变压吸附技术的进步及其在石化工业的应用(精)

第一篇：变压吸附技术的进步及其在石化工业的应用(精)

变压吸附技术的进步及其在石化工业的应用 李克兵!陈健古共伟(四川天一科技股份有限公司

成都!“#$$%摘要变压吸附(&’(*’(+,-./012’3

4-2.,简称&+0技术是一种用于混合气体分离及净化的高新技术,自该技术工业化以来得到快速发展,已成为一种主要的气体分离净化技术,在

工业气体分离领域得到广泛应用。本文叙述了&+0技术的基本原理及特点,介绍了近年来&+0技术的进展情况,重点阐述了该技术应用于从炼油厂重整氢、催化干气、轻油转化气中提纯氢

气的工艺方法及特点。!变压吸附技术的发展 变压吸附(&’(*’(+,-./012’3

4-2.,简称&+0是一种用于混合气体的分离及净化技术。其基本原理是运用多孔性固体材料(吸附剂对混合气中各气体组分选择性吸附及各组分在吸附剂上的吸附容量随压力的变化而呈现差异的特性实现混合气体的分离或提纯。

四川天一科技股份有限公司(西南院于5#年代初在国内率先从事变压吸附技术的研究工作,自6#年代初该技术工业化以来,在吸附剂、工艺、控制、阀门等诸多方面做了大量的改进工作。尤其进入7#年代中期,随着大型化变压吸附装置的不断推广,该技术得以迅猛发展,主要体现在以下几个方面: ”8“吸附剂性能不断提高

吸附剂性能的好坏,直接影响&+0装置的投资高低、消耗大小及操作稳定与否。近年来,各研究单位和吸附剂生产厂家投入大量人力及财力进行吸附剂性能的

改进工作,力求赶上世界上发达国家生产的吸附剂同等水平,使得吸附剂性能不断提高。主要表现在吸附剂的吸附量提高、分离系数增加、再生更容易及吸附剂强度增加等方面。

针对炼油和石化行业富氢混合气(如重整尾气、催化干气,加氢尾气等中烃类组分多

且含有9%:等高碳烃组分的特点,四川天一科技股份有限公司专门成立了处理这类气体的吸

附剂研制攻关小组。经过大量的实验,终于研制出应用&+0技术一步除去炼油厂混合气除氢气以外所有杂质的专用吸附剂9;0<$$7。使用这类吸附剂可省去传统的=+0预处理工序,提高了氢气的回收率,大大简化了流程,进一步降低了装置的投资。这类吸附剂先后在镇海炼化、辽阳化纤、沧州炼油厂及济南炼油厂的大型&+0装置上使用。

”8$&+0处理气源大大增加

由于吸附剂技术的进步,使得&+0装置处理原料气的种类大大增加。以制氢为例,&+0装置工业化初期处理的气源主要为合成氨弛放气,后来发展到变换气、脱碳精炼气、半水煤气、城市煤气、焦炉煤气、发酵气、甲醇尾气等。随着我国石化工业的迅猛发展, ・ %#!・!李克兵,高级工程师,生于“7!6年,”77$年毕业于华东理工大学化工专业,“77%年获四川大学化工专业硕士学位,现在四川天一科技股份有限公司从事变压吸附气体分离技术的研究开发工作。电话#$6<%66>”!5。

!“#装置已能从催化干气、重整尾气、加氢尾气、轻油转化中变气中提纯氢气。到目前为止,!”#适用的气源已达到$%余种。

&’(产品回收率大大提高

以往!“#技术的最大缺陷就是产品收率低,一般只有$%左右,导致单位产品气生产成本较高。随着吸附剂的进步,与传统的工艺相比,通过增加均压次数及采用抽空工艺可大大提高氢气回收率,目前的!”#装置氢气回收率可达*+。炼油厂组成复杂且氢气含量较低(氢含量为,+!-+的催化干气,采用抽空工艺,其产品氢气回收率也可达到.$!*%,轻油转化中变气在常压冲洗工艺条件下氢气回收率可达*%。

&’-装置规模大型化

由于吸附剂、程控阀、控制系统及控制仪表的快速发展,我国科研人员研制出!“#装置故障自诊断系统及对故障程控阀实现在线维修的程序切换系统。由传统的-塔装置逐步发展为/塔、.塔、&%塔等大型工业装置。装置处理量接近国外水平。

四川天一科技股份有限公司于&**-年在浙江镇海炼油化工股份公司/%%%%01(/2的国际招标中标后,结束了国外装置在中国的垄断地位,先后在辽阳化纤、沧州炼油厂、大港油田、济南炼油厂、大庆油田等石化厂家建设了大型!”#装置(%余套。

!变压吸附技术的基本原理及特点 ,’&!“#的基本原理

混合气中各组分在吸附剂上的吸附能力从小到大顺序如下: 34!3,!5,!#6!0,!75!73-!75,!7,3/!7,3-!7(3.!7(3/!7-8!3,”!3,5各组分在吸附剂上的吸附能力随着压力的升高而增加,随着压力的降低而减少。高压吸附,低压解吸,吸附剂可循环使用。为了实现有效的气体分离,要求产品组分与余下的杂质组分间的分离系数达到某一设计值。且必须考虑吸附剂对气体组分的吸附与解吸的矛盾,吸附剂除

了要具备较强的吸附性能外,还必须具备较好的解吸性能。这样才能保证吸附剂具有较长的使用寿命。,’,!“#的特点

(&!”#采用计算机控制,装置自动化程度高,工艺和操作简单,产品纯度可调。(,开停车方便,一般在&2内可获得产品。

((变压吸附工艺所要求的压力一般在%’.!(’%9!:,允许压力变化范围较宽,而大多数含氢气源,如各种炼油厂混合气本身的压力均可满足这一要求,这样可省去再次加压的能耗。对于处理这类气源,变压吸附装置的能耗只是照明、仪表用电及仪表空气的消耗,能耗很低。

和硫化物含量限制较宽。

(-与低温和膜分离装置相比,变压吸附装置对原料气中03(03(“%’%&、无机硫”&%%1;/01(的原料气均直接进变压吸附装置,省去了复杂的预处理装置,流程简单。

(+装置扩建容易。只需增加少量吸附塔及程控阀可实现产量成倍增加。(/装置占地面积小。

($!“#操作过程中无新的“三废”产生,环境效益好。”#$%技术在石化行业的应用

随着石油炼制工业飞速发展,氢气消耗量也在迅速增加。重油轻化及其它石油炼制过程・

・

/ % / 需要大量氢气,因此扩大氢生产资源、开发新的制氢工艺以及改进现有制氢工艺,受到人们的普遍关注。现阶段石化行业获得氢气主要有两种方法:一是利用烃类蒸气转化气提纯氢气,二是利用炼油厂副产气如加氢裂化尾气、催化重整副产气、回炼渣油的催化裂化干气等回收氢气。氢气回收用于石油炼制加工可缓解石化工业缺氢的局面。

!“#烃类转化制氢

炼油厂的氢气来源约!$%由重整尾气提供,在其余&$%中,烃类水蒸气转化占’&%。可见,采用水蒸气转化工艺是目前主要的制氢方法。传统的制氢工艺如图#所示。

氢(* 湿 烷!”+ 只 氢 烃 泄

程 进 重 艺 %’ 率, 中 品

第二篇：变压吸附原理及应用

变压吸附气体分离技术

第一节 气体吸附分离的基础知识

一、吸附的定义

当气体分子运动到固体表面上时，由于固体表面的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，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上的吸附。相反，固体表面上被吸附的分子返回气体相的过程称为解吸或脱附。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。

吸附物质的固体称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。伴随吸附过程所释放的的热量叫吸附热，解吸过程所吸收的热量叫解吸热。气体混合物的吸附热是吸附质的冷凝热和润湿热之和。不同的吸附剂对各种气体分子的吸附热均不相同。

按吸附质与吸附剂之间引力场的性质，吸附可分为化学吸附和物理吸附。

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（van der Waais)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。分离气体混合物的变压吸附过程系纯物理吸附，在整个过程中没有任何化学反应发生。本文以下叙述的除了注明之外均为气体的物理吸附。

二、吸附剂

１．

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。气体吸附分离成功与否，极大程度上依赖于吸附剂的性能，因此选择吸附剂是确定吸附操作的首要问题。

硅胶是一种坚硬、无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，分子式为SiO2.nH2O，为一种亲水性的极性吸附剂。它是用[wiki]硫酸[/wiki]处理硅酸钠的水溶液，生成凝胶，并将其水洗除去硫酸钠后经干燥，便得到玻璃状的硅胶，它主要用于干燥、气体混合物及[wiki]石油[/wiki]组分的分离等。工业上用的硅胶分成粗孔和细孔两种。粗孔硅胶在相对湿度饱和的条件下，吸附量可达吸附剂重量的８０％以上，而在低湿度条件下，吸附量大大低于细孔硅胶。活性氧化铝是由铝的水合物加热脱水制成，它的性质取决于最初氢氧化物的结构状态，一般都不是纯粹的Al2O3,而是部分水合无定形的多孔结构物质，其中不仅有无定形的凝胶，还有氢氧化物的晶体。由于它的毛细孔通道表面具有较高的活性，故又称活性氧化铝。它对水有较强的亲和力，是一种对微量水深度干燥用的吸附剂。在一定操作条件下，它的干燥深度可达[wiki]露点[/wiki]-７０℃以下。

活性炭是将木炭、果壳、煤等含碳原料经炭化、活化后制成的。活化方法可分为两大类，即药剂活化法和气体活化法。药剂活化法就是在原料里加入氯化锌、硫化钾等化学药品，在非活性气氛中加热进行炭化和活化。气体活化法是把活性炭原料在非活性气氛中加热，通常在700℃以下除去挥发组分以后，通入水蒸气、二氧化碳、烟道气、空气等，并在700~1200℃温度范围内进行反应使其活化。活性炭含有很多毛细孔构造所以具有优异的吸附能力。因而它用途遍及水处理、脱色、气体吸附等各个方面。

沸石分子筛又称合成沸石或分子筛，其化学组成通式为： [M2(Ⅰ)M(Ⅱ)]O.Al2O3.nSiO2.mH2O 式中M2(Ⅰ)和M(Ⅱ)分别为为一价和二价金属离子，多半是钠和钙，n称为沸石的硅铝比，硅主要来自于硅酸钠和硅胶，铝则来自于铝酸钠和Al(HO)3等，它们与氢氧化钠水溶液反应制得的胶体物，经干燥后便成沸石，一般n=2~10,m=0~9。

沸石的特点是具有分子筛的作用，它有均匀的孔径，如3A0、4A0、5A0、10A0细孔。有4A0孔径的4A0沸石可吸附甲烷、乙烷，而不吸附三个碳以上的正烷烃。它已广泛用于气体吸附分离、气体和液体干燥以及正异烷烃的分离。

碳分子筛实际上也是一种活性炭，它与一般的碳质吸附剂不同之处，在于其微孔孔径均匀地分布在一狭窄的范围内，微孔孔径大小与被分离的气体分子直径相当，微孔的比表面积一般占碳分子筛所有表面积的90%以上。碳分子筛的孔结构主要分布形式为：大孔直径与碳粒的外表面相通，过渡孔从大孔分支出来，微孔又从过渡孔分支出来。在分离过程中，大孔主要起运输通道作用，微孔则起分子筛的作用。

以煤为原料制取碳分子筛的方法有碳化法、气体活化法、碳沉积法和浸渍法。其中炭化法最为简单，但要制取高质量的碳分子筛必须综合使用这几种方法。

碳分子筛在空气分离制取氮气领域已获得了成功，在其它气体分离方面也有广阔的前景。２．

吸附剂的物理性质

吸附剂的良好吸附性能是由于它具有密集的细孔构造。与吸附剂细孔有关的物理性能有：

a.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。

b.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。

c.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（A0）至数十埃的孔称为细孔，直径在数百埃以上的孔称为粗孔。细孔愈多，则孔容愈大，比表面也大，有利于吸附质的吸附。粗孔的作用是提供吸附质分子进入吸附剂的通路。粗孔和细孔的关系就象大街和小巷一样，外来分子通过粗孔才能迅速到达吸附剂的深处。所以粗孔也应占有适当的比例。活性炭和硅胶之类的吸附剂中粗孔和细孔是在制造过程中形成的。沸石分子筛在合成时形成直径为数微米的晶体，其中只有均匀的细孔，成型时才形成晶体与晶体之间的粗孔。

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。

d.表观重度（dl）：又称视重度。

吸附剂颗粒的体积（Vl）由两部分组成：固体骨架的体积（Vg）和孔体积（Vk），即： Vl= Vg+ Vk 表观重度就是吸附颗粒的本身重量（D）与其所占有的体积（Vl）之比。

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。

e.真实重度（dg）:又称真重度或吸附剂固体的重度，即吸附剂颗粒的重量（D）与固体骨架的体积Vg之比。

假设吸附颗粒重量以一克为基准，根据表观重度和真实重度的定义则：

dl==l/Vl;dg=l/Vg

于是吸附剂的孔体积为： Vk=l/dl – l/dg

f.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。此体积中还包括有吸附颗粒之间的空隙，堆积重度是计算吸附床容积的重要参数。

以上的重度单位常用g/cm3、kg/l、kg/m3表示。

g.孔隙率（εk）：即吸附颗粒内的孔体积与颗粒体积之比。εk=Vk/(Vg+Vk)=(dg-dl)/ dg=1-dl/dg

h.空隙率（ε）：即吸附颗粒之间的空隙与整个吸附剂堆积体积之比。

ε=(Vb-Vl)/Vb=(dl-db)/dl=1-db/dl

表1-1列出了一些吸附剂的物理性质:

三、吸附平衡和等温吸附线—吸附的热力学基础

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，吸附剂表面再吸附的能力下降，直到吸附速度等于解吸速度时，就表示吸附达到了平衡。在密闭的容器内，吸附剂与吸附质充分接触，呈平衡时为静态吸附平衡。含有一定量吸附质的惰性气流通过吸附剂固定床，吸附质在流动状态下被吸附剂吸附，最后达到的平衡为动态平衡。表1-1 吸附剂的物理性质

吸附剂名称

硅胶

活性氧化铝

活性炭

沸石分子筛

真实重度g/cm3

2.1～2.3

3.0～3.3

1.9～2.2

2.0～2.5 表关重度g/cm3

0.7～1.3

0.8～1.9

0.7～1.0

0.9～1.3 堆积重度g/cm3

0.45～0.85

0.49～1.00

0.35～0.55

0.6～0.75 空隙率

0.40～0.50

0.40～0.50

0.33～0.55

0.30～0.40 比表面积m2/g

300～800

95～350

500～1300

400～750 孔容cm3/g

0.3～1.2

0.3～0.8

0.5～1.4

0.4～0.6平均孔径A0

10～140

40～120

20～50

为了解释吸附过程的实质，曾提出了各式各样的理论。在这些理论中，迄今没有一个能够说明所有的吸附现象。个别理论虽然能够完善地说明吸附现象的一个方面，但是却不能用来解释这一现象的其它方面。这些理论适用与否，是取决于吸附质和吸附剂的性质，以及吸附的具体条件。不管对吸附机理的各种解释如何，他们都认为吸附剂对吸附质的吸附数量与被吸附气体的压力及吸附过程的温度有关，即： q=f(P,T)式中：q—单位重量（或体积）吸附剂所吸附的物质量（吸附量）；

P—吸附组分在气相中平衡时的分压；

T—吸附过程的温度。在此函数中，当温度（T）一定时，称为等温吸附线；当压力(P)一定时，称为等压吸附线；而当吸附量一定时，称为等量吸附线。最常用的就是等温吸附线。

布隆耐尔（Bronaner）曾将物理吸附等温吸附线分为五种类型，如图１-１所示。图中纵坐标为吸附量q，横坐标为吸附质分压P（当平衡温度在吸附质临界温度以下时，通常与该温度下[wiki]饱和蒸汽压[/wiki]力P0的比值P/P0表示）.五种类型的吸附等温线其形状的差异是由于吸附剂和吸附质分子之间作用力不同造成的。

类型Ⅰ是平缓地趋近饱和质的朗格谬而型等温吸附线。这种吸附相当于在吸附剂表面上只形成单分子层吸附。类型Ⅱ是最普通的物理吸附，能形成多分子层。类型Ⅲ比较少见，它的特点是吸附热与被吸附组分的液化热大致相等。第Ⅳ、Ⅴ种认为是由于毛细管凝结现象所致。物理吸附等温曲线不只限于这五种。例如，有的物理吸附其等温吸附线是阶梯状的，并且等温吸附线常常与解吸曲线不一致，还常有滞后的拖尾现象。

表达等温吸附线的数学式，称为等温吸附方程。由于各学者针对不同的吸附平衡现象，采用不同的假设和模型，因而推导出各种等温吸附方程。现将几种常用的等温吸附方程简单介绍如下： 1．亨利(Henry)方程

通常都知道，一定温度下气体在液体中的溶解度与气体的分压成正比，这就是亨利定律。而在吸附过程中，亦存在这种现象，即在吸附过程中吸附量与压力成正比。和气体在溶液中的溶解是相同的，故称为亨利吸附。其方程为： q=kh.c 式中：q—吸附剂的吸附量；

kh—亨利系数；

c—吸附质在气体中的浓度。

对于压力很低的气相吸附，多数情况下，能服从此定律，而且只限于吸附量占形成单分子层吸附量的10%以下，即吸附面最多只有10%大表面被吸附物质所覆盖，才能适用这个方程。2．朗格谬尔（Langmair）方程

假设在等温下，对于均匀的吸附表面，吸附质分子之间没有相互作用力，形成单分子层吸附，由此推导出的等温方程称为朗格谬尔方程。在吸附速率和解吸速率相等时为： q/qm=kl.p/(1+kl.p)式中：qm—吸附剂的最大吸附容量；

p—吸附质在气体混合物中的分压；

kl—朗格谬尔常数。

从上式中可知，当吸附质在气体中的分压很低时，则： q= qm.kl.p

即成为亨利方程，qm.kl相当于亨利系数kh。如果吸附剂的吸附能力很强，吸附质的分压较高，上式又为q= qm。相当于吸附剂的表面全部吸附了吸附质，成为饱和吸附状态，等温吸附线趋于一条渐进线，吸附量和分压的变化无关，成为定值。上式整理后变为： p/q=p/ qm +1/(kl.qm)3.弗里德里胥（Freandlich）方程

等温下在吸附热随着覆盖率（即吸附量）的增加成对数下降的吸附平衡，弗里德里胥提出的经验方程为： q=kf.p1/n 式中：kf、n —与吸附剂的特性、温度有关的常数。弗里德里胥方程表示吸附量与压力的指数分数成正比。压力p增大吸附量q随之增加，但压力增加到一定程度以后，吸附量饱和而不再变化。对上式两边取对数，得： log q =1/n.log p + logkf 与朗格谬尔方程接近。此方程的斜率1/n若在0.1～0.5之间，表示吸附容易进行；超过2时，则表示吸附难以进行。

4．B.E.T方程

由布隆耐尔（Brunaner）、埃麦特（Emmett）和特勒（Teller）三人提出的等温吸附方程简称B.E.T方程。

朗格谬尔方程的前提条件是假设在吸附剂表面上只形成分子层。若是将其拓展到多分子层的吸附，即吸附分子在吸附剂上是按各个层次排列的，这些分子可以无限地累跌而吸附，并且各个分子之间的相互作用可以忽略不计，又假设每一层都符合朗格谬尔方程，便可以推导出B.E.T方程。

q=(kb.qm.p)/{(p0-p)[1+(kb-1)p/p0 ]} 式中：p0—吸附温度下，吸附质气体的饱和蒸汽压；

qm—第一层单分子层的饱和吸附量；

kb—和温度、吸附热、液化热等有关的常数。在吸附质的平衡分压p远比饱和蒸气压p0小时，p0>>p,则： q/ qm=(kb.p/ p0)/(1+ kb.p/ p0)取kl=kb/ p0，此式变成朗格谬尔方程。也就是说，B.E.T方程是朗格谬尔方程的广义方程；后者是前者的特例。通常采用B.E.T方程可以计算吸附剂的比表面积。

除以上叙述的吸附理论所推导出的等温吸附方程之外，还有爱基（Enken）和坡兰尼(Polanyi)的吸附理论、洛朗兹(Lorenz)和朗德(Lande)的静电学说、毛细管凝缩学说以及杜宾宁(Dubinin)在发展坡兰尼理论的基础上推导出的吸附等温方程等等。

工业用吸附剂一般都含有各种大小的微孔，它的吸附过程可能是单分子层吸附，可能是多分子层吸附，也可能是由于毛细管凝缩所致。哪一种机理起主要作用视具体条件而定。当温度低于临界温度时，大多数吸附剂的等温吸附线属于第Ⅳ类型；大体可认为在低压区的吸附主要是单分子层吸附（见图1-2）；随着压力的升高多分子层吸附起主要作用；在接近饱和蒸汽压时（p/ p0≈1），毛细管凝缩作用显著。

图1-

3、1-4为在不同温度下，各种气体在吸附剂上的吸附等温曲线。从图中可以看出，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。

四、吸附过程中的物质传递

等温下静态吸附平衡意味着流体和吸附剂经长期接触，颗粒外和孔内的流体浓度相同，吸附相浓度也均匀，这是很难达到的。在流动体系只能达到动态平衡，吸附质从气体主流到吸附剂颗粒内部的传递过程分为两个阶段：

第一阶段是从气体主流通过吸附剂颗粒周围的气膜到颗粒的表面，称为外部传递过程或外扩散。

第二阶段是从吸附颗粒表面传向颗粒中心，称为内部传递过程或内扩散。

这两个阶段是按先后顺序进行的，在吸附时气体先通过气膜到达颗粒表面，然后才能向颗粒内扩散，脱附时则逆向进行。

内扩散过程有几种不同情况，参见图1-5。

气体分子到达颗粒外表面时，一部分会被外表面所吸附，而被吸附的分子有可能沿着颗粒内的孔壁向深处扩散，称为表面扩散。一部分气体分子还可能在颗粒内的孔中向深处扩散，称为孔扩散。在孔扩散的途中气体分子又可能与孔壁表面碰撞而被吸附。所以，内扩散是既有平行又有顺序的吸附过程，它的过程模式可表达为：

根据前述，吸附传递过程由三部分组成，即外扩散、内扩散和表面吸附。扩散过程在吸附中占有重要地位。导致浓度均衡的物质相互渗入称为扩散。由于分子热运动，在没有外力作用下扩散过程能自发的发生。按照费克定律，时间τ内扩散穿过表面F的物质数量G，与浓度梯度（dC/dn-单位扩散路程长度上的浓度变化）成正比。浓度梯度决定了过程的推动力。G=-D.F.τ.dC/dn 比例系数（D）称为扩散系数。负号表示扩散是朝浓度低的方向运行。扩散系数随扩散物质的性质而异，通常以实验方法测定，并从有关手册中查得。

随着吸附的进行，气流中吸附质的浓度逐渐减少，并逐渐趋于平衡。在单位时间内被单位体积（或重量）吸附剂所吸附的物质量称为吸附浓度。

按吸附动力学原理，吸附速度可用下式表示： dq/dτ=K(C-Y)式中：dq/dτ—吸附速度的数学表达式；

C—吸附质在气体中的含量；

Y—与吸附剂所吸附的物量成平衡的气体浓度；

K—从气流到吸附剂表面的质量传递系数，也称总传质系数。以扩散方式到达吸附剂表面的物量由费克定律确定，显然，该物量应等于按吸附动力学方程所求得的吸附质的量： K(C-Y)=-D.F.dC/dn

对于物理吸附，由于表面吸附的速度是极快，几乎是瞬间完成，故它的影响可忽略不计。于是吸附传递的动力学过程是由外扩散和内扩散所决定。K1表示外扩散过程的传质系数，K2表示内扩散过程的传质系数，则总传质系数与外、内扩散系数有下列关系： 1/K=1/K1 + 1/K2

对于物理吸附，由于表面吸附的速度是很快的，故它的影响可以忽略不计。

传质系数与许多变量，如吸附剂种类、被吸附的气体组成以及吸附工况等性质有关。这种复杂的关系不可能由一个通式表示，因此在大多数情况下，传质系数是根据每种不同的情况以实验方法求得的。

五、固定床吸附流出曲线

1．吸附前沿和吸附负荷曲线

把颗粒大小均一的同种吸附剂装填在固定吸附床中，含有一定浓度（C0）吸附质的气体混合物以恒定的流速通过吸附床层。现在来描述流动状态下，床内不同位置上的吸附质浓度随时间的变化情况。

假设床层内的吸附剂完全没有传质阻力，即吸附速度无限大的情况下，吸附质一直是以的初始浓度向气体流动方向推进，类似于汽缸中的活塞移动，如图1-

6、a所示。

实际上由于传质阻力存在，流体的速度，吸附相平衡以及吸附机理等各方面的影响，情况并不是这样。吸附质浓度为C0的气体混合物通过吸附床时，首先是在吸附床入口处形成S形曲线（图1-

6、b），此曲线便称为吸附前沿（或传质前沿）。随着气体混合物不断流入，吸附前沿继续向前移动，经过t3时间后，吸附前沿的前端到达了吸附床的出口端。

S形曲线所占的床层长度称为传质区（MTZ）。此传质区形成后，只要气流速度不变，并随着气流的不断进入，逐渐沿气流向前推进。因此在动吸附过程中，吸附床可分为三个区段（图1-

6、c）：

⑴.为吸附饱和区，在此区吸附剂不再吸附，达到动态平衡状态；⑵.为吸附的传质区，传质区愈短，表示传质阻力愈小（即传质系数大），床层中吸附剂的利用率越高；⑶.为吸附床的尚未吸附区。

在图1-6中，其曲线与座标所形成的面积称为吸附剂的吸附负荷。在吸附饱和区部分，便为吸附剂在吸附质浓度C0下的饱和吸附量。如将图1-6中的纵座标，由吸附质浓度改为吸附剂对吸附质的吸附量即可得到吸附负荷曲线（图1-

8、a），它的曲线状态完全是与吸附前沿相对应的。

2．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处，并随时间推移，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）.测定吸附床出口处吸附质浓度随时间变化，便可绘出流出曲线。

如图1-7所示，从吸附床气体入口端流进吸附质初浓度为C0的气体混合物，此时流体中的吸附质从入口端开始依次被吸附在床层上。结果在床层气体流动方向上，便形成一个浓度梯度（即传质区）。吸附过程只是在传质区为一定性质的浓度分布范围内进行。吸附工况处于稳定状态下，其浓度梯度的分布形状和长度是不变的，它以一定速度在吸附床层上移动。随着吸附过程的持续进行，吸附饱和区逐渐扩大，而尚未吸附区逐渐缩小。

当传质区到达吸附床出口端时，流出气体中的吸附质浓度开始突然上升的位置，就是所谓的渗透点（图中C点）。与其相对应的吸附质浓度（Cc）、吸附时间（tc）分别称为穿透浓度和穿透时间。实际上吸附前沿和流出曲线是成镜面的对称相似（图1-8）。和吸附前沿一样，传质阻力大，传质区愈长，流出曲线的波幅也越小。在极端理想的情况下，即吸附速度无限大的时后，吸附前沿曲线和流出曲线成了垂直线，床内吸附剂都被有效利用。

在图1-

8、a中，横座标（Z）为吸附床长度，纵座标（q）为吸附量，曲线为吸附负荷曲线。图1-

8、b中，横座标（t）为吸附时间，纵座标(C)为吸附质浓度，曲线为吸附流出曲线。图中面积[wiki]abc[/wiki]defa代表传质区的总吸附容量(U+V)，吸附前沿曲线上方（或流出曲线下方）的面积agdefa是传质区仍具有吸附能力的容量(U)，吸附前沿曲线下方（或流出曲线上方）的面积abcdga是传质区中被吸附部分(V)，面积abhk为吸附饱和区(W)。

结合图1-

8、a、b，根据数学推导可得到： 传质区长度

ZA=Z.t0/[(t+ t0)-t0.(1-k)] 或 ZA=Z.（U+V）/(W+U+V)吸附床的无效高度

h=k.ZA

h=Z.U/(W+U+V)式中：Z—吸附床总高；

t—保护作用时间；

t+ t0—饱和作用时间；

k—传质区的未饱和分率，k=U/(U+V)。

影响流出曲线形状的因素有吸附剂的性质、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。

为了设计固定吸附床，必须进行传质区长度和流出曲线的计算。但是，已有的计算方法都是在许多假设条件下进行的，所以，通常以实验手段测定传质区长度和流出曲线。测定时的气体浓度、流体速度、接触时间、吸附压力、吸附温度等条件应该与实际使用过程的条件相对应。

第二节 变压吸附的工作原理

一、吸附剂的再生方法

为了能使吸附分离法经济有效的实现，除了吸附剂要有良好的吸附性能以外，吸附剂的再生方法具有关键意义。吸附剂再生纯度决定产品的纯度，也影响吸附剂的吸附能力；吸附剂的再生时间决定老吸附循环周期的长短，从而也决定了吸附剂用量的多少。因此选择合适的再生方法，对吸附分离法的工业化起着重要的作用。

由描述吸附平衡的等温吸附线知道，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；也就是说加压降温有利于吸附质的吸附，降压加温有利于吸附质的解吸或吸附剂的再生。

于是按吸附剂的再生方法将吸附分离循环过程分成两类：变温吸附法和变压吸附法。图2-1表示了这两种方法的概念，图中横座标为吸附质的分压，纵座标为单位吸附剂的吸附量。上面一条是常温下的等温吸附线，下面一条是高温下的等温吸附线。

1．变温吸附法

在较低温度（常温或更低）下进行吸附，而升高温度将吸附的组分解吸出来。从图2-1看出，变温吸附是在两条不同温度的等温吸附线之间上下移动进行着吸附和解吸。由于常用吸附剂的热传导率比较低，加温和冷却的时间就比较长（往往需要几个小时），所以吸附床比较大，而且还要配备相应的加热和冷却设施，能耗、投资都很高。

此外，温度大幅度周期性变化也会影响吸附剂的寿命。但变温吸附法可适用于许多场合，产品损失少，回收率高，所以目前仍为一种应用较广的方法。2．变压吸附法

在加压下进行吸附，减压下进行解吸。由于循环周期短，吸附热来不及散失，可供解吸之用，所以吸附热和解吸热引起的吸附床温度变化一般不大，波动范围仅在几度，可近似看作等温过程。由图2-1看出，变压吸附工作状态仅仅是在一条等吸附线上变化。

常用减压吸附方法有以下几种，其目的都是为了降低吸附剂上被吸附组分的分压，使吸附剂得到再生。

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。

在变压吸附过程中，采用哪种再生方法是根据被分离的气体混合各组分性质、产品要求、吸附剂的特性以及操作条件来选择，通常是由几种再生方法配合实施的。

应当注意的是，无论采用何种方法再生，再生结束时，吸附床内吸附质的残余量不会等于零，也就是说，床内吸附剂不可能彻底再生。这部分残余量也不是均匀分布再吸附床内各个部位。图2-2中曲线-2示出了这部分残余量在床内的分布情况。曲线-1就是前述的吸附负荷曲线。两根曲线分别与座标所形成的面积之差称为吸附床的有效吸附负荷。此质增大，有利于吸附操作。吸附工况确定后，有效吸附负荷就取决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、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，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。

图2-3示出了在一个变压循环中吸附剂的吸附负荷与压力的变化关系。

三、吸附剂的选择

吸附剂对各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流出曲线来评价的。吸附剂的良好吸附性能是吸附分离过程的基本条件。

在变压吸附过程中吸附剂的选择还要考虑解决吸附和解吸之间的矛盾。例如对于苯、甲苯等强吸附质就要用对其吸附能力较弱的吸附剂如硅胶，以使吸附容量适当，又有利于解吸操作。而对于弱吸附质如甲烷、氮、一氧化碳等，就需要选用吸附能力较强的吸附剂如分子筛等，以期吸附容量大些。选择吸附剂的另一要点是组分间的分离系数尽可能大。

所谓分离系数的定义是这样的：

设有一个二组分体系，其中A为强吸附组分；B为弱吸附组分。她们的组别分别为Xa和Xb，组分A和B的吸附系数Ka、Kb各为： Ka =qa.T.p0/(v.T0.p.Xa);Kb=qb.T.p0/(v.T0.p.Xb)式中：q—床内吸附剂吸附A或B组分在标准状态下的体积；

p、T—工作状态下的压力和温度；

v—吸附床的死体积（即床内流体能占有的体积），其值为： v=1/db – 1/dg 于是分离系数α为： α=（Ka+1）/(Kb+1)也就是说，某组分吸附平衡时在吸附床内的总量有两部分，一部分是在死空间中，另一部分被吸附剂所吸附，其总和叫做某组分在吸附床内的存留量；弱吸附组分和强吸附组分各自在死空间中含有的量占床内存留量的比值之比称为分离系数。分离系数越大分离越容易。在变压吸附中被分离的两种组分的分离系数不宜小于2。表2-

1、2-2列出了常见主要组分在大气压和20℃下的分离系数。

表2-1

常见组分对各种吸附剂的分离系数 组分吸附剂

CH4CO2

COCH4

N2CH4

N2CO

H2CH4

H2CO

N2N2 硅胶

6.40

1.31

1.86

1.42

2.90

2.05

3.8 活性炭

2.00

2.07

2.84

1.37

6.97

5.10

14.4

表2-2

常见组分对各种吸附剂的分离系数 组分吸附剂

CH4CO

COCO2

N2CH4

N2CO

H2CH4

H2CO

N2N2 5A分子筛

1.79

3.15

1.40

2.50

9.65

17.2

6.9 丝光沸石

1.18

2.23

1.39

1.65

15.5

18.5

11.2 13X分子筛

1.58

4.70

1.52

2.40

8.0

12.6

5.25

另外，在吸附床运行过程中因床内压力周期地变化，气体短时间内进入、排出，吸附剂应有足够的强度，以减少破碎和磨损。被分离的气体如果含有象有机[wiki]机械[/wiki]润滑油、煤焦油之类的物质，那么在吸附过程中，这些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。粘附有油类物质的任何吸附剂，不管采用升温还是降压抽空的再生方法，都是不能再生的。因此对气体中的含油量必须严格限制，有的场合就需增设除油设施，以免吸附剂在使用中失效。

变压吸附分离不同的气体混合物所采用的吸附剂如下表2-3所示： 表2-3 变压吸附分离气体混合物所采用的常用吸附剂

分离对象

硅胶

活性炭

分子筛

从气体混合物除去水分

√

√ 空气净化

√

√ 空气分离制取氧和氮

√ 从氢中除去二氧化碳

√

√

从氢中除甲烷、一氧化碳、氨

√ 从氢中除去烃类

√

合成气净化

√

√ 从甲烷中除去其它烃类

√

√ 从瓦斯气中回收甲烷

√

√ 从石灰窑气中分离二氧化碳

√

√

从炼钢转炉煤气中分离一氧化碳

√

√

√ 天然气净化

√

√

分离组成复杂、类别较多的气体混合物，常需要选用几种吸附剂，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，有的情况也可分别装填在几个吸附床内。

第三节

变压吸附技术的应用及实施方法

变压吸附装置的操作方式大致分类如下：

平衡分离型是按气体在吸附剂上的平衡吸附性能进行选择性吸附的原理分离气体混合物，速度分离型是根据吸附剂对各组分的吸附速度的差别实现气体混合物分离的。

在平衡分离型中，等压型的吸附操作是在等压下进行的，吸附床在操作压力下压力损失小，目前工业上应用的变压吸附装置都为等压型的。非等压型的快速变压吸附是依靠系统流体阻力的适当分配来实现的，吸附操作要保证吸附床内有一定的压力梯度，吸附剂的粒度较细为40～60目（而等压型变压吸附用的吸附剂直径为1.6～3.5mm），因此压力损失大。快速变压吸附的特点是装置特别简单，通常只用一个吸附床，又由于快速周期循环，单位吸附剂的生产能力较高。其缺陷是达不到高纯度产品，在相同产品纯度下回收率要低，只适用于小型规模的生产装置。

下面介绍变压吸附技术在气体分离中的应用和它们的实施方法。

一、回收和精制氢

随着石油炼制工业以及三大合成材料为中心的石油化学工业的飞速发展，氢气消耗量也在迅速增加，很多有机合成工业、冶金工业、[wiki]电子[/wiki]工业都迫切需要大量纯氢，因此扩大氢生产资源，开发新的制氢工艺以及改进现有制氢工艺，受到人们的普遍关注。扩大氢气来源的一条重要途径就是从许多含氢工业废气中回收氢气。事实上在这些工业部门都有大量的含氢废气可以利用。这些气体中，除氢以外的杂质是Ar、N2、CH4、CO、CO2、H2O、NH3、H2S以及少量烃类，这些杂质可采用变压吸附技术依次同时除去，达到回收和纯化氢的目的。

变压吸附制氢工艺中吸附压力一般在0.8～2.5MPa范围内，早期变压吸附技术应用的一个重要限制，在于缺乏一种有效的方法来回收和利用吸附结束时存留在吸附床内死空间的产品组分。在最初的二床流程中，一个吸附床吸附，另一床再生，每隔一定时间互相交替。吸附结束后床内死空间气体随降压而损失了，吸附压力越高损失就越大。为了提高回收率，除了研制性能优良的吸附剂和改善操作条件以外，关键还在于改善工艺流程。

目前工业上解决的办法是采用多床变压吸附工艺，它的主要实施方法是，根据吸附的状态特性将吸附操作在穿透点之前一段相当长的时间结束。这样吸附床出口端就有一部分吸附剂尚未利用，然后将该吸附床与一个已完成解吸并等待升压的吸附床连通，两床压力均衡（称为均压），这样既回收了吸附床死空间中的有用组分又利用了其中的能量。一般来说，均压次数增加，产品回收率上升，但吸附床数也要相应增多。多床变压吸附工艺应用最广的是四床流程。

图3-1为四床变压吸附流程。为了便于了解起见，现以其中一个吸附床（A床）所经历的七个步骤为例来说明它的工作原理。图3-2是A床吸附时的气流示意图。

1．吸附(A)

原料气自下而上通过A床，在过程最高压力下选择吸附各种杂质，未被吸附的纯氢从吸附床顶部引出，其中大部分作为产品输出，另一部分用于别的吸附床的最终升压。吸附步骤是在吸附前沿未到达床的出口端时即停止，使吸附前沿和床出口端之间保留一段还没有使用的吸附剂。

2．均压降（ED）

吸附步骤完成后，A床停止进入原料气。与已再生完成处于过程最低压力的C床以出口端相连进行均压。均压完成后两床压力各为吸附压力的二分之一，此时A床的吸附前沿向前推进，但还未到达床的出口端。均压降的气体纯度和产品基本一致。此步骤对C床来说叫做均压升，回收了吸附床死空间中大产品组分和它的能量。3．顺向放压（PP）

A床继续从出口端降压，降压的气体用于冲洗已逆向放压到过程最低压力的D床。顺向放压结束时的压力控制在吸附前沿刚好到达出口端而还未穿透为止。此步骤的顺向放压气体基本上是纯的，利用这股气体是D床吸附剂进一步再生。4．逆向放压（D）

顺向放压终止时A 床内吸附剂已全部吸附了杂质，于是将床内剩余气体从入口端排出，降到过程最低压力（一般为大气压）。在此步骤中床内吸附的杂质由于压力下降而释放，大部分随气流带走。5．冲洗（P）

利用B床顺向放压的气体在过程最低压力下对A床进行冲洗以进一步降低杂质分压，清除残留于床内的杂质。6．均压升（ER）

冲洗完成后A窗的吸附剂基本再生完毕，此时开始进行再次吸附前的升压准备，在此利用C床均压降的产品气对A床进行充压，达到吸附压力的一半。7．最终升压（FR）

然后用D床生产中的一部分把A床充压到过程的最高压力，即吸附压力。至此，A床完成了一个吸附—再生循环，并将重新开始吸附进入下一个循环。

其它三个吸附床的工作步骤与A床相同，只是在时序安排成错开四分之一周期（见表3-1）。

此流程通过均压和顺向放压两个步骤回收了吸附床死空间中的大部分产品组分和它的能量，提高了产品回收率，同时用于充压的产品气量减少，产品气的压力波动也相应减少。在升压过程中，纯氢都是从吸附床出口端充入，这样床内极少量的杂质会被推向入口端，起到了床内吸附剂更新的作用。此法从变换气中制取纯氢，产品纯度可达99.99～99.999%，氢的回收率为75～80%。

为了进一步减少产品的损失，还可采用二次均压法，使逆向放压时的压力更低，均压升之后的压力更高，其回收率比一次均压法提高5～7%。

除了四床流程外，工业上根据装置规模增大和吸附压力上升还相应采用的有五床、八床和十床流程等等。图3-2列举的十床变压吸附工艺是八十年代初上海石油[wiki]化工[/wiki]总厂从美国联合炭化物公司引进的。装置处理原料（变换气）能力为74530nm3/h,吸附压力约2.4MPa，产品氢纯度99.9%，氢回收率85%。

此流程特点是：⑴采用了三次均压的方法，进一步提高了氢的回收率，产品输出压力波动很小；⑵任何时候都有三个吸附床通入原料进行吸附步骤，只是它们处于不同的吸附阶段。这样缩小了吸附床的容积，相应地也缩小了与吸附床相连接的管道和阀门规格，同时还缩短了过程的循环时间，提高吸附剂的利用率或减少吸附剂的需用量。⑶当自动切换阀门或它的控制部件出现故障时，装置可由十床切换成五床运行，不至于全系统停车，此时原料处理量为406678 nm3/h。近来计算机和阀门故障判断系统[wiki]软件[/wiki]的不断改善，十床流程已可根据出现故障的阀门位置切换成四床、六床或八床运行，被切断的吸附床越少，生产能力影响也越小，充分保证装置的开工率。

上述的一些多床变压吸附流程只要改变床内吸附剂类型和配比，都可适用于从几乎所有的富氢气源（如变换气、合成氨驰放气、甲醇尾气、焦炉煤气、炼厂气、城市煤气等）中回收氢，也能适用于其它从气体相获得产品组分的场合，例如从天然气中除去C2以上的烃类、从变换气中脱去二氧化碳（吸附剂再生过程中有时采用了真空解吸步骤以提高氢的回收率）等等。

二、从空气中制取富氧

传统的制氧方法是空气的深冷分馏，此法可制取高纯度的氧、氮和惰性气体，也是大规模生产这些气体的最经济的方法。但在许多场合，如废水处理、金属冶炼、医疗供氧、化工造气等等并不需要象深冷分馏法所制得的高纯度氧气，而且富氧的需用量相对高纯度氧要更多些。为此人们很早就企图实现用比深冷法更简便的方法富集氧气。对分子筛的研究发现，在5A型分子筛上空气中的氮是被优先选择吸附的分子（见图3-4），自此注意到应用分子筛分离富氮的可能性。变压吸附法制取富氧与变压吸附本身的开发一样，是沿着两条途径进行的：一方面是改善吸附剂的性能，以增大氮的吸附能力和富氮的分离系数；另一方面是改进工艺流程，根据富氧生产能力、纯度即吸附剂性能开发有各种二床、三床流程，前面介绍的多床制氢工艺也适用于生产富氧，吸附床数增加可提高产氧能力、降低总耗电量，但额外投资和床数增加的复杂性在经济上导致过于昂贵。所以目前工业上开发应用较多的是二、三床流程。

由于氧氮的分离系数随压力降低而提高，故变压吸附制取富氧过程中吸附压力都比较低，一般在常压解吸流程中吸附压力为0.2~0.5MPa，在真空解吸流程中吸附压力不大于0.1MPa，甚至可以依靠吸附床的真空直接吸入空气，在常压下进行吸附。常压吸附—真空解吸工艺的动力消耗要比加压吸附—常压解吸工艺低，这是因为加压吸附压缩空气量大于产品量十倍之多，而气体的压缩比一般为3.5，真空泵在抽吸后期才达到此值。典型的三床真空解吸流程如图3-5所示，其工作步骤时序见表3-2。

空气由鼓风机送入一个正处于吸附步骤的吸附床，在压力0~0.03MPa下，空气中水分、二氧化碳以及氮气被分子筛所吸附，氧气从吸附床顶部引出。产品氧由另一只压缩机压缩到所需的压力。当吸附床中氮的吸附前沿到达出口端时停止吸附，空气切换到另一个吸附床。吸附步骤结束后，吸附床开始进行再生，先是与刚完成抽空的吸附床进行均压，然后通过真空泵对该床进行抽空。解吸出来的富氮、二氧化碳以及水分从床底部抽出并排入大气。该吸附床重新吸附之前，从床的顶部充入另一床的均压气和部分产品氧使其升压到吸附压力。三个吸附床交替进行吸附—均压降—抽空—均压升—最终升压五个步骤。

此法在吸附压力0.025MPa、抽空最终压力190乇下操作时，生产富氧纯度９３％，氧的回收率为３６～３９％。近年来，随着吸附剂制氧能力提高和工艺流程回收死空间气体的改进，所得富氧纯度大于９０％时，回收率为５０％，消耗能量小于０.５kwh/m3-O2,这个能耗已经与深冷空分制氧相接近。

三、回收和制取纯二氧化碳

二氧化碳已经广泛应用于尿素生产、饮料添加剂、金属翻砂成型以及焊接保护等场合，其它新的应用领域也在不断开发之中。可供工业回收的二氧化碳典型气源有：制氢装置废气、石灰窑气、油田伴生气等。在这些气体混合物中，除硫化物外，二氧化碳是一种强吸附组分，在吸附过程中它被吸附存留在吸附床内，因此变压吸附法回收二氧化碳与制氢工艺不同，它是从吸附相获得产品的。为了制取纯净的二氧化碳产品，必须将硫化物和水分除去，干燥脱硫可在原料进入变压吸附分离之前进行，也可将变压吸附制取的半成品二氧化碳再予以净化。从吸附相获得产品的变压吸附与制氢工艺（氢是从气相获得的）相比增设了置换和抽真空两个步骤。从前述的变压吸附气体分离过程知道，在吸附床降压解吸后吸附床死空间内还存留有少量杂质（H２、O２、N２、CO、CH４等），置换步骤就是用部分产品二氧化碳返回吸附床，将这些杂质置换出来，以提高二氧化碳的纯度。抽真空的目的是为了从吸附床获得被吸附的二氧化碳，并增加吸附床的操作负荷，提高吸附剂的利用率，减少吸附剂用量。这类装置一般采用三床流程（图３-６）。

它的工作过程简述如下（见表３-３）：

原料自下而上进入吸附床，此原料中二氧化碳被吸附剂吸附，未被吸附的氢氧氮一氧化碳和甲烷作为废气从吸附床出口端流出。一部分废气用于另一吸附床的最终升压，当二氧化碳吸附前沿到达床的出口端时，原料切断，吸附床吸附步骤停止。然后从吸附床出口端开始降压，首先和另一正处于均压升步骤的吸附床入口端相连进行压力均衡，直到两床压力相等。之后向系统外排气（即顺向放压），直到床内压力接近于常压（～０.０３MPa），随着压力降低，杂质组分排出，床内二氧化碳浓度逐步提高。

接着返回部分产品二氧化碳，从吸附床入口端开始进行置换，以除去床内残留的杂质。置换是在顺向放压结束时压力下进行，置换终使床内达到产品二氧化碳浓度。顺向放压和置换步骤所排出的气体中二氧化碳浓度已大禹原料气，因此这股气流返回原料气系统加以回收。吸附床中接近常压下所吸留的二氧化碳，用真空泵抽吸出来进入产品罐，其中一部分由压缩机压缩到所需的压力作为产品输出，另一部分由鼓风机返回吸附床用于置换。

抽空后床内吸附剂已基本再生完全，接下去便开始升压。先从入口端引入另一吸附床的均压降的气体，压力上升到吸附压力的一半，最后用吸附时排出的废气充压到吸附压力。然后准备输入原料进行下一次循环。

变压吸附分离回收二氧化碳适宜的压力为０.５～０.８MPa，产品二氧化碳纯度在９９.５％以上。原料中有害杂质预先净化后，最终产品可达到作为食品添加剂的二氧化碳国家标准。

四、从空气中制氢

氮是一种惰性保护气体，广泛应用于保粮杀虫、果品保鲜、以及冶金、石油、化工等工业。目前大部分氮气是从空气深冷分离装置生产的。由于变压吸附和分子筛技术的发展，使变压吸附装置的投资降低、操作费用减少，特别是小型制氮装置具有广阔的发展前途。变压吸附制氮的技术以不同的吸附机理分有两种方法。一种是吸附剂采用5A分子筛。如图３-４所示，氮的吸附量要比氧、氩大，空气在5A分子筛上的这一特性构成了变压吸附分离氧、氮的依据。由于氮是在吸附相中获得的，所以可采用类似图３-６和表３-３的工艺过程制取纯氮。此法吸附时压力为０.３MPa，获得的氮气纯度大于９９.５％，氮回收率一般在３５～４５％，但空气在进入吸附床之前必须先进行干燥除去二氧化碳，使得流程复杂、投资和操作费用增加。

另一种方法是吸附剂采用碳分子筛，这种吸附剂是世界上七十年代初发展起来的新品种，首先由联邦德国埃索B.F.矿业研究公司开发成功。国内一些院校也进行了以无烟煤为主要原料制造碳分子筛的研制，至今已取得一定进展。也有一些制造厂供应碳分子筛制氮成套装置，其中杭州制氧机厂与德国林德公司合作生产的系列制氮[wiki]设备[/wiki]，其碳分子筛、程序控制器等一些主要器材由林德公司提供，该机的性能指标达到八十年代世界先进水平。

碳分子筛对空气的分离是利用向碳分子筛微孔扩散的分子直径之差异，导致扩散速度不同而实现的，即为速度分离型。在平衡状态下，碳分子筛上氧、氮的吸附量相差不多（见图３-７）。而氧通过碳分子筛微孔细小缝隙的扩散速度要比氮快得多。吸附开始后几十秒，氧的吸附量就达80%，同一时间氮的吸附量仅为平衡吸附量的5%（见图3-8）。

碳分子筛在吸附氧的同时吸附空气中的水分和二氧化碳，但对氧的吸附量影响不大。此法是从吸附的气体相中得到产品，因此原料气净化一般只要除去常温下（有的冷却到5℃）的机械水便可。

碳分子筛制氮的流程在0.1~0.45MPa吸附压力下吸附剂采用真空解吸，0.5MPa以上就采用常压解吸。装置中有两个吸附床。图3-9是带有真空解吸的碳分子筛制氮的流程，它的工作时序列于表3-4。空气在0.1~0.45MPa压力下送入吸附床，在此碳分子筛优先吸附水分、二氧化碳和氧，并且也吸附一部分氮和氩。未吸附的氮从吸附床出口端流出。大约吸附时间60秒左右后该床切断空气，与另一吸附床进行均压，然后将床内余气排入大气降到常压。接着进行真空解吸，先前所吸附的组分被抽吸出放空，最终真空压力为-0.08MPa。在再次吸附之前，由均压使吸附床压力升压到接近吸附压力的1/2，所以在吸附开始的十秒左右，吸附床是用原料空气升到吸附压力的。

碳分子筛制氮纯度比5A分子筛低些，一般在98~99%。当纯度99%时，吸附压力0.8Mpa常压解吸情况下，氮回收率为30~40%。吸附压力0.4MPa真空解吸时，氮回收率为46%。

五、回收和提纯一氧化碳

钢铁厂有丰富的副产煤气，其主要是焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气，它们的典型组成是： 表 3-5 钢铁厂副产煤气组成 组分煤气名称

H2

O2

N2

CO

CH4

CO2

CmHn 焦炉煤气

57.4

4.2

6.3

27.3

1.7

3.1 高炉煤气

2.7

54.0

21.8

21.5

转炉煤气

1.5

0.4

19.1

60.0

19.0

在这三种钢铁厂副产煤气中，焦炉煤气和高炉煤气大部分作为钢铁厂自身燃料供给。而占我国钢产量一半的转炉副产的转炉煤气大都尚未回收，放散不用既损失了能源，又造成了[wiki]环境[/wiki]污染。一氧化碳是化学工业中“碳—化学”的基础原料，通常由煤、石油或天然气经造气净化所得。它可用于制取甲醇、甲醛、甲酸、醋酸、草酸、脂肪酸、光气以及多种羟基化合物。转炉煤气中含有~60%的一氧化碳，回收转炉煤气中的一氧化碳，既省去建造工艺复杂的造气净化装置所耗的大量投资，又节约生产费用。以煤制甲醇为例，仅造气净化部分就占总设备投资的百分之七十。转炉炼钢每吨大约发生100m3的转炉煤气。因此，从中回收提纯一氧化碳来发展“碳—化学”工业的前景十分可观。

提纯转炉煤气中一氧化碳的传统方法有铜氨液吸收分离法和深冷分离法，这两种方法流程复杂，生产费用高。美国田纳科化学公司于七十年代开发成功了从含有一氧化碳的气体混合物中分离回收一氧化碳的新工艺，称之为一氧化碳吸收法或COSORB 法。此法首先被国际动力学公司采用，再荷兰建立了一套从炼油厂废气中回收一氧化碳的装置。该法利用CnAl4甲苯溶液选择吸收一氧化碳，气体混合物中其它组分如H2、N2、CH4及CO2只微量吸收，吸收一氧化碳的溶液被稍许加热即可析出，得到纯度98~99%的一氧化碳。此工艺的特点是在低压（一个大气压）和室温操作，没有[wiki]腐蚀[/wiki]，设备和材质皆易解决。但对原料气中的H2O、H2S、SO2、NH3含量都有规定，其中对H2O的要求十分严格，要求含水量在1ppm以下。而且，溶液所析出的一氧化碳中带有甲苯蒸汽。因此需要增添前处理和后处理工序，这样自然会使投资和操作费用增加。进一步降低由钢铁厂煤气生产化工产品的成本，人们更着眼于采用流程简单、费用低的变压吸附法分离提纯转炉煤气中一氧化碳的新技术（简称CO-PSA）。

不同类型的吸附剂对转炉煤气各组分的吸附能力大小顺序也不一样，因此构成了不同的工艺流程。1．二段法CO-PSA工艺

此法的吸附机理属物理吸附，采用的吸附剂都为市售的分子筛、活性炭等。这些吸附剂对钢铁厂副产煤气中各组分的吸附能力依次为：

CO2 >> CO > H2 >> N2 二氧化碳属于强吸附组分。因此，必须设置第一段变压吸附，在此加压下吸附原料中的二氧化碳。从气体相获得的气体混合物在第二段变压吸附中吸附一氧化碳，未被吸附的气体分离排出，然后在减压下解吸回收一氧化碳。

压缩到0.4~0.5MPa的原料气在第一段变压吸附中除去饱和水分和二氧化碳，然后净化后的原料气在0.3MPa下进入第二段变压吸附，在此分离出氢和氮，吸附的一氧化碳经解吸收集于气柜作为产品压缩输出，其中一部分又返回吸附床用于置换。从第二段变压吸附排出的氢和氮混合气返回到第一段变压吸附用于二氧化碳解吸过程的冲洗气。

第一段变压吸附工艺中选择吸附剂要考虑两点：一方面对二氧化碳具有大的吸附能力，另一方面对一氧化碳的吸附能力要小，以尽可能减少一氧化碳的损失。通常用活性炭或氧化铝之类的吸附剂。强吸附组分二氧化碳的解吸方法，在原料气中氢和氮的量大于二氧化碳时可以采用降压冲洗的方法。采用的是三床变压吸附流程，其工作步骤类似于变压吸附提氢工艺，只是在冲洗过程中采用了第二段变压吸附回收一氧化碳后的氢、氮废气，其工作时序见3-6。原料中的饱和水分虽然对吸附影响不大，但将会混入最终的一氧化碳产品中，所以在吸附床中还加有干燥剂脱水。

第二段变压吸附回收提纯一氧化碳的主要难点是CO/ N2的分离系数小，在分子筛上仅为2.5（而CO/ H2的分离系数达17.2）。其次是产品一氧化碳是从吸附相中获得，增加了一氧化碳提纯的难度。因此，除了采用对一氧化碳具有高选择性的吸附剂外，根据一氧化碳含量和吸附剂特性，在变压吸附中设置相应的工作步骤，来保证产品一氧化碳的纯度和回收率。其吸附床的工作时序表3-7。吸附和顺向放压时排出的废气用于第一段变压吸附冲洗过程。置换排出的气体中含有较多的一氧化碳，故进入另一吸附床的入口端用于再升压，随之一氧化碳吸附。在最终升压步骤采用的是净化后的原料气升压，以保证原料气流量稳定。

这种方法也适用于前述的二氧化碳回收以及一些从吸附相获得浓缩产品的场合。

2．一段法CO-PSA工艺

对于钢铁厂副产煤气，由于分子筛等吸附剂不能选择吸附一氧化碳的缘故，使得CO-PSA工艺势必采用二段法而变得流程复杂、费用增加。为了提高效率、简化装置，国内首先研制出一种采用一段法工艺的吸附剂。这类吸附剂大多是将铜盐负载于分子筛、活性炭或氧化铝之类固体上，利用一氧化碳对铜的洛合作用有选择性地吸附一氧化碳，大大提高了一氧化碳的吸附能力。目前这种化学吸附法在回收净化一氧化碳的中小型装置上比较有成效的是日本千代田化工建设公司研制的以CuAlCl4/Al2O3为吸附剂的CO-PSA技术。我国北京大学、大连工学院和西南化工研究院等许多单位也研制了CO-PSA专用吸附剂，一氧化碳的选择性和平横吸附量有了显著提高，但还需进一步探索并达到工业应用。

一段法CO-PSA工艺的基础是采用高效的一氧化碳吸附剂，因此只需要二段法中的第二段变压吸附就可以达到分离一氧化碳的目的，省去了第一段变压吸附，使流程简化。但是原料气中的硫化物会使吸附剂中的活性成分Cu+永久性中毒，故必须增加脱硫设施。

表3-8将几种一氧化碳分离法进行比较，一段法具有很多优越性。这个方法的关键在于一氧化碳吸附剂，此吸附剂与别的吸附剂不同，要求对一氧化碳吸附选择性强、吸附量大、还要要求吸附剂的加工工艺简便、操作条件不苛刻以及原料经济易购等。

六、从变换气中脱出二氧化碳

变压吸附脱碳技术是我公司根据我国小合成氨现状和碳酸氢氨过剩、液氨紧俏的趋势研制成功的。经变压吸附脱碳之后的净化气中二氧化碳含量可在0.2%以下，氢的回收率大于95%。它的工艺过程与前述的制氢工艺相类似，其中不同之处是：脱工艺中吸附剂的再生采用真空解吸方法来替代制氢工艺中的顺放-冲洗过程。图3-11为变压吸附脱碳工艺流程。

变换气在0.7～1.3MPa压力下，经过水分离器除去气体中带有的水液后，进入变压吸附系统。系统内每个吸附床依次循环执行下列步骤： 吸附

一均降

二均降

逆放

二均升

一均升

最终升压

原料中的水分和二氧化碳在吸附步骤被床内吸附剂吸附，从吸附床出口端输出净化的氢氮气。当二氧化碳的吸附前沿到达床内规定位置时，该吸附床吸附步骤结束，停止输入原料。接着开始降压解吸，先是吸附床顺向放压，压力逐级下降到~0.1MPa，排出的气体分别用于另外两个吸附床的升压，此时二氧化碳前沿已到达出口端。剩余的压力由逆向放压降到大气压，吸附床内一部分二氧化碳随气流排出。吸附床进一步再生采用抽真空的方法，即所谓的真空解吸。吸附床被抽到小于-0.08MPa的真空压力，吸附的二氧化碳几乎全部解吸并抽出。至此，吸附床再生完毕，开始进行再次吸附之前的升压步骤。升压过程是利用其它两个吸附床顺向放压排出的气体和吸附时输出的净化气逐级升到吸附压力的。

此法与目前其它脱碳方法相比，具有净化气中二氧化碳含量低、能耗小的特点，同时还能除去原料中硫化氢、部分甲烷和一氧化碳的优良性能。

附Ⅰ

变压吸附工艺步骤中常用字符代号说明

附Ⅱ

回收率的计算方法

回收率是变压吸附主要考核指标之一，它的定义是从变压吸附装置获得的产品中被回收组分绝对量占进入变压吸附装置的原料气中被回收组分绝对量的百分比。方法一：

已知下列条件：

⑴．

进入变压吸附装置的原料气量（F，nm3/h）⑵．

原料气中被回收组分含量（XF，%）

⑶．

从变压吸附装置获得的产品气流量（P，nm3/h）⑷．

产品中被回收组分的含量（XP，%）

被回收组分的回收率η为： η=P.XP /(F.XF).100%

方法二：

已知下列条件：

⑴．

原料气中被回收组分含量（XF，%）⑵．

产品中被回收组分含量（XP，%）⑶．

解吸气中被回收组分含量（XW，%）假设原料、产品和解吸气大流量分别为：和。由物料平衡可得：

F=P + W F.XF =P.XP + W.XW

回收率为：

P.XP /(F.XF)=(F.XF-W.XW)/(F.XF)=(F.XF – F.XW +P.XW)/(F.XF)P.XP /(F.XF)=(XFXW)/XF P/F.(XPXW)/XF P/F=(XFXW)将此式代入原式得：

η= XP.（XFXW)].100% 变压吸附知识问答

一、变压吸附基本原理 1．

什么叫吸附？

当气体分子运动到固体表面上时，由于固体表面原子剩余引力的作用，气体中的一些分子便会暂时停留在固体表面上，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上的吸附。吸附物质的固体称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。按吸附质与吸附剂之间引力场的性质，吸附可分为化学吸附和物理吸附。2．

气体分离的原理是什么？

当气体是混合物时，由于固体表面对不同气体分子的引力差异，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。伴随吸附过程所释放的热量叫吸附热，解吸过程所吸收的热量叫解吸热。气体混合物的吸附热是吸附质的冷凝热和润湿热之和。不同的吸附剂对各种气体分子的吸附热均不相同。

3．什么叫化学吸附？什么叫物理吸附？

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（van der Waais）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。

4．变压吸附属化学吸附或物理吸附？ 分离气体混合物的变压吸附过程系纯物理吸附，在整个过程中没有任何化学反应发生。

5．变压吸附常用吸附剂有哪几种？他们各自的作用是什么？ 变压吸附常用的吸附剂有：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。气体吸附分离成功与否，很大程度上依赖于吸附剂的性能，因此选择吸附剂是确定吸附操作的首要问题。

硅胶是一种坚硬、无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，分子式为SiO2.nH2O，为一种亲水性的极性吸附剂。它是用硫酸处理硅酸钠的水溶液，生成凝胶，并将其水洗除去硫酸钠后经干燥，便得到玻璃状的硅胶，它主要用于干燥、气体混合物及石油组分的分离等。工业上用的硅胶分成粗孔和细孔两种。粗孔硅胶在相对湿度饱和的条件下，吸附量可达吸附剂重量的８０％以上，而在低湿度条件下，吸附量大大低于细孔硅胶。

活性氧化铝是由铝的水合物加热脱水制成，它的性质取决于最初氢氧化物的结构状态，一般都不是纯粹的Al2O3,而是部分水合无定形的多孔结构物质，其中不仅有无定形的凝胶，还有氢氧化物的晶体。由于它的毛细孔通道表面具有较高的活性，故又称活性氧化铝。它对水有较强的亲和力，是一种对微量水深度干燥用的吸附剂。在一定操作条件下，它的干燥深度可达露点-７０℃以下。

活性炭是将木炭、果壳、煤等含碳原料经炭化、活化后制成的。活化方法可分为两大类，即药剂活化法和气体活化法。药剂活化法就是在原料里加入氯化锌、硫化钾等化学药品，在非活性气氛中加热进行炭化和活化。气体活化法是把活性炭原料在非活性气氛中加热，通常在700℃以下除去挥发组分以后，通入水蒸气、二氧化碳、烟道气、空气等，并在700～1200℃温度范围内进行反应使其活化。活性炭含有很多毛细孔构造，所以具有优异的吸附能力。因而它用途遍及水处理、脱色、气体吸附等各个方面。

沸石分子筛又称合成沸石或分子筛，其化学组成通式为： [M(Ⅰ)M(Ⅱ)]O.Al2O3.nSiO2.mH2O 式中M(Ⅰ)和M(Ⅱ)分别为为一价和二价金属离子，多半是钠和钙，n称为沸石的硅铝比，硅主要来自于硅酸钠和硅胶，铝则来自于铝酸钠和Al(HO)3等，它们与氢氧化钠水溶液反应制得的胶体物，经干燥后便成沸石，一般n=2～10,m=0～9。

沸石的特点是具有分子筛的作用，它有均匀的孔径，如3A0、4A0、5A0、10A0细孔。有4A0孔径的4A0沸石可吸附甲烷、乙烷，而不吸附三个碳以上的正烷烃。它已广泛用于气体吸附分离、气体和液体干燥以及正异烷烃的分离。

碳分子筛实际上也是一种活性炭，它与一般的碳质吸附剂不同之处，在于其微孔孔径均匀地分布在一狭窄的范围内，微孔孔径大小与被分离的气体分子直径相当，微孔的比表面积一般占碳分子筛所有表面积的90%以上。碳分子筛的孔结构主要分布形式为：大孔直径与碳粒的外表面相通，过渡孔从大孔分支出来，微孔又从过渡孔分支出来。在分离过程中，大孔主要起运输通道作用，微孔则起分子筛的作用。以煤为原料制取碳分子筛的方法有炭化法、气体活化法、碳沉积法和浸渍法。其中炭化法最为简单，但要制取高质量的碳分子筛必须综合使用这几种方法。

碳分子筛在空气分离制取氮气领域已获得了成功，在其它气体分离方面也有广阔的前景。

6．温度、压力对吸附过程的影响分别是什么？ 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。7．

什么叫变温吸附？什么叫变压吸附？ 1．变温吸附法

在较低温度（常温或更低）下进行吸附，而升高温度将吸附的组分解吸出来。变温吸附是在两条不同温度的等温吸附线之间上下移动进行着吸附和解吸。由于常用吸附剂的热传导率比较低，加温和冷却的时间就比较长（往往需要几个小时），所以吸附床比较大，而且还要配备相应的加热和冷却设施，能耗、投资都很高。

此外，温度大幅度周期性变化也会影响吸附剂的寿命。但变温吸附法可适用于许多场合，产品损失少，回收率高，所以目前仍为一种应用较广的方法。2．变压吸附法

在加压下进行吸附，减压下进行解吸。由于循环周期短，吸附热来不及散失，可供解吸之用，所以吸附热和解吸热引起的吸附床温度变化一般不大，波动范围仅在几度，可近似看作等温过程。变压吸附工作状态仅仅是在一条等吸附线上变化。常用减压吸附方法有以下几种，其目的都是为了降低吸附剂上被吸附组分的分压，使吸附剂得到再生。

8．吸附剂的再生方法有几种？分别阐述？ 为了能使吸附分离法经济有效的实现，除了吸附剂要有良好的吸附性能以外，吸附剂的再生方法具有关键意义。吸附剂再生深度决定产品的纯度，也影响吸附剂的吸附能力；吸附剂的再生时间决定了吸附循环周期的长短，从而也决定了吸附剂用量的多少。因此选择合适的再生方法，对吸附分离法的工业化起着重要的作用。

由描述吸附平衡的等温吸附线知道，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；也就是说加压降温有利于吸附质的吸附，降压加温有利于吸附质的解吸或吸附剂的再生。于是按吸附剂的再生方法将吸附分离循环过程分成两类：变温吸附法和变压吸附法。图2-9表示了这两种方法的概念，图中横座标为吸附质的分压，纵座标为单位吸附剂的吸附量。上面一条是常温下的等温吸附线，下面一条是高温下的等温吸附线。

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。在变压吸附过程中，采用哪种再生方法是根据被分离的气体混合各组分性质、产品要求、吸附剂的特性以及操作条件来选择，通常是由几种再生方法配合实施的。

应当注意的是，无论采用何种方法再生，再生结束时，吸附床内吸附质的残余量不会等于零，也就是说，床内吸附剂不可能彻底再生。这部分残余量也不是均匀分布再吸附床内各个部位。图2-10中曲线-2示出了这部分残余量在床内的分布情况。曲线-1就是前述的吸附负荷曲线。两根曲线分别与座标所形成的面积之差称为吸附床的有效吸附负荷。此质增大，有利于吸附操作。吸附工况确定后，有效吸附负荷就取决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、变压吸附操作基本原理 1．变压吸附基本工作步骤？

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，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。

图2-11示出了在一个变压循环中吸附剂的吸附负荷与压力的变化关系。

2．吸附剂的选择对变压吸附装置的影响？

吸附剂对各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流出曲线来评价的。吸附剂的良好吸附性能是吸附分离过程的基本条件。

在变压吸附过程中吸附剂的选择还要考虑解决吸附和解吸之间的矛盾。既要选择吸附容量大，又容易解吸的吸附剂，以减少降压解吸的电耗。选择吸附剂的另一要点是组分间的分离系数尽可能大，从而减少有效气体的损失。3．什么叫死空间？

所谓死空间，既吸附床层内扣除吸附剂所占体积后，剩余的空间。也就是说，某组分吸附平衡时在吸附床内的总量有两部分，一部分是在死空间中，另一部分被吸附剂所吸附，其总和叫做某组分在吸附床内的存留量；弱吸附组分和强吸附组分各自在死空间中含有的量占床内存留量的比值之比称为分离系数。分离系数越大分离越容易。4．为什么要控制适宜的气流速度？

在吸附床运行过程中因床内压力周期地变化，气体短时间内进入、排出，吸附剂应有足够的强度，以减少破碎和磨损。当气流速度过快，导致吸附剂悬浮时，则磨损加剧，造成吸附剂破碎，影响吸附剂使用寿命。不同的吸附剂，选择的气流速度不同。这主要取决于吸附剂的强度和吸附剂颗粒的大小。

5．为什么进入PSA装置的原料气必须要除油？

被分离的气体如果含有象有机机械润滑油、煤焦油之类的物质，那么在吸附过程中，这些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。粘附有油类物质的任何吸附剂，不管采用升温还是降压抽空的再生方法，都是不能再生的。因此对气体中的含油量必须严格限制，有的场合就需增设除油设施，以免吸附剂在使用中失效。

6．为什么进入PSA装置的原料气必须要除水？

被分离的气体如果含有游离水和饱和水，在吸附床层中只能除去一定量的饱和水。那么在吸附过程中，若使水大量带入吸附塔会导致吸附剂性能下降甚至失效。此时需对失效的吸附剂重新活化或更换。吸附剂的活化需要采用温度150℃以上的惰性气体循环通入，费时、费力，相当困难。因此，操作时一定要严格控制几种分离技术的比较

确如标题所言，回贴中包含了很多PSA基础知识，受益非浅。

看到第4楼还有第二页有朋友询问几种分离技术的比较，现简单比较如下：

（1）低温分离法

低温分离法也称为深冷分离法是利用各气体组份在液态时沸点的不同，在冷箱中精馏分离出各组份。其特点是：产品纯度高、原料净化度要求高、投资高。

（2）膜分离法

膜分离系统的工作原理就是利用一种高分子聚合物（膜材料通常是聚酰亚胺或聚砜）薄膜来选择“过滤”进料气而达到分离的目的。当两种或两种以上的气体混合物通过聚合物薄膜时，各气体组分在聚合物中的溶解扩散系数的差异，导致其渗透通过膜壁的速率不同。由此，可将气体分为“快气”（如H2O、H2、He等）和“慢气”（如CO、N2、CH4及其它烃类等）。当混合气体在驱动力－膜两侧相应组份分压差的作用下，渗透速率相对较快的气体优先透过膜壁而在低压渗透侧被富集，而渗透速率相对较慢的气体则在高压滞留侧被富集。

膜分离法具有简便、经济、操作灵活的特点，一般来说，投资比PSA变压吸附法稍低，占地面积较小。

（3）PSA变压吸附法

变压吸附（PSA）技术属物理吸附，是依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力（包括范德华力和电磁力）进行的吸附。其特点是：吸附过程中没有化学反应，吸附过程进行得极快，参与吸附的各相物质间的动态平衡在瞬间即可完成，并且这种吸附是完全可逆的。

变压吸附气体分离工艺过程之所以得以实现是由于吸附剂在这种物理吸附中所具有的两个基本性质：一是对不同组份的吸附能力不同，二是吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压上升而增加，随吸附温度的上升而下降。利用吸附剂的第一个性质，可实现对混合气体中某些组份的优先吸附而使其它组份得以提纯；利用吸附剂的第二个性质，可实现吸附剂在低温、高压下吸附而在高温、低压下解吸再生，从而构成吸附剂的吸附与再生循环，达到连续分离气体的目的。由于变压吸附技术投资少、运行费用低、产品纯度高、操作简单、灵活、环境污染小、原料气源适应范围宽，因此，进入70年代后，这项技术被广泛应用于石油化工、冶金、轻工及环保等领域。

个人感觉在进行技术选择时，需要分别从气源组份、技术可靠性、经济性、安全性等方面进行比较。

进入PSA装置的水含量，不能含有机械水。不着急,还要看LFY-1-3A-制氧机的工作原理,查遍网络就是没有关于制氧机的电器原理图,工作原理也只是支离破碎的,有的如万方数据的还要收费(这里我要说的是资料收费是一种变相的知识垄断,这与当年的清王朝闭关自锁没有区别),写道这里我把搜集到的关于制氧机的知识罗列以下(关于图纸等整理出来后再公开到网上): 吸附分离床的工作原理如图1所示。分离床由2只装有制氧专用沸石分子筛的吸附装置A和B以及切换阀门1～8等组成，其中1，3为排放阀门，2，4为 进气阀 门，5，7为均压阀门，6，8为输出阀门。分离床在自动控制系统的作用下，吸附装置A、B交替工作，按照“A工作→A排气及均压→B工作→B排气及均压 →A工作…”的过程，不断循环。储气罐的作用是均衡输出氧气的压力。吸附装置A工作时，阀门2，6打开(其余关闭)，压缩空气经阀门2进入A，滤去氮气，剩余氧气经阀门 6输出。在吸附装置A内的分子筛快被吸附饱和之前，进入A排气及均压状态，开启阀门1，5，7(其余关闭)，装置A解吸先前所吸附的氮气，使分子筛吸附剂 得到再生，同时A、B均压以提高产气效率。均压后自动切换到吸附装置B工作置B中继续吸附制氧。同样，当吸附装置B内的分子筛快被吸附饱和之前，自动进入 B排气及均压状态，开启阀门3，5，7(其余关闭)，装置B实现减压解吸再生。4种工作状态依次循环，2只吸附装置交替重复进行吸附和再生，从而实现了连 续制取氧气的目的。

整个系统按照“A工作25 s→A排气2 s→B工作25 s→B排气2 s”的过程自动循环。

以上文字可以解释电路板工作原理,电路中还有停电报警电路和启动电路,很简单会的,会电子的一看就懂这里不说了.接着对电路板进行检查,通电,检查供电+24V和+5V正常,7秒循环也有,这样就不需要花时间去查18pin的IC是个什么玩艺儿了,当检查到继电器时发现声音不对,是继电器的弹簧问题,换了一个ok了,下面分析为何这个继电器会出问题:我的制氧机是放置在阳台上,杭州夏天的阳台上问题有40度,估计制氧机中的问题要超过60度,而继电器是密封的,温度更高,当关机是,继电器的电触点瞬间断开,会产生高温高压电弧,这个电弧使得电器触点碳化,从而使得触点不通了,这个问题的出现是电路板设计问题,为何?(一)触点两端没有消除电弧的电容,常识问题,(二)双触点设计不如单触点,双触点在使用时两个触点在接通和断开时的时间是不一致的,其中一个往往先老化,这种设计只有一半的电流容量,至于其它的设计问题数不胜数:如驱动管用8050太小了,接插件用信号插件代替功率插件(+24V到电磁阀),压缩机没有保护,等等多的不想列举了,总之设计者是一个外行的新手,真不知道一个集团公司是这样的电子设计水平居然能卖出产品去,还能生存下去.不说了,另外再说一下我的使用经验:(1),放在室内噪音太大,而且有异味,无法忍受,因此我放到阳台,用一根线将开关引入到室内.(2)冬天室外的空气温度太低,使得老妈吸氧反而的了气管炎,解决方法:用一个高压锅(因为氧气有压力)电热丝自动恒温加热,氧气从一个口进入,另外一个抠出来,解决了氧气温度太低问题.不过这两个措施一般家庭解决不容易,如果厂家能解决,将有利于消费者

第三篇：变压吸附工艺流程

变压吸附工艺流程

物料在精馏低塔系统处理完毕后，剩余的不凝气体经过预热器预热进入吸附塔，乙炔和氯乙烯被吸附下来，无法被吸附剂吸附下来的其他气体通过尾排阀门排放到大气中。

吸附饱和的吸附塔经过压力均降，逆放，抽空一，抽空二，抽冲，抽空三，压力均升，终充8个步骤进行处理，塔内吸附的乙炔和氯乙烯完全解吸出来，通过压力差和真空泵送入转化。

下面将变压吸附的9个步骤进行分步介绍：

1、吸附

不凝气体在尾排前进入预热器，原料气在预热器内加热到40℃后，通过KV1阀送到吸附塔内。六塔流程为两个塔同时进行吸附，其他四个塔进行处理。原料气内氯乙烯和乙炔在吸附塔内被吸附下来，剩余未被吸附的气体，经过KV2阀到达尾排，通过压力调节阀门排放至空气中。

此过程需要的时间为804S，压力比精馏系统的压力低0.02MPa，在0.47～0.49 MPa。总时间的设定是根据原料气流量、净化气内的氯乙烯和乙炔含量决定的。

如精馏系统出现波动，变压吸附的压力也同时跟着波动。所以，我们在操作时，要保证精馏压力及原料气的流量稳定。当精馏停车时，系统通过KV10，KV11或KV15,KV16阀切换至直排；精馏压力低到设定值（0.45 MPa）时，系统自动进行切换。

2、压力均降 吸附结束后，饱和的吸附塔在设定好的T2步骤进行压力降，通过KV5和KV9阀，将吸附塔内的压力泄入中间罐内。均降步骤在16S就可完成，剩余的时间留给抽空三，使得抽空三步压力尽可能的抽至-0.09MPa吸附塔的解吸更彻底。

吸附塔压力由0.48MPa降至0.22MPa。

3、逆放

均压结束后，吸附塔的逆放为T4和T6步骤，共计130S。此时，吸附塔的压力通过KV17阀进入转化二级混脱，为防止转化压力波动，控制HV102阀门的开度调节，使气体的压力缓慢释放。

压力由0.22MPa降至0.04～0.05MPa。HV102的斜率系数为1.00，阀门的最小开度为25%，最大开度为100%。

4、抽空一

逆放结束后为吸附塔的T8抽空一，打开KV18或KV19阀控制HV102阀门的开度，真空泵

设定的时间为132S，达到要求的真空度-0.05 MPa。

5、抽空二

6、抽冲

7、抽空三

8、压力均升

9、终充

第四篇：变压吸附设计（xiexiebang推荐）

一、关于吸附剂的算法：(以易吸附组分为准)QF(Cout－Cin)=n×VR×q×ΔP×3600/t 其中QF为进口体积流量Nm3/h Cout为易吸组分进口浓度 Cin为易吸组分出口浓度 n为总塔数，VR为单塔吸附剂体积 吨

q为吸附剂对易吸组分吸附容量 Nm3/吨 ΔP最后一次均压与吹扫或抽真空之间的压差 t为总循环时间，t0为单塔循环时间，t=n×t0，故上式变为：

QF(Cout－Cin)=n×VR×q×ΔP ×3600 /（n×t0）即 QF(Cout－Cin)=VR×q×ΔP ×3600/t0

由上式可看出，PSA装置的处理能力即要分离的易吸组分总量QF(Cout－Cin)只与单塔的吸附剂量VR和吸附容量q、解吸压差ΔP和单塔循环时间t0有关，对同一装置来说，吸附容量q变化不大，要想加量，只能缩短循环时间，以增加循环数次，提高吸附剂利用次数或者增大ΔP以提高吸附剂吸量。

二、关于分离系数

分离系数定义：弱吸附组分在吸附床死空间中残余量/弱吸附组分在吸附床中的总量）与（强吸附组分在吸附床死空间中残余量/强吸附组分在吸附床中的总量）之比

如根据物料算出两组分分离系统中以下数据：

1、弱吸附组分总放量、根据塔内压差及塔空隙体积算出弱吸附组分放空量

2、强吸附组分总放量、根据塔内压差及塔空隙体积算出强吸附组分放空量 比如制氧算出：

氮总放空量为8430 Nm3，通过塔压及空隙算出784 Nm3； 氧总放空量为385 Nm3，通过塔压及空隙算出196 Nm3 则分离系数为：

(196/385)/(784/8430)=5.47

另：如为两组分系统: 则塔内床层死空间弱组分残余量即为：V1*0.65*C1*ΔP 塔内床层吸附剂吸附弱组分量即为：V1*（1－0.65）*τ*ΔP*C1

三、压力与电耗一览表

动力设备123456兖矿风机兖矿压缩机中成真空泵东明空压机中成风机抽气量或打入口输出电机功最大轴轴功电耗电机电耗气量(m3/h)压力压力率功率(kw/Nm3)(kw/Nm4)8000***00***16230000000.054.000-0.080.180.140.650.24.00.24.2500***0063028015393.5301.752040535.523880427.60.0190.0520.0360.0850.03150.1600.0400.1860.0230.0610.0430.1000.0370.1880.0000.2177广东中成氧压机8兖矿鲁化压缩机

四、过热蒸汽区域描述蒸汽在温度高于饱和蒸汽温度的状态。保持压力不变，加热饱和蒸汽，它的温度会上升，就产生过热蒸汽。

实际上就像一般的气体如空气中CO2一样，就是在指定的压力下，温度高于蒸汽压。饱和蒸汽压和饱和温度有一定的关系，其遵守克劳修斯—克莱佩龙方程

lnp=－ΔvapHm/R×(1/T)+c

根据化工工艺手册提供的数据，可以求出ΔvapHm，和C，求出公式如下： y =-4820.2x + 24.493，其中y为lnp，x为1/T P(A,Mpa)P(G,Pa)0.1040.1480.2050.2790.3740.4910.6380.8191.0371.2971.607104365******14266383488******lnP11.5611.9012.2312.5412.8313.1113.3713.6213.8514.0814.29lnP14.5114.7214.9115.1015.2815.45T(℃)100110120***0***0T(℃)***260T(K)3733833934034***453463473T(K)***533密度(kg/m3)汽化潜热(千焦/千克)22600.0026810.60610.0026110.83640.00254451.12810.00248141.49770.00242131.96090.00236412.51650.00230953.19330.00225734.00310.00220754.95640.00215986.06760.00211427.35921/T1/T0.00207040.00202840.00198810.00194930.0019120.00187629.010910.808912.867015.207417.852320.82401849.8P(G,Mpa)P(G,Pa)1.8822.3272.8483.4534.1534.956 ******104655124138

五、各专业条件提法

2.1 基础设计阶段的一般要求

2.1.1 基础设计阶段，工艺安装专业应给设备专业提交工艺装置设备平面布置图，若有特殊的荷载要求时，应在图上加以说明或单独提出。2.2 详细设计阶段的一般要求

2.2.1 工艺安装专业委托设备专业设计的有隔热耐磨衬里的烟气管道等，应提供设备平竖面布置图，并确定走向和支吊架位置。工艺、自控专业的开口方位及大小，也由工艺安装专业提交设备专业。

2.2.2 与土建和设备专业都有关的平台梯子，应分别给两个专业各提供一份资料。

2.2.3 用简图表示出设备的开口方位。简图上应表示出方向针，其指向应与设备平面布置图上的相一致。如果所采用的设备图纸是复用图纸，但其开口方位需重新设计或作部分修改，则还应表示出方向针与复用设备图中原有0°方位的关系。

2.2.4 开口方位简图上应列出所有开口的编号、名称和公称直径，并应与工艺专业提交给设备专业的设计资料相一致。对开口法兰的压力等级及密封面形式有要求时，应予注明。如果所采用的设备图纸是复用图纸，则开口方位简图上的开口编号应与原图相一致，设备法兰接口外径和壁厚应与相接工艺管道一致。

2.2.5 工艺设备上的仪表开口方位，应与自控专业共同确定，画出同一张开口方位简图上，并经自控专业签字。

2.2.6 塔类设备上附设的检修吊架方位应表示在开口方位简图上。立式容器类设备的支腿、支耳的方位有特殊要求者，也应在开口方位简图上表示出来。

2.2.7 布置开口方位时，应注意开口与塔内件（如降液管、受液盘等）的关系，以保证符合工艺要求，并避免与塔内件相碰，椭圆形封头的小R 处尽量不布置开口。

3.生根于设备上的钢平台梯子

3.1 应绘制分层的平台梯子平面简图，（当复印计算机绘制的配管图作平台梯子资料时，必须用红笔标明开洞，并标注清楚平台梯子的尺寸），简图应清晰、明确、可不按比例，但尺寸的相对关系不宜与实际相差悬殊，以免造成错觉。简图上应表示出方向针，其指向应与设备平面布置图相一致。

3.2 塔及立式容器上的扇形平台应注出其张角、宽度，直梯应注出其中心线与设备中心线的夹角。塔顶或卧式的矩形平台，应注出其外形尺寸及其与设备的相对关系尺寸（例如与设备中心线或设备外形或设备支座的相对位置）。

3.3 应注出平台面标高、平台处地面标高和设备基础面标高。标高的基准应与设备平竖面布置图相一致。

3.4 当平台下方有设备开口时，平台面与开口中心的距离不得小于开口公称直径加100mm。3.5平台上的开孔应注出开孔直径及其定位尺寸或角度，如图3.2-1，图3.2-2所示。开孔直径φ一般是将此管道的最大外径（管子外径或隔热层外径或法兰外径）加50mm。

3.6 在平台梁上或在平台面上支承管道、仪表箱或检修部件，如果荷载超过200kg，则应注明荷载的大小及具体位置。

3.7 如某层平台需与其它构筑物（如框架）相连接，则应说明连接的要求，并注出尺寸及与此连接的分区设备构架物编号，层高等。

3.8 与自控专业有关的平台梯子，应与自控专业协商确定以满足两个专业的要求。仅供自控专业使用的平台梯子，应与自控专业提出委托资料给工艺安装专业会签后，由自控专业提交设备专业和工艺安装专业各一份。

3.9 电脱盐、电精制和除尘等设备上，为安装或检修高压电气设备或线路的专用平台梯子应由电气专业提交委托资料，经工艺安装专业会签后，由电气专业提交设备专业和工艺安装专业各一份。当有吊车梁生根于设备上时，应提交荷载及位置，以便设备专业考虑吊车梁荷载的影响。11 如果必须在需要热处理的合金钢设备上或不允许在现场焊接的设备上焊接支架的生根构件时，应提出生根构件垫板的大小及方位。依附在设备上或放置在平台上的小型设备及管道和大阀门应征询设备专业的意见，必要时应提出书面资料，以便设备专业核算偏心荷载。

电气目录：图纸目录，综合材料表，施工说明图例，低压配电系统图，照明系统图，电机控制原理图，电缆管线表，一层配电平面图，二层。。，一层照明平面图，二层。。，基础接地平面布置图，一层接地平面图，二层。。，屋面防雷平面图，火灾报警系统图，一层火灾报警，电话平面图，二层。。。

给排水：图纸目录，给排水设计说明，综合材料表，一层给排水平面图，二层。。，给水系统图，排水系统图，消防系统图。

建筑：图纸目录，建筑设计说明，门窗及大样，构造做法表，一层平面图，二层。。，屋顶平面图，轴里面图，剖视图，楼梯详图。

6、硫化氢质量体积含量和体积百分比的换算

如兖矿体积百分比为0.92%，转为g/Nm3，则为： =0.92%*1000L/Nm3/22.4L/mol*34g/mol=13.96g/Nm3=13.96mg/NL

按标准态换算为1%体积百分比则为15.2g/Nm3 若再转为实际压力下硫含量，则为13.96g/Nm3*35Nm3/m3=488.6g/m3=488.6mg/L

§7 解吸倍数与吸附量

当吸附剂吸附的物质越多，最后解吸出来的就越多，所以，吸附容量越大，解吸倍数就越大。根据工程经验，在脱碳中用硅胶的吸附容量与解吸倍数关系为：

工程名称

吸附容量

解吸倍数

气源组分 河北凯越单醇脱碳

7.45

7.5

COH2 辽宁凤城一段

10.65

9.71

CO2H2 枝江三宁一段

14.73

15.06

CO2COH2

兖矿国泰一段

6.03

7.02

CO2COH2

湘中成制氧一段

12.96

8.99

O2N2

§8压缩机及风机升压与升温及冷却水量关系

压缩机的出口温度取决于进口温度及压缩比和绝热系数，压缩过程可视为绝热过程，即可例出以下方程：

TOUT=TIN(POUT/PIN)(K-1)/K

一般压缩比即POUT/PIN选择不超过3，当进口温度为40℃，压缩比为3的情况下，出口温度

TOUT=313×3(1.4-1)/1.4=313×1.369=428K=155℃

如果压缩比超过3，在同样的绝热系数下，出口温度就会超过155℃，将会对设备带来很大的影响。因此，一般的压缩都以压缩比3来划等级，比如进口压力为0.03Kg(G)，要求压缩至35Kg(G)，则总压缩比为36/1.03=34.95，那压缩机至少应为3×3×3×3=81，即4级，如果只选3级，则只能至3×3×3=27，压缩不够。

冷却水量计算：

压缩机所需冷却水有两个地方：一是缸套（即油温及轴温冷却器）、二是中级冷却器及各级冷却器、三是后级冷却器

一、对缸套，所需冷却量q为：

q=120Vqd

L/h 单位为升/小时

二、对中级冷却器，所需冷却量q为：

q=60V×4.5L/h 单位为升/小时

以湘中成为例，风机中冷器所需冷却量为：（打气量130 m3/min q=270×90=24.m3/h=0.4 m3/min

三、后冷却器，所需冷却量q为：

q=γV Cp(T4-T5)×1.15/(1000×Δt)

m3/h 单位为方/小时

其中

γ

空气重度 Kg/m3

V 空气压缩机的排气量 m3/min Cp 空气的等压比热，取0.24

kcal/(kg。℃)T4-T5 冷却器空气前后温差

以湘中成为例，后冷器所需冷却量为：

q=1.2×78×0.24×(110-40)×1.15/(1000×10)§9

1830

全部为国内设备，估计11个亿，国外设备估计要16个亿。

单套百万吨的都是国外的设备，估计要70个亿，以天然气为原料，成本能降几百元 NH2-CO-NH2 CO（NH2）2 分子量60

NH3 17

34/60=0.6 3052 投资估计19亿，每吨合380元

低温甲醇洗

15万吨合成氨 投资约7500万，不包括溶剂费

气化吨氨消耗

目前空气造气

1.9吨煤/吨氨(指优质煤)

电耗1500kw/吨氨

富氧造气(60%)

1.4吨煤/吨氨(指劣质煤)

电耗950kw/吨氨

富氧消耗为

750Nm3/h O2

循环水消耗

350吨水/吨氨(62Kw/h)气量与产量的换算 1、1吨合成氨需要脱碳气量为2965标方，脱碳气成分为： CO

H2 CO2 O2 N2 CH4+Ar NH3 2.24 71.86 0.2 0.04 23.94 1.66

0.06

2、变换气成分：

1.6 51.39 28.64 0.06 17.12 1.19

3、则原料中CO2的剩余量为：2965×0.2%=5.93标方/tNH3。

4、设变换气量为X，X=2965＋（28.54%X－5.93）X=4146.7标方/tNH3。

产量

煤气量

变换气量

脱碳气量

1吨合成氨

3300Nm3/h

4200Nm3/h

2965 Nm3/h

9、不锈钢丝网计算

根据要求，不丝网要求重缝宽度不小于300mm，根据情况分两种一种是比较大，直径大于2米以上，两张1米丝网拼在一起，还凑不上一个整圆，则需要中间加叠合层，留有衔接部分，也就是需要三张丝网，一种是比较小的丝网，直接用两张合在一起中间就产生了叠合层，无衔接部分，即只需要2张丝网。对于第一种：有三个步骤，一：做两张小半圆丝网，宽度1米，长度按以下方法计算 根据以上图可以求出下料高度：

(R-1000)2+H2=R2

即H＝√(2R×1000－10002)总高度即为2H。

二：制作叠合层

叠合层宽度应该以500或1000为宜，这样可以节省材料，如果大于500，则宜以1000宽度为主，叠合层分两部分，两边为真正叠合部分，即一层小半圆层，一层为叠合层；中间为衔接部分，只有一层。这部分宽度W2为

W2=2R－2000 叠合部分W1宽度

W1＝（1000－W2）/2

对于第二种直接比较小的，制作步骤如下： 下料长度即为丝网直径，即2R，中间叠合部分宽度W2＋2R=1000+1000，即叠合部分宽度

W2＝2000－2R

§10开孔率计算

开孔率指的是冲孔区与整张板之间的一个比例，常用百分比来表示。现在让我们用下面的规格来举例说明：圆孔, 2MM孔径, 60度错排, 4MM中心距, 外形尺寸1M X 2M.根据以上的信息及以下的公式，我们可以得出这种规格的冲孔网的开孔率为23%。也就是说冲掉的孔的面积之和为0.465平方米（1M X 2M X 23%）开孔率计算公式

圆孔 60°错排

圆孔，直排

圆孔 45°错排

方孔，错排

方孔，直排

长圆孔，Z型错排

长圆孔，直排

长圆孔，K型错排

长方孔，Z型错排

长方孔，直排

长方孔，K型错排

第五篇：变压吸附工艺分析

变压吸附工艺分析

变压吸附（PSA）技术是近3多年来发展起来的一项新型气体分离与净化技术。变压吸附（PSA）气体分离装置中的吸附主要为物理吸附。变压吸附气体分离工艺过程的实现主要是依靠吸附剂在吸附过程中所具有的两个基本性质：一是对不同组分的吸附能力不同，而是吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压上升而增加，随吸附温度的上升而下降。利用吸附剂的第一个特性，实现了对混合气体中某些组分的分离、提纯；利用吸附剂的第二个性质，实现吸附剂在低温高压下吸附、在高温低压下解吸再生。

一．基本原理

任何一种吸附对于同一被吸附气体（吸附质）来说，在吸附平衡情况下，温度越低，压力越高，吸附量越大。反之，温度越高，压力越低，则吸附量越小。因此，气体的吸附分离方法，通常采用变温吸附或变压吸附两种循环过程。

如果压力不变，在常温或低温的情况下吸附，用高温解吸的方法，称为变温吸附（简称TSA）。显然，变温吸附是通过改变温度来进行吸附和解吸的。变温吸附操作是在低温（常温）吸附等温线和高温吸附等温线之间的垂线进行，由于吸附剂的比热容较大，热导率（导热系数）较小，升温和降温都需要较长的时间，操作上比较麻烦，因此变温吸附主要用于含吸附质较少的气体净化方面。

如果温度不变，在加压的情况下吸附，用减压（抽真空）或常压解吸的方法，称为变压吸附。变压吸附操作由于吸附剂的热导率较小，吸附热和解吸热所引起的吸附剂床层温度变化不大，故可将其看成等温过程，它的工况近似地沿着常温吸附等温线进行，在较高压力下吸附，在较低压力下解吸。变压吸附既然沿着吸附等温线进行，从静态吸附平衡来看，吸附等温线的斜率对它的是影响很大的。

吸附常常是在压力环境下进行的，变压吸附提出了加压和减压相结合的方法，它通常是由加压吸附、减压再组成的吸附一解吸系统。在等温的情况下，利用加压吸附和减压解吸组合成吸附操作循环过程。吸附剂对吸附质的吸附量随着压力的升高而增加，并随着压力的降低而减少，同时在减压（降至常压或抽真空）过程中，放出被吸附的气体，使吸附剂再生，外界不需要供给热量便可进行吸附剂的再生。因此，变压吸附既称等温吸附，又称无热再生吸附。

在实际生产中根据原料气的组成、压力机产品净化要求的不同可选择PSA、TSA或PSA+TSA工艺。变压吸附根据降压解吸方式的不同分为两种工艺：PSA与真空变压吸附（VPSA）。在实际生产种，究竟采用何种吸附工艺，主要根据原料气的组成性质、压力、流量、产品的要求等决定。

变压吸附(Pressure Swing Adsorption)分离技术是一种低能耗的气体分离技术。变压吸附（PSA）工艺所要求的压力一般在0.1～2.5MPa，允许压力变化范围较宽，一些有压力的气源，如氨厂弛放气、变换气等，本身的压力可满足变压吸附(PSA)工艺的要求，可省去再次加压的能耗。对于处理这类气源，PSA制氢装置的消耗仅是照明、仪表用电及仪表空气的消耗，能耗很低；PSA装置压力损失很小，一般不超过0.05MPa。

变压吸附循环是吸附和再生的循环，吸附过程是吸附剂在加压时吸附混合气中的某些组份，未被吸附组份通过吸附器层流出，当吸附剂被强吸附组分饱和以后，吸附塔需要进入再生过程，也就是解吸或脱附过程。在变压吸附过程中吸附器内吸附剂解吸是依靠降低杂质分压实现的，在工业装置上可以采用的方法有： 1)降低吸附器压力(泄压)2)对吸附器抽真空 3)用产品组分冲洗

l 常压解吸：

升压过程(A-B): 经逆放解吸再生后的吸附器处于过程的最低压力P1、床内杂质吸留量为Q1(A点).在此条件下用产品组分升压到吸附压力P3，床内杂质吸留量Q 1不变(B点).吸附过程(B-C): 在恒定的吸附压力下原料气不断进入吸附器，同时输出产品组分.吸附器内杂质组分的吸留量逐步增加，当到达规定的吸留量Q3时(C点)停止进入原料气，吸附终止.此时吸附器内仍预留有一部分未吸附杂质的吸附剂(如吸附剂全部被吸附杂质，吸留量可为Q4，C’点)。

顺放过程(C-D): 沿着进入原料气输出产品的方向降低压力，流出的气体仍为产品组分，用于别的吸附器升压或冲洗.在此过程中，随床内压力不断下降，吸附剂上的杂质被不断解吸，解吸的杂质又继续被未充分吸附杂质的吸附剂吸附，因此杂质并未离开吸附器，床内杂质吸留量Q3不变.当吸附器降压到D点时，床内吸附剂全部被杂质占用，压力为P2。

逆放过程(D-E): 开始逆着进入原料气输出产品的方向降低压力，直到变压吸附过程的最低压力P1(通常接近大气压力)，床内大部分吸留的杂质随气流排出器外，床内杂质吸留量为Q2。

冲洗过程(E-A): 根据实验测定的吸附等温线，在压力P1下吸附器仍有一部分杂质吸留量，为使这部分杂质尽可能解吸，要求床内压力进一步降低.在此利用别的吸附器顺向降压过程排出的产品组分，在过程最低压力P1下进行逆向冲洗不断降低杂质分压使杂质解吸并随冲洗气带出吸附器.经一定程度冲洗后，床内杂质吸留量降低到过程的最低量Q1时，再生终止.至此，吸附器完成了一个吸附—解吸再生过程，再次升压进行下一个循环。l 真空解吸：

升压过程(A-B): 经真空解吸再生后的吸附器处于过程的最低压力P0、床内杂质吸留量为Q1(A点).在此条件下用产品组分升压到吸附压力P3，床内杂质吸留量Q 1不变(B点)。

吸附过程(B-C): 在恒定的吸附压力下原料气不断进入吸附器，同时输出产品组分.吸附器内杂质组分的吸留量逐步增加，当到达规定的吸留量Q3时(C点)停止进入原料气，吸附终止.此时吸附器内仍预留有一部分未吸附杂质的吸附剂(如吸附剂全部被吸附杂质，吸留量可为Q4，C’点)。

顺放过程(C-D): 沿着进入原料气输出产品的方向降低压力，流出的气体仍为产品组分，用于别的吸附器升压或冲洗.在此过程中，随床内压力不断下降，吸附剂上的杂质被不断解吸，解吸的杂质又继续被未充分吸附杂质的吸附剂吸附，因此杂质并未离开吸附器，床内杂质吸留量Q3不变.当吸附器降压到D点时，床内吸附剂全部被杂质占用，压力为P2。

逆放过程(D-E): 开始逆着进入原料气输出产品的方向降低压力，直到变压吸附过程的最低压力P1(通常接近大气压力)，床内大部分吸留的杂质随气流排出器外，床内杂质吸留量为Q2。

抽空过程(E-A): 根据实验测定的吸附等温线，在压力P1下吸附器仍有一部分杂质吸留量，为使这部分杂质尽可能解吸，要求床内压力进一步降低.在此利用真空泵抽吸的方法降低杂质分压使杂质解吸并随抽空气带出吸附器.抽吸一定时间后，床内压力为P0，杂质吸留量降低到过程的最低量Q1时，再生终止。至此，吸附器完成了一个吸附—解吸再生过程，再次升压进行下一个循环。二．变压吸附脱炭

变压吸附基本工作原理是利用吸附剂对吸附质在不同的分压下有不同的吸附容量、吸附速度和吸附力，并且在一定压力下对被分离的气体混合物的各组分有选择吸附的特性，加压吸附除去原料气中的杂质组分，减压脱附这些杂质而使吸附剂获得再生。因此，采用多个吸附床，循环地变动所组合的各吸附床压力，就可以达到连续分离气体混合物的目的。

合成氨变换气中主要组分为：水（汽）、有机硫、无机硫、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氮、氩及氢气。这些气体组分在物理吸附剂上的吸附能力和吸附量，在一定的温度和压力下依次减弱和减少。当变换气通过吸附床层时，在前的组分优先被吸附，即使吸附剂已经吸附了在后的组分，在前的组分也会把它顶替出来。难吸附组分氢、氮、甲烷、一氧化碳等气体很少被吸附，从吸附塔出口端排出，做为脱除了二氧化碳的气体输出。在吸附床降压时，被吸附的二氧化碳等气体解吸出来，同时吸附剂获得再生。l 装置主要类型：

由于用途不同，变压吸附脱碳装置可分为三种类型：单纯脱除二氧化碳获得净化气的装置；脱除变换气中的二氧化碳并联产食品级液体二氧化碳的装置；同时制取脱碳净化气和纯度为98%的气体二氧化碳的装置。（1）PSA脱碳装置

目前中小型合成氨厂采用最多的仍是单纯脱除CO2获得净化气的PSA装置，以替代传统的湿法脱碳。根据氨厂的不同需要又分为两种工艺，一种是替代碳化以增产液氨为目的的脱碳工艺。变换气经PSA脱碳后净化气中CO2含量小于0.2%，直接进精炼工序。目前此类装置运行情况，氢回收率﹥97%，净化气中氢氮比在3.0左右，并且在脱除CO2的同时，还将大部分杂质如CH4、CO、H2S脱除，减小了后续工段的负担。另一种是用于与联醇装置配套的工艺。由于净化气用于联醇生产，考虑到甲醇合成催化剂的寿命和尽可能提高CO的回收率问题，一般将脱碳净化气中的CO2含量控制在1%~5%的水平。目前此类装置运行情况，氢回收率﹥98%，CO回收率﹥90%。在脱除CO2的同时，还将变换气中的硫化物脱除到0.1mg/m3（标）的水平，原料气中所含微量氯、氨、水、砷等杂质可同时脱除。（2）脱碳并联产液体CO2装置

将来自PSA脱碳装置的解吸气在常压状态下进入压缩机，加压到一定的压力后首先进行预处理，除去解吸气中所含的各类硫化物、微量的砷、氟、氯等以及饱和水，以满足食品级CO2的要求。预处理后的气体冷却到0℃以下，使解吸气的CO2成为液体，然后进入提纯塔使CO2和其他气体分离，最后在提纯塔底部得到纯度为99.5%~99.999%的食品级液体CO2产品。

（3）脱碳并同时制取纯CO2装置，该装置是由提纯系统和净化系统两部分组成，两系统均采用多塔PSA工艺。变换气通过提纯系统将CO2浓度富集到98.5%以上，供尿素装置使用。出提纯系统的中间气进入净化系统，净化系统将中间气中的CO2进一步净化到0.2%以下，以保证合成氨生产需要。

两段法变压吸附脱碳的主要特点是，第一段脱除大部分二氧化碳，出口气中二氧化碳控制在8-12%，吸附结束后，通过多次均压步骤回收吸附塔中的氢氮气。多次均压结束后，吸附塔内还有0.06MPA（表）的压力，然后逆着吸附方向降压放空，直到吸附塔内压力放到常压为止，二氧化碳被排放出来，其浓度大于98%吸附剂得到初步再生。吸附得到初步再生。吸附塔逆放结束后，先与中间气缓冲罐连通，用中间气缓冲罐中的氢氮气对吸附塔升压，直到中间气缓冲破罐与吸附塔的压力平衡为止再用均压和产品气对床层逆向升压至接近吸附压力，吸附床便开始进入下一个吸附循环过程。经过对第一段脱碳工业装置的分析，多次均压结束后，吸附塔还有0.06Mpa（表）的压力，吸附塔解吸气中的二氧化碳含量平均大于98%其它为氢气，氮气，一氧化碳及甲院：第二段将第一段吸附塔出口气中的二氧化碳脱至0.2%以下，吸附结束后通过多次均压步骤回收吸附塔中的氢氮气。多次均压结束后，吸附塔内还有0.09MPA（表）的压力）吸附压力为0.8MPA时），通过降压入入中间缓冲罐，直到吸附塔内压力与中间缓冲罐压力平衡为止，此时，吸附塔内压力在0.005-常压MPA之间。再生结束后，用均匀气和产品气对床野逆向升压至接近吸附压力，吸附床便开始进入下一个吸附循环过程。第二段吸附塔均压结束后，吸附塔内的有效气体没有直接放空，而是利用中间缓冲罐将其返回到第一段吸附塔加以回收。

三、变压吸附制氧

变压吸附制氧的基本原理是利用空气中的氮和氧在吸附剂上因压力不同而吸附性能的差异来选择性吸附进行氧氮分离，吸附氮气及其它杂质，产出氧气。根据吸附分离的吸附和解吸压力的不同，通常可将常温变压吸附制分离制氧工艺分成三种不同的工艺方式。

1、常压解吸变压吸附制氧（PSA-O2）：

与空气变压吸附分离制氮流程相似，一定压力（0.3 MPa ～0.55MPa）的压缩空气经空气预处理系统除去油、尘及大部分的汽态水份后，洁净空气进入PSA-O2系统吸附塔，洁净空气中大部分的氮气、二氧化碳、残余水份被吸附，氧气则被分离出来。当吸附塔内被吸附的杂质组份达到设定控制值时，通过常压脱附解吸，使该吸附塔的制氧吸附剂再生。由两塔组成的吸附分离系统在DCS系统的控制下通过程控阀门的起闭而循环切换完成连续制氧，该制氧流程通常称为变压吸附常压解吸制氧流程（PSA-O2）。

2、真空解吸变压吸附制氧（VPSA-O2）：

经鼓风机鼓风输送低压的原料空气（25KPa-39KPa），净化除去粉尘后进入吸附塔，吸附塔为两塔或三塔体系，吸附塔产品气为氧气。空气中的氮气、二氧化碳、水蒸气被吸附达到设定控制值后，由于吸附压力较低，先通过常压解吸，再经过真空泵抽真空达到一定真空度，使吸附塔内吸附剂杂质彻底脱附再生。由两塔或三塔组成的吸附分离制氧系统在PLC或DCS系统的控制下，程控阀循环切换完成连续产氧，该流程通常称真空解吸变压吸附制氧流程（VPSA-O2）。

3、真空解吸制氧（VSA-O2）：

经鼓风机鼓风输送低压的原料空气（15KPa ～19KPa），净化除去粉尘后进入吸附塔，吸附塔为两塔或三塔体系，吸附塔产品气为氧气。空气中的氮气、二氧化碳、水蒸气被吸附达到设定控制值后，由于吸附压力较低，先经常压解吸，再经真空泵抽真空达到一定真空度进行真空解吸，彻底脱附再生吸附塔内分子筛杂质。由两塔或三塔组成的吸附分离制氧系统PLC或DCS系统的控制下，程控阀循环切换完成连续产氧，该流程通常称真空解吸制氧流程（VSA-O2），设备规模更大，经济性更强。