變壓吸附10-2-4

1、變壓吸附學(xué)習(xí)變壓吸附學(xué)習(xí)PSAPSA1 概況概況：變壓吸附（Pressure Swing Adsorption.簡稱PSA）是一種新型氣體吸附分離技術(shù)，它有如下優(yōu)點： 產(chǎn)品純度高。一般可在室溫和不高的壓力下工作，床層再生時不用加熱，節(jié)能經(jīng)濟。設(shè)備簡單，操作、維護簡便。連續(xù)循環(huán)操作，可完全達到自動化。 正是因為這樣的優(yōu)點，PSA技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，技術(shù)發(fā)展迅速并相當(dāng)成熟。 變壓吸附發(fā)展史變壓吸附發(fā)展史變壓吸附空分制氧始創(chuàng)于20世紀60年代初，并于70年代實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。在此之前,傳統(tǒng)的工業(yè)空分裝置大部分采用深冷精餾法(簡稱深冷法) 。80年代以來至今高吸附分離性能的沸石分子篩的相繼開發(fā)利用和工藝流程

2、的改進，使得變壓吸附空分技術(shù)得到迅速地發(fā)展，與深冷空分裝置相比，PSA過程具有啟動時間短和開停車方便、能耗較小和運行成本低、自動化程度高和維護簡單、占地面積小和土建費用低等特點。在不需要高純氧的中小規(guī)模(小于100噸/天，相當(dāng)于3000Nm3/h )氧氣生產(chǎn)中比深冷法更具有競爭力。廣泛的應(yīng)用于電爐煉鋼、有色金屬冶煉、玻璃加工、甲醇生產(chǎn)、碳黑生產(chǎn)、化肥造氣、化學(xué)氧化過程、紙漿漂白、污水處理、生物發(fā)酵、水產(chǎn)養(yǎng)殖、醫(yī)療和軍事等諸多領(lǐng)域 四十多年來變壓吸附空分制氧技術(shù)的研究進展主要表現(xiàn)在兩個方面:一是空分制氧吸附劑和其吸附理論的研究方面，二是空分制氧工藝循環(huán)過程的研究方面。國內(nèi)對這項技術(shù)的研究盡管起步

3、較早，然而在較長的一段時間內(nèi)發(fā)展相對較緩。但是近幾年各種流程的設(shè)備相繼投產(chǎn)為各行各業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟效益。 2 原理 2.1先看吸附，當(dāng)兩種相態(tài)不同的物質(zhì)接觸時，其中密度較低物質(zhì)的分子在密度較高的物質(zhì)表面被富集的現(xiàn)象和過程。 具有吸附作用的物質(zhì)（一般為密度相對較大的多孔固體）被稱為吸附劑，被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)。 吸附按其性質(zhì)的不同可分為四大類，即：化學(xué)吸附、活性吸附、毛細管凝縮、物理吸附。本次學(xué)習(xí)的變壓吸附主要就是物理吸附。 氣 相固固 相相 物理吸附是指依靠吸附劑與吸附質(zhì)分子間的分子力（即范德華力）進行的吸附。其特點是：吸附過程中沒有化學(xué)反應(yīng)，吸附過程進行的極快，參與吸附的各相物質(zhì)間的平衡

4、在瞬間即可完成，并且這種吸附是完全可逆的。 2.2 吸附平衡吸附平衡 吸附平衡是指在一定的溫度和壓力下，吸附劑與吸附質(zhì)充分接觸，最后吸附質(zhì)在兩相中的分布達到平衡的過程。這個過程為動態(tài)平衡，對于相同的吸附劑和吸附質(zhì)，其平衡吸附容量是一個定值，這個量主要受壓力與溫度影響。壓力越高單位時間內(nèi)撞擊到吸附劑表面的氣體分子數(shù)越多，因而壓力越高平衡吸附容量也就越大；由于溫度越高氣體分子的動能越大，能被吸附劑表面分子引力束縛的分子就越少，因而溫度越高平衡吸附容量也就越小。 從上圖的BA和CD可以看出：在溫度一定時，隨著壓力的升高吸附容量逐漸增大；從上圖的BC和AD可以看出：在壓力一定時，隨著溫度的升高吸附容量

5、逐漸減小。一般吸附在常溫狀態(tài)下吸附，視作等溫。圖一 不同溫度下的吸附等溫線 2.3 原理 所以說變壓吸附（PSA），就是利用吸附劑對不同氣體組分隨壓力變化而變化的吸附特性，加壓吸附部分組分，降壓解吸這些組分，從而吸附劑得到再生，并使不同氣體得到分離的過程。 下面主要以PSA制氫的工藝來講解變壓吸附。3 變壓吸附的主要內(nèi)容n吸附劑n工藝流程n自控系統(tǒng)4 吸附劑 4.1 PSA吸附劑： PSA工業(yè)上常用的吸附劑有：硅膠、活性氧化鋁、活性炭、分子篩等，另外還有針對某組分選擇性吸附而研制的特殊吸附材料。吸附劑對各種氣體組分的吸附性能是通過實驗測定靜態(tài)下的等溫吸附線和動態(tài)下的穿透曲線來評價的。 吸附劑的

6、良好吸附性能是吸附劑分離過程的基本條件。選擇吸附劑時應(yīng)注意以下問題。（1）吸附劑對雜質(zhì)應(yīng)有較大吸附量，同時被吸附的雜質(zhì)易于解吸，從而在短周期內(nèi)達到吸附、解吸間的平衡，確保分離提純。（2）組分間的分離系數(shù)分離系數(shù)盡可能大。氣體組分的分離系數(shù)越大，分離越容易，得到的產(chǎn)品純度越高，同時回收率也高。（3）使用的吸附劑應(yīng)有足夠的強度，以減少破碎和磨損。（4）分離組分復(fù)雜、類別較多的氣體混合物，可選用多種吸附劑，這些吸附劑可按吸附分離性能依次分層裝填在同一吸附床內(nèi)，也可分別裝填在多個吸附床內(nèi)。 吸附劑的物理性質(zhì)常見組分對各種吸附劑的分離系數(shù)(常壓,20) n下圖為不同組分在分子篩上的吸附強弱大致順序n 組

7、分 吸附能力 n 氦氣 弱弱n 氫氣 n 氧氣 n 氬氣 n 氮氣 n 一氧化碳 n 甲烷 n 二氧化碳 n 乙烷 n 乙烯 n 丙烷 n 異丁烷 n 丙烯 n 戊烷 n 丁烯 n 硫化氫 n 硫醇 n 戊烯 n 苯 n 甲苯 n 乙基苯 n 苯乙烯 n 水 強強 不同的氣體，要選擇合適的吸附劑。5 工藝流程(以PSA-H2流程做介紹） 5.1 變壓吸附（變壓吸附（PSA）大致過程）大致過程 根據(jù)變壓吸附的原理，在工業(yè)變壓吸附(PSA)工藝中，吸附劑通常都是在常溫和較高壓力下，將混合氣體中的易吸附組分吸附，不易吸附的組分從床層的一端流出， 然后降低吸附劑床層的壓力， 使被吸附的組分脫附出來，從

8、 床層的另一端排出，從而實現(xiàn) 了氣體的分離與凈化，同時也 使吸附劑得到了再生。吸附床層 吸附床層怎樣實現(xiàn)吸附分離的呢？“頂出去”理論，容易被吸附的“頂”出 不容易被吸附的。 吸附曲線 穿透曲線 為了使吸附劑再生比較徹底，選擇沖洗與抽空為了使吸附劑再生比較徹底，選擇沖洗與抽空 在變壓吸附(PSA)工藝中，吸附床層壓力即使降至常壓，被吸附的雜質(zhì)也不能完全解吸，這時可采用兩種方法使吸附劑完全再生：一種是用產(chǎn)品氣對床層進行“沖洗”，將較難解吸的雜質(zhì)沖洗下來，其優(yōu)點是常壓下即可完成，但缺點是會多損失部分產(chǎn)品氣；另一種是利用抽真空的辦法進行再生，使較難解吸的雜質(zhì)在負壓下強行解吸下來，這就是通常所說的真空變

9、壓吸附(VPSA)。VPSA工藝的優(yōu)點是再生效果好，產(chǎn)品收率高，但缺點是需要增加真空泵。在實際應(yīng)用過程中，究竟采用以上何種工藝，主要視原料氣的組成條件、流量、產(chǎn)品要求以及工廠的資金和場地等情況而決定。5.2 吸附分離流程的主要工序吸附分離流程的主要工序n吸附工序-在常溫、吸附壓力下吸附雜質(zhì)，出產(chǎn)品。n減壓工序-通過一次或多次的均壓降壓過程，將床層死空間氫氣回收。n順放工序-通過順向減壓過程獲得沖洗再生氣源。n逆放工序-逆著吸附方向減壓使吸附劑獲得部分再生n沖洗工序-用其它塔順放出的氫氣沖洗吸附床，降低雜質(zhì)分壓，使吸附劑完成最終的再生，沖洗時間越長越好n升壓工序-通過一次或多次的均壓升壓和產(chǎn)品氣

10、升壓過程使吸附塔壓力升至吸附壓力，為下一次吸附作好準(zhǔn)備5.3 流程簡述(以PSA-H2流程做介紹，10-2-4工序） （1） 如壓力壓力2.0MPa(吸附壓力吸附壓力)、溫度溫度60的混合氫氣（原料氣）的混合氫氣（原料氣）自界區(qū)外來，經(jīng)過冷卻器冷卻至40以下后進入原料氣分液罐分離掉夾帶的液體，接著從塔底部進入吸附塔中正處從塔底部進入吸附塔中正處于吸附工況的塔于吸附工況的塔(始終有始終有2臺臺)，在多種，在多種吸附劑組成的復(fù)合吸附床的依次選擇吸附劑組成的復(fù)合吸附床的依次選擇吸附下，一次性除去氫以外的幾乎所吸附下，一次性除去氫以外的幾乎所有雜質(zhì)，直接就可以獲得純度很高的有雜質(zhì)，直接就可以獲得純度很

11、高的（一般大于（一般大于99.9%）產(chǎn)品氫氣從塔頂）產(chǎn)品氫氣從塔頂排出，然后穩(wěn)壓送出界區(qū)。排出，然后穩(wěn)壓送出界區(qū)。 PSA單元除送出產(chǎn)品氫外，還產(chǎn)生逆放解吸氣、沖洗解吸氣和抽真空解吸氣。逆放解吸氣來自于吸附床的逆放步驟，進入逆放氣緩沖罐，沖洗解吸氣產(chǎn)生于沖洗步驟，進入解吸氣緩沖罐，抽真空的解吸氣，進入解吸氣緩沖罐。（2）吸附塔的工作過程依次如下：）吸附塔的工作過程依次如下： a 吸附過程 原料氣進入界區(qū)后經(jīng)程控閥，自塔底進入PSA吸附塔中正處于吸附狀態(tài)的兩臺吸附塔，其中除H2以外的雜質(zhì)組份被裝填的多種吸附劑依次吸附，得到純度大于99.9%的產(chǎn)品氫氣從塔頂排出，經(jīng)產(chǎn)品氣出口程控閥和吸附壓力調(diào)節(jié)閥

12、穩(wěn)壓后送出界區(qū)。 b 均壓降壓過程 在吸附過程完成后，順著吸附方向?qū)⑺?nèi)較高壓力氣體依次放入其它已完成再生的較低壓力塔的過程，這一過程不僅是降壓過程，而且也回收了吸床層死空間內(nèi)的氫氣。均壓降流程一般包括多次連續(xù)均壓降壓過程，如四次均壓的有：一均降（E1D）、二均降（E2D）、三均降（E3D）和四均降（E4D）。 c 順放過程 這是吸附塔在均壓結(jié)束后，順著吸附方向減壓，減壓出來的氫氣進入順放氣罐儲存起來。d 逆放過程 這是吸附塔在完成順放過程后，逆著吸附方向?qū)⑺?nèi)壓力降至0.03MPa的過程，此時被吸附的雜質(zhì)開始從吸附劑中解吸出來，放入緩沖罐 。e 沖洗過程 在這一過程中，逆著吸附方向用順放氣罐

13、中的氫氣沖洗床層，使吸附劑中的雜質(zhì)得以完全解吸。沖洗出的解吸氣放入緩沖罐。f 均壓升壓過程 該過程與均壓降壓過程相對應(yīng)。在這一過程中，分別利用其它吸附塔的均壓降壓氣體依次從吸附塔頂部對吸附塔進行升壓。本流程共包括四次連續(xù)均壓升壓過程，依次稱為：四均升（E4R）、三均升（E3R）、二均升（E2R）和一均升（E1R）。g 產(chǎn)品氣升壓過程 經(jīng)過四次均壓升壓過程后，吸附塔壓力已升至接近于吸附壓力。這時，用少量的產(chǎn)品氫氣自塔頂將吸附塔壓緩慢地升至吸附壓力。經(jīng)這一過程后，吸附塔便完成了整個再生過程，為下一次吸附做好了準(zhǔn)備。（3）工藝步序說明）工藝步序說明 以10-2-4工藝（處理H2量在60000Nm3/

14、h）來說明，即裝置共有10臺吸附塔組成，其中2臺始終處于吸附狀態(tài)，其余8臺處于再生的不同階段。10臺吸附塔的整個吸附與再生工藝切換過程是通過程控閥門按前面的工藝步序和順序進行開關(guān)來實現(xiàn)的。（4）具體步序描述具體步序描述步序步序1：吸附：吸附(A) 原料氣經(jīng)吸附吸附程控閥進入PSA吸附塔，其中除H2以外的雜質(zhì)組份被吸附塔中裝填的多種吸附劑依次吸附，得到純度很高的產(chǎn)品氫氣經(jīng)程控閥排出。 大部分氫氣經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓后送出界區(qū)，少部分氫氣通過相應(yīng)的程控閥后用于其它塔的產(chǎn)品氣升壓。 隨著吸附的進行，當(dāng)雜質(zhì)的前鋒(即吸附前沿)上升至接近于吸附床出口時，關(guān)閉程控閥停止吸附。這時，吸附前沿與吸附床出口間還留有

15、一段未吸附飽和的吸附劑，稱為預(yù)留段。步序步序2：一均降壓：一均降壓(E1D) 在吸附過程完成后，打開一均降程控閥，將塔內(nèi)較高壓力的氫氣放入剛完成了二均升的另一塔（如D塔），直到A、D兩塔的壓力基本相等為止。這一過程不僅是降壓過程，而且也回收了A塔床層死空間內(nèi)的氫氣。在這一過程中A塔的吸附前沿將繼續(xù)向前推移，但仍未達到出口。步序步序3：二均降壓：二均降壓(E2D) 步序步序4：三均降壓：三均降壓(E3D) 步序步序5：四均降壓：四均降壓(E4D) 步序步序6：順放：順放 (PP)吸附塔在四均降壓結(jié)束后，打開順放程控閥，順著吸附方向進行減壓，減壓出來的氫氣放入順放氣罐內(nèi)儲存起來，吸附前沿繼續(xù)向前推

16、移，并達到出口。步序步序7：逆放：逆放(D)在完成連續(xù)順放減壓過程后，A塔的吸附前沿已基本達到床層出口。這時打開逆放程控閥，逆著吸附方向?qū)塔壓力降至接近于常壓，此時被吸附的雜質(zhì)開始從吸附劑中解吸出來。逆放解吸氣放入逆放氣緩沖罐。 步序步序8：沖洗：沖洗 (P)逆放結(jié)束后，同時打開沖洗程控閥門，一般用順放氣罐中的低壓氫氣對A塔進行沖洗，這時被吸附的雜質(zhì)大量解吸出來，并逆著吸附方向流入解吸氣緩沖罐。步序步序9：抽真空（：抽真空（V）沖洗結(jié)束，打開相應(yīng)的抽空程控閥門，把A塔內(nèi)的雜質(zhì)徹底抽出，讓塔內(nèi)的吸附劑完全得到再生。T很長。步序步序10：四均升壓：四均升壓(E4R)在抽真空完成后，打開四均升程控

17、閥門，將另一塔（如E塔）內(nèi)較高壓力的氫氣放入剛完成了沖洗的A塔，直到A、E兩塔的壓力基本相等為止。這一過程不僅是升壓過程，而且也回收了E塔床層死空間內(nèi)的氫氣。步序步序11：三均升壓：三均升壓(E3R)在四均升壓過程完成后，打開三均升程控閥，將另一塔（如F塔）內(nèi)較高壓力的氫氣放入剛完成了四均升的A塔，直到A、F兩塔的壓力基本相等為止。這一過程不僅是進一步的升壓過程，而且也回收了F塔床層死空間內(nèi)的氫氣。步序步序12：二均升壓：二均升壓(E2R)在三均升過程完成后，打開二均升程控閥，將另一塔（如G塔）內(nèi)較高壓力的氫氣放入剛完成了三均升的A塔，直到A、G兩塔的壓力基本相等為止。這一過程回收了G塔床層死

18、空間內(nèi)的氫氣，并使A塔得到繼續(xù)升壓。步序步序13：一均升壓：一均升壓(E1R)在二均升過程完成后，打開一均升程控閥，將剛完成了吸附過程的另一塔（如H塔）內(nèi)較高壓力的氫氣放入剛完成了二均升的A塔，直到A、H兩塔的壓力基本相等為止。這一過程回收了H塔床層死空間內(nèi)的氫氣，并使A塔得到繼續(xù)升壓。步序步序14：產(chǎn)品氣升壓過程：產(chǎn)品氣升壓過程(終充終充FR)通過四次均壓升壓過程后，吸附塔壓力已升至接近于吸附壓力。這時打開終充程控閥，用產(chǎn)品氫氣將A塔壓力升至吸附壓力。經(jīng)這一過程后，吸附塔便完成了整個再生過程，為下一次吸附做好了準(zhǔn)備。這就完成一個塔（A塔）分周期吸附，進入下一個分周期?？纯碢SA裝置演示動畫進

19、行理解 從工藝步序可以看到： PSA氫提純部分的氫提純部分的10臺吸臺吸附塔的工藝步序是完全相同的附塔的工藝步序是完全相同的，只是在各步序的運行時間上依次為一個固定時間(與吸附時間有關(guān)），這樣就實現(xiàn)了始終有兩塔處于吸附狀態(tài)，其余八塔分別處于不同的再生狀態(tài)，保證了原料氣的連續(xù)分離與提純。 對于操作而言，要記住的是每一個程控閥門的功能，和吸附塔的工作順序，這樣就能在裝置故障時迅速判斷出故障的位置。 這就是PSA10-2-4的整個工藝流程。 這個工藝通過自控系統(tǒng)，還可以切換成如下表的其它流程，如9塔、8塔、5塔等的工藝流程，切塔后換成其他的工藝流程，氫氣回收率就會受到影響。6 裝置的運行裝置的運行 變壓吸附氫提純裝置在正常運行過程中的操作是非常少的，幾乎所有的調(diào)節(jié)均由計算機自動完成，操作人員只需注意產(chǎn)品純度是否在最佳范圍，和裝置是否有報警可。 6.1 產(chǎn)品純度的調(diào)整產(chǎn)品純度的調(diào)整 變壓吸附工藝具有產(chǎn)品純度范圍寬、且易于調(diào)整的特點。由于產(chǎn)品純度與產(chǎn)品回收率是成反向關(guān)系的，即：在原料氣條件不變和吸附、解吸壓力一定的情況下，產(chǎn)品純度越高、氫氣回收率越低；產(chǎn)品純