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1、 吸附的概念
變壓吸附（PSA）技術(shù)是近30 多年來發(fā)展起來的一項新型氣體分離與凈化技術(shù)。1942年德國發(fā)表了第一篇無熱吸附凈化空氣的專利文獻(xiàn)。60年代初，美國聯(lián)合碳化物公司首次實現(xiàn)了變壓吸附四床工藝技術(shù)的工業(yè)化。由于變壓吸附技術(shù)投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、產(chǎn)品純度高、操作簡單、靈活、環(huán)境污染小、原料氣源適應(yīng)范圍寬，因此，進(jìn)入70年代后，這項技術(shù)被廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金、輕工及環(huán)保等領(lǐng)域。
吸附是指：當(dāng)兩種相態(tài)不同的物質(zhì)接觸時，其中密度較低物質(zhì)的分子在密度較高的物質(zhì)表面被富集的現(xiàn)象和過程。具有吸附作用的物質(zhì)（一般為密度相對較大的多孔固體）被稱為吸附劑，被吸附的物質(zhì)（一般為密度相對較小的氣體或液體）稱為吸附質(zhì)。吸附按其性質(zhì)的不同可分為四大類，即：化學(xué)吸附、活性吸附、毛細(xì)管凝縮和物理吸附。變壓吸附（PSA）氣體分離裝置中的吸附主要為物理吸附。
物理吸附是指依靠吸附劑與吸附質(zhì)分子間的分子力（包括范德華力和電磁力）進(jìn)行的吸附。其特點(diǎn)是：吸附過程中沒有化學(xué)反應(yīng)，吸附過程進(jìn)行的極快，參與吸附的各相物質(zhì)間的動態(tài)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(xiàn)是由于吸附劑在這種物理吸附中所具有的兩個基本性質(zhì)：一是對不同組分的吸附能力不同，二是吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附容量隨吸附質(zhì)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(zhì)，可實現(xiàn)對混合氣體中某些組分的優(yōu)先吸附而使其它組分得以提純；利用吸附劑的第二個性質(zhì)，可實現(xiàn)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(gòu)成吸附劑的吸附與再生循環(huán)，達(dá)到連續(xù)分離氣體的目的。
1.1 吸附劑
工業(yè)PSA-H2裝置所選用的吸附劑都是具有較大比表面積的固體顆粒，主要有：活性氧化鋁類、活性炭類、硅膠類和分子篩類吸附劑；另外還有針對某種組分選擇性吸附而研制的特殊吸附材料，如CO專用吸附劑和碳分子篩等。吸附劑最重要的物理特征包括孔容積、孔徑分布、表面積和表面性質(zhì)等。不同的吸附劑由于有不同的孔隙大小分布、不同的比表面積和不同的表面性質(zhì)，因而對混合氣體中的各組分具有不同的吸附能力和吸附容量。
吸附劑對各種氣體的吸附性能主要是通過實驗測定的吸附等溫線和動態(tài)下的穿透曲線來評價的。優(yōu)良的吸附性能和較大的吸附容量是實現(xiàn)吸附分離的基本條件。同時，要在工業(yè)上實現(xiàn)有效的分離，還必須考慮吸附劑對各組分的分離系數(shù)應(yīng)盡可能大。所謂分離系數(shù)是指：在達(dá)到吸附平衡時，（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(qiáng)吸附組分在吸附床死空間中殘余量/強(qiáng)吸附組分在吸附床中的總量）之比。分離系數(shù)越大，分離越容易。一般而言，變壓吸附氣體分離裝置中的吸附劑分離系數(shù)不宜小于3。
另外，在工業(yè)變壓吸附過程中還應(yīng)考慮吸附與解吸間的矛盾。一般而言，吸附越容易則解吸越困難。如對于C5、C6等強(qiáng)吸附質(zhì)，就應(yīng)選擇吸附能力相對較弱的吸附劑如硅膠等，以使吸附容量適當(dāng)而解吸較容易；而對于N2、O2、CO等弱吸附質(zhì)，就應(yīng)選擇吸附能力相對較強(qiáng)的吸附劑如分子篩等，以使吸附容量更大、分離系數(shù)更高。
此外，在吸附過程中，由于吸附床內(nèi)壓力是周期性變化的，吸附劑要經(jīng)受氣流的頻繁沖刷，因而吸附劑還應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和抗磨性。
在變壓吸附氣體分離裝置常用的幾種吸附劑中，活性氧化鋁類屬于對水有強(qiáng)親和力的固體，一般采用三水合鋁或三水鋁礦的熱脫水或熱活化法制備，主要用于氣體的干燥。
硅膠類吸附劑屬于一種合成的無定形二氧化硅，它是膠態(tài)二氧化硅球形粒子的剛性連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，一般是由硅酸鈉溶液和無機(jī)酸混合來制備的，硅膠不僅對水有極強(qiáng)的親和力，而且對烴類和CO2等組分也有較強(qiáng)的吸附能力。
活性炭類吸附劑的特點(diǎn)是：其表面所具有的氧化物基團(tuán)和無機(jī)物雜質(zhì)使表面性質(zhì)表現(xiàn)為弱極性或無極性，加上活性炭所具有的特別大的內(nèi)表面積，使得活性炭成為一種能大量吸附多種弱極性和非極性有機(jī)分子的廣譜耐水型吸附劑。
沸石分子篩類吸附劑是一種含堿土元素的結(jié)晶態(tài)偏硅鋁酸鹽，屬于強(qiáng)極性吸附劑，有著非常一致的孔徑結(jié)構(gòu)和極強(qiáng)的吸附選擇性，對CO、CH4、N2、Ar、O2等均具有較高的吸附能力。
專用吸附劑是由我公司和南京化工大學(xué)共同開發(fā)的一種專門用于吸附CO的吸附劑，其特點(diǎn)是通過在吸附劑載體上加入貴金屬，使其對CO具有特別的選擇性和吸附精度，從而大大提高CO的分離效果。
碳分子篩是一種以碳為原料，經(jīng)特殊的碳沉積工藝加工而成的專門用于提純空氣中的氮?dú)獾膶Ｓ梦絼?，使其孔徑分布非常集中，只比氧分子直徑略大，因此非常有利于對空氣中氮氧的分離。
對于組成復(fù)雜的氣源，在實際應(yīng)用中常常需要多種吸附劑，按吸附性能依次分層裝填組成復(fù)合吸附床，才能達(dá)到分離所需產(chǎn)品組分的目的。
H! 1.2 吸附平衡：
吸附平衡是指在一定的溫度和壓力下，吸附劑與吸附質(zhì)充分接觸，最后吸附質(zhì)在兩相中的分布達(dá)到平衡的過程，吸附分離過程實際上都是一個平衡吸附過程。在實際的吸附過程中，吸附質(zhì)分子會不斷地碰撞吸附劑表面并被吸附劑表面的分子引力束縛在吸附相中；同時吸附相中的吸附質(zhì)分子又會不斷地從吸附劑分子或其它吸附質(zhì)分子得到能量，從而克服分子引力離開吸附相；當(dāng)一定時間內(nèi)進(jìn)入吸附相的分子數(shù)和離開吸附相的分子數(shù)相等時，吸附過程就達(dá)到了平衡。在一定的溫度和壓力下，對于相同的吸附劑和吸附質(zhì)，該動態(tài)平衡吸附量是一個定值。
在壓力高時，由于單位時間內(nèi)撞擊到吸附劑表面的氣體分子數(shù)多，因而壓力越高動態(tài)平衡吸附容量也就越大；在溫度高時，由于氣體分子的動能大，能被吸附劑表面分子引力束縛的分子就少，因而溫度越高平衡吸附容量也就越小。
我們用不同溫度下的吸附等溫線來描述這一關(guān)系，吸附等溫線就是在一定的溫度下，測定出各氣體組份在吸附劑上的平衡吸附量，將不同壓力下得到的平衡吸附量用曲線連接而成的曲線。
在通常的工業(yè)變壓吸附過程中，由于吸附--解吸循環(huán)的周期短（一般只有數(shù)分鐘），吸附熱來不及散失，恰好可供解吸之用，所以吸附熱和解吸熱引起的吸附床溫度變化一般不大，吸附過程可近似看做等溫過程，其特性基本符合Langmuir吸附等溫方程。
在實際應(yīng)用中一般依據(jù)氣源的組成、壓力及產(chǎn)品要求的不同來選擇PSA、TSA或PSA+TSA工藝。
變溫吸附（TSA）法的循環(huán)周期長、投資較大，但再生徹底，通常用于微量雜質(zhì)或難解吸雜質(zhì)的脫除；
變壓吸附（PSA）的循環(huán)周期短，吸附劑利用率高，吸附劑用量相對較少，不需要外加換熱設(shè)備，被廣泛用于大氣量多組分氣體的分離與純化。
在變壓吸附（PSA）工藝中，通常吸附劑床層壓力即使降至常壓，被吸附的組分也不能完全解吸，因此根據(jù)降壓解吸方式的不同有可分為兩種工藝： 一種是用產(chǎn)品氣或其他不易吸附的組分對床層進(jìn)行“沖洗”，使被吸附組分的分壓大大降低，將較難解吸的雜質(zhì)沖洗出來，其優(yōu)點(diǎn)是在常壓下即可完成，不再增加任何設(shè)備，但缺點(diǎn)是會損失產(chǎn)品氣體，降低產(chǎn)品氣的收率。
另一種是利用抽真空的辦法降低被吸附組分的分壓，使吸附的組分在負(fù)壓下解吸出來，這就是通常所說的真空變壓吸附(Vacuum Pressure Swing Absorption,縮寫為VPSA)。VPSA工藝的優(yōu)點(diǎn)是再生效果好，產(chǎn)品收率高，但缺點(diǎn)是需要增加真空泵。*
在實際應(yīng)用過程中，究竟采用以上何種工藝，主要視原料氣的組成性質(zhì)、原料氣壓力、流量、產(chǎn)品的要求以及工廠的資金和場地等情況而決定。