第一篇：化工原理變壓吸附論文（本站推薦）

變壓吸附

摘要

介紹了變壓吸附技術的基本原理及其開發與應用，并對今后變壓吸附空氣分離技術的發展方向提出了看法。關鍵詞

空氣分離 變壓吸附 制氧

1.引言

變壓吸附(PSA 3技術是近幾十年崛起的氣體分離技術，PSA用于制氧是近來發展起來的新技術。它與傳統的已有近百年歷史的深冷法制氧工藝相比，兩者各有千秋，在制氧領域各自發揮獨自的優勢，又彼此激烈競爭。近幾年，由于變壓吸附空分制氧工藝具有操作靈活方便、投資少、性能好等優點，使其在中小規模空分領域確立了優勢，并正不斷向大型化發展，對它的研究也成為化工領域的一個熱點。

2.變壓吸附基本原理

2.1吸附的定義

當兩相組成一個體系時，兩相界面處的成分與相內成分是不同的，在兩相界面處會產生積蓄，這種現象稱為吸附；而被吸附的原子或分子返回到液相或氣相的過程，稱為解吸。在兩相界面處，被吸附的物質稱為吸附質，吸附相稱為吸附劑。

2.2常用的吸附劑

主要有活性白土、硅膠、活性氧化鋁、活性炭、碳分子篩、合成沸石分子篩等。2.3變壓吸附工作的基本步驟

單一的固定吸附床操作，無論是變溫吸附還是變壓吸附,由于吸附劑需要再生，吸附是間歇式的。因此，工業上都是采用兩個或更多的吸附床，使吸附床的吸附和再生交替（或依次循環）進行，保證整個吸附過程的連續。

對于變壓吸附循環過程，有三個基本工作步驟： 1．壓力下吸附

吸附床在過程的最高壓力下通入被分離的氣體混合物，其中強吸附組分被吸附劑選擇性吸收，弱吸附組分從吸附床的另一端流出。

2．減壓解吸

根據被吸附組分的性能，選用前述的降壓、抽真空、沖洗和置換中的幾種方法使吸附劑獲得再生。一般減壓解吸，先是降壓到大氣壓力，然后再用沖洗、抽真空或置換。

3．升壓

吸附劑再生完成后，用弱吸附組分對吸附床進行充壓，直到吸附壓力為止。接著又在壓力下進行吸附。

3變壓吸附空氣分離技術應用與開發

3.1變壓吸附工藝發展現狀

變壓吸附空分制氧工藝技術的進展與分子篩研制的成就息息相關。初期的PSA制氧裝置大多為高壓吸收，常壓解吸，后來在中大型裝置上采用了略高于常壓下吸附在真空下解吸的方法。目前工業上操作狀況如表3所示。一般來講，若提高吸附壓力，則吸附劑吸附的氮量增加，因此能減少吸附劑用量，但由于解吸排氣的氣量增加，所以氧收率降低。為了提高氧氣回收率，減少電耗，工藝上將吸附壓力降至略高于大氣壓，解吸采用抽真空，這是目前大型工業制氧裝置的主流。3.2從空氣中制取富氧

傳統的制氧方法是空氣的深冷分餾，此法可制取高純度的氧、氮和惰性氣體，也是大規模生產這些氣體的最經濟的方法。但在許多場合，如廢水處理、金屬冶煉、醫療供氧、化工造氣等等并不需要象深冷分餾法所制得的高純度氧氣，而且富氧的需用量相對高純度氧要更多些。為此人們很早就企圖實現用比深冷法更簡便的方法富集氧氣。對分子篩的研究發現，在5A型分子篩上空氣中的氮是被優先選擇吸附的分子，自此注意到應用分子篩分離富氮的可能性。變壓吸附法制取富氧與變壓吸附本身的開發一樣，是沿著兩條途徑進行的：一方面是改善吸附劑的性能，以增大氮的吸附能力和富氮的分離系數；另一方面是改進工藝流程，根據富氧生產能力、純度即吸附劑性能開發有各種二床、三床流程，前面介紹的多床制氫工藝也適用于生產富氧，吸附床數增加可提高產氧能力、降低總耗電量，但額外投資和床數增加的復雜性在經濟上導致過于昂貴。所以目前工業上開發應用較多的是二、三床流程。

此法在吸附壓力0.025MPa、抽空最終壓力190乇下操作時，生產富氧純度９３％，氧的回收率為３６～３９％。近年來，隨著吸附劑制氧能力提高和工藝流程回收死空間氣體的改進，所得富氧純度大于９０％時，回收率為５０％，消耗能量小于０.５kwh/m3-O2,這個能耗已經與深冷空分制氧相接近。

3.3PSA制氧技術開發

3.3.1 新的制氧工藝——真空變壓吸附

通常PSA采用的工藝是0.3-0.4MP加壓吸附和常壓解吸。1983年A.G Bager首先開發了真空變壓吸附（VPSA）工藝，并申請了專利。所謂VPSA的制氧工藝就是在壓力小于0.1MPa下吸附，真空下解吸。實踐表明，真空再生法的性能優于常壓再生法，又由于解吸用真空泵的能耗要比原料空氣壓縮機能耗低得多，從而降低了單位能耗。在這以后所公布的很多專利，都是以提高氧純度及回收率為目的的。日本酸素工業株式會社即開發了低壓吸附、均壓、抽空、產品沖洗再說的生產 工藝。據報道，用該工藝制取的氧氣純度為93%-95%，產量為1000m3/h時的單耗為0.42kWh/Nm3。

3.3.2VPSA的操作條件

再生壓力：再生壓力對產品氧氣的回收率影響最大，用高真空再生可得到較好的回收率，然而單純提高真空度是不經濟的；最佳壓力變化范圍取決于原料空氣壓縮所需能耗、真空泵的能耗及產品氧的回收率，對于一定的吸附劑還需通過試驗加以決定。

4結束語

隨著科學技術的發展，對氧氣產品的需求量也在不斷增長。從世界范圍看變壓吸附制氧裝置的能力仍處于擴大的趨勢，擴大的領域和速度與PSA法技術不斷取得的新進展密切相關。由于新型分子篩的開發和工藝技術的日臻完善，結果使產品氧純度提高，氧回收率增加，投資和能耗下降，無形中增加了它的競爭力。這就是將它列入高新技術并至今十分活躍的原因。利用當代前沿科學已取得的新成就研制性能優良的吸附劑，精心設計、優化流程是開發的方向和重點課題，年輕的PSA法制氧技術方興未艾。

第二篇：變壓吸附原理及應用

變壓吸附氣體分離技術

第一節 氣體吸附分離的基礎知識

一、吸附的定義

當氣體分子運動到固體表面上時，由于固體表面的原子的剩余引力的作用，氣體中的一些分子便會暫時停留在固體表面上，這些分子在固體表面上的濃度增大，這種現象稱為氣體分子在固體表面上的吸附。相反，固體表面上被吸附的分子返回氣體相的過程稱為解吸或脫附。被吸附的氣體分子在固體表面上形成的吸附層，稱為吸附相。吸附相的密度比一般氣體的密度大得多，有可能接近液體密度。當氣體是混合物時，由于固體表面對不同氣體分子的壓力差異，使吸附相的組成與氣相組成不同，這種氣相與吸附相在密度上和組成上的差別構成了氣體吸附分離技術的基礎。

吸附物質的固體稱為吸附劑，被吸附的物質稱為吸附質。伴隨吸附過程所釋放的的熱量叫吸附熱，解吸過程所吸收的熱量叫解吸熱。氣體混合物的吸附熱是吸附質的冷凝熱和潤濕熱之和。不同的吸附劑對各種氣體分子的吸附熱均不相同。

按吸附質與吸附劑之間引力場的性質，吸附可分為化學吸附和物理吸附。

化學吸附：即吸附過程伴隨有化學反應的吸附。在化學吸附中，吸附質分子和吸附劑表面將發生反應生成表面絡合物，其吸附熱接近化學反應熱。化學吸附需要一定的活化能才能進行。通常條件下，化學吸附的吸附或解吸速度都要比物理吸附慢。石灰石吸附氯氣，沸石吸附乙烯都是化學吸附。

物理吸附：也稱范德華（van der Waais)吸附，它是由吸附質分子和吸附劑表面分子之間的引力所引起的，此力也叫作范德華力。由于固體表面的分子與其內部分子不同，存在剩余的表面自由力場，當氣體分子碰到固體表面時，其中一部分就被吸附，并釋放出吸附熱。在被吸附的分子中，只有當其熱運動的動能足以克服吸附劑引力場的位能時才能重新回到氣相，所以在與氣體接觸的固體表面上總是保留著許多被吸附的分子。由于分子間的引力所引起的吸附，其吸附熱較低，接近吸附質的汽化熱或冷凝熱，吸附和解吸速度也都較快。被吸附氣體也較容易地從固體表面解吸出來，所以物理吸附是可逆的。分離氣體混合物的變壓吸附過程系純物理吸附，在整個過程中沒有任何化學反應發生。本文以下敘述的除了注明之外均為氣體的物理吸附。

二、吸附劑

１．

吸附劑的種類

工業上常用的吸附劑有：硅膠、活性氧化鋁、活性炭、分子篩等，另外還有針對某種組分選擇性吸附而研制的吸附材料。氣體吸附分離成功與否，極大程度上依賴于吸附劑的性能，因此選擇吸附劑是確定吸附操作的首要問題。

硅膠是一種堅硬、無定形鏈狀和網狀結構的硅酸聚合物顆粒，分子式為SiO2.nH2O，為一種親水性的極性吸附劑。它是用[wiki]硫酸[/wiki]處理硅酸鈉的水溶液，生成凝膠，并將其水洗除去硫酸鈉后經干燥，便得到玻璃狀的硅膠，它主要用于干燥、氣體混合物及[wiki]石油[/wiki]組分的分離等。工業上用的硅膠分成粗孔和細孔兩種。粗孔硅膠在相對濕度飽和的條件下，吸附量可達吸附劑重量的８０％以上，而在低濕度條件下，吸附量大大低于細孔硅膠。活性氧化鋁是由鋁的水合物加熱脫水制成，它的性質取決于最初氫氧化物的結構狀態，一般都不是純粹的Al2O3,而是部分水合無定形的多孔結構物質，其中不僅有無定形的凝膠，還有氫氧化物的晶體。由于它的毛細孔通道表面具有較高的活性，故又稱活性氧化鋁。它對水有較強的親和力，是一種對微量水深度干燥用的吸附劑。在一定操作條件下，它的干燥深度可達[wiki]露點[/wiki]-７０℃以下。

活性炭是將木炭、果殼、煤等含碳原料經炭化、活化后制成的。活化方法可分為兩大類，即藥劑活化法和氣體活化法。藥劑活化法就是在原料里加入氯化鋅、硫化鉀等化學藥品，在非活性氣氛中加熱進行炭化和活化。氣體活化法是把活性炭原料在非活性氣氛中加熱，通常在700℃以下除去揮發組分以后，通入水蒸氣、二氧化碳、煙道氣、空氣等，并在700~1200℃溫度范圍內進行反應使其活化。活性炭含有很多毛細孔構造所以具有優異的吸附能力。因而它用途遍及水處理、脫色、氣體吸附等各個方面。

沸石分子篩又稱合成沸石或分子篩，其化學組成通式為： [M2(Ⅰ)M(Ⅱ)]O.Al2O3.nSiO2.mH2O 式中M2(Ⅰ)和M(Ⅱ)分別為為一價和二價金屬離子，多半是鈉和鈣，n稱為沸石的硅鋁比，硅主要來自于硅酸鈉和硅膠，鋁則來自于鋁酸鈉和Al(HO)3等，它們與氫氧化鈉水溶液反應制得的膠體物，經干燥后便成沸石，一般n=2~10,m=0~9。

沸石的特點是具有分子篩的作用，它有均勻的孔徑，如3A0、4A0、5A0、10A0細孔。有4A0孔徑的4A0沸石可吸附甲烷、乙烷，而不吸附三個碳以上的正烷烴。它已廣泛用于氣體吸附分離、氣體和液體干燥以及正異烷烴的分離。

碳分子篩實際上也是一種活性炭，它與一般的碳質吸附劑不同之處，在于其微孔孔徑均勻地分布在一狹窄的范圍內，微孔孔徑大小與被分離的氣體分子直徑相當，微孔的比表面積一般占碳分子篩所有表面積的90%以上。碳分子篩的孔結構主要分布形式為：大孔直徑與碳粒的外表面相通，過渡孔從大孔分支出來，微孔又從過渡孔分支出來。在分離過程中，大孔主要起運輸通道作用，微孔則起分子篩的作用。

以煤為原料制取碳分子篩的方法有碳化法、氣體活化法、碳沉積法和浸漬法。其中炭化法最為簡單，但要制取高質量的碳分子篩必須綜合使用這幾種方法。

碳分子篩在空氣分離制取氮氣領域已獲得了成功，在其它氣體分離方面也有廣闊的前景。２．

吸附劑的物理性質

吸附劑的良好吸附性能是由于它具有密集的細孔構造。與吸附劑細孔有關的物理性能有：

a.孔容（VP）：吸附劑中微孔的容積稱為孔容，通常以單位重量吸附劑中吸附劑微孔的容積來表示(cm3/g).孔容是吸附劑的有效體積，它是用飽和吸附量推算出來的值，也就是吸附劑能容納吸附質的體積，所以孔容以大為好。吸附劑的孔體積（Vk）不一定等于孔容（VP），吸附劑中的微孔才有吸附作用，所以VP中不包括粗孔。而Vk中包括了所有孔的體積，一般要比VP大。

b.比表面積：即單位重量吸附劑所具有的表面積，常用單位是m2/g。吸附劑表面積每克有數百至千余平方米。吸附劑的表面積主要是微孔孔壁的表面，吸附劑外表面是很小的。

c.孔徑與孔徑分布：在吸附劑內，孔的形狀極不規則，孔隙大小也各不相同。直徑在數埃（A0）至數十埃的孔稱為細孔，直徑在數百埃以上的孔稱為粗孔。細孔愈多，則孔容愈大，比表面也大，有利于吸附質的吸附。粗孔的作用是提供吸附質分子進入吸附劑的通路。粗孔和細孔的關系就象大街和小巷一樣，外來分子通過粗孔才能迅速到達吸附劑的深處。所以粗孔也應占有適當的比例。活性炭和硅膠之類的吸附劑中粗孔和細孔是在制造過程中形成的。沸石分子篩在合成時形成直徑為數微米的晶體，其中只有均勻的細孔，成型時才形成晶體與晶體之間的粗孔。

孔徑分布是表示孔徑大小與之對應的孔體積的關系。由此來表征吸附劑的孔特性。

d.表觀重度（dl）：又稱視重度。

吸附劑顆粒的體積（Vl）由兩部分組成：固體骨架的體積（Vg）和孔體積（Vk），即： Vl= Vg+ Vk 表觀重度就是吸附顆粒的本身重量（D）與其所占有的體積（Vl）之比。

吸附劑的孔體積（Vk）不一定等于孔容（VP），吸附劑中的微孔才有作用，所以VP中不包括粗孔。而Vk中包括了所有孔的體積，一般要比VP大。

e.真實重度（dg）:又稱真重度或吸附劑固體的重度，即吸附劑顆粒的重量（D）與固體骨架的體積Vg之比。

假設吸附顆粒重量以一克為基準，根據表觀重度和真實重度的定義則：

dl==l/Vl;dg=l/Vg

于是吸附劑的孔體積為： Vk=l/dl – l/dg

f.堆積重度（db）：又稱填充重度，即單位體積內所填充的吸附劑重量。此體積中還包括有吸附顆粒之間的空隙，堆積重度是計算吸附床容積的重要參數。

以上的重度單位常用g/cm3、kg/l、kg/m3表示。

g.孔隙率（εk）：即吸附顆粒內的孔體積與顆粒體積之比。εk=Vk/(Vg+Vk)=(dg-dl)/ dg=1-dl/dg

h.空隙率（ε）：即吸附顆粒之間的空隙與整個吸附劑堆積體積之比。

ε=(Vb-Vl)/Vb=(dl-db)/dl=1-db/dl

表1-1列出了一些吸附劑的物理性質:

三、吸附平衡和等溫吸附線—吸附的熱力學基礎

吸附剛開始時吸附劑存在大量的活性表面，被吸附的吸附質分子數大大超過離開表面的分子數。隨著吸附的進行，吸附劑表面逐漸被吸附質分子遮蓋，吸附劑表面再吸附的能力下降，直到吸附速度等于解吸速度時，就表示吸附達到了平衡。在密閉的容器內，吸附劑與吸附質充分接觸，呈平衡時為靜態吸附平衡。含有一定量吸附質的惰性氣流通過吸附劑固定床，吸附質在流動狀態下被吸附劑吸附，最后達到的平衡為動態平衡。表1-1 吸附劑的物理性質

吸附劑名稱

硅膠

活性氧化鋁

活性炭

沸石分子篩

真實重度g/cm3

2.1～2.3

3.0～3.3

1.9～2.2

2.0～2.5 表關重度g/cm3

0.7～1.3

0.8～1.9

0.7～1.0

0.9～1.3 堆積重度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 比表面積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平均孔徑A0

10～140

40～120

20～50

為了解釋吸附過程的實質，曾提出了各式各樣的理論。在這些理論中，迄今沒有一個能夠說明所有的吸附現象。個別理論雖然能夠完善地說明吸附現象的一個方面，但是卻不能用來解釋這一現象的其它方面。這些理論適用與否，是取決于吸附質和吸附劑的性質，以及吸附的具體條件。不管對吸附機理的各種解釋如何，他們都認為吸附劑對吸附質的吸附數量與被吸附氣體的壓力及吸附過程的溫度有關，即： q=f(P,T)式中：q—單位重量（或體積）吸附劑所吸附的物質量（吸附量）；

P—吸附組分在氣相中平衡時的分壓；

T—吸附過程的溫度。在此函數中，當溫度（T）一定時，稱為等溫吸附線；當壓力(P)一定時，稱為等壓吸附線；而當吸附量一定時，稱為等量吸附線。最常用的就是等溫吸附線。

布隆耐爾（Bronaner）曾將物理吸附等溫吸附線分為五種類型，如圖１-１所示。圖中縱坐標為吸附量q，橫坐標為吸附質分壓P（當平衡溫度在吸附質臨界溫度以下時，通常與該溫度下[wiki]飽和蒸汽壓[/wiki]力P0的比值P/P0表示）.五種類型的吸附等溫線其形狀的差異是由于吸附劑和吸附質分子之間作用力不同造成的。

類型Ⅰ是平緩地趨近飽和質的朗格謬而型等溫吸附線。這種吸附相當于在吸附劑表面上只形成單分子層吸附。類型Ⅱ是最普通的物理吸附，能形成多分子層。類型Ⅲ比較少見，它的特點是吸附熱與被吸附組分的液化熱大致相等。第Ⅳ、Ⅴ種認為是由于毛細管凝結現象所致。物理吸附等溫曲線不只限于這五種。例如，有的物理吸附其等溫吸附線是階梯狀的，并且等溫吸附線常常與解吸曲線不一致，還常有滯后的拖尾現象。

表達等溫吸附線的數學式，稱為等溫吸附方程。由于各學者針對不同的吸附平衡現象，采用不同的假設和模型，因而推導出各種等溫吸附方程。現將幾種常用的等溫吸附方程簡單介紹如下： 1．亨利(Henry)方程

通常都知道，一定溫度下氣體在液體中的溶解度與氣體的分壓成正比，這就是亨利定律。而在吸附過程中，亦存在這種現象，即在吸附過程中吸附量與壓力成正比。和氣體在溶液中的溶解是相同的，故稱為亨利吸附。其方程為： q=kh.c 式中：q—吸附劑的吸附量；

kh—亨利系數；

c—吸附質在氣體中的濃度。

對于壓力很低的氣相吸附，多數情況下，能服從此定律，而且只限于吸附量占形成單分子層吸附量的10%以下，即吸附面最多只有10%大表面被吸附物質所覆蓋，才能適用這個方程。2．朗格謬爾（Langmair）方程

假設在等溫下，對于均勻的吸附表面，吸附質分子之間沒有相互作用力，形成單分子層吸附，由此推導出的等溫方程稱為朗格謬爾方程。在吸附速率和解吸速率相等時為： q/qm=kl.p/(1+kl.p)式中：qm—吸附劑的最大吸附容量；

p—吸附質在氣體混合物中的分壓；

kl—朗格謬爾常數。

從上式中可知，當吸附質在氣體中的分壓很低時，則： q= qm.kl.p

即成為亨利方程，qm.kl相當于亨利系數kh。如果吸附劑的吸附能力很強，吸附質的分壓較高，上式又為q= qm。相當于吸附劑的表面全部吸附了吸附質，成為飽和吸附狀態，等溫吸附線趨于一條漸進線，吸附量和分壓的變化無關，成為定值。上式整理后變為： p/q=p/ qm +1/(kl.qm)3.弗里德里胥（Freandlich）方程

等溫下在吸附熱隨著覆蓋率（即吸附量）的增加成對數下降的吸附平衡，弗里德里胥提出的經驗方程為： q=kf.p1/n 式中：kf、n —與吸附劑的特性、溫度有關的常數。弗里德里胥方程表示吸附量與壓力的指數分數成正比。壓力p增大吸附量q隨之增加，但壓力增加到一定程度以后，吸附量飽和而不再變化。對上式兩邊取對數，得： log q =1/n.log p + logkf 與朗格謬爾方程接近。此方程的斜率1/n若在0.1～0.5之間，表示吸附容易進行；超過2時，則表示吸附難以進行。

4．B.E.T方程

由布隆耐爾（Brunaner）、埃麥特（Emmett）和特勒（Teller）三人提出的等溫吸附方程簡稱B.E.T方程。

朗格謬爾方程的前提條件是假設在吸附劑表面上只形成分子層。若是將其拓展到多分子層的吸附，即吸附分子在吸附劑上是按各個層次排列的，這些分子可以無限地累跌而吸附，并且各個分子之間的相互作用可以忽略不計，又假設每一層都符合朗格謬爾方程，便可以推導出B.E.T方程。

q=(kb.qm.p)/{(p0-p)[1+(kb-1)p/p0 ]} 式中：p0—吸附溫度下，吸附質氣體的飽和蒸汽壓；

qm—第一層單分子層的飽和吸附量；

kb—和溫度、吸附熱、液化熱等有關的常數。在吸附質的平衡分壓p遠比飽和蒸氣壓p0小時，p0>>p,則： q/ qm=(kb.p/ p0)/(1+ kb.p/ p0)取kl=kb/ p0，此式變成朗格謬爾方程。也就是說，B.E.T方程是朗格謬爾方程的廣義方程；后者是前者的特例。通常采用B.E.T方程可以計算吸附劑的比表面積。

除以上敘述的吸附理論所推導出的等溫吸附方程之外，還有愛基（Enken）和坡蘭尼(Polanyi)的吸附理論、洛朗茲(Lorenz)和朗德(Lande)的靜電學說、毛細管凝縮學說以及杜賓寧(Dubinin)在發展坡蘭尼理論的基礎上推導出的吸附等溫方程等等。

工業用吸附劑一般都含有各種大小的微孔，它的吸附過程可能是單分子層吸附，可能是多分子層吸附，也可能是由于毛細管凝縮所致。哪一種機理起主要作用視具體條件而定。當溫度低于臨界溫度時，大多數吸附劑的等溫吸附線屬于第Ⅳ類型；大體可認為在低壓區的吸附主要是單分子層吸附（見圖1-2）；隨著壓力的升高多分子層吸附起主要作用；在接近飽和蒸汽壓時（p/ p0≈1），毛細管凝縮作用顯著。

圖1-

3、1-4為在不同溫度下，各種氣體在吸附劑上的吸附等溫曲線。從圖中可以看出，在同一溫度下，吸附質在吸附劑上的吸附量隨吸附質的分壓上升而增加；在同一吸附質分壓下，吸附質在吸附劑上的吸附量隨吸附溫度上升而減少；因此降低吸附溫度和升高吸附壓力有利于氣體組分的吸附。反之，提高溫度和降低壓力則氣體的吸附量減少而解吸。

四、吸附過程中的物質傳遞

等溫下靜態吸附平衡意味著流體和吸附劑經長期接觸，顆粒外和孔內的流體濃度相同，吸附相濃度也均勻，這是很難達到的。在流動體系只能達到動態平衡，吸附質從氣體主流到吸附劑顆粒內部的傳遞過程分為兩個階段：

第一階段是從氣體主流通過吸附劑顆粒周圍的氣膜到顆粒的表面，稱為外部傳遞過程或外擴散。

第二階段是從吸附顆粒表面傳向顆粒中心，稱為內部傳遞過程或內擴散。

這兩個階段是按先后順序進行的，在吸附時氣體先通過氣膜到達顆粒表面，然后才能向顆粒內擴散，脫附時則逆向進行。

內擴散過程有幾種不同情況，參見圖1-5。

氣體分子到達顆粒外表面時，一部分會被外表面所吸附，而被吸附的分子有可能沿著顆粒內的孔壁向深處擴散，稱為表面擴散。一部分氣體分子還可能在顆粒內的孔中向深處擴散，稱為孔擴散。在孔擴散的途中氣體分子又可能與孔壁表面碰撞而被吸附。所以，內擴散是既有平行又有順序的吸附過程，它的過程模式可表達為：

根據前述，吸附傳遞過程由三部分組成，即外擴散、內擴散和表面吸附。擴散過程在吸附中占有重要地位。導致濃度均衡的物質相互滲入稱為擴散。由于分子熱運動，在沒有外力作用下擴散過程能自發的發生。按照費克定律，時間τ內擴散穿過表面F的物質數量G，與濃度梯度（dC/dn-單位擴散路程長度上的濃度變化）成正比。濃度梯度決定了過程的推動力。G=-D.F.τ.dC/dn 比例系數（D）稱為擴散系數。負號表示擴散是朝濃度低的方向運行。擴散系數隨擴散物質的性質而異，通常以實驗方法測定，并從有關手冊中查得。

隨著吸附的進行，氣流中吸附質的濃度逐漸減少，并逐漸趨于平衡。在單位時間內被單位體積（或重量）吸附劑所吸附的物質量稱為吸附濃度。

按吸附動力學原理，吸附速度可用下式表示： dq/dτ=K(C-Y)式中：dq/dτ—吸附速度的數學表達式；

C—吸附質在氣體中的含量；

Y—與吸附劑所吸附的物量成平衡的氣體濃度；

K—從氣流到吸附劑表面的質量傳遞系數，也稱總傳質系數。以擴散方式到達吸附劑表面的物量由費克定律確定，顯然，該物量應等于按吸附動力學方程所求得的吸附質的量： K(C-Y)=-D.F.dC/dn

對于物理吸附，由于表面吸附的速度是極快，幾乎是瞬間完成，故它的影響可忽略不計。于是吸附傳遞的動力學過程是由外擴散和內擴散所決定。K1表示外擴散過程的傳質系數，K2表示內擴散過程的傳質系數，則總傳質系數與外、內擴散系數有下列關系： 1/K=1/K1 + 1/K2

對于物理吸附，由于表面吸附的速度是很快的，故它的影響可以忽略不計。

傳質系數與許多變量，如吸附劑種類、被吸附的氣體組成以及吸附工況等性質有關。這種復雜的關系不可能由一個通式表示，因此在大多數情況下，傳質系數是根據每種不同的情況以實驗方法求得的。

五、固定床吸附流出曲線

1．吸附前沿和吸附負荷曲線

把顆粒大小均一的同種吸附劑裝填在固定吸附床中，含有一定濃度（C0）吸附質的氣體混合物以恒定的流速通過吸附床層。現在來描述流動狀態下，床內不同位置上的吸附質濃度隨時間的變化情況。

假設床層內的吸附劑完全沒有傳質阻力，即吸附速度無限大的情況下，吸附質一直是以的初始濃度向氣體流動方向推進，類似于汽缸中的活塞移動，如圖1-

6、a所示。

實際上由于傳質阻力存在，流體的速度，吸附相平衡以及吸附機理等各方面的影響，情況并不是這樣。吸附質濃度為C0的氣體混合物通過吸附床時，首先是在吸附床入口處形成S形曲線（圖1-

6、b），此曲線便稱為吸附前沿（或傳質前沿）。隨著氣體混合物不斷流入，吸附前沿繼續向前移動，經過t3時間后，吸附前沿的前端到達了吸附床的出口端。

S形曲線所占的床層長度稱為傳質區（MTZ）。此傳質區形成后，只要氣流速度不變，并隨著氣流的不斷進入，逐漸沿氣流向前推進。因此在動吸附過程中，吸附床可分為三個區段（圖1-

6、c）：

⑴.為吸附飽和區，在此區吸附劑不再吸附，達到動態平衡狀態；⑵.為吸附的傳質區，傳質區愈短，表示傳質阻力愈小（即傳質系數大），床層中吸附劑的利用率越高；⑶.為吸附床的尚未吸附區。

在圖1-6中，其曲線與座標所形成的面積稱為吸附劑的吸附負荷。在吸附飽和區部分，便為吸附劑在吸附質濃度C0下的飽和吸附量。如將圖1-6中的縱座標，由吸附質濃度改為吸附劑對吸附質的吸附量即可得到吸附負荷曲線（圖1-

8、a），它的曲線狀態完全是與吸附前沿相對應的。

2．流出曲線

在吸附床中，隨著氣體混合物不斷流入，吸附前沿不斷向床的出口端推進，經過一定時間，吸附質出現在吸附床出口處，并隨時間推移，吸附質濃度不斷上升，最終達到進入吸附床的吸附質濃度（C0）.測定吸附床出口處吸附質濃度隨時間變化，便可繪出流出曲線。

如圖1-7所示，從吸附床氣體入口端流進吸附質初濃度為C0的氣體混合物，此時流體中的吸附質從入口端開始依次被吸附在床層上。結果在床層氣體流動方向上，便形成一個濃度梯度（即傳質區）。吸附過程只是在傳質區為一定性質的濃度分布范圍內進行。吸附工況處于穩定狀態下，其濃度梯度的分布形狀和長度是不變的，它以一定速度在吸附床層上移動。隨著吸附過程的持續進行，吸附飽和區逐漸擴大，而尚未吸附區逐漸縮小。

當傳質區到達吸附床出口端時，流出氣體中的吸附質濃度開始突然上升的位置，就是所謂的滲透點（圖中C點）。與其相對應的吸附質濃度（Cc）、吸附時間（tc）分別稱為穿透濃度和穿透時間。實際上吸附前沿和流出曲線是成鏡面的對稱相似（圖1-8）。和吸附前沿一樣，傳質阻力大，傳質區愈長，流出曲線的波幅也越小。在極端理想的情況下，即吸附速度無限大的時后，吸附前沿曲線和流出曲線成了垂直線，床內吸附劑都被有效利用。

在圖1-

8、a中，橫座標（Z）為吸附床長度，縱座標（q）為吸附量，曲線為吸附負荷曲線。圖1-

8、b中，橫座標（t）為吸附時間，縱座標(C)為吸附質濃度，曲線為吸附流出曲線。圖中面積[wiki]abc[/wiki]defa代表傳質區的總吸附容量(U+V)，吸附前沿曲線上方（或流出曲線下方）的面積agdefa是傳質區仍具有吸附能力的容量(U)，吸附前沿曲線下方（或流出曲線上方）的面積abcdga是傳質區中被吸附部分(V)，面積abhk為吸附飽和區(W)。

結合圖1-

8、a、b，根據數學推導可得到： 傳質區長度

ZA=Z.t0/[(t+ t0)-t0.(1-k)] 或 ZA=Z.（U+V）/(W+U+V)吸附床的無效高度

h=k.ZA

h=Z.U/(W+U+V)式中：Z—吸附床總高；

t—保護作用時間；

t+ t0—飽和作用時間；

k—傳質區的未飽和分率，k=U/(U+V)。

影響流出曲線形狀的因素有吸附劑的性質、顆粒的形狀和大小、氣體混合物的組成和性質、流體速度、吸附平衡和機理、以及吸附床的溫度和壓力。因此通過流出曲線的研究，可以評價吸附劑的性能，測取傳質系數和了解吸附床的操作狀況。

為了設計固定吸附床，必須進行傳質區長度和流出曲線的計算。但是，已有的計算方法都是在許多假設條件下進行的，所以，通常以實驗手段測定傳質區長度和流出曲線。測定時的氣體濃度、流體速度、接觸時間、吸附壓力、吸附溫度等條件應該與實際使用過程的條件相對應。

第二節 變壓吸附的工作原理

一、吸附劑的再生方法

為了能使吸附分離法經濟有效的實現，除了吸附劑要有良好的吸附性能以外，吸附劑的再生方法具有關鍵意義。吸附劑再生純度決定產品的純度，也影響吸附劑的吸附能力；吸附劑的再生時間決定老吸附循環周期的長短，從而也決定了吸附劑用量的多少。因此選擇合適的再生方法，對吸附分離法的工業化起著重要的作用。

由描述吸附平衡的等溫吸附線知道，在同一溫度下，吸附質在吸附劑上的吸附量隨吸附質的分壓上升而增加；在同一吸附質分壓下，吸附質在吸附劑上的吸附量隨吸附溫度上升而減少；也就是說加壓降溫有利于吸附質的吸附，降壓加溫有利于吸附質的解吸或吸附劑的再生。

于是按吸附劑的再生方法將吸附分離循環過程分成兩類：變溫吸附法和變壓吸附法。圖2-1表示了這兩種方法的概念，圖中橫座標為吸附質的分壓，縱座標為單位吸附劑的吸附量。上面一條是常溫下的等溫吸附線，下面一條是高溫下的等溫吸附線。

1．變溫吸附法

在較低溫度（常溫或更低）下進行吸附，而升高溫度將吸附的組分解吸出來。從圖2-1看出，變溫吸附是在兩條不同溫度的等溫吸附線之間上下移動進行著吸附和解吸。由于常用吸附劑的熱傳導率比較低，加溫和冷卻的時間就比較長（往往需要幾個小時），所以吸附床比較大，而且還要配備相應的加熱和冷卻設施，能耗、投資都很高。

此外，溫度大幅度周期性變化也會影響吸附劑的壽命。但變溫吸附法可適用于許多場合，產品損失少，回收率高，所以目前仍為一種應用較廣的方法。2．變壓吸附法

在加壓下進行吸附，減壓下進行解吸。由于循環周期短，吸附熱來不及散失，可供解吸之用，所以吸附熱和解吸熱引起的吸附床溫度變化一般不大，波動范圍僅在幾度，可近似看作等溫過程。由圖2-1看出，變壓吸附工作狀態僅僅是在一條等吸附線上變化。

常用減壓吸附方法有以下幾種，其目的都是為了降低吸附劑上被吸附組分的分壓，使吸附劑得到再生。

a.降壓：吸附床在較高壓力下吸附，然后降到較低壓力，通常接近大氣壓，這時一部分吸附組分解吸出來。這個方法操作簡單，單吸附組分的解吸不充分，吸附劑再生程度不高。

b.抽真空：吸附床降到大氣壓以后，為了進一步減少吸附組分的分壓，可用抽真空的方法來降低吸附床壓力，以得到更好的再生效果，但此法增加了動力消耗。

c.沖洗：利用弱吸附組分或者其它適當的氣體通過需再生的吸附床，被吸附組分的分壓隨沖洗氣通過而下降。吸附劑的再生程度取決于沖洗氣的用量和純度。

d.置換：用一種吸附能力較強的氣體把原先被吸附的組分從吸附劑上置換出來。這種方法常用于產品組分吸附能力較強而雜質組分較弱即從吸附相獲得產品的場合。

在變壓吸附過程中，采用哪種再生方法是根據被分離的氣體混合各組分性質、產品要求、吸附劑的特性以及操作條件來選擇，通常是由幾種再生方法配合實施的。

應當注意的是，無論采用何種方法再生，再生結束時，吸附床內吸附質的殘余量不會等于零，也就是說，床內吸附劑不可能徹底再生。這部分殘余量也不是均勻分布再吸附床內各個部位。圖2-2中曲線-2示出了這部分殘余量在床內的分布情況。曲線-1就是前述的吸附負荷曲線。兩根曲線分別與座標所形成的面積之差稱為吸附床的有效吸附負荷。此質增大，有利于吸附操作。吸附工況確定后，有效吸附負荷就取決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、變壓吸附工作基本步驟

單一的固定吸附床操作，無論是變溫吸附還是變壓吸附,由于吸附劑需要再生，吸附是間歇式的。因此，工業上都是采用兩個或更多的吸附床，使吸附床的吸附和再生交替（或依次循環）進行，保證整個吸附過程的連續。

對于變壓吸附循環過程，有三個基本工作步驟： 1．壓力下吸附

吸附床在過程的最高壓力下通入被分離的氣體混合物，其中強吸附組分被吸附劑選擇性吸收，弱吸附組分從吸附床的另一端流出。2．減壓解吸

根據被吸附組分的性能，選用前述的降壓、抽真空、沖洗和置換中的幾種方法使吸附劑獲得再生。一般減壓解吸，先是降壓到大氣壓力，然后再用沖洗、抽真空或置換。3．升壓

吸附劑再生完成后，用弱吸附組分對吸附床進行充壓，直到吸附壓力為止。接著又在壓力下進行吸附。

圖2-3示出了在一個變壓循環中吸附劑的吸附負荷與壓力的變化關系。

三、吸附劑的選擇

吸附劑對各氣體組分的吸附性能是通過實驗測定靜態下的等溫吸附線和動態下的流出曲線來評價的。吸附劑的良好吸附性能是吸附分離過程的基本條件。

在變壓吸附過程中吸附劑的選擇還要考慮解決吸附和解吸之間的矛盾。例如對于苯、甲苯等強吸附質就要用對其吸附能力較弱的吸附劑如硅膠，以使吸附容量適當，又有利于解吸操作。而對于弱吸附質如甲烷、氮、一氧化碳等，就需要選用吸附能力較強的吸附劑如分子篩等，以期吸附容量大些。選擇吸附劑的另一要點是組分間的分離系數盡可能大。

所謂分離系數的定義是這樣的：

設有一個二組分體系，其中A為強吸附組分；B為弱吸附組分。她們的組別分別為Xa和Xb，組分A和B的吸附系數Ka、Kb各為： Ka =qa.T.p0/(v.T0.p.Xa);Kb=qb.T.p0/(v.T0.p.Xb)式中：q—床內吸附劑吸附A或B組分在標準狀態下的體積；

p、T—工作狀態下的壓力和溫度；

v—吸附床的死體積（即床內流體能占有的體積），其值為： v=1/db – 1/dg 于是分離系數α為： α=（Ka+1）/(Kb+1)也就是說，某組分吸附平衡時在吸附床內的總量有兩部分，一部分是在死空間中，另一部分被吸附劑所吸附，其總和叫做某組分在吸附床內的存留量；弱吸附組分和強吸附組分各自在死空間中含有的量占床內存留量的比值之比稱為分離系數。分離系數越大分離越容易。在變壓吸附中被分離的兩種組分的分離系數不宜小于2。表2-

1、2-2列出了常見主要組分在大氣壓和20℃下的分離系數。

表2-1

常見組分對各種吸附劑的分離系數 組分吸附劑

CH4CO2

COCH4

N2CH4

N2CO

H2CH4

H2CO

N2N2 硅膠

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

常見組分對各種吸附劑的分離系數 組分吸附劑

CH4CO

COCO2

N2CH4

N2CO

H2CH4

H2CO

N2N2 5A分子篩

1.79

3.15

1.40

2.50

9.65

17.2

6.9 絲光沸石

1.18

2.23

1.39

1.65

15.5

18.5

11.2 13X分子篩

1.58

4.70

1.52

2.40

8.0

12.6

5.25

另外，在吸附床運行過程中因床內壓力周期地變化，氣體短時間內進入、排出，吸附劑應有足夠的強度，以減少破碎和磨損。被分離的氣體如果含有象有機[wiki]機械[/wiki]潤滑油、煤焦油之類的物質，那么在吸附過程中，這些油性物質會粘附在吸附顆粒的外表面，堵塞吸附劑內的通道，使吸附劑失去吸附能力。粘附有油類物質的任何吸附劑，不管采用升溫還是降壓抽空的再生方法，都是不能再生的。因此對氣體中的含油量必須嚴格限制，有的場合就需增設除油設施，以免吸附劑在使用中失效。

變壓吸附分離不同的氣體混合物所采用的吸附劑如下表2-3所示： 表2-3 變壓吸附分離氣體混合物所采用的常用吸附劑

分離對象

硅膠

活性炭

分子篩

從氣體混合物除去水分

√

√ 空氣凈化

√

√ 空氣分離制取氧和氮

√ 從氫中除去二氧化碳

√

√

從氫中除甲烷、一氧化碳、氨

√ 從氫中除去烴類

√

合成氣凈化

√

√ 從甲烷中除去其它烴類

√

√ 從瓦斯氣中回收甲烷

√

√ 從石灰窯氣中分離二氧化碳

√

√

從煉鋼轉爐煤氣中分離一氧化碳

√

√

√ 天然氣凈化

√

√

分離組成復雜、類別較多的氣體混合物，常需要選用幾種吸附劑，這些吸附劑可按吸附分離性能依次分層裝填在同一吸附床內，有的情況也可分別裝填在幾個吸附床內。

第三節

變壓吸附技術的應用及實施方法

變壓吸附裝置的操作方式大致分類如下：

平衡分離型是按氣體在吸附劑上的平衡吸附性能進行選擇性吸附的原理分離氣體混合物，速度分離型是根據吸附劑對各組分的吸附速度的差別實現氣體混合物分離的。

在平衡分離型中，等壓型的吸附操作是在等壓下進行的，吸附床在操作壓力下壓力損失小，目前工業上應用的變壓吸附裝置都為等壓型的。非等壓型的快速變壓吸附是依靠系統流體阻力的適當分配來實現的，吸附操作要保證吸附床內有一定的壓力梯度，吸附劑的粒度較細為40～60目（而等壓型變壓吸附用的吸附劑直徑為1.6～3.5mm），因此壓力損失大。快速變壓吸附的特點是裝置特別簡單，通常只用一個吸附床，又由于快速周期循環，單位吸附劑的生產能力較高。其缺陷是達不到高純度產品，在相同產品純度下回收率要低，只適用于小型規模的生產裝置。

下面介紹變壓吸附技術在氣體分離中的應用和它們的實施方法。

一、回收和精制氫

隨著石油煉制工業以及三大合成材料為中心的石油化學工業的飛速發展，氫氣消耗量也在迅速增加，很多有機合成工業、冶金工業、[wiki]電子[/wiki]工業都迫切需要大量純氫，因此擴大氫生產資源，開發新的制氫工藝以及改進現有制氫工藝，受到人們的普遍關注。擴大氫氣來源的一條重要途徑就是從許多含氫工業廢氣中回收氫氣。事實上在這些工業部門都有大量的含氫廢氣可以利用。這些氣體中，除氫以外的雜質是Ar、N2、CH4、CO、CO2、H2O、NH3、H2S以及少量烴類，這些雜質可采用變壓吸附技術依次同時除去，達到回收和純化氫的目的。

變壓吸附制氫工藝中吸附壓力一般在0.8～2.5MPa范圍內，早期變壓吸附技術應用的一個重要限制，在于缺乏一種有效的方法來回收和利用吸附結束時存留在吸附床內死空間的產品組分。在最初的二床流程中，一個吸附床吸附，另一床再生，每隔一定時間互相交替。吸附結束后床內死空間氣體隨降壓而損失了，吸附壓力越高損失就越大。為了提高回收率，除了研制性能優良的吸附劑和改善操作條件以外，關鍵還在于改善工藝流程。

目前工業上解決的辦法是采用多床變壓吸附工藝，它的主要實施方法是，根據吸附的狀態特性將吸附操作在穿透點之前一段相當長的時間結束。這樣吸附床出口端就有一部分吸附劑尚未利用，然后將該吸附床與一個已完成解吸并等待升壓的吸附床連通，兩床壓力均衡（稱為均壓），這樣既回收了吸附床死空間中的有用組分又利用了其中的能量。一般來說，均壓次數增加，產品回收率上升，但吸附床數也要相應增多。多床變壓吸附工藝應用最廣的是四床流程。

圖3-1為四床變壓吸附流程。為了便于了解起見，現以其中一個吸附床（A床）所經歷的七個步驟為例來說明它的工作原理。圖3-2是A床吸附時的氣流示意圖。

1．吸附(A)

原料氣自下而上通過A床，在過程最高壓力下選擇吸附各種雜質，未被吸附的純氫從吸附床頂部引出，其中大部分作為產品輸出，另一部分用于別的吸附床的最終升壓。吸附步驟是在吸附前沿未到達床的出口端時即停止，使吸附前沿和床出口端之間保留一段還沒有使用的吸附劑。

2．均壓降（ED）

吸附步驟完成后，A床停止進入原料氣。與已再生完成處于過程最低壓力的C床以出口端相連進行均壓。均壓完成后兩床壓力各為吸附壓力的二分之一，此時A床的吸附前沿向前推進，但還未到達床的出口端。均壓降的氣體純度和產品基本一致。此步驟對C床來說叫做均壓升，回收了吸附床死空間中大產品組分和它的能量。3．順向放壓（PP）

A床繼續從出口端降壓，降壓的氣體用于沖洗已逆向放壓到過程最低壓力的D床。順向放壓結束時的壓力控制在吸附前沿剛好到達出口端而還未穿透為止。此步驟的順向放壓氣體基本上是純的，利用這股氣體是D床吸附劑進一步再生。4．逆向放壓（D）

順向放壓終止時A 床內吸附劑已全部吸附了雜質，于是將床內剩余氣體從入口端排出，降到過程最低壓力（一般為大氣壓）。在此步驟中床內吸附的雜質由于壓力下降而釋放，大部分隨氣流帶走。5．沖洗（P）

利用B床順向放壓的氣體在過程最低壓力下對A床進行沖洗以進一步降低雜質分壓，清除殘留于床內的雜質。6．均壓升（ER）

沖洗完成后A窗的吸附劑基本再生完畢，此時開始進行再次吸附前的升壓準備，在此利用C床均壓降的產品氣對A床進行充壓，達到吸附壓力的一半。7．最終升壓（FR）

然后用D床生產中的一部分把A床充壓到過程的最高壓力，即吸附壓力。至此，A床完成了一個吸附—再生循環，并將重新開始吸附進入下一個循環。

其它三個吸附床的工作步驟與A床相同，只是在時序安排成錯開四分之一周期（見表3-1）。

此流程通過均壓和順向放壓兩個步驟回收了吸附床死空間中的大部分產品組分和它的能量，提高了產品回收率，同時用于充壓的產品氣量減少，產品氣的壓力波動也相應減少。在升壓過程中，純氫都是從吸附床出口端充入，這樣床內極少量的雜質會被推向入口端，起到了床內吸附劑更新的作用。此法從變換氣中制取純氫，產品純度可達99.99～99.999%，氫的回收率為75～80%。

為了進一步減少產品的損失，還可采用二次均壓法，使逆向放壓時的壓力更低，均壓升之后的壓力更高，其回收率比一次均壓法提高5～7%。

除了四床流程外，工業上根據裝置規模增大和吸附壓力上升還相應采用的有五床、八床和十床流程等等。圖3-2列舉的十床變壓吸附工藝是八十年代初上海石油[wiki]化工[/wiki]總廠從美國聯合炭化物公司引進的。裝置處理原料（變換氣）能力為74530nm3/h,吸附壓力約2.4MPa，產品氫純度99.9%，氫回收率85%。

此流程特點是：⑴采用了三次均壓的方法，進一步提高了氫的回收率，產品輸出壓力波動很小；⑵任何時候都有三個吸附床通入原料進行吸附步驟，只是它們處于不同的吸附階段。這樣縮小了吸附床的容積，相應地也縮小了與吸附床相連接的管道和閥門規格，同時還縮短了過程的循環時間，提高吸附劑的利用率或減少吸附劑的需用量。⑶當自動切換閥門或它的控制部件出現故障時，裝置可由十床切換成五床運行，不至于全系統停車，此時原料處理量為406678 nm3/h。近來計算機和閥門故障判斷系統[wiki]軟件[/wiki]的不斷改善，十床流程已可根據出現故障的閥門位置切換成四床、六床或八床運行，被切斷的吸附床越少，生產能力影響也越小，充分保證裝置的開工率。

上述的一些多床變壓吸附流程只要改變床內吸附劑類型和配比，都可適用于從幾乎所有的富氫氣源（如變換氣、合成氨馳放氣、甲醇尾氣、焦爐煤氣、煉廠氣、城市煤氣等）中回收氫，也能適用于其它從氣體相獲得產品組分的場合，例如從天然氣中除去C2以上的烴類、從變換氣中脫去二氧化碳（吸附劑再生過程中有時采用了真空解吸步驟以提高氫的回收率）等等。

二、從空氣中制取富氧

傳統的制氧方法是空氣的深冷分餾，此法可制取高純度的氧、氮和惰性氣體，也是大規模生產這些氣體的最經濟的方法。但在許多場合，如廢水處理、金屬冶煉、醫療供氧、化工造氣等等并不需要象深冷分餾法所制得的高純度氧氣，而且富氧的需用量相對高純度氧要更多些。為此人們很早就企圖實現用比深冷法更簡便的方法富集氧氣。對分子篩的研究發現，在5A型分子篩上空氣中的氮是被優先選擇吸附的分子（見圖3-4），自此注意到應用分子篩分離富氮的可能性。變壓吸附法制取富氧與變壓吸附本身的開發一樣，是沿著兩條途徑進行的：一方面是改善吸附劑的性能，以增大氮的吸附能力和富氮的分離系數；另一方面是改進工藝流程，根據富氧生產能力、純度即吸附劑性能開發有各種二床、三床流程，前面介紹的多床制氫工藝也適用于生產富氧，吸附床數增加可提高產氧能力、降低總耗電量，但額外投資和床數增加的復雜性在經濟上導致過于昂貴。所以目前工業上開發應用較多的是二、三床流程。

由于氧氮的分離系數隨壓力降低而提高，故變壓吸附制取富氧過程中吸附壓力都比較低，一般在常壓解吸流程中吸附壓力為0.2~0.5MPa，在真空解吸流程中吸附壓力不大于0.1MPa，甚至可以依靠吸附床的真空直接吸入空氣，在常壓下進行吸附。常壓吸附—真空解吸工藝的動力消耗要比加壓吸附—常壓解吸工藝低，這是因為加壓吸附壓縮空氣量大于產品量十倍之多，而氣體的壓縮比一般為3.5，真空泵在抽吸后期才達到此值。典型的三床真空解吸流程如圖3-5所示，其工作步驟時序見表3-2。

空氣由鼓風機送入一個正處于吸附步驟的吸附床，在壓力0~0.03MPa下，空氣中水分、二氧化碳以及氮氣被分子篩所吸附，氧氣從吸附床頂部引出。產品氧由另一只壓縮機壓縮到所需的壓力。當吸附床中氮的吸附前沿到達出口端時停止吸附，空氣切換到另一個吸附床。吸附步驟結束后，吸附床開始進行再生，先是與剛完成抽空的吸附床進行均壓，然后通過真空泵對該床進行抽空。解吸出來的富氮、二氧化碳以及水分從床底部抽出并排入大氣。該吸附床重新吸附之前，從床的頂部充入另一床的均壓氣和部分產品氧使其升壓到吸附壓力。三個吸附床交替進行吸附—均壓降—抽空—均壓升—最終升壓五個步驟。

此法在吸附壓力0.025MPa、抽空最終壓力190乇下操作時，生產富氧純度９３％，氧的回收率為３６～３９％。近年來，隨著吸附劑制氧能力提高和工藝流程回收死空間氣體的改進，所得富氧純度大于９０％時，回收率為５０％，消耗能量小于０.５kwh/m3-O2,這個能耗已經與深冷空分制氧相接近。

三、回收和制取純二氧化碳

二氧化碳已經廣泛應用于尿素生產、飲料添加劑、金屬翻砂成型以及焊接保護等場合，其它新的應用領域也在不斷開發之中。可供工業回收的二氧化碳典型氣源有：制氫裝置廢氣、石灰窯氣、油田伴生氣等。在這些氣體混合物中，除硫化物外，二氧化碳是一種強吸附組分，在吸附過程中它被吸附存留在吸附床內，因此變壓吸附法回收二氧化碳與制氫工藝不同，它是從吸附相獲得產品的。為了制取純凈的二氧化碳產品，必須將硫化物和水分除去，干燥脫硫可在原料進入變壓吸附分離之前進行，也可將變壓吸附制取的半成品二氧化碳再予以凈化。從吸附相獲得產品的變壓吸附與制氫工藝（氫是從氣相獲得的）相比增設了置換和抽真空兩個步驟。從前述的變壓吸附氣體分離過程知道，在吸附床降壓解吸后吸附床死空間內還存留有少量雜質（H２、O２、N２、CO、CH４等），置換步驟就是用部分產品二氧化碳返回吸附床，將這些雜質置換出來，以提高二氧化碳的純度。抽真空的目的是為了從吸附床獲得被吸附的二氧化碳，并增加吸附床的操作負荷，提高吸附劑的利用率，減少吸附劑用量。這類裝置一般采用三床流程（圖３-６）。

它的工作過程簡述如下（見表３-３）：

原料自下而上進入吸附床，此原料中二氧化碳被吸附劑吸附，未被吸附的氫氧氮一氧化碳和甲烷作為廢氣從吸附床出口端流出。一部分廢氣用于另一吸附床的最終升壓，當二氧化碳吸附前沿到達床的出口端時，原料切斷，吸附床吸附步驟停止。然后從吸附床出口端開始降壓，首先和另一正處于均壓升步驟的吸附床入口端相連進行壓力均衡，直到兩床壓力相等。之后向系統外排氣（即順向放壓），直到床內壓力接近于常壓（～０.０３MPa），隨著壓力降低，雜質組分排出，床內二氧化碳濃度逐步提高。

接著返回部分產品二氧化碳，從吸附床入口端開始進行置換，以除去床內殘留的雜質。置換是在順向放壓結束時壓力下進行，置換終使床內達到產品二氧化碳濃度。順向放壓和置換步驟所排出的氣體中二氧化碳濃度已大禹原料氣，因此這股氣流返回原料氣系統加以回收。吸附床中接近常壓下所吸留的二氧化碳，用真空泵抽吸出來進入產品罐，其中一部分由壓縮機壓縮到所需的壓力作為產品輸出，另一部分由鼓風機返回吸附床用于置換。

抽空后床內吸附劑已基本再生完全，接下去便開始升壓。先從入口端引入另一吸附床的均壓降的氣體，壓力上升到吸附壓力的一半，最后用吸附時排出的廢氣充壓到吸附壓力。然后準備輸入原料進行下一次循環。

變壓吸附分離回收二氧化碳適宜的壓力為０.５～０.８MPa，產品二氧化碳純度在９９.５％以上。原料中有害雜質預先凈化后，最終產品可達到作為食品添加劑的二氧化碳國家標準。

四、從空氣中制氫

氮是一種惰性保護氣體，廣泛應用于保糧殺蟲、果品保鮮、以及冶金、石油、化工等工業。目前大部分氮氣是從空氣深冷分離裝置生產的。由于變壓吸附和分子篩技術的發展，使變壓吸附裝置的投資降低、操作費用減少，特別是小型制氮裝置具有廣闊的發展前途。變壓吸附制氮的技術以不同的吸附機理分有兩種方法。一種是吸附劑采用5A分子篩。如圖３-４所示，氮的吸附量要比氧、氬大，空氣在5A分子篩上的這一特性構成了變壓吸附分離氧、氮的依據。由于氮是在吸附相中獲得的，所以可采用類似圖３-６和表３-３的工藝過程制取純氮。此法吸附時壓力為０.３MPa，獲得的氮氣純度大于９９.５％，氮回收率一般在３５～４５％，但空氣在進入吸附床之前必須先進行干燥除去二氧化碳，使得流程復雜、投資和操作費用增加。

另一種方法是吸附劑采用碳分子篩，這種吸附劑是世界上七十年代初發展起來的新品種，首先由聯邦德國埃索B.F.礦業研究公司開發成功。國內一些院校也進行了以無煙煤為主要原料制造碳分子篩的研制，至今已取得一定進展。也有一些制造廠供應碳分子篩制氮成套裝置，其中杭州制氧機廠與德國林德公司合作生產的系列制氮[wiki]設備[/wiki]，其碳分子篩、程序控制器等一些主要器材由林德公司提供，該機的性能指標達到八十年代世界先進水平。

碳分子篩對空氣的分離是利用向碳分子篩微孔擴散的分子直徑之差異，導致擴散速度不同而實現的，即為速度分離型。在平衡狀態下，碳分子篩上氧、氮的吸附量相差不多（見圖３-７）。而氧通過碳分子篩微孔細小縫隙的擴散速度要比氮快得多。吸附開始后幾十秒，氧的吸附量就達80%，同一時間氮的吸附量僅為平衡吸附量的5%（見圖3-8）。

碳分子篩在吸附氧的同時吸附空氣中的水分和二氧化碳，但對氧的吸附量影響不大。此法是從吸附的氣體相中得到產品，因此原料氣凈化一般只要除去常溫下（有的冷卻到5℃）的機械水便可。

碳分子篩制氮的流程在0.1~0.45MPa吸附壓力下吸附劑采用真空解吸，0.5MPa以上就采用常壓解吸。裝置中有兩個吸附床。圖3-9是帶有真空解吸的碳分子篩制氮的流程，它的工作時序列于表3-4。空氣在0.1~0.45MPa壓力下送入吸附床，在此碳分子篩優先吸附水分、二氧化碳和氧，并且也吸附一部分氮和氬。未吸附的氮從吸附床出口端流出。大約吸附時間60秒左右后該床切斷空氣，與另一吸附床進行均壓，然后將床內余氣排入大氣降到常壓。接著進行真空解吸，先前所吸附的組分被抽吸出放空，最終真空壓力為-0.08MPa。在再次吸附之前，由均壓使吸附床壓力升壓到接近吸附壓力的1/2，所以在吸附開始的十秒左右，吸附床是用原料空氣升到吸附壓力的。

碳分子篩制氮純度比5A分子篩低些，一般在98~99%。當純度99%時，吸附壓力0.8Mpa常壓解吸情況下，氮回收率為30~40%。吸附壓力0.4MPa真空解吸時，氮回收率為46%。

五、回收和提純一氧化碳

鋼鐵廠有豐富的副產煤氣，其主要是焦爐煤氣、高爐煤氣和轉爐煤氣，它們的典型組成是： 表 3-5 鋼鐵廠副產煤氣組成 組分煤氣名稱

H2

O2

N2

CO

CH4

CO2

CmHn 焦爐煤氣

57.4

4.2

6.3

27.3

1.7

3.1 高爐煤氣

2.7

54.0

21.8

21.5

轉爐煤氣

1.5

0.4

19.1

60.0

19.0

在這三種鋼鐵廠副產煤氣中，焦爐煤氣和高爐煤氣大部分作為鋼鐵廠自身燃料供給。而占我國鋼產量一半的轉爐副產的轉爐煤氣大都尚未回收，放散不用既損失了能源，又造成了[wiki]環境[/wiki]污染。一氧化碳是化學工業中“碳—化學”的基礎原料，通常由煤、石油或天然氣經造氣凈化所得。它可用于制取甲醇、甲醛、甲酸、醋酸、草酸、脂肪酸、光氣以及多種羥基化合物。轉爐煤氣中含有~60%的一氧化碳，回收轉爐煤氣中的一氧化碳，既省去建造工藝復雜的造氣凈化裝置所耗的大量投資，又節約生產費用。以煤制甲醇為例，僅造氣凈化部分就占總設備投資的百分之七十。轉爐煉鋼每噸大約發生100m3的轉爐煤氣。因此，從中回收提純一氧化碳來發展“碳—化學”工業的前景十分可觀。

提純轉爐煤氣中一氧化碳的傳統方法有銅氨液吸收分離法和深冷分離法，這兩種方法流程復雜，生產費用高。美國田納科化學公司于七十年代開發成功了從含有一氧化碳的氣體混合物中分離回收一氧化碳的新工藝，稱之為一氧化碳吸收法或COSORB 法。此法首先被國際動力學公司采用，再荷蘭建立了一套從煉油廠廢氣中回收一氧化碳的裝置。該法利用CnAl4甲苯溶液選擇吸收一氧化碳，氣體混合物中其它組分如H2、N2、CH4及CO2只微量吸收，吸收一氧化碳的溶液被稍許加熱即可析出，得到純度98~99%的一氧化碳。此工藝的特點是在低壓（一個大氣壓）和室溫操作，沒有[wiki]腐蝕[/wiki]，設備和材質皆易解決。但對原料氣中的H2O、H2S、SO2、NH3含量都有規定，其中對H2O的要求十分嚴格，要求含水量在1ppm以下。而且，溶液所析出的一氧化碳中帶有甲苯蒸汽。因此需要增添前處理和后處理工序，這樣自然會使投資和操作費用增加。進一步降低由鋼鐵廠煤氣生產化工產品的成本，人們更著眼于采用流程簡單、費用低的變壓吸附法分離提純轉爐煤氣中一氧化碳的新技術（簡稱CO-PSA）。

不同類型的吸附劑對轉爐煤氣各組分的吸附能力大小順序也不一樣，因此構成了不同的工藝流程。1．二段法CO-PSA工藝

此法的吸附機理屬物理吸附，采用的吸附劑都為市售的分子篩、活性炭等。這些吸附劑對鋼鐵廠副產煤氣中各組分的吸附能力依次為：

CO2 >> CO > H2 >> N2 二氧化碳屬于強吸附組分。因此，必須設置第一段變壓吸附，在此加壓下吸附原料中的二氧化碳。從氣體相獲得的氣體混合物在第二段變壓吸附中吸附一氧化碳，未被吸附的氣體分離排出，然后在減壓下解吸回收一氧化碳。

壓縮到0.4~0.5MPa的原料氣在第一段變壓吸附中除去飽和水分和二氧化碳，然后凈化后的原料氣在0.3MPa下進入第二段變壓吸附，在此分離出氫和氮，吸附的一氧化碳經解吸收集于氣柜作為產品壓縮輸出，其中一部分又返回吸附床用于置換。從第二段變壓吸附排出的氫和氮混合氣返回到第一段變壓吸附用于二氧化碳解吸過程的沖洗氣。

第一段變壓吸附工藝中選擇吸附劑要考慮兩點：一方面對二氧化碳具有大的吸附能力，另一方面對一氧化碳的吸附能力要小，以盡可能減少一氧化碳的損失。通常用活性炭或氧化鋁之類的吸附劑。強吸附組分二氧化碳的解吸方法，在原料氣中氫和氮的量大于二氧化碳時可以采用降壓沖洗的方法。采用的是三床變壓吸附流程，其工作步驟類似于變壓吸附提氫工藝，只是在沖洗過程中采用了第二段變壓吸附回收一氧化碳后的氫、氮廢氣，其工作時序見3-6。原料中的飽和水分雖然對吸附影響不大，但將會混入最終的一氧化碳產品中，所以在吸附床中還加有干燥劑脫水。

第二段變壓吸附回收提純一氧化碳的主要難點是CO/ N2的分離系數小，在分子篩上僅為2.5（而CO/ H2的分離系數達17.2）。其次是產品一氧化碳是從吸附相中獲得，增加了一氧化碳提純的難度。因此，除了采用對一氧化碳具有高選擇性的吸附劑外，根據一氧化碳含量和吸附劑特性，在變壓吸附中設置相應的工作步驟，來保證產品一氧化碳的純度和回收率。其吸附床的工作時序表3-7。吸附和順向放壓時排出的廢氣用于第一段變壓吸附沖洗過程。置換排出的氣體中含有較多的一氧化碳，故進入另一吸附床的入口端用于再升壓，隨之一氧化碳吸附。在最終升壓步驟采用的是凈化后的原料氣升壓，以保證原料氣流量穩定。

這種方法也適用于前述的二氧化碳回收以及一些從吸附相獲得濃縮產品的場合。

2．一段法CO-PSA工藝

對于鋼鐵廠副產煤氣，由于分子篩等吸附劑不能選擇吸附一氧化碳的緣故，使得CO-PSA工藝勢必采用二段法而變得流程復雜、費用增加。為了提高效率、簡化裝置，國內首先研制出一種采用一段法工藝的吸附劑。這類吸附劑大多是將銅鹽負載于分子篩、活性炭或氧化鋁之類固體上，利用一氧化碳對銅的洛合作用有選擇性地吸附一氧化碳，大大提高了一氧化碳的吸附能力。目前這種化學吸附法在回收凈化一氧化碳的中小型裝置上比較有成效的是日本千代田化工建設公司研制的以CuAlCl4/Al2O3為吸附劑的CO-PSA技術。我國北京大學、大連工學院和西南化工研究院等許多單位也研制了CO-PSA專用吸附劑，一氧化碳的選擇性和平橫吸附量有了顯著提高，但還需進一步探索并達到工業應用。

一段法CO-PSA工藝的基礎是采用高效的一氧化碳吸附劑，因此只需要二段法中的第二段變壓吸附就可以達到分離一氧化碳的目的，省去了第一段變壓吸附，使流程簡化。但是原料氣中的硫化物會使吸附劑中的活性成分Cu+永久性中毒，故必須增加脫硫設施。

表3-8將幾種一氧化碳分離法進行比較，一段法具有很多優越性。這個方法的關鍵在于一氧化碳吸附劑，此吸附劑與別的吸附劑不同，要求對一氧化碳吸附選擇性強、吸附量大、還要要求吸附劑的加工工藝簡便、操作條件不苛刻以及原料經濟易購等。

六、從變換氣中脫出二氧化碳

變壓吸附脫碳技術是我公司根據我國小合成氨現狀和碳酸氫氨過剩、液氨緊俏的趨勢研制成功的。經變壓吸附脫碳之后的凈化氣中二氧化碳含量可在0.2%以下，氫的回收率大于95%。它的工藝過程與前述的制氫工藝相類似，其中不同之處是：脫工藝中吸附劑的再生采用真空解吸方法來替代制氫工藝中的順放-沖洗過程。圖3-11為變壓吸附脫碳工藝流程。

變換氣在0.7～1.3MPa壓力下，經過水分離器除去氣體中帶有的水液后，進入變壓吸附系統。系統內每個吸附床依次循環執行下列步驟： 吸附

一均降

二均降

逆放

二均升

一均升

最終升壓

原料中的水分和二氧化碳在吸附步驟被床內吸附劑吸附，從吸附床出口端輸出凈化的氫氮氣。當二氧化碳的吸附前沿到達床內規定位置時，該吸附床吸附步驟結束，停止輸入原料。接著開始降壓解吸，先是吸附床順向放壓，壓力逐級下降到~0.1MPa，排出的氣體分別用于另外兩個吸附床的升壓，此時二氧化碳前沿已到達出口端。剩余的壓力由逆向放壓降到大氣壓，吸附床內一部分二氧化碳隨氣流排出。吸附床進一步再生采用抽真空的方法，即所謂的真空解吸。吸附床被抽到小于-0.08MPa的真空壓力，吸附的二氧化碳幾乎全部解吸并抽出。至此，吸附床再生完畢，開始進行再次吸附之前的升壓步驟。升壓過程是利用其它兩個吸附床順向放壓排出的氣體和吸附時輸出的凈化氣逐級升到吸附壓力的。

此法與目前其它脫碳方法相比，具有凈化氣中二氧化碳含量低、能耗小的特點，同時還能除去原料中硫化氫、部分甲烷和一氧化碳的優良性能。

附Ⅰ

變壓吸附工藝步驟中常用字符代號說明

附Ⅱ

回收率的計算方法

回收率是變壓吸附主要考核指標之一，它的定義是從變壓吸附裝置獲得的產品中被回收組分絕對量占進入變壓吸附裝置的原料氣中被回收組分絕對量的百分比。方法一：

已知下列條件：

⑴．

進入變壓吸附裝置的原料氣量（F，nm3/h）⑵．

原料氣中被回收組分含量（XF，%）

⑶．

從變壓吸附裝置獲得的產品氣流量（P，nm3/h）⑷．

產品中被回收組分的含量（XP，%）

被回收組分的回收率η為： η=P.XP /(F.XF).100%

方法二：

已知下列條件：

⑴．

原料氣中被回收組分含量（XF，%）⑵．

產品中被回收組分含量（XP，%）⑶．

解吸氣中被回收組分含量（XW，%）假設原料、產品和解吸氣大流量分別為：和。由物料平衡可得：

F=P + W F.XF =P.XP + W.XW

回收率為：

P.XP /(F.XF)=(F.XF-W.XW)/(F.XF)=(F.XF – F.XW +P.XW)/(F.XF)P.XP /(F.XF)=(XFXW)/XF P/F.(XPXW)/XF P/F=(XFXW)將此式代入原式得：

η= XP.（XFXW)].100% 變壓吸附知識問答

一、變壓吸附基本原理 1．

什么叫吸附？

當氣體分子運動到固體表面上時，由于固體表面原子剩余引力的作用，氣體中的一些分子便會暫時停留在固體表面上，這些分子在固體表面上的濃度增大，這種現象稱為氣體分子在固體表面上的吸附。吸附物質的固體稱為吸附劑，被吸附的物質稱為吸附質。按吸附質與吸附劑之間引力場的性質，吸附可分為化學吸附和物理吸附。2．

氣體分離的原理是什么？

當氣體是混合物時，由于固體表面對不同氣體分子的引力差異，使吸附相的組成與氣相組成不同，這種氣相與吸附相在密度上和組成上的差別構成了氣體吸附分離技術的基礎。伴隨吸附過程所釋放的熱量叫吸附熱，解吸過程所吸收的熱量叫解吸熱。氣體混合物的吸附熱是吸附質的冷凝熱和潤濕熱之和。不同的吸附劑對各種氣體分子的吸附熱均不相同。

3．什么叫化學吸附？什么叫物理吸附？

化學吸附：即吸附過程伴隨有化學反應的吸附。在化學吸附中，吸附質分子和吸附劑表面將發生反應生成表面絡合物，其吸附熱接近化學反應熱。化學吸附需要一定的活化能才能進行。通常條件下，化學吸附的吸附或解吸速度都要比物理吸附慢。石灰石吸附氯氣，沸石吸附乙烯都是化學吸附。

物理吸附：也稱范德華（van der Waais）吸附，它是由吸附質分子和吸附劑表面分子之間的引力所引起的，此力也叫作范德華力。由于固體表面的分子與其內部分子不同，存在剩余的表面自由力場，當氣體分子碰到固體表面時，其中一部分就被吸附，并釋放出吸附熱。在被吸附的分子中，只有當其熱運動的動能足以克服吸附劑引力場的位能時才能重新回到氣相，所以在與氣體接觸的固體表面上總是保留著許多被吸附的分子。由于分子間的引力所引起的吸附，其吸附熱較低，接近吸附質的汽化熱或冷凝熱，吸附和解吸速度也都較快。被吸附氣體也較容易地從固體表面解吸出來，所以物理吸附是可逆的。物理吸附通常分為變溫吸附和變壓吸附。

4．變壓吸附屬化學吸附或物理吸附？ 分離氣體混合物的變壓吸附過程系純物理吸附，在整個過程中沒有任何化學反應發生。

5．變壓吸附常用吸附劑有哪幾種？他們各自的作用是什么？ 變壓吸附常用的吸附劑有：硅膠、活性氧化鋁、活性炭、分子篩等，另外還有針對某種組分選擇性吸附而研制的吸附材料。氣體吸附分離成功與否，很大程度上依賴于吸附劑的性能，因此選擇吸附劑是確定吸附操作的首要問題。

硅膠是一種堅硬、無定形鏈狀和網狀結構的硅酸聚合物顆粒，分子式為SiO2.nH2O，為一種親水性的極性吸附劑。它是用硫酸處理硅酸鈉的水溶液，生成凝膠，并將其水洗除去硫酸鈉后經干燥，便得到玻璃狀的硅膠，它主要用于干燥、氣體混合物及石油組分的分離等。工業上用的硅膠分成粗孔和細孔兩種。粗孔硅膠在相對濕度飽和的條件下，吸附量可達吸附劑重量的８０％以上，而在低濕度條件下，吸附量大大低于細孔硅膠。

活性氧化鋁是由鋁的水合物加熱脫水制成，它的性質取決于最初氫氧化物的結構狀態，一般都不是純粹的Al2O3,而是部分水合無定形的多孔結構物質，其中不僅有無定形的凝膠，還有氫氧化物的晶體。由于它的毛細孔通道表面具有較高的活性，故又稱活性氧化鋁。它對水有較強的親和力，是一種對微量水深度干燥用的吸附劑。在一定操作條件下，它的干燥深度可達露點-７０℃以下。

活性炭是將木炭、果殼、煤等含碳原料經炭化、活化后制成的。活化方法可分為兩大類，即藥劑活化法和氣體活化法。藥劑活化法就是在原料里加入氯化鋅、硫化鉀等化學藥品，在非活性氣氛中加熱進行炭化和活化。氣體活化法是把活性炭原料在非活性氣氛中加熱，通常在700℃以下除去揮發組分以后，通入水蒸氣、二氧化碳、煙道氣、空氣等，并在700～1200℃溫度范圍內進行反應使其活化。活性炭含有很多毛細孔構造，所以具有優異的吸附能力。因而它用途遍及水處理、脫色、氣體吸附等各個方面。

沸石分子篩又稱合成沸石或分子篩，其化學組成通式為： [M(Ⅰ)M(Ⅱ)]O.Al2O3.nSiO2.mH2O 式中M(Ⅰ)和M(Ⅱ)分別為為一價和二價金屬離子，多半是鈉和鈣，n稱為沸石的硅鋁比，硅主要來自于硅酸鈉和硅膠，鋁則來自于鋁酸鈉和Al(HO)3等，它們與氫氧化鈉水溶液反應制得的膠體物，經干燥后便成沸石，一般n=2～10,m=0～9。

沸石的特點是具有分子篩的作用，它有均勻的孔徑，如3A0、4A0、5A0、10A0細孔。有4A0孔徑的4A0沸石可吸附甲烷、乙烷，而不吸附三個碳以上的正烷烴。它已廣泛用于氣體吸附分離、氣體和液體干燥以及正異烷烴的分離。

碳分子篩實際上也是一種活性炭，它與一般的碳質吸附劑不同之處，在于其微孔孔徑均勻地分布在一狹窄的范圍內，微孔孔徑大小與被分離的氣體分子直徑相當，微孔的比表面積一般占碳分子篩所有表面積的90%以上。碳分子篩的孔結構主要分布形式為：大孔直徑與碳粒的外表面相通，過渡孔從大孔分支出來，微孔又從過渡孔分支出來。在分離過程中，大孔主要起運輸通道作用，微孔則起分子篩的作用。以煤為原料制取碳分子篩的方法有炭化法、氣體活化法、碳沉積法和浸漬法。其中炭化法最為簡單，但要制取高質量的碳分子篩必須綜合使用這幾種方法。

碳分子篩在空氣分離制取氮氣領域已獲得了成功，在其它氣體分離方面也有廣闊的前景。

6．溫度、壓力對吸附過程的影響分別是什么？ 在同一溫度下，吸附質在吸附劑上的吸附量隨吸附質的分壓上升而增加；在同一吸附質分壓下，吸附質在吸附劑上的吸附量隨吸附溫度上升而減少；因此降低吸附溫度和升高吸附壓力有利于氣體組分的吸附。反之，提高溫度和降低壓力則氣體的吸附量減少而解吸。7．

什么叫變溫吸附？什么叫變壓吸附？ 1．變溫吸附法

在較低溫度（常溫或更低）下進行吸附，而升高溫度將吸附的組分解吸出來。變溫吸附是在兩條不同溫度的等溫吸附線之間上下移動進行著吸附和解吸。由于常用吸附劑的熱傳導率比較低，加溫和冷卻的時間就比較長（往往需要幾個小時），所以吸附床比較大，而且還要配備相應的加熱和冷卻設施，能耗、投資都很高。

此外，溫度大幅度周期性變化也會影響吸附劑的壽命。但變溫吸附法可適用于許多場合，產品損失少，回收率高，所以目前仍為一種應用較廣的方法。2．變壓吸附法

在加壓下進行吸附，減壓下進行解吸。由于循環周期短，吸附熱來不及散失，可供解吸之用，所以吸附熱和解吸熱引起的吸附床溫度變化一般不大，波動范圍僅在幾度，可近似看作等溫過程。變壓吸附工作狀態僅僅是在一條等吸附線上變化。常用減壓吸附方法有以下幾種，其目的都是為了降低吸附劑上被吸附組分的分壓，使吸附劑得到再生。

8．吸附劑的再生方法有幾種？分別闡述？ 為了能使吸附分離法經濟有效的實現，除了吸附劑要有良好的吸附性能以外，吸附劑的再生方法具有關鍵意義。吸附劑再生深度決定產品的純度，也影響吸附劑的吸附能力；吸附劑的再生時間決定了吸附循環周期的長短，從而也決定了吸附劑用量的多少。因此選擇合適的再生方法，對吸附分離法的工業化起著重要的作用。

由描述吸附平衡的等溫吸附線知道，在同一溫度下，吸附質在吸附劑上的吸附量隨吸附質的分壓上升而增加；在同一吸附質分壓下，吸附質在吸附劑上的吸附量隨吸附溫度上升而減少；也就是說加壓降溫有利于吸附質的吸附，降壓加溫有利于吸附質的解吸或吸附劑的再生。于是按吸附劑的再生方法將吸附分離循環過程分成兩類：變溫吸附法和變壓吸附法。圖2-9表示了這兩種方法的概念，圖中橫座標為吸附質的分壓，縱座標為單位吸附劑的吸附量。上面一條是常溫下的等溫吸附線，下面一條是高溫下的等溫吸附線。

a.降壓：

吸附床在較高壓力下吸附，然后降到較低壓力，通常接近大氣壓，這時一部分吸附組分解吸出來。這個方法操作簡單，單吸附組分的解吸不充分，吸附劑再生程度不高。b.抽真空：

吸附床降到大氣壓以后，為了進一步減少吸附組分的分壓，可用抽真空的方法來降低吸附床壓力，以得到更好的再生效果，但此法增加了動力消耗。c.沖洗：

利用弱吸附組分或者其它適當的氣體通過需再生的吸附床，被吸附組分的分壓隨沖洗氣通過而下降。吸附劑的再生程度取決于沖洗氣的用量和純度。d.置換：

用一種吸附能力較強的氣體把原先被吸附的組分從吸附劑上置換出來。這種方法常用于產品組分吸附能力較強而雜質組分較弱即從吸附相獲得產品的場合。在變壓吸附過程中，采用哪種再生方法是根據被分離的氣體混合各組分性質、產品要求、吸附劑的特性以及操作條件來選擇，通常是由幾種再生方法配合實施的。

應當注意的是，無論采用何種方法再生，再生結束時，吸附床內吸附質的殘余量不會等于零，也就是說，床內吸附劑不可能徹底再生。這部分殘余量也不是均勻分布再吸附床內各個部位。圖2-10中曲線-2示出了這部分殘余量在床內的分布情況。曲線-1就是前述的吸附負荷曲線。兩根曲線分別與座標所形成的面積之差稱為吸附床的有效吸附負荷。此質增大，有利于吸附操作。吸附工況確定后，有效吸附負荷就取決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、變壓吸附操作基本原理 1．變壓吸附基本工作步驟？

單一的固定吸附床操作，無論是變溫吸附還是變壓吸附,由于吸附劑需要再生，吸附是間歇式的。因此，工業上都是采用兩個或更多的吸附床，使吸附床的吸附和再生交替（或依次循環）進行，保證整個吸附過程的連續。

對于變壓吸附循環過程，有三個基本工作步驟： 1．壓力下吸附

吸附床在過程的最高壓力下通入被分離的氣體混合物，其中強吸附組分被吸附劑選擇性吸收，弱吸附組分從吸附床的另一端流出。2．減壓解吸 根據被吸附組分的性能，選用前述的降壓、抽真空、沖洗和置換中的幾種方法使吸附劑獲得再生。一般減壓解吸，先是降壓到大氣壓力，然后再用沖洗、抽真空或置換。3．升壓

吸附劑再生完成后，用弱吸附組分對吸附床進行充壓，直到吸附壓力為止。接著又在壓力下進行吸附。

圖2-11示出了在一個變壓循環中吸附劑的吸附負荷與壓力的變化關系。

2．吸附劑的選擇對變壓吸附裝置的影響？

吸附劑對各氣體組分的吸附性能是通過實驗測定靜態下的等溫吸附線和動態下的流出曲線來評價的。吸附劑的良好吸附性能是吸附分離過程的基本條件。

在變壓吸附過程中吸附劑的選擇還要考慮解決吸附和解吸之間的矛盾。既要選擇吸附容量大，又容易解吸的吸附劑，以減少降壓解吸的電耗。選擇吸附劑的另一要點是組分間的分離系數盡可能大，從而減少有效氣體的損失。3．什么叫死空間？

所謂死空間，既吸附床層內扣除吸附劑所占體積后，剩余的空間。也就是說，某組分吸附平衡時在吸附床內的總量有兩部分，一部分是在死空間中，另一部分被吸附劑所吸附，其總和叫做某組分在吸附床內的存留量；弱吸附組分和強吸附組分各自在死空間中含有的量占床內存留量的比值之比稱為分離系數。分離系數越大分離越容易。4．為什么要控制適宜的氣流速度？

在吸附床運行過程中因床內壓力周期地變化，氣體短時間內進入、排出，吸附劑應有足夠的強度，以減少破碎和磨損。當氣流速度過快，導致吸附劑懸浮時，則磨損加劇，造成吸附劑破碎，影響吸附劑使用壽命。不同的吸附劑，選擇的氣流速度不同。這主要取決于吸附劑的強度和吸附劑顆粒的大小。

5．為什么進入PSA裝置的原料氣必須要除油？

被分離的氣體如果含有象有機機械潤滑油、煤焦油之類的物質，那么在吸附過程中，這些油性物質會粘附在吸附顆粒的外表面，堵塞吸附劑內的通道，使吸附劑失去吸附能力。粘附有油類物質的任何吸附劑，不管采用升溫還是降壓抽空的再生方法，都是不能再生的。因此對氣體中的含油量必須嚴格限制，有的場合就需增設除油設施，以免吸附劑在使用中失效。

6．為什么進入PSA裝置的原料氣必須要除水？

被分離的氣體如果含有游離水和飽和水，在吸附床層中只能除去一定量的飽和水。那么在吸附過程中，若使水大量帶入吸附塔會導致吸附劑性能下降甚至失效。此時需對失效的吸附劑重新活化或更換。吸附劑的活化需要采用溫度150℃以上的惰性氣體循環通入，費時、費力，相當困難。因此，操作時一定要嚴格控制幾種分離技術的比較

確如標題所言，回貼中包含了很多PSA基礎知識，受益非淺。

看到第4樓還有第二頁有朋友詢問幾種分離技術的比較，現簡單比較如下：

（1）低溫分離法

低溫分離法也稱為深冷分離法是利用各氣體組份在液態時沸點的不同，在冷箱中精餾分離出各組份。其特點是：產品純度高、原料凈化度要求高、投資高。

（2）膜分離法

膜分離系統的工作原理就是利用一種高分子聚合物（膜材料通常是聚酰亞胺或聚砜）薄膜來選擇“過濾”進料氣而達到分離的目的。當兩種或兩種以上的氣體混合物通過聚合物薄膜時，各氣體組分在聚合物中的溶解擴散系數的差異，導致其滲透通過膜壁的速率不同。由此，可將氣體分為“快氣”（如H2O、H2、He等）和“慢氣”（如CO、N2、CH4及其它烴類等）。當混合氣體在驅動力－膜兩側相應組份分壓差的作用下，滲透速率相對較快的氣體優先透過膜壁而在低壓滲透側被富集，而滲透速率相對較慢的氣體則在高壓滯留側被富集。

膜分離法具有簡便、經濟、操作靈活的特點，一般來說，投資比PSA變壓吸附法稍低，占地面積較小。

（3）PSA變壓吸附法

變壓吸附（PSA）技術屬物理吸附，是依靠吸附劑與吸附質分子間的分子力（包括范德華力和電磁力）進行的吸附。其特點是：吸附過程中沒有化學反應，吸附過程進行得極快，參與吸附的各相物質間的動態平衡在瞬間即可完成，并且這種吸附是完全可逆的。

變壓吸附氣體分離工藝過程之所以得以實現是由于吸附劑在這種物理吸附中所具有的兩個基本性質：一是對不同組份的吸附能力不同，二是吸附質在吸附劑上的吸附容量隨吸附質的分壓上升而增加，隨吸附溫度的上升而下降。利用吸附劑的第一個性質，可實現對混合氣體中某些組份的優先吸附而使其它組份得以提純；利用吸附劑的第二個性質，可實現吸附劑在低溫、高壓下吸附而在高溫、低壓下解吸再生，從而構成吸附劑的吸附與再生循環，達到連續分離氣體的目的。由于變壓吸附技術投資少、運行費用低、產品純度高、操作簡單、靈活、環境污染小、原料氣源適應范圍寬，因此，進入70年代后，這項技術被廣泛應用于石油化工、冶金、輕工及環保等領域。

個人感覺在進行技術選擇時，需要分別從氣源組份、技術可靠性、經濟性、安全性等方面進行比較。

進入PSA裝置的水含量，不能含有機械水。不著急,還要看LFY-1-3A-制氧機的工作原理,查遍網絡就是沒有關于制氧機的電器原理圖,工作原理也只是支離破碎的,有的如萬方數據的還要收費(這里我要說的是資料收費是一種變相的知識壟斷,這與當年的清王朝閉關自鎖沒有區別),寫道這里我把搜集到的關于制氧機的知識羅列以下(關于圖紙等整理出來后再公開到網上): 吸附分離床的工作原理如圖1所示。分離床由2只裝有制氧專用沸石分子篩的吸附裝置A和B以及切換閥門1～8等組成，其中1，3為排放閥門，2，4為 進氣閥 門，5，7為均壓閥門，6，8為輸出閥門。分離床在自動控制系統的作用下，吸附裝置A、B交替工作，按照“A工作→A排氣及均壓→B工作→B排氣及均壓 →A工作…”的過程，不斷循環。儲氣罐的作用是均衡輸出氧氣的壓力。吸附裝置A工作時，閥門2，6打開(其余關閉)，壓縮空氣經閥門2進入A，濾去氮氣，剩余氧氣經閥門 6輸出。在吸附裝置A內的分子篩快被吸附飽和之前，進入A排氣及均壓狀態，開啟閥門1，5，7(其余關閉)，裝置A解吸先前所吸附的氮氣，使分子篩吸附劑 得到再生，同時A、B均壓以提高產氣效率。均壓后自動切換到吸附裝置B工作置B中繼續吸附制氧。同樣，當吸附裝置B內的分子篩快被吸附飽和之前，自動進入 B排氣及均壓狀態，開啟閥門3，5，7(其余關閉)，裝置B實現減壓解吸再生。4種工作狀態依次循環，2只吸附裝置交替重復進行吸附和再生，從而實現了連 續制取氧氣的目的。

整個系統按照“A工作25 s→A排氣2 s→B工作25 s→B排氣2 s”的過程自動循環。

以上文字可以解釋電路板工作原理,電路中還有停電報警電路和啟動電路,很簡單會的,會電子的一看就懂這里不說了.接著對電路板進行檢查,通電,檢查供電+24V和+5V正常,7秒循環也有,這樣就不需要花時間去查18pin的IC是個什么玩藝兒了,當檢查到繼電器時發現聲音不對,是繼電器的彈簧問題,換了一個ok了,下面分析為何這個繼電器會出問題:我的制氧機是放置在陽臺上,杭州夏天的陽臺上問題有40度,估計制氧機中的問題要超過60度,而繼電器是密封的,溫度更高,當關機是,繼電器的電觸點瞬間斷開,會產生高溫高壓電弧,這個電弧使得電器觸點碳化,從而使得觸點不通了,這個問題的出現是電路板設計問題,為何?(一)觸點兩端沒有消除電弧的電容,常識問題,(二)雙觸點設計不如單觸點,雙觸點在使用時兩個觸點在接通和斷開時的時間是不一致的,其中一個往往先老化,這種設計只有一半的電流容量,至于其它的設計問題數不勝數:如驅動管用8050太小了,接插件用信號插件代替功率插件(+24V到電磁閥),壓縮機沒有保護,等等多的不想列舉了,總之設計者是一個外行的新手,真不知道一個集團公司是這樣的電子設計水平居然能賣出產品去,還能生存下去.不說了,另外再說一下我的使用經驗:(1),放在室內噪音太大,而且有異味,無法忍受,因此我放到陽臺,用一根線將開關引入到室內.(2)冬天室外的空氣溫度太低,使得老媽吸氧反而的了氣管炎,解決方法:用一個高壓鍋(因為氧氣有壓力)電熱絲自動恒溫加熱,氧氣從一個口進入,另外一個摳出來,解決了氧氣溫度太低問題.不過這兩個措施一般家庭解決不容易,如果廠家能解決,將有利于消費者

第三篇：變壓吸附制氮機的原理分析

變壓吸附制氮機的原理分析

川匯氣體

變壓吸附制氮機名詞解釋及工作原理分析

變壓吸附（PSA）制氮技術，具有能耗低、低噪音、無污染、操作簡便、性能穩定等優點。可滿足各種用氣需要，在冶煉、金屬加工、石化工業、電子工業、食品行業、倉儲運輸、等眾多領域得到廣泛使用。

變壓吸附制氮機是以空氣為原料，利用分子篩吸附劑對空氣中氮、氧不同的吸附性能，在常溫下變壓吸附(簡稱PSA)制取氮氣。主要結構由空氣凈化系統，自動控制系統，制氮系統、氮氣儲罐等部分構成。

碳分子篩是由碳組成的多孔物質，孔結構模型為無序堆積碳素結構。它分離空氣的能力，取決于空氣中各種氣體在碳分子篩微孔中的不同擴散速度或不同的吸附力。由于氧分子通過碳分子篩微孔系統的狹窄空隙的擴散速度比氮分子快得多。因此，當加壓時它對氧優先吸附，而氮則被富集成高純度氣體。變壓吸附制氮機正是利用這一特性，采用加壓吸附、減壓解吸的方式實現氮氧分離。變壓吸附法通常使用兩塔并聯，交替進行加壓吸附和解壓再生，從而獲得連續的氮氣流。PSA制氮機工藝流程

壓縮后的空氣經空氣貯存緩沖罐進入活性碳過濾器，除去油和水，然后經過冷干機干燥冷卻卸壓再經過T級和A級精密過濾后進入兩個吸附塔。

PSA制氮工藝流程是采用在常溫下變壓吸附（即PSA）為無熱源的吸附分離過程，碳分子篩對吸附組合（主要是氧分子）的吸附容量因其分壓升高而增加，因其分壓的下降而減少。這樣，碳分子篩在加壓時吸附，減壓時解吸，放出被吸附的部分，使碳分子再生，形成循環操作。

變壓吸附過程，循環操作包括：吸附、均壓、降壓、釋放、沖洗，然后再充壓、吸附幾個工作階段，形成循環操作過程。

PSA制氮裝置根據流程的再生壓力不同，可分為真空再生和常壓再生流程。在兩種流程中，原料空氣經無油空壓機壓縮調壓后，進入除油系統和冷卻器，再經干燥進入碳分子篩吸附塔，吸附塔的上部排出產品氮氣，被吸附的氧氣直接排放到大氣中，實現碳分子篩的再生。

第四篇：變壓吸附工藝流程

變壓吸附工藝流程

物料在精餾低塔系統處理完畢后，剩余的不凝氣體經過預熱器預熱進入吸附塔，乙炔和氯乙烯被吸附下來，無法被吸附劑吸附下來的其他氣體通過尾排閥門排放到大氣中。

吸附飽和的吸附塔經過壓力均降，逆放，抽空一，抽空二，抽沖，抽空三，壓力均升，終充8個步驟進行處理，塔內吸附的乙炔和氯乙烯完全解吸出來，通過壓力差和真空泵送入轉化。

下面將變壓吸附的9個步驟進行分步介紹：

1、吸附

不凝氣體在尾排前進入預熱器，原料氣在預熱器內加熱到40℃后，通過KV1閥送到吸附塔內。六塔流程為兩個塔同時進行吸附，其他四個塔進行處理。原料氣內氯乙烯和乙炔在吸附塔內被吸附下來，剩余未被吸附的氣體，經過KV2閥到達尾排，通過壓力調節閥門排放至空氣中。

此過程需要的時間為804S，壓力比精餾系統的壓力低0.02MPa，在0.47～0.49 MPa。總時間的設定是根據原料氣流量、凈化氣內的氯乙烯和乙炔含量決定的。

如精餾系統出現波動，變壓吸附的壓力也同時跟著波動。所以，我們在操作時，要保證精餾壓力及原料氣的流量穩定。當精餾停車時，系統通過KV10，KV11或KV15,KV16閥切換至直排；精餾壓力低到設定值（0.45 MPa）時，系統自動進行切換。

2、壓力均降 吸附結束后，飽和的吸附塔在設定好的T2步驟進行壓力降，通過KV5和KV9閥，將吸附塔內的壓力泄入中間罐內。均降步驟在16S就可完成，剩余的時間留給抽空三，使得抽空三步壓力盡可能的抽至-0.09MPa吸附塔的解吸更徹底。

吸附塔壓力由0.48MPa降至0.22MPa。

3、逆放

均壓結束后，吸附塔的逆放為T4和T6步驟，共計130S。此時，吸附塔的壓力通過KV17閥進入轉化二級混脫，為防止轉化壓力波動，控制HV102閥門的開度調節，使氣體的壓力緩慢釋放。

壓力由0.22MPa降至0.04～0.05MPa。HV102的斜率系數為1.00，閥門的最小開度為25%，最大開度為100%。

4、抽空一

逆放結束后為吸附塔的T8抽空一，打開KV18或KV19閥控制HV102閥門的開度，真空泵

設定的時間為132S，達到要求的真空度-0.05 MPa。

5、抽空二

6、抽沖

7、抽空三

8、壓力均升

9、終充

第五篇：變壓吸附設計（xiexiebang推薦）

一、關于吸附劑的算法：(以易吸附組分為準)QF(Cout－Cin)=n×VR×q×ΔP×3600/t 其中QF為進口體積流量Nm3/h Cout為易吸組分進口濃度 Cin為易吸組分出口濃度 n為總塔數，VR為單塔吸附劑體積 噸

q為吸附劑對易吸組分吸附容量 Nm3/噸 ΔP最后一次均壓與吹掃或抽真空之間的壓差 t為總循環時間，t0為單塔循環時間，t=n×t0，故上式變為：

QF(Cout－Cin)=n×VR×q×ΔP ×3600 /（n×t0）即 QF(Cout－Cin)=VR×q×ΔP ×3600/t0

由上式可看出，PSA裝置的處理能力即要分離的易吸組分總量QF(Cout－Cin)只與單塔的吸附劑量VR和吸附容量q、解吸壓差ΔP和單塔循環時間t0有關，對同一裝置來說，吸附容量q變化不大，要想加量，只能縮短循環時間，以增加循環數次，提高吸附劑利用次數或者增大ΔP以提高吸附劑吸量。

二、關于分離系數

分離系數定義：弱吸附組分在吸附床死空間中殘余量/弱吸附組分在吸附床中的總量）與（強吸附組分在吸附床死空間中殘余量/強吸附組分在吸附床中的總量）之比

如根據物料算出兩組分分離系統中以下數據：

1、弱吸附組分總放量、根據塔內壓差及塔空隙體積算出弱吸附組分放空量

2、強吸附組分總放量、根據塔內壓差及塔空隙體積算出強吸附組分放空量 比如制氧算出：

氮總放空量為8430 Nm3，通過塔壓及空隙算出784 Nm3； 氧總放空量為385 Nm3，通過塔壓及空隙算出196 Nm3 則分離系數為：

(196/385)/(784/8430)=5.47

另：如為兩組分系統: 則塔內床層死空間弱組分殘余量即為：V1*0.65*C1*ΔP 塔內床層吸附劑吸附弱組分量即為：V1*（1－0.65）*τ*ΔP*C1

三、壓力與電耗一覽表

動力設備123456兗礦風機兗礦壓縮機中成真空泵東明空壓機中成風機抽氣量或打入口輸出電機功最大軸軸功電耗電機電耗氣量(m3/h)壓力壓力率功率(kw/Nm3)(kw/Nm4)8000***00***16230000000.054.000-0.080.180.140.650.24.00.24.2500***0063028015393.5301.752040535.523880427.60.0190.0520.0360.0850.03150.1600.0400.1860.0230.0610.0430.1000.0370.1880.0000.2177廣東中成氧壓機8兗礦魯化壓縮機

四、過熱蒸汽區域描述蒸汽在溫度高于飽和蒸汽溫度的狀態。保持壓力不變，加熱飽和蒸汽，它的溫度會上升，就產生過熱蒸汽。

實際上就像一般的氣體如空氣中CO2一樣，就是在指定的壓力下，溫度高于蒸汽壓。飽和蒸汽壓和飽和溫度有一定的關系，其遵守克勞修斯—克萊佩龍方程

lnp=－ΔvapHm/R×(1/T)+c

根據化工工藝手冊提供的數據，可以求出ΔvapHm，和C，求出公式如下： y =-4820.2x + 24.493，其中y為lnp，x為1/T P(A,Mpa)P(G,Pa)0.1040.1480.2050.2790.3740.4910.6380.8191.0371.2971.607104365******14266383488******lnP11.5611.9012.2312.5412.8313.1113.3713.6213.8514.0814.29lnP14.5114.7214.9115.1015.2815.45T(℃)100110120***0***0T(℃)***260T(K)3733833934034***453463473T(K)***533密度(kg/m3)汽化潛熱(千焦/千克)22600.0026810.60610.0026110.83640.00254451.12810.00248141.49770.00242131.96090.00236412.51650.00230953.19330.00225734.00310.00220754.95640.00215986.06760.00211427.35921/T1/T0.00207040.00202840.00198810.00194930.0019120.00187629.010910.808912.867015.207417.852320.82401849.8P(G,Mpa)P(G,Pa)1.8822.3272.8483.4534.1534.956 ******104655124138

五、各專業條件提法

2.1 基礎設計階段的一般要求

2.1.1 基礎設計階段，工藝安裝專業應給設備專業提交工藝裝置設備平面布置圖，若有特殊的荷載要求時，應在圖上加以說明或單獨提出。2.2 詳細設計階段的一般要求

2.2.1 工藝安裝專業委托設備專業設計的有隔熱耐磨襯里的煙氣管道等，應提供設備平豎面布置圖，并確定走向和支吊架位置。工藝、自控專業的開口方位及大小，也由工藝安裝專業提交設備專業。

2.2.2 與土建和設備專業都有關的平臺梯子，應分別給兩個專業各提供一份資料。

2.2.3 用簡圖表示出設備的開口方位。簡圖上應表示出方向針，其指向應與設備平面布置圖上的相一致。如果所采用的設備圖紙是復用圖紙，但其開口方位需重新設計或作部分修改，則還應表示出方向針與復用設備圖中原有0°方位的關系。

2.2.4 開口方位簡圖上應列出所有開口的編號、名稱和公稱直徑，并應與工藝專業提交給設備專業的設計資料相一致。對開口法蘭的壓力等級及密封面形式有要求時，應予注明。如果所采用的設備圖紙是復用圖紙，則開口方位簡圖上的開口編號應與原圖相一致，設備法蘭接口外徑和壁厚應與相接工藝管道一致。

2.2.5 工藝設備上的儀表開口方位，應與自控專業共同確定，畫出同一張開口方位簡圖上，并經自控專業簽字。

2.2.6 塔類設備上附設的檢修吊架方位應表示在開口方位簡圖上。立式容器類設備的支腿、支耳的方位有特殊要求者，也應在開口方位簡圖上表示出來。

2.2.7 布置開口方位時，應注意開口與塔內件（如降液管、受液盤等）的關系，以保證符合工藝要求，并避免與塔內件相碰，橢圓形封頭的小R 處盡量不布置開口。

3.生根于設備上的鋼平臺梯子

3.1 應繪制分層的平臺梯子平面簡圖，（當復印計算機繪制的配管圖作平臺梯子資料時，必須用紅筆標明開洞，并標注清楚平臺梯子的尺寸），簡圖應清晰、明確、可不按比例，但尺寸的相對關系不宜與實際相差懸殊，以免造成錯覺。簡圖上應表示出方向針，其指向應與設備平面布置圖相一致。

3.2 塔及立式容器上的扇形平臺應注出其張角、寬度，直梯應注出其中心線與設備中心線的夾角。塔頂或臥式的矩形平臺，應注出其外形尺寸及其與設備的相對關系尺寸（例如與設備中心線或設備外形或設備支座的相對位置）。

3.3 應注出平臺面標高、平臺處地面標高和設備基礎面標高。標高的基準應與設備平豎面布置圖相一致。

3.4 當平臺下方有設備開口時，平臺面與開口中心的距離不得小于開口公稱直徑加100mm。3.5平臺上的開孔應注出開孔直徑及其定位尺寸或角度，如圖3.2-1，圖3.2-2所示。開孔直徑φ一般是將此管道的最大外徑（管子外徑或隔熱層外徑或法蘭外徑）加50mm。

3.6 在平臺梁上或在平臺面上支承管道、儀表箱或檢修部件，如果荷載超過200kg，則應注明荷載的大小及具體位置。

3.7 如某層平臺需與其它構筑物（如框架）相連接，則應說明連接的要求，并注出尺寸及與此連接的分區設備構架物編號，層高等。

3.8 與自控專業有關的平臺梯子，應與自控專業協商確定以滿足兩個專業的要求。僅供自控專業使用的平臺梯子，應與自控專業提出委托資料給工藝安裝專業會簽后，由自控專業提交設備專業和工藝安裝專業各一份。

3.9 電脫鹽、電精制和除塵等設備上，為安裝或檢修高壓電氣設備或線路的專用平臺梯子應由電氣專業提交委托資料，經工藝安裝專業會簽后，由電氣專業提交設備專業和工藝安裝專業各一份。當有吊車梁生根于設備上時，應提交荷載及位置，以便設備專業考慮吊車梁荷載的影響。11 如果必須在需要熱處理的合金鋼設備上或不允許在現場焊接的設備上焊接支架的生根構件時，應提出生根構件墊板的大小及方位。依附在設備上或放置在平臺上的小型設備及管道和大閥門應征詢設備專業的意見，必要時應提出書面資料，以便設備專業核算偏心荷載。

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6、硫化氫質量體積含量和體積百分比的換算

如兗礦體積百分比為0.92%，轉為g/Nm3，則為： =0.92%*1000L/Nm3/22.4L/mol*34g/mol=13.96g/Nm3=13.96mg/NL

按標準態換算為1%體積百分比則為15.2g/Nm3 若再轉為實際壓力下硫含量，則為13.96g/Nm3*35Nm3/m3=488.6g/m3=488.6mg/L

§7 解吸倍數與吸附量

當吸附劑吸附的物質越多，最后解吸出來的就越多，所以，吸附容量越大，解吸倍數就越大。根據工程經驗，在脫碳中用硅膠的吸附容量與解吸倍數關系為：

工程名稱

吸附容量

解吸倍數

氣源組分 河北凱越單醇脫碳

7.45

7.5

COH2 遼寧鳳城一段

10.65

9.71

CO2H2 枝江三寧一段

14.73

15.06

CO2COH2

兗礦國泰一段

6.03

7.02

CO2COH2

湘中成制氧一段

12.96

8.99

O2N2

§8壓縮機及風機升壓與升溫及冷卻水量關系

壓縮機的出口溫度取決于進口溫度及壓縮比和絕熱系數，壓縮過程可視為絕熱過程，即可例出以下方程：

TOUT=TIN(POUT/PIN)(K-1)/K

一般壓縮比即POUT/PIN選擇不超過3，當進口溫度為40℃，壓縮比為3的情況下，出口溫度

TOUT=313×3(1.4-1)/1.4=313×1.369=428K=155℃

如果壓縮比超過3，在同樣的絕熱系數下，出口溫度就會超過155℃，將會對設備帶來很大的影響。因此，一般的壓縮都以壓縮比3來劃等級，比如進口壓力為0.03Kg(G)，要求壓縮至35Kg(G)，則總壓縮比為36/1.03=34.95，那壓縮機至少應為3×3×3×3=81，即4級，如果只選3級，則只能至3×3×3=27，壓縮不夠。

冷卻水量計算：

壓縮機所需冷卻水有兩個地方：一是缸套（即油溫及軸溫冷卻器）、二是中級冷卻器及各級冷卻器、三是后級冷卻器

一、對缸套，所需冷卻量q為：

q=120Vqd

L/h 單位為升/小時

二、對中級冷卻器，所需冷卻量q為：

q=60V×4.5L/h 單位為升/小時

以湘中成為例，風機中冷器所需冷卻量為：（打氣量130 m3/min q=270×90=24.m3/h=0.4 m3/min

三、后冷卻器，所需冷卻量q為：

q=γV Cp(T4-T5)×1.15/(1000×Δt)

m3/h 單位為方/小時

其中

γ

空氣重度 Kg/m3

V 空氣壓縮機的排氣量 m3/min Cp 空氣的等壓比熱，取0.24

kcal/(kg。℃)T4-T5 冷卻器空氣前后溫差

以湘中成為例，后冷器所需冷卻量為：

q=1.2×78×0.24×(110-40)×1.15/(1000×10)§9

1830

全部為國內設備，估計11個億，國外設備估計要16個億。

單套百萬噸的都是國外的設備，估計要70個億，以天然氣為原料，成本能降幾百元 NH2-CO-NH2 CO（NH2）2 分子量60

NH3 17

34/60=0.6 3052 投資估計19億，每噸合380元

低溫甲醇洗

15萬噸合成氨 投資約7500萬，不包括溶劑費

氣化噸氨消耗

目前空氣造氣

1.9噸煤/噸氨(指優質煤)

電耗1500kw/噸氨

富氧造氣(60%)

1.4噸煤/噸氨(指劣質煤)

電耗950kw/噸氨

富氧消耗為

750Nm3/h O2

循環水消耗

350噸水/噸氨(62Kw/h)氣量與產量的換算 1、1噸合成氨需要脫碳氣量為2965標方，脫碳氣成分為： CO

H2 CO2 O2 N2 CH4+Ar NH3 2.24 71.86 0.2 0.04 23.94 1.66

0.06

2、變換氣成分：

1.6 51.39 28.64 0.06 17.12 1.19

3、則原料中CO2的剩余量為：2965×0.2%=5.93標方/tNH3。

4、設變換氣量為X，X=2965＋（28.54%X－5.93）X=4146.7標方/tNH3。

產量

煤氣量

變換氣量

脫碳氣量

1噸合成氨

3300Nm3/h

4200Nm3/h

2965 Nm3/h

9、不銹鋼絲網計算

根據要求，不絲網要求重縫寬度不小于300mm，根據情況分兩種一種是比較大，直徑大于2米以上，兩張1米絲網拼在一起，還湊不上一個整圓，則需要中間加疊合層，留有銜接部分，也就是需要三張絲網，一種是比較小的絲網，直接用兩張合在一起中間就產生了疊合層，無銜接部分，即只需要2張絲網。對于第一種：有三個步驟，一：做兩張小半圓絲網，寬度1米，長度按以下方法計算 根據以上圖可以求出下料高度：

(R-1000)2+H2=R2

即H＝√(2R×1000－10002)總高度即為2H。

二：制作疊合層

疊合層寬度應該以500或1000為宜，這樣可以節省材料，如果大于500，則宜以1000寬度為主，疊合層分兩部分，兩邊為真正疊合部分，即一層小半圓層，一層為疊合層；中間為銜接部分，只有一層。這部分寬度W2為

W2=2R－2000 疊合部分W1寬度

W1＝（1000－W2）/2

對于第二種直接比較小的，制作步驟如下： 下料長度即為絲網直徑，即2R，中間疊合部分寬度W2＋2R=1000+1000，即疊合部分寬度

W2＝2000－2R

§10開孔率計算

開孔率指的是沖孔區與整張板之間的一個比例，常用百分比來表示。現在讓我們用下面的規格來舉例說明：圓孔, 2MM孔徑, 60度錯排, 4MM中心距, 外形尺寸1M X 2M.根據以上的信息及以下的公式，我們可以得出這種規格的沖孔網的開孔率為23%。也就是說沖掉的孔的面積之和為0.465平方米（1M X 2M X 23%）開孔率計算公式

圓孔 60°錯排

圓孔，直排

圓孔 45°錯排

方孔，錯排

方孔，直排

長圓孔，Z型錯排

長圓孔，直排

長圓孔，K型錯排

長方孔，Z型錯排

長方孔，直排

長方孔，K型錯排