變壓吸附的工作原理

一、吸附劑的再生方法

        為了能使吸附分離法經(jīng)濟有效的實現(xiàn)，除了吸附劑要有良好的吸附性能以外，吸附劑的再生方法具有關(guān)鍵意義。吸附劑再生深度決定產(chǎn)品的純度，也影響吸附劑的吸附能力；吸附劑的再生時間決定了吸附循環(huán)周期的長短，從而也決定了吸附劑用量的多少。因此選擇合適的再生方法，對吸附分離法的工業(yè)化起著重要的作用。

        由描述吸附平衡的等溫吸附線知道，在同一溫度下，吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附量隨吸附質(zhì)的分壓上升而增加；在同一吸附質(zhì)分壓下，吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附量隨吸附溫度上升而減少；也就是說加壓降溫有利于吸附質(zhì)的吸附，降壓加溫有利于吸附質(zhì)的解吸或吸附劑的再生。

        于是按吸附劑的再生方法將吸附分離循環(huán)過程分成兩類：變溫吸附法和變壓吸附法。圖2-9表示了這兩種方法的概念，圖中橫座標為吸附質(zhì)的分壓，縱座標為單位吸附劑的吸附量。上面一條是常溫下的等溫吸附線，下面一條是高溫下的

1．變溫吸附法

        在較低溫度（常溫或更低）下進行吸附，而升高溫度將吸附的組分解吸出來。從圖2-9看出，變溫吸附是在兩條不同溫度的等溫吸附線之間上下移動進行著吸附和解吸。由于常用吸附劑的熱傳導(dǎo)率比較低，加溫和冷卻的時間就比較長（往往需要幾個小時），所以吸附床比較大，而且還要配備相應(yīng)的加熱和冷卻設(shè)施，能耗、投資都很高。

        此外，溫度大幅度周期性變化也會影響吸附劑的壽命。但變溫吸附法可適用于許多場合，產(chǎn)品損失少，回收率高，所以目前仍為一種應(yīng)用較廣的方法。

2．變壓吸附法

        在加壓下進行吸附，減壓下進行解吸。由于循環(huán)周期短，吸附熱來不及散失，可供解吸之用，所以吸附熱和解吸熱引起的吸附床溫度變化一般不大，波動范圍僅在幾度，可近似看作等溫過程。由圖2-1看出，變壓吸附工作狀態(tài)僅僅是在一條等吸附線上變化。

        常用減壓吸附方法有以下幾種，其目的都是為了降低吸附劑上被吸附組分的分壓，使吸附劑得到再生。

a. 降壓：

        吸附床在較高壓力下吸附，然后降到較低壓力，通常接近大氣壓，這時一部分吸附組分解吸出來。這個方法操作簡單，單吸附組分的解吸不充分，吸附劑再生程度不高。

b. 抽真空：

        吸附床降到大氣壓以后，為了進一步減少吸附組分的分壓，可用抽真空的方法來降低吸附床壓力，以得到更好的再生效果，但此法增加了動力消耗。

c. 沖洗：

        利用弱吸附組分或者其它適當?shù)臍怏w通過需再生的吸附床，被吸附組分的分壓隨沖洗氣通過而下降。吸附劑的再生程度取決于沖洗氣的用量和純度。

d. 置換：

        用一種吸附能力較強的氣體把原先被吸附的組分從吸附劑上置換出來。這種方法常用于產(chǎn)品組分吸附能力較強而雜質(zhì)組分較弱即從吸附相獲得產(chǎn)品的場合。

        在變壓吸附過程中，采用哪種再生方法是根據(jù)被分離的氣體混合各組分性質(zhì)、產(chǎn)品要求、吸附劑的特性以及操作條件來選擇，通常是由幾種再生方法配合實施的。

        應(yīng)當注意的是，無論采用何種方法再生，再生結(jié)束時，吸附床內(nèi)吸附質(zhì)的殘余量不會等于零，也就是說，床內(nèi)吸附劑不可能徹底再生。這部分殘余量也不是均勻分布再吸附床內(nèi)各個部位。圖2-10中曲線-2示出了這部分殘余量在床內(nèi)的分布情況。曲線-1就是前述的吸附負荷曲線。兩根曲線分別與座標所形成的面積之差稱為吸附床的有效吸附負荷。此質(zhì)增大，有利于吸附操作。吸附工況確定后，有效吸附負荷就取決于吸附床的再生程度。由此，可看出再生在吸附操作中的重要性。

二、變壓吸附工作基本步驟

        單一的固定吸附床操作，無論是變溫吸附還是變壓吸附,由于吸附劑需要再生，吸附是間歇式的。因此，工業(yè)上都是采用兩個或更多的吸附床，使吸附床的吸附和再生交替（或依次循環(huán)）進行，保證整個吸附過程的連續(xù)。

        對于變壓吸附循環(huán)過程，有三個基本工作步驟：

1．壓力下吸附

        吸附床在過程的最高壓力下通入被分離的氣體混合物，其中強吸附組分被吸附劑選擇性吸收，弱吸附組分從吸附床的另一端流出。

2．減壓解吸

        根據(jù)被吸附組分的性能，選用前述的降壓、抽真空、沖洗和置換中的幾種方法使吸附劑獲得再生。一般減壓解吸，先是降壓到大氣壓力，然后再用沖洗、抽真空或置換。

3．升壓

        吸附劑再生完成后，用弱吸附組分對吸附床進行充壓 ，直到吸附壓力為止。接著又在壓力下進行吸附。

圖2-11示出了在一個變壓循環(huán)中吸附劑的吸附負荷與壓力的變化關(guān)系。

三、吸附劑的選擇

        吸附劑對各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)下的流出曲線來評價的。吸附劑的良好吸附性能是吸附分離過程的基本條件。

        在變壓吸附過程中吸附劑的選擇還要考慮解決吸附和解吸之間的矛盾。例如對于苯、甲苯等強吸附質(zhì)就要用對其吸附能力較弱的吸附劑如硅膠，以使吸附容量適當，又有利于解吸操作。而對于弱吸附質(zhì)如甲烷、氮、一氧化碳等，就需要選用吸附能力較強的吸附劑如分子篩等，以期吸附容量大些。選擇吸附劑的另一要點是組分間的分離系數(shù)盡可能大。

         所謂分離系數(shù)的定義是這樣的：

        設(shè)有一個二組分體系，其中A為強吸附組分；B為弱吸附組分。它們的含量分別為X_a和X_b，組分A和B的吸附系數(shù)K_a、K_b各為：

                                K_a =q_a.T.p₀/(v.T₀.p.X_a)         ;      K_b=q_b.T. p₀/( v.T₀.p.X_b)

        式中：q—床內(nèi)吸附劑吸附A或B組分在標準狀態(tài)下的體積；

          p、T—工作狀態(tài)下的壓力和溫度；

          v—吸附床的死體積（即床內(nèi)流體能占有的體積），其值為：

                                                 v=1/d_b – 1/d_g

        于是分離系數(shù)α為：

                                               α=（K_a+1）/(K_b+1)

        也就是說，某組分吸附平衡時在吸附床內(nèi)的總量有兩部分，一部分是在死空間中，另一部分被吸附劑所吸附，其總和叫做某組分在吸附床內(nèi)的存留量；弱吸附組分和強吸附組分各自在死空間中含有的量占床內(nèi)存留量的比值之比稱為分離系數(shù)。分離系數(shù)越大分離越容易。在變壓吸附中被分離的兩種組分的分離系數(shù)不宜小于2。表2-2、2-3列出了常見主要組分在大氣壓和20℃下的分離系數(shù)。

        另外，在吸附床運行過程中因床內(nèi)壓力周期地變化，氣體短時間內(nèi)進入、排出，吸附劑應(yīng)有足夠的強度，以減少破碎和磨損。被分離的氣體如果含有象有機機械潤滑油、煤焦油之類的物質(zhì)，那么在吸附過程中，這些油性物質(zhì)會粘附在吸附顆粒的外表面，堵塞吸附劑內(nèi)的通道，使吸附劑失去吸附能力。粘附有油類物質(zhì)的任何吸附劑，不管采用升溫還是降壓抽空的再生方法，都是不能再生的。因此對氣體中的含油量必須嚴格限制，有的場合就需增設(shè)除油設(shè)施，以免吸附劑在使用中失效。

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