Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схематическое изображение процесса PSA ("aria" = воздухозаборник)
Генератор азота с использованием PSA

Адсорбция при переменном давлении ( PSA ) - это технология, используемая для отделения некоторых разновидностей газа от смеси газов под давлением в соответствии с молекулярными характеристиками разновидностей и сродством к адсорбирующему материалу. Он работает при температурах, близких к температуре окружающей среды, и существенно отличается от методов криогенной дистилляции разделения газов . Специальные адсорбирующие материалы (например, цеолиты , активированный уголь , молекулярные сита и т. Д.) Используются в качестве ловушки, предпочтительно адсорбируя целевые газовые частицы при высоком давлении. Затем процесс переходит на низкое давление для десорбции адсорбированного материала.

Процесс [ править ]

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 притягиваться к разным твердым поверхностям. Если газовая смесь, такая как воздух, проходит под давлением через сосуд, содержащий слой адсорбента из цеолита, который притягивает азот сильнее, чем кислород , часть или весь азотостанется 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, таким образом, адсорбированный азот. Затем он готов к другому циклу производства воздуха, обогащенного кислородом.

Этот процесс используется в медицинских концентраторах кислорода, используемых пациентами с эмфиземой и другими людьми, которым для дыхания требуется воздух, обогащенный кислородом.

Использование двух емкостей с адсорбентом позволяет практически непрерывно добывать целевой газ. Это также позволяет так называемое выравнивание давления , когда газ, выходящий из баллона со сброшенным давлением, используется для частичного повышения давления во втором резервуаре. Это приводит к значительной экономии энергии и является обычной производственной практикой.

Адсорбенты [ править ]

Помимо их способности различать разные газы, адсорбенты для систем PSA обычно представляют собой очень пористые материалы, выбираемые из-за их большой удельной поверхности . Типичными адсорбентами являются активированный уголь , силикагель , оксид алюминия , 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 большую часть веса адсорбента в газе. Помимо селективности по отношению к различным газам, цеолиты и некоторые типы активированного угля, называемые углеродными молекулярными ситами. могут использовать характеристики своих молекулярных сит, чтобы исключить некоторые молекулы газа из своей структуры на основе размера молекул, тем самым ограничивая способность более крупных молекул адсорбироваться.

Приложения [ править ]

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. Одним из основных применений PSA является удаление диоксида углерода (CO 2 ) на заключительном этапе крупномасштабного промышленного синтеза водорода (H 2 ) для использования на нефтеперерабатывающих заводах и в производстве аммиака (NH 3 ). . Нефтеперерабатывающие заводы часто используют технологию PSA для удаления сероводорода (H 2 S) из подаваемого водорода и рециркулирующих потоков гидроочистки и гидрокрекинга.единицы. Еще одно применение PSA - отделение диоксида углерода от биогаза для увеличения соотношения метана (CH 4 ). С помощью PSA качество биогаза можно повысить до качества, аналогичного природному газу . Это включает в себя процесс утилизации свалочного газа для повышения качества свалочного газа до метана высокой степени чистоты для бытового использования, который будет продаваться как природный газ. [1]

PSA также используется в: -

  • Системы предотвращения возгорания гипоксическим воздухом для получения воздуха с низким содержанием кислорода.
  • Целевые установки пропилена дегидрированием пропана. Они состоят из селективной среды для предпочтительной адсорбции метана и этана над водородом. [2]
  • Промышленные генераторы азота, в которых используется технология 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 указывается в Нм3 / ч, нормальных кубических метрах в час, при этом один Нм3 / ч 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 2 в больших количествах на угольных электростанциях с помощью PSA до геологоразведки , чтобы сократить производство парниковых газов на этих электростанциях. [4] [5]

PSA также обсуждался как будущая альтернатива технологии невозобновляемого сорбента, используемой в первичных системах жизнеобеспечения скафандра , с целью снижения веса и увеличения срока службы скафандра. [6]

Варианты технологии PSA [ править ]

Двухступенчатый PSA [ править ]

(DS-PSA, иногда называемый Dual Step PSA). В этом варианте PSA, разработанном для использования в лабораторных генераторах азота, производство газообразного азота разделено 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.

Rapid PSA [ править ]

Адсорбция с быстрым изменением давления или RPSA часто используется в портативных концентраторах кислорода . Это позволяет значительно уменьшить размер слоя адсорбента, когда высокая чистота не является существенной и исходный газ может быть удален. [7] Он работает за счет быстрой смены давления при попеременном удалении воздуха из противоположных концов колонны с той же скоростью. Это означает, что неадсорбированные газы продвигаются по колонке намного быстрее и удаляются на дистальном конце, в то время как адсорбированные газы не имеют возможности продвигаться и выпускаются на проксимальном конце. [8]

Вакуумная адсорбция [ править ]

Вакуумная адсорбция(VSA) отделяет определенные газы от газовой смеси при давлении, близком к окружающему; затем процесс переходит в вакуум, чтобы регенерировать адсорбирующий материал. 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 продукта), производительность (выход продукта газа / масса материала сита). В общем,более высокое восстановление приводит к меньшему объему компрессора, нагнетателя или другого источника сжатого газа или вакуума и меньшему потреблению энергии. Чем выше производительность, тем меньше размер сит. Потребитель, скорее всего, рассмотрит индексы, которые имеют более непосредственно измеримую разницу в системе в целом, такие как 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.начальные затраты и затраты на обслуживание системы, энергопотребление системы или другие эксплуатационные расходы, а также надежность.начальные затраты и затраты на обслуживание системы, энергопотребление системы или другие эксплуатационные расходы, а также надежность.

См. Также [ править ]

  • Адсорбция  - процесс, возникающий в результате притяжения атомов, ионов или молекул газа, жидкости или раствора, прилипающих к поверхности.
  • Осушитель сжатого воздуха
  • Разделение газов  - методы получения нескольких продуктов или очистки продукта
  • Щепотка водорода
  • Очиститель водорода
  • Промышленный газ  - газообразные материалы, производимые для использования в промышленности.
  • Кислородный концентратор  - устройство, удаляющее азот из воздуха.
  • Первапорация

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Заявка на получение награды SWANA 2012 за выдающиеся достижения« Контроль свалочного газа »Seneca Landfill, Inc» (PDF) : 8 . Проверено 13 октября +2016 . Cite journal requires |journal= (help)
  2. ^ Производство пропилена путем дегидрирования пропана, Программа экономики технологий . Intratec. 2012. ISBN. 9780615661025.
  3. ^ Air Products and Chemicals, Inc (2009). "Systèmes de production de gaz PRISM®" (PDF) (на французском языке).
  4. ^ http://www.co2crc.com.au Архивировано 19 августа 2006 г., в 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 (2005-01-08). «Усовершенствованная система контроля CO2 и H2O с быстрым циклом для PLSS» . НАСА . Проверено 24 февраля 2007 .
  7. ^ Чай, ЮЗ; Kothare, MV; Сиркар, С. (2011). «Адсорбция с быстрым изменением давления для снижения фактора размера слоя медицинского концентратора кислорода». Промышленные и инженерные химические исследования . 50 (14): 8703. DOI : 10.1021 / ie2005093 .
  8. ^ Рутвен, Дуглас М .; Шамсузман Фарук, Кент С. Кнебель (1993). Адсорбция при переменном давлении . Wiley-VCH. ISBN 9780471188186.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Хатсон, Ник Д .; Rege, Salil U .; и Ян, Ральф Т., «Разделение воздуха абсорбцией при колебаниях давления с использованием абсорбента высшего качества», Национальная лаборатория энергетических технологий, Министерство энергетики, март 2001 г.
  • «Адсорбция», 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.