變壓吸附

變（biàn）壓吸附概況

1960年Skarstrom提出PSA專利，他以（yǐ）5A沸石分子篩為吸附劑，用一個兩床PSA裝置，從空氣中分離出富氧，該過程經過改進，於（yú）60年代投入（rù）了工業生產（chǎn）。80年代，變壓吸附技術的工業應用取得了突破（pò）性的進展，主（zhǔ）要應（yīng）用在氧氮分（fèn）離、空氣幹燥與淨（jìng）化以及（jí）氫氣淨化等。其中，氧氮分離的技（jì）術進展是把新型吸附劑碳分子篩與變壓（yā）吸附結合起來，將空氣（qì）中（zhōng）的O2和N2加以分離，從而獲得氮氣。

變壓吸（xī）附（fù）製氮

隨著（zhe）分子篩性能（néng）改進和質量提高，以及變（biàn）壓吸附工藝的不斷改進，使產品純度和回收率不斷提高，這又促使（shǐ）變壓吸（xī）附在經濟上立足和工業化的實現（xiàn）。

發展史

變壓吸附空分製氧始創於20世紀60年代初(Skarstrom,1960; Guerin de Montgarenil & Domine, 1964)，並於70年代實現工業化生產。在此之前（qián）,傳統的工業（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CaX和LiX等高吸附分離性能的（de）沸石分子篩的相繼開發利用和工藝流程的改進，使得變壓吸附空分技術得到迅（xùn）速地發（fā）展，與深冷空分（fèn）裝置相比，PSA過程具有啟動時間短和開停車方便、能耗較小（xiǎo）和運行成本低、自動（dòng）化（huà）程（chéng）度高和維護（hù）簡單、占地麵積小和土建費用低等特點。在不需要高純氧的（de）中小（xiǎo）規模(小（xiǎo）於100噸/天，相（xiàng）當於3000Nm3/h )氧氣生產中比深冷（lěng）法更具（jù）有競爭力。廣泛的應用於電爐煉鋼、有色金屬冶煉、玻璃加工、甲醇（chún）生產、炭黑生產、化肥（féi）造氣、化（huà）學氧化過程、紙漿漂白、汙（wū）水處理、生物發酵、水產養殖、醫療和軍事等諸多領域(楊，1991; Kumar,1996; Jee, Park, Haam & Lee,2002)。

四十多年（nián）來變壓吸附空分製氧（yǎng）技術的（de）研（yán）究進展主要（yào）表現在兩個方（fāng）麵:一是空分（fèn）製氧吸附劑和其吸附理論的研（yán）究方麵，二（èr）是空分製（zhì）氧工（gōng）藝循環過程的研究方麵(Sircar,1994;Ruthven.Farooq&Knaebel, 1994)。國內對這項技術的研究盡管起步較早，然而在較長的一段時（shí）間內（nèi）發展相對較緩。直至進入九十年代以來，變壓（yā）吸附製氧設備的優越性才（cái）逐漸被（bèi）國人（rén）認（rèn）可，近幾（jǐ）年各（gè）種（zhǒng）流程的設備相繼（jì）投產為各（gè）行各業帶來了巨大的經濟效益。

變溫吸附

吸附分離方法

任何一種吸附對於同一被吸附氣體（吸附質）來說，在吸附平衡（héng）情況下（xià），溫（wēn）度越低（dī），壓力（lì）越高，吸（xī）附量越大。反之，溫（wēn）度越高，壓力越低，則吸附量越小。因（yīn）此，氣體的（de）吸附（fù）分離方法，通常采用變溫吸附或變壓吸附（fù）兩種循環過程。

變溫吸附（fù）原（yuán）理

如（rú）果壓（yā）力不變，在常溫或低溫的情況（kuàng）下（xià）吸附，用高溫解吸的方法，稱為變溫吸附（簡稱TSA）。顯然，變（biàn）溫吸附是通過改變溫度來進行吸附和（hé）解（jiě）吸的。變溫吸附操作是在（zài）低溫（常溫）吸附（fù）等溫線和高（gāo）溫吸（xī）附等溫線之（zhī）間的垂線（xiàn）進行，由於吸（xī）附劑的比熱容（róng）較大，熱導率（導熱係數）較小，升溫和降溫都需要較長的時間，操作上比較麻（má）煩，因（yīn）此（cǐ）變溫吸（xī）附主要用於含吸附質較少的氣體淨化方麵。

變壓吸附原理

如果溫度不變，在加壓（yā）的（de）情況下吸（xī）附，用減壓（抽真（zhēn）空）或常（cháng）壓解

圖1 等溫吸附曲線

吸的（de）方法，稱為變壓吸附。可見，變壓吸附是通過改變（biàn）壓力來吸附和解吸的。變壓吸附操作由於吸附劑的熱導率較小，吸附熱和解吸熱所引起（qǐ）的吸附劑床層溫度（dù）變化不大，故（gù）可（kě）將其看成等溫過程，它的工況近似地沿著常溫吸附等（děng）溫線（xiàn）進行，在較高壓力（P2）下吸附，在（zài）較低壓力（P1）下解吸。變壓吸附既然沿著吸附等溫線進（jìn）行，從靜態吸附平衡來看（kàn），吸附等溫（wēn）線的斜率對它的是影響很大的，在溫度不變的情況下，壓力和吸附量之（zhī）間的關係，如（rú）圖1所示，圖中PH表示吸附壓力，PL表示解吸（減壓後）壓力，這時PH與PL所應的吸附量的差，實質（zhì）上是有效吸附量，以Ve表示之。顯然，直線型吸附等（děng）溫線（xiàn）的有效吸附量比曲線型（Langmuir型）的要（yào）來（lái）得大。

吸附常常是在壓力環（huán）境下進行的，變壓吸附提出（chū）了加壓和減壓相結合的方法，它通常是由加壓吸附、減壓再組成（chéng）的吸附一解吸係統。在等溫的情況下，利用加壓吸附和（hé）減壓解（jiě）吸組合成吸附操作循環過程。吸附劑對吸附質的吸附量隨著壓力的升高而增加，並隨著壓力的（de）降低而減少，同時在（zài）減壓（yā）（降至常壓或（huò）抽真空）過程中，放出被吸附的氣體，使吸附劑再生，外界不需要供給熱量便可進行吸附劑的再生（shēng）。因此，變壓（yā）吸（xī）附既稱等溫吸附，又稱無熱再（zài）生吸附。

變壓吸附過程

吸附過程

來（lái）自空（kōng）氣壓縮機的壓縮空氣，首先進入冷幹機脫除水分，然後進入由兩台吸附塔組成的PSA製氮裝置（zhì），利（lì）用塔中裝（zhuāng）填的專用碳分子篩吸附劑（jì）選擇性地吸附掉O₂、CO₂等雜質氣體組分，而作為產品氣N₂將以99%的（de）純度由塔頂排出。

吸附劑再生

在降（jiàng）壓時，吸附劑吸附的氧氣解吸出來，通過塔底逆放排出，經吹洗（xǐ）後，吸附劑得以再生。完成再生後的吸附劑經均壓升壓和產品升壓後又可轉入吸附。兩塔交替使用，達到連續分離空氣（qì）製氮的目（mù）的。

變壓吸附（fù）應用

用碳分（fèn）子篩製氮主要是基於氧和氮（dàn）在碳分（fèn）子篩（shāi）中的擴散速率不同，在0.7-1.0Mpa壓力下,即氧在碳分子（zǐ）篩（shāi）表麵的擴散速（sù）度大於（yú）氮的擴散速度，使碳（tàn）分子篩優先吸附氧，而氮（dàn）大部分富集於不吸附相中。碳（tàn）分子（zǐ）篩本身具有加壓時對氧的吸附容量增加，減壓時對（duì）氧的吸附量減少（shǎo）的（de）特性。利用這種特性采用變壓（yā）吸附法進行氧、氮分離。從而得到（dào）99.99%的氮氣（qì）。