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變壓吸附（Pressure Swing Adsorption.簡稱PSA）是一種新型氣體吸附分離技術，它有如下優(yōu)點：⑴產品純度高。⑵一般可在室溫和不高的壓力下工作，床層再生時不用加熱，節(jié)能經濟。⑶設備簡單，操作、維護簡便。⑷連續(xù)循環(huán)操作，可完全達到自動化。因此，當這種新技術問世后，就受到各國工業(yè)界的關注，競相開發(fā)和研究，發(fā)展迅速，并日益成熟。
( z7 j9 F* ]. d 1960年Skarstrom提出PSA專利，他以5A沸石分子篩為吸附劑，用一個兩床PSA裝置，從空氣中分離出富氧，該過程經過改進，于60年代投入了工業(yè)生產。70年代，變壓吸附技術的工業(yè)應用取得了突破性的進展，主要應用在氧氮分離、空氣干燥與凈化以及氫氣凈化等。其中，氧氮分離的技術進展是把新型吸附劑碳分子篩與變壓吸附結合起來，將空氣中的O2和N2加以分離，從而獲得氮氣。! i7 l. R( a. A# i
隨著分子篩性能改進和質量提高，以及變壓吸附工藝的不斷改進，使產品純度和回收率不斷提高，這又促使變壓吸附在經濟上立足和工業(yè)化的實現。
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原理: M5 V- ]" o6 t- ?/ k' H& x
任何一種吸附對于同一被吸附氣體（吸附質）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。
! m, O9 B+ b) R' ~( H# @) p 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（簡稱TSA）。顯然，變溫吸附是通過改變溫度來進行吸附和解吸的。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行，由于吸附劑的比熱容較大，熱導率（導熱系數）較小，升溫和降溫都需要較長的時間，操作上比較麻煩，因此變溫吸附主要用于含吸附質較少的氣體凈化方面。
1 `, @, F ]# X1 Z$ p 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。可見，變壓吸附是通過改變壓力來吸附和解吸的。
8 |& W) M5 P' E; m% l 變壓吸附操作由于吸附劑的熱導率較小，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行，從靜態(tài)吸附平衡來看，吸附等溫線的斜率對它的是影響很大的，在溫度不變的情況下，壓力和吸附量之間的關系，如圖示所示，圖中PH表示吸附壓力，PL表示解吸（減壓后）壓力，這時PH與PL所應的吸附量的差，實質上是有效吸附量，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。
W; ]$ z( d4 o1 n 吸附常常是在壓力環(huán)境下進行的，變壓吸附提出了加壓和減壓相結合的方法，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。吸附劑對吸附質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。! X& k; y: U# u+ `, \( R7 ~! ]2 k& s
變壓吸附,吸附,PSA) @3 y# I+ Y- g5 l( I
來自空氣壓縮機的壓縮空氣，首先進入冷干機脫除水分，然后進入由兩臺吸附塔組成的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等雜質氣體組分，而作為產品氣N2將以99%的純度由塔頂排出。
3 P8 n6 v- Z5 `2 s 在降壓時，吸附劑吸附的氧氣解吸出來，通過塔底逆放排出，經吹洗后，吸附劑得以再生。完成再生后的吸附劑經均壓升壓和產品升壓后又可轉入吸附。兩塔交替使用，達到連續(xù)分離空氣制氮的目的。
; Y, j2 c' M+ p3 J# [ 用碳分子篩制氮主要是基于氧和氮在碳分子篩中的擴散速率不同，在0.7-1.0Mpa壓力下,即氧在碳分子篩表面的擴散速度大于氮的擴散速度，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對氧的吸附容量增加，減壓時對氧的吸附量減少的特性。利用這種特性采用變壓吸附法進行氧、氮分離。從而得到99．９９%的氮氣。/ b$ ]4 H! a4 O5 }$ e0 O2 m
- e/ _/ v- }8 @7 a0 M- x$ y變壓吸附發(fā)展史2 j/ N3 U0 j- r! a5 U l8 j; x
變壓吸附空分制氧始創(chuàng)于20世紀60年代初(Skarstrom, 1960; Guerin de Montgarenil & Domine, 1964)，并于70年代實現工業(yè)化生產。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(簡稱深冷法)
7 Z. C; A& a6 B) W, z3 r 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，使得變壓吸附空分技術得到迅速地發(fā)展，與深冷空分裝置相比，PSA過程具有啟動時間短和開停車方便、能耗較小和運行成本低、自動化程度高和維護簡單、占地面積小和土建費用低等特點。在不需要高純氧的中小規(guī)模(小于100噸/天，相當于3000Nm3/h )氧氣生產中比深冷法更具有競爭力。廣泛的應用于電爐煉鋼、有色金屬冶煉、玻璃加工、甲醇生產、碳黑生產、化肥造氣、化學氧化過程、紙漿漂白、污水處理、生物發(fā)酵、水產養(yǎng)殖、醫(yī)療和軍事等諸多領域(楊，1991; Kumar, 1996; Jee, Park, Haam & Lee,2002)。
8 I9 r3 R: ^+ K8 @+ i4 m ?- `8 r 四十多年來變壓吸附空分制氧技術的研究進展主要表現在兩個方面: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)。國內對這項技術的研究盡管起步較早，然而在較長的一段時間內發(fā)展相對較緩。直至進入九十年代以來，變壓吸附制氧設備的優(yōu)越性才逐漸被國人認可，近幾年各種流程的設備相繼投產為各行各業(yè)帶來了巨大的經濟效益。 |
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發(fā)表于 2010-5-5 19:58:34
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