变压吸附理论学习ppt课件.ppt

4 19 2020 变压吸附学习PSA 1 4 19 2020 1概况 变压吸附 PressureSwingAdsorption 简称PSA 是一种新型气体吸附分离技术 它有如下优点 产品纯度高 一般可在室温和不高的压力下工作 床层再生时不用加热 节能经济 设备简单 操作 维护简便 连续循环操作 可完全达到自动化 正是因为这样的优点 PSA技术发展到现在 技术发展迅速并相当成熟 变压吸附发展史变压吸附空分制氧始创于20世纪60年代初 并于70年代实现工业化生产 在此之前 传统的工业空分装置大部分采用深冷精馏法 简称深冷法 2 4 19 2020 80年代以来至今高吸附分离性能的沸石分子筛的相继开发利用和工艺流程的改进 使得变压吸附空分技术得到迅速地发展 与深冷空分装置相比 PSA过程具有启动时间短和开停车方便 能耗较小和运行成本低 自动化程度高和维护简单 占地面积小和土建费用低等特点 在不需要高纯氧的中小规模 小于100吨 天 相当于3000Nm3 h 氧气生产中比深冷法更具有竞争力 广泛的应用于电炉炼钢 有色金属冶炼 玻璃加工 甲醇生产 碳黑生产 化肥造气 化学氧化过程 纸浆漂白 污水处理 生物发酵 水产养殖 医疗和军事等诸多领域四十多年来变压吸附空分制氧技术的研究进展主要表现在两个方面 一是空分制氧吸附剂和其吸附理论的研究方面 二是空分制氧工艺循环过程的研究方面 国内对这项技术的研究尽管起步较早 然而在较长的一段时间内发展相对较缓 但是近几年各种流程的设备相继投产为各行各业带来了巨大的经济效益 3 4 19 2020 一 变压吸附工艺基本知识 4 4 19 2020 变压吸附的主要任务及其基本原理 变压吸附 pressureswingabsorption 的主要任务 1 分离提纯氢气 2 为加氢改质装置及聚丙烯装置提供氢气 3 连续重整装置开车用氢 变压吸附的基本原理 5 4 19 2020 2原理2 1先看吸附 当两种相态不同的物质接触时 其中密度较低物质的分子在密度较高的物质表面被富集的现象和过程 具有吸附作用的物质 一般为密度相对较大的多孔固体 被称为吸附剂 被吸附的物质称为吸附质 吸附按其性质的不同可分为四大类 即 化学吸附 活性吸附 毛细管凝缩 物理吸附 本次学习的变压吸附主要就是物理吸附 气相 固相 6 4 19 2020 气体吸附分离技术的基础 被吸附的气体分子在固体表面上形成的吸附层 称为吸附相 吸附相的密度比一般气体的密度大得多 有可能接近液体密度 当气体是混合物时 由于固体表面对不同气体分子的压力差异 使吸附相的组成与气相组成不同 这种气相与吸附相在密度上和组成上的差别构成了气体吸附分离技术的基础 7 4 19 2020 化学吸附与物理吸附 化学吸附 即吸附过程伴随有化学反应的吸附 在化学吸附中 吸附质分子和吸附剂表面将发生反应生成表面络合物 其吸附热接近化学反应热 化学吸附需要一定的活化能才能进行 通常条件下 化学吸附的吸附或解吸速度都要比物理吸附慢 石灰石吸附氯气 沸石吸附乙烯都是化学吸附 物理吸附 也称范德华 vanderWaais 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 此力也叫作范德华力 由于固体表面的分子与其内部分子不同 存在剩余的表面自由力场 当气体分子碰到固体表面时 其中一部分就被吸附 并释放出吸附热 在被吸附的分子中 只有当其热运动的动能足以克服吸附剂引力场的位能时才能重新回到气相 所以在与气体接触的固体表面上总是保留着许多被吸附的分子 由于分子间的引力所引起的吸附 其吸附热较低 接近吸附质的汽化热或冷凝热 吸附和解吸速度也都较快 被吸附气体也较容易地从固体表面解吸出来 所以物理吸附是可逆的 物理吸附通常分为变温吸附和变压吸附 8 4 19 2020 物理吸附是指依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力 即范德华力 进行的吸附 其特点是 吸附过程中没有化学反应 吸附过程进行的极快 参与吸附的各相物质间的平衡在瞬间即可完成 并且这种吸附是完全可逆的 2 2吸附平衡吸附平衡是指在一定的温度和压力下 吸附剂与吸附质充分接触 最后吸附质在两相中的分布达到平衡的过程 这个过程为动态平衡 对于相同的吸附剂和吸附质 其平衡吸附容量是一个定值 这个量主要受压力与温度影响 9 4 19 2020 温度 压力对吸附过程的影响 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 10 4 19 2020 压力越高单位时间内撞击到吸附剂表面的气体分子数越多 因而压力越高平衡吸附容量也就越大 由于温度越高气体分子的动能越大 能被吸附剂表面分子引力束缚的分子就越少 因而温度越高平衡吸附容量也就越小 从上图的B A和C D可以看出 在温度一定时 随着压力的升高吸附容量逐渐增大 从上图的B C和A D可以看出 在压力一定时 随着温度的升高吸附容量逐渐减小 一般吸附在常温状态下吸附 视作等温 图一不同温度下的吸附等温线 11 4 19 2020 变压吸附工作基本步骤 对于变压吸附循环过程 有三个基本工作步骤 1 压力下吸附吸附床在过程的最高压力下通入被分离的气体混合物 其中强吸附组分被吸附剂选择性吸收 弱吸附组分从吸附床的另一端流出 2 减压解吸根据被吸附组分的性能 选用前述的降压 抽真空 冲洗和置换中的几种方法使吸附剂获得再生 一般减压解吸 先是降压到大气压力 然后再用冲洗 抽真空或置换 3 升压吸附剂再生完成后 用弱吸附组分对吸附床进行充压 直到吸附压力为止 接着又在压力下进行吸附 12 4 19 2020 吸附剂的种类 工业上常用的吸附剂有 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 硅胶 坚硬 无定形链状和网状结构硅酸聚合物颗粒 亲水性极性吸附剂 硫酸 硅酸钠的水溶液 水洗 干燥 玻璃状的硅胶用于干燥 活性氧化铝 铝的水合物加热脱水制成 对微量水深度干燥 活性炭 木炭 果壳 煤等含碳原料经炭化 活化后制成 水处理 脱色 气体吸附等干燥 沸石分子筛 均匀的孔径 有4埃孔径沸石可吸附甲烷 乙烷 而不吸附三个碳以上的正烷烃 气体吸附分离 气体和液体干燥以及正异烷烃的分离 碳分子筛 微孔孔径均匀地分布在一狭窄的范围内 吸附剂相关知识 13 4 19 2020 PSA吸附剂 PSA工业上常用的吸附剂有 硅胶 活性氧化铝 活性炭 分子筛等 另外还有针对某组分选择性吸附而研制的特殊吸附材料 吸附剂对各种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 14 4 19 2020 变压吸附分离气体混合物所采用的常用吸附剂 15 4 19 2020 吸附剂的物理性质 孔容 VP 吸附剂中微孔的容积称为孔容 通常以单位重量吸附剂中吸附剂微孔的容积来表示 cm3 g 孔容是吸附剂的有效体积 它是用饱和吸附量推算出来的值 也就是吸附剂能容纳吸附质的体积 所以孔容以大为好 吸附剂的孔体积 Vk 不一定等于孔容 VP 吸附剂中的微孔才有吸附作用 所以VP中不包括粗孔 而Vk中包括了所有孔的体积 一般要比VP大 比表面积 即单位重量吸附剂所具有的表面积 常用单位是m2 g 吸附剂表面积每克有数百至千余平方米 吸附剂的表面积主要是微孔孔壁的表面 吸附剂外表面是很小的 16 4 19 2020 吸附剂的物理性质 孔径与孔径分布 在吸附剂内 孔的形状极不规则 孔隙大小也各不相同 直径在数埃至数十埃的孔称为细孔 直径在数百埃以上的孔称为粗孔 孔径分布是表示孔径大小与之对应的孔体积的关系 由此来表征吸附剂的孔特性 表观重度 又称视重度 D Vl Vl Vg Vk Vg固体骨架的体积 Vk孔体积 D本身重量 真实重度 dg 又称真重度或吸附剂固体的重度 D Vg 堆积重度 db 又称填充重度 即单位体积内所填充的吸附剂重量 孔隙率 即吸附颗粒内的孔体积与颗粒体积之比 空隙率 即吸附颗粒之间的空隙与整个吸附剂堆积体积之比 17 4 19 2020 吸附剂的物理性质 18 4 19 2020 下图为不同组分在分子筛上的吸附强弱大致顺序组分吸附能力氦气 弱氢气 氧气 氩气 氮气 一氧化碳 甲烷 二氧化碳 乙烷 乙烯 丙烷 异丁烷 丙烯 戊烷 丁烯 硫化氢 硫醇 戊烯 苯 甲苯 乙基苯 苯乙烯 水 强 不同的气体 要选择合适的吸附剂 19 4 19 2020 a 降压 吸附床在较高压力下吸附 然后降到较低压力 通常接近大气压 这时一部分吸附组分解吸出来 这个方法操作简单 单吸附组分的解吸不充分 吸附剂再生程度不高 b 抽真空 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 但此法增加了动力消耗 c 冲洗 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 吸附剂的再生程度取决于冲洗气的用量和纯度 d 置换 用一种吸附能力较强的气体把原先被吸附的组分从吸附剂上置换出来 这种方法常用于产品组分吸附能力较强而杂质组分较弱即从吸附相获得产品的场合 吸附剂的再生方法 20 4 19 2020 气体流速 油和水对吸附剂的影响 气体流速 油 水 导致吸附剂悬浮时 则磨损加剧 造成吸附剂破碎 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 使水大量带入吸附塔会导致吸附剂性能下降甚至失效 温度150 以上的惰性气体循环通入 不可恢复 21 4 19 2020 吸附剂的良好吸附性能是吸附剂分离过程的基本条件 选择吸附剂时应注意以下问题 1 吸附剂对杂质应有较大吸附量 同时被吸附的杂质易于解吸 从而在短周期内达到吸附 解吸间的平衡 确保分离提纯 2 组分间的分离系数尽可能大 气体组分的分离系数越大 分离越容易 得到的产品纯度越高 同时回收率也高 3 使用的吸附剂应有足够的强度 以减少破碎和磨损 4 分离组分复杂 类别较多的气体混合物 可选用多种吸附剂 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 也可分别装填在多个吸附床内 22 4 19 2020 变压吸附 PSA 大致过程根据变压吸附的原理 在工业变压吸附 PSA 工艺中 吸附剂通常都是在常温和较高压力下 将混合气体中的易吸附组分吸附 不易吸附的组分从床层的一端流出 然后降低吸附剂床层的压力 使被吸附的组分脱附出来 从床层的另一端排出 从而实现了气体的分离与净化 同时也使吸附剂得到了再生 23 4 19 2020 吸附床层 吸附床层怎样实现吸附分离的呢 顶出去 理论 容易被吸附的 顶 出不容易被吸附的 24 4 19 2020 为了使吸附剂再生比较彻底 选择冲洗与抽空在变压吸附 PSA 工艺中 吸附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 其优点是常压下即可完成 但缺点是会多损失部分产品气 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 VPSA VPSA工艺的优点是再生效果好 产品收率高 但缺点是需要增加真空泵 在实际应用过程中 究竟采用以上何种工艺 主要视原料气的组成条件 流量 产品要求以及工厂的资金和场地等情况而决定 25 4 19 2020 5 2吸附分离流程的主要工序吸附工序 在常温 吸附压力下吸附杂质 出产品 减压工序 通过一次或多次的均压降压过程 将床层死空间氢气回收 顺放工序 通过顺向减压过程获得冲洗再生气源 逆放工序 逆着吸附方向减压使吸附剂获得部分再生冲洗工序 用其它塔顺放出的氢气冲洗吸附床 降低杂质分压 使吸附剂完成最终的再生 冲洗时间越长越好抽真空过程 逆放结束后 为使吸附剂得到彻底的再生 通过抽真空进一步降低杂质组分的分压 使吸附剂得以彻底再生 升压工序 通过一次或多次的均压升压和产品气升压过程使吸附塔压力升至吸附压力 为下一次吸附作好准备 26 4 19 2020 5 3流程简述 1 变压吸附部分 10 2 6VPSA工序 本装置变压吸附部分流程由10台吸附塔和4台缓冲罐 3台真空泵 2台压缩机组成 变压吸附部分采用10 2 6VPSA工艺流程 即 装置的十个吸附塔中有一个吸附塔始终处于同时进料吸附的状态 其吸附和再生工艺过程由吸附 连续六次均压降压 冲洗 抽真空 连续六次均压升压和产品最终升压等步骤组成 27 4 19 2020 a吸附过程压力为2 4MPa g 左右 温度40 的重整气及脱硫后低分气的混合原料气自装置外来 原料气经缓冲分液后自塔底进入正处于吸附状态的吸附塔 有2个吸附塔处于吸附状态 内 在多种吸附剂的依次选择吸附下 其中的H2O CH4 和烃类等杂质被吸附下来 未被吸附的氢气作为产品从塔顶流出 经压力调节系统稳压后送出界区去后工段 其中H2纯度大于99 9 压力大于2 4MPa 当被吸附杂质的传质区前沿 称为吸附前沿 到达床层出口预留段某一位置时 关掉该吸附塔的原料气进料阀和产品气出口阀 停止吸附 吸附床开始转入再生过程 28 4 19 2020 b均压降压过程这是在吸附过程结束后 顺着吸附方向将塔内的较高压力的氢气放入其它已完成再生的较低压力吸附塔的过程 该过程不仅是降压过程 更是回收床层死空间氢气的过程 本流程共包括了六次连续的均压降压过程 因而可保证氢气的充分回收 一均降 E1D 二均降 E2D 三均降 E3D 和四均降 E4D 五均降 E5D 六均降 E6D c逆放过程在均压降压过程结束后 吸附前沿已达到床层出口 这时 逆着吸附方向将吸附塔压力降至接近常压 此时被吸附的杂质开始从吸附剂中大量解吸出来 逆放解吸气经过自适应调节系统调节后平缓地放进逆放解吸气缓冲罐 然后再经稳压调节阀调节后送解吸气混合罐 29 4 19 2020 d抽真空过程逆放结束后 为使吸附剂得到彻底的再生 通过抽真空进一步降低杂质组分的分压 使吸附剂得以彻底再生 真空解吸气进入解吸气混合罐 在解吸气混合罐中与逆放解吸气混合后再送去解吸气压缩机压缩至0 5MPa g 后 送至燃气管网 f均压升压过程在真空再生过程完成后 用来自其它吸附塔的较高压力氢气依次对该吸附塔进行升压 这一过程与均压降压过程相对应 不仅是升压过程 而且更是回收其它塔的床层死空间氢气的过程 本流程共包括了连续六次均压升压过程 30 4 19 2020 g产品气升压过程在六次均压升压过程完成后 为了使吸附塔可以平稳地切换至下一次吸附并保证产品纯度在这一过程中不发生波动 需要通过升压调节阀缓慢而平稳地用产品氢气将吸附塔压力升至吸附压力经这一过程后吸附塔便完成了一个完整的 吸附 再生 循环 又为下一次吸附做好了准备 十个吸附塔交替进行以上的吸附 再生操作 有一个吸附塔处于吸附状态 即可实现气体的连续分离与提纯 31 4 19 2020 2 高纯氢部分 4 1 2PSA工艺流程 高纯氢部分由4台吸附塔 3台缓冲罐 2台压缩机组成 采用4 1 2PSA工艺流程 即 装置的四个吸附塔中有一个吸附塔始终处于同时进料吸附的状态 其吸附和再生工艺过程由吸附 连续二次均压降压 顺放 冲洗 连续二次均压升压和产品最终升压等步骤组成 32 4 19 2020 a吸附过程来自原PSA制氢装置的压力为2 3MPa g 左右 温度40 的氢气 自塔底进入正处于吸附状态的吸附塔 同时有1个吸附塔处于吸附状态 内 在吸附剂的依次选择吸附下 其中的CO2 CO H2O等杂质被吸附下来 未被吸附的氢气作为产品从塔顶流出 经压力调节系统稳压后送出界区去后工段 其中CO含量低于0 03PPm 压力大于2 2MPa 当被吸附杂质的传质区前沿 称为吸附前沿 到达床层出口预留段某一位置时 关掉该吸附塔的原料气进料阀和产品气出口阀 停止吸附 吸附床开始转入再生过程 33 4 19 2020 b均压降压过程这是在吸附过程结束后 顺着吸附方向将塔内的较高压力的氢气放入其它已完成再生的较低压力吸附塔的过程 该过程不仅是降压过程 更是回收床层死空间氢气的过程 本流程共包括了二次连续的均压降压过程 因而可保证氢气的充分回收 c顺放过程这是在吸附结束后 首先顺着吸附方向将吸附塔顶部的产品氢气迅速回收进顺放气缓冲罐的过程 这部分氢气将用作吸附剂的再生气源 34 4 19 2020 d逆放过程在顺放过程结束后 吸附前沿已达到床层出口 这时 逆着吸附方向将吸附塔压力降至接近常压 此时被吸附的杂质开始从吸附剂中大量解吸出来 逆放解吸气放入原PSA制氢装置解吸气系统 e冲洗过程逆放结束后 为使吸附剂得到彻底的再生 用顺放气缓冲罐中的氢气逆着吸附方向对吸附床层进行冲洗 进一步降低杂质组分的分压 使吸附剂得以彻底再生 冲洗解吸气放入原PSA制氢装置解吸气系统 35 4 19 2020 f均压升压过程在冲洗再生过程完成后 用来自其它吸附塔的较高压力氢气依次对该吸附塔进行升压 这一过程与均压降压过程相对应 不仅是升压过程 而且更是回收其它塔的床层死空间氢气的过程 本流程共包括了连续二次均压升压过程 36 4 19 2020 g产品气升压过程在二次均压升压过程完成后 为了使吸附塔可以平稳地切换至下一次吸附并保证产品纯度在这一过程中不发生波动 需要通过产品氢气将吸附塔压力缓慢升至吸附压力 经这一过程后吸附塔便完成了一个完整的 吸附 再生 循环 又为下一次吸附做好了准备 四个吸附塔交替进行以上的吸附 再生操作 始终有一个吸附塔处于吸附状态 即可实现气体的连续分离与提纯 37 4 19 2020 38 4 19 2020 3 工艺步序说明以10 2 6VPSA工艺 处理H2量30000Nm3 h 来说 装置的十个吸附塔中有一个吸附塔始终处于同时进料吸附的状态 其吸附和再生工艺过程由吸附 连续六次均压降压 冲洗 抽真空 连续六次均压升压和产品最终升压等步骤组成 4 具体步序描述步序1 吸附 A 原料气经吸附程控阀进入PSA吸附塔 其中除H2以外的杂质组份被吸附塔中装填的多种吸附剂依次吸附 得到纯度很高的产品氢气经程控阀排出 大部分氢气经压力调节阀稳压后送出界区 少部分氢气通过 39 4 19 2020 相应的程控阀后用于其它塔的产品气升压 随着吸附的进行 当杂质的前锋 即吸附前沿 上升至接近于吸附床出口时 关闭程控阀停止吸附 这时 吸附前沿与吸附床出口间还留有一段未吸附饱和的吸附剂 称为预留段 步序2 一均降压 E1D 在吸附过程完成后 打开一均降程控阀 将塔内较高压力的氢气放入刚完成了二均升的另一塔 如B塔 直到A B两塔的压力基本相等为止 这一过程不仅是降压过程 而且也回收了A塔床层死空间内的氢气 在这一过程中A塔的吸附前沿将继续向前推移 但仍未达到出口 步序3 二均降压 E2D 步序4 三均降压 E3D 步序5 四均降压 E4D 步序6 五均降压 ED 步序7 六均降压 E6D 40 4 19 2020 步序8 逆放 D 在完成连续顺放减压过程后 A塔的吸附前沿已基本达到床层出口 这时打开逆放程控阀 逆着吸附方向将A塔压力降至接近于常压 此时被吸附的杂质开始从吸附剂中解吸出来 逆放解吸气放入逆放气缓冲罐 41 4 19 2020 步序9 抽真空 V 冲洗结束 打开相应的抽空程控阀门 把A塔内的杂质彻底抽出 让塔内的吸附剂完全得到再生 T很长 步序10 六均升压 E6R 在抽真空完成后 打开六均升程控阀门 将另一塔 如J塔 内较高压力的氢气放入刚完成了抽空的A塔 直到A J两塔的压力基本相等为止 这一过程不仅是升压过程 而且也回收了J塔床层死空间内的氢气 步序11 五均升压 E5R 步序12 四均升压 E4R 步序13 三均升压 E3R 步序14 二均升压 E2R 步序15 一均升压 E1R 42 4 19 2020 步序16 产品气升压过程 终充FR 通过六次均压升压过程后 吸附塔压力已升至接近于吸附压力 这时打开终充程控阀 用产品氢气将A塔压力升至吸附压力 经这一过程后 吸附塔便完成了整个再生过程 为下一次吸附做好了准备 这就完成一个塔 A塔 分周期吸附 进入下一个分周期 43 4 19 2020 从工艺步序可以看到 PSA氢提纯部分的10台吸附塔的工艺步序是完全相同的 只是在各步序的运行时间上依次为一个固定时间 与吸附时间有关 这样就实现了始终有两塔处于吸附状态 其余八塔分别处于不同的再生状态 保证了原料气的连续分离与提纯 对于操作而言 要记住的是每一个程控阀门的功能 和吸附塔的工作顺序 这样就能在装置故障时迅速判断出故障的位置 44 4 19 2020 45 4 19 2020 这就是PSA10 2 6的整个工艺流程 这个工艺通过自控系统 还可以切换成如下表的其它流程 如9塔 8塔 5塔等的工艺流程 切塔后换成其他的工艺流程 氢气回收率就会受到影响 46 4 19 2020 6装置的运行变压吸附氢提纯装置在正常运行过程中的操作是非常少的 几乎所有的调节均由计算机自动完成 操作人员只需注意产品纯度是否在最佳范围 和装置是否有报警可 6 1产品纯度的调整变压吸附工艺具有产品纯度范围宽 且易于调整的特点 由于产品纯度与产品回收率是成反向关系的 即 在原料气条件不变和吸附 解吸压力一定的情况下 产品纯度越高 氢气回收率越低 产品纯度越低 氢气回收率越高 因而 要保证装置运行于最佳状态 就必须将产品纯度控制在即能满足生产需要 又尽可能低的范围内 调整产品氢纯度的方法就是 修改吸附时间和减少原料处理量 另外延长抽真空的时间或是减少顺放时间也可以改变产品的收率 47 4 19 2020 6 2装置处理量的调节当装置的处理量改变之后 或原料气组成改变后 将有可能影响产品的纯