变压吸附分离

变压吸附分离（共9篇）

变压吸附分离 篇1

1 变压吸附分离技术简介

变压吸附 (PSA) 的原理是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差别及吸附量随压力变化而变化的特性, 通过周期性的压力变换过程实现气体的分离或提纯。该技术实现工业规模的制氢是在1962年。到了70年代以后, 该技术迅速得到了发展, 规模不断壮大, 装置数量不断增加, 工艺水平不断提升, 运用范围不断扩大, 成本不断降低, 渐渐变成了一项高效的、重要的气体分离科学技术。

2 变压吸附分离技术特点及应用

变压吸附气体分离技术相比其他的气体分离技术, 具有以下优点:投资小、操作费用低、低能耗。操作的弹性程度比较大、装置的自动化水准比较高、工艺的程序比较简易、可靠性比较高、操作便捷、调节程度比较强、维护简单、检修时间少、开工率高。产品纯度高且可灵活调节。吸附剂使用周期长。环境效益好。

由于变压吸附气体分离技术具有上述优点, 目前已经可用于多种气体的分离提纯, 包括:氢气提纯、食品级二氧化碳的提纯、一氧化碳提纯、提纯以及浓缩乙烯、瓦斯气将甲烷进行提纯、净化天然气、使用空气对制氧以及制氮进行分析等等。所以, 变压吸附气体分离这项科技在保护环境、化工、石油、电子冶金以及国防医疗等各个领域都有比较广阔的使用, 在某些领域变压吸附工艺已经从辅助工艺逐渐进入化工工艺主流程。

3 变压吸附分离技术的研究进展

3.1 基础理论研究进展

变压吸附技术基础研究的主要方向是吸附材料表面性质与多相间物质传递规律, 如材料表面化学特性以及物理构造对气体分子的选择性、容量的吸附性以及扩散的速度、两相间质量传递的影响规律以及吸附质再生等等, 理论基础探究替技术创新起到了非常关键的作用。如通过对超临界温度下气体吸附机理研究, 这大大推动了中国抽采煤层气的甲烷的浓缩技术。

3.2 工艺过程研究进展

提高吸附剂床层内死空间气体的利用率是解决变压吸附回收率低的关键内容, 主要通过优化工艺条件实现。目前已开发的几种新工艺, 能显著提高回收率。

(1) 增加均压次数。均压是指在吸附阶段, 当吸附床中气体杂质峰远未达到出口要求时即停止吸附步骤, 将该床与另外一个完成解吸等待升压的吸附床联通, 使得两床压力均衡, 这就是我们所说“均压”。这样的操作不仅获得了一定的能量, 同时, 还吸附了床内死空间当中的有效气体, 大大加大了气体的回收效率。频繁性的加大均压次数会提高气体收率, 但同时也会增加吸附塔的数量, 增加设备投资。杨皓曾经发明了某种运用空罐加大变压吸附程序中均压数量的科技, 避免了必须要增加塔数量的问题, 各个步序的时间灵活可控。这在很大程度上降低了回收的原料压力, 限制了回收产品的构成。不仅降低了能量的消耗, 同时还节约了原材料。

(2) 真空解吸工艺。真空解吸工艺是在解吸或冲洗步骤结束后, 对吸附塔抽真空, 持续减少塔当中的吸附质的分压, 让某些难以脱附的吸附质在负压的条件之下强行的进行解吸, 从而获得比较好的吸附效果, 大大节约了冲洗的步骤, 在很大程度上降低了气体的流失, 产品的回收效率大大增加, 这个工艺所运用的体系主要是那些分离系数伴随压力而发生改变的体系。

(3) 快速变压吸附。快速变压吸附可以作为辅助装置进行快速的气体净化。如将快速变压吸附装置装到循环氢压缩机吸入口中, 就能够在一定程度上摆脱循环氢当中的某些杂质, 以此来提升纯度。该工艺的关键是采用传质系数高的吸附剂, 采用专用的多通道旋转阀, 快速切换吸附床层间当中的气体, 提升吸附床层的使用效率。和比较常见的变压吸附装置相比, 该工艺规模小, 能实现集成撬装。

(4) 复合型工艺的应用。在分离任务复杂多样时, 单一的分离工艺无法达到分离要求, 往往需要整合不同的分离工艺技术, 扬长避短, 综合利用。例如, 变压吸附与膜分离、变温吸附以及深冷技术的结合。

如对目标性气体所含量比价低, 但是压力的含量比较高的气体, 能够先经过膜分离, 接着再让它进入变压吸附性的装置当中, 膜分离技术去除了很大一部分的杂志, 大大降低了变压吸附装置当中的负荷量, 使得能耗可以得到很大程度的提高。这种组合充分发挥了膜分离技艺比较简单。而且, 变压吸附技艺当中产品的纯度高以及能耗低都是复合型工艺应用当中的优点。

变压吸附在处理具有较强吸附性组分的混合性气体的时候, 吸附再生困难, 在处理受温度变化影响较大的体系时, 变温吸附能够弥补次缺陷。变温吸附能对变压吸附剂起到保护作用, 带来装置运行稳定, 吸附剂寿命长, 产品纯度高等一系列好处。

3.3 吸附材料研究进展

变压吸附气体分离技艺的基础是吸附剂, 研究者们非常注重吸附剂的研究开发, 包括对原有吸附剂的改性以及新型吸附剂的合成。吸附材料先后经历过硅胶、活性氧化铝、活性炭和分子筛等。提高吸附剂的性能, 表现主要体现在组分分离系数、吸附量、吸附剂强度的提升等, 杂质的组分吸附率比较低、再生比较方便以及吸附材料价格低等等几个方面。制备分离不同气体体系对吸附材料的性能要求有所不同, 需要根据具体的分离要求开发量体裁衣式的吸附剂。

整体上看, 变压吸附气体分离技术整体向着装置规模大型化、集成化发展, 应用范围也越来越广泛。

摘要：变压吸附分离气体近年来已经发展成一种非常重要的气体分离技术, 广泛应于个各个工业领域。本文对有关于变压吸附分离技术的使用区域以及技术的特征详细地进行了介绍。同时, 还对变压吸附的分离技术在基础理论、工艺过程、吸附材料方面的研究进展进行了综述。

关键词：变压吸附,气体分离,研究进展

参考文献

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变压吸附分离 篇2

摘要：介绍自控系统及仪表阀门在变压吸附中的应用，通过一段时间的运行，针对原有一些存在的问题提出了看法，并进行了实施，取得了一定的效果。

关键词：

变压吸附

PLC

程控阀

精馏

氯乙烯 前言

在电石法PVC的生产过程中，由于原料气不纯及部分未反应的乙炔存在，使得粗氯乙烯纯度低，为此，工业上常采用加压分馏的方式对粗乙烯进行精制，但是在精制的过程中，经常有一部分氯乙烯被夹带放出，成为分馏尾气，因此，若不加以回收，这部分尾气不仅对大气环境造成污染，而且也会造成公司的经济损失，因此采取一定的措施，实行自动控制来回收分馏尾气中的氯乙烯是很必要的。下面就自控系统在我公司变压吸附应用方面的一些心得写出来与大家共勉。

一、化工原理

变压吸附分离技术（简称PSA）是指从氯乙烯分馏尾气中分离出乙炔、氯乙烯并加以回收利用，并将净化后的气体排空。变压吸附技术是以吸附剂（多孔固体物质）内部表面对气体分子的物理吸附为基础，利用吸附剂在相同压力下易吸附高沸点组份、不易吸附低沸点组份和高压下吸附组份的吸附量增加、减压下吸附量减小的特性，将原料气在一定压力下通过吸附剂床层，原料气中的高沸点组份乙炔、氯乙烯及二氧化碳等被选择性吸附，低沸点组份氮气、氢气作为净化气由吸附塔出口排出，经尾排阀调节后排空。然后在减压下解吸被吸附的组份乙炔、氯乙烯及二氧化碳等，解吸气（逆放气、抽空气）回收利用，同时使吸附剂获得再生，以利于下一次吸附分离。

二、系统介绍

PSA（变压吸附）装置主要由4台吸附塔、37台程控阀、4台调节阀组成。4台吸附塔循环操作，达到连续处理原料气和输出净化气、回收解吸气的目的。

该装置正常运行主要是靠周期性地切换阀门来实现,为使整个工艺过程能连续稳定的运行,这就要求自动控制系统要有较高的水平。由于装置中程控阀很多，动作频繁，且装置操作对自动化水平要求较高，因此采用了西门子S7-300 PLC控制系统，用来实现PSA各步骤的自动切换。

2.1

PLC系统的硬件配置

主机系统选用SIMATIC S7-300，具体配置如下：

电源模块

PS307 ；

输入AC220V ； 输出DC24V ； 中央处理单元

CPU315-2DP ； 通讯接口模块

IM365 一对； 模入卡

SM331 ；

模出卡

SM332 ；

开入卡

SM321 ；

开出卡

SM322。

2.2

PLC系统的软件组成

操作系统WIN2000；控制组态软件选用SIMATIC S7-300；具体编程采用SCL语言； 上位机（操作站）流程图等采用WINCC6.0+SP2补丁。

三、现场仪表及阀门介绍

3.1 测温仪表： 一体化温变。主要用于尾气温度检测，保证PSA系统工作温度不低于20℃。3.2 齐纳式安全栅：用于模拟量输入、输出模块与现场的安全隔离

3.3 防爆电接点压力表：用于检测尾气进系统的压力，超压联锁PSA停车。

3.4 P+F隔离栅、供电模块：隔离栅用于系统DI模块与现场接近开关的隔离，供电模块为隔离栅供电。

3.5 粗尾气流量检测：采用孔板+差压变送器方式（布朗协议EJA）用于成本核算。

3.6 调节阀：选用百分比特性气动薄膜调节阀。采取斜率控制，用于顺放、逆放、终充等过程的控制

3.7 程控阀：选用气动程控阀。在变压吸附装置中，共有程控阀37台，是最主要的运动部件，就如同整个装置的心脏，如果泄漏，将会对产品的纯度，回收率，产量造成影响。3.8 电磁阀：用于程控阀的控制，它的正常工作与否将直接影响到系统的运行。3.9 接近开关（阀检）：主要用于指示程控阀的开关状态。、四、控制方案

由于变压吸附该置的运行方式有4-1-1/V连续抽空、4-1-1/VP分组抽空、3-1-1/VP三塔吸附三种方式，在正常情况下以4-1-1/VP分组抽空运行方式为主，即在线吸附塔为4台，同时执行吸附步骤的吸附塔为1台，均压次数为1次，吸附床再生方式有逆放、抽空、抽空冲洗。因此其控制方案采用程序控制，按照预先设定好的时间与步骤，对每个吸附塔在一次循环中分别进行吸附、压力均衡降、顺向放压、逆向放压、抽空、抽空冲洗、抽空、压力均衡升、最终升压等9个步骤。其中对重要参数在计算机屏幕上设有指示及历史趋势和实时趋势记录，可实现各种报表的打印。装置关健参数均在计算机上实现声光自动报警。

同时由于装置受前后工序的影响使原料气流量、组份、压力有一定的波动，为保证装置 2 正常、安全地运转，本装置还设置了1套压力调节系统、3套手操调节系统和1台流量计。

五、变压吸附维护心得

5.1变压吸附系统与PVC精馏的关系

变压吸附系统在我公司已经运行了一段时间，通过观察，对某些方面做了一些改进工作。具体如下: 原设计方案：为保证吸附塔工作压力的稳定，设置了终充调节回路。由于升压是用净化气，所以当任一塔处于最终升压步骤时，此时如果净化气输出量变化，就会造成处于吸附步骤那个塔的压力下降而影响吸附工况。因为吸附压力的稳定将直接影响吸附剂的使用寿命，因此，必须及时调节尾气排空阀开度，即改变净化气排空量，使处于吸附状态的吸附塔压力稳定在给定值上，以保证吸附压力的稳定。原具体流程件如下图：

针对原控制思路，认为有以下地方考虑不足： ⑴ 低沸塔系统尾气量存在不稳定因素。

⑵ 终充阀门根据PLC程序（时序控制）周期性斜率控制，不受压力控制。

⑶ 调节回路中，压力变送器（位于进变压吸附系统之前）与气动薄膜排空阀（位于变压吸附系统出口）的安装位置距离较远，造成控制滞后较大，系统不稳。

⑷ 低沸塔尾气压力的变化因排空阀门调节滞后极易形成尾冷积料。因为排空调节阀滞后，导致尾冷排空压力升高，而随着尾冷排空压力升高，低沸塔顶压力也随着升高，而且二者压差也变大。最终使整个低沸塔系统压力增大。

通过以上原因分析，我们采取了以下措施。

将原设计的控制回路取消，在精馏粗尾气出口管路上，保留压力变送器，并加装一调节阀，与该压变组成回路，以此稳定精馏系统。另外在变压吸附系统清净气排空管路上新加以压力变送器，与原气动薄膜排空阀组成单回路控制，用以控制变压吸附系统排空。经过一段时间的运行，起到了非常好的效果，避免了尾冷积料现象的发生。

5.2变压吸附中程控阀的维护注意事项

在整个变压吸附装置中，共有程控阀37台，为保证回收乙炔和氯乙烯的产量和质量，程控阀长期稳定的运行起着重要的作用。

首先该阀门自上而下主要由气缸部分、填料函、支架部分、阀体、阀芯等组成。当PLC对电磁阀输出信号，仪表空气通过电磁阀进入气缸，推动活塞上下运动、活塞带动阀杆、提动阀芯实现开启。程控阀可配置为常开式或常闭式。

对于程控阀，阀门能否正确安装和维护对阀门的使用寿命有很大影响，因此在安装和使用中应注意如下几点：

1、阀门介质流向应遵循“高进低出”的原则，或按阀体上箭头安装、如介质是双流向的，可根据现场情况进行安装。

2、管道吹处干净后才能安装，我公司在试车过程中，就曾因焊渣导致阀芯密封垫片受损产生内漏。同时，要求仪表空气压力不低于0.4mpa，否则阀芯处容易出现内漏现象。

3、程控阀只允许安装在水平管道上，既气动执行机构在阀体和管道上方。

4、在连续使用了一个大修周期后，建议更换活塞密封圈，并在气缸、填料函、平衡缸等处涂抹少量黄油。以延长V形填料圈和O形密封圈的使用寿命。我公司一个DN150阀活塞密封圈仅使用了五个月就密封不严导致外漏，造成系统停车处理。

5、程控阀最大的一个优点是可以在线维修，即阀体无需从管道上拆下，但严禁带压拆卸。

6、阀门应在允许的压差和温度内使用，温度不适会使密封元件老化或变脆。压力超差将导致阀门泄漏或动作失灵。

7、在使用过程中，要注意阀杆外露处防锈、防雨，同时要保证油雾器内始终有油，以保证气缸润滑充分，延长阀门的使用寿命。5.3变压吸附个人认为仍需改进之处

1、抽空过程加连锁

运行过程中，因一个抽空程控阀配的二位五通电磁阀故障，使阀门未能及时关闭，导致真空泵的工作性能受到严重损坏。建议根据吸附塔压力或者相关阀门状态加联锁停车程序。

2、建议将在线运行的压力变送器更换为法兰连接、HART协议，以便减少日后的维护量。

变压吸附分离 篇3

关键词：变压吸附,氮气,选型

1 概 述

氮气在自然界中分布很广,它的分子式为N2,是空气的主要成分,氮气在干燥空气中体积占空气的78.08%,气源丰富,在生产中的应用已日益广泛。目前广泛应用于安全保护气、置换气、注氮三次采油、煤矿防火灭火、氮基气氛热处理、防腐防爆、电子工业、集成电路等。

工业用氮的制取方法主要有:低温精馏法(深冷法):传统的空气分离是采用深冷法,利用空气中氧氮等的沸点不同,使空气深冷液化,进行分离提纯。虽然分离量大,纯度高,但是工艺流程复杂,设备制造、安装、调试要求高,投资大,占地面积大,低温精馏法已有一百多年的历史,工业上大规模生产氧、氮以此法最为经济,但至今已难以在空气分离领域中一统天下,不适宜应用于中小气量;变压吸附法:20世纪70年代初,我国变压吸附法制取N2的就地装置开始在市场上出现,经过不断完善和改进,促使中小型空分设备在制氮领域内采用变压吸附法已远远超过低温精馏法;薄膜渗透法;化学吸收法[1,3]。通过近30a来的摸索,变压吸附制氮技术已经相当完善。变压吸附气体分离技术(PSA)工艺过程简单,设备制造容易,占地少,启动时间短,设备维护简便,适应性强,自动化程度高,可随时开停车不需采用特别措施。因此,近年来变压吸附在中小规模装置的应用日益增加。目前国内外供氮的方式,一般有以下几种:①氮气就地装置供氮;②液氮贮槽汽化供氮;③管线供氮;④钢瓶供氮。

我国在80年代前制氮装置大多采用深冷法,深冷空分作为一种传统的制氮方法为人类服务了几十年,至今在大规模供氮时还是离不开深冷法。然而,深冷空分装置复杂,设备投资、占地面积及基建费用等都比较大,操作、管理和维修也比较麻烦,因而70年代以来,国内外积极运用变压吸附分离理论,研究开发分子筛空分的制氮技术,变压吸附制氮设备简单,装置小巧,投资省,操作、维修方便,可实现自动和远程控制,所以,它倍受青睐。

2 变压吸附分离原理及技术优势

2.1 变压吸附分离原理[1,2,4]

变压吸附制氮(简称PSA制氮)是一种先进的气体分离设备,以优质的碳分子筛(CMS)为吸附剂,采用常温下变压吸附原理(PSA)分离空气制取高纯度的氮气。氧、氮两种气体在分子筛表面上的扩散速率不同,直径较小的气体分子(O2)扩散速率较快,较多的进入碳分子筛微孔,直径较大的分子N2扩散速率较慢,进入碳分子筛微孔较少。利用碳分子筛对氮和氧的这种选择吸附性差异,当压缩空气通过碳分子筛吸附塔时,氧在吸附相富集,氮在气体相富集,可使氧氮分离,在PSA条件下连续制取氮气。碳分子筛对氧的吸附容量随压力的降低而减少,减低压力,即可解吸,完成碳分子筛的再生。另外,碳分子筛对二氧化碳和水分也有吸附能力,且较容易减压解吸。碳分子筛对氧氮的吸附速度相差很大,(如图1所示),在短时间内,氧的吸附速度大大超过氮的吸附速度,利用这一特性来完成氧氮分离。

2.2 变压吸附制氮装置流程简述

变压吸附制氮装置采用常压解吸双塔流程,即环境空气经空气压缩机并吹除饱和水后,流经冷冻干燥机组,除去大部分的冷凝水,除油后进人分子筛吸附器,以保障碳分子筛的吸附效率和寿命。

吸附器共有两个,净化后的压缩空气进人一个吸附器的底部向上流动,在经过分子筛时,少量水份、二氧化碳和氧被其吸附,流至吸附器顶部的气体,即为所获得的产品氮。空气中氧、氮的分离是在两吸附器之间轮流进行的,所设置的切换阀使一个吸附器处于加压吸附状态,另一个吸附器则处于减压解吸状态;如此交替,便可连续生产氮气。所供氮气的压力一般为0.5~0.8MPa,氮纯度可达99.5%~99.99%。99.99%以上的纯度一般配后级净化装置(小设备除外),使生产的氮气纯度达到99.995%~99.9995%的高纯氮。变压吸附制氮装置后部加斯特林制冷机,可制得不同纯度的液氮,斯特林制冷机单台能力为8L/h和20L/h两种规格。

2.3 变压吸附制氮装置优势[5,6,7]

(1) 成本低:PSA是一种简便的制氮方式,开机后几分钟产生氮气,氮气成本低于深冷法空分制氮。

(2) 选用优质进口碳分子筛:具有吸附容量大,抗压性能高,使用寿命长。

(3) 雄厚的技术力量和优良的售后服务:设备集装箱化,现场安装时,只需连接气源,电源。

(4) 优良的电气和机械装配技术,提供连续性技术服务,负责现场调试及培训工作。

(5) 低能耗:采用独特的吸附塔、布气系统、碳分子筛装填工艺,并针对不同要求的制氮机选用不同工艺和不同型号的优质碳分子筛,使吸附塔体积缩小,空气消耗量降低,从而合使能耗降低。

(6) 智能化:采用人性化的人机界面,智能化控制,您所做的只是按一下按钮,就能源源不断的供应所需的氮气,解决您外购氮气及搬运气瓶的烦恼。

(7) 个性化;为特殊客户量身定做,无需氮气纯化装置,也可直接制取纯度为99.999%的高纯氮气。

(8) 模块化:采用独有国家专利技术的模块化结构,设备结构清晰流畅,紧凑美观,具有极大的灵活性,便于未来系统扩容,降低投资成本。

(9) 长寿命:采用独有的气流控制技术和分子筛装填技术,最大限度的减小气流对分子筛的冲击,降低分子筛的磨损,寿命更长。

3 变压吸附制氮装置选型时注意事项

变压吸附制氮装置(简称:制氮机)的选用涉及问题较多,主要应注意如下事项:

3.1 气源系统配置应合理

由于吸附剂是绝对不能被油或水污染的,否则吸附效果会幅度下降,因此气源的清洁度是十分重要的。根据压缩空气中不可避免含有一定油蒸气的实际情况,因此一般应选用无油压缩机。如果采用有油压缩机,则系统必须配置严格除油的装置,以确保分子筛不被污染。同时由于水对分子筛来讲是第二个致命“杀手”,因此压缩空气需干燥除水,提高分子筛吸附能力和稳定是需要十分重视的问题。

3.2 碳分子筛(CMS)质量应可靠

碳分子筛是变压吸附制氮设备核心。碳分子筛的主要性能指标:硬度、最大产氮量、最大回收率、充填密度等都会直接影响CMS的吸附性能与使用寿命。

3.3 碳分子筛应采用先进的装填方法

碳分子筛装入吸附塔后,吸附塔的结构必须保证碳分子筛在气流冲击下,位移最小,否则容易造成分子筛的粉化。但分子筛在塔内是不可能“绝对紧密”,在使用一段时间后,分子筛间的空隙在减少,慢慢下沉,因此必须采用压紧绷装置,使碳分子筛处于压缩状态,以免相互碰撞,发生移动,导致分子筛粉化。

3.4 控制阀门的使用寿命

阀门的使用寿命应超过一百万次。阀门必须具有以下性能:应在接受动作信号后的0.5~1s内完成开或关的动作;密封性能好;能承受频繁的开、关,保证百万次的使用寿命;维修方便;易损件采购方便。

4 技术发展和展望[1,7]

变压吸附制氮技术的发展主要是吸附剂技术的发展。1977年德国埃森矿业研究有限公司BergauForschung(B.F公司)研制开发了碳分子筛制氮技术以来,日本美国等都迅速发展起来。1981年吉林化工设计研究院研制的碳分子筛通过了省级鉴定,随后中国船舶工业总公司也研制开发了碳分子筛。1986年浙江长兴化工厂采用上海化工研究院技术生产的碳分子筛成为国内主要碳分子筛生产力量。国外大批量生产碳分子筛的有德国BF公司、美国Calgon碳公司、日本Takeda化学工业公司和Kuraray化学品公司。国内上海化工设计院、四川天一科技、温州瑞气空分设备有限公司等企业生产氮气装置规模和技术水平发展速度很快,接近世界先进水平。 通过对不同的分子筛比较,国内碳分子筛的产氮率还远低于国外产品,主要原因是国产碳分子筛比表面积仅是BF公司的55%,微孔不够发达。造成此状况的原因是没有完全掌握制作工艺条件和原料配比,检测设备落后无法及时监控生产,原料煤杂质高等。近年来国内碳分子筛也有了长足进步,以浙江长兴化工厂的碳分子筛的产氮率也接近180m3(标)/h·t,但是性能不稳定易粉化,使用超过3~6a产气量明显下降。

工艺流程的设计发展与七八十年相比也有了很大发展。用产品氮气的充压和冲洗等流程的采用,提高了氮气回收率和产量。从二塔流程发展到三塔四塔流程,提高了装置的经济性能。特别是不等势均压的应用,使均压后的2个吸附塔内氮气纯度不同,从而降低排空气体的含氮量,提高回收率。 从变压吸附制氮运行装置来看,国内主流流程为以国外碳分子筛为吸附剂,采用双塔流程,在0.6~0.8MPa吸附压力下,利用氮气冲洗和常压解吸流程,提取氮气。这种配置能耗低,在0.3~0.4m3(标)/kW·h左右。 最新碳分子筛研究技术是向碳分子筛中添加氧化铁,以其磁性增加碳分子筛对氧气的选择吸附性。日本有过书面报道,大连理工大学也进行了这方面的研究。在将来变压吸附制氮技术生产的氮气纯度高于99.999%是极为可能的。 从目前制氮技术应用来看,碳分子筛技术成为主流技术,沸石分子筛技术由于处理原料气和真空解吸等繁杂步骤应用较少。尽管沸石分子筛技术可以提取高纯氮,不过能耗高规模也在200m3(标)以下。高纯氮制取一般采用加氢脱氧技术,在普氮中加入适量的氢气,在加氢脱氧催化剂作用下,氢气和氧气反应生成水,然后再除去残余的氢或氧,最后通过干燥塔除去水分得到高纯氮气。

采用变压吸附技术从空气中提取氮气,在中小规模用户已经广泛普及。在2 000m3(标)/h能力范围内,比深冷更具吸引力,已经成为氮气市场的主流,它不但生产过程简单维护操作方便,产品纯度在一定范围内可以任意调节,而且规模从几十到上千方规模可以任意选用。

参考文献

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变压吸附脱碳单元试题库 篇4

一、填空题选择题

1、变压吸附脱碳是一个（A）过程；

A纯物理过程 B化学过程 C伴随着化学的物理过程 D变温过程

2、变压吸附脱碳后净化气CO2含量可以达到(B)A 0.02% B 0.2-0.6% C 2% 以下 D0.2% 以下

3、原料气精脱硫后总硫含量必须达到（A）以下,以保护甲醇催化剂； A ≤0.1PPm B 1.0PPm C 0.01PPm

4、按吸附剂再生方法，将吸附分离循环过程分为两类（B）和变温吸附。A加压吸附 B 变压吸附 C 常压吸附 D恒压吸附

5、变压吸附循环过程三个基本步骤是压力下吸附、（B）和升压； A真空解吸 B降压解吸 C升温解吸 D降温解吸

6、变压吸附剂的再生方法有降压、（C）、冲洗、置换。A顺放 B 逆放 C 抽空 D均升

7、分离系数越大分离（A），一般要求被分离的两种组分的分离系数不宜小于２。A越容易 B越困难 C不会增加困难 D不受影响

8、工作周期、原料气流量和产品气CO2浓度三者之间有直接关系，当要求产品气CO2浓度一定时，原料气流量增大，则要求（A），反之亦然。

A 工作周期缩短 B 提高吸附压力 C工作周期不变 D降低吸附温度

9、闸板阀在管道上的安装方式要求是（A）

A阀杆垂直、手轮向上 B 无要求 C阀杆水平D阀杆倾斜45°

10、升降式止回阀必须（垂直）安装

11、气开式调节阀当气源中断时，阀位是（B）； A 保持气源中断时的位置 B 关闭 C开启

12、系统正常运行中出现程控阀报警，首先要区分（电磁阀卡主）和（阀检误报）两种情况，然后有针对性解决。

13、吸附塔下层铺一定量的活性氧化铝球，目的是（吸收水分）。

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14、产品气中CO2含量升高的处理方法一是缩短循环时间，二是(减小)处理气量，如果二者结合则效果更好。但必须注意缩短循环时间要保证（抽真空）和（最终升压步骤）所需要的起码时间。

15、净化气CO2含量越低，有效气体回收率就（越低），所以实际操作中要控制适当的CO2含量，以获得较高经济效益。

16、变压吸附停车后要把处于真空状态的吸附塔用压力较低塔（充至微正压）以防止抽入空气。

17、物理吸附也称（范德华）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。

18、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。

19、活性氧化铝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 20、有效气体（回收率）是变压吸附装置主要考核指标之一；

21、程序控制阀是由阀体、驱动、（阀位反馈）三部分组成；

22、真空泵有（抽气速率）和（极限真空度）两大指标；

23、真空泵常见的有：（滑阀式、旋片式、罗茨式、往复式、水环式、喷射式）六种结构形式；

24、旋启式止回阀必须（水平）安装；

25、离心泵并联运行的目的是为了加大（流量）；

26、离心泵串联运行的目的是为了获得更高的（扬程）；

二、判断题

1、循环时间越短，有效气体损失越少，出口CO2一定越低。（×）

2、真空度指标是 －0.04～－0.08MPa。(×)

3、吸附设置中逆放压力低于0.002MPa时，程控阀打不开。目的是避免串压，逆放初期压力低于常压，造成空气倒吸，发生爆炸。（√）

4、真空泵开得越少，越节电，与放空气中CO含量高低无关。（×）

5、吸附剂受潮后可以再生。（√）

6、吸附剂的再生时间，决定吸附循环周期的长短，也决定了吸附剂的用量。（√）

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7、真空泵电流越高，说明抽真空气量越大，真空度越好。（×）

8、当产品气CO2浓度一定时，原料气流量增大，则要求工作周期延长。（×）

9、PSA装置吸附剂污染油类可再生。（×）

10、在均降的后阶段因设有底部均降，而使吸附塔的吸附前沿不会继续向前沿摧进，不能回收吸附塔内死空间的有效气体。（×）

11、为了能使吸附分离经济有效的实现，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（√）

12、变压吸附在加压下进行吸附，减压下进行解吸。（√）

13、变压吸附由于循环周期短，吸附热来不及散失，可供解吸之用；（√）

14、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；（√）

15、吸附剂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，（√）

16、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。（√）

17、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。（√）

18、吸附过程是原料气自下而上通过床层，在过程最高压力下选择吸附各种杂质，（√）

19、吸附过程中未被吸附的组分从吸附床顶部引出，全部作为产品输出；（×）20、吸附步骤是在吸附前沿已经达床层的出口端时才停止；（×）

21、在使吸附前沿和床层出口端之间保留一段还没有使用的吸附剂。（√）

22、均压次数增加，可以进一步提高了氢的回收率，但产品输出压力波动大（×）

23、变压吸附能耗低，工艺适应的压力范围较广，在常温下操作，可以省去加热或冷却的能耗；（√）

24、变压吸附产品纯度高，但调节不灵活；（×）

25、变压吸附可实现多种气体的分离，对水、硫化物、氨、烃类等杂质有较强的承受能力，无需复杂的预处理工序；（√）

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三、问答题

1、变压吸附常用吸附剂有哪几种？

答：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。

2、硅胶的特性和用途是什么？

答：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。它主要用于干燥、气体混合物及石油组分的分离等。

3、活性氧化铝用途是什么

答：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。

4、温度、压力对吸附过程的影响分别是什么？

答：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。

5、为什么说变压吸附过程可以近似看做等温过程？

答：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。

6、再生过程的抽真空步骤作用是什么？

答：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。

7、冲洗过程的作用是什么？

答：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，吸附剂得到再生。

8、冲洗过程的吸附剂再生程度取决于什么因素？ 答：吸附剂再生程度取决于冲洗气的用量和纯度。

9、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

/ 10 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。

10、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。

11、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。

12、新鲜的吸附剂应如何保存？

答：由于新鲜的吸附剂对水分子有很强的亲合力，而且吸附了水以后脱附是很困难的，这将严重影响PSA装置的性能，所以新鲜的吸附剂应妥善保管好，应采取以下几点防护措施：

⑴ 吸附剂的容器应当保存在室内，以防止遭受雨水或受潮。⑵ 装有吸附剂的桶不可以刺破，严重撞凹或破坏桶的密封。⑶ 吸附剂直到被立即装填以前，其容器必须是不开封的。

13、吸附剂是怎样装填的？

答：提纯回收氢气的 PSA所用的吸附剂通常是由活性炭和分子筛两种的组合。根据活性炭和分子筛对杂质组分二氧化碳、甲烷、一氧化碳和水的不同吸附特性，一般活性炭做为主吸附剂装在下层，约占吸附剂总量的四分之三。分子筛作为辅助吸附剂装在吸附器上层。如果为了脱水和防止芳烃使吸附剂中毒，通常在床层底部装一些活性氧化铝。

14、怎样延长吸附剂的寿命？ 答：

(1)吸附剂压力的快速变化能引起吸附剂床层的松动或压碎从而危害吸附剂。所以，在操作过程中要防止使吸附器的压力发生快速变化。

⑵ 进料带水是危害吸附剂使用寿命的一大因素，所以进料气要经过严格脱水，避免发生液体夹带。

/ 10 ⑶ 进料组分不在设计规格的范围内也会造成对吸附剂的损害，严重时可能导致吸附剂永久性的损坏。所以，当进料气出现高的杂质浓度时，应缩短吸附时间，以防止杂质超载。

⑷ 进料温度过高影响吸附剂的吸附能力，易造成杂质超载，温度过低影响再生，所以要保证进料温度在要求的范围内。

⑸ 合理调整吸附时间，及时处理故障报警，防止发生杂质超载。杂质超载严重时，可导致吸附剂永久性损坏。

15、简述吸附剂对水的吸附性能

答：分子筛对大小相近的分子，优先吸附极性分子，尤其是水分子，分子筛一旦吸附了水分子后，对其它分子的吸附能力明显下降，而且难于脱附，所以如果进料中带水易造成分子筛的致命损害。

活性炭对水分子的吸附能力很大，而且容易脱附，所以在PSA中总是将活性炭置于分子筛的下面，使进料中的微量水和绝大多数的二氧化碳被吸附分离。

16、吸附剂吸潮后如何处理方可使用？

答：吸附剂一旦吸潮后即失去活性，通常变压吸附工业装置要求分子筛含水量须小于1%，活性炭含水量须小于2%，否则会影响吸附的性能需重新活化。分子筛活化在通气吹除的情况下活化温度控制在360℃左右，不通气情况下活化温度控制在500℃左右，活性炭活化温度控制在150℃左右。活化时间通常控制恒温时间4 小时以上。吸附剂吸潮后由于使用厂家一般不具备活化的条件，故都送到吸附剂生产厂家去活化。

17、PSA进料中为什么要充分脱水？怎样防止进料带水？

答：由吸附剂对水的吸附性能可知，吸附剂极易吸水，而且脱附困难，同时吸附剂吸水之后，对其它分子的吸附能力下降。所以必须对进料气进行严格脱水，以防止损害吸附剂。为了防止进料带水，通常在进料线上增设进料气水分离器，同时，为防止冬季饱和气体在管线中发生冷凝，可视情况将水分离罐后的PSA进料管线进行伴热或保温。

18、吸附器充分吸附杂质后，各杂质在吸附剂上如何分布？为什么？

答：当吸附器充分地吸附了杂质以后，杂质界面最前沿为氮气、一氧化碳，其次是甲烷，再次是二氧化碳，最底层是微量的水。

杂质在吸附剂中的分布规律与吸附剂对各杂质组分的吸附能力以及吸附剂的分布状况有关。在吸附器中，活性炭作为主要的吸附剂装填在下部，分子筛作为辅助吸附剂装填在上部。进料气由吸附器底部进入床层，首先接触活性炭，而活性炭对杂质的吸附能力的大小次

/ 10 序为：H2＜＜N2＜CO＜CH4＜CO2＜H2O，所以吸附过程H2O、CO2、CH4、CO、N2被依次吸附下来。剩余的杂质N2又被上部分子筛吸附，从而获得高纯度的氢气。

19、在PSA工艺中，对进料气中的高级烃含量有何限制？为什么？如何解决进料气中高级烃含量多的问题？

答：当PSA工艺被用于直接从炼油厂尾气中回收氢气时，就出现了对进料气中高级烃含量限制的问题。这是因为大分子烃类吸附在吸附剂上容易液化，降压脱附时难于完全脱附出去，久而久之会使吸附剂的吸附能力下降，因此要限制PSA进料气中大分子高级烃的含量，一般要求高于碳三的烃类总含量不能大于1.0%。

当PSA进料气中碳三以上烃类含量较高时，不能直接进变压吸附，需要在前面增加设备，有的先用变温吸附脱除碳三以上的重烃，然后再进PSA单元。

20、简述均压过程和意义

答：被吹扫后的吸附器内吸附剂再生完成，但吸附器内压力很低，与进料压力的压差太大，不能直接进行吸附，需要先升压。而完成吸附步骤的吸附器压力较高，同时吸附剂颗粒之间，存留一部分氢气应当回收。均压过程即是吸附之后的高压吸附器与再生之后的低压吸附器进行压力均衡，高压吸附器内部的氢气流入低压吸附器。均压过程中，高压吸附器压力降低，部分杂质脱附，并随物流上移，又被上部吸附剂重新吸附，故杂质界面上移。

所以均压过程使得再生后低压吸附器的压力升高，并充分利用高压吸附器内部存留氢气，提高氢回收率。

21、为什么顺流卸压过程中吸附器内的杂质界面上移？

答：变压吸附是物理吸附，压力降低时，被吸附的杂质可以脱附，所以当吸附器顺流卸压时，随着压力的降低，部分杂质逐渐脱附，并随着物流上移，同时又被床层上部尚未吸附杂质的吸附剂重新吸附下来。因而顺流卸压过程中吸附器内杂质界面逐渐上移。

22简述排放和被吹扫过程及其作用

答：排放是吸附器从供吹扫终止压力下降到废气压力的逆流卸压过程，排放位置在吸附器底部，随着压力的不断降低，杂质不断脱附并排入废气系统，杂质前沿界面逐渐下移，所以排放过程使吸附器内大部分杂质脱附排出。排放结束，用供吹扫吸附器提供的纯氢从上部进入进行逆流吹扫，使残留杂质不断脱附并随物流排入废气系统，从而使绝大多数的吸附剂实现再生。

所以，排放和被吹扫的作用就是排除吸附器内的杂质，使吸附剂实现再生。23料流速变化对PSA有何影响？

/ 10 答：进料流速降低时，因减少了传质区的长度而改善了分离效果，应延长吸附时间以充分利用吸附剂，获得较高的氢收率。当进料流速提高时，加长了传质区的长度，分离效果变坏，应缩短吸附时间，保证产品纯度，保护吸附剂，虽然氢收率下降（活产品纯度下降），但因处理量增加产氢量还是提高了。

24料温度变化对PSA有何影响？

答：变压吸附是物理吸附过程，进料温度的高低直接影响吸附剂的吸附性能。进料温度太高，吸附剂的吸附能力下降，因而造成氢收率下降，同时还影响产品纯度和吸附剂的使用寿命。而温度太低了再生困难，如果因此造成吸附剂再生不完全，则恶性循环的后果将导致杂质超载的现象而损害吸附剂。由联碳公司提供的资料可知，常温下，10-30℃范围内几乎有相等的氢收率，进料温度太高或太低，氢收率都有所下降。

25、压力是否越高越好？为什么？

答：变压吸附是物理吸附过程，其吸附量随压力的增加而增加。开始近乎直线增加，而后增加缓慢，当压力增加到一定值时，吸附量趋于一稳定的极大值。

在较高压力下，氢气的吸附量也增加，所以损失加大；加上再生工艺的特点，使得氢收率有所下降。由此可见，在一定的压力范围内，随压力的升高杂质的吸附量增加而氢收率提高。而吸附压力过高氢收率反而下降。所以吸附压力并非越高越好。用于氢气提纯的PSA装置的吸附压力一般设计值为2.3MPa左右。

26、是杂质超载？有哪些危害？

答：在一定的工艺条件下，每个循环中被吸附剂吸附的杂质量超出最大设计允许吸附量时称为杂质超载。杂质超载的发生不仅使产品纯度下降，而且还损害吸附剂。

27附器压力的快速变化对吸附剂会造成什么危害？

答：吸附器压力的快速变化将引起吸附剂床层的松动或压碎。使经过吸附器的压降增加。由于吸附剂的压碎而产生的粉尘将通过吸附器中的拦截筛网漏出，并且还可能损坏工艺阀门阀座，堵塞仪表管线，而使装置的操作性能变坏，甚至会导致停车。

28、么要根据进料流量的大小调整吸附时间？

答：每个吸附器在一定的产品规格要求和一定量吸附剂的条件下，吸附剂对杂质的允许吸附量是一定的。所以每个吸附步骤只能提纯一定量的进料气。在一定的进料流速下，如果吸附时间过长，则吸附剂过多地吸附了杂质造成杂质超载，不仅使产品纯度下降，而且使PSA操作性能变坏。若吸附时间太短，则不能充分利用吸附剂，达不到应有的氢收率，造成 8 / 10 浪费。所以应根据实际进料流量的大小合理地调整吸附时间，充分利用吸附剂，在保证产品纯度和保护好吸附剂的前提下，获得高的氢收率。

29、简述吸附时间控制方式的应用

答：吸附时间的控制方式有自动和手动（或能力和局部）两种控制方式。自动方式控制时，吸附时间作为进料流率的一个函数自动计算。因此吸附时间可以随进料流率的变化而及时地自动调整；而且可以通过调整控制系数使得吸附时间与进料流量相匹配，使氢回收率保持在一个高水平上。所以，在正常生产中自动（或能力）控制方式是优先选择的操作方式。

手动（或局部）控制方式时，吸附时间的控制由操作员利用控制台键盘输入新的吸附时间来实现。所以局部控制方式一般应用于开停车或者进料组成急剧变化和怀疑进料流量计有故障等异常情况下，操作员根据需要或实际进料量的大小，输入合适的吸附时间，以便尽快地得到合格产品和防止杂质超载的现象发生。

30、如何使低的产品纯度恢复正常？

答：要使低的产品纯度恢复正常，通常采用缩短吸附时间的操作来实现。首先要找出使产品纯度下降的原因，并给予纠正，如果需要切换则应及时切换到相应的替换运行程序，然后缩短吸附时间。可通过局部控制方式人为地输入一个较小的吸附时间，也可在能力控制方式下通过减小控制系数来缩短吸附时间。如果吸附时间设定到最小而产品纯度仍未恢复时，则有必要降低进料流量，使每循环周期的处理量更少，以便尽快地恢复产品纯度。产品纯度恢复正常后，应缓慢地增加吸附时间以提高氢回收率，并根据实际需要调整进料流量。

31、如何防止吸附器内的压力变化过快？

答：要防止吸附器内的压力发生过快变化，应注意以下几种操作：

⑴ 正确使用手动阀门操作。在进行手动阀门操作前，应检查阀门两侧的压力。如果阀门两侧的压差过大，进行手动阀门操作就易造成压力变化过快。

⑵ 工艺阀门失灵，应及时切换到替换运行程序或停车，以免造成吸附器内的压力变化过快。

⑶ 在非停车步位开车，或者没有预先校核吸附器的压力是否与开车步位一致，则可能引起不正常的压力变化。所以开车时，要保证吸附器的压力水平与开车步位一致。

⑷ 使用手动步进方式时，要注意吸附器的压力水平与所选步位一致，否则易造成吸附器的压力变化过快。

⑸ 在某些不适当的步位由主运行程序切换到替换运行程序，也能造成吸附器压力变化过快，所以通常选择在最佳步位进行切换。

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四、计算题（无）

变压吸附制氢工艺革新进展 篇5

1 变压吸附制氢工艺原理

变压吸附制氢是基于氢气在固体吸附剂上的物理吸附平衡,它是以吸附剂在不同压力条件下对气体混合物中不同组分平衡吸附量的差异为基础,有选择性地在高压下对杂质气体进行吸附,低压下解吸杂质气体使吸附剂得到再生的循环过程。

变压吸附制氢工艺主要由三个步骤组成:高压吸附、低压解析、升压,如图1所示。首先,富氢混合气体在高压下自下而上进入吸附床层,CO2、CO、CH4等杂质被床层内被吸附剂吸附,而弱吸附组分氢气作为产品脱离床体。然后根据吸附组分的性能,采用逆向泄压,产品氢吹扫等方法使吸附剂获得再生,吸附剂再生完成后,吸附床再次升压至吸附压力,至止吸附床就完成了一个吸附和再生的循环过程。通常采用2个或更多的吸附床,使得吸附床交错处于吸附、再生周期循环过程之中,来维持一个连续的产品氢气流。

1高压吸附2低压解析3升压至吸附压力

2 变压吸附制氢工艺的改进

2.1 增加均压次数

在最初的二床流程中,一个吸附床吸附,另一床再生,每隔一定时间互相交替。吸附结束后床内死空间气体随降压而损失了,吸附压力越高损失就越大。为了回收和利用吸附结束时存留在吸附床内死空间的有用组分,美国联合碳化物公司率先引入均压步骤[3],在变压吸附工艺的吸附阶段,吸附床中气体杂质浓度峰面远未到达吸附床的出口端时,停止吸附步骤,然后将该吸附床与一个已完成解吸并等待升压的吸附床连通,此时需降压解吸的吸附床压力逐级下降,而需升压的吸附床的压力得到逐级升高,最终两床压力平衡(称为均压),这样既回收了吸附床死空间中的氢气又利用了其中的能量。

一般说来,增加均压次数,可回收更多的氢气,氢气的收率也就提高。目前,工业上已开发出了4~16床等多种多床工艺[4],二次均压时,H2回收率为70~75%,三次均压时,H2回收率为80~85%,四次均压时,H2回收率为85~90%。但由此我们也可以看出,随着均压次数的增加产品回收率提高的幅度越来越小,而且均压次数提高必须增加吸附塔,设备投资增加,同时均压次数受到循环步序周期时间的限制[5]。杨皓等[6,7]发明了一种利用空罐增加变压吸附工艺流程中均压次数的方法,他利用一个或多个空罐回收吸附塔降压过程流出的气体,分阶段回收流出气,并将空罐气体用于吸附塔升压或冲洗,由此协调吸附塔之间的配合。这些用作间接均压的空罐,可以将变压吸附每一个步序时间按照吸附剂特性需要独立地加长或缩短,均压次数的确定不再受到吸附塔数量的限制,其设计的四塔变压吸附流程均压次数可以达到7次,H2回收率达到98%。

2.2 真空解吸工艺

通常在PSA工艺中吸附剂床层压力即使降至常压,被吸附的杂质也不能完全解吸,这时可采用两种方法使吸附剂完全再生:一种是用产品气对床层进行“冲洗”,将较难解吸的杂质冲洗下来,其优点是在常压下即可完成,不再增加任何设备,但缺点是会损失产品气体,降低产品气的收率;另一种是利用抽真空的办法进行再生,使较难解吸的杂质在负压下强行解吸下来,这就是通常所说的真空变压吸附(Vacuum Pressure Swing Absorption,缩写为VPSA)。VPSA工艺的优点是再生效果好,产品收率高。镇海炼化50 000 Nm3/h炼厂混合气PSA-H2装置及辽化40 000 Nm3/h炼厂混合气PSA-H2装置均成功采用真空解吸工艺[8],使氢气回收率提高到95%~97%的水平,比传统的顺放冲洗工艺提高了5~6个百分点。但其缺点是需要增加真空泵,能耗较高,且增大维修成本。一般而言,当原料气压力低、回收率要求高时才采用真空解吸工艺。

2.3 快速变压吸附工艺

快速变压吸附工艺是由Quest Air技术公司新开发的一种全新工艺,它与传统的变压吸附工艺有着相当大的差异,如表2所示。该工艺采用规整化结构的负载型吸附剂和多通道旋转阀[9],可使循环速度比常规PS A高出两个数量级,而且设备尺寸也大大减小,仅为原来的10%,设备投资成本可降低20~50%。该公司己开发了H-6200型快速变压吸附制氢装置[10],该设计可应用于炼油厂存在广范围污染物的含氢排气工况,也可适应较高的进气压力,能够满足炼油厂氢气回收的需要,其在克森美孚公司炼油厂内建设一套原型H-6200装置于2007年初投用。根据进气条件,设计处理能力为10 000~20 000 Nm3/h,进气含氢体积分数可在40~60%,产品氢浓度一般为90%,氢气回收率在71%~85%之间。H-6200装置设计处理能力可以高达100 000 Nm3/h,但是,由于时间和吸附剂动力学的限制,产品氢气纯度和回收率稍低。

3 联合工艺的开发应用

由于分离任务的多种多样以及原料气组成的千差万别,使得有时仅仅使用一种分离工艺不能充分利用已有资源甚至难以达到即定的分离目标,因此有必要将不同的分离工艺进行合理的结合,使它们扬长避短,从而有可能达到更好的分离效果。

3.1 膜分离+PSA

由于膜分离工艺的推动力是膜两侧之间的压力差,因此对于氢气含量低(20~40%),但压力较高的气源在通过膜分离之后,产品气的压力有所下降而且其中的氢气含量也被提高将此产品气送入到变压吸附装置中即可生产出高纯度的氢气,这样既可以实现高的氢气回收率又可以得到高纯氢气。上海焦化有限公司已经建立的120 Nm3/h燃料电池供氢装置就是利用将变压吸附技术和膜分离技术两种气体分离与净化技术相结合[11],这种联合工艺既发挥了膜分离技术的工艺简单,投资费用少的优点,又利用变压吸附制氢产品纯度高的长处,而且由于膜分离工艺除去了大量的杂质,减小了变压吸附工艺的负荷,从而可以降低变压吸附的投资。

3.2 深冷分离+PSA

深冷分离工艺所得产品氢的纯度低,但它对原料气中的氢气的含量要求不高而且氢气的回收率很高,而且可以将原料气分离成多股物流,因此对于那些含氢量很低的气源(5~20%),可以先用深冷分离工艺把原料气进行分离提纯,产品气中的含氢气流再用变压吸附工艺分离提纯,制得高纯度的氢气。由于含氢气流中的杂质较少,因此变压吸附的规模可以相应减小,节省设备投资。但是深冷分离工艺投资大,因此只有当贫氢气源量非常大而且有需要高纯氢时采用这种联合工艺才会产生较好的经济效益。

3.3 TSA+PSA

变温吸附(TSA)是利用气体组分在固体材料上吸附性能的差异以及吸附容量在不同温度下的变化实现分离,其尤其适合在常温状态下强吸附组分不能良好解吸的分离。中石油大连石化分公司装置富氢尾气中含有不少C5及C5以上的组分,单独使用PSA工艺会使吸附剂很快失活,为此采用TSA+PSA联合工艺,原料气先进入TSA单元,在常温下脱除原料气中C5及C5以上组分,同时利用加热的PSA解析气作为TSA单元的再生冲洗气,在该联合工艺中,TSA可以有效地脱除原料气中饱和水和C5等杂质,保证后续PSA塔吸附剂的寿命,并对原料气组分的变化起缓冲作用。该装置自投产6年多来,运行一直很稳定,吸附剂没有更换,对原料气适应能力强,H2回收率达到90.5%,产品H2浓度达到99.5%[12]。

另外,TSA单元还可以置于PSA单元之后,用于脱除PSA产品氢气中微量杂质如N2、Ar等,进一步纯化氢气。纯化后氢气纯度可达99.999%以上[13],高于电解氢气的纯度,可用于需高纯氢气的特殊场所。

4 结语

随着变压吸附制氢工艺的发展和联合工艺的开发,氢气的回收率和氢气纯度都得以提高,我们可以更好地发掘和利用氢气资源。但由于每种工艺都有其自身的特点,变压吸附工艺流程的选择必须根据实际需要和投资经济性来综合考虑。

摘要：作为近几十年来在工业上新崛起的气体分离技术,变压吸附技术已经被广泛应用于制氢行业,简要概述了变压吸附制氢工艺的原理、流程,重点介绍了变压吸附制氢工艺革新进展以及联合工艺的应用。

变压吸附分离 篇6

盐酸克伦特罗是一种用于治疗支气管哮喘、喘息性支气管炎和由于过敏症、感染和运动造成的支气管痉挛的药物,在畜牧养殖中能够对动物体内的营养物质起重新分配作用,可促进动物生长,提高瘦肉率、降低脂肪沉积、降低饲料报酬等,是获得瘦肉的理想方法[1]。但盐酸克伦特罗对热稳定,使用后会在动物组织体内形成累积性残留,特别在内脏中会有高浓度的残留,对人与动物的肝、肾及神经系统有一定的毒副作用[2]。我国农业部已禁止将盐酸克伦特罗作为饲料添加剂使用。因此,建立简便、可靠的盐酸克伦特罗测定方法,对于保障食品安全具有重要意义。

盐酸克伦特罗的测定一般包括分离和检测两个方面,其中又以分离为最重要步骤。有关文献资料主要研究了盐酸克伦特罗检测方法的改进,而较少涉及到其分离方法[3,4]。文章以大孔吸附树脂为吸附剂,采用固相萃取方法吸附分离盐酸克伦特罗。与实验室常用的以活性炭、C18等为吸附剂的萃取小柱相比,文章采用可重复使用的固相萃取大柱,具有操作费用较低,操作简单等特点,适合实验室使用。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

TU-1901双光束紫外分光光度计,北京普析通用仪器有限公司;pHS-3 C酸度计,上海雷磁仪器厂;固相萃取大柱,Φ12×150;盐酸克伦特罗,广州侨光制药厂;无水乙醇,分析纯,广州化学试剂厂;Amberlite XAD-2大孔吸附树脂,Sigma-Aldrich Co.。

1.2 实验方法

准确称取5 g Amberlite XAD-2大孔吸附树脂,用无水乙醇浸泡12 h后装柱,用50 mL蒸馏水洗涤柱体。将2 mL的100 μg/mL盐酸克伦特罗溶液样品加入分离柱中,用25 mL蒸馏水洗涤柱体,再用25 mL洗脱剂洗涤柱体,洗脱速率为1 mL/min。收集洗脱液并定容至25 mL比色管中,以蒸馏水为参比,在波长242 nm处测定样品的吸光度,计算回收率。

2 结果与讨论

2.1 盐酸克伦特罗的测定

盐酸克伦特罗的紫外吸收谱图如图1所示。根据图1可以发现,在扫描波长范围内,盐酸克伦特罗存在两个吸收峰,分别为242 nm和294 nm。由于242 nm处的吸收强度明显高于294 nm处的吸收强度,选择242 nm为测定波长。盐酸克伦特罗在242 nm的工作曲线如图2所示,拟合方程为Y=0.00607+0.03348 X,相关系数R=0.99939,表明该波长下盐酸克伦特罗的吸光度与浓度之间存在良好的线性关系。

2.2 洗脱剂的选择

洗脱剂的洗脱作用实质上是流动相分子与被分离物质分子竞争占据大孔树脂表面活性吸附中心的过程,强极性分子占据吸附中心的能力强,因而具有较强的洗脱能力。以水为洗涤剂,分别采用不同的洗脱剂,发现不同浓度的甲醇为洗脱剂时的回收率均超过100 %,表明有影响盐酸克伦特罗浓度测定的杂质同时被洗脱,而乙酸、乙酸乙酯以及乙酸乙酯及正己烷的混合物为洗脱剂时的回收率过低,最高仅能达到72.3 %,但无水乙醇为洗脱剂时的回收率最高可达到76.98,因此,选择无水乙醇为洗脱剂。不同洗脱剂对盐酸克伦特罗回收率的影响如表1所示。

2.3 样品pH值的影响

分别采用0.1 mol/L的盐酸以及10 wt?%的NaOH溶液调节待测样品的pH值,计算待测样品的回收率,结果如图3所示。

由图3可知,碱性样品的回收率较高,酸性样品较低。将待测样品的pH值调节至碱性可以有效提高其回收率。

2.4 洗脱剂体积的影响

按照实验方法分别加入不同体积的无水乙醇进行洗脱,回收率如图4所示。

一般说来,洗脱剂用量越大,盐酸克伦特罗的回收率越高,但成本也相应增大。由图4可知,无水乙醇用量达到20 mL之后,随洗脱剂用量增大,盐酸克伦特罗的回收率并没有明显提高,因而在实际操作中可选择20 mL作为洗脱剂的用量。

2.5 洗脱剂流速的影响

洗脱剂流对盐酸克伦特罗回收率的影响如图5所示。

由图5可知,最佳洗脱剂流速为1 mL/min。洗脱剂流速过快将导致盐酸克伦特罗的回收率降低,其原因在于洗脱剂没有足够的时间在吸附剂的吸附活性中心上与盐酸克伦特罗分子展开竞争吸附,产生“短路”现象。

2.6 最大饱和吸附量

更改盐酸克伦克罗的进样量,测定大孔吸附树脂的最大饱和吸附量,结果如图6所示。

由图6可知,Amberlite XAD-2大孔吸附树脂对盐酸克伦特罗的最大饱和吸附量约为319 μg/g。

2.7 重现性及误差分析

按照本文实验方法,根据上述所得最佳条件平行测定3次,计算回收率及标准偏差,并比较重现性,结果如表2所示。

根据表2可以发现:采用Amberlite XAD-2大孔吸附树脂对盐酸克伦特罗进行固相萃取分离,重现性好,回收率较高,适于作为高效液相色谱法测定盐酸克伦特罗的前处理方法。

3 结 论

采用Amberlite XAD-2大孔吸附树脂对盐酸克伦特罗进行固相萃取分离,最大饱和吸附量可达319 ug/g。以水为洗涤剂,无水乙醇为洗脱剂,洗脱剂流速为1 mL/min,样品pH值为10.8,回收率最高可达76.98 %。具有较好的重现性,适于作为高效液相色谱法测定盐酸克伦特罗的前处理方法。

摘要：采用大孔吸附树脂分离盐酸克伦特罗,对吸附分离条件进行了研究。结果表明,采用大孔吸附树脂作吸附剂对盐酸克伦特罗进行固相萃取,再用无水乙醇洗脱,可有效分离盐酸克伦特罗。洗脱流速为1mL/min,平均回收率可达76.07%,最大柱容量为319μg/g。

关键词：盐酸克伦特罗,固相萃取,大孔吸附树脂

参考文献

[1]魏德成,郭俊峰,杨翼洲.供港活猪“瘦肉精”残留检测方法及其重要意义[J].河南畜牧兽医,2000,21(2):35-36.

[2]卢业玉,尚红霞,余倩,等.饲料中克伦特罗和沙丁胺醇分离方法的研究[J].离子交换与吸附,2003,19(4):331-336.

[3]戴华,袁智能,黄志强,陈新焕.饲料中盐酸克伦特罗、沙丁胺醇高效液相色谱测定[J].分析测试学报,2003,22(3):57-59.

变压吸附回收脱碳闪蒸气运行总结 篇7

阳煤集团烟台巨力化肥有限公司具备年产15万吨合成氨、20万吨尿素的生产能力,共有两套脱碳装置,生产工艺为酸丙烯酯法脱除变换气体中的CO2。两套脱碳装置在正常生产过程中产生的闪蒸气体量为210Nm3/t NH3。脱碳闪蒸汽的主要气体成份及含量为: 氢气与氮气约30%左右,二氧化碳约65%—70% 左右,及少量的一氧化碳等,如果不采取有效的回收手段而直接排放,会造成有效气体的浪费。没有建设脱碳闪蒸汽变压吸附装置前,我们公司对脱碳闪蒸气回收方法为,将闪蒸气送往碳铵工序,用氨水吸收闪蒸气体中的CO2制造农用氮肥-碳酸氢铵,产生的尾气送往氢氮气压缩机一段入口。采用以上工艺路线虽能有效回收脱碳闪蒸汽中N2、H2等有效气体,但也存在以下缺点:

1. 由于脱碳闪蒸汽气输出压力低造成生产碳酸氢铵产量低,碳酸氢氨生产制造成本高,盈利水平不高;

2. 由于脱碳闪蒸气体容易腐蚀碳化装置水箱等设备,造成碳铵装置的维修费用高;

3. 浪费人力资源。

4. 碳铵装置外排废水的氨氨指标达不到环保要求,易造成环境污染。

由于存在以上原因,我公司的碳铵装置运行很不正常,运行过程设备故障率较高,最后造成脱碳闪蒸气停止回收,只能采用就地放空处理。2007年,通过多次外出到行业内兄弟厂家考察并分析比较,我们一致认为变压吸附回收技术比通过制造碳铵回收脱碳闪蒸气技术先进,有以下明显优点:

1. 脱碳闪蒸气变压吸附装置生产过程中自动化程程度高,操作调节简单,运行安全稳定,能够减少人工数量,大幅度降低电耗,因此变压吸附技术的运行费用较低;

2. 变压吸附装置吸附剂使用寿命可长达10年以上,因此装置运行周期长,检维修频次低;

3.该技术生产过程中基本无“三废”产生,无环保压力;

4. 变压吸附装置生产中不消耗蒸汽,因此不需要再增加其它公用工程。2007年6月,我公司决定采用四川达科特化工科技有限公司变压吸附回收脱碳闪蒸气有效气体技术建设脱碳闪蒸气变压吸附装置。

二、工艺流程

1、工艺流程简述

脱碳闪蒸气体(压力≤0.4Mpa,温度< 40℃)先去脱碳装置的水洗塔和分离器,洗涤气体中含有的少量碳酸丙烯酯蒸汽并分离除去水分。然后进入变压吸附装置中处于吸附步骤的两个吸收塔组中,自下而上通过床层,出塔产品气(含65%左右的氢氮气)送往氮氢气压缩机一段入口。吸附塔饱和时,关闭吸附塔闪蒸气进气阀和产品气出口阀,使其停止吸附。之后通过一次均压步骤回收床层空间的产品气体。再从吸附塔上端将有效气体排入中间罐回收,当塔内压力与中间罐压力基本相等时,停止回收。然后逆着吸附方向降压,易吸附组分被排放出来,使吸附剂得到再生。最后抽真空进一步解吸吸附剂上残留的吸附杂质,吸附剂得到完全再生。利用中间罐内的顺放气均压气和出口气对床层逆向升压至接近吸附压力,吸附床便进入下一个吸附循环过程。逆放气排入大气,抽真空解吸气最后送入生产液体二氧化碳系统。

脱盐水经脱碳装置水洗泵加压后,送往水洗塔进行吸收脱碳闪蒸气体中的碳酸丙烯酯蒸汽,吸收液进行循环吸收。吸收液经循环达到一定的浓度再送往脱碳工序,补入脱碳碳酸丙烯酯稀液。

2. 工艺指标

(1)压力

闪蒸气进口压力:≤0.4 MPa

产品气出口压力:0.35 ~ 0.4MPa

油压:3.5 ~ 4.2MPa

真空度:0.06 ~ 0.08MPa

脱盐水压力:≥0.5MPa

循环水压力:≥0.3MPa

吸附压力:≤0.4MPa

一均降压力:0.4 ~ 0.2MPa

顺放压力:0.2 ~ 0.11MPa

逆放压力:0.11 ~常压

抽真空:常压~- 0.08MPa

充升压力:- 0.08MPa ~ 0.11MPa

一均升压力:0.11 ~ 0.2MPa

再加压压力:0.2 ~ 0.4MPa

(2)温度

闪蒸气进口温度:≤45℃

真空泵出口水分离器排水温度:40 ~ 60℃

(3)流量

闪蒸气流量:≤4000m3/h

产品气流量:≥900m3/h

(4)成分

产品气中H2含量:60%~ 66%

产品气中CO2含量:5%~ 8%

产品气中O2:≤0.2

三、试车投产情况

2008年初,公司与四川达科特化工科技有限公司签订项目建设合同,图纸设计、吸附剂、程控阀门及油站全部由该公司负责提供,主要设备如吸附塔由达科特提供设计图纸,我公司负责招标制作。由于工程安装较为简单,项目安装最后由我公司负责完成。脱碳变压吸附装置于2008年5月开始建设,7月底安装结束转入装置试运行,8月16日正式投运。该装置投运后处理闪蒸气体量约为3000Nm3/h,回收产品气体量约为1200Nm3/h,回收H2流量为750Nm3/h。产品气体成份:H2% 为63%左右,CO2%为8%左右。

四、效益分析

1. 项目总投资

该项目总投资为200万元。其中:技术专利费、吸附剂、程控阀及控制系统等费合计83万元,主要设备制作费用57万元;工程安装过程中的材料费用为50万元;土建施工费用10万元。

2. 效益核算

(1)节能效益

核算回收有效气体仅考虑回收氢气,以节约造气耗煤为计算方法,计算过程中按吨氨消耗H2为2100m3(标态)计,吨氨耗造气用煤1.20t,入炉煤价格900元 /t,年生产天数以330天计,则回收氢气每小时可多产氨:750/2100=0.357(t)

年节煤效益达:0.357×24×330×1.20×900≈305(万元)

(2)运行费用

项目总投资200万元,折旧按10年计,每年为20万元;维修费按1000元 / 月计,每年为1.2万元;

该装置每小时总电耗约120kwh,以0.32元 /kwh计,则年耗电费用约30万元。

该装置每年运行费用为:20 + 1.2 + 30=51.2万元

年净效益为:305-51.2=253.8万元

(3)投资回收期

200/253.8=0.8 年

因此节能效益显著,8个月即可收回全部投资。

五、结束语

氙气吸附分离的研究现状及进展 篇8

1 氙气的吸附原理

吸附是由于吸附剂和吸附质分子间的作用力引起的, 根据作用力的不同, 可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附主要通过分子间的范德华力将吸附质吸附在吸附剂表面, 没有电子转移, 不需要活化能, 是可逆过程, 影响物理吸附的主要因素是吸附剂的比表面积和孔径。化学吸附是吸附质与吸附剂之间通过化学键力结合而引起的吸附过程, 是化学作用的结果, 其作用力大大超过物理吸附的范德华力, 且往往是不可逆的过程, 影响化学吸附的主要因素与吸附质分子的化学性质和吸附剂表面的官能团有关。吸附剂对氙气的吸附为物理吸附。

在物理吸附过程中吸附剂孔径与吸附质分子直径的关系及吸附性能如下: (1) 吸附质分子直径大于孔直径时, 由于分子筛的作用, 分子将无法进入孔内, 起不到吸附的作用; (2) 吸附质分子直径约等于孔直径时 (孔直径与分子直径相当) , 活性炭等吸附剂的吸附能力非常强, 但这仅仅适用于极低浓度下的吸附; (3) 吸附质分子直径小于孔直径时, 在孔内会发生毛细凝聚作用, 吸附量大; (4) 吸附质分子直径远小于孔直径时, 吸附质分子虽然易发生吸附, 但也较容易发生脱附, 而且脱附速度很快, 低浓度下的吸附量较小[2]。因此在吸附操作中, 吸附剂的孔径与吸附质分子的几何尺寸存在一个相互匹配的问题[3]。根据文献报道, 对吸附剂利用率最高的孔径和吸附质分子直径的比例范围一般为1.7~3, 而对于需要重复再生的吸附剂, 这一比例范围为3~6或更高[4]。氙气是惰性气体中原子序数较大的元素, 单质由单原子分子组成, 化学性质极其稳定, 吸附的临界直径为0.44nm, 所以根据其本身的性质和实际应用问题, 理想的氙吸附材料应具有以下特点: (1) 吸附剂应具有适宜的孔结构 (孔径在0.9nm左右) 和较大的比表面积, 从而具有较高的吸附容量; (2) 吸附剂的吸附和脱附的过程要快, 残留气要少; (3) 吸附剂要有良好的导热性能, 从而提高其使用性能; (4) 吸附剂的体积要小, 要具有较大的密度, 提高体积吸附性能。

此外影响氙吸附性能的主要外界因素还有温度、压强和CO2产生的竞争吸附。

2 氙气吸附剂技术概况

2.1 活性炭

2.1.1 活性炭结构特征分析

活性炭是一种应用广泛、性能优良的吸附剂, 其物理吸附性能取决于它的孔隙结构, 其中微孔表面积占90%以上。其比表面积一般在500~1700m2/g之间, 其高度发达的孔隙结构———毛细管构成一个强大吸附力场[2,3,4,5]。当被吸附气体碰到毛细管时, 活性炭孔周围强大的吸附力场会立即将气体分子吸入孔内, 从而达到较好的吸附效果。活性炭吸附能力的两个重要标志因素是比表面积和孔径分布。为此, 可以从增大比表面积和改变孔径分布两个方面入手来对活性炭的表面结构进行改性。改变活性炭孔径分布的目的是使活性炭的微孔与吸附分子尺寸相当, 以提高活性炭对吸附质的吸附能力[6]。

2.1.2 活性炭对氙的吸附

国内外在20世纪60年代到80年代对利用活性炭吸附氙气的研究较为广泛和深入, 已经建立起一整套的理论和实验方法, 美、法、俄和瑞典等国已研制成了氙取样分析系统[7,8], 分别为ARIX系统、ARSA系统、SPALAX系统和SAUNA系统, 其中ARSA系统、ARIX系统和SAUNA系统都是通过使用活性炭低温吸附氙对氙气进行采集。这些系统24h的氙气取样能力均在1.5mL以上, 取样流速、取样体积和总取样体积有较大的差异, 但均满足放射性核素监测台站惰性气体检测的最低技术指标。经过禁核试条约组织筹备委员会 (PTS) 多个阶段考核, 这些设备出现了不同程度的长期稳定性不够的问题, 不能满足PTS的要求[9,10,11,12,13], 其关键在于氙获取方面尚不能满足实际应用的要求。近年来国内外有关活性炭吸附氙的文献较少, 其中国内王红侠[14]、郭亮天[15]、冯淑娟[16]等针对活性炭的氙吸附性能做了深入研究, 并发现椰壳活性炭对氙气有较好的吸附效果, 但仍需进一步研究。

由此可见, 虽然活性炭具有巨大比表面及多孔结构, 是一种吸附性能良好的吸附剂, 但是其仍存在孔径分布范围广、吸附选择性十分不理想的局限性, 因此活性炭要想在氙吸附方面得到应用还需做更深入的研究。

2.2 活性炭纤维

2.2.1 活性炭纤维的结构特征分析

活性炭纤维 (ACF) 是20世纪60年代发展起来的一种新型吸附剂[18,19], 目前粉末状活性炭逐渐被活性炭纤维取代。活性炭纤维有较发达的比表面积 (可达1000~3000m2/g) 和较窄的孔径分布, 几乎没有过渡孔和大孔, 微孔体积占总孔体积的90%以上, 与活性炭相比, 有较快的吸附脱附速度和较大的吸附容量。活性炭纤维的微孔孔径大多在0.5~3nm之间, 通过控制活化工艺可以得到一定微孔尺寸的活性碳纤维以提高其吸附性能[17,18,19]。

2.2.2 活性炭纤维对氙的吸附

如上所述, 目前多用活性炭对氙进行吸附分离, 而活性炭纤维具有比活性炭更优异的吸附性能, 可望用于分离富集空气中的氙气。因此, 近年来国内对活性炭纤维的氙吸附性能研究较多, 从1995年起西北核技术研究所张海涛等开展了用活性炭纤维分离富集氙气的研究工作[19,20,21,22,23,24,25]。除了对影响活性炭纤维吸附氙的各种因素做了大量研究外, 还对其吸附机理做了深入研究并建立了氙在活性炭纤维吸附床上穿透的动力学模型。文献研究表明活性碳纤维对氙的吸附量并不随比表面积的增大而持续增大, 活性炭纤维的孔径及微孔体积与氙的吸附有更密切的关系[26,27,28]。试验用X光电子能谱分析了沥青基活性碳纤维对氙吸附前后的结构, 沥青基活性碳纤维吸附氙前后的XPS图如图1所示。

从图1中可以看出, CIS峰在吸附过程中结合能未发生位移, 说明吸附过程中没有新的化学键形成, 氙气的吸附属于物理吸附, 是在微孔中发生分子筛吸附或毛细管凝聚的结果。在高真空条件下用ESCA测定了Xe 3d峰, 结果没有发现Xe的特征峰, 表明Xe已被抽走, 从而再次证明Xe在活性炭纤维中的吸附是物理吸附。研究表明, 活性炭纤维的微孔孔径影响吸附的选择性, 而活性炭纤维微孔的体积直接影响其吸附量。实验还表明在工作温度较低时, 粘胶基活性炭纤维是比较理想的吸附剂, 而在工作温度较高时, 用沥青基活性炭纤维作吸附剂则效果较佳。目前国内已经用活性炭纤维作为吸附剂研制了一套稀有气体取样实验装置 (RSRG) , 并以129Xe为分析对象, 利用感应耦合等离子体质谱仪进行了取样效率标定。实验结果表明, 在采用再生吸附剂条件下, ESRG装置对大气本底水平浓度氙同位素的取样效率可达40%。

此外陈水挟等也都对活性炭纤维吸附氙的性能做了深入的研究, 结果显示氙的吸附量与其孔径分布密切相关, 其中, 尤其以半径小于等于0.4nm的极微孔最有利于氙的吸附。进一步的研究还表明, 活性炭纤维对氙的这种吸附规律是由于活性炭纤维中的窄孔 (极微孔) 对氙具有较高的吸附热所致。他们根据此理论对活性炭纤维的结构进行修饰, 设计出具有合适孔分布的活性炭纤维, 从而提高活性碳炭纤维对氙的吸附富集容量。他们还研究用亚甲基蓝填充修饰了活性炭纤维的微孔, 结果显示填充过亚甲基蓝的活性炭纤维对氙的吸附量有了明显的增加, 由此推断亚甲基蓝能有效地修饰并提高活性炭纤维的微孔比例, 提高活性炭纤维对氙的吸附能力。另外, 用载贵金属的方法对活性炭纤维进行修饰也可以显著地提高活性炭纤维对氙的吸附容量, 其可能的原因是:适量的贵金属修饰了活性炭纤维的孔宽分布, 增强了活性炭纤维孔壁对氙的作用力;同时, 由于纤维表面存在纳米尺寸的贵金属颗粒, 为氙的吸附提供了较大的面积和较强的范德华作用力, 增强了纤维表面对氙气的吸附势能, 从而提高了载贵金属活性炭纤维对氙的吸附容量。

活性炭纤维是一种很有前途的氙气吸附材料并取得了一定的成果, 但是由于活性炭颗粒的装填密度一般较活性炭纤维大5~10倍, 虽然活性炭纤维单位质量吸附氙的量均高于活性炭颗粒, 但在柱长和柱径相同的条件下, 活性炭颗粒柱的吸附效率比活性炭纤维柱的高, 且活性炭纤维有装填密度小、装柱比较困难的局限性, 要使其在氙气吸附方面得到应用还需做更进一步研究[29]。

2.3 分子筛

2.3.1 分子筛的结构特征分析

分子筛是一种硅铝酸盐, 一般孔径为0.5~1.0nm, A型、X型沸石比表面超过1000m2/g。其主要由硅铝通过氧桥连接组成空旷的骨架结构, 在结构中有很多孔径均匀的孔道和排列整齐、内表面积很大的空穴, 此外还含有电价较低而离子半径较大的金属离子和化合态的水。由于加热后连续地失去水分子, 但晶体骨架结构不变, 形成了许多大小相同的空腔, 空腔又有许多直径相同的微孔相连, 比孔道直径小的物质分子吸附在空腔内部, 而把比孔道大的分子排斥在外, 从而使不同大小形状的分子分开, 起到筛选分子的作用, 因而称作分子筛。沸石和分子筛都是富含水的K、Na、Ca、Ba的硅铝酸盐, 从化学成分上说是一样的。而分子筛的功能要高级得多, 比如筛选分子、作催化剂、缓释催化剂等, 因而对孔径有一定的要求, 经常是人工合成的。用碱金属或碱土金属对沸石进行离子交换, 可以增加分子筛的吸附特性, 此外分子筛具有填装密度大、孔径分布范围窄、选择吸附性强等优点, 可作为一种潜在的氙吸附剂。

2.3.2 分子筛对氙的吸附

有关分子筛氙吸附性能国外早有所研究, 而在国内这方面的研究报道还很少, 20世纪70年代B.P.Bering等就对活性炭和X型分子筛的氙吸附性能进行了对比, 但是结果显示活性炭的吸附效果比较好。I.I.Seliverstova等对X型分子筛的氙吸附性能也做了研究但效果也不是太好, 1993年J.Watermann等对Y型分子筛的氙吸附性能作了研究, 实验用银离子对Y型分子筛进行离子交换, 分别用改性前后的Y型分子筛作了氙气的吸附等温曲线, 结果显示用银离子进行离子交换后分子筛的吸附性能明显提高。钛硅分子筛ETS-10作为一种新型的分子筛, 自从1989年问世以来就一直受到人们的青睐。由于具有十二元环、三维的孔道结构和0.8nm的孔口尺寸, ETS-10在分子吸附方面具有很大的应用潜力。Steven M.Kuznicki等用改性的ETS-10吸附手术室中残余氙气以减少成本, 他们用银离子对ETS-10进行离子交换, 实验结果显示银离子交换后的ETS-10对氙气的吸附能力更强, 但对其吸附机理并没有做进一步的研究。除此之外, 国外用改性的分筛作为氙吸附剂的研究还很多, 使分子筛的氙吸附研究有了很大的进展, 但由于其表面积小等因素的限制, 想要在实际中得到应用仍需做进一步的研究, 对分子筛的结构进行改进[30,31,32,33]。

2.4 其他吸附剂

除了上述3类吸附剂外, 国内外很多科研工作者还利用碳分子筛[34,35,36,37]、石墨[38]、碳纳米管等吸附材料及其改性物作为氙吸附剂来进行研究, 其中对石墨和碳纳米管的氙吸附性能都没有做深入的研究, 而有关碳分子筛氙吸附性能的研究较为多一点, 但是用碳分子筛作氙吸附剂仍存在比表面积太小等问题, 不能在实际中得到应用。

3 氙气吸附剂吸附性能影响因素分析

综上所述, 可以得出影响吸附材料氙吸附性能的主要参数分别是比表面积、孔径和孔容。

3.1 比表面积对氙吸附量的影响

有效氙吸附剂要求具有高度发达的微孔结构, 这就意味着吸附剂的比表面积应该很大, 研究表明吸附剂比表面积在2000~2500m2/g时可望获得较高的氙吸附量。但大量研究也表明, 并非比表面积越大越好, 吸附剂吸附氙的能力还与其孔结构、填充密度有关。有效的吸附剂应使其比表面积、微孔结构、填充密度三者合理匹配。实验表明, 高比表面吸附剂的比表面积一般与其填充密度成反比[39,40,41,42]。

3.2 孔径对氙吸附量的影响

吸附剂对氙的吸附量不仅与它的比表面积有关, 而且还与它的孔径大小分布有关。氙气为惰性气体, 其化学性质极其稳定, 其分子直径为0.44nm, 吸附剂对氙气的吸附为物理吸附, 吸附剂的孔尺寸是氙气分子直径的2倍时, 吸附质分子能有效地接受微孔表面叠加的吸附力场, 有利于吸附氙, 综合考虑, 吸附剂的最佳孔径应在0.9nm左右, 因此, 微孔分布集中的高比表面积的吸附剂应该是氙吸附剂的最好材料。

3.3 孔容对氙吸附量的影响

影响氙吸附的因素除了孔径大小外, 还有微孔孔容, 微孔孔容占总孔容积的比例越大对氙气的吸附越有利。

4 结语

变压吸附制氮系统消音器改造 篇9

以空气为原料, 空气进入碳分子筛, 通过变压吸附 (PSA) 法将其分离, 从而获得纯度为99.9%的氮气, 变压吸附技术, 具有产品纯度高, 设备简单和操作维护方便的优点。

变压吸附PSA制氮系统经过一段时间的运行后, 碳分子筛被所吸附的氧分子饱和需进行再生。

PSA制氮系统在运行中, 吸附与再生过程交替进行, 完成氧氮分离, 当进行再生时, 采用的是减压再生, 即将吸附塔内的0.6MPa的富氧空气瞬间排空, 使分子筛得到再生, 在进行再生时, 由于大量的空气瞬间排出, 在排出口会产生巨大的噪音, 原设备带有一级消音器, 但在放空口产生的噪音经测定仍高达132分贝, 而国家在工业企业噪声卫生标准中规定, 工业企业的生产车间和作业场所的工作地点的噪声标准为85分贝。我厂如此高分贝的噪音给安全生产带来了隐患, 也给操作人员的身体造成了一定的伤害, 为了保证操作人员的安全生产, 对消音器进行改造是十分必要的。

2 原因分析

消音器作为排气管道的一部分, 要求其排气畅通、阻力小及有足够强度, 确保气体能安全有效地排出, 而我厂的消音器存在弊端, 消音效果不理想。

针对我厂现有消音器噪音超标, 研究PSA制氮系统消音未能达标的原因, 为达到预期效果, 改造现有消音器, 使PSA排气噪音降至低于环保要求指标。

经现场调查研究, 造成噪音超标的原因主要有以下两点:

(1) 原消音器为单节, 长度为1.2米, 明显消音处理量不够, 而且受气流的冲击, 设备和管道的振动也大。

(2) 室外排空口距地面7米, 高度偏低, 瞬间排出的气流产生的噪音相对较大。

3 方案制定

针对以上两点, 结合现场条件, 我们拟定了如下改造方案:

(1) 增加一级消音器, 并将原消音器进行更换, 将出口的噪音降至85分贝以下。

由于厂房内空间有限, 室内只能放置一节1米高的消音器, 更换的消音器与原消音器口径保持一致, 均为600mm;室外空间较大, 可安装2米高的消音器, 但口径只能与排空管保持一致, 为300mm。

(2) 将排空口向上加高, 由于排空线是固定在厂房外墙上, 所以可以加高至1米。

4 项目实施

经过对选定消音器的核算, 完全可以满足降低噪音至85分贝以下的要求, 于是委托PSA制氮生产厂商进行了加工生产, 并于2010年冬季停厂检修中进行了安装, 有效降低设备的废气排放噪音。主要改造是:

(1) 加工一个直径6 0 0 m m, 高1000mm的高效消音器, 将原来的消音器进行更换并加固消音器。

(2) 加工一个直径3 0 0 m m, 高2000mm的高效消音器, 接于室外的排空管上。

(3) 将原排空口加高至距离地面1米。

5 实施效果

消音器经过改造后, PSA系统产量保持稳定, 效果良好, 在2011年3月开车试运时, 放空系统进行现场噪音测定, 结果是:在放空口测定的噪音已降低至85分贝, 而放空口下方处测得的噪音最高为71.5分贝, 关闭所有门窗测得厂房内噪音最高为68分贝。完全符合安全生产的要求, 与改造前相比, 噪音大大下降, 而且消音器经过改造后, 设备和管线的振动也大大降低, 有效提高了设备运行的安全可靠性。

6 总结

在全社会、各行业对安全生产高度重视的前提下, 进一步降低噪音、消除安全隐患, 加强人员和设备的安全生产是做好安全生产的重要措施, 通过对影响员工人身安全、生产安全的不利因素进行改造, 为员工创造一个安全、舒适的工作环境, 可以增强员工的生产积极性和安全性, 进一步提高工作效率和成绩。使得生产的平稳、安全、高效得到进一步加强, 是一项很有启发意义的技术改造。

参考文献

[1]叶振华.化工吸附分离过程[M].北京:中国石化出版社, 1992

[2]顾飞龙, 等.变压吸附制氮装置用于工业生产中的惰性保护[J].化工机械, 2002, (2)