变压吸附基础理论.doc

变 压 吸 附 基 础 理 论

第一节 吸附式气体分离技术

一、吸附剂和吸附质
由于物质分子之间的引力，当两种物质的分子接触时，他们就会彼此吸引附着。发生吸附现象时，一般称密度较大的固体物质为吸附剂，密度较小的气体物质为吸附质。

二、吸附式气体分离吸附类型
吸附现象按照其发生的性质可分为四大类：化学吸附、活性吸附、毛细管凝缩和物理吸附。吸附式气体分离过程主要是物理吸附过程。物理吸附产生的理论依据是分子之间的范德华力和电磁力。物理吸附具有如下特点：
· 吸附过程进行很快
· 吸附过程没有化学反应
· 过程可逆

三、吸附剂衡量
吸附容量是衡量吸附剂能吸附吸附质多少的度量。
不同的吸附质有着不同的表面特征。对于某一种吸附剂而言，不同的表面特征就带来了不同的吸附能力，也就有不同的容量。这是变压吸附能够将混合气体分离开的主要原因。
常见气体在相同分压和温度一般的吸附容量排列顺序由小到大为：H2àAràO2àN2àCOàCH4àCO2à……àH2O

四、吸附剂性能
理论和实验数据证明；对同一吸附剂和吸附质来说有：
（1）吸附剂在吸附质压力较高时，吸附容量大，反之在吸附质压力较低时，吸附容量较小。
（2）吸附剂在吸附质温度较低时，吸附容量大，反之在吸附质温度较高时，吸附容量较小。
变压吸附（PSA）、变温吸附（TSA）和变压/变温（PSA/TSA）吸附气体纯化技术就是建立在吸附剂对不同吸附质，以及在不同压力和温度条件下，吸附容量不同的理论和实验的基础上开发出来的新型实用技术。
五、实用的吸附纯化技术
吸附饱和区
传质区
未吸附区
吸附器内气体分布图
气体流向
吸附前沿
在实际的吸附过程中，吸附器内部的气体分布如下图所示：

在实际生产中，我们不能让吸附前沿突破吸附床顶，这样传质区、未吸附区大量的有用气就不能进入产品管道。如果把这些气体随解吸气排掉，就造成了浪费，严重影响气体的收率。收率是指产品气占原料气中产品组分的比率。
实际应用中还开发了许多实用技术。
(1)多吸附器交替操作。吸附和解吸是一对矛盾，它们是不能同时在一个吸附床层同时进行，所以一个吸附床是不能连续生产的。实际的操作中一般都由两个以上的吸附器来共同完成连续生产的目的。
(2)均压技术。吸附器的吸附和解吸在两个压力条件下进行的，完成吸附的吸附器要降压解吸，解吸完毕的吸附器要升压准备。均压就是解决这个问题的实用技术，它一方面利用了吸附器内剩余的高纯气体，另一方面降低了吸附器压力变化的幅度。减少了原料的浪费也减缓了吸附器的金属疲劳速度。另外，均压还限制了气流的速度，减少了气流对吸附剂的冲刷，延长了吸附剂的使用寿命。
(3)气流分配技术。均匀地分配气流，发挥每一个可能利用吸附空间的作用，是提高生产效率的有效措施。
(4)置换技术。解吸后的吸附器空间仍然充满释放出来的气体，利用正在降压的吸附器内较纯净的气体对吸附器进行置换不仅可减少浪费，而且是很必要的。
(5)冲洗技术。用纯净气体冲洗吸附剂，也是提高解吸质量的的手段之一。实际上置换的同时，冲洗也就产生了。
(6)真空解吸技术。将需要解吸的吸附器进行抽真空，可使吸附剂的解吸更加彻底，节省冲洗用气。其缺点是要投资真空设备并且对设备的密封要求更加严格。
(7)紧密吸附剂装填技术。从吸附原理可知：吸附分离的有效空间是吸附剂所占空间，紧密装填技术不仅可以最大有效利用吸附器内空间，还可以减少吸附剂间的摩擦损耗。

第二节 吸附剂
一、等温吸附线
等温吸附线是常用于吸附剂分析选用的数据曲线，它是通过实验测试得到的
从图中可以看出：
(1)吸附剂对不同吸附质有不同的吸附容量。
典型的等温吸附线示意图
气体分压（MPaA）
吸附容量Nl/g
H2
Ar
O2
N2
CO
CH4
0.2
0.4
0.6
0.8
0.0
0.0
10.0
20.0
30.0
(2)真空解吸有很好的解吸效果。
(3)吸附压力并非越高越好。
吸附剂的化学组成主要根据物质的吸附能力的强弱和该物质的可加工度来确定。

二、吸附剂应具备的条件
它具有如下物理条件：
(1)具有一定强度的吸附力。既能吸附吸附质，也能脱附吸附质。
(2)具有足够大的比表面积。吸附过程发生在物质的表面，比表面积越大，空间利用率越高，气体纯化功能越好，所以吸附剂必须加工成多微孔结构。
(3)具有足够的机械强度。吸附剂要承受强大的气流冲刷，机械强度是保证其使用寿命的基础条件。

三、吸附剂的主要参数
描述吸附剂性能的主要参数有：
（1）吸附容量。在一定气体分压和温度的条件下，单位质量吸附剂吸附该气体的数量，用单位l/g描述。
（2）孔径分布。吸附剂微孔结构物理参数，用孔径分布曲线描述。
（3）比表面积。单位质量吸附剂的表面积总和，用单位m2/g描述。

四、常用吸附剂类型
气体分离常见的吸附剂有：
活性氧化铝，主要用于气体的脱水干燥。
硅胶，弱吸附剂，主要用于脱除强吸附物质。
活性碳，中吸附剂，主要用于脱除中强吸附物质。
分子筛，强吸附剂，主要用于脱除弱吸附质。

五、吸附材料的选择
· 吸附剂性能各有不同，根据分离的对象，采用适当的吸附分离原理，选择适当的吸附剂。
· 选择吸附剂时既要考虑吸附，也要考虑解吸。
· 选择吸附剂既要考虑吸附容量，也要考虑吸附剂的机械强度。