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(jīng)過改進,于60年代投入了工業(yè)生產(chǎn)。80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。
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(jié)合起來,將空氣中的O2和N2加以分離,從而獲得氮氣。
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(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。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)
四十多年來變壓吸附空分制氧技術的研究進展主要表現(xiàn)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(nèi)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(nèi)發(fā)展相對較緩
任何一種吸附對于同一被吸附氣體(吸附質(zhì))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。 [3]
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(shù))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(zhì)較少的氣體凈化方面。
吸附過程
來自空氣壓縮機的壓縮空氣,首入冷干機脫除水分,然后進入由兩臺吸附塔組成的PSA制氮裝置,利用塔中裝填的碳分子篩吸附劑選擇性地吸附掉O2、CO2等雜質(zhì)氣體組分,而作為產(chǎn)品氣N2將以99%的純度由塔頂排出
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
常用的空氣分離方法是低溫精餾法分離。低溫分離方法通過壓縮循環(huán)深度冷凍的方法把空氣變成液態(tài),經(jīng)過低溫精餾根據(jù)不同沸點而從液態(tài)空氣中逐步分離生產(chǎn)出氧氣、氮氣及氬氣等惰性氣體的設備,廣泛應用于傳統(tǒng)的冶金、新型煤化工、大型氮肥、氣體供應等領域。
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