WikiDer > Адсорбция при переменном давлении

Pressure swing adsorption
Схематическое изображение процесса PSA ("aria" = воздухозаборник)
Генератор азота с использованием PSA

Адсорбция при переменном давлении (PSA) - это технология, используемая для отделения некоторых видов газов от смеси газов под давлением в соответствии с их молекулярными характеристиками и сродством к адсорбент материал. Он работает при температурах, близких к температуре окружающей среды, и значительно отличается от методы криогенной дистилляции разделения газов. Особые адсорбирующие материалы (например, цеолиты, Активированный уголь, молекулярные ситаи т. д.) используются в качестве ловушки, предпочтительно адсорбирующей целевые частицы газа при высоком давлении. Затем процесс переходит на низкое давление, чтобы десорбировать адсорбированный материал.

Процесс

Анимация адсорбции при переменном давлении (1) и (2), показывающая чередование адсорбции и десорбции
я вход сжатого воздуха А адсорбция
О выход кислорода D десорбция
E выхлоп

В процессах адсорбции при переменном давлении используется тот факт, что под высоким давлением газы имеют тенденцию притягиваться к твердым поверхностям или «адсорбироваться». Чем выше давление, тем больше газа адсорбируется. Когда давление снижается, газ выпускается или десорбируется. Процессы PSA могут использоваться для разделения газов в смеси, потому что разные газы имеют тенденцию более или менее сильно притягиваться к разным твердым поверхностям. Если газовая смесь, такая как воздуха проходит под давлением через сосуд, содержащий слой адсорбента из цеолит что привлекает азот сильнее, чем кислород, часть или все азот останется в слое, а выходящий из сосуда газ будет богаче кислородом, чем поступающая смесь. Когда слой достигает предела своей способности адсорбировать азот, его можно регенерировать, снизив давление, высвободив адсорбированный азот. Затем он готов к следующему циклу производства воздуха, обогащенного кислородом.

Это процесс, используемый в медицине. кислородные концентраторы использован эмфизема пациенты и другие лица, которым для дыхания требуется воздух, обогащенный кислородом.

Использование двух емкостей с адсорбентом позволяет практически непрерывно получать целевой газ. Это также позволяет так называемые выравнивание давления, где газ, покидающий сбрасываемый сосуд, используется для частичного создания давления во втором сосуде. Это приводит к значительной экономии энергии и является обычной производственной практикой.

Адсорбенты

Помимо их способности различать разные газы, адсорбенты для систем PSA обычно представляют собой очень пористые материалы, выбираемые из-за их большого размера. удельная поверхность. Типичные адсорбенты: Активированный уголь, силикагель, глинозем, смола и цеолит. Хотя газ, адсорбированный на этих поверхностях, может состоять из слоя толщиной всего в одну или максимум нескольких молекул, площади поверхности в несколько сотен квадратных метров на грамм позволяют адсорбировать значительную часть веса адсорбента в газе. Помимо селективности по отношению к различным газам, цеолиты и некоторые виды активированного угля, называемого углем. молекулярные сита могут использовать характеристики своих молекулярных сит, чтобы исключить некоторые молекулы газа из своей структуры на основании размера молекул, тем самым ограничивая способность адсорбироваться более крупных молекул.

Приложения

Мембранный блок газового сепаратора, используемый в процессе утилизации свалочного газа

Помимо использования для подачи медицинского кислорода или в качестве замены объемного криогенного хранилища или хранилища сжатых баллонов, которое является основным источником кислорода для любой больницы, PSA имеет множество других применений. Одно из основных применений PSA - удаление углекислый газ (CO2) как заключительный этап крупномасштабного промышленного синтеза водород (ЧАС2) для использования в нефтеперерабатывающие заводы и в производство аммиака (NH3). Нефтеперерабатывающие заводы часто используют технологию PSA для удаления сероводород (ЧАС2S) из подаваемого водорода и рециркуляционных потоков гидроочистка и гидрокрекинг единицы. Еще одно применение PSA - отделение углекислого газа от биогаз увеличить метан (CH4) соотношение. С помощью PSA можно повысить качество биогаза до качества, аналогичного натуральный газ. Это включает процесс в утилизация свалочного газа преобразовать свалочный газ в метан высокой степени чистоты, который будет продаваться как природный газ.[1]

PSA также используется в: -

  • Системы предотвращения возгорания гипоксическим воздухом производить воздух с низким содержанием кислорода.
  • Целевые установки по производству пропилена дегидрированием пропана. Они состоят из селективной среды для предпочтительной адсорбции метана и этана над водородом.[2]
  • Промышленное генератор азота Установки, использующие технологию PSA, производят газообразный азот высокой чистоты (до 99,9995%) из сжатого воздуха. Но такие PSA больше подходят для обеспечения промежуточных диапазонов чистоты и расхода. Производительность таких агрегатов указана в Нм³ / ч. нормальные кубические метры в час, один Нм³ / час эквивалентен 1000 литров в час при любом из нескольких стандартных условий температуры, давления и влажности.
    • для азота: от 100 Нм³ / ч при чистоте 99,9% до 9000 Нм³ / ч при чистоте 97%;
    • для кислорода: до 1500 Нм³ / ч с чистотой от 88% до 93%.[3]

В настоящее время ведутся исследования по улавливанию CO с помощью PSA.2 в больших количествах от угольные электростанции до геологоразведка, чтобы уменьшить парниковый газ продукция с этих заводов.[4][5]

PSA также обсуждался как будущая альтернатива технологии невозобновляемых сорбентов, используемой в космический костюм Системы первичного жизнеобеспечения, чтобы сэкономить вес и продлить срок службы костюма.[6]

Варианты технологии PSA

Двухступенчатый PSA

(DS-PSA, иногда называемый Dual Step PSA). С помощью этого варианта PSA, разработанного для использования в лабораторных генераторах азота, генерация газообразного азота делится на два этапа: на первом этапе сжатый воздух проходит через углеродное молекулярное сито для получения азота с чистотой приблизительно 98%; на втором этапе этот азот принудительно проходит через второе углеродное молекулярное сито, и газообразный азот достигает конечной чистоты до 99,999%. Продувочный газ со второй стадии рециркулируют и частично используют в качестве исходного газа на первой стадии.

Кроме того, процесс продувки поддерживается за счет активного вакуумирования для повышения производительности в следующем цикле. Цели обоих этих изменений - повысить эффективность по сравнению с обычным процессом ВАБ.

DS-PSA также применяется для повышения уровня концентрации кислорода, в этом случае цеолит на основе алюминия и кремнезема адсорбирует азот на первой стадии, фокусируя 95% кислорода, а на второй стадии молекулярное сито на основе углерода адсорбирует остаточный азот в обратном цикле. , концентрируя до 99% кислорода.

Быстрый PSA

Адсорбция при быстром колебании давления или RPSA часто используется в портативные концентраторы кислорода. Это позволяет значительно уменьшить размер слоя адсорбента, когда высокая чистота не является существенной и сырьевой газ можно удалить.[7] Он работает за счет быстрой смены давления при попеременном выпуске воздуха из противоположных концов колонны с той же скоростью. Это означает, что неадсорбированные газы движутся по колонке намного быстрее и удаляются в дистальный конец, в то время как адсорбированные газы не получают возможности продвигаться и сбрасываются в проксимальный конец.[8]

Вакуумная адсорбция

Вакуумная адсорбция (VSA) отделяет определенные газы от газовой смеси при давлении, близком к окружающему; затем процесс переходит в вакуум для регенерации адсорбирующего материала. VSA отличается от других методов PSA, поскольку работает при температурах и давлениях, близких к температуре окружающей среды. VSA обычно пропускает газ через процесс разделения с помощью вакуума. Для кислородных и азотных систем VSA вакуум обычно создается воздуходувкой. Также существуют гибридные системы вакуумной адсорбции с переменным давлением (VPSA). Системы VPSA используют сжатый газ в процессе разделения, а также создают вакуум для продувочного газа. Системы VPSA, как и один из портативных концентраторов кислорода, являются одними из самых эффективных систем, измеряемых по обычным отраслевым показателям, таким как извлечение (выход продукта газа / вход продукта газа), производительность (выход продукта газа / масса материала сита). Как правило, более высокая степень извлечения приводит к меньшему объему компрессора, нагнетателя или другого источника сжатого газа или вакуума и снижению энергопотребления. Более высокая производительность приводит к меньшему размеру сит. Потребитель, скорее всего, рассмотрит индексы, которые имеют более непосредственно измеримую разницу в системе в целом, например количество продуктового газа, разделенное на вес и размер системы, начальные затраты и затраты на обслуживание системы, энергопотребление системы или другие эксплуатационные расходы, а также надежность.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Заявка на получение награды за выдающиеся достижения SWANA 2012« Контроль свалочного газа »Seneca Landfill, Inc» (PDF): 8. Получено 13 октября 2016. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  2. ^ Производство пропилена дегидрированием пропана, Программа по экономике технологий. Intratec. 2012 г. ISBN 9780615661025.
  3. ^ Air Products and Chemicals, Inc (2009). "Системы производства газа PRISM®" (PDF) (На французском).
  4. ^ http://www.co2crc.com.au В архиве 19 августа 2006 г. в г. Wayback Machine
  5. ^ Гранде, Карлос А .; Кавенати, Симона, ред. (2005), «Адсорбция при колебаниях давления для секвестрации диоксида углерода», 2-й Конгресс МЕРКОСУР по химической инженерии
  6. ^ Альптекин, Гохан (08.01.2005). "Усовершенствованная система контроля CO2 и H2O с быстрым циклом для PLSS". НАСА. Получено 2007-02-24.
  7. ^ Chai, S.W .; Kothare, M. V .; Сиркар, С. (2011). «Адсорбция с быстрым изменением давления для снижения фактора размера слоя медицинского концентратора кислорода». Исследования в области промышленной и инженерной химии. 50 (14): 8703. Дои:10.1021 / ie2005093.
  8. ^ Рутвен, Дуглас М .; Шамсузман Фарук, Кент С. Кнебель (1993). Адсорбция при переменном давлении. Wiley-VCH. ISBN 9780471188186.

дальнейшее чтение

  • Хатсон, Ник Д .; Rege, Salil U .; и Янг, Ральф Т., «Разделение воздуха путем абсорбции при колебаниях давления с использованием улучшенного абсорбента», Национальная лаборатория энергетических технологий, Министерство энергетики, март 2001 г.
  • Adsorption Research, Inc., «Абсорбция - твердый раствор»,[1]
  • Рутвен, Дуглас М., Принципы абсорбции и процесса абсорбции, Wiley-InterScience, Хобокен, Нью-Джерси, 2004 г., стр. 1
  • Ян, Ральф Т., «Разделение газов с помощью процессов абсорбции», Серия по химической инженерии, Vol. I, World Scientific Publishing Co., Сингапур, 1997 г.
  • Рутвен, Дуглас М .; Шамсузман Фарук, Кент С. Кнебель (1993). Адсорбция при переменном давлении. Wiley-VCH. ISBN 9780471188186.
  • Сантос, Жоао К.; Magalhães, Fernão D .; и Мендес, Аделио, «Абсорбция при колебаниях давления и цеолиты для производства кислорода», в Processos de Separação, Universidado do Porto, Порту, Португалия.