PSA培训

PSA培训林恩用讲解的主要内容1、吸附剂基本知识2、变压吸附工艺流程3、工艺条件对装置生产能力的影响4、影响氢气回收率的因素5、影响产品氢纯度的因素6、主要工艺参数的确定吸附剂基本知识1：吸附是指当两种相态不同的物质接触时，其中密度较低物质的分子在密度较高的物质表面被富集的现象和过程。具有吸附作用的物质（一般为密度相对较大的多孔固体）被称为吸附剂，被吸附的物质（一般为密度相对较小的气体或液体）称为吸附质。我们通常所说的气体的吸附是指气体在与多孔性固体结束时，气体中一种或几种组分被吸着在固体表面的现象。吸附剂基本知识2、吸附过程的分类根据吸附质与吸附剂分子之间的相互作用不同，吸附通常可分为四大类，即：化学吸附、活性吸附、毛细管凝缩、物理吸附。化学吸附是指吸附剂与吸附质两者分子之间发生有化学反应，并在吸附剂表面生成化合物的吸附过程。这种吸附过程一般进行的很慢，一般是不可逆的，解吸过程非常困难，吸附热接近于化学反应热，且吸附剂本身的性质对吸附质的选择性起着决定性。吸附剂基本知识活性吸附是指吸附剂与吸附质两者分子之间相互作用，生成有表面络合物的吸附过程。这种络合物不是一般的络合物，吸附剂分子仍留在吸附剂的晶格上。这种吸附过程一般进行的也很慢，相间平衡持续时间较长；吸附热较大，一般接近于化学反应热；一般是不可逆过程，解吸也比较困难；吸附剂本身的性质对吸附质的选择性起着决定性作用。毛细管凝缩是指固体吸附剂在吸附蒸气时，在吸附剂孔隙内发生的凝结现象。一般需加热才能完全再生。物理吸附是指依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力（即范德华力和电磁力）进行的吸附过程。其特点是：吸附过程中没有化学反应，吸附热一般不大，接近于冷凝热；吸附过程进行的极快，参与吸附的各相物质间的动态平衡在瞬间即可完成；这种吸附是完全可逆的；除了固体表面状况之外，吸附剂本身性质对吸附质无选择作用。PSA制氢装置中的吸附主要为物理吸附。吸附剂基本知识3、吸附力当气体分子运动到气、固相分界面时(即撞击到吸附剂表面时)，气体分子将同时受到固相和气相中分子的引力，其中来自固相分子的引力更大，当气体分子的分子动能不足以克服这种分子引力时，气体分子就会被吸附在固体吸附剂的表面。下图为不同组分在分子筛上的吸附强弱顺序示意图组分吸附能力氢气☆弱氧气☆☆氩气☆☆氮气☆☆☆一氧化碳☆☆☆甲烷☆☆☆☆二氧化碳☆☆☆☆☆☆水☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆强吸附剂基本知识4、物理吸附中的两个基本性质：1）对不同组分的吸附能力不同（即具有选择性）。2）是吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压和温度而变化，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分的优先吸附而使其它组分得以提纯；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。吸附剂基本知识5、穿透:随着吸附过程的持续进行，吸附床内的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即所谓的穿透点。吸附剂基本知识6、工业上常用的吸附剂各种吸附剂具有各自的特定性能，用途各不相同。在工业吸附分离装置中，针对不同的混合物系及不同的净化度要求，将采用不同的吸附剂或组合。目前吸附分离过程中常用的吸附剂有分子筛、活性炭、活性氧化铝、硅胶等。吸附剂基本知识1）分子筛的特点：①选择性好，净化效果高；②吸附能力强，是一种强极性吸附剂，对极性分子、不饱和分子和极化率大的分子有很高的亲和力，对水、二氧化碳和乙炔的吸附能力都很强；③吸附效率高在低吸附质分压、高温、高气体线速度条件下，仍能保持较高的吸附容量；④共吸附性能好，在吸附水的同时，还可以吸附其它气体；⑤各种杂质气体分子的吸附能力顺序如下：H2O＞H2S＞NH3＞SO2＞CO2⑥CO2动吸附容量对压力变化不敏感，对温度变化敏感，当温度从278K升高至318K时，分子筛对CO2的动吸附容量减小70％。吸附剂基本知识2）硅胶的特点：①具有极大的内表面积，为多孔性结构；②颗粒坚硬，有较好的化学和热稳定性，是一种高活性可再生的吸附剂；③硅胶为亲水的极性吸附剂，易于吸附极性物质（如水、甲醇等），吸附气体中的水分可达到其自身重量的50％以上，但难于吸附非极性物质（如正构或异构烷烃等）；④吸附容量大，再生温度低，再生温度为150℃左右，价格便宜；⑤吸附热高，硅胶吸附水分时，放出大量的吸附热，可使本身温升达100℃，容易造成破碎；吸附剂基本知识3）活性氧化铝的特点：①具有较大的比表面积；②具有很高的吸附能力，活性氧化铝是一种极性吸附剂，它对水分有较强的亲和力。活性氧化铝是理想的脱水剂、干燥剂；③与分子筛相比，再生温度低得多，再生能耗低；④耐压和耐磨强度都优于分子筛；与工业用硅胶相比，具有遇水不裂的优点。吸附剂基本知识4）活性炭的特点：①具有极大的内表面，其比表面积在所有吸附剂中为最高，比其它吸附剂能吸附更多的非极性或弱极性有机分子；②表面为非极性或弱极性，而水是强极性物质，因而活性炭是唯一可以用于湿气处理而不需要预先除去水分的工业吸附剂，一般用来处理湿混合气和水溶液；③吸附热或键的强度通常比其它吸附剂低，因而被吸附的分子解吸较为容易，再生时能耗低。吸附剂基本知识吸附分离方法：按照吸附剂的再生方法，通常将吸附分离循环过程分为两类：变温吸附和变压吸附。①变温吸附（TemperatureSwingAdsorption缩写为TSA）就是在较低温度（常温或更低）下进行吸附，在较高温度下使吸附的组分解吸出来，使吸附剂再生，循环使用，即变温吸附是在两条不同的等温吸附线之间上下移动进行着吸附和解吸过程。②变压吸附（PressureSwingAdsorption缩写为PSA）就是在较高压力下进行吸附，在较低压力（甚至真空状态）下使吸附的组分解吸出来，使吸附剂再生，得以循环使用。由于变压吸附循环周期一般较短，吸附热来不及散失可供解吸用，吸附热和解吸热引起的床层温度变化很小，可以近似看作等温过程。变压吸附工艺流程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，吸附都是间歇式的。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进行：当一个吸附床处于吸附过程时，其它吸附床就处于再生过程的不同阶段；当该吸附床结束吸附过程开始再生过程时，另一个吸附床就结束再生过程开始吸附过程，每个吸附床依次完成吸附-再生循环，这样就可以保证原料气不断输入，产品气不断输出，整个吸附过程才是连续的。变压吸附循环过程依据吸附剂采用的降压解吸再生方法的不同可以分为：常压解吸和真空解吸两种工艺流程，下面是常压解吸的基本操作步骤。变压吸附工艺流程1、升压过程：经过再生后的吸附床处于过程的最低压力，让其它吸附床的出口经过吸附后的产品气进入该吸附床，使吸附床压力上升至吸附压力，此过程中吸附床内杂质的吸留量不变。2、吸附过程：在恒定的吸附压力下，原料气不断进入吸附床，同时输出产品组分，吸附床内杂质组分的吸留量逐渐增大，当达到规定的吸留量时，停止进入原料气，吸附终止，此时吸附床上部仍留有一部分未吸附杂质的吸附剂。变压吸附工艺流程3、顺放过程沿着进入原料气输出产品的方向降低吸附床压力，流出的气体仍然是产品组分，这部分气体用于其它吸附床的升压或冲洗。在此过程中，随着吸附床内压力的不断降低，吸附剂上的杂质不断解吸，解吸的杂质又继续被吸附床上部未充分吸附杂质的吸附剂吸附，当吸附床压力降低至时，吸附床内吸附剂全部被杂质占用。此过程中杂质并未离开吸附床，所以吸附床内杂质吸留量不变。变压吸附工艺流程4、逆放过程：逆着进入原料气输出产品的方向降低吸附床的压力，直到变压吸附循环过程中的最低压力（通常接近于大气压），吸附床内大部吸留的杂质组分随气流排出吸附床外，吸附床内杂质吸留量降低。变压吸附工艺流程5、冲洗过程：根据实验测定的吸附等温线，在最低压力下吸附床内仍有一定的杂质组分吸留量，为了使这部分杂质组分尽可能解吸，需要将吸附床内杂质组分的分压进一步降低。利用其它吸附床顺放（或者产品气）在过程最低压力下对吸附床进行逆向冲洗，不断降低吸附床内杂质组分的分压，使杂质组分不断解吸随冲洗气带出吸附床，经过一段时间冲洗后，吸附床内杂质组分的吸留量降低至过程中的最低量，吸附床的再生结束。经过以上五个基本步骤后，吸附床完成了一个吸附-解吸(再生)过程，准备再次升压进行下一个循环。工艺条件对装置生产能力的影响（1）原料气组成吸附塔的处理能力与原料气组成的关系很大：原料气中氢含量越高，吸附塔的处理能力越大，装置的生产能力就越大；原料气杂质含量越高，特别是净化要求高的有害杂质含量越高，吸附塔的处理能力越小，装置的生产能力就越低。（2）原料气温度原料气温度越高，吸附剂的吸附量越小，吸附塔的处理能力越低，装置的生产能力就越低。（3）吸附压力原料气的压力越高，吸附剂的吸附量越大，吸附塔的处理能力越高，装置的生产能力就越大。工艺条件对装置生产能力的影响（4）解吸压力解吸压力越低，吸附剂再生越彻底，吸附剂的动态吸附量越大，吸附塔的处理能力越高，装置的生产能力就越大。（5）产品纯度产品纯度越高，吸附剂的有效利用率就越低，吸附塔的处理能力越低，装置的生产能力就越小。影响氢气回收率的因素由于变压吸附装置的氢气损失来源于吸附剂的再生阶段，因而吸附塔的处理能力越高，则再生的周期就可以越长，单位时间内的再生次数就越少，氢气损失就越少，氢回收率就越高。（1）工艺流程对于冲洗流程和真空流程来讲,冲洗流程需消耗一定量氢气用于吸附剂再生,而真空流程则是通过抽真空降低被吸附组分的分压使吸附剂得到再生,故采用冲洗流程时,氢气回收率较低,而真空流程氢气回收率高。（2）产品氢纯度在原料气处理量不变的情况下,产品氢纯度越高,穿透进入产品氢中的杂质量越少,吸附剂利用率越低,每次再生时从吸附剂死空间中排出的氢气量越大,氢气回收率越低。影响氢气回收率的因素（3）吸附压力吸附压力越高，吸附剂对各种杂质的动态吸附量越大，在原料气处理量和产品氢纯度不变的情况下,吸附循环周期越长，单位时间内解吸次数越少,氢气回收率越高。（4）均压次数在吸附压力不变的情况下,均压次数越多,均压过程的压力降越大,顺放初压力越低，再生过程损失的氢气量越小，氢气回收率越高。但均压次数越多，被吸附的杂质也就越容易穿透进入下一吸附塔并在吸附剂床层顶部被吸附，致使该塔在转入下一次吸附时杂质很容易被氢气带出，影响产品氢纯度。影响氢气回收率的因素（5）解吸真空度由于被吸附的大量杂质是通过抽真空而解吸,故真空度越高，吸附剂动态吸附量越大，生越彻底,在原料处理量不变的情况下,吸附时间越长因而氢气回收率越高。但是，真空度越高，真空能耗越高装置运行费用增大。（6）吸附时间(或吸附循环周期)在原料气流量和其他工艺参数不变的条件下，延长吸附时间就意味着单位时间内的再生次数减少，再生过程损失的氢气也就越少，氢气回收率越高。但是在同样条件下,吸附时间越长，进入吸附剂床层的杂质量越大，因吸附剂动态吸附量不变，故穿透进入产品氢的杂质量将增大，这势必会使产品氢纯度下降，因此吸附时间的改变将同时影响产品氢的纯度和收率。为了提高装置运行的经济性,应在保证产品氢中杂质含量不超标的前提下，尽可能的延长吸附时间以提高氢气回收率。影响产品氢纯度的因素（1）原料气流量在气体工艺条件及工艺参数不变的条件下,原料气流量的变化对纯度的影响很大，原料气流量越大，每一循环周期内进入吸附塔的杂质量越大，杂质也就越容易穿透，产品氢纯度越低。相反，原料气流量减小，则有利于提高产品氢纯度。（2）解吸再生条件：如前所述,在常压冲洗再生的情况下，一方面因要消耗部分产品气用于吸附剂再生，氢气回收率较低；另一方面，因吸附剂再生不彻底，吸附剂动态吸附量较小，因而若原料气流量不变，则产品氢纯度下降。与之相比，采用真空解吸再生时，吸附剂动态吸附量大，吸附剂再生彻底，不仅有利于提高氢气回收率,也提高了产品氢纯度。影响产品氢纯度的因素（3）均压次数原