低温 变压吸附 变温吸附
高温
P2
P3
P
第四部分
吸附分离的基本过程
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1、吸附过程描述
将固体物料吸附剂充填在容器(固定床)中，当气流经过 床层时，固体物料不被扰动。要求吸附床上下有较好 的气流分布设施。最理想的状况是活塞流或称平推流， 这样吸附剂的利用才充分。 假设床层内吸附剂完全没有阻力，吸附质就会一直以 C0的初始浓度向气体流动方向推进。但是由于传质阻 力的存在、流体速度、吸附相平衡等的影响，混合物 通过吸附床层时，首先在吸附床入口处形成S形曲线， 此曲线称为吸附前沿。
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3种氢气分离方法比较
比较项目 技术情况 氢气纯度(％) 能耗 氢氧气回收率% 操作压力， MPa 生产可调性 装置出产品时间 装置占地面积 装置投资 低温精馏法(ASU) 成熟 90~99 高 90 ~95 1.0 ~8.0 较难 数小时～数十小时 较大 高 变压吸附法(PSA) 成熟 98~99.999 低 60~92 0.5 ~3.0 容易 数分钟～数十分钟 中 低 膜分离法(Memb.) 技术开发阶段 ~98 较低

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常用气体分离方法

变压吸附法：利用不同气体在吸附剂上吸附性能的差 异，以及同种气体在吸附剂上的吸附性能随压力的变 化而变化的特性来实现混合气体料气中的H2O、H2S、CO2等杂质组 份可一步除去，不需进行预处理； (3)操作简便，能耗低。一般在常温和不高的压力下操 作，设备简单，整个过程全部实现自动化； (4)吸附剂寿命长，为半永久性使用，每年只需少量补 充，正常操作条件下吸附剂一般使用10年以上。
90~92 3.0 ~15.0或更高 容易 数分钟 较小 低
第三部分
吸附的基本概念
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1、吸附、吸附相、脱附

吸附－－固体表面原子的剩余引力对气体分子的吸着 现象。当气体分子运动到固体表面时，由于固体表面 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，形成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的吸附。 吸附相－－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。其分子密度非常大，可能接近于液 体。 脱附－－固体表面上被吸附的分子又重新返回气体相 的过程称为脱附或解吸。
变压吸附技术
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什么是变压吸附(PSA)?
变压吸附－－
Pressure Swing Adsorption
缩写为PSA
第一部分 第二部分 第三部分 第四部分
PSA技术发展历程简介 混合气体常用的几种分离方法介绍 吸附的基本概念 吸附分离的基本过程
第五部分
第六部分
吸附剂介绍
变压吸附技术的应用
Ⅰ
吸 附 量
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
相对压力 (P/P0)
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吸附等温线的几种类型
吸附等温线通常被分为5种类型，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是平缓地趋近饱和值的郎格谬尔型等温吸附线， 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份的 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。

冲洗：利用纯产品气或者其它适当的气体通过需再生 的吸附床，被吸附组份的分压随冲洗气通过而下降， 从而达到吸附剂再生的目的。 特点：该方法的再生程度取决于冲洗气的用量和纯度， 由于通常采用产品气冲洗，因此产品收率较低。

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4、吸附剂再生的基本步骤
置换：用一种吸附能力较强的气体把原先被吸附的组 份从吸附剂上置换出来。这种方法常用于产品组份吸 附能力强而杂质组份吸附能力弱即从吸附相获得产品 的场合，如PSA-CO，PSA-CO2装置。 特点：该方法能较大幅度提高吸附能力强的产品组份的 浓度，但必须与抽空再生方法配合使用。
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6、吸附量
吸附量：吸附达到平衡时单位重量吸附剂所吸附的气体 量。也称为平衡吸附量。 测量方法如下： P T 弹簧秤 先抽真空，得到弹簧秤读数W0 密闭容器 引入气体，平衡后得到读数W 吸附量q

W－ W0
钢瓶
吸附剂
q=
M
(毫升/克) 吸附剂重量
抽真空
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7、吸附等温线、吸附等压线
特点：该方法操作简单，但吸附组份的解吸不充分， 吸附剂再生程度不高。
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4、吸附剂再生的基本步骤
抽真空：吸附床在降到大气压后，为了进一步减小吸 附组份的分压，可用抽空的方法来降低吸附床压力， 以得到更好的再生效果。 特点：该方法再生效率高，所得产品回收率高，但要增 加动力消耗和真空泵的投资。

通常在变压吸附过程中是根据被分离的气体混合物各 组份性质、产品要求、吸附剂的特性以及操作条件来 选择几种上述的再生方法配合实施的。
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5、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，最常 采用的为常压解吸和抽空解吸两种。下图 为这两种循环过程的基本过程示意图。



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9、变压、变温吸附的理论依据
变压吸附：在加压下进行吸附，减 压下进行解吸，由于吸附循环周期 短，吸附热来不及散失，可供解吸 q3 之用，可近似看做等温过程。从图 q2 中看出，变压吸附过程是在一条等 q1 温吸附线上变化。 变温吸附：在较低温度下进行吸附，q 升高温度将吸附的组份解吸出来。 从图中看出，变温吸附过程是在两 条不同温度的等温线之间上下移动 进行着吸附和解吸。

吸附等温线：固定温度T不变，改变压力P，测出不同压 力P1、P2、P3……下的吸附量q1、q2、q3……。然后 以P为横坐标，以q为纵坐标，得到的曲线称为吸附等温 线。它是描述吸附量与吸附压力之间关系的曲线。改变 钢瓶内气体组份，就能得到不同气体的吸附等温线。变 压吸附技术主要依据吸附剂上不同气体的吸附等温线来 确定吸附剂的选用。 吸附等压线：固定压力P不变，改变温度T，测出不同温 度T1、T2、T3……下的吸附量q1、q2、q3……。然后 以T为横坐标，以q为纵坐标，得到的曲线称为吸附等压 线。它是描述吸附量与吸附温度之间关系的曲线。

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固定床的吸附分离
氢气
H2 富集区 N2 富集区 CO 富集区 CH4 富集区 CO2 富集区 C2＋富集区
吸附床
原料气
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4、吸附剂再生的基本步骤
吸附剂被吸附质吸附饱和后必须进行再生才能进行再 一次的吸附，常用的再生方法有以下几种，其目的都 是为了降低吸附剂上被吸附组份的分压。 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，这时一部分被吸附组份解吸出来。
第二部分
常用气体分离方法介绍
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常用气体分离方法
低温分离法：利用气体组份间沸点的差异，采用低温精 馏实现混合气体组份的分离的方法。已有100多年的历 史，主要用于大规模空分制O2、N2。 其局限性在于： (1)工艺中要先除去CO2和H2O等高沸点组份，预处理系 统复杂； (2)需消耗大量的冷量，能耗高； (3)设备复杂，开停车不方便，开车数小时才能得到合 格产品； (4)产品纯度低，沸点相近的组份要分离得到高纯度产 品很困难。

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常用吸附剂吸附等温线
90
ü Î Î (ml/g) ÎÎÎ
75 60 45 30 15 0 0 0.1 0.2 0.3 C2H6
C3H8
CO2 CH4 H2 CO N2 O2 0.4 0.5
ü Î Î Î (MPa) Î
常见气体组份在CNA229吸附剂上的吸附等温线
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常用吸附剂吸附等温线

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吸附过程描述
S形曲线所在的区域称为 传质区。随着气流的不断进 入，吸附床底部吸附剂逐渐 达到吸附平衡，此区域吸附 剂不再吸附杂质，称为吸附 饱和区。传质区以上的床层 吸附剂未吸附杂质，称为未 饱和区。

未饱和区 传质区 饱和区
原料气
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3、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 吸附床出口端，并随着时间推移，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的饱和，便可绘出流出曲 线。 当传质区达到吸附床出口端时，流出气体中的吸附质 浓度开始突然上升的位置，就是所谓的穿透点(图中2 点)，与其相对应的吸附质浓度和吸附时间分别称为穿 透浓度和穿透时间。

硅胶 SG
活性炭 Ac
500~600 m2/g
700~1100 m2/g

分子筛 MS
700~1000 m2/g（其外表面积仅 为2.67×10-4 m2/g
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4、吸附的分类

吸附分为物理吸附和化学吸附
物理吸附－－也称范德华吸附，是由吸附质分子和吸 附剂表面分子之间的引力产生的吸着现象，是可逆的 表面吸附。变压吸附过程属于物理吸附。 化学吸附－－吸附过程中伴有化学反应的吸附，是不 可逆的吸附，吸附过程发生了质变。石灰石吸附氯气， 沸石吸附乙烯的过程属于化学吸附。


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2、吸附剂、吸附质、吸附热、解吸热

吸附剂－－吸附物质的固体称为吸附剂。 吸附质－－被吸附的物质称为吸附质。


吸附热－－伴随吸附过程所释放的热量称为吸 附热。