变压吸附理论学习00.ppt

1、变压吸附学习P SA,1 概况：变压吸附（Pressure Swing Adsorption.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) 。,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

2、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

3、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。,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,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，

4、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。,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BA和CD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BC和AD可以看出：

5、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,2.3 原理 所以说变压吸附（PSA），就是利用吸附 剂对不同气体组分随压力变化而变化的吸附 特性，加压吸附部分组分，降压解吸这些组 分，从而吸附剂得到再生，并使不同气体得 到分离的过程。 下面主要以PSA制氢的工艺来讲解变压吸 附。,3 变压吸附的主要内容 吸附剂 工艺流程 自控系统 4 吸附剂 4.1 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

6、定静态下的等温吸附 线和动态下的穿透曲线来评价的。,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。,吸附剂的物理性质,常见组分对各种吸附

7、剂的分离系数(常压,20),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。,5 工艺流程(以PSA-H2流程做介绍） 5.1 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

8、气体的分离与净化，同时也 使吸附剂得到了再生。,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。,吸附曲线 穿透曲线,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，

9、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。,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 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,5.3 流程简述(以PSA-

10、H2流程做介绍，10-2-4工序） （1） 如压力2.0MPa(吸附压力)、 温度60的混合氢气（原料气）自界 区外来，经过冷却器冷却至40以下 后进入原料气分液罐分离掉夹带的液 体，接着从塔底部进入吸附塔中正处 于吸附工况的塔(始终有2台)，在多种 吸附剂组成的复合吸附床的依次选择 吸附下，一次性除去氢以外的几乎所 有杂质，直接就可以获得纯度很高的 （一般大于99.9%）产品氢气从塔顶 排出，然后稳压送出界区。,PSA单元除送出产品氢外，还产生逆放解吸气、 冲洗解吸气和抽真空解吸气。逆放解吸气来自于吸附 床的逆放步骤，进入逆放气缓冲罐，冲洗解吸气产生 于冲洗步骤，进入解吸气缓冲罐，抽真空的解

11、吸气， 进入解吸气缓冲罐。 （2）吸附塔的工作过程依次如下： a 吸附过程 原料气进入界区后经程控阀，自塔底进入PSA吸附塔中正处于吸附状态的两台吸附塔，其中除H2以外的杂质组份被装填的多种吸附剂依次吸附，得到纯度大于99.9%的产品氢气从塔顶排出，经产品气出口程控阀和吸附压力调节阀稳压后送出界区。,b 均压降压过程 在吸附过程完成后，顺着吸附方向将塔内较高压力气体依次放入其它已完成再生的较低压力塔的过程，这一过程不仅是降压过程，而且也回收了吸床层死空间内的氢气。均压降流程一般包括多次连续均压降压过程，如四次均压的有：一均降（E1D）、二均降（E2D）、三均降（E3D）和四均降（E4D）。 c

12、 顺放过程 这是吸附塔在均压结束后，顺着吸附方向减压，减压出来的氢气进入顺放气罐储存起来。 d 逆放过程 这是吸附塔在完成顺放过程后，逆着吸附方向将 塔内压力降至0.03MPa的过程，此时被吸附的杂质 开始从吸附剂中解吸出来，放入缓冲罐 。,e 冲洗过程 在这一过程中，逆着吸附方向用顺放气罐中的氢气 冲洗床层，使吸附剂中的杂质得以完全解吸。冲洗出 的解吸气放入缓冲罐。 f 均压升压过程 该过程与均压降压过程相对应。在这一过程中，分 别利用其它吸附塔的均压降压气体依次从吸附塔顶部 对吸附塔进行升压。本流程共包括四次连续均压升压 过程，依次称为：四均升（E4R）、三均升 （E3R）、二均升（E2R

13、）和一均升（E1R）。 g 产品气升压过程 经过四次均压升压过程后，吸附塔压力已升至接近 于吸附压力。这时，用少量的产品氢气自塔顶将吸附 塔压缓慢地升至吸附压力。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。,（3）工艺步序说明 以10-2-4工艺（处理H2量在60000Nm3/h）来说 明，即装置共有10台吸附塔组成，其中2台始终处于吸 附状态，其余8台处于再生的不同阶段。10台吸附塔的 整个吸附与再生工艺切换过程是通过程控阀门按前面的 工艺步序和顺序进行开关来实现的。 （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

14、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,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D塔），直到 A、D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

15、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：顺放 (PP) 吸附塔在四均降压结束后，打开顺放程控阀，顺着吸附方 向进行减压，减压出来的氢气放入顺放气罐内储存起来， 吸附前沿继续向前推移，并达到出口。 步序7：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。,步序8：冲洗 (P) 逆放结束后，同时打开冲洗程控阀门，一般用顺放气 罐中的低压氢气对A塔进行冲洗，这时被吸附的杂

16、质大 量解吸出来，并逆着吸附方向流入解吸气缓冲罐。 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10：四均升压(E4R) 在抽真空完成后，打开四均升程控阀门，将另一塔（如 E塔）内较高压力的氢气放入刚完成了冲洗的A塔，直 到A、E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E塔床层死空间内的氢气。,步序11：三均升压(E3R) 在四均升压过程完成后，打开三均升程控阀，将另一塔 （如F塔）内较高压力的氢气放入刚完成了四均升的A 塔，直到A、F两塔的压力基本相等为止。这一过程不仅 是进一步的升压过程，

17、而且也回收了F塔床层死空间内 的氢气。 步序12：二均升压(E2R) 在三均升过程完成后，打开二均升程控阀，将另一塔 （如G塔）内较高压力的氢气放入刚完成了三均升的A 塔，直到A、G两塔的压力基本相等为止。这一过程回 收了G塔床层死空间内的氢气，并使A塔得到继续升 压。,步序13：一均升压(E1R) 在二均升过程完成后，打开一均升程控阀，将刚完成了 吸附过程的另一塔（如H塔）内较高压力的氢气放入刚 完成了二均升的A塔，直到A、H两塔的压力基本相等为 止。这一过程回收了H塔床层死空间内的氢气，并使A 塔得到继续升压。 步序14：产品气升压过程(终充FR) 通过四次均压升压过程后，吸附塔压力已升至

18、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。,看PSA装置演示动画进行理解 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。,这就是PSA

19、10-2-4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。,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