关于变压吸附CO2气体的研究

第一篇：关于变压吸附CO2气体的研究

关于变压吸附CO2气体的研究

Zan Liu and William H.Green* 化学工程学系，麻省理工学院，77马萨诸塞大道，66-352室，坎布里奇，马萨诸塞州，美国

摘要：使用初湿含浸法制备了一种含有氧化镁的用于温室气体CO2的新型吸附剂。使用特制的高压微量天平系统和热重分析仪得到了可逆吸附等温线,循环稳定,吸附速率。实验数据表明在180−240°C的温度范围至少84个吸附周期内,该吸附剂具有相当大的可再生的吸附容量，较低的吸附热和稳定的工作能力。在此温度范围内新型吸附剂的性能优于合成水滑石和K2CO3改性水滑石。因此该吸附剂在吸附CO2方面有很好的应用前景。

1.引言：

CO2 气体过量排放引起全球气候变暖的观点已经被越来越多的人接受1。在所有的能源中，化石燃料产生的CO2 排放量是最大的2。与此同时，煤是最廉价易得的燃料3。因此，在可预见的未来，煤依然是主要的能源，在发展中国家更是如此。面对这种困境，新技术应该有更高的能源利用率和更少的CO2 排放量。目前，伴有碳捕获分离的整体煤气化联合循环发电系统是实现这一目标最可行的方法4。

几种可用的都基于一个相同的前提。煤在高温高压下与蒸汽和空气分离单元提供的氧一起气化5。产生的气体在一个气液反应器中变为H2/CO2 混合气体。混合气体随后冷却，脱除硫，悬浮粒子和CO2，然后再一个气体涡轮发动机中燃烧完成能量转换，废气中的一部分热能被一个热能再利用系统用于驱动一个蒸汽涡轮，产生额外的能量。与传统的煤粉加工相比，整体煤气化联合循环发电系统有两个重要的特征6。首先，因为联合循环，整体煤气化联合循环发电系统可以得到跟高的能量效率。其次，反应器中的气流有更高的压力，有利于硫，汞，氮氧化合物，微粒物质和CO2，使得尾气处理跟便宜。

目前，最先进的CO2 捕获过程包括用物理或化学溶剂洗涤气流，比如单乙醇胺，低温甲醇洗，赛列克索法。这些吸收过程都要走温度较低的环境下进行。所以来自液气转换器的气流必须充分冷却，产生大量的能耗6,7。

与传统CO2补集方法相比，新技术消耗更少的能量，产生更少的操作费用，因而更有前景。先前的研究8,9已经对H2 渗透膜10,11，CO2 渗透膜12，变压吸附13等高温度下的CO2 分离过程，寻找提高吸附效率的方法。而我们最近的研究14对之前的工作进行了扩展，比较了用于伴有碳捕获分离的整体煤气化联合循环发电系统模型。结构表面，对于温度较高的气体（200—300 ℃），变压吸附比其他方法更有效。

广泛用于石油和化工行业的变压吸附15，有很多显著的优势，比如较低的能量要求，较低的费用，易于使用。尽管有这些优势，只有少量与200—300 ℃下可再生吸附CO2 的文章发表。为了在要求的温度范围内适用，吸附剂需要维持可再生能力，较快的吸附速度，较低的吸附热。已经工业化的吸附剂例如活性炭，沸石和氧化铝等在高于150 ℃便丧失了他们对CO2的吸附能力。超级活性炭16在220 ℃还具有对CO2 的吸附能力，但它对CO2/N2 的选择性很低。我们同样对通过掺杂阳离子获得的碱性沸石17,18进行了测试，他对极性气体比如SO2 和水蒸气的吸附性能较差。

图1 高压微平衡图

文献还研究了一些无机材料在较高温度条件下对碳的捕集能力，比如氧化钙19,20，锆酸锂21，硅酸锂22,23，钠基吸附剂24，滑石类复合材料25,26，双盐吸附剂27等。氧化钙在700℃下仍能保持较高的吸附容量，但却有着糟糕的再生能力，较低的吸附速率，和极高的热量要求。锂基材料在450—550℃仍然能够捕集CO2，但是他们的吸附速率也较低。钠基材料在200—400℃范围内展现了良好的吸附性能，但该材料在700℃下才能再生，所以并不适合变压吸附。两性盐吸附剂在高温下有较高的吸附容量，但再生很困难28。在这些无机材料中，HTls是最有前景的CO2 捕集剂，有大量关于这方面的研究。然而，HTls的工作温度没无法满足我们的要求29,30。最近，美国国家能源科技实验室研究了一种氢氧化镁基吸附剂31，该吸附剂在200—300℃有较大的吸附容积，可以在375℃再生。然而，通过热处理进行再生依然无法满足我们的需求。此外，该吸附剂的穿透曲线显示其吸附速率较低，这可能与该吸附剂较低的比表面积有关。

我们的目标是找到一种在较高温度下仍然有很好再生能力，较低吸附热，较高吸附速率的吸附剂。该吸附剂在最初的润湿浸渍后，表现出了较高的比表面积和适宜的孔径分布，有利于CO2的迅速吸附。我们实验室构建了一个高压微平衡系统去表针吸附剂的性能。通过对其吸附容积，循环再生能力，吸附速率的细致研究，并与HTls做比较，我们证明该吸附剂在变压吸附温度较高的CO2方面很有前景。

2.实验部分

2.1吸附剂的合成

吸附剂通过润湿浸渍法制得，该方法被广泛用于制备多相催化剂。为了获得最佳性能，不同的镁前驱体（硝酸盐，柠檬酸盐，草酸盐，醋酸盐）被测试和比较。硝酸盐最终被选为前驱体。对几个关键的制备条件，比如前驱体浓度，支撑材料，煅烧温度，煅烧时间我们同样进行了研究，已获得最佳制备过程。最终的浸渍过程如下：活性炭在80℃下干燥一夜。接着，与室温下逐滴加入3.8M的Mg(NO3)2实现MgO的负载。将所制得的材料在敞开体系中干燥12h，然后在炉子中与100℃加热12h。该材料最后与马沸炉中在500℃下在纯氮气煅烧3h。

2.2 产物的表征

由镁前驱体制备的吸附剂通过一个热重分析仪进行热重分析。风干后的材料置于热重分析系统的铂片上。以4℃/min的速率在N2氛围下由25升温到750℃，N2通气速率为90sccm。我们使用一台 JEOL JSM 6060扫描电子显微镜研究其表面形态和微观结构。

吸附剂的表面积和孔径分布在77K用一台粉体 ASAP 2020 仪器通过N2吸附解吸附等温线表征。煅烧后的材料首先在200℃真空脱气。然后转移到液氮内进行吸附解吸附分析。

我们使用BET模型计算其表面积和平均孔径。孔径分布和孔容在170到300nm,通过BJH模型得到。2.3 CO2吸附

吸附剂的吸附容积和循环稳定性通过一个高压微平衡和热重分析仪测量。测量方法如下：10-20mg吸附剂置于铂样品盘。使用一个定制的加热器加热到实验所需温度，保持温度稳定在±0.2℃。首先，以100sccm的速率通入纯氦气。当热重信号稳定后，记下初始质量m1。然后，以300sccm的速率通入纯CO2至左测试箱，右测试箱仍然通入纯He。反应箱的压力通过一个反压力控制器控制。当达到所需压力后，称重记为m2。质量变化记为Δmmeasured。需要注意的是这里的质量变化不是实际的吸附量，还需要进行修正，我们在2.4部分讨论。

等温线用我们之前提到的方法测量，即随着CO2的压力由3atm上升到16atm，记录质量的变化。

吸附能力有两个不同的形式：可再生吸附和不可再生吸附。为了区分这两种不同的形式，我们使用了如下的方法：首先在一个特定温度下测量出包括可再生吸附和不可再生吸附的总等温线。然后，将整个反应器在真空下与同样温度保持24h.再次测量等温线。第二次测量得到为可再生吸附的等温线。用总的吸附等温线减去可再生等温线得到不可再生等温线。

为了测量吸附再生的循环稳定性，定量的吸附剂置于测试器的铂碟上，于200℃、13atm持续吸附CO230min。保持温度不变，循环吸附再生84次。

吸附容量同样通过热重分析测量。一个10-20mg的样品被置于铂碟上。在N2气氛下，用内置加热器加热到所需温度。当温度压力稳定后，一个内置的自动控制开关将N2换为CO2。CO2的压力始终保持在1atm.2.4 浮力校正

正如我们在先前的部分所提到，由于不可忽视的浮力的影响Δmmeasured并不是实际吸附量。为了获得实际的吸附量，我们还需获得如下两个量：

第二个参数，Δmbuoyancy-pan是浮力对于高压下样品盘和平衡盘的不平衡的贡献。为了修正这个效应,我们做了一个控制实验，即如上一小节所述,使用没有吸附剂的空样品盘进行重复试验。得到了在不同压力的一系列的重量校正数据。

第三参数,Δmbuoyancy-sample,来自样品的浮力的贡献,可以ρCO2 Vexcluded计算。排除体积,Vexcluded,从由吸附剂的真实密度计算。真实密度的测量在2.5节描述。

2.5 吸附剂的氦气密度

吸着剂的氦密度通过高压微量天平测量，图1所示。最初,一个空盘放置在反应室。氦气被引入整个反应室,温度维持在200°C。在压力2、14,和24 atm的重量记录为数据M1。然后,排空反应室，给定干吸着剂被加载到盘内。在同样的压力重复试验过程得到数据M2。质量的变化Δm与压力和氦气密度有关，通过如下方程计算32 结果与讨论

3.1 材料表征

该材料一个典型的热重曲线如图2所示。该材料吸附分为三个过程。第一个过程为80到120°C有一个宽峰表明吸附剂水分被脱除。大多数水分在达到180°就已经被脱除。第二个过程为180到450°C显示了强烈的吸热峰这与硝酸镁分解为氧化镁相对应。第三个过程(> 450°C)没有显著峰值, 微小的重量变化可能与碳质量减轻有关。最终选定煅烧温度为500°C，因为该温度下不会出现烧结而硝酸镁能完全分解。

图2 吸附剂的热重分析图

氦气密度。真实密度在测量高温下吸附容积时很有用。其详细的测量过程如前所述。最近研究33表明,真实密度取决于测试温度。我们选择较高温度(200°C)确保没有氦被吸附。

基于等式2和3,吸附剂的氦气密度的确定为1.25克/厘米3 ,略小于活性炭报道值(1.5−2.2 g / 厘米3)。这可能是由于毛孔渗后关闭,这使得某些内部毛孔不能氦气接触,从而导致较小的真密度。另一点值得注意的是,氦分子比试验气体

二氧化碳小。一些孔氦分子能进入而二氧化碳分子无法进入,从而导致对排除体积的低估。这将导致对吸着剂容量的估计略显保守。

BET测试：材料的表面积和孔容通过77K下吸附剂及其支撑材料的氮气吸附解吸附等温线得到。两种材料都表现出典型的IV等温线34，这种类型的等温线在介孔的工业吸附剂中是非常常见的。

滞回线的分析表明,样本进行初期的湿润后,高相对压力并没有对吸附造成限制,这是H3特征滞回线,对应层状的粒子聚集形成狭缝形状的孔34。一般来说,通过BET测量得到多孔结构模型,在浸渍和后续热处理仍然能够维持，尽管会出现表面积的减小。

吸附剂和支撑材料的形态学特征见表1。正如我们所预料的，样品的热处理减小了他们的比表面积和介孔容积。然而，平均孔径并没有明显的改变。这确保孔隙大小不会限制随后对二氧化碳吸附的研究。3.2吸附等温线

图3 吸附剂和支撑材料在77K的N2吸附解吸附试验

图3 吸附剂和支撑材料的孔径分布

首先获得包含可逆吸附和不可逆吸附的总的等温线，然后将样品转移到真空中，再次测量得到CO2的可逆吸附等温线。不可逆吸附由不同压力下的总吸附量与可逆吸附量 的差值得到。不同温度下的可逆吸附和不可逆吸附能力如表2所示。

表1 吸附剂和支撑材料的形态学数据

表2 在不同的温度和压力的吸附能力

考虑到温度的影响，很明显随着温度的上升吸附能力下降，因为高温使吸附平衡发生了变化。可逆吸附能力与CO2压力有很大关系，这种趋势可以被一个经验等温线模型反映。不可逆吸附在低压下仍然有较大的值，压力的减小也不能减小不可逆吸附。不可逆吸附在低压下甚至达到了饱和，表明不可逆吸附是由很强的化学反应引起的，这与可逆吸附的反应模型有很大差异。

最近关于氧化镁的研究35试着用不同的吸附模型来研究不可逆吸附。该研究利用热重分析和FTIR，表明当吸附剂被暴露于CO2中时氧化物表面会形成出不同的表面类型。碳酸氢盐通过表面氢键官能团和CO2之间的反应形成。然而，形成于不同氧原子表面的碳酸盐表现出了不同的协调度，出现了单齿，二齿，螯合桥接碳酸盐。

Leon等人的FTIR研究表明桥接双齿碳酸盐在50℃消失了，螯合双齿碳酸盐和碳酸氢盐在100到200℃消失了。然而，一部分单齿碳酸盐在400℃仍能存在。这表明最强的点符合单齿模型，主要是不可逆吸附。然而，该模型对主要由较弱的点控制的不可逆吸附是不适用的。

只有可逆吸附对表压吸附性能有帮助。在高压力微平衡下测得四个温度的可逆吸附等温线，并对其浮力影响的校正。随温度而变的吸附经验模型

一个典型的等温线被用来拟合等温线数据，其中a= 5.013³10−3mmol/(g²bar),b= 1.753³103K,c= 1.268³10−3bar−1, and d= 1.802³103K。如图5所示，该模型能描述温度变化的影响。参数b和参数d的微小差异，表明没有相邻的被吸附分子发生交联作用。

假设一个氧化镁晶格捕获一个CO2分子，吸附剂表明已经完全被氧化镁覆盖，则最大单层容量大约为5 mmol/g，基于等式

其中，a为氧化镁的晶格常数，SBET为吸附剂的表面积，NA为阿伏加德罗氏数。通过吸附模型（公式4），计算得到最大容积为a/c = 3.95 mmol/g。这两个值如此接近，表明主要是表面吸附，而不是体积环境和多层吸附，大多数但并不是所有的氧化镁表面可逆吸附做出了贡献。

在文献36-38中，吸附热被严格的推倒

一旦由温度决定的等温吸附线确定了，吸附热可以通过一个与该等式衍生的等温线模型确定

其中n0i是容积。吸附剂的吸附热如图6所示，这与氧化镁表面的数据相一致35。14kJ/mol的值与氢氧化镁与CO2的反应焓(19.6 kJ/mol)31很接近。这与可逆吸附是由表面氢键和CO2可逆反应35引起的假设相一致。

图6 基于公式6计算的吸附热

3.3 再生性能

正如引言所强调的,对于一个适用于变压吸附过程的吸附剂，再生性能是一个关键的属性。为研究吸附可逆性,在高压微量天平进行一个84周期循环测试。温度维持在200°C。吸附过程为压力为13atm，而解吸附过程为1atm。

我们可以观察到（图7）第一个周期的容积是很大的，这是可逆吸附和不可逆吸附共同作用引起的。在经历几个周期后，容积明显减小。大约30%的容积无法通过压力变化实现再生，如同我们在前面的章节所讨论的。吸附剂只能在高温（450℃)下实现完全再生。

在第一个周期时，吸附剂的容积大约保持在1.4mmol/g。根据一个对于氧化镁表面的研究，在200℃的可逆吸附是因为表面螯合双齿碳酸盐和碳酸氢盐的形成，即不可逆吸附是由于单齿碳酸盐的形成。表面积的减小可能同样对容积减小有影响。

新吸附剂的容积明显小于广泛报道的活性炭和沸石的值。然而，这些吸附剂都用于较低温度下，而在较低温度下，多层吸附对高容积贡献很大。氧化钙和锂材料在高温下有很大的容积，但是在这时候，吸附是由于发生了本体反应。这种吸附模式的缺点是本体反应造成极低的吸附速率和固体内的物质扩散。而吸附剂明显是依靠表面反应捕集CO2，可以被视为伪单层吸附。考虑到吸附剂温和的吸附表面，这个数据是合理可信的。3.4 吸附速率

吸附速率是选择吸附剂的另一个关键因素。为了适用于变压吸附，吸附剂必须有较高的吸附速率，以降低整个吸附周期的时间。

图7 吸附剂在200℃的循环稳定性

图8和图9表明，新吸附剂只需不到1分钟就能达到饱和值。吸附容积随着温度的上升逐渐降低，即吸附速率与温度关系不大。在较高温度下，吸附速率可以较快达到最大值，但不同温度间没有明显变化。

图8 CO2气氛下吸附剂在1atm下不同温度的热重分析图

与已经工业化的变压吸附吸附剂比如活性炭和沸石相比较，新吸附剂的吸附速率还比较低。这是因为那些吸附剂主要工作在较低的温度条件下，主要靠纯的物理交联捕集CO2。然而，新吸附剂主要是通过表面化学反应，所以出现相对较低的吸附速率是可以理解的。

图9 在1atmCO2下吸附剂在不同温度下的吸附速率 值得注意的是较低的吸附速率是高温吸附剂普遍存在的缺点，因为其吸附是通过化学反应，表面或内部而不是有着较低能量壁垒的弱的物理交联。像氧化钙和锂基材料捕集CO2是靠的本体反应。吸附速率只能通过降低工作温度和掺杂提高体积相质量传递来提高。然而，这种吸附模式的缺点是本体反应通常会导致晶体结构的变化。吸附剂需要较高的温度来再生，这会导致吸附容积的减小。我们的新吸附剂是通过表面反应来捕集CO2。正如我们之前提到的表面吸附更温和，再生容积也跟稳定。我们在这里强调，一个拥有较高表面积和较高表面位点结合密度基于较弱的放热表面反应的吸附剂是在200-300℃变压吸附CO2更好的选择。

3.5 与水滑石化合物的比较

水滑石化合物由带正电的水镁石(MgOH-)和水合阴离子组成，最常见的是Mg−Al−CO3,具有堆叠氢氧化镁[Mg(OH)2] 氢氧化物层一些八面体座 的二价阳离子(Mg2+)被三价阳离子（Al3+)替代。水滑石化合物通常在高压蒸汽下用K2CO3 去提高其性能。这两种材料在煅烧后被广泛用于高温下39,40(350−500°C)CO2捕集。这里，我们用新吸附剂与这些材料做对比。

通过TGA比较200℃一个大气压下可逆性和动力学表现。如图10所示，所有材料在第一个周期都表现出较大的容积，但是水滑石化合物在第一个周期后出现了急剧的下降，表明该温度下主要是不可逆吸附。水滑石化合物的容积在10个周期内持续下降，然而MgO/C吸附剂保持了较大的可再生容积。我们同样比较了三种吸附剂的吸附速率。如图11所示，在200℃MgO/C有比水滑石化合物更高的吸附速率。这些比较表明MgO/C更适合作为加热后的CO2捕集剂。值得注意的是MgO/C只在200℃左右有优势。而在更高的温度（400℃）下，对比表明水滑石化合物有更大的可再生容积，这也是为什么水滑石化合物被用于较高温度下捕集CO2的原因。然而对于中温的CO2捕集，相比水滑石化合物，MgO/C表现出更好点的再生容积和吸附速率。

图10 200℃，1atm下CO2的循环性能比较

图11 200℃，1atm下CO2的吸附速率比较 结论

用始润浸渍法制备了一个包含氧化镁支撑材料的新的CO2变压吸附剂。新吸附材料在180-240℃展现了很大的再生吸附容积。在200℃高压力微平衡系统下进行了循环试验，至少在84个周期内吸附剂保持了良好的稳定性。此外，在该温度范围内，新吸附剂新吸附剂有比合成水滑石化合物和K2CO3改性的合成水滑石化合物。这些结果表明该材料在变压吸附捕集CO2方面很有前景。

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支撑材料

包括关于该吸附剂的SEM图，在水蒸气氛CO2吸附性能和高温下的吸附剂对比。该材料可以免费在网站 http://pubs.acs.org获得。

作者信息

通信作者

*E-mail: whgreen@mit.edu.致谢

我们特别感谢英国石油公司的财政支持。感谢Prof.Yuriy Roman和Dr.Herui Dou提供了关键的设备。感谢 Dr.David J.Couling和Dr.Krishna Sharma很有帮助的建议。我们同样十分感谢 麻省理工学院纳米技术研究所的 Ms.Amy Tatem在BET测量上给我们的帮助。

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第二篇：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

第三篇：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

第四篇：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。

第五篇：变压吸附技术问答

变压吸附技术问答

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。3.什么叫物理吸附？

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。4.变压吸附常用吸附剂有哪几种？

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。5.什么叫变压吸附？

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。

6.PSA进料中为什么要充分脱水？怎样防止进料带水？

由吸附剂对水的吸附性能可知，吸附剂极易吸水，而且脱附困难，同时吸附剂吸水之后，对其它分子的吸附能力下降。所以必须对进料气进行严格脱水，以防止损害吸附剂。为了防止进料带水，通常在进料线上增设进料气水分离器，同时，为防止冬季饱和气体在管线中发生冷凝，可视情况将水分离罐后的PSA进料管线进行伴热或保温。7.PSA装置最常用的吸附剂是什么？它们对一般气体的吸附顺序如何？

PSA最常用的吸附剂是分子筛和活性炭，通常两种吸附剂组合使用。

分子筛对一般气体的吸附顺序是： H2＜＜N2＜CH4＜CO＜CO2 活性炭对一般气体的吸附顺序是： H2＜＜N2＜CO＜CH4＜CO2 8.吸附器充分吸附杂质后，各杂质在吸附剂上如何分布？为什么？

当吸附器充分地吸附了杂质以后，杂质界面最前沿为氮气、一氧化碳，其次是甲烷，再次是二氧化碳，最底层是微量的水。

杂质在吸附剂中的分布规律与吸附剂对各杂质组分的吸附能力以及吸附剂的分布状况有关。在吸附器中，活性炭作为主要的吸附剂装填在下部，分子筛作为辅助吸附剂装填在上部。进料气由吸附器底部进入床层，首先接触活性炭，而活性炭对杂质的吸附能力的大小次序为：H2＜＜N2＜CO＜CH4＜CO2＜H2O，所以吸附过程H2O、CO2、CH4、CO、N2被依次吸附下来。剩余的杂质N2又被上部分子筛吸附，从而获得高纯度的氢气。9.均压过程和意义

被抽真空后的吸附器内吸附剂再生完成，但吸附器内压力很低，与进料压力的压差太大，不能直接进行吸附，需要先升压。而完成吸附步骤的吸附器压力较高，同时吸附剂颗粒之间，存留一部分氢气应当回收。均压过程即是吸附之后的高压吸附器与再生之后的低压吸附器进行压力均衡，高压吸附器内部的氢气流入低压吸附器。均压过程中，高压吸附器压力降低，部分杂质脱附，并随物流上移，又被上部吸附剂重新吸附，故杂质界面上移。

所以均压过程使得再生后低压吸附器的压力升高，并充分利用高压吸附器内部存留氢气，提高氢回收率。

10.为什么顺放卸压过程中吸附器内的杂质界面上移？

变压吸附是物理吸附，压力降低时，被吸附的杂质可以脱附，所以当吸附器顺放卸压时，随着压力的降低，部分杂质逐渐脱附，并随着物流上移，同时又被床层上部尚未吸附杂质的吸附剂重新吸附下来。因而顺放卸压过程中吸附器内杂质界面逐渐上移。11.逆放过程及其作用？

逆放是吸附器从供吹扫终止压力下降到废气压力的逆流卸压过程，排放位置在吸附器底部，随着压力的不断降低，杂质不断脱附并排入废气系统，杂质前沿界面逐渐下移，所以排放过程使吸附器内大部分杂质脱附排出。排放结束，用供吹扫吸附器提供的纯氢从上部进入进行逆流吹扫，使残留杂质不断脱附并随物流排入废气系统，从而使绝大多数的吸附剂实现再生。

所以，排放和被吹扫的作用就是排除吸附器内的杂质，使吸附剂实现再生。12.废气缓冲罐有什么作用？

PSA运转过程中产生的废气，其压力、流量和组成都发生周期性的变化。而作为加热炉的燃料气应当具有稳定的压力、流量和热值，故PSA装置设置了废气缓冲罐，其作用就是为加热炉提供流量、压力和组成接近均匀一致的燃料气。13.进料组成变化对PSA有何影响？

进料中氢含量增加时，产氢量和氢收率提高。当氢含量低于设计值时，进料中杂质增加，产氢量和氢收率降低。如进料中杂质浓度增高而未能及时缩短吸附时间（或者降低进料流量），则能造成杂质超载，使产品纯度下降，影响PSA的操作性能。14.进料温度变化对PSA有何影响？

变压吸附是物理吸附过程，进料温度的高低直接影响吸附剂的吸附性能。进料温度太高，吸附剂的吸附能力下降，因而造成氢收率下降，同时还影响产品纯度和吸附剂的使用寿命。而温度太低了再生困难，如果因此造成吸附剂再生不完全，则恶性循环的后果将导致杂质超载的现象而损害吸附剂。常温下，10-30℃范围内几乎有相等的氢收率，进料温度太高或太低，氢收率都有所下降。15.解吸压力是否越低越好？为什么？

解吸压力即废气压力，解吸压力越低，氢回收率越高，吸附剂再生越好。反之，吹扫压力越高，氢回收率越低。但考虑到废气要能直接送到转化炉做燃料，故废气缓冲罐出口保持一定压力。

16.为什么要根据进料流量的大小调整吸附时间？

每个吸附器在一定的产品规格要求和一定量吸附剂的条件下，吸附剂对杂质的允许吸附量是一定的。所以每个吸附步骤只能提纯一定量的进料气。在一定的进料流速下，如果吸附时间过长，则吸附剂过多地吸附了杂质造成杂质超载，不仅使产品纯度下降，而且使PSA操作性能变坏。若吸附时间太短，则不能充分利用吸附剂，达不到应有的氢收率，造成浪费。所以应根据实际进料流量的大小合理地调整吸附时间，充分利用吸附剂，在保证产品纯度和保护好吸附剂的前提下，获得高的氢收率。17.什么是吸附剂的比表面积？

比表面积即单位重量吸附剂所具有的面积，单位为m2/g，吸附剂的表 面积主要是微孔孔壁的表面积.18.在吸附过程中，吸附床分为哪几个区段？

吸附床可分为三个区段：(1)为吸附饱和区，在此区吸附剂不再吸 附，达到动态平衡状态；(2)为吸附传质区，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；(3)为吸附床的尚未吸附区 20.什么叫吸附前沿(或传质前沿)？

在实际的吸附床，由于吸附剂传质阻力的存在，吸附质流体以一定的 速率进入吸附床时，总是先在吸附床入口处形成一个浓度梯度，以此绘成的曲 线便称为吸附前沿(或传质前沿)，随着吸附质流体的不断流入，使曲线沿吸附 床高度方向推进。21.什么叫吸附床流出曲线？

在吸附庆中，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，经过一段时间，吸附质出现在吸附床出口处，以出口浓度－－时间绘成 的曲线叫做吸附床流出曲线。

22.什么叫穿透浓度和穿透时间？

在吸附床流出曲线中，随着气体混合物不断流入，经过一段时间(tc)后，流出气体中杂质浓度达到一定值(Cc)出现揭点，开始突然上升，这时的杂 质浓度(C 0)称为穿透浓度，所对应的时间(tc)称为穿透时间。23.变压吸附中吸附剂的再生有哪些方法？

利用降压、抽真空、冲洗、置换等方法使吸附剂所吸附的 杂质析出。24.什么叫氢气回收率？

回收率是变压吸附装置主要考核指标之一，它的定义是从高压吸附装置获得的产品中氢气组分绝对量占进入变压吸附装置原料气中氢气绝对量的百分比。25.在变压吸附循环过程中分哪些基本步骤？

(1)压力下吸附：吸附床在过程的最高压力下通入气体混合物，其中杂质被吸附，需提纯物质（氢气）从吸附床另一端流出。(2)减压解吸：根据被吸附组分的性能，选用降压、抽真空、冲洗和置换等几种方法使吸附剂再生；(3)升 压：吸附剂再生完毕后，用产品气体对吸附床进行充压，直至吸附压力为止。26.什么叫循环周期？

对一台吸附塔来说，一个循环周期就是指该吸附塔从吸附杂质开始，经过降压再生以后，又到新的一次吸附杂质开始，完成这样大的工艺过程叫做循环周期。27.什么叫吸附时间？

指一个吸附塔在吸附步骤所经历的时间，其长短可以反映该吸附塔处理进料气的总量。在运转过程中，吸附时间是一个主要操作参数。28.什么叫做吸附剂的孔容？

吸附剂中微孔的容积称为孔容，通常以单位重量吸附剂中微孔的面积来表示，单位是cm3/g.