變壓吸附

變壓吸附吸附分離方法

任何一種吸附對(duì)于同一被吸附氣體（吸附質(zhì)）來說，在吸附平衡情況下，溫度越低，壓力越高，吸附量越大。反之，溫度越高，壓力越低，則吸附量越小。因此，氣體的吸附分離方法，通常采用變溫吸附或變壓吸附兩種循環(huán)過程。

變壓吸附變溫吸附原理

如果壓力不變，在常溫或低溫的情況下吸附，用高溫解吸的方法，稱為變溫吸附（簡(jiǎn)稱TSA）。顯然，變溫吸附是通過改變溫度來進(jìn)行吸附和解吸的。變溫吸附操作是在低溫（常溫）吸附等溫線和高溫吸附等溫線之間的垂線進(jìn)行，由于吸附劑的比熱容較大，熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）較小，升溫和降溫都需要較長(zhǎng)的時(shí)間，操作上比較麻煩，因此變溫吸附主要用于含吸附質(zhì)較少的氣體凈化方面。

變壓吸附變壓吸附原理

如果溫度不變，在加壓的情況下吸附，用減壓（抽真空）或常壓解吸的方法，稱為變壓吸附?？梢?，變壓吸附是通過改變壓力來吸附和解吸的。變壓吸附操作由于吸附劑的熱導(dǎo)率較小，吸附熱和解吸熱所引起的吸附劑床層溫度變化不大，故可將其看成等溫過程，它的工況近似地沿著常溫吸附等溫線進(jìn)行，在較高壓力（P2）下吸附，在較低壓力（P1）下解吸。變壓吸附既然沿著吸附等溫線進(jìn)行，從靜態(tài)吸附平衡來看，吸附等溫線的斜率對(duì)它的是影響很大的，在溫度不變的情況下，壓力和吸附量之間的關(guān)系，如圖1所示，圖1中PH表示吸附壓力，PL表示解吸（減壓后）壓力，這時(shí)PH與PL所應(yīng)的吸附量的差，實(shí)質(zhì)上是有效吸附量，以Ve表示之。顯然，直線型吸附等溫線的有效吸附量比曲線型（Langmuir型）的要來得大。

吸附常常是在壓力環(huán)境下進(jìn)行的，變壓吸附提出了加壓和減壓相結(jié)合的方法，它通常是由加壓吸附、減壓再組成的吸附一解吸系統(tǒng)。在等溫的情況下，利用加壓吸附和減壓解吸組合成吸附操作循環(huán)過程。吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附量隨著壓力的升高而增加，并隨著壓力的降低而減少，同時(shí)在減壓（降至常壓或抽真空）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(jìn)行吸附劑的再生。因此，變壓吸附既稱等溫吸附，又稱無熱再生吸附。

變壓吸附吸附過程

來自空氣壓縮機(jī)的壓縮空氣，首先進(jìn)入冷干機(jī)脫除水分，然后進(jìn)入由兩臺(tái)吸附塔組成的PSA制氮裝置，利用塔中裝填的專用碳分子篩吸附劑選擇性地吸附掉O₂、CO₂等雜質(zhì)氣體組分，而作為產(chǎn)品氣N₂將以99%的純度由塔頂排出。

變壓吸附吸附劑再生

在降壓時(shí)，吸附劑吸附的氧氣解吸出來，通過塔底逆放排出，經(jīng)吹洗后，吸附劑得以再生。完成再生后的吸附劑經(jīng)均壓升壓和產(chǎn)品升壓后又可轉(zhuǎn)入吸附。兩塔交替使用，達(dá)到連續(xù)分離空氣制氮的目的。

1960年Skarstrom提出PSA專利，他以5A沸石分子篩為吸附劑，用一個(gè)兩床PSA裝置，從空氣中分離出富氧，該過程經(jīng)過改進(jìn)，于60年代投入了工業(yè)生產(chǎn)。80年代，變壓吸附技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用取得了突破性的進(jìn)展，主要應(yīng)用在氧氮分離、空氣干燥與凈化以及氫氣凈化等。其中，氧氮分離的技術(shù)進(jìn)展是把新型吸附劑碳分子篩與變壓吸附結(jié)合起來，將空氣中的O2和N2加以分離，從而獲得氮?dú)狻?

隨著分子篩性能改進(jìn)和質(zhì)量提高，以及變壓吸附工藝的不斷改進(jìn)，使產(chǎn)品純度和回收率不斷提高，這又促使變壓吸附在經(jīng)濟(jì)上立足和工業(yè)化的實(shí)現(xiàn)。

變壓吸附空分制氧始創(chuàng)于20世紀(jì)60年代初(Skarstrom, 1960; Guerin de Montgarenil & Domine, 1964)，并于70年代實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。在此之前,傳統(tǒng)的工業(yè)空分裝置大部分采用深冷精餾法(簡(jiǎn)稱深冷法)

80年代以來至今CaX和LiX等高吸附分離性能的沸石分子篩的相繼開發(fā)利用和工藝流程的改進(jìn)，使得變壓吸附空分技術(shù)得到迅速地發(fā)展，與深冷空分裝置相比，PSA過程具有啟動(dòng)時(shí)間短和開停車方便、能耗較小和運(yùn)行成本低、自動(dòng)化程度高和維護(hù)簡(jiǎn)單、占地面積小和土建費(fèi)用低等特點(diǎn)。在不需要高純氧的中小規(guī)模(小于100噸/天，相當(dāng)于3000Nm3/h )氧氣生產(chǎn)中比深冷法更具有競(jìng)爭(zhēng)力。廣泛的應(yīng)用于電爐煉鋼、有色金屬冶煉、玻璃加工、甲醇生產(chǎn)、炭黑生產(chǎn)、化肥造氣、化學(xué)氧化過程、紙漿漂白、污水處理、生物發(fā)酵、水產(chǎn)養(yǎng)殖、醫(yī)療和軍事等諸多領(lǐng)域(楊，1991; Kumar, 1996; Jee, Park, Haam & Lee,2002)。

四十多年來變壓吸附空分制氧技術(shù)的研究進(jìn)展主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是空分制氧吸附劑和其吸附理論的研究方面，二是空分制氧工藝循環(huán)過程的研究方面(Sircar,1994;Ruthven.Farooq&Knaebel, 1994)。國(guó)內(nèi)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的研究盡管起步較早，然而在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)發(fā)展相對(duì)較緩。直至進(jìn)入九十年代以來，變壓吸附制氧設(shè)備的優(yōu)越性才逐漸被國(guó)人認(rèn)可，近幾年各種流程的設(shè)備相繼投產(chǎn)為各行各業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

用碳分子篩制氮主要是基于氧和氮在碳分子篩中的擴(kuò)散速率不同，在0.7-1.0Mpa壓力下,即氧在碳分子篩表面的擴(kuò)散速度大于氮的擴(kuò)散速度，使碳分子篩優(yōu)先吸附氧，而氮大部分富集于不吸附相中。碳分子篩本身具有加壓時(shí)對(duì)氧的吸附容量增加，減壓時(shí)對(duì)氧的吸附量減少的特性。利用這種特性采用變壓吸附法進(jìn)行氧、氮分離。從而得到99.99%的氮?dú)狻?

任何一種吸附對(duì)于同一被吸附氣體（吸附質(zhì)）來說，在吸附平衡情況下，溫度越低，壓力越高，吸附最越大。反之，溫度越高，壓力越低，則吸附量越小。如果溫度不變，在加壓的情況下吸附，用減壓（抽真空）或常壓解吸的方法，稱為變壓吸附?？梢?，變壓吸附是通過改變壓力來吸附和解吸的。

如圖1所示，碳分子篩對(duì)氧和氮吸附量有很大的差異。碳分子篩是一種內(nèi)部有很多徽孔的物質(zhì)，用碳分子篩制氮主要是基于氧和氮在碳分子篩中的擴(kuò)散速率不同，變壓吸附的原理就是在一定的壓力下，利用空氣中氧、氮在碳分子篩徽孔中的吸附量的差異，達(dá)到氧氮分離的目的，在壓力升高時(shí)，碳分子篩吸氧產(chǎn)氮，壓力降至常壓時(shí)，碳分子篩脫附氧氣再生。變壓吸附制氮設(shè)備通常有兩只吸附塔，其中一只吸氧產(chǎn)氮，另一只脫氧再生，如此交替循環(huán)不斷產(chǎn)出氮?dú)狻?/p>

變壓吸附法 (PSA)

吸附分離是利用吸附劑只對(duì)特定氣體吸附和解析能力上的差異進(jìn)行分離的。為了促進(jìn)這個(gè)過程的進(jìn)行，常用的有加壓法和真空法等。分子篩變壓吸附分離空氣制取氧的機(jī)理，一是利用分子篩對(duì)氮的吸附親和能力大于對(duì)氧的吸附親和能力以分離氧，氮；二是利用氧在碳分子篩微孔系統(tǒng)狹窄空隙中的擴(kuò)散速度大于氮的擴(kuò)散速度，使在遠(yuǎn)離平衡的條件下可分離氧氮。

變壓吸附法制氧，氮在常溫下進(jìn)行，其工藝有加壓吸附/常壓解析或常壓吸附/真空解析兩種，通常選用沸石分子篩制氧，碳分子篩制氮。1991年，日本三菱重工制成世界上最大的PSA制氧設(shè)備，其氧產(chǎn)量可達(dá)8650m3/h，我國(guó)的PSA制氧設(shè)備已初步系列化，產(chǎn)量最高可達(dá)2600m3/h，氧純度≥90%，德國(guó)林德公司20世紀(jì)80年代以來的單位氧產(chǎn)品能耗最低可達(dá)0.42kw.h/m3 O2。