吸附剂颗拉的磨损问题，同时兼顾装填良好的固定床和移动床连续操作的优点，并保持吸附塔在等温下操作，一般采用程序控制的方法。定期启闭切换吸附塔各塔节的进出液料和解吸剂的阀门，从而使各液流进入口的位置不断变化(图7—28)，相当于吸附剂在全塔内连续地“移动”。3.1吸附工艺过程3.1.5模拟移动床装置在阀门未切换前，对每个塔节而言是固定床间歇操作，当塔节较多和各阀门不断地切换，或采用多通道(如24通道)的旋转阀代替众多的单通道阀并不停地转动时，吸附塔是“连续操作的移动床”。

当固体吸附剂在床层内固定不动，而通过旋转阀的控制将各段相应的溶液进出口连续地向上移动(图7—28)。这和进出口位置不动，保持固体吸附剂自上而下地移动的结果是一样的。这就是多段串联模拟移动床。3.1吸附工艺过程3.1.5模拟移动床装置旋转阀是一种多通道的阀，又称24通阀。是由一接通各塔节管道的定子和分配各通道的联接和封闭的转子所组成。旋转阀的定子和转于之间的接触面要求加工精度很高，虽然在接触面敷设一层聚四氟乙烯之类塑料层。如果接触面加工精度不高仍可能有液体渗漏，特别是二甲苯、低碳烷烃等有机溶剂渗透性很强的液体更容易渗漏。如改用闸阀代替时，需用多至144个以上的闸阀.3.1吸附工艺过程3.1.5模拟移动床装置在某一时间，旋转阀接通塔节3、

6、15、23。一定时间后，旋转阀向前旋转，接通塔节2

、5、14、22。依此类推，当进出口升到l点后又转回到24，循环操作。3.1吸附工艺过程3.1.5模拟移动床装置在实际操作中，塔上一般开24个等距离的口，同接于一个24通旋转阀上。第6塔节与抽余液出口连接第15塔节与原料进出口连接第23塔节与抽出液进出口连接第3塔节与解吸剂进出口连接24通旋转阀，在同一时间内旋转阀接通四个口，其余均封闭。3.1吸附工艺过程3.1.5模拟移动床装置吸附段（7→15）共9节一精馏段（16→23）共8节解吸段（24，1→3）共4节二精馏段（4→6）共3节有一循环泵，使流体在吸附床内自下而上流动。模拟移动床除用于分离二甲苯外还用于：分离二乙基苯（得对位二乙基苯）C8~C18烷烃和烯烃混合物分离葡萄糖—果糖浆分离得高果糖浆液支链和环烷烃分离正构烷烃。3.1.5模拟移动床装置3.1吸附工艺过程3.2.1评价可行性与合理性可行性①能否达到吸附分离的效果（主要指净化度）如用分子筛吸附净化气体中的硫化物，要求达到<1ppm，若含有有机硫，特别是COS就有困难，若全部是H2S就可以达到。

②考虑不同吸附物料对吸附过程的影响如脱S时H2O的影响，即能否选择吸附。③考虑物料的物理化学性质对吸附过程的影响（如粘度、酸碱性、催化作用等）。3.2吸附装置应用合理性——在技术经济上是合理的。吸附法与其他分离方法（精馏、萃取、吸收、冷冻等）比较。其中主要有：操作可靠性和操作方便，吸附法有变温和变压，变温属间歇，变压阀门可靠性；能量消耗和操作费用；再生吹洗气来源和再生气排放是否有三废；物料的处理量即装置大小。3.2吸附装置应用例1:吸附法干燥与冷冻干燥比较。25℃T（露点）HT0冷冻吸附合理性①能耗：常温→T0（约-20℃），冷冻能耗低；常温→低于T0（露点），吸附能耗低。②操作：吸附无动设备，操作管理方便；③投资吸附法可用普通钢材，投资低。

3.2吸附装置应用能耗：吸附法（变压）高；操作：吸附法方便；规模：吸附法只能小型（切换阀门多）；投资：吸附法低。含氯化物的气体或有机物（<100ppm），且要求净化度高，需用吸附法；含量大者不宜用吸附法，操作费用高。

例2:空分（吸附法与深冷法比较）合理性例3:氯化物的吸附净化3.2吸附装置应用原则上，变温与变压都可进行吸附分离，但从上述合理性方面来考虑，拟下列条件选择：含强极性物质，且含量<1%时—TSA；液体和常（低）压气体净化—TSA；原料不能排放（造成损失），且脱附出的杂质不易用其它方法除去—TSA；两组分吸附速度差别大，而平衡吸附量差别小—PSA；大量组分分离—PSA；加压操作，且脱附出的组分可返回到前工序或能回收的气体吸附—PSA。塔数：变温—2~3塔，变压—3~10塔。

3.2.2吸附法选择（变温与变压）3.2吸附装置应用例如，脱水①分子筛：动态吸附量~15%

净化度<10ppm

寿命>1000次（一般为三年）再生温度~280℃

②

氧化铝：动态吸附量~15%

净化度<30ppm

寿命>1000次再生温度~200℃净化度要求不太高时宜用Al2O3，能耗低些。3.2.3吸附剂选择吸附剂要求：吸附容量大、净化度高、选择性好、强度高、寿命长、再生方便、能耗低。3.2吸附装置应用气源产品气—可保证产品纯度，