变压吸附气体分离技术
第一节气体吸附分离的基础知识
一、吸附的定义
当气体分子运动到固体表面上时，由于固体表面的原子的剩余引力的作用，气体中的一些分子便会暂时停留在固体表面上，这些分子在固体表面上的浓度增大，这种现象称为气体分子在固体表面上的吸附。相反，固体表面上被吸附的分子返回气体相的过程称为解吸或脱附。被吸附的气体分子在固体表面上形成的吸附层，称为吸附相。吸附相的密度比一般气体的密度大得多，有可能接近液体密度。当气体是混合物时，由于固体表面对不同气体分子的压力差异，使吸附相的组成与气相组成不同，这种气相与吸附相在密度上和组成上的差别构成了气体吸附分离技术的基础。
吸附物质的固体称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。伴随吸附过程所释放的的热量叫吸附热，解吸过程所吸收的热量叫解吸热。气体混合物的吸附热是吸附质的冷凝热和润湿热之和。不同的吸附剂对各种气体分子的吸附热均不相同。
按吸附质与吸附剂之间引力场的性质，吸附可分为化学吸附和物理吸附。
化学吸附：即吸附过程伴随有化学反应的吸附。在化学吸附中，吸附质分子和吸附剂表面将发生反应生成表面络合物，其吸附热接近化学反应热。化学吸附需要一定的活化能才能进行。通常条件下，化学吸附的吸附或解吸速度都要比物理吸附慢。石灰石吸附氯气，沸石吸附乙烯都是化学吸附。
物理吸附：也称范德华（van der Waais) 吸附，它是由吸附质分子和吸附剂表面分子之间的引力所引起的，此力也叫作范德华力。由于固体表面的分子与其内部分子不同，存在剩余的表面自由力场，当气体分子碰到固体表面时，其中一部分就被吸附，并释放出吸附热。在被吸附的分子中，只有当其热运动的动能足以克服吸附剂引力场的位能时才能重新回到气相，所以在与气体接触的固体表面上总是保留着许多被吸附的分子。由于分子间的引力所引起的吸附，其吸附热较低，接近吸附质的汽化热或冷凝热，吸附和解吸速度也都较快。被吸附气体也较容易地从固体表面解吸出来，所以物理吸附是可逆的。分离气
体混合物的变压吸附过程系纯物理吸附，在整个过程中没有任何化学反应发生。本文以下叙述的除了注明之外均为气体的物理吸附。二、吸附剂
１．吸附剂的种类
工业上常用的吸附剂有：硅胶、活性氧化铝、活性炭、分子筛等，另外还有针对某种组分选择性吸附而研制的吸附材料。气体吸附分离成功与否，极大程度上依赖于吸附剂的性能，因此选择吸附剂是确定吸附操作的首要问题。
硅胶是一种坚硬、无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，分子式为SiO2.nH2O，为一种亲水性的极性吸附剂。它是用[wiki]硫酸[/wiki]处理硅酸钠的水溶液，生成凝胶，并将其水洗除去硫酸钠后经干燥，便得到玻璃状的硅胶，它主要用于干燥、气体混合物及[wiki]石油[/wiki]组分的分离等。工业上用的硅胶分成粗孔和细孔两种。粗孔硅胶在相对湿度饱和的条件下，吸附量可达吸附剂重量的８０％以上，而在低湿度条件下，吸附量大大低于细孔硅胶。
活性氧化铝是由铝的水合物加热脱水制成，它的性质取决于最初氢氧化物的结构状态，一般都不是纯粹的Al2O3,而是部分水合无定形的多孔结构物质，其中不仅有无定形的凝胶，还有氢氧化物的晶体。由于它的毛细孔通道表面具有较高的活性，故又称活性氧化铝。它对水有较强的亲和力，是一种对微量水深度干燥用的吸附剂。在一定操作条件下，它的干燥深度可达[wiki]露点[/wiki]-７０℃以下。
活性炭是将木炭、果壳、煤等含碳原料经炭化、活化后制成的。活化方法可分为两大类，即药剂活化法和气体活化法。药剂活化法就是在原料里加入氯化锌、硫化钾等化学药品，在非活性气氛中加热进行炭化和活化。气体活化法是把活性炭原料在非活性气氛中加热，通常在700℃以下除去挥发组分以后，通入水蒸气、二氧化碳、烟道气、空气等，并在700~1200℃温度范围内进行反应使其活化。活性炭含有很多毛细孔构造所以具有优异的吸附能力。因而它用途遍及水处理、脱色、气体吸附等各个方面。
沸石分子筛又称合成沸石或分子筛，其化学组成通式为：
[M2(Ⅰ)M(Ⅱ)]O.Al2O3.nSiO2.mH2O
式中M2(Ⅰ)和M(Ⅱ)分别为为一价和二价金属离子，多半是钠和钙，n 称为沸石的硅铝比，硅主要来自于硅酸钠和硅胶，铝则来自于铝酸钠和Al(HO)3等，它们与氢氧化钠水溶液反应制得的胶体物，经干燥后
便成沸石，一般n=2~10,m=0~9。
沸石的特点是具有分子筛的作用，它有均匀的孔径，如3A0、4A0、5A0、10A0细孔。有4A0孔径的4A0沸石可吸附甲烷、乙烷，而不吸附三个碳以上的正烷烃。它已广泛用于气体吸附分离、气体和液体干燥以及正异烷烃的分离。
碳分子筛实际上也是一种活性炭，它与一般的碳质吸附剂不同之处，在于其微孔孔径均匀地分布在一狭窄的范围内，微孔孔径大小与被分离的气体分子直径相当，微孔的比表面积一般占碳分子筛所有表面积的90%以上。碳分子筛的孔结构主要分布形式为：大孔直径与碳粒的外表面相通，过渡孔从大孔分支出来，微孔又从过渡孔分支出来。在分离过程中，大孔主要起运输通道作用，微孔则起分子筛的作用。
以煤为原料制取碳分子筛的方法有碳化法、气体活化法、碳沉积法和浸渍法。其中炭化法最为简单，但要制取高质量的碳分子筛必须综合使用这几种方法。
碳分子筛在空气分离制取氮气领域已获得了成功，在其它气体分离方面也有广阔的前景。
２．吸附剂的物理性质
吸附剂的良好吸附性能是由于它具有密集的细孔构造。与吸附剂细孔有关的物理性能有：
a.孔容（VP）：吸附剂中微孔的容积称为孔容，通常以单位重量吸附剂中吸附剂微孔的容积来表示(cm3/g).孔容是吸附剂的有效体积，它是用饱和吸附量推算出来的值，也就是吸附剂能容纳吸附质的体积，所以孔容以大为好。吸附剂的孔体积（Vk）不一定等于孔容（VP），吸附剂中的微孔才有吸附作用，所以VP中不包括粗孔。而Vk中包括了所有孔的体积，一般要比VP大。
b.比表面积：即单位重量吸附剂所具有的表面积，常用单位是m2/g。吸附剂表面积每克有数百至千余平方米。吸附剂的表面积主要是微孔孔壁的表面，吸附剂外表面是很小的。
c.孔径与孔径分布：在吸附剂内，孔的形状极不规则，孔隙大小也各不相同。直径在数埃（A0）至数十埃的孔称为细孔，直径在数百埃以上的孔称为粗孔。细孔愈多，则孔容愈大，比表面也大，有利于吸附质的吸附。粗孔的作用是提供吸附质分子进入吸附剂的通路。粗孔和细孔的关系就象大街和小巷一样，外来分子通过粗孔才能迅速到达
吸附剂的深处。所以粗孔也应占有适当的比例。活性炭和硅胶之类的吸附剂中粗孔和细孔是在制造过程中形成的。沸石分子筛在合成时形成直径为数微米的晶体，其中只有均匀的细孔，成型时才形成晶体与晶体之间的粗孔。
孔径分布是表示孔径大小与之对应的孔体积的关系。由此来表征吸附剂的孔特性。
d.表观重度（dl）：又称视重度。
吸附剂颗粒的体积（Vl）由两部分组成：固体骨架的体积（Vg）和孔体积（Vk），即：
Vl= Vg+ Vk
表观重度就是吸附颗粒的本身重量（D）与其所占有的体积（Vl）之比。
吸附剂的孔体积（Vk）不一定等于孔容（VP），吸附剂中的微孔才有作用，所以VP中不包括粗孔。而Vk中包括了所有孔的体积，一般要比VP大。
e.真实重度（dg）:又称真重度或吸附剂固体的重度，即吸附剂颗粒的重量（D）与固体骨架的体积Vg之比。
假设吸附颗粒重量以一克为基准，根据表观重度和真实重度的定义则：
dl==l/Vl ; dg=l/Vg
于是吸附剂的孔体积为：
Vk=l/dl –l/dg
f.堆积重度（db）：又称填充重度，即单位体积内所填充的吸附剂重量。此体积中还包括有吸附颗粒之间的空隙，堆积重度是计算吸附床容积的重要参数。
以上的重度单位常用g/cm3、kg/l、kg/m3表示。
g.孔隙率（εk）：即吸附颗粒内的孔体积与颗粒体积之比。
εk=Vk/(Vg+Vk)=(dg-dl)/ dg=1-dl/dg
h.空隙率（ε）：即吸附颗粒之间的空隙与整个吸附剂堆积体积之比。
ε=(Vb-Vl)/Vb=(dl-db)/dl=1-db/dl
表1-1列出了一些吸附剂的物理性质:
三、吸附平衡和等温吸附线—吸附的热力学基础
吸附刚开始时吸附剂存在大量的活性表面，被吸附的吸附质分子数大大超过离开表面的分子数。随着吸附的进行，吸附剂表面逐渐被吸附质分子遮盖，吸附剂表面再吸附的能力下降，直到吸附速度等于解吸速度时，就表示吸附达到了平衡。在密闭的容器内，吸附剂与吸附质充分接触，呈平衡时为静态吸附平衡。含有一定量吸附质的惰性气流通过吸附剂固定床，吸附质在流动状态下被吸附剂吸附，最后达到的平衡为动态平衡。
表1-1 吸附剂的物理性质
吸附剂名称硅胶活性氧化铝活性炭沸石分子筛
真实重度g/cm3 2.1～2.3 3.0～3.3 1.9～
2.2 2.0～2.5
表关重度g/cm3 0.7～1.3 0.8～1.9 0.7～
1.0 0.9～1.3
堆积重度g/cm3 0.45～0.85 0.49～1.00 0.35～0.55 0.6～0.75
空隙率0.40～0.50 0.40～0.50 0.33～
0.55 0.30～0.40
比表面积m2/g 300～800 95～350 500～
1300 400～750
孔容cm3/g 0.3～1.2 0.3～0.8 0.5～
1.4 0.4～0.6
平均孔径A0 10～140 40～120 20～50 为了解释吸附过程的实质，曾提出了各式各样的理论。在这些理论中，迄今没有一个能够说明所有的吸附现象。个别理论虽然能够完善地说明吸附现象的一个方面，但是却不能用来解释这一现象的其它方面。这些理论适用与否，是取决于吸附质和吸附剂的性质，以及吸附的具体条件。不管对吸附机理的各种解释如何，他们都认为吸附剂对吸附质的吸附数量与被吸附气体的压力及吸附过程的温度有关，即：
q=f(P,T)
式中：q—单位重量（或体积）吸附剂所吸附的物质量（吸附量）；
P—吸附组分在气相中平衡时的分压；
T—吸附过程的温度。
在此函数中，当温度（T）一定时，称为等温吸附线；当压力(P)一定时，称为等压吸附线；而当吸附量一定时，称为等量吸附线。最常用的就是等温吸附线。
布隆耐尔（Bronaner）曾将物理吸附等温吸附线分为五种类型，如图１-１所示。图中纵坐标为吸附量q，横坐标为吸附质分压P（当平衡温度在吸附质临界温度以下时，通常与该温度下[wiki]饱和蒸汽压[/wiki]力P0的比值P/P0表示）.五种类型的吸附等温线其形状的差异是由于吸附剂和吸附质分子之间作用力不同造成的。
类型Ⅰ是平缓地趋近饱和质的朗格谬而型等温吸附线。这种吸附相当于在吸附剂表面上只形成单分子层吸附。类型Ⅱ是最普通的物理吸附，能形成多分子层。类型Ⅲ比较少见，它的特点是吸附热与被吸附组分的液化热大致相等。第Ⅳ、Ⅴ种认为是由于毛细管凝结现象所致。物理吸附等温曲线不只限于这五种。例如，有的物理吸附其等温吸附线是阶梯状的，并且等温吸附线常常与解吸曲线不一致，还常有滞后的拖尾现象。
表达等温吸附线的数学式，称为等温吸附方程。由于各学者针对不同的吸附平衡现象，采用不同的假设和模型，因而推导出各种等温吸附方程。现将几种常用的等温吸附方程简单介绍如下：
1．亨利(Henry)方程
通常都知道，一定温度下气体在液体中的溶解度与气体的分压成正比，这就是亨利定律。而在吸附过程中，亦存在这种现象，即在吸附过程中吸附量与压力成正比。和气体在溶液中的溶解是相同的，故称为亨利吸附。其方程为：
q=kh.c
式中：q—吸附剂的吸附量；
kh—亨利系数；
c—吸附质在气体中的浓度。
对于压力很低的气相吸附，多数情况下，能服从此定律，而且只限于吸附量占形成单分子层吸附量的10%以下，即吸附面最多只有10%大表面被吸附物质所覆盖，才能适用这个方程。
2．朗格谬尔（Langmair）方程
假设在等温下，对于均匀的吸附表面，吸附质分子之间没有相互作用
力，形成单分子层吸附，由此推导出的等温方程称为朗格谬尔方程。在吸附速率和解吸速率相等时为：
q/qm=kl.p/(1+kl.p)
式中：qm—吸附剂的最大吸附容量；
p—吸附质在气体混合物中的分压；
kl—朗格谬尔常数。
从上式中可知，当吸附质在气体中的分压很低时，则：
q= qm.kl.p
即成为亨利方程，qm.kl相当于亨利系数kh。如果吸附剂的吸附能力很强，吸附质的分压较高，上式又为q= qm。相当于吸附剂的表面全部吸附了吸附质，成为饱和吸附状态，等温吸附线趋于一条渐进线，吸附量和分压的变化无关，成为定值。上式整理后变为：
p/q=p/ qm +1/(kl. qm)
3.弗里德里胥（Freandlich）方程
等温下在吸附热随着覆盖率（即吸附量）的增加成对数下降的吸附平衡，弗里德里胥提出的经验方程为：
q=kf.p1/n
式中：kf、n —与吸附剂的特性、温度有关的常数。
弗里德里胥方程表示吸附量与压力的指数分数成正比。压力p增大吸附量q随之增加，但压力增加到一定程度以后，吸附量饱和而不再变化。对上式两边取对数，得：
log q =1/n.log p + logkf
与朗格谬尔方程接近。此方程的斜率1/n若在0.1～0.5之间，表示吸附容易进行；超过2时，则表示吸附难以进行。
4．B.E.T方程
由布隆耐尔（Brunaner）、埃麦特（Emmett）和特勒（Teller）三人提出的等温吸附方程简称B.E.T方程。
朗格谬尔方程的前提条件是假设在吸附剂表面上只形成分子层。若是将其拓展到多分子层的吸附，即吸附分子在吸附剂上是按各个层次排列的，这些分子可以无限地累跌而吸附，并且各个分子之间的相互作用可以忽略不计，又假设每一层都符合朗格谬尔方程，便可以推导出B.E.T方程。
q=(kb.qm.p)/{ (p0-p)[1+(kb-1)p/p0 ]}
式中：p0—吸附温度下，吸附质气体的饱和蒸汽压；
qm—第一层单分子层的饱和吸附量；
kb—和温度、吸附热、液化热等有关的常数。
在吸附质的平衡分压p远比饱和蒸气压p0小时，p0>>p,则：
q/ qm=(kb.p/ p0)/(1+ kb.p/ p0)
取kl=kb/ p0，此式变成朗格谬尔方程。也就是说，B.E.T方程是朗格谬尔方程的广义方程；后者是前者的特例。通常采用B.E.T方程可以计算吸附剂的比表面积。
除以上叙述的吸附理论所推导出的等温吸附方程之外，还有爱基（Enken）和坡兰尼(Polanyi)的吸附理论、洛朗兹(Lorenz)和朗德(Lande)的静电学说、毛细管凝缩学说以及杜宾宁(Dubinin)在发展坡兰尼理论的基础上推导出的吸附等温方程等等。
工业用吸附剂一般都含有各种大小的微孔，它的吸附过程可能是单分子层吸附，可能是多分子层吸附，也可能是由于毛细管凝缩所致。哪一种机理起主要作用视具体条件而定。当温度低于临界温度时，大多数吸附剂的等温吸附线属于第Ⅳ类型；大体可认为在低压区的吸附主要是单分子层吸附（见图1-2）；随着压力的升高多分子层吸附起主要作用；在接近饱和蒸汽压时（p/ p0≈1），毛细管凝缩作用显著。
图1-3、1-4为在不同温度下，各种气体在吸附剂上的吸附等温曲线。从图中可以看出，在同一温度下，吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附质的分压上升而增加；在同一吸附质分压下，吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附温度上升而减少；因此降低吸附温度和升高吸附压力有利于气体组分的吸附。反之，提高温度和降低压力则气体的吸附量减少而解吸。
四、吸附过程中的物质传递
等温下静态吸附平衡意味着流体和吸附剂经长期接触，颗粒外和孔内的流体浓度相同，吸附相浓度也均匀，这是很难达到的。在流动体系只能达到动态平衡，吸附质从气体主流到吸附剂颗粒内部的传递过程分为两个阶段：
第一阶段是从气体主流通过吸附剂颗粒周围的气膜到颗粒的表
面，称为外部传递过程或外扩散。
第二阶段是从吸附颗粒表面传向颗粒中心，称为内部传递过程或内扩散。
这两个阶段是按先后顺序进行的，在吸附时气体先通过气膜到达颗粒表面，然后才能向颗粒内扩散，脱附时则逆向进行。
内扩散过程有几种不同情况，参见图1-5。
气体分子到达颗粒外表面时，一部分会被外表面所吸附，而被吸附的分子有可能沿着颗粒内的孔壁向深处扩散，称为表面扩散。一部分气体分子还可能在颗粒内的孔中向深处扩散，称为孔扩散。在孔扩散的途中气体分子又可能与孔壁表面碰撞而被吸附。所以，内扩散是既有平行又有顺序的吸附过程，它的过程模式可表达为：
根据前述，吸附传递过程由三部分组成，即外扩散、内扩散和表面吸附。扩散过程在吸附中占有重要地位。导致浓度均衡的物质相互渗入称为扩散。由于分子热运动，在没有外力作用下扩散过程能自发的发生。按照费克定律，时间τ内扩散穿过表面F的物质数量G，与浓度梯度（dC/dn-单位扩散路程长度上的浓度变化）成正比。浓度梯度决定了过程的推动力。
G=-D.F.τ.dC/dn
比例系数（D）称为扩散系数。负号表示扩散是朝浓度低的方向运行。扩散系数随扩散物质的性质而异，通常以实验方法测定，并从有关手册中查得。
随着吸附的进行，气流中吸附质的浓度逐渐减少，并逐渐趋于平衡。在单位时间内被单位体积（或重量）吸附剂所吸附的物质量称为吸附浓度。
按吸附动力学原理，吸附速度可用下式表示：
dq/dτ=K(C-Y)
式中：dq/dτ—吸附速度的数学表达式；
C—吸附质在气体中的含量；
Y—与吸附剂所吸附的物量成平衡的气体浓度；
K—从气流到吸附剂表面的质量传递系数，也称总传质系数。
以扩散方式到达吸附剂表面的物量由费克定律确定，显然，该物量应
等于按吸附动力学方程所求得的吸附质的量：
K(C-Y)= -D.F.dC/dn
对于物理吸附，由于表面吸附的速度是极快，几乎是瞬间完成，故它的影响可忽略不计。于是吸附传递的动力学过程是由外扩散和内扩散所决定。K1表示外扩散过程的传质系数，K2表示内扩散过程的传质系数，则总传质系数与外、内扩散系数有下列关系：
1/K=1/K1 + 1/K2
对于物理吸附，由于表面吸附的速度是很快的，故它的影响可以忽略不计。
传质系数与许多变量，如吸附剂种类、被吸附的气体组成以及吸附工况等性质有关。这种复杂的关系不可能由一个通式表示，因此在大多数情况下，传质系数是根据每种不同的情况以实验方法求得的。
五、固定床吸附流出曲线
1．吸附前沿和吸附负荷曲线
把颗粒大小均一的同种吸附剂装填在固定吸附床中，含有一定浓度（C0）吸附质的气体混合物以恒定的流速通过吸附床层。现在来描述流动状态下，床内不同位置上的吸附质浓度随时间的变化情况。
假设床层内的吸附剂完全没有传质阻力，即吸附速度无限大的情况下，吸附质一直是以的初始浓度向气体流动方向推进，类似于汽缸中的活塞移动，如图1-6、a所示。
实际上由于传质阻力存在，流体的速度，吸附相平衡以及吸附机理等各方面的影响，情况并不是这样。吸附质浓度为C0的气体混合物通过吸附床时，首先是在吸附床入口处形成S形曲线（图1-6、b），此曲线便称为吸附前沿（或传质前沿）。随着气体混合物不断流入，吸附前沿继续向前移动，经过t3时间后，吸附前沿的前端到达了吸附床的出口端。
S形曲线所占的床层长度称为传质区（MTZ）。此传质区形成后，只要气流速度不变，并随着气流的不断进入，逐渐沿气流向前推进。因此在动吸附过程中，吸附床可分为三个区段（图1-6、c）：
⑴.为吸附饱和区，在此区吸附剂不再吸附，达到动态平衡状态；⑵.为吸附的传质区，传质区愈短，表示传质阻力愈小（即传质系数大），床层中吸附剂的利用率越高；⑶.为吸附床的尚未吸附区。
在图1-6中，其曲线与座标所形成的面积称为吸附剂的吸附负
荷。在吸附饱和区部分，便为吸附剂在吸附质浓度C0下的饱和吸附量。如将图1-6中的纵座标，由吸附质浓度改为吸附剂对吸附质的吸附量即可得到吸附负荷曲线（图1-8、a），它的曲线状态完全是与吸附前沿相对应的。
2．流出曲线
在吸附床中，随着气体混合物不断流入，吸附前沿不断向床的出口端推进，经过一定时间，吸附质出现在吸附床出口处，并随时间推移，吸附质浓度不断上升，最终达到进入吸附床的吸附质浓度（C0）. 测定吸附床出口处吸附质浓度随时间变化，便可绘出流出曲线。
如图1-7所示，从吸附床气体入口端流进吸附质初浓度为C0的气体混合物，此时流体中的吸附质从入口端开始依次被吸附在床层上。结果在床层气体流动方向上，便形成一个浓度梯度（即传质区）。吸附过程只是在传质区为一定性质的浓度分布范围内进行。吸附工况处于稳定状态下，其浓度梯度的分布形状和长度是不变的，它以一定速度在吸附床层上移动。随着吸附过程的持续进行，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的位置，就是所谓的渗透点（图中C点）。与其相对应的吸附质浓度（Cc）、吸附时间（tc）分别称为穿透浓度和穿透时间。实际上吸附前沿和流出曲线是成镜面的对称相似（图1-8）。和吸附前沿一样，传质阻力大，传质区愈长，流出曲线的波幅也越小。在极端理想的情况下，即吸附速度无限大的时后，吸附前沿曲线和流出曲线成了垂直线，床内吸附剂都被有效利用。
在图1-8、a中，横座标（Z）为吸附床长度，纵座标（q）为吸附量，曲线为吸附负荷曲线，。图1-8、b中，横座标（t）为吸附时间，纵座标(C)为吸附质浓度，曲线为吸附流出曲线。图中面积[wiki]abc[/wiki]defa代表传质区的总吸附容量(U+V)，吸附前沿曲线上方（或流出曲线下方）的面积agdefa是传质区仍具有吸附能力的容量(U)，吸附前沿曲线下方（或流出曲线上方）的面积abcdga是传质区中被吸附部分(V)，面积abhk为吸附饱和区(W)。
结合图1-8、a、b，根据数学推导可得到：
传质区长度
ZA=Z.t0/[(t+ t0)- t0 .(1-k)] 或 ZA=Z.（U+V）/(W+U+V)
吸附床的无效高度
h=k. ZA h=Z.U/(W+U+V)
式中：Z—吸附床总高；
t—保护作用时间；
t+ t0—饱和作用时间；
k—传质区的未饱和分率，k=U/(U+V)。
影响流出曲线形状的因素有吸附剂的性质、颗粒的形状和大小、气体混合物的组成和性质、流体速度、吸附平衡和机理、以及吸附床的温度和压力。因此通过流出曲线的研究，可以评价吸附剂的性能，测取传质系数和了解吸附床的操作状况。
为了设计固定吸附床，必须进行传质区长度和流出曲线的计算。但是，已有的计算方法都是在许多假设条件下进行的，所以，通常以实验手段测定传质区长度和流出曲线。测定时的气体浓度、流体速度、接触时间、吸附压力、吸附温度等条件应该与实际使用过程的条件相对应。
第二节变压吸附的工作原理
一、吸附剂的再生方法
为了能使吸附分离法经济有效的实现，除了吸附剂要有良好的吸附性能以外，吸附剂的再生方法具有关键意义。吸附剂再生纯度决定产品的纯度，也影响吸附剂的吸附能力；吸附剂的再生时间决定老吸附循环周期的长短，从而也决定了吸附剂用量的多少。因此选择合适的再生方法，对吸附分离法的工业化起着重要的作用。
由描述吸附平衡的等温吸附线知道，在同一温度下，吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附质的分压上升而增加；在同一吸附质分压下，吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附温度上升而减少；也就是说加压降温有利于吸附质的吸附，降压加温有利于吸附质的解吸或吸附剂的再生。
于是按吸附剂的再生方法将吸附分离循环过程分成两类：变温吸附法和变压吸附法。图2-1表示了这两种方法的概念，图中横座标为吸附质的分压，纵座标为单位吸附剂的吸附量。上面一条是常温下的等温吸附线，下面一条是高温下的等温吸附线。
1．变温吸附法
在较低温度（常温或更低）下进行吸附，而升高温度将吸附的组分解吸出来。从图2-1看出，变温吸附是在两条不同温度的等温吸附线之间上下移动进行着吸附和解吸。由于常用吸附剂的热传导率比较低，加温和冷却的时间就比较长（往往需要几个小时），所以吸附床比较大，而且还要配备相应的加热和冷却设施，能耗、投资都很高。
此外，温度大幅度周期性变化也会影响吸附剂的寿命。但变温吸附法可适用于许多场合，产品损失少，回收率高，所以目前仍为一种应用较广的方法。
2．变压吸附法
在加压下进行吸附，减压下进行解吸。由于循环周期短，吸附热来不及散失，可供解吸之用，所以吸附热和解吸热引起的吸附床温度变化一般不大，波动范围仅在几度，可近似看作等温过程。由图2-1看出，变压吸附工作状态仅仅是在一条等吸附线上变化。
常用减压吸附方法有以下几种，其目的都是为了降低吸附剂上被吸附组分的分压，使吸附剂得到再生。
a.降压：吸附床在较高压力下吸附，然后降到较低压力，通常接近大气压，这时一部分吸附组分解吸出来。这个方法操作简单，单吸附组分的解吸不充分，吸附剂再生程度不高。
b.抽真空：吸附床降到大气压以后，为了进一步减少吸附组分的分压，可用抽真空的方法来降低吸附床压力，以得到更好的再生效果，但此法增加了动力消耗。
c.冲洗：利用弱吸附组分或者其它适当的气体通过需再生的吸附床，被吸附组分的分压随冲洗气通过而下降。吸附剂的再生程度取决于冲洗气的用量和纯度。
d.置换：用一种吸附能力较强的气体把原先被吸附的组分从吸附剂上置换出来。这种方法常用于产品组分吸附能力较强而杂质组分较弱即从吸附相获得产品的场合。
在变压吸附过程中，采用哪种再生方法是根据被分离的气体混合各组分性质、产品要求、吸附剂的特性以及操作条件来选择，通常是由几种再生方法配合实施的。
应当注意的是，无论采用何种方法再生，再生结束时，吸附床内
吸附质的残余量不会等于零，也就是说，床内吸附剂不可能彻底再生。这部分残余量也不是均匀分布再吸附床内各个部位。图2-2中曲线-2示出了这部分残余量在床内的分布情况。曲线-1就是前述的吸附负荷曲线。两根曲线分别与座标所形成的面积之差称为吸附床的有效吸附负荷。此质增大，有利于吸附操作。吸附工况确定后，有效吸附负荷就取决于吸附床的再生程度。由此，可看出再生在吸附操作中的重要性。
二、变压吸附工作基本步骤
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（或依次循环）进行，保证整个吸附过程的连续。
对于变压吸附循环过程，有三个基本工作步骤：
1．压力下吸附
吸附床在过程的最高压力下通入被分离的气体混合物，其中强吸附组分被吸附剂选择性吸收，弱吸附组分从吸附床的另一端流出。2．减压解吸
根据被吸附组分的性能，选用前述的降压、抽真空、冲洗和置换中的几种方法使吸附剂获得再生。一般减压解吸，先是降压到大气压力，然后再用冲洗、抽真空或置换。
3．升压
吸附剂再生完成后，用弱吸附组分对吸附床进行充压，直到吸附压力为止。接着又在压力下进行吸附。
图2-3示出了在一个变压循环中吸附剂的吸附负荷与压力的变化关系。
三、吸附剂的选择
吸附剂对各气体组分的吸附性能是通过实验测定静态下的等温吸附线和动态下的流出曲线来评价的。吸附剂的良好吸附性能是吸附分离过程的基本条件。
在变压吸附过程中吸附剂的选择还要考虑解决吸附和解吸之间的矛盾。例如对于苯、甲苯等强吸附质就要用对其吸附能力较弱的吸附剂如硅胶，以使吸附容量适当，又有利于解吸操作。而对于弱吸附质如甲烷、氮、一氧化碳等，就需要选用吸附能力较强的吸附剂如分子筛等，以期吸附容量大些。选择吸附剂的另一要点是组分间的分离系数尽可能大。
所谓分离系数的定义是这样的：
设有一个二组分体系，其中A为强吸附组分；B为弱吸附组分。她们的组别分别为Xa和Xb，组分A和B的吸附系数Ka、Kb各为：Ka =qa.T.p0/(v.T0.p.Xa) ; Kb=qb.T. p0/( v.T0.p.Xb)
式中：q—床内吸附剂吸附A或B组分在标准状态下的体积；
p、T—工作状态下的压力和温度；
v—吸附床的死体积（即床内流体能占有的体积），其值为：v=1/db –1/dg
于是分离系数α为：
α=（Ka+1）/(Kb+1)
也就是说，某组分吸附平衡时在吸附床内的总量有两部分，一部分是在死空间中，另一部分被吸附剂所吸附，其总和叫做某组分在吸附床内的存留量；弱吸附组分和强吸附组分各自在死空间中含有的量占床内存留量的比值之比称为分离系数。分离系数越大分离越容易。在变压吸附中被分离的两种组分的分离系数不宜小于2。表2-1、2-2列出了常见主要组分在大气压和20℃下的分离系数。
表2-1 常见组分对各种吸附剂的分离系数
组分吸附
剂CH4CO2 COCH4 N2CH4 N2CO
H2CH4 H2CO N2N2
硅
胶 6.40 1.31 1.86 1.42 2.90
2.05
3.8
活性
炭 2.00 2.07 2.84 1.37 6.97
5.10 14.4
表2-2 常见组分对各种吸附剂的分离系数
组分吸附
剂CH4CO COCO2 N2CH4 N2CO
H2CH4 H2CO N2N2
5A分子
筛 1.79 3.15 1.40 2.50 9.65
17.2 6.9
丝光沸
石 1.18 2.23 1.39 1.65 15.5
18.5 11.2
13X分子
筛 1.58 4.70 1.52 2.40 8.0 1 2.6 5.25
另外，在吸附床运行过程中因床内压力周期地变化，气体短时间内进入、排出，吸附剂应有足够的强度，以减少破碎和磨损。被分离的气体如果含有象有机[wiki]机械[/wiki]润滑油、煤焦油之类的物质，那么在吸附过程中，这些油性物质会粘附在吸附颗粒的外表面，堵塞吸附剂内的通道，使吸附剂失去吸附能力。粘附有油类物质的任何吸附剂，不管采用升温还是降压抽空的再生方法，都是不能再生的。因此对气体中的含油量必须严格限制，有的场合就需增设除油设施，以免吸附剂在使用中失效。
变压吸附分离不同的气体混合物所采用的吸附剂如下表2-3所示：
表2-3 变压吸附分离气体混合物所采用的常用吸附剂
分离对象硅胶活性炭分子筛
从气体混合物除去水分√√
空气净化√√
空气分离制取氧和氮√
从氢中除去二氧化碳√√
从氢中除甲烷、一氧化碳、氨√
从氢中除去烃类√
合成气净化√√
从甲烷中除去其它烃类√√
从瓦斯气中回收甲烷√√
从石灰窑气中分离二氧化碳√√
从炼钢转炉煤气中分离一氧化碳√√√
天然气净化√√
分离组成复杂、类别较多的气体混合物，常需要选用几种吸附剂，这些吸附剂可按吸附分离性能依次分层装填在同一吸附床内，有的情况也可分别装填在几个吸附床内。
第三节变压吸附技术的应用及实施方法
变压吸附装置的操作方式大致分类如下：
平衡分离型是按气体在吸附剂上的平衡吸附性能进行选择性吸附的原理分离气体混合物，速度分离型是根据吸附剂对各组分的吸附速度的差别实现气体混合物分离的。
在平衡分离型中，等压型的吸附操作是在等压下进行的，吸附床在操作压力下压力损失小，目前工业上应用的变压吸附装置都为等压型的。非等压型的快速变压吸附是依靠系统流体阻力的适当分配来实现的，吸附操作要保证吸附床内有一定的压力梯度，吸附剂的粒度较细为40～60目（而等压型变压吸附用的吸附剂直径为1.6～3.5mm），因此压力损失大。快速变压吸附的特点是装置特别简单，通常只用一个吸附床，又由于快速周期循环，单位吸附剂的生产能力较高。其缺陷是达不到高纯度产品，在相同产品纯度下回收率要低，只适用于小型规模的生产装置。
下面介绍变压吸附技术在气体分离中的应用和它们的实施方法。
一、回收和精制氢
随着石油炼制工业以及三大合成材料为中心的石油化学工业的飞速发展，氢气消耗量也在迅速增加，很多有机合成工业、冶金工业、[wiki]电子[/wiki]工业都迫切需要大量纯氢，因此扩大氢生产资源，开发新的制氢工艺以及改进现有制氢工艺，受到人们的普遍关注。扩大氢气来源的一条重要途径就是从许多含氢工业废气中回收氢气。事实上在这些工业部门都有大量的含氢废气可以利用。这些气体中，除氢以外的杂质是Ar、N2、CH4、CO、CO2、H2O、NH3、H2S以及少量烃类，这些杂质可采用变压吸附技术依次同时除去，达到回收和纯化氢的目的。
变压吸附制氢工艺中吸附压力一般在0.8～2.5MPa范围内，早期变压吸附技术应用的一个重要限制，在于缺乏一种有效的方法来回收和利用吸附结束时存留在吸附床内死空间的产品组分。在最初的二床流程中，一个吸附床吸附，另一床再生，每隔一定时间互相交替。吸附结束后床内死空间气体随降压而损失了，吸附压力越高损失就越大。为了提高回收率，除了研制性能优良的吸附剂和改善操作条件以外，关键还在于改善工艺流程。
目前工业上解决的办法是采用多床变压吸附工艺，它的主要实施方法是，根据吸附的状态特性将吸附操作在穿透点之前一段相当长的时间结束。这样吸附床出口端就有一部分吸附剂尚未利用，然后将该吸附床与一个已完成解吸并等待升压的吸附床连通，两床压力均衡（称为均压），这样既回收了吸附床死空间中的有用组分又利用了其中的能量。一般来说，均压次数增加，产品回收率上升，但吸附床数也要相应增多。多床变压吸附工艺应用最广的是四床流程。
图3-1为四床变压吸附流程。为了便于了解起见，现以其中一个吸附床（A床）所经历的七个步骤为例来说明它的工作原理。图3-2是A 床吸附时的气流示意图。
1．吸附(A)
原料气自下而上通过A床，在过程最高压力下选择吸附各种杂质，未被吸附的纯氢从吸附床顶部引出，其中大部分作为产品输出，另一部分用于别的吸附床的最终升压。吸附步骤是在吸附前沿未到达床的出口端时即停止，使吸附前沿和床出口端之间保留一段还没有使用的吸附剂。
2．均压降（ED）
吸附步骤完成后，A床停止进入原料气。与已再生完成处于过程最低压力的C床以出口端相连进行均压。均压完成后两床压力各为吸附压力的二分之一，此时A床的吸附前沿向前推进，但还未到达床的出口端。均压降的气体纯度和产品基本一致。此步骤对C床来说叫做均压升，回收了吸附床死空间中大产品组分和它的能量。3．顺向放压（PP）
A床继续从出口端降压，降压的气体用于冲洗已逆向放压到过程最低压力的D床。顺向放压结束时的压力控制在吸附前沿刚好到达出口端而还未穿透为止。此步骤的顺向放压气体基本上是纯的，利用这股气体是D床吸附剂进一步再生。
4．逆向放压（D）
顺向放压终止时A 床内吸附剂已全部吸附了杂质，于是将床内剩余气体从入口端排出，降到过程最低压力（一般为大气压）。在此步骤中床内吸附的杂质由于压力下降而释放，大部分随气流带走。5．冲洗（P）
利用B床顺向放压的气体在过程最低压力下对A床进行冲洗以进一步降低杂质分压，清除残留于床内的杂质。
6．均压升（ER）
冲洗完成后A窗的吸附剂基本再生完毕，此时开始进行再次吸附前的升压准备，在此利用C床均压降的产品气对A床进行充压，达到吸附压力的一半。
7．最终升压（FR）
然后用D床生产中的一部分把A床充压到过程的最高压力，即吸附压力。至此，A床完成了一个吸附—再生循环，并将重新开始吸附进入下一个循环。
其它三个吸附床的工作步骤与A床相同，只是在时序安排成错开四分之一周期（见表3-1）。
此流程通过均压和顺向放压两个步骤回收了吸附床死空间中的大部分产品组分和它的能量，提高了产品回收率，同时用于充压的产品气量减少，产品气的压力波动也相应减少。在升压过程中，纯氢都是从吸附床出口端充入，这样床内极少量的杂质会被推向入口端，起到了床内吸附剂更新的作用。此法从变换气中制取纯氢，产品纯度可达99.99～99.999%，氢的回收率为75～80%。
为了进一步减少产品的损失，还可采用二次均压法，使逆向放压时的压力更低，均压升之后的压力更高，其回收率比一次均压法提高5～7%。
除了四床流程外，工业上根据装置规模增大和吸附压力上升还相应采用的有五床、八床和十床流程等等。图3-2列举的十床变压吸附工艺是八十年代初上海石油[wiki]化工[/wiki]总厂从美国联合炭化物
公司引进的。装置处理原料（变换气）能力为74530nm3/h,吸附压力约2.4MPa，产品氢纯度99.9%，氢回收率85%。
此流程特点是：⑴采用了三次均压的方法，进一步提高了氢的回收率，产品输出压力波动很小；⑵任何时候都有三个吸附床通入原料进行吸附步骤，只是它们处于不同的吸附阶段。这样缩小了吸附床的容积，
1．什么叫吸附？ 答：当气体分子运动到固体表面上时，由于固体表面原子剩余引力的作用，气体中的一些分子便会暂时停留在固体表面上，这些分子在固体表面上的浓度增大，这种现象称为气体分子在固体表面上的吸附。吸附物质的固体称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。按吸附质与吸附剂之间引力场的性质，吸附可分为化学吸附和物理吸附。 2．气体分离的原理是什么？ 当气体是混合物时，由于固体表面对不同气体分子的引力差异，使吸附相的组成与气相组成不同，这种气相与吸附相在密度上和组成上的差别构成了气体吸附分离技术的基础。 伴随吸附过程所释放的热量叫吸附热，解吸过程所吸收的热量叫解吸热。气体混合物的吸附热是吸附质的冷凝热和润湿热之和。不同的吸附剂对各种气体分子的吸附热均不相同。 3．什么叫化学吸附？什么叫物理吸附？ 化学吸附：即吸附过程伴随有化学反应的吸附。在化学吸附中，吸附质分子和吸附剂表面将发生反应生成表面络合物，其吸附热接近化学反应热。化学吸附需要一定的活化能才能进行。通常条件下，化学吸附的吸附或解吸速度都要比物理吸附慢。石灰石吸附氯气，沸石吸附乙烯都是化学吸附。 物理吸附：也称范德华（van der Waais）吸附，它是由吸附质分子和吸附剂表面分子之间的引力所引起的，此力也叫作范德华力。由于固体表面的分子与其内部分子不同，存在剩余的表面自由力场，当气体分子碰到固体表面时，其中一部分就被吸附，并释放出吸附热。在被吸附的分子中，只有当其热运动的动能足以克服吸附剂引力场的位能时才能重新回到气相，所以在与气体接触的固体表面上总是保留着许多被吸附的分子。由于分子间的引力所引起的吸附，其吸附热较低，接近吸附质的汽化热或冷凝热，吸附和解吸速度也都较快。被吸附气体也较容易地从固体表面解吸出来，所以物理吸附是可逆的。物理吸附通常分为变温吸附和变压吸附。 4．变压吸附属化学吸附或物理吸附？ 分离气体混合物的变压吸附过程系纯物理吸附，在整个过程中没有任何化学反应发生。 5．变压吸附常用吸附剂有哪几种？他们各自的作用是什么？ 变压吸附常用的吸附剂有：硅胶、活性氧化铝、活性炭、分子筛等，另外还有针对某种组分选择性吸附而研制的吸附材料。气体吸附分离成功与否，很大程度上依赖于吸附剂的性能，因此选择吸附剂是确定吸附操作的首要问题。 硅胶是一种坚硬、无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，分子式为SiO2.nH2O，为一种亲水性的极性吸附剂。它是用[wiki]硫酸[/wiki]处理硅酸钠的水溶液，生成凝胶，并将其水洗除去硫酸钠后经干燥，便得到玻璃状的硅胶，它主要用于干燥、气体混合物及[wiki]石油[/wiki]组分的分离等。工业上用的硅胶分成粗孔和细孔两种。粗孔硅胶在相对湿度饱和的条件下，吸附量可达吸附剂重量的８０％以上，而在低湿度条件下，吸附量大大低于细孔硅胶。 活性氧化铝是由铝的水合物加热脱水制成，它的性质取决于最初[wiki]氢[/wiki]氧化物的结构状态，一般都不是纯粹的Al2O3,而是部分水合无定形的多孔结构物质，其中不仅有无定形的凝胶，还有氢氧化物的晶体。由于它的毛细孔通道表面具有较高的活性，故又称活性氧化铝。它对水有较强的亲和力，是一种对微量水深度干燥用的吸附剂。在一定操作条件下，它的干燥深度可达[wiki]露点[/wiki]-７０℃以下。 活性炭是将木炭、果壳、煤等含碳原料经炭化、活化后制成的。活化方法可分为两大类，即药剂活化法和气体活化法。药剂活化法就是在原料里加入氯化锌、硫化钾等化学药品，在非活性气氛中加热进行炭化和活化。气体活化法是把活性炭原料在非活性气氛中加热，通常在700℃以下除去挥发组分以后，通入水蒸气、二氧化碳、烟道气、空气等，并在700～1200℃温度范围内进行反应使其活化。活性炭含有很多毛细孔构造，所以具有优异的吸附能力。因而它用途遍及水处理、脱色、气体吸附等各个方面。
1. 课程设计任务书： 1.1设计题目： 试设计一座填料塔用于脱除混于空气中的H2S,混合气体处理量为2500m3/h,其中含5％(体积分数)，要求塔顶排出气体中含0.02％（体积分数），利用清水吸收，吸收剂的用量为最小用量的1.5倍。 1.2操作条件： （1）压力：常压 （2）温度：20℃ （3）填料类型：自选 （4）工作日：300天/年，24小时运行 1.3设计任务： 完成吸收塔的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型，绘制吸收系统的工艺流程图和吸收塔的工艺条件图，编写设计说明书。
2.吸收塔工艺条件的计算： 2.1基础物性参数： 2.1.1液体物性参数： 对于低浓度的吸收过程，溶液的物性数据可以近似取纯水的物性数据 查得：由参考书】 【2 20℃时水的密度为：ρL =998. 2Kg/m3 粘度为：μL =1.005mPa.S=3.618 Kg/(m ·h) 表面张力为：δL =72.7(dyn/cm)=942192 (Kg/h 2) 查得：由参考书】【3 H 2S 在水中的扩散系数： D L =7.4x10-8x 1256 .02 1 ·1081.19 .32005.1293)186.2(--=s cm x x x x 2.1.2气相物性参数： 查得：由参考文献】【2 M 空=29Kg/Kmol M(H 2S)=34Kg/Kmol 混合气体平均摩尔质量：M =29x(1-0.05)+34x0.05=29.25Kg/Kmol 混合气体密度：ρG =33 5 ·213.1293 10314.81001.125.29--=m Kg x x x x 混合气体的黏度近似等于20℃空气的黏度： ()h m Kg s Pa //065.0)(1081.15G =??=-μ(m ·h) 查得：由参考书】 【3 H 2S 在空气中的扩散系数： D G = 1252 31 312 1 75.15·1075.1] 1.20)0.17298.1[(013.1) 291 341(29310013.1---=+++s m x x x x x x 2.1.3气液两相平衡时的数据： 查得：由参考书】 【3
化工原理仿真实验在教学实践中的研究论文 院系：江苏师范大学科文学院生物化学系 姓名：周红霞 班级：10生物 学号：108316130 摘要:采用图形软件及动画设计软件共同开发的化工原理仿真实验系统以其耗时短，成本低，条件多样化的优点已成为一种发展趋势。本文重点阐述仿真实验的内容、优点及实践意义。 关键词:化工原理实验仿真实验 正文：随着时代的发展和科学技术的进步,传统的教学思想、教学方法、教学手段等都面临着前所未有的挑战,特别是计算机、多媒体技术、网络技术等都已广泛应用于教学各领域,引发了教学方法和教学手段的革命。仿真实验将成为一种发展趋势。在这样的形势下,化工原理实验课程传统的教学方法也在进行着新的尝试与改革, 化工原理仿真实验也在化工原理实验教学中崭露头角。目前大学里开设的化工原理实验课大都采用传统的分组实验的形式,由于受到场地和实验装置以及课时和师资的限制,很难实现学生个人独立完成实验的目的。很多学生只是听听老师的讲解,看看其他同学做的实验,然后根据同组的数据写出实验报告,就算做完了一个实验。通常只是走一个过场,多数学生并没有什么实际操作,这种现象非常普遍。引入仿真实验教学则在很大程度上解决了这个问题。根据我在仿真实验系统开发中的体会,下面谈点粗浅认识和看法。
1仿真实验的内容 仿真一词译自英文Simulation ,通常译作“模拟”,仿真是利用系统模型对真实系统或设想系统的本质和规律进行研究、分析和实验的方法。化工原理实验教学中的仿真实验则是以真实的实验原理、实验现象、实验过程和实验数据为基础,在计算机上通过动态数学模型进行模拟实验现象,通过互动动画模拟在现场的真实操作,并产生和真实 实验一样的操作结果。它主要包括六方面的内容。 1)选择不同的实验装置:化工原理包括八个实验: ①离心泵性能曲线测定实验; ②流量计曲线标定; ③流体流动阻力系数测定实验; ④ 换热实验; ⑤精馏实验; ⑥吸收实验; ⑦干燥实验;⑧管路特性曲线这八个实验基本上包括了化工原理实验课程的主要内容,是最具有代表性的八个实验。在仿真软件中均有设置。 2)实验指导:与实验讲义相关的内容介绍,包括实验目的、实验原理、实验设备、计算公式、实验操作以及注意事项等,也均有详尽的论述。 3)仿真操作:对虚拟装置进行仿真操作。操作界面直观、简洁、友好,使学生读取数据方便而不失真实,特别设计局部放大功能,需要读取 数据的仪表、气压计等,都可以放大到最清晰的效果。在实验操作上,也采用相似的设计,感觉真实而又简单明了。 4)数据处理:对实验操作的结果,进行数据的记录、计算、绘制曲线。数据记录由软件或学生自己完成,软件自动生成记录表格,数据处理 部分将计算并将结果自动列表,通过连接打印机将实验报告打印出来。这一部分也可以由学生手动计算。
变压吸附气体分离技术的应用和发展 摘要: 变压吸附气体分离技术在工业上得到了广泛应用, 已逐步成为一种主要的气体分离技术。它具有能耗低、投资小、流程简单、操作方便、 可靠性高、自动化程度高及环境效益好等特点。简单介绍了变压吸附分离技术 的特点, 重点介绍了近年来变压吸附技术各方面的进步和变压吸附技术当前所 达到的水平(工艺流程、气源、产品回收率、吸附剂、程控阀、自动控制等方面), 并对变压吸附技术未来的发展趋势进行了预测。 l 前言 变压吸附 (Pressure Swing Adsorption, PSA)的基本原理是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化而变化的特性, 经过周期性的压力变换过程实现气体的分离或提纯。该技术于l962年实现工业规模的制氢。进入70年代后, 变压吸附技术获得了迅速的发展, 装置数量剧增, 规模不断增大, 使用范围越来越广, 工艺不断完善, 成本不断下降, 逐渐成为一种主要的、高效节能的气体分离技术。 变压吸附技术在中国的工业应用也有十几年历史。中国第一套PSA工业装置是西南化工研究设计院设计的, 于l982年建于上海吴淞化肥厂, 用于从合成氨弛放气中回收氢气。当前, 该院已推广各种PSA工业装置600多套, 装置规模从数m3/h到60000m3/h, 能够从几十种不同气源中分离提纯十几种气体。 在国内, 变压吸附技术已推广应用到以下九个主要领域:
1．氢气的提纯; 2．二氧化碳的提纯, 可直接生产食品级二氧化碳; 3．一氧化碳的提纯; 4．变换气脱除二氧化碳; 5.天然气的净化; 6．空气分离制氧; 7．空气分离制氮; 8．瓦斯气浓缩甲烷; 9．浓缩和提纯乙烯。 在H2的分离和提纯领域, 特别是中小规模制氢, PSA分离技术已占主要地位, 一些传统的H2制备及分离方法, 如低温法、电解法等, 已逐渐被PSA 等气体分离技术所取代。PSA法从合成氨变换气中脱除CO2技术, 可使小合成氨厂改变其单一的产品结构, 增加液氨产量, 降低能耗和操作成本。PSA分离提纯CO技术为C l化学碳基合成工业解决了原料气提纯问题。该技术已成功的为 国外引进的几套羰基合成装置相配套。PSA提纯CO2技术可从廉价的工业废气 制取食品级CO2。另外, PSA技术还能够应用于气体中NOx的脱除、硫化物的脱除、某些有机有毒气体的脱除与回收等, 在尾气治理、环境保护等方面也有广阔的应用前景。 变压吸附的特点 变压吸附气体分离工艺在石油、化工、冶金、电子、国防、医疗、环境保护等方面得到了广泛的应用, 与其它气体分离技术相比, 变压吸附技术具有以下优点: 1．低能耗, PSA工艺适应的压力范围较广, 一些有压力的气源能够省 去再次加压的能耗。PSA在常温下操作, 能够省去加热或冷却的能耗。 2．产品纯度高且可灵活调节, 如PSA制氢, 产品纯度可达99．999％, 并可根据工艺条件的变化, 在较大范围内随意调节产品氢的纯度。 3．工艺流程简单, 可实现多种气体的分离, 对水、硫化物、氨、烃类等杂质有较强的承受能力, 无需复杂的预处理工序。
变压吸附技术在焦炉煤气制氢中的应用 戴四新 （厦门市建坤实业发展公司，福建厦门 361012） 摘要：介绍了变压吸附（PSA）技术的基本原理及其应用于焦炉煤气提氢的Sysiv和Bergbau PSA制氢典型工艺。指出PSA技术是近年国内外发展最快、技术最成熟、成本最低的煤气制氢方法，在国内焦炉煤气制氢中最具发展前途，应大力推广应用。 关键词：变压吸附（PSA）技术;焦炉煤气;制氢技术 中图分类号：ＴＱ028.１+5 文献标识码：B 文章编号：1004-4620(2002)02-0065-02 Application of the Pressure Shift Absorbing Technique in Hydrogen Making Process from COG DAI Si-xin (Xiamen Jiankun Industry Developing Corp.,Xiamen 361012,China) Abstract：The basic pinciple of the Pressure Shift Absorbing(PSA) Technique and the representative technics(Sysiv and Bergban)of it`s application for hydrogen making process from COG are discribing.It is pointed out that in recend past years the development of the PSA technique for the hydrogen-making process from COG is the most rapid and the technique is also the most perfect and economical way in the world,and it has the best developing foreground in hydrogen-making process from COG in China.It should be expanded and applied widely soon. Key words：pressure shift absorbing(PSA);coke oven gas(COG);hydrogen making technology
制氮机组工作原理 工作原理：碳分子筛是一种以煤或果壳为原料经特殊加工而成的黑色颗粒。其表面布满了无数的微孔。碳分子筛分离空气的原理，取决于空气中氧分子和氮分子在碳分子筛微孔中的不同扩散速度，或不同的吸附力或两种效应同时起作用。在吸除平衡条件下，碳分子筛对氧、氮分子吸附量接近。但在吸附动力学条件下，氧分子扩散到分子筛微孔隙中速度比氮分子扩散速度快得多。因此，通过适当的控制，在远离平衡条件的时间内，使氧分子吸附于碳分子筛的固相中，而氮分子则在气相中得到富集。同时，碳分子筛吸附氧分子的容量，因其分压升高而增大，因其分压下降而减少。这样，碳分子筛在加压时吸附氧分子使氮分子得到富集，减压时解吸出氧分子排到空气中，如此反复循环操作，达到分离空气的目的。简称PSA制氮。2、工艺流程本装置按工艺流程划分：可分为空气源净化处理部分；变压吸附制氮部分；缓冲罐部分等三部分。 空气源净化处理部分：由冷冻干燥机（气源系统），多级过滤器（气源系统），高效除油器，空气缓冲罐等组成。由无油压缩机压缩的空气（含油量≤0.01mg/m3,压力≥0.65MPa）经过滤器分离滤除杂质，然后进入冷冻干燥机（或冷却器）进行冷冻干燥出水。（冷冻干燥机设有自动排水器能自动排出大量的水份。）然后进入高效除油器除去微量油分。经以上处理后的压缩空气是洁净的无油干燥空气贮于空气缓冲罐中。变压吸附制氮部分（又称组件），由吸附罐B1、B2及相关管路阀门组成。干燥的空气进入B1或B2罐时，空气中氧气和二氧化碳被分子筛吸附，从吸附塔输出的是工业粗氮，经过滤器F2源源不断贮存在氮气缓冲罐C2中。B1和B2罐每隔1分钟自动交换一次，一个工作，一个再生。
（此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！） 过程工艺与设备课程设计任务书丙烯---丙烷精馏装置设计 学院（系）：化工与环境生命学部 专业： 学生姓名：_ 学号： 指导教师：吴雪梅、李祥村 评阅教师：吴雪梅、李祥村 完成日期：2013年7月4日 i
大连理工大学 Dalian University of Technology 、八、亠 刖言 本设计说明书包括概述、流程简介、精馏塔、再沸器、辅助设备、管路设计和控制方案共七章。 说明中对精馏塔的设计计算做了详细的阐述，对于再沸器、辅助设备和管路的设计也做了正确的说明。 由于只有两周的时间做，第二周内，我几乎每天都在熬夜写，只有封面、目录和前言部分为打印、其余部分均为手写，部分数据上可能会有一些错误，如保留位数的不同，计算的错误等。前后的数据由于工程量浩大也许有不一致的地方，属于学生我自己的能力不够，请老师谅解！ 感谢老师的指导和参阅！ 目录 第一章概述 (1) 第二章方案流程简介 (3) 第三章精馏过程系统分析 (5) 第四章再沸器的设计 (14) 第五章辅助设备的设计 (21) 第六章管路设计 (25) 第七章控制方案 (27) 设计心得及总结 (28) 附录一主要符号说明 (29) 附录二参考文献 (31) ii
第一章概述 精馏是分离过程中的重要单元操作之一，所用设备主要包括精馏塔及再沸器和冷凝器。 1.精馏塔 精馏塔是一圆形筒体，塔内装有多层塔板或填料，塔中部适宜位置设有进料板。两相在塔板上相互接触时，液相被加热，液相中易挥发组分向气相中转移；气相被部分冷凝，气相中难挥发组分向液相中转移，从而使混合物中的组分得到高程度的分离。 简单精馏中，只有一股进料，进料位置将塔分为精馏段和提馏段，而在塔顶和塔底分别引出一股产品。精馏塔内，气、液两相的温度和压力自上而下逐渐增加，塔顶最低，塔底最高。 本设计为浮阀塔，浮阀的突出优点是效率较高取消了结构复杂的上升管和泡罩。当气体负荷较低时，浮阀的开度较小，漏夜量不多；气体负荷较高时，开度较大，阻力又不至于增加较大，所以这种塔板操作弹性较大，阻力比泡罩塔板大为减小，生产能力比其大。缺点是使用久后，由于频繁活动而易脱落或被卡住，操作失常。所以塔板和浮阀一般采用不锈钢材料。 2.再沸器 作用：用以将塔底液体部分汽化后送回精馏塔，使塔内气液 两相间的接触传质得以进行。 本设计采用立式热虹吸式再沸器，它是一垂直放置的管壳式换热器。液体在自下而上通过换热器管程时部分汽化，由在壳程内的载热体供热。 立式热虹吸特点： ▲循环推动力：釜液和换热器传热管气液混合物的密度差。 ▲结构紧凑、占地面积小、传热系数高。 ▲壳程不能机械清洗，不适宜高粘度、或脏的传热介质。
目，这就就导致了设计题目过于单调等问题的出现，并难以取得一个良好的教学效果。 ②缺乏对学生工程意识的培养：在进行化工原理课程的教学过程中，依旧有部分教师们只注重于对学生理论知识的教学，并直接忽视了学生创新意识以及工程意识的培养。在这一教学模式下，学生在具体的实践过程中也就无法很好的应用各种工艺与设备，并且缺乏解决问题的良好能力，这样也就无法取得良好的教学效果。③师资力量匮缺：近年来随着我国高校的扩招，使得化工专业的学生数量也得到了一定程度的提升，为了满足教学所需，部分高校就通过公开招聘的模式来进行师资力量的补充，但是招聘到的讲师多为青年教师，其在具体教学过程中缺乏有相应的实践能力，对于学生的指导能力也严重不足，从而制约了化工原理课程的教学效果。④在现有化工原理课程教学过程中，其
考核评价体系多是通过考试的形势来进行，这也就导致学生单纯是为了成绩而进行这门课程的学习，并且难以调动起学生的主观能动性。此外在进行课程设计的过程中，其设计内容缺乏有创新和亮点。 2化工原理课程教学的创新教育 2.1进行教学内容的创新 在高效的教学过程中，教科书只能算作是参考书，而教师们的授课内容则需要具备有一定的开放性、时代性以及实践性，并需要在具体的教学环节中能够进一步提升学生的创新意识。化工原理这门课程主要是将化工单位的操作作为主要研究对象，具体内容在于讲述各类化工单元在操作过程中的共性。因此说可以将化工原理课程归纳到传统学科的范畴之中。但是在实际的生产过程之中，各个单元之间的操作是具体化的，其余现阶段的生产以及科技发展趋势也有着紧密的联系，这也就要求在进行化工原理课程的具体教学工程中，能够适当增加一些最新的科研、生产现状以及发展动向等方面的知识。只有让学生充分接触到该学科的前沿知识，才能够让学生创新能力以及学习兴趣得到提升。比如在进行传统的精馏计算过程中，其教学重点多是二元理想物系的计算，对于问题的复杂性也多是做定性话的介绍。但是在实际的化工生产过程中还伴随有多元化的复杂现象。近年来我国的计算机技术得到了一定程度的发展，因此在精馏计算的过程中也多是通过相应的计算机软件来进行，并能够取得一个良好的计算效
一、基础知识 1．气体知识 氮气作为空气中含量最丰富的气体，取之不竭，用之不尽。它无色、无味，透明，属于亚惰性气体，不维持生命。高纯氮气常作为保护性气体，用于隔绝氧气或空气的场所。氮气（N2）在空气中的含量为78.084% （空气中各种气体的容积组分为：N2: 78.084%、02: 20.9476%、氩气：0.9364%、CO2: 0.0314%、其它还有 H2、 CH4、 N2O、 O3、 SO2、NO2 等，但含量极少），分子量为 28，沸点： -195.8C，冷凝点：-210C。 2．压力知识 变压吸附（PSA）制氮工艺是加压吸附、常压解吸，必须使用压缩空气。现使用的吸附剂一一碳分子筛最佳吸附压力为 0.75~0.9MPa,整个制氮系统中气体均是带压的，具有冲击能量。 二、PSA制氮工作原理： 变压吸附制氮机是以碳分子筛为吸附剂，利用加压吸附，降压解吸的原理从空气中吸附和释放氧气，从而分离出氮气的自动化设备。碳分子筛是一种以煤为主要原料，经过研磨、氧化、成型、碳化并经过特殊的孔型处理工艺加工而成的，表面和内部布满微孔的柱形颗粒状吸附剂，呈黑色，其孔型分布如下图所示： 碳分子筛的孔径分布特性使其能够实现 O2 、N2 的动力学分离。这样的孔径分布可使不同的气体以不同的速率扩散至分子筛的微孔之中，而不会排斥混合气（空气）中的任何一种气体。碳分子筛对 O2、 N2 的分离作用是基于这两种气体的动力学直径的微小差别，O2 分子的动力学直径较小，因而在碳分子筛的微孔中有较快的扩散速率， N2 分子的动力学直径较大，因而扩散速率较慢。压缩空气中的水和 CO2 的扩散同氧相差不大，而氩扩散较慢。最终从吸附塔富集出来的是 N2 和 Ar 的混合气。
变压吸附气体分离技术 目录 第一节气体吸附分离的基础知识 (2) 一、吸附的定义 (2) 二、吸附剂 (3) 三、吸附平衡和等温吸附线—吸附的热力学基础 (6) 四、吸附过程中的物质传递 (10) 五、固定床吸附流出曲线 (12) 第二节变压吸附的工作原理 (14) 一、吸附剂的再生方法 (14) 二、变压吸附工作基本步骤 (16) 三、吸附剂的选择 (17) 第三节变压吸附技术的应用及实施方法 (20) 一、回收和精制氢 (20) 二、从空气中制取富氧 (24) 三、回收和制取纯二氧化碳 (25) 四、从空气中制氮 (26) 五、回收和提纯一氧化碳 (28) 六、从变换气中脱出二氧化碳 (31) 附Ⅰ变压吸附工艺步骤中常用字符代号说明 (32) 附Ⅱ回收率的计算方法 (32)
第一节气体吸附分离的基础知识 一、吸附的定义 当气体分子运动到固体表面上时，由于固体表面的原子的剩余引力的作用，气体中的一些分子便会暂时停留在固体表面上，这些分子在固体表面上的浓度增大，这种现象称为气体分子在固体表面上的吸附。相反，固体表面上被吸附的分子返回气体相的过程称为解吸或脱附。 被吸附的气体分子在固体表面上形成的吸附层，称为吸附相。吸附相的密度比一般气体的密度大得多，有可能接近液体密度。当气体是混合物时，由于固体表面对不同气体分子的压力差异，使吸附相的组成与气相组成不同，这种气相与吸附相在密度上和组成上的差别构成了气体吸附分离技术的基础。 吸附物质的固体称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。伴随吸附过程所释放的的热量叫吸附热，解吸过程所吸收的热量叫解吸热。气体混合物的吸附热是吸附质的冷凝热和润湿热之和。不同的吸附剂对各种气体分子的吸附热均不相同。 按吸附质与吸附剂之间引力场的性质，吸附可分为化学吸附和物理吸附。 化学吸附：即吸附过程伴随有化学反应的吸附。在化学吸附中，吸附质分子和吸附剂表面将发生反应生成表面络合物，其吸附热接近化学反应热。化学吸附需要一定的活化能才能进行。通常条件下，化学吸附的吸附或解吸速度都要比物理吸附慢。石灰石吸附氯气，沸石吸附乙烯都是化学吸附。 物理吸附：也称范德华（van der Waais) 吸附，它是由吸附质分子和吸附剂表面分子之间的引力所引起的，此力也叫作范德华力。由于固体表面的分子与其内部分子不同，存在剩余的表面自由力场，当气体分子碰到固体表面时，其中一部分就被吸附，并释放出吸附热。在被吸附的分子中，只有当其热运动的动能足以克服吸附剂引力场的位能时才能重新回到气相，所以在与气体接触的固体表面上总是保留着许多被吸附的分子。由于分子间的引力所引起的吸附，其吸附热较低，接近吸附质的汽化热或冷凝热，吸附和解吸速度也都较快。被吸附气体也较容易地从固体表面解吸出来，所以物理吸附是可逆的。分离气体混合物的变压吸附过程系纯物理吸附，在整个过程中没有任何化学反应发生。本文以下叙述的除了注明之外均为气体的物理吸附。
PSA制氮机工作原理及工艺流程 一、基础知识 1．气体知识 氮气作为空气中含量最丰富的气体，取之不竭，用之不尽。它无色、无味，透明，属于亚惰性气体，不维持生命。高纯氮气常作为保护性气体，用于隔绝氧气或空气的场所。氮气（N2）在空气中的含量为78.084%（空气中各种气体的容积组分为：N2：78.084%、O2：20.9476%、氩气：0.9364%、CO2：0.0314%、其它还有H2、CH4、N2O、O3、SO2、NO2等，但含量极少），分子量为28，沸点：-195.8℃，冷凝点：-210℃。 2．压力知识 变压吸附（PSA）制氮工艺是加压吸附、常压解吸，必须使用压缩空气。现使用的吸附剂——碳分子筛最佳吸附压力为0.75~0.9MPa，整个制氮系统中气体均是带压的，具有冲击能量。 二、PSA制氮工作原理： 变压吸附制氮机是以碳分子筛为吸附剂，利用加压吸附，降压解吸的原理从空气中吸附和释放氧气，从而分离出氮气的自动化设备。碳分子筛是一种以煤为主要原料，经过研磨、氧化、成型、碳化并经过特殊的孔型处理工艺加工而成的，表面和内部布满微孔的柱形颗粒状吸附剂，呈黑色 碳分子筛的孔径分布特性使其能够实现O2、N2的动力学分离。这样的孔径分布可使不同的气体以不同的速率扩散至分子筛的微孔之中，而不会排斥混合气（空气）中的任何一种气体。碳分子筛对O2、N2的分离作用是基于这两种气体的动力学直径的微小差别，O2分子的动力学直径较小，因而在碳分子筛的微孔中有较快的扩散速率，N2分子的动力学直径较大，因而扩散速率较慢。压缩空气中的水和CO2的扩散同氧相差不大，而氩扩散较慢。最终从吸附塔富集出来的是N2和Ar的混合气。 由这两个吸附曲线可以看出，吸附压力的增加，可使O2、N2的吸附量同时增大，且O2的吸附量增加幅度要大一些。变压吸附周期短，O2、N2的吸附量远没有达到平衡（最大值），所以O2、N2扩散速率的差别使O2的吸附量在短时间内大大超过N2的吸附量。 变压吸附制氮正是利用碳分子筛的选择吸附特性，采用加压吸附，减压解吸的循环周期，使压缩空气交替进入吸附塔（也可以单塔完成）来实现空气分离，从而连续产出高纯度的产品氮气。 三、PSA制氮基本工艺流程 空气经空压机压缩后，经过除尘、除油、干燥后，进入空气储罐，经过空气进气阀、左吸进气阀进入左吸附塔，塔压力升高，压缩空气中的氧分子被碳分子筛吸附，未吸附的氮气穿过吸附床，经过左吸出气阀、氮气产气阀进入氮气储罐，这个过程称之为左吸，持续时间为几十秒。左吸过程结束后，左吸附塔与右吸附塔通过上、下均压阀连通，使两塔压力达到均衡，这个过程称之为均压，持续时间为2~3秒。均压结束后，压缩空气经过空气进气阀、右吸进气阀进入右吸附塔，压缩空气中的氧分子被碳分子筛吸附，富集的氮气经过右吸出气阀、氮气产气阀进入氮气储罐，这个过程称之为右吸，持续时间为几十秒。同时左吸附塔中碳分子筛吸附的氧气通过左排气阀降压释放回大气当中，此过程称之为解吸。反之左塔吸附时右塔同时也在解吸。为使分子筛中降压释放出的氧气完全排放到大气中，氮气通过一个常开的反吹阀吹扫正在解吸的吸附塔，把塔内的氧气吹出吸附塔。这个过程称之为反吹，它与解吸是同时进行的。右吸结束后，进入均压过程，再切换到左吸过程，一直循环进行下去。 制氮机的工作流程是由可编程控制器控制三个二位五通先导电磁阀，再由电磁阀分别控制八个气动管道阀的开、闭来完成的。三个二位五通先导电磁阀分别控制左吸、均压、右吸状态。左吸、均压、右吸的时间流程已经存储在可编程控制器中，在断电状态下，三个二位五通先导电磁阀的先导气都接通气动管道阀的关闭口。当流程处于左吸状态时，控制左吸的电磁阀
化工原理课程论文附件一：课程论文封面格式要求。 （见下页） 化工原理课程论文 题目： 院（系）： 5、流动边界层，传热边界层，传质边界层的比较 6、三传现象的类似性 7、流体流动时的摩擦系数与流体流过固体颗粒的阻力系数的分析比较 8、离心泵的叶片安装角对泵压头的影响 9、离心泵的比例定律、切削定律的推导及应用 10、重力沉降与离心沉降的比较 11、旋风分离器的并联、串联操作
12、恒压过滤与恒速过滤的比较 13、非均相混合物分离方法的选择 14、流体输送方式输送设备的归纳总结 15、过滤机最佳操作周期的确定 16、化工原理课程研究方法的归纳总结，如：理论分析法、数学模型法等 17、速度梯度、温度梯度、浓度梯度间联系与互相影响 18、平均温差法与传热单元法间的联系 33、吸收因数对吸收操作的影响 34、板式塔负荷性能图及其应用 35、影响板式塔负荷性能图的因素 36、板式塔和填料塔的比较 37、并流传热、逆流传热的比较 38、并流吸收、逆流吸收的比较 39、算术推动力与对数推动力的比较
40、湿空气性质的归纳总结 41、各章节后的作业题、思考题的深入讨论等等 二、实际应用方面 “化工原理”的基本理论在实际生活和生产中的应用情况及新的应用开发。 三、计算机辅助计算和辅助设计 针对化工原理课程中某一问题编写一个应用程序。列出程序清单、程序说明，运行结果，并要上交相应的磁盘。 化工原理课程论文附件三：课程论文样本。 换热器设计中适宜流体用量的确定 熊楚安 黑龙江科技学院资源与环境工程系，黑龙江鸡西，158105 摘要：利用换热器的操作线来分析讨论流体用量对传热过程的操作费用和设备费用的影响，找出了换热器设计和选型中适宜流体用量的优化确定方法，简便、快捷，具有一定的适用性。 关键词：操作线流体用量优化选择 中图法分类号：TQ 051.5 文献标识码：A The Optimum Definition Method on Amount of Fluid During The Design of Heat Exchanger Xiong chu’an
变压吸附制氢工艺 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
工艺技术说明 1、吸附制氢装置工艺技术说明 1）工艺原理 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。吸附按其性质的不同可分为四大类，即：化学吸附、活性吸附、毛细管凝缩和物理吸附。变压吸附（PSA）气体分离装置中的吸附主要为物理吸附。 物理吸附是指依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力（包括范德华力和电磁力）进行的吸附。其特点是：吸附过程中没有化学反应，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，并且这种吸附是完全可逆的。 变压吸附气体分离工艺过程之所以得以实现是由于吸附剂在这种物理吸附中所具有的两个基本性质：一是对不同组分的吸附能力不同，二是吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压上升而增加，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： 工业PSA-H2装置所选用的吸附剂都是具有较大比表面积的固体颗粒，主要有：活性氧化铝类、活性炭类、硅胶类和分子筛类吸附剂；另外还有针对某种组分选择性吸附而研制的特殊吸附材料，如CO专用吸附剂和碳分子筛等。吸附剂最重要的物理特征包括孔容积、孔径分布、表面积和表面性质等。不同的吸附剂由于有不同的孔隙大小分布、不同的比表面积和不同的表面性质，因而对混合气体中的各组分具有不同的吸附能力和吸附容量。 吸附剂对各种气体的吸附性能主要是通过实验测定的吸附等温线和动态下的穿透曲线来评价的。优良的吸附性能和较大的吸附容量是实现吸附分离的基本条件。 同时，要在工业上实现有效的分离，还必须考虑吸附剂对各组分的分离系数应尽可能大。所谓分离系数是指：在达到吸附平衡时，（弱吸附组分在吸附床死空间中残
制氮机 制氮机，是指以空气为原料，利用物理方法将其中的氧和氮分离而获得氮气的设备。 根据分类方法的不同，即深冷空分法、分子筛空分法(PSA)和膜空分法，工业上应用的制氮机，可以分为三种。 制氮机是按变压吸附技术设计、制造的氮气设备。制氮机以优质进口碳分子筛（CMS）为吸附剂，采用常温下变压吸附原理（PSA）分离空气制取高纯度的氮气。通常使用两吸附塔并联，由进口PLC控制进口气动阀自动运行，交替进行加压吸附和解压再生，完成氮氧分离，获得所需高纯度的氮气。 中文名制氮机 含义制取氮气的机械组合 工作原理利用碳分子筛的吸附特性 主要分类深冷空分，膜空分，碳分子筛空分、 1工作原理 1. ? PSA变压吸附制氮原理 2. ?深冷空分制氮原理 3. ?膜空分制氮原理 2主要分类 1. ?深冷空分制氮 2. ?分子筛空分制氮 3. ?膜空分制氮 3设备特点 4系统用途 5技术参数 工作原理 PSA变压吸附制氮原理 碳分子筛可以同时吸附空气中的氧和氮，其吸附量也随着压力的升高而升高，而且在同一压力下氧和氮的平衡吸附量无明显的差异。因而，仅凭压力的变化很难完成氧和氮的有效分离。如果进一步考虑吸附速度的话，就能将氧和氮的吸附特性有效地区分开来。氧分子直径比氮分子小，因而扩散速度比氮快数百倍，故碳分子筛吸附氧的速度也很快，吸附约1分钟就达到90%以上；而此时氮的吸附量仅有5%左右，所以此时吸附的大体上都是氧气，而剩下的大体上都是氮气。这样，如果将吸附时间控制在1分钟以内的话，就可以将氧和氮初步分离开来，也就是说，吸附和解吸是靠压力差来实现的，压力升高时吸附，压力下降时解吸。而区分氧和氮是靠两者被吸附的速度差，通过控制吸附时间来实现的，将时间控制的很短，氧已充分吸附，而氮还未来得及吸附，就停止了吸附过程。因而变压吸附制氮要有压力的变化，也要将时间控制在1分钟以内。
化工原理课程设计 学院：化学与材料科学学院 专业：化学工程与工艺 班级： 学号： 姓名：指导老师
课程设计任务书 指导教师（签名）教研室主任（签名）
目录 1. ....................................................................................................................................................... 前言1 2. ....................................................................................................................................................... 设计思路 1 3. ....................................................................................................................................................... 能源的合理利用 (2) 4. ....................................................................................................................................................... 具体任务说明 (2) 5. ....................................................................................................................................................... 确定管径、管材及其型号. (2) 6. ....................................................................................................................................................... 泵的选型 3 6.1总能量损失刀hf的计算 (4) 6.2 泵的确定 (5) 6.3 泵的最大允许安装高度的确定 (5) 7. 阀门及管件的选择 (6) 8. 流程说明 (6) 8.1 生产流程及阀门控制 (6) 8.1.1 正常生产流程 (6) 8.1.2阀门控制 (6) 8.2 壳程清洗流程及阀门控制 (7) 8.2.1 同时清洗壳程 (7) 8.2.1.1 同时清洗壳程的流程 (7) 8.2.1.2同时清洗壳程的阀门控制 (7) 8.2.2 单独清洗壳程 (7) 8.2.2.1 只洗一号换热器壳程的流程 (7) 8.2.2.2 只洗一号换热器壳程的阀门控制 (7) 8.2.2.3 只洗二号换热器壳程的流程 (7) 8.2.2.4只洗二号换热器壳程的阀门控制 (7) 8.2.2.5 只洗三号换热器壳程的流程 (7) 8.2.2.6只洗三号换热器壳程的阀门控制 (7)
内蒙古宜化化工有限公司30万吨/年聚氯乙烯 变压吸附装置 （工程号：KY9304） 工艺设计说明书 设计阶段：施工图 图号：KY9304-30-01 天津渤海化工集团规划设计院 中国天津 2009年06月
编制：方玉云09.6 校核：陶建设09.6 审核：许淑萍09.6
目录 1概述 (6) 1.1设计概况 (6) 1.2原料、产品及副产品 (7) 1.3公用工程参数及消耗量 (9) 1.4 生产制度和劳动定员 (10) 2 工艺 (12) 2.1 概述 (12) 2.2工艺原理 (12) 2.3工艺流程叙述 (13) 2.4设备选型说明 (14) 2.5能源利用 (14) 2.6主要控制指标 (15) 2.7装置布置 (16) 2.8吸附剂的装填及数量 (18) 2.9消耗定额 (18) 3管道设计 (20) 3.1概述 (20) 3.2变压吸附装置工艺管道特性 (20) 3.3设计遵循的标准规范 (20)
3.4管道及管道器材的选用 (21) 3.5吸附剂装填注意事项 (22) 3.6管道施工及验收 (22) 3.7管架设计 (24) 3.8静电接地与跨接 (24) 3.9程控阀安装方向 (24) 4防腐设计 (26) 4.1设计范围 (26) 4.2涂料选型 (26) 4.3施工要求 (26) 5绝热设计 (28) 5.1概述 (28) 5.2施工要求 (28)
1概述 1.1设计概况 1.1.1设计依据 1.1.1.1内蒙宜化（甲方）与四川开元科技有限公司（乙方）签订的《内蒙古宜化化工有限公司30万吨/年聚氯乙烯变压吸附装置》合同及技术附件； 1.1.1.2业主提供的气象、水文及地质概况、布置区域等设计基础资料。 1.1.2设计原则 1.1. 2.1采用先进、可靠的变压吸附气体分离技术，技术方案力求新近可靠，既要体现技术先进的优势，又要切实解决好工程放大和工程配套问题。 1.1. 2.2贯彻“五化”（一体化、露天化、轻型化、社会化、国产化）原则。 1.1. 2.3依托工厂现有设施，充分发掘工厂潜力，以节省投资，缩短建设周期，创造尽可能好的经济效益和社会效益。 1.1. 2.4严格执行国家和行业有关设计规范、规定及标准。 1.1. 2.5本装置的原料及产品为易燃易爆物质，在设计中严格执行国家及有关部委关于消防、环保、劳动安全与工业卫生的有关规范，采取有效措施，改善劳动条件，保证安全生产。 1.1.3设计范围及设计分工 1.1.3.1装置界区划分
ZY-1000/80Nm3/h变压吸附制氧 技术方案 目录 第一章：公司简介 第二章：变压吸附制氧简介 第三章：技术方案
第四章:近两年变压吸附设备部分业绩表 第五章：公司投资成功案例 一、公司简介 成都宏达新元科技有限公司是一家专业从事气体设备及气体产品应用研究开发的专业公司。公司的核心业务包括： 设备销售、租赁、整改 ★VPSA真空变压吸附制氧
★PSA变压吸附制氧设备 ★制氮设备、氮气纯化装置 ★LNG系统成套设备和LNG泵 企业拥有现代化标准生产车间和大批专业从事VPSA真空变压吸附、PSA变压吸附、气体分离及机械技术人员，为气体及气体设备领域用户提供独特的产品、服务、技术咨询和解决方案。 我公司下辖的企业有四川简阳天欣气体公司和广西百色聚源气体公司，为客户提供优质高纯度的气体。企业还在四川省内与成都欣国力低温公司、简阳川空通用机械厂建立了良好的合作关系。 我公司于2011年3月17日在梧州市苍梧县工商行政管理处登记注册成立的广西川桂气体科技有限公司。其性质为有限责任。注册资金2000万元人民币。 我们将不断完善售后服务、改善设备工艺、加强质量管理，并与研究机构密切配合，为广大用户提供更出色的产品与服务。。。。。。 二、变压吸附制氧技术简介 变压吸附制氧技术是近几十年发展起来的一种空分制氧工艺。与传统的深冷空分制氧装置相比，变压吸附制氧装置具有投资少、能耗低、运行维护费用低、工艺条件温和（常温、低压）、工艺流程简单、自动化程度高、操作灵活性高（可随时开停）、
建设工期短和安全性好等优点，因此得到国内外大型气体公司和研究机构的广泛关注，并纷纷投入巨大的人力物力研究开发。自九十年代国外开发成功高效锂基制氧分子筛后，变压吸附空分制氧技术开始迅猛发展并得到广泛应用。目前，在很多用氧场合下变压吸附空分制氧可替代深冷空分制氧，并且装置的经济性明显优于传统的深冷空分制氧装置。 2.1．变压吸附空气分离制氧原理 空气中的主要组份是氮和氧，因此可选择对氮和氧具有不同吸附选择性的吸附剂，设计适当的工艺过程，使氮和氧分离制得氧气。氮和氧都具有四极矩，但氮的四极矩（0.31?\u65289X 比氧的（0.10 ?\u65289X大得多，因此氮气在沸石分子筛上的吸附能力比氧气强（氮与分子筛表面离子的作用力强，如图1 所示）。因此，当空气在加压状态下通过装有沸石分子筛吸附剂的吸附床时，氮气被分子筛吸附，氧气因吸附较少，在气相中得到富集并流出吸附床，使氧气和氮气分离获得氧气。当分子筛吸附氮气至接近饱和后，停止通空气并降低吸附床的压力，分子筛吸附的氮气可以解吸出来，分子筛得到再生并重复利用。两个以上的吸附床轮流切换工作，便可连续生产出氧气。