Адсорбция при переменном давлении

Схематическое изображение процесса PSA («ария» = вход воздуха). Обратите внимание на симметрию в вертикальной плоскости между левым и правым эскизами.

Генератор азота с использованием PSA

Адсорбция при переменном давлении ( PSA ) — это метод, используемый для отделения некоторых видов газа от смеси газов (обычно воздуха) под давлением в соответствии с молекулярными характеристиками частиц и их сродством к адсорбирующему материалу. Он работает при температуре, близкой к температуре окружающей среды, и существенно отличается от криогенной дистилляции, обычно используемой для разделения газов. селективные адсорбирующие материалы (например, цеолиты (также известные как молекулярные сита ), активированный уголь В качестве улавливающего материала используются и т. д.), преимущественно адсорбирующие целевые виды газа при высоком давлении. Затем процесс переходит к низкому давлению для десорбции адсорбированного газа.

Процесс

Анимация адсорбции при переменном давлении (1) и (2), показывающая попеременную адсорбцию и десорбцию.

я	вход сжатого воздуха		А	адсорбция
ТО	выход кислорода		Д	десорбция
И	выхлоп

Процесс адсорбции при переменном давлении (PSA) основан на том явлении, что под высоким давлением газы имеют тенденцию задерживаться на твердых поверхностях, т.е. «адсорбироваться». Чем выше давление, тем больше газа адсорбируется. При падении давления газ высвобождается или десорбируется. PSA можно использовать для разделения газов в смеси, поскольку разные газы более или менее сильно адсорбируются на данной твердой поверхности. Например, если газовую смесь, такую ​​как воздух, пропустить под давлением через сосуд, содержащий слой адсорбента из цеолита, который притягивает азот сильнее, чем кислород , часть азота останется в слое, и газ, выходящий из сосуда, будет богаче. кислорода, чем входящая смесь. Когда слой достигает предела своей способности адсорбировать азот, его можно регенерировать, снижая давление, высвобождая таким образом адсорбированный азот. Затем он готов к следующему циклу производства воздуха, обогащенного кислородом.

Использование двух емкостей с адсорбентом позволяет практически непрерывно производить целевой газ. Это также позволяет выравнивать давление, при котором газ, выходящий из сосуда, в котором давление разгерметизировано, используется для частичного повышения давления во втором сосуде. Это приводит к значительной экономии энергии и является обычной промышленной практикой.

Адсорбенты

Помимо способности различать различные газы, адсорбенты для систем PSA обычно представляют собой очень пористые материалы, выбранные из-за их большой удельной поверхности . Типичными адсорбентами являются цеолит , активированный уголь , силикагель , оксид алюминия или синтетические смолы . Хотя газ, адсорбированный на этих поверхностях, может состоять из слоя толщиной всего в одну или самое большее несколько молекул, площади поверхности в несколько сотен квадратных метров на грамм позволяют адсорбировать большую часть массы адсорбента в газе. Помимо сродства к различным газам, цеолиты и некоторые типы активированного угля могут использовать свои характеристики молекулярного сита для исключения некоторых молекул газа из своей структуры в зависимости от размера и формы молекул, тем самым ограничивая способность более крупных молекул быть адсорбированный.

Приложения

Мембранный блок газосепаратора, используемый в процессе утилизации свалочного газа

Процесс распределения кислорода,

Помимо использования для подачи медицинского кислорода или в качестве замены криогенного хранилища или хранилища сжатого воздуха, которое является основным источником кислорода для любой больницы, PSA имеет множество других применений. Одним из основных применений PSA является удаление диоксида углерода (CO ₂ ) в качестве заключительного этапа крупномасштабного коммерческого синтеза водорода (H ₂ ) для использования на нефтеперерабатывающих заводах и при производстве аммиака (NH ₃ ). . Нефтеперерабатывающие заводы часто используют технологию PSA для удаления сероводорода (H ₂ S) из водородного сырья и рециркуляционных потоков установок гидроочистки и гидрокрекинга . Еще одним применением PSA является отделение диоксида углерода от биогаза для увеличения содержания метана (CH ₄ ).

Распределение кислорода, производимого по первичной линии, поступающей от установки КЦА.

Благодаря PSA биогаз может быть повышен до качества, аналогичного природному газу . Это включает в себя процесс утилизации свалочного газа для переработки свалочного газа в метан высокой степени чистоты, который будет продаваться как природный газ.

PSA также используется в:

• Системы пожаротушения гипоксическим воздухом для производства воздуха с низким содержанием кислорода.
• Специализированные по производству пропилена установки пропана методом дегидрирования . Они состоят из селективной среды, обеспечивающей преимущественную адсорбцию метана и этана по сравнению с водородом.
• Промышленные азотные генераторы на основе процесса PSA позволяют производить газообразный азот высокой чистоты (до 99,9995%) из сжатого воздуха. Однако такие генераторы больше подходят для обеспечения промежуточных диапазонов чистоты и расхода. Мощности таких агрегатов указаны в Нм. ³ /ч, нормальные кубические метры в час, один Нм ³ /ч эквивалентен 1000 литрам в час при любом из нескольких стандартных условий температуры, давления и влажности.
  • для азота: от 100 Нм ³ /ч при чистоте 99,9%, до 9000 Нм ³ /ч при чистоте 97%;
  • для кислорода: до 1500 Нм ³ /ч с чистотой от 88% до 93%.

В рамках улавливания и хранения углерода (CCS) в настоящее время также проводятся исследования по улавливанию CO ₂ в больших количествах на угольных электростанциях перед геосеквестрацией , чтобы сократить производство парниковых газов на этих станциях.

PSA также обсуждался как будущая альтернатива технологии нерегенерируемых сорбентов, используемой в скафандра основных системах жизнеобеспечения , с целью снижения веса и продления срока службы скафандра.

Этот процесс используется в медицинских концентраторах кислорода, используемых пациентами с эмфиземой и COVID-19, а также другими людьми, которым для дыхания необходим воздух, обогащенный кислородом.

Вариации технологии PSA

Двухступенчатый PSA

(DS-PSA, иногда также называемый двухступенчатым PSA)
В этом варианте PSA, разработанном для использования в лабораторных генераторах азота, газообразный азот производится в два этапа: на первом этапе сжатый воздух принудительно проходит через углеродное молекулярное сито для получения азота чистотой примерно 98%; на втором этапе этот азот принудительно проходит во второе углеродное молекулярное сито, и газообразный азот достигает конечной чистоты до 99,999%. Продувочный газ со второго этапа рециркулируется и частично используется в качестве сырьевого газа на первом этапе.

Кроме того, процесс очистки поддерживается активной эвакуацией для повышения производительности в следующем цикле. Целью обоих этих изменений является повышение эффективности по сравнению с традиционным процессом PSA.

DS-PSA также можно применять для повышения концентрации кислорода. При этом цеолит на основе алюмосиликата на первой стадии адсорбирует азот, достигая на выходе 95% кислорода, а на второй стадии молекулярное сито на основе углерода адсорбирует остаточный азот в обратном цикле, концентрируя кислород до 99%.

Быстрый ПСА

Адсорбция с быстрым перепадом давления (RPSA) часто используется в портативных концентраторах кислорода . Это позволяет значительно уменьшить размер слоя адсорбента, когда высокая чистота не является существенной и когда сырьевой газ (воздух) можно отбросить. Он работает путем быстрого изменения давления при поочередном выпуске воздуха из противоположных концов колонны с одинаковой скоростью. Это означает, что неадсорбированные газы продвигаются по колонке гораздо быстрее и выводятся на дистальном конце, тогда как адсорбированные газы не имеют возможности продвигаться и выводятся на проксимальном конце.

Вакуумная адсорбция

Вакуумная адсорбция (VSA) отделяет определенные газы от газовой смеси при давлении, близком к атмосферному; затем процесс переходит в вакуум для регенерации адсорбирующего материала. VSA отличается от других методов PSA, поскольку он работает при температуре и давлении, близких к окружающей среде. VSA обычно пропускает газ через процесс разделения в вакууме. В системах VSA с кислородом и азотом вакуум обычно создается с помощью воздуходувки. Также существуют гибридные системы вакуумной адсорбции с переменным давлением (VPSA). В системах VPSA в процессе разделения применяется газ под давлением, а также применяется вакуум к продувочному газу. Системы VPSA, как и один из портативных концентраторов кислорода, являются одними из наиболее эффективных систем, измеряемых по обычным отраслевым показателям, таким как регенерация (выход продуктового газа/вход продуктового газа) и производительность (выход продуктового газа/масса ситового материала). Как правило, более высокая степень извлечения приводит к использованию компрессора, нагнетателя или другого источника сжатого газа или вакуума меньшего размера и более низкому энергопотреблению. Более высокая производительность приводит к уменьшению размеров сит. Потребитель, скорее всего, будет рассматривать индексы, которые имеют более непосредственно измеримую разницу в системе в целом, например, количество полученного газа, разделенное на вес и размер системы, первоначальные затраты на обслуживание системы и затраты на техническое обслуживание, энергопотребление системы или другие эксплуатационные затраты, а также надежность.

См. также

• Адсорбция - явление поверхностной адгезии.
• Осушитель сжатого воздуха – системы фильтрации для снижения влажности сжатого воздуха
• Разделение газов - методы получения нескольких продуктов или очистки продукта.
• Водородный пинч – метод оптимизации нефтехимического процесса
• Очиститель водорода — технология очистки водорода . Страницы с кратким описанием целей перенаправления.
• Гипоксикатор – устройство для подачи воздуха для дыхания с пониженным содержанием кислорода.
• Промышленный газ - газообразные материалы, производимые для использования в промышленности.
• Кислородный концентратор - устройство, удаляющее азот из воздуха.
• Первапорация - метод разделения смесей жидкостей путем частичного испарения через непористую или пористую мембрану. Страницы, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта.

Дальнейшее чтение

• Хатсон, Ник Д.; Реге, Салил У.; и Ян, Ральф Т. (2001). «Разделение воздуха путем абсорбции при переменном давлении с использованием улучшенного абсорбента», Национальная лаборатория энергетических технологий, Министерство энергетики, март 2001 г.
• Рутвен, Дуглас М. (2004). Принципы абсорбции и процесса абсорбции, Wiley-InterScience, Хобокен, Нью-Джерси, с. 1
• Ян, Ральф Т. (1997). «Разделение газов абсорбционными процессами», Серия по химической технологии, Vol. Я, World Scientific Publishing Co., Сингапур.
• Рутвен, Дуглас М.; Шамсузман Фарук, Кент С. Кнебель (1993). Адсорбция при переменном давлении . Вайли-ВЧ. ISBN  9780471188186 .
• Сантос, Жоау К.; Магальяйнс, Фернан Д.; и Мендес, Аделио, «Абсорбция при переменном давлении и цеолиты для производства кислорода», в Processos de Separação, Universidado do Porto, Порту, Португалия.