PSA知识学习交流(课件

1、PSA知识学习交流,二零一一年七月,什么是变压吸附(PSA),1、概述： 变压吸附（Pressure Swing Adsorption 缩写为PSA）是一种新型气体吸附分离技术，它有如下优点： (1) 产品纯度高； (2) 工艺简单，原料气中的H2O、H2S、CO2等杂质组份可一步除去，不需进行预处理； (3) 操作简便，能耗低。一般在常温和不高的压力下操作，设备简单，整个过程全部实现自动化； (4) 吸附剂寿命长，为半永久性使用，每年只需少量补充，正常操作条件下吸附剂一般使用10年以上,综 述,第一部分 混合气体常用的几种分离方法介绍 第二部分 吸附的基本概念 第三部分 吸附分离的基本过程及

2、吸附剂介绍 第四部分 8-2-3/VP工艺过程描述 第五部分 变压吸附技术的应用,第一部分 混合气体常用的几种分离方法介绍,1）低温分离法（深冷分离):利用气体组份间沸点的差异，采用低温精馏实现混合气体组份的分离的方法。已有100多年的历史，主要用于大规模空分制O2、N2。 （2）膜分离法:利用气体组份在中空纤维膜上渗透速率的差异实现混合气体的分离。是一种较新的气体分离方法，目前主要用于制H2。 （3）变压吸附法:利用不同气体在吸附剂上吸附性能的差异，以及同种气体在吸附剂上的吸附性能随压力的变化而变化的特性来实现混合气体的分离,3种氢气分离方法比较,第二部分吸附的基本概念,1、吸附、吸附相、脱

3、附 吸附固体表面原子的剩余引力对气体分子的吸着现象。当气体分子运动到固体表面时，由于固体表面原子的剩余引力的作用，气体中的一些分子便会暂时停留在固体表面上，形成这些分子在固体表面上的浓度增大，这种现象称为气体分子在固体表面的吸附。 吸附相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。其分子密度非常大，可能接近于液体。 脱附固体表面上被吸附的分子又重新返回气体相的过程称为脱附或解吸,第二部分吸附的基本概念,2、吸附剂、吸附质、吸附热、解吸热 吸附剂吸附物质的固体称为吸附剂 吸附质被吸附的物质称为吸附质 吸附热伴随吸附过程所释放的热量称为吸 附热。 解吸热脱附或解吸过程所需要吸收的热量 称为

4、解吸热,第二部分吸附的基本概念,3、表面的含义 表面有内表面和外表面之分，吸附主要发生在内表面，外表面与内表面相比相当小，而内表面积大是固体作为吸附剂的先决条件。以下为几种常用吸附剂的表面积的大小： 硅胶 SG 300800 m2/g 活性炭 Ac5001300 m2/g 分子筛 MS450750 m2/g（其外表面积仅 为2.6710-4 m2/g,第二部分吸附的基本概念,4、吸附的分类 吸附分为物理吸附和化学吸附 物理吸附也称范德华吸附，是由吸附质分子和吸附剂表面分子之间的引力产生的吸着现象，是可逆的表面吸附。变压吸附过程属于物理吸附。 化学吸附吸附过程中伴有化学反应的吸附，是不可逆的吸附

5、，吸附过程发生了质变。石灰石吸附氯气，沸石吸附乙烯的过程属于化学吸附,第二部分吸附的基本概念,5、吸附平衡 吸附平衡：吸附刚开始时，吸附剂存在大量的活性表面，被吸附的吸附质分子数大大超过离开表面的分子数；随着吸附的进行，吸附剂表面逐渐被吸附质分子遮盖，其再吸附的能力下降，直到吸附速度等于解吸速度时，就表示吸附达到了平衡。吸附平衡是一种动态平衡。假设吸附速率为v1，解吸速率为v2，则： v1 v2时，为吸附过程 v1 v2 时，为解吸过程 v1v2时，为吸附平衡状态 变压吸附技术主要依据吸附剂上不同气体的吸附等温线来确定吸附剂的选用,常用吸附剂吸附等温线,常见气体组份在CNA229吸附剂上的吸附

6、等温线,变压吸附专用活性炭,常用吸附剂吸附等温线,常见气体组份在CNA133吸附剂上的吸附等温线,第三部分吸附分离的基本过程及吸附剂介绍,1、吸附过程描述 将固体物料吸附剂充填在容器(固定床)中，当气流经过床层时，固体物料不被扰动。要求吸附床上下有较好的气流分布设施。最理想的状况是活塞流或称平推流，这样吸附剂的利用才充分。 假设床层内吸附剂完全没有阻力，吸附质就会一直以C0的初始浓度向气体流动方向推进。但是由于传质阻力的存在、流体速度、吸附相平衡等的影响，混合物通过吸附床层时，首先在吸附床入口处形成S形曲线，此曲线称为吸附前沿,第三部分吸附分离的基本过程及吸附剂介绍,S形曲线所在的区域称为 传

7、质区。随着气流的不断进 入，吸附床底部吸附剂逐渐 达到吸附平衡，此区域吸附 剂不再吸附杂质，称为吸附 饱和区。传质区以上的床层 吸附剂未吸附杂质，称为未 饱和区,第三部分吸附分离的基本过程及吸附剂介绍,2、气体组份吸附强弱对比,He O2 CH4 C3H6 弱 H2 N2 CO C4H8 C2H6 C5+ CO2 H2S C3H8 NH3 C2H4 H2O 强,第三部分吸附分离的基本过程及吸附剂介绍,3、流出曲线 在吸附床中，随着气体混合物不断流入，吸附前沿不断向床的出口端推进，经过一定时间，吸附质出现在吸附床出口端，并随着时间推移，吸附质浓度不断上升，最终达到进入吸附床的吸附质浓度C0。测定

8、吸附床出口处吸附质浓度随时间的饱和，便可绘出流出曲线。 当传质区达到吸附床出口端时，流出气体中的吸附质浓度开始突然上升的位置，就是所谓的穿透点(图中2点)，与其相对应的吸附质浓度和吸附时间分别称为穿透浓度和穿透时间,第三部分吸附分离的基本过程及吸附剂介绍,固定床的吸附分离,吸附床,原料气,氢气,第三部分吸附分离的基本过程及吸附剂介绍,第三部分吸附分离的基本过程及吸附剂介绍,流出曲线 影响流出曲线形状的因素有吸附剂的形状、颗粒的形状和大小、气体混合物的组成和性质、流体速度、吸附平衡和机理以及吸附床的温度和压力。因此通过流出曲线的研究，可以评价吸附剂的性能，测取传质系数和了解吸附床的操作状况。 穿

9、透曲线对工艺参数的确定至关重要。在实际操作中，通过控制时间和流量来确定穿透点。以PSA-H2装置为例，穿透点确定后，如果产品纯度要求较低，则吸附时间控制在穿透点之后，此时H2回收率高；如果产品纯度要求较高，则吸附时间控制在穿透点之前，此时H2回收率低,第三部分吸附分离的基本过程及吸附剂介绍,4、吸附剂再生的基本步骤 吸附剂被吸附质吸附饱和后必须进行再生才能进行再一次的吸附，常用的再生方法有以下几种，其目的都是为了降低吸附剂上被吸附组份的分压。 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，这时一部分被吸附组份解吸出来。 特点：该方法操作简单，但吸附组份的解吸不充分，吸附剂再生

10、程度不高,4、吸附剂再生的基本步骤,抽真空：吸附床在降到大气压后，为了进一步减小吸附组份的分压，可用抽空的方法来降低吸附床压力，以得到更好的再生效果。 特点：该方法再生效率高，所得产品回收率高，但要增加动力消耗和真空泵的投资。 冲洗：利用纯产品气或者其它适当的气体通过需再生的吸附床，被吸附组份的分压随冲洗气通过而下降，从而达到吸附剂再生的目的。 特点：该方法的再生程度取决于冲洗气的用量和纯度，由于通常采用产品气冲洗，因此产品收率较低,4、吸附剂再生的基本步骤,置换：用一种吸附能力较强的气体把原先被吸附的组份从吸附剂上置换出来。这种方法常用于产品组份吸附能力强而杂质组份吸附能力弱即从吸附相获得产

11、品的场合，如PSA-CO，PSA-CO2装置。 特点：该方法能较大幅度提高吸附能力强的产品组份的浓度，但必须与抽空再生方法配合使用。 通常在变压吸附过程中是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,5、变压吸附工作基本步骤,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。因此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。对于变压吸附循环过程，最常采用的为常压解吸和抽空解吸两种。下图为这两种循环过程的基本过程示意图,5、变压吸附工作基本步骤,

12、常压解吸,真空解吸,真空解吸基本过程,升压过程(AB) 吸附过程(BC) 顺向降压过程(CD) 逆向放压过程(DE) 抽空过程(EA,第三部分吸附分离的基本过程及吸附剂介绍,1、吸附剂的共性 有比较大的吸附容量，要求有很大的比表面积、大的孔容，并且微孔要多。 吸附剂的选择性要好，即组份间的分离系数要大。 要求有较高的机械强度，以免在高强气流冲刷下粉碎,第三部分吸附分离的基本过程及吸附剂介绍,2、变压吸附装置中常用吸附剂种类 硅胶：简写为SG，是坚硬的多孔结构的玻璃状颗粒。主要用于提纯CO2、脱碳、干燥和烃类分离等。 活性氧化铝：简写为Al2O3，是无定形凝胶和氢氧化物晶体构成的白色颗粒，对水有

13、较强的聚合力。主要用于各种类型装置中脱水,第三部分吸附分离的基本过程及吸附剂介绍,活性炭：简写为AC，是木炭、果壳、煤等含炭原料经炭化、活化后制成。PSA工业中主要用于各种类型装置中CO2的脱除、硫化物及其它高沸点组份的脱除等。 碳分子筛：简写为CMS，实际上也是一种活性炭，但其微孔孔径均匀分布在一个狭窄的范围内。目前主要用于空分制富氮装置。 沸石分子筛：简写为MS，是硅酸钠和铝酸钠等与NaOH水溶液反应制得的胶体经干燥后而成，有均匀的孔径，具有分子筛的作用。PSA工业中主要用于制氢、提纯CO、空分制富氧、提纯甲烷、精度脱水和CO2等,第四部分 8-2-3/VP工艺过程描述,1、变压吸附常用时

14、序简介 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。因此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,第四部分 8-2-3/VP工艺过程描述,8 2 3/VP 抽空(冲洗)解吸 吸附塔 同时进 均压次数 数量 料塔数,第四部分 8-2-3/VP工艺过程描述,8-2-3/VP工艺时序表,A 吸附 EiDi均压降 PP 顺放 D 逆向放压 P 冲洗 EiR i均压升 FR 最终升压 V 抽空 VP-抽空冲洗,第四部分 8-2-3/VP工艺过程描述,8-2-3/VP工艺过程描述 a. 变压吸附工艺 本设

15、计采用8塔2塔进料3次均压。整个过程在环境温度下进行。每台吸附器在不同时间依次经历吸附(A)、第1级压力均衡降(E1D)、第2级压力均衡降(E2D)、第3级压力均衡降(E3D)、逆向放压(D)、抽真空（VC）、第3级压力均衡升(E3R)、第2级压力均衡升(E2R)、第1级压力均衡升(E1R) 和最终升压(FR)等十一个步骤完成一个吸附周期,第四部分 8-2-3/VP工艺过程描述,抽真空以及抽真空冲洗解吸工艺的操作的目的是使废气彻底解吸，以满足装置收率高的要求。吸附器所有的压力均衡降都是用于其它吸附器的压力均衡升以充分回收吸附器中氢气含量高的气体。 2塔同时进料，各吸附塔交替循环操作以达到原料气

16、连续输入，产品氢连续输出的目的,第四部分 8-2-3/VP工艺过程描述,b.脱氧工艺 从变压吸附装置出来的产品氢气中还残留有少量氧，这些氧气在钯催化剂的作用下与氢气进行如下反应： 2+1/222+242（J/mol） 从而除去产品气中的氧气，使氢产品中的含氧量符合后续工序的要求,第四部分 8-2-3/VP工艺过程描述,第四部分 8-2-3/VP工艺过程描述,2、工艺流程说明 催化裂化干气在0.8MPa，50条件下进入本装置，首先经原料气冷却器（E501）将气体温度冷至40，再通过气液分离器（V501）分离掉气体中夹带的液态物质后，进入PSA系统。 PSA系统采用八塔操作，两塔同时进料三次均压。

17、真空解吸冲洗工艺流程，2塔同时进料，各吸附塔交替循环操作以达到原料气连续输入，产品氢连续输出的目的,第四部分 8-2-3/VP工艺过程描述,来自PSA的半成品气进入加热器（E502）加热至约为100，进入脱氧器（R501）进行脱氧反应。 反应后，床层温度升高至120150，气体经冷却器（E503），冷却至40进入产品缓冲罐（V502），经FE-502计量，送氢气压缩机（C501A、B）压缩至2.0MPa出装置外送至加氢工序,第四部分 8-2-3/VP工艺过程描述,PSA系统的解吸气来自吸附器的逆放及抽真空阶段，逆放前期压力较高（0.05MPa）的解吸气排入解吸气缓冲罐（V504），再经调节阀PV-507C降压后与压力较低（0.05MPa）的解吸气一起排入三台并列的解吸气混合罐（V505A、B、C） 逆放结束后，进入抽真空阶段，通过四台真空泵（P501）对吸附床层进行抽空。使吸附的杂质进行更彻底的解吸。真空泵排出的解吸气，经水分离罐（V503）分离掉夹带水后同逆放后期的解吸气一同进入解吸气一同进入解吸气混合罐（V505A、B、C）。 解吸气经解吸气混合罐（V505A、B、C）连续稳定地送至解吸气压缩机（C502）压缩至0.8M