变压吸附系统吸附剂吸附容量的实验研究

    1 引 言

    变压吸附分离(pressure swing adsorption简称PSA)空气过程是一种循环过程,经1958年开发以后,广泛地应用于气体混合物的分离精制[1]。它以压力为热力学参量,在加压条件下气体组分被吸附,减压条件下吸附组分被脱附,被脱附的组分排出变压吸附装置,吸附剂得到再生。与变温吸附不同,不用外加热源,使吸附剂受热再生,故又可以称之为无热源吸附分离过程[2]。这种方法的特点是装置体积小、操作简单,自动化程度高[3]。

    这种分离方法中的一个核心问题是其中所选用的吸附剂的特性。吸附剂的静态吸附容量是检验吸附剂性能的一项重要指标,影响其大小的因素很多,同时许多因素互相交叉影响很难量化。为了了解各种因素对吸附容量的影响,设计并搭建了1套标准实验台,用于测试各种不同因素对于吸附容量的影响,并给出一些具体的实验数据以供生产和科研参考。

    2 实验系统

    2. 1 实验测量原理

    吸附剂吸附容量的测定方法一般分为直接法和间接法两大类[4]。本实验采用直接法中的静态法。系统的设计与搭建是根据氮气通过多孔吸附介质时由于分子间作用力而附着在空隙间,从而使气室内氮气的量减少而压力降低的原理。通过将吸附前后气室压力的变化转换为吸附量的变化来研究吸附剂在各种因素影响下的变化。试验测试的影响因素主要包括外部因素与内部因素两类:外部为吸附压力与吸附温度;内部则为分子筛本身特性。

    2. 2 实验系统组成

    吸附剂性能实验系统如图1所示,实验系统包括:减压阀、氮气压力表、高温烘箱、手动调节阀、精密压力表、真空抽气泵、吸附柱、恒温槽、气室、流量计、干燥过滤器、氮气瓶。

    实验装置所用的氮气为高纯氮,体积分数为99.9%,设计压力为0. 5MPa。吸附柱中所填充的吸附剂分别为吸附剂A,粒度为1. 6 mm ~2. 5 mm;吸附剂B,粒度为1. 4 mm ~2. 0 mm。在吸附柱设计过程中,为了防止分子筛溢出,在吸附柱进出口部分装有过滤丝网。设计中考虑气流在吸附柱内径向分布不均匀的问题,径向分布不均容易产生边壁效应。为了减少边壁效应,吸附柱床层的直径至少为吸附剂颗粒直径的30倍左右,床层的高度最低限度为颗粒直径的100倍左右,以减少不同流速区气流的混合。床层进口区域要使气流速度分布均匀,并避免边壁效应的产生,安装了金属丝网和支撑孔板。为保证试验所需的恒温,在系统中加入了制冷恒温槽用来提供试验所需要的不同的温度,并使之保持稳定。

    2. 3 实验数据分析的计算方法[5]