變壓吸附原理及應(yīng)用.doc

變壓吸附氣體分離技術(shù)目 錄第一節(jié) 氣體吸附分離的基礎(chǔ)知識(shí)2一、吸附的定義2二、吸附劑3三、吸附平衡和等溫吸附線吸附的熱力學(xué)基礎(chǔ)6四、吸附過(guò)程中的物質(zhì)傳遞10五、固定床吸附流出曲線12第二節(jié)變壓吸附的工作原理14一、吸附劑的再生方法14二、變壓吸附工作基本步驟16三、吸附劑的選擇17第三節(jié) 變壓吸附技術(shù)的應(yīng)用及實(shí)施方法20一、回收和精制氫20二、從空氣中制取富氧24三、回收和制取純二氧化碳25四、從空氣中制氮26五、回收和提純一氧化碳28六、從變換氣中脫出二氧化碳31附 變壓吸附工藝步驟中常用字符代號(hào)說(shuō)明32附 回收率的計(jì)算方法32第一節(jié) 氣體吸附分離的基礎(chǔ)知識(shí)一、吸附的定義當(dāng)氣體分子運(yùn)動(dòng)到固體表面上時(shí)，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(huì)暫時(shí)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(xiàn)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(guò)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(dāng)氣體是混合物時(shí)，由于固體表面對(duì)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(gòu)成了氣體吸附分離技術(shù)的基礎(chǔ)。吸附物質(zhì)的固體稱為吸附劑，被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)。伴隨吸附過(guò)程所釋放的的熱量叫吸附熱，解吸過(guò)程所吸收的熱量叫解吸熱。氣體混合物的吸附熱是吸附質(zhì)的冷凝熱和潤(rùn)濕熱之和。不同的吸附劑對(duì)各種氣體分子的吸附熱均不相同。按吸附質(zhì)與吸附劑之間引力場(chǎng)的性質(zhì)，吸附可分為化學(xué)吸附和物理吸附?；瘜W(xué)吸附：即吸附過(guò)程伴隨有化學(xué)反應(yīng)的吸附。在化學(xué)吸附中，吸附質(zhì)分子和吸附劑表面將發(fā)生反應(yīng)生成表面絡(luò)合物，其吸附熱接近化學(xué)反應(yīng)熱。化學(xué)吸附需要一定的活化能才能進(jìn)行。通常條件下，化學(xué)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(xué)吸附。物理吸附：也稱范德華（van derWaais) 吸附，它是由吸附質(zhì)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(nèi)部分子不同，存在剩余的表面自由力場(chǎng)，當(dāng)氣體分子碰到固體表面時(shí)，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(dāng)其熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能足以克服吸附劑引力場(chǎng)的位能時(shí)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(zhì)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(lái)，所以物理吸附是可逆的。分離氣體混合物的變壓吸附過(guò)程系純物理吸附，在整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有任何化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。本文以下敘述的除了注明之外均為氣體的物理吸附。二、吸附劑吸附劑的種類工業(yè)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(duì)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(wèn)題。硅膠是一種堅(jiān)硬、無(wú)定形鏈狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(jīng)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(yè)上用的硅膠分成粗孔和細(xì)孔兩種。粗孔硅膠在相對(duì)濕度飽和的條件下，吸附量可達(dá)吸附劑重量的以上，而在低濕度條件下，吸附量大大低于細(xì)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(zhì)取決于最初氫氧化物的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，一般都不是純粹的Al2O3,而是部分水合無(wú)定形的多孔結(jié)構(gòu)物質(zhì)，其中不僅有無(wú)定形的凝膠，還有氫氧化物的晶體。由于它的毛細(xì)孔通道表面具有較高的活性，故又稱活性氧化鋁。它對(duì)水有較強(qiáng)的親和力，是一種對(duì)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(dá)wiki露點(diǎn)/wiki-以下。活性炭是將木炭、果殼、煤等含碳原料經(jīng)炭化、活化后制成的?；罨椒煞譃閮纱箢?，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(xué)藥品，在非活性氣氛中加熱進(jìn)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(fā)組分以后，通入水蒸氣、二氧化碳、煙道氣、空氣等，并在7001200溫度范圍內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)使其活化?；钚蕴亢泻芏嗝?xì)孔構(gòu)造所以具有優(yōu)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(gè)方面。沸石分子篩又稱合成沸石或分子篩，其化學(xué)組成通式為：M2()M()O.Al2O3.nSiO2.mH2O式中M2()和M()分別為為一價(jià)和二價(jià)金屬離子，多半是鈉和鈣，n稱為沸石的硅鋁比，硅主要來(lái)自于硅酸鈉和硅膠，鋁則來(lái)自于鋁酸鈉和Al(HO)3等，它們與氫氧化鈉水溶液反應(yīng)制得的膠體物，經(jīng)干燥后便成沸石，一般n=210,m=09。沸石的特點(diǎn)是具有分子篩的作用，它有均勻的孔徑，如3A0、4A0、5A0、10A0細(xì)孔。有4A0孔徑的4A0沸石可吸附甲烷、乙烷，而不吸附三個(gè)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(shí)際上也是一種活性炭，它與一般的碳質(zhì)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(nèi)，微孔孔徑大小與被分離的氣體分子直徑相當(dāng)，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(jié)構(gòu)主要分布形式為：大孔直徑與碳粒的外表面相通，過(guò)渡孔從大孔分支出來(lái)，微孔又從過(guò)渡孔分支出來(lái)。在分離過(guò)程中，大孔主要起運(yùn)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(jiǎn)單，但要制取高質(zhì)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?dú)忸I(lǐng)域已獲得了成功，在其它氣體分離方面也有廣闊的前景。 吸附劑的物理性質(zhì)吸附劑的良好吸附性能是由于它具有密集的細(xì)孔構(gòu)造。與吸附劑細(xì)孔有關(guān)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(lái)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(lái)的值，也就是吸附劑能容納吸附質(zhì)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(shù)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(nèi)，孔的形狀極不規(guī)則，孔隙大小也各不相同。直徑在數(shù)埃（A0）至數(shù)十埃的孔稱為細(xì)孔，直徑在數(shù)百埃以上的孔稱為粗孔。細(xì)孔愈多，則孔容愈大，比表面也大，有利于吸附質(zhì)的吸附。粗孔的作用是提供吸附質(zhì)分子進(jìn)入吸附劑的通路。粗孔和細(xì)孔的關(guān)系就象大街和小巷一樣，外來(lái)分子通過(guò)粗孔才能迅速到達(dá)吸附劑的深處。所以粗孔也應(yīng)占有適當(dāng)?shù)谋壤；钚蕴亢凸枘z之類的吸附劑中粗孔和細(xì)孔是在制造過(guò)程中形成的。沸石分子篩在合成時(shí)形成直徑為數(shù)微米的晶體，其中只有均勻的細(xì)孔，成型時(shí)才形成晶體與晶體之間的粗孔?？讖椒植际潜硎究讖酱笮∨c之對(duì)應(yīng)的孔體積的關(guān)系。由此來(lái)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(shí)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(shè)吸附顆粒重量以一克為基準(zhǔn)，根據(jù)表觀重度和真實(shí)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(nèi)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(jì)算吸附床容積的重要參數(shù)。 以上的重度單位常用g/cm3、kg/l、kg/m3表示。 g.孔隙率（k）：即吸附顆粒內(nèi)的孔體積與顆粒體積之比。k=Vk/(Vg+Vk)=(dg-dl)/ dg=1-dl/dg h.空隙率（）：即吸附顆粒之間的空隙與整個(gè)吸附劑堆積體積之比。=(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(zhì):三、吸附平衡和等溫吸附線吸附的熱力學(xué)基礎(chǔ) 吸附剛開(kāi)始時(shí)吸附劑存在大量的活性表面，被吸附的吸附質(zhì)分子數(shù)大大超過(guò)離開(kāi)表面的分子數(shù)。隨著吸附的進(jìn)行，吸附劑表面逐漸被吸附質(zhì)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(shí)，就表示吸附達(dá)到了平衡。在密閉的容器內(nèi)，吸附劑與吸附質(zhì)充分接觸，呈平衡時(shí)為靜態(tài)吸附平衡。含有一定量吸附質(zhì)的惰性氣流通過(guò)吸附劑固定床，吸附質(zhì)在流動(dòng)狀態(tài)下被吸附劑吸附，最后達(dá)到的平衡為動(dòng)態(tài)平衡。表1-1吸附劑的物理性質(zhì)吸附劑名稱 硅膠 活性氧化鋁 活性炭 沸石分子篩真實(shí)重度g/cm3 2.12.3 3.03.3 1.92.2 2.02.5表關(guān)重度g/cm3 0.71.3 0.81.9 0.71.0 0.91.3堆積重度g/cm3 0.450.85 0.491.00 0.350.55 0.60.75空隙率 0.400.50 0.400.50 0.330.55 0.300.40比表面積m2/g 300800 95350 5001300 400750孔容cm3/g 0.31.2 0.30.8 0.51.4 0.40.6平均孔徑A0 10140 40120 2050 為了解釋吸附過(guò)程的實(shí)質(zhì)，曾提出了各式各樣的理論。在這些理論中，迄今沒(méi)有一個(gè)能夠說(shuō)明所有的吸附現(xiàn)象。個(gè)別理論雖然能夠完善地說(shuō)明吸附現(xiàn)象的一個(gè)方面，但是卻不能用來(lái)解釋這一現(xiàn)象的其它方面。這些理論適用與否，是取決于吸附質(zhì)和吸附劑的性質(zhì)，以及吸附的具體條件。不管對(duì)吸附機(jī)理的各種解釋如何，他們都認(rèn)為吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附數(shù)量與被吸附氣體的壓力及吸附過(guò)程的溫度有關(guān)，即：q=f(P,T)式中：q單位重量（或體積）吸附劑所吸附的物質(zhì)量（吸附量）； P吸附組分在氣相中平衡時(shí)的分壓；T吸附過(guò)程的溫度。在此函數(shù)中，當(dāng)溫度（T）一定時(shí)，稱為等溫吸附線；當(dāng)壓力(P)一定時(shí)，稱為等壓吸附線；而當(dāng)吸附量一定時(shí)，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-所示。圖中縱坐標(biāo)為吸附量q，橫坐標(biāo)為吸附質(zhì)分壓P（當(dāng)平衡溫度在吸附質(zhì)臨界溫度以下時(shí)，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(zhì)分子之間作用力不同造成的。 類型是平緩地趨近飽和質(zhì)的朗格謬而型等溫吸附線。這種吸附相當(dāng)于在吸附劑表面上只形成單分子層吸附。類型是最普通的物理吸附，能形成多分子層。類型比較少見(jiàn)，它的特點(diǎn)是吸附熱與被吸附組分的液化熱大致相等。第、種認(rèn)為是由于毛細(xì)管凝結(jié)現(xiàn)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(xiàn)象。表達(dá)等溫吸附線的數(shù)學(xué)式，稱為等溫吸附方程。由于各學(xué)者針對(duì)不同的吸附平衡現(xiàn)象，采用不同的假設(shè)和模型，因而推導(dǎo)出各種等溫吸附方程?，F(xiàn)將幾種常用的等溫吸附方程簡(jiǎn)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(guò)程中，亦存在這種現(xiàn)象，即在吸附過(guò)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(shù)； c吸附質(zhì)在氣體中的濃度。對(duì)于壓力很低的氣相吸附，多數(shù)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(zhì)所覆蓋，才能適用這個(gè)方程。2朗格謬爾（Langmair）方程假設(shè)在等溫下，對(duì)于均勻的吸附表面，吸附質(zhì)分子之間沒(méi)有相互作用力，形成單分子層吸附，由此推導(dǎo)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(shí)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(zhì)在氣體混合物中的分壓； kl朗格謬爾常數(shù)。從上式中可知，當(dāng)吸附質(zhì)在氣體中的分壓很低時(shí)，則：q= qm.kl.p 即成為亨利方程，qm.kl相當(dāng)于亨利系數(shù)kh。如果吸附劑的吸附能力很強(qiáng)，吸附質(zhì)的分壓較高，上式又為q= qm。相當(dāng)于吸附劑的表面全部吸附了吸附質(zhì)，成為飽和吸附狀態(tài)，等溫吸附線趨于一條漸進(jìn)線，吸附量和分壓的變化無(wú)關(guān)，成為定值。上式整理后變?yōu)椋簆/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(duì)數(shù)下降的吸附平衡，弗里德里胥提出的經(jīng)驗(yàn)方程為：q=kf.p1/n式中：kf、n 與吸附劑的特性、溫度有關(guān)的常數(shù)。弗里德里胥方程表示吸附量與壓力的指數(shù)分?jǐn)?shù)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(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)，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0.10.5之間，表示吸附容易進(jìn)行；超過(guò)2時(shí)，則表示吸附難以進(jìn)行。 4B.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(jiǎn)稱B.E.T方程。 朗格謬爾方程的前提條件是假設(shè)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(gè)層次排列的，這些分子可以無(wú)限地累跌而吸附，并且各個(gè)分子之間的相互作用可以忽略不計(jì)，又假設(shè)每一層都符合朗格謬爾方程，便可以推導(dǎo)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(zhì)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(guān)的常數(shù)。在吸附質(zhì)的平衡分壓p遠(yuǎn)比飽和蒸氣壓p0小時(shí)，p0p,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(shuō)，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(jì)算吸附劑的比表面積。 除以上敘述的吸附理論所推導(dǎo)出的等溫吸附方程之外，還有愛(ài)基（Enken）和坡蘭尼(Polanyi)的吸附理論、洛朗茲(Lorenz)和朗德(Lande)的靜電學(xué)說(shuō)、毛細(xì)管凝縮學(xué)說(shuō)以及杜賓寧(Dubinin)在發(fā)展坡蘭尼理論的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出的吸附等溫方程等等。 工業(yè)用吸附劑一般都含有各種大小的微孔，它的吸附過(guò)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(xì)管凝縮所致。哪一種機(jī)理起主要作用視具體條件而定。當(dāng)溫度低于臨界溫度時(shí)，大多數(shù)吸附劑的等溫吸附線屬于第類型；大體可認(rèn)為在低壓區(qū)的吸附主要是單分子層吸附（見(jiàn)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(shí)（p/ p01），毛細(xì)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(zhì)在吸附劑上的吸附量隨吸附質(zhì)的分壓上升而增加；在同一吸附質(zhì)分壓下，吸附質(zhì)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(guò)程中的物質(zhì)傳遞 等溫下靜態(tài)吸附平衡意味著流體和吸附劑經(jīng)長(zhǎng)期接觸，顆粒外和孔內(nèi)的流體濃度相同，吸附相濃度也均勻，這是很難達(dá)到的。在流動(dòng)體系只能達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，吸附質(zhì)從氣體主流到吸附劑顆粒內(nèi)部的傳遞過(guò)程分為兩個(gè)階段： 第一階段是從氣體主流通過(guò)吸附劑顆粒周圍的氣膜到顆粒的表面，稱為外部傳遞過(guò)程或外擴(kuò)散。 第二階段是從吸附顆粒表面?zhèn)飨蝾w粒中心，稱為內(nèi)部傳遞過(guò)程或內(nèi)擴(kuò)散。 這兩個(gè)階段是按先后順序進(jìn)行的，在吸附時(shí)氣體先通過(guò)氣膜到達(dá)顆粒表面，然后才能向顆粒內(nèi)擴(kuò)散，脫附時(shí)則逆向進(jìn)行。 內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程有幾種不同情況，參見(jiàn)圖1-5。 氣體分子到達(dá)顆粒外表面時(shí)，一部分會(huì)被外表面所吸附，而被吸附的分子有可能沿著顆粒內(nèi)的孔壁向深處擴(kuò)散，稱為表面擴(kuò)散。一部分氣體分子還可能在顆粒內(nèi)的孔中向深處擴(kuò)散，稱為孔擴(kuò)散。在孔擴(kuò)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(nèi)擴(kuò)散是既有平行又有順序的吸附過(guò)程，它的過(guò)程模式可表達(dá)為： 根據(jù)前述，吸附傳遞過(guò)程由三部分組成，即外擴(kuò)散、內(nèi)擴(kuò)散和表面吸附。擴(kuò)散過(guò)程在吸附中占有重要地位。導(dǎo)致濃度均衡的物質(zhì)相互滲入稱為擴(kuò)散。由于分子熱運(yùn)動(dòng)，在沒(méi)有外力作用下擴(kuò)散過(guò)程能自發(fā)的發(fā)生。按照費(fèi)克定律，時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散穿過(guò)表面F的物質(zhì)數(shù)量G，與濃度梯度（dC/dn-單位擴(kuò)散路程長(zhǎng)度上的濃度變化）成正比。濃度梯度決定了過(guò)程的推動(dòng)力。G=-D.F.dC/dn比例系數(shù)（D）稱為擴(kuò)散系數(shù)。負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散是朝濃度低的方向運(yùn)行。擴(kuò)散系數(shù)隨擴(kuò)散物質(zhì)的性質(zhì)而異，通常以實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定，并從有關(guān)手冊(cè)中查得。 隨著吸附的進(jìn)行，氣流中吸附質(zhì)的濃度逐漸減少，并逐漸趨于平衡。在單位時(shí)間內(nèi)被單位體積（或重量）吸附劑所吸附的物質(zhì)量稱為吸附濃度。 按吸附動(dòng)力學(xué)原理，吸附速度可用下式表示：dq/d=K(C-Y)式中：dq/d吸附速度的數(shù)學(xué)表達(dá)式； C吸附質(zhì)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(zhì)量傳遞系數(shù)，也稱總傳質(zhì)系數(shù)。以擴(kuò)散方式到達(dá)吸附劑表面的物量由費(fèi)克定律確定，顯然，該物量應(yīng)等于按吸附動(dòng)力學(xué)方程所求得的吸附質(zhì)的量：K(C-Y)= -D.F.dC/dn 對(duì)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(jì)。于是吸附傳遞的動(dòng)力學(xué)過(guò)程是由外擴(kuò)散和內(nèi)擴(kuò)散所決定。K1表示外擴(kuò)散過(guò)程的傳質(zhì)系數(shù)，K2表示內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程的傳質(zhì)系數(shù)，則總傳質(zhì)系數(shù)與外、內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)有下列關(guān)系：1/K=1/K1 + 1/K2 對(duì)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(jì)。 傳質(zhì)系數(shù)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(zhì)有關(guān)。這種復(fù)雜的關(guān)系不可能由一個(gè)通式表示，因此在大多數(shù)情況下，傳質(zhì)系數(shù)是根據(jù)每種不同的情況以實(shí)驗(yàn)方法求得的。五、固定床吸附流出曲線1吸附前沿和吸附負(fù)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(zhì)的氣體混合物以恒定的流速通過(guò)吸附床層?，F(xiàn)在來(lái)描述流動(dòng)狀態(tài)下，床內(nèi)不同位置上的吸附質(zhì)濃度隨時(shí)間的變化情況。 假設(shè)床層內(nèi)的吸附劑完全沒(méi)有傳質(zhì)阻力，即吸附速度無(wú)限大的情況下，吸附質(zhì)一直是以的初始濃度向氣體流動(dòng)方向推進(jìn)，類似于汽缸中的活塞移動(dòng)，如圖1-6、a所示。 實(shí)際上由于傳質(zhì)阻力存在，流體的速度，吸附相平衡以及吸附機(jī)理等各方面的影響，情況并不是這樣。吸附質(zhì)濃度為C0的氣體混合物通過(guò)吸附床時(shí)，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(zhì)前沿）。隨著氣體混合物不斷流入，吸附前沿繼續(xù)向前移動(dòng)，經(jīng)過(guò)t3時(shí)間后，吸附前沿的前端到達(dá)了吸附床的出口端。 S形曲線所占的床層長(zhǎng)度稱為傳質(zhì)區(qū)（MTZ）。此傳質(zhì)區(qū)形成后，只要?dú)饬魉俣炔蛔?，并隨著氣流的不斷進(jìn)入，逐漸沿氣流向前推進(jìn)。因此在動(dòng)吸附過(guò)程中，吸附床可分為三個(gè)區(qū)段（圖1-6、c）：.為吸附飽和區(qū)，在此區(qū)吸附劑不再吸附，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)；.為吸附的傳質(zhì)區(qū)，傳質(zhì)區(qū)愈短，表示傳質(zhì)阻力愈?。磦髻|(zhì)系數(shù)大），床層中吸附劑的利用率越高；.為吸附床的尚未吸附區(qū)。 在圖1-6中，其曲線與座標(biāo)所形成的面積稱為吸附劑的吸附負(fù)荷。在吸附飽和區(qū)部分，便為吸附劑在吸附質(zhì)濃度C0下的飽和吸附量。如將圖1-6中的縱座標(biāo)，由吸附質(zhì)濃度改為吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附量即可得到吸附負(fù)荷曲線（圖1-8、a），它的曲線狀態(tài)完全是與吸附前沿相對(duì)應(yīng)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(jìn)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，吸附質(zhì)出現(xiàn)在吸附床出口處，并隨時(shí)間推移，吸附質(zhì)濃度不斷上升，最終達(dá)到進(jìn)入吸附床的吸附質(zhì)濃度（C0）.測(cè)定吸附床出口處吸附質(zhì)濃度隨時(shí)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(jìn)吸附質(zhì)初濃度為C0的氣體混合物，此時(shí)流體中的吸附質(zhì)從入口端開(kāi)始依次被吸附在床層上。結(jié)果在床層氣體流動(dòng)方向上，便形成一個(gè)濃度梯度（即傳質(zhì)區(qū)）。吸附過(guò)程只是在傳質(zhì)區(qū)為一定性質(zhì)的濃度分布范圍內(nèi)進(jìn)行。吸附工況處于穩(wěn)定狀態(tài)下，其濃度梯度的分布形狀和長(zhǎng)度是不變的，它以一定速度在吸附床層上移動(dòng)。隨著吸附過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，吸附飽和區(qū)逐漸擴(kuò)大，而尚未吸附區(qū)逐漸縮小。 當(dāng)傳質(zhì)區(qū)到達(dá)吸附床出口端時(shí)，流出氣體中的吸附質(zhì)濃度開(kāi)始突然上升的位置，就是所謂的滲透點(diǎn)（圖中C點(diǎn)）。與其相對(duì)應(yīng)的吸附質(zhì)濃度（Cc）、吸附時(shí)間（tc）分別稱為穿透濃度和穿透時(shí)間。實(shí)際上吸附前沿和流出曲線是成鏡面的對(duì)稱相似（圖1-8）。和吸附前沿一樣，傳質(zhì)阻力大，傳質(zhì)區(qū)愈長(zhǎng)，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(wú)限大的時(shí)后，吸附前沿曲線和流出曲線成了垂直線，床內(nèi)吸附劑都被有效利用。 在圖1-8、a中，橫座標(biāo)（Z）為吸附床長(zhǎng)度，縱座標(biāo)（q）為吸附量，曲線為吸附負(fù)荷曲線，。圖1-8、b中，橫座標(biāo)（t）為吸附時(shí)間，縱座標(biāo)(C)為吸附質(zhì)濃度，曲線為吸附流出曲線。圖中面積wikiabc/wikidefa代表傳質(zhì)區(qū)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(zhì)區(qū)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(zhì)區(qū)中被吸附部分(V)，面積abhk為吸附飽和區(qū)(W)。 結(jié)合圖1-8、a、b，根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得到：傳質(zhì)區(qū)長(zhǎng)度ZA=Z.t0/(t+ t0)- t0 .(1-k) 或 ZA=Z.（U+V）/(W+U+V)吸附床的無(wú)效高度h=k. ZA h=Z.U/(W+U+V)式中：Z吸附床總高； t保護(hù)作用時(shí)間； t+ t0飽和作用時(shí)間； k傳質(zhì)區(qū)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(zhì)、顆粒的形狀和大小、氣體混合物的組成和性質(zhì)、流體速度、吸附平衡和機(jī)理、以及吸附床的溫度和壓力。因此通過(guò)流出曲線的研究，可以評(píng)價(jià)吸附劑的性能，測(cè)取傳質(zhì)系數(shù)和了解吸附床的操作狀況。 為了設(shè)計(jì)固定吸附床，必須進(jìn)行傳質(zhì)區(qū)長(zhǎng)度和流出曲線的計(jì)算。但是，已有的計(jì)算方法都是在許多假設(shè)條件下進(jìn)行的，所以，通常以實(shí)驗(yàn)手段測(cè)定傳質(zhì)區(qū)長(zhǎng)度和流出曲線。測(cè)定時(shí)的氣體濃度、流體速度、接觸時(shí)間、吸附壓力、吸附溫度等條件應(yīng)該與實(shí)際使用過(guò)程的條件相對(duì)應(yīng)。第二節(jié)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(jīng)濟(jì)有效的實(shí)現(xiàn)，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(guān)鍵意義。吸附劑再生純度決定產(chǎn)品的純度，也影響吸附劑的吸附能力；吸附劑的再生時(shí)間決定老吸附循環(huán)周期的長(zhǎng)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(duì)吸附分離法的工業(yè)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(zhì)在吸附劑上的吸附量隨吸附質(zhì)的分壓上升而增加；在同一吸附質(zhì)分壓下，吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附量隨吸附溫度上升而減少；也就是說(shuō)加壓降溫有利于吸附質(zhì)的吸附，降壓加溫有利于吸附質(zhì)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(huán)過(guò)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(biāo)為吸附質(zhì)的分壓，縱座標(biāo)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(jìn)行吸附，而升高溫度將吸附的組分解吸出來(lái)。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(dòng)進(jìn)行著吸附和解吸。由于常用吸附劑的熱傳導(dǎo)率比較低，加溫和冷卻的時(shí)間就比較長(zhǎng)（往往需要幾個(gè)小時(shí)），所以吸附床比較大，而且還要配備相應(yīng)的加熱和冷卻設(shè)施，能耗、投資都很高。 此外，溫度大幅度周期性變化也會(huì)影響吸附劑的壽命。但變溫吸附法可適用于許多場(chǎng)合，產(chǎn)品損失少，回收率高，所以目前仍為一種應(yīng)用較廣的方法。2變壓吸附法 在加壓下進(jìn)行吸附，減壓下進(jìn)行解吸。由于循環(huán)周期短，吸附熱來(lái)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(dòng)范圍僅在幾度，可近似看作等溫過(guò)程。由圖2-1看出，變壓吸附工作狀態(tài)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(shí)一部分吸附組分解吸出來(lái)。這個(gè)方法操作簡(jiǎn)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(jìn)一步減少吸附組分的分壓，可用抽真空的方法來(lái)降低吸附床壓力，以得到更好的再生效果，但此法增加了動(dòng)力消耗。c.沖洗：利用弱吸附組分或者其它適當(dāng)?shù)臍怏w通過(guò)需再生的吸附床，被吸附組分的分壓隨沖洗氣通過(guò)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(qiáng)的氣體把原先被吸附的組分從吸附劑上置換出來(lái)。這種方法常用于產(chǎn)品組分吸附能力較強(qiáng)而雜質(zhì)組分較弱即從吸附相獲得產(chǎn)品的場(chǎng)合。 在變壓吸附過(guò)程中，采用哪種再生方法是根據(jù)被分離的氣體混合各組分性質(zhì)、產(chǎn)品要求、吸附劑的特性以及操作條件來(lái)選擇，通常是由幾種再生方法配合實(shí)施的。 應(yīng)當(dāng)注意的是，無(wú)論采用何種方法再生，再生結(jié)束時(shí)，吸附床內(nèi)吸附質(zhì)的殘余量不會(huì)等于零，也就是說(shuō)，床內(nèi)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(nèi)各個(gè)部位。圖2-2中曲線-2示出了這部分殘余量在床內(nèi)的分布情況。曲線-1就是前述的吸附負(fù)荷曲線。兩根曲線分別與座標(biāo)所形成的面積之差稱為吸附床的有效吸附負(fù)荷。此質(zhì)增大，有利于吸附操作。吸附工況確定后，有效吸附負(fù)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(wú)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(yè)上都是采用兩個(gè)或更多的吸附床，使吸附床的吸附和再生交替（或依次循環(huán)）進(jìn)行，保證整個(gè)吸附過(guò)程的連續(xù)。 對(duì)于變壓吸附循環(huán)過(guò)程，有三個(gè)基本工作步驟：1壓力下吸附 吸附床在過(guò)程的最高壓力下通入被分離的氣體混合物，其中強(qiáng)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(jù)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(duì)吸附床進(jìn)行充壓 ，直到吸附壓力為止。接著又在壓力下進(jìn)行吸附。 圖2-3示出了在一個(gè)變壓循環(huán)中吸附劑的吸附負(fù)荷與壓力的變化關(guān)系。 三、吸附劑的選擇 吸附劑對(duì)各氣體組分的吸附性能是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定靜態(tài)下的等溫吸附線和動(dòng)態(tài)下的流出曲線來(lái)評(píng)價(jià)的。吸附劑的良好吸附性能是吸附分離過(guò)程的基本條件。 在變壓吸附過(guò)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(duì)于苯、甲苯等強(qiáng)吸附質(zhì)就要用對(duì)其吸附能力較弱的吸附劑如硅膠，以使吸附容量適當(dāng)，又有利于解吸操作。而對(duì)于弱吸附質(zhì)如甲烷、氮、一氧化碳等，就需要選用吸附能力較強(qiáng)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(diǎn)是組分間的分離系數(shù)盡可能大。 所謂分離系數(shù)的定義是這樣的：設(shè)有一個(gè)二組分體系，其中A為強(qiáng)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(shù)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(nèi)吸附劑吸附A或B組分在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積； p、T工作狀態(tài)下的壓力和溫度； v吸附床的死體積（即床內(nèi)流體能占有的體積），其值為：v=1/db 1/dg于是分離系數(shù)為：=（Ka+1）/(Kb+1)也就是說(shuō)，某組分吸附平衡時(shí)在吸附床內(nèi)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(nèi)的存留量；弱吸附組分和強(qiáng)吸附組分各自在死空間中含有的量占床內(nèi)存留量的比值之比稱為分離系數(shù)。分離系數(shù)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(shù)不宜小于2。表2-1、2-2列出了常見(jiàn)主要組分在大氣壓和20下的分離系數(shù)。表2-1 常見(jiàn)組分對(duì)各種吸附劑的分離系數(shù)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(jiàn)組分對(duì)各種吸附劑的分離系數(shù)組分吸附劑 CH4CO COCO2 N2CH4 N2CO H2CH4 H2CO N2N25A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 11.213X分子篩 1.58 4.70 1.52 2.40 8.0 12.6 5.25 另外，在吸附床運(yùn)行過(guò)程中因床內(nèi)壓力周期地變化，氣體短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入、排出，吸附劑應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以減少破碎和磨損。被分離的氣體如果含有象有機(jī)wiki機(jī)械/wiki潤(rùn)滑油、煤焦油之類的物質(zhì)，那么在吸附過(guò)程中，這些油性物質(zhì)會(huì)粘附在吸附顆粒的外表面，堵塞吸附劑內(nèi)的通道，使吸附劑失去吸附能力。粘附有油類物質(zhì)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(duì)氣體中的含油量必須嚴(yán)格限制，有的場(chǎng)合就需增設(shè)除油設(shè)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(duì)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(zhuǎn)爐煤氣中分離一氧化碳 天然氣凈化 分離組成復(fù)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(nèi)，有的情況也可分別裝填在幾個(gè)吸附床內(nèi)。第三節(jié) 變壓吸附技術(shù)的應(yīng)用及實(shí)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(jìn)行選擇性吸附的原理分離氣體混合物，速度分離型是根據(jù)吸附劑對(duì)各組分的吸附速度的差別實(shí)現(xiàn)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(jìn)行的，吸附床在操作壓力下壓力損失小，目前工業(yè)上應(yīng)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(tǒng)流體阻力的適當(dāng)分配來(lái)實(shí)現(xiàn)的，吸附操作要保證吸附床內(nèi)有一定的壓力梯度，吸附劑的粒度較細(xì)為4060目（而等壓型變壓吸附用的吸附劑直徑為1.63.5mm），因此壓力損失大。快速變壓吸附的特點(diǎn)是裝置特別簡(jiǎn)單，通常只用一個(gè)吸附床，又由于快速周期循環(huán)，單位吸附劑的生產(chǎn)能力較高。其缺陷是達(dá)不到高純度產(chǎn)品，在相同產(chǎn)品純度下回收率要低，只適用于小型規(guī)模的生產(chǎn)裝置。 下面介紹變壓吸附技術(shù)在氣體分離中的應(yīng)用和它們的實(shí)施方法。一、回收和精制氫 隨著石油煉制工業(yè)以及三大合成材料為中心的石油化學(xué)工業(yè)的飛速發(fā)展，氫氣消耗量也在迅速增加，很多有機(jī)合成工業(yè)、冶金工業(yè)、wiki電子/wiki工業(yè)都迫切需要大量純氫，因此擴(kuò)大氫生產(chǎn)資源，開(kāi)發(fā)新的制氫工藝以及改進(jìn)現(xiàn)有制氫工藝，受到人們的普遍關(guān)注。擴(kuò)大氫氣來(lái)源的一條重要途徑就是從許多含氫工業(yè)廢氣中回收氫氣。事實(shí)上在這些工業(yè)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(zhì)是Ar、N2、CH4、CO、CO2、H2O、NH3、H2S以及少量烴類，這些雜質(zhì)可采用變壓吸附技術(shù)依次同時(shí)除去，達(dá)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0.82.5MPa范圍內(nèi)，早期變壓吸附技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要限制，在于缺乏一種有效的方法來(lái)回收和利用吸附結(jié)束時(shí)存留在吸附床內(nèi)死空間的產(chǎn)品組分。在最初的二床流程中，一個(gè)吸附床吸附，另一床再生，每隔一定時(shí)間互相交替。吸附結(jié)束后床內(nèi)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(yōu)良的吸附劑和改善操作條件以外，關(guān)鍵還在于改善工藝流程。 目前工業(yè)上解決的辦法是采用多床變壓吸附工藝，它的主要實(shí)施方法是，根據(jù)吸附的狀態(tài)特性將吸附操作在穿透點(diǎn)之前一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間結(jié)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(gè)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(lái)說(shuō)，均壓次數(shù)增加，產(chǎn)品回收率上升，但吸附床數(shù)也要相應(yīng)增多。多床變壓吸附工藝應(yīng)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(jiàn)，現(xiàn)以其中一個(gè)吸附床（A床）所經(jīng)歷的七個(gè)步驟為例來(lái)說(shuō)明它的工作原理。圖3-2是A床吸附時(shí)的氣流示意圖。1吸附(A) 原料氣自下而上通過(guò)A床，在過(guò)程最高壓力下選擇吸附各種雜質(zhì)，未被吸附的純氫從吸附床頂部引出，其中大部分作為產(chǎn)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(dá)床的出口端時(shí)即停止，使吸附前沿和床出口端之間保留一段還沒(méi)有使用的吸附劑。2均壓降（ED） 吸附步驟完成后，A床停止進(jìn)入原料氣。與已再生完成處于過(guò)程最低壓力的C床以出口端相連進(jìn)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(shí)A床的吸附前沿向前推進(jìn)，但還未到達(dá)床的出口端。均壓降的氣體純度和產(chǎn)品基本一致。此步驟對(duì)C床來(lái)說(shuō)叫做均壓升，回收了吸附床死空間中大產(chǎn)品組分和它的能量。3順向放壓（PP） A床繼續(xù)從出口端降壓，降壓的氣體用于沖洗已逆向放壓到過(guò)程最低壓力的D床。順向放壓結(jié)束時(shí)的壓力控制在吸附前沿剛好到達(dá)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(jìn)一步再生。4逆向放壓（D） 順向放壓終止時(shí)A 床內(nèi)吸附劑已全部吸附了雜質(zhì)，于是將床內(nèi)剩余氣體從入口端排出，降到過(guò)程最低壓力（一般為大氣壓）。在此步驟中床內(nèi)吸附的雜質(zhì)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(guò)程最低壓力下對(duì)A床進(jìn)行沖洗以進(jìn)一步降低雜質(zhì)分壓，清除殘留于床內(nèi)的雜質(zhì)。6均壓升（ER） 沖洗完成后A窗的吸附劑基本再生完畢，此時(shí)開(kāi)始進(jìn)行再次吸附前的升壓準(zhǔn)備，在此利用C床均壓降的產(chǎn)品氣對(duì)A床進(jìn)行充壓，達(dá)到吸附壓力的一半。7最終升壓（FR） 然后用D床生產(chǎn)中的一部分把A床充壓到過(guò)程的最高壓力，即吸附壓力。至此，A床完成了一個(gè)吸附再生循環(huán)，并將重新開(kāi)始吸附進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。 其它三個(gè)吸附床的工作步驟與A床相同，只是在時(shí)序安排成錯(cuò)開(kāi)四分之一周期（見(jiàn)表3-1）。 此流程通過(guò)均壓和順向放壓兩個(gè)步驟回收了吸附床死空間中的大部分產(chǎn)品組分和它的能量，提高了產(chǎn)品回收率，同時(shí)用于充壓的產(chǎn)品氣量減少，產(chǎn)品氣的壓力波動(dòng)也相應(yīng)減少。在升壓過(guò)程中，純氫都是從吸附床出口端充入，這樣床內(nèi)極少量的雜質(zhì)會(huì)被推向入口端，起到了床內(nèi)吸附劑更新的作用。此法從變換氣中制取純氫，產(chǎn)品純度可達(dá)99.9999.999%，氫的回收率為7580%。 為了進(jìn)一步減少產(chǎn)品的損失，還可采用二次均壓法，使逆向放壓時(shí)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57%。 除了四床流程外，工業(yè)上根據(jù)裝置規(guī)模增大和吸附壓力上升還相應(yīng)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(guó)聯(lián)合炭化物公司引進(jìn)的。裝置處理原料（變換氣）能力為74530nm3/h,吸附壓力約2.4MPa，產(chǎn)品氫純度99.9%，氫回收率85%。 此流程特點(diǎn)是：采用了三次均壓的方法，進(jìn)一步提高了氫的回收率，產(chǎn)品輸出壓力波動(dòng)很??；任何時(shí)候都有三個(gè)吸附床通入原料進(jìn)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(yīng)地也縮小了與吸附床相連接的管道和閥門規(guī)格，同時(shí)還縮短了過(guò)程的循環(huán)時(shí)間，提高吸附劑的利用率或減少吸附劑的需用量。當(dāng)自動(dòng)切換閥門或它的控制部件出現(xiàn)故障時(shí)，裝置可由十床切換成五床運(yùn)行，不至于全系統(tǒng)停車，此時(shí)原料處理量為406678 nm3/h。近來(lái)計(jì)算機(jī)和閥門故障判斷系統(tǒng)wiki軟件/wiki的不斷改善，十床流程已可根據(jù)出現(xiàn)故障的閥門位置切換成四床、六床或八床運(yùn)行，被切斷的吸附床越少，生產(chǎn)能力影響也越小，充分保證裝置的開(kāi)工率。 上述的一些多床變壓吸附流程只要改變床內(nèi)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?fàn)t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(chǎn)品組分的場(chǎng)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(guò)程中有時(shí)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(tǒng)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(guī)模生產(chǎn)這些氣體的最經(jīng)濟(jì)的方法。但在許多場(chǎng)合，如廢水處理、金屬冶煉、醫(yī)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(duì)高純度氧要更多些。為此人們很早就企圖實(shí)現(xiàn)用比深冷法更簡(jiǎn)便的方法富集氧氣。對(duì)分子篩的研究發(fā)現(xiàn)，在5A型分子篩上空氣中的氮是被優(yōu)先選擇吸附的分子（見(jiàn)圖3-4），自此注意到應(yīng)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(kāi)發(fā)一樣，是沿著兩條途徑進(jìn)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(shù)；另一方面是改進(jìn)工藝流程，根據(jù)富氧生產(chǎn)能力、純度即吸附劑性能開(kāi)發(fā)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(chǎn)富氧，吸附床數(shù)增加可提高產(chǎn)氧能力、降