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   变压吸附技术基本原理和简介
   发布日期:2010.06.22   点击次数:5060
  

一、变压吸附分离技术的基本原理 

        吸附现象早已被人类所知,但是吸附作为一种分离技术,在工业上被大规模采用,还是近几十年的事情。   

         吸附分离技术作为化工单元过程,正在迅速 发展成为一门独立的学科,在石油化工、化学工业、冶金工业、电子、国

防、医药、轻工、农业以及环境保护等行业,得到了越来越广泛的应用。变压吸附技术已成为气体化合物分离和提纯的重要

手段。

        研究发现,一些具有发达微孔结构的固体材料对流体分子具有吸附作用,这类吸附材料被称为吸附剂。当流体分子与固

体吸附剂接触后,吸附作用随即会发生。吸附的结果导致被吸附的分子在流体中和在吸附剂表面呈现不同的浓度分布,被吸

附的分子在吸附剂表面得到富集。不同的分子在吸附剂上呈现不同的吸附特性。外界条件如流体温度、流体浓度(压力)会直

接影响分子的吸附特性。利用不同分子在吸附剂上吸附特性的差异,通过改变温度或压力的方式可以实现混合物的分离和提

纯。

        变压吸附过程在一定压力下进行吸附,在低压下进行解吸。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,吸附过程可近似看做等温过程。

     解吸:     

       1) 放压:

       吸附床在一定压力下完成吸附过程后,通过放压方式(通常降至接近大气压),使被吸附组份解吸出来。采用自然放压方

式,放压程度有限,被吸附 组份不能充分解吸,吸附剂再生不完全。

       2) 抽真空:

        吸附床降到大气压后,为了进一步减小被吸附组份的分压,可用抽空的方法来进一步降低吸附床压力至真空状态,使被

吸附组份充分解吸。

       3) 冲洗:

        利用纯净的产品气或者其它适当的气体冲洗吸附床,以减小被吸附组份的分压而使之充分解吸,从而达到吸附剂再生的

目的。

       4) 加温:

        对于一些吸附性很强的组份,在低分压下仍然具有强烈的吸附作用,通过降低分压难以解吸,这时需要采用加热方式进

行解吸,这就是所谓变温吸附分离过程。

       通常在变压吸附过程中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选择几

种上述的再生方法配合实施的。

 

                        

                                 

                       

          如图所示,气体混合物的吸附分离是在固定吸附床中实现的。把一种或多种吸附剂充填在吸附床中,当混合气体在一

定压力下进入吸附床后,由于气体组份存在吸附特性差异,不同的组份在吸附床的不同位置形成吸附富集区,最强吸附组份

(CO2、COS、H2S)富集于吸附床的人口端,最弱吸附组份(H2、Ar、O2)富集于吸附床出口端,其余组份的富集区以吸

附性强弱差异分布于吸附床中部。

       随着混合气体不断进入吸附床,各组份的富集区不断发生变化,强吸附组份的富集区逐渐扩大,同时发生“顶替效

应”,弱吸附组份的富集区被强吸附组份占据而逐渐缩小。

        H2的吸附性最弱,在吸附床的出口端首先流出。其余组份由弱到强依次流出,我们可以控制流出时间得到不同浓度的流

出物。在O2、N2流出之前得到的流出物是纯度较高的H2,这样便可以实现H2的分离提纯。

        CO2吸附性最强,最后流出。CO2流出后,CO2的富集区几乎充满整个吸附床,通过放压和抽真空的方式,使吸附床中

富集的CO2解吸并回收,便可以实现CO2与其它气体组份的分离。

        吸附性最弱和最强的组份较容易分离,可以一步完成。 因此,变压吸附制氢和变压吸附脱碳在工业装置中运用最广

泛。

        要分离不同的气体混合物,提纯不同的气体组份,需要根据混合物的组成,选择不同的吸附剂。

        为了有效地实现气体吸附分离净化,除了吸附剂要有良好的吸附性能外,吸附剂的再生过程非常重要。吸附剂对气体组

份的吸附量是有限的,当吸附达到饱和后,其吸附性能将下降甚至失去,所谓吸附剂的再生,是使吸附剂重新恢复吸附性能

的过程。吸附剂的再生程度影响产品的纯度,也影响吸附剂的吸附能力。因此选择合适的再生方法,对吸附分离技术的工业

化起着重要的作用。

        吸附剂的再生通常采用降压、冲洗、抽真空方式,有时需要几种方式配合使用,以达到良好的再生效果。

 

 二、变压吸附关键设备简介

1、专用吸附剂

      工业上常用的吸附材料有: 硅胶类、氧化铝类、活性炭类、分子筛类等吸附剂;另外还有针对某种组分选择性吸附而研制

的特殊吸附材料。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穿透曲线来评价的。吸附

剂的良好吸附和解吸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。一方面吸附剂对杂质应有较大的吸附量,同时被

吸附的杂质应易于解吸。选择吸附剂的另一要点是组分间的分离系数尽可能大。气体组份的分离系数越大,分离越容易,得

到的产品纯度越高。

        在吸附过程中由于床内压力呈周期性变化,气体在短时间内进入或排出吸附床层,吸附剂要经受气流频繁的冲刷,要求

所选用的吸附剂应有足够的强度,以减少破碎和磨损。

        对于分离组成复杂、类别较多的气体混合物,常需要选用几种吸附剂,使吸附床成为复合床,这些吸附剂可按吸附分离

性能依次分层装填在同一吸附床内,有的情况也可分别装填在几个吸附床内。

        正是由于以上几种原因,变压吸附工艺对吸附剂具有特殊的要求,因此,我们将用变压吸附工艺的吸附剂称之为专用吸

附剂。

        在变压吸附气体分离装置常用的几种吸附剂:

        1)活性氧化铝:

        类属于对水有强亲和力的固体,一般采用三水合铝或三水铝矿的热脱水或热活化法制备,主要用于气体的干燥。

        2)硅胶:

        属于一种合成的无定形二氧化硅,它是胶态二氧化硅球形粒子的刚性连续网络,一般是由硅酸钠溶液和无机酸混合制备

的,硅胶不仅对水有极强的亲和力,而且对烃类和CO2也有较强的吸附能力。

        3 )活性炭

         活性炭类吸附剂的特点是:其表面所具有的氧化物基团和无机物杂质使表面性质表现为弱极性或无极性,加上活性炭

所具有的特别大的内表面积,使得活性炭成为一种能大量吸附多种弱极性和非极性有机分子的广谱耐水型吸附剂。

       4)沸石分子筛

       沸石分子筛类吸附剂是一种含碱土元素的结晶态偏硅铝酸盐,属于强极性吸附剂,有着非常一致的孔径结构和极强的吸

附选择性,对CO、CH4、N2、Ar、O2等均具有较高的吸附能力。

     2、自动控制系统及仪器仪表

     1)自动控制系统的主要功能

       由于变压吸附装置程序控制阀门多,程控阀门切换时间短,动作频繁,人工无法操作,以及装置本身工艺的特殊性,即

吸附过程连续、降压解吸再生过程压力有较大幅度扰动和装置防爆要求等,故工艺对自动化程度要求较高。

        控制系统在变压吸附装置中, 起着至关重要的作用, 并有其特殊性, 因此,需要不断进行控制系统的选型、开发和设计优化

工作, 为便于操作工人实际操作,并将二次开发的软件全部配以汉字文字说明。根据变压吸附工艺的特点,应用微机自控专家

诊断多塔自动任意切换系统和自适应专家优化控制系统,效果良好。

       2) 微机自控专家诊断多塔自动任意切换系统

        是指当装置的任意1个或多个吸附塔出现故障时,微机自控专家诊断系统在保证装置平稳运行,保证产品要求的前提

下,将余下的吸附塔重新组合,连续不间断地向后续工段送出合格的产品气。在装置自动任意切换的过程中,全部由计算机

按照内部计算和数据库查询来完成整个操作,无需操作人员干预,同时计算机会报警,提醒操作员处理故障。当故障处理完

毕后,计算机会自动恢复主流程运行。在国内外的多套大型变压吸附装置上,为了避免全套装置出现无计划停车,已经成为一

套必须的自动控制系统来提供这种保证。

      3)自适应模糊优化控制系统

        是指当装置的原料气流量、组份发生变化时,微机根据这种变化进行程序优化控制和参数自整定,使装置长周期处于最

佳运行状态。在本装置原料气变化较大,装置运行方式也很多的情况下,自适应优化控制系统的作用则尤为重要。

      4) 控制水平及控制范围

        结合变压吸附装置的工艺特点,微机自控专家诊断系统对自动化的要求,以及与厂方整个装置的自动化水平相适应,将

上位监控机、控制系统安装在中央控制室,对变压吸附装置的监控全部通过CRT来实现。装置的压力、温度、流量、分析、

调节、多塔自动任意切换等全部在上位监控机上来显示和操作。对重要参数和事件都有历史和实时趋势记录、报警,自动打

印报表、故障、报警记录。

        整套控制系统可与厂方的工厂管控网通讯,进入全厂管控一体化。

     3、专用程序控制阀门

        程控阀是变压吸附装置完成工艺过程的重要部件,亦是装置实现正常运转,可靠工作的关键设备。由于变压吸附装置工

艺的特殊性,需要大量的程控阀频繁动作,因此,程控阀的操作指标和要求均较一般阀门高,除了应具有良好的密闭性能、

快速的启闭速度和调节能力外,还必须能在频繁动作下,长期可靠运行,主要特点归纳如下:

      1)、密封寿命长,需保证100万次无泄漏。

      2)、启闭速度快,随阀门通径不同,其启闭时间应小于2秒。

      3)、阀门要求有双向流通特性。

     4)、部份阀门除具有上述启闭特性外,还需要具有调节功能。

     5)、阀门内、外密封要求满足ANSIB16.104密封要求。

     6)、具有阀位状态现场指示和远程传送信号,其动作寿命与程控阀相当,并满足II区防爆要求。

     7)、有调节功能的程控阀配备的电-气阀门定位器,寿命与程控同步,同时满足II区防爆要求。

    本公司生产的专用程控平板阀,具有以下特点:

    ●在阀芯结构上采用特殊防冲刷设计,有效提高了阀门使用寿命;

    ●采用软质特殊材料密封,具有高可靠的内密封特性;

    ●填料函采用了具有径轴向自补偿自紧式密封结构,阀杆采用电镀镍铬合金工艺,尽量降低摩擦系数,保证了高可靠的外

密封性能;