变压吸附的工作原理

一、吸附剂的再生方法

        为了能使吸附分离法经济有效的实现，除了吸附剂要有良好的吸附性能以外，吸附剂的再生方法具有关键意义。吸附剂再生深度决定产品的纯度，也影响吸附剂的吸附能力；吸附剂的再生时间决定了吸附循环周期的长短，从而也决定了吸附剂用量的多少。因此选择合适的再生方法，对吸附分离法的工业化起着重要的作用。

        由描述吸附平衡的等温吸附线知道，在同一温度下，吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附质的分压上升而增加；在同一吸附质分压下，吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附温度上升而减少；也就是说加压降温有利于吸附质的吸附，降压加温有利于吸附质的解吸或吸附剂的再生。

        于是按吸附剂的再生方法将吸附分离循环过程分成两类：变温吸附法和变压吸附法。图2-9表示了这两种方法的概念，图中横座标为吸附质的分压，纵座标为单位吸附剂的吸附量。上面一条是常温下的等温吸附线，下面一条是高温下的

1．变温吸附法

        在较低温度（常温或更低）下进行吸附，而升高温度将吸附的组分解吸出来。从图2-9看出，变温吸附是在两条不同温度的等温吸附线之间上下移动进行着吸附和解吸。由于常用吸附剂的热传导率比较低，加温和冷却的时间就比较长（往往需要几个小时），所以吸附床比较大，而且还要配备相应的加热和冷却设施，能耗、投资都很高。

        此外，温度大幅度周期性变化也会影响吸附剂的寿命。但变温吸附法可适用于许多场合，产品损失少，回收率高，所以目前仍为一种应用较广的方法。

2．变压吸附法

        在加压下进行吸附，减压下进行解吸。由于循环周期短，吸附热来不及散失，可供解吸之用，所以吸附热和解吸热引起的吸附床温度变化一般不大，波动范围仅在几度，可近似看作等温过程。由图2-1看出，变压吸附工作状态仅仅是在一条等吸附线上变化。

        常用减压吸附方法有以下几种，其目的都是为了降低吸附剂上被吸附组分的分压，使吸附剂得到再生。

a. 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，这时一部分吸附组分解吸出来。这个方法操作简单，单吸附组分的解吸不充分，吸附剂再生程度不高。

b. 抽真空：

        吸附床降到大气压以后，为了进一步减少吸附组分的分压，可用抽真空的方法来降低吸附床压力，以得到更好的再生效果，但此法增加了动力消耗。

c. 冲洗：

        利用弱吸附组分或者其它适当的气体通过需再生的吸附床，被吸附组分的分压随冲洗气通过而下降。吸附剂的再生程度取决于冲洗气的用量和纯度。

d. 置换：

        用一种吸附能力较强的气体把原先被吸附的组分从吸附剂上置换出来。这种方法常用于产品组分吸附能力较强而杂质组分较弱即从吸附相获得产品的场合。

        在变压吸附过程中，采用哪种再生方法是根据被分离的气体混合各组分性质、产品要求、吸附剂的特性以及操作条件来选择，通常是由几种再生方法配合实施的。

        应当注意的是，无论采用何种方法再生，再生结束时，吸附床内吸附质的残余量不会等于零，也就是说，床内吸附剂不可能彻底再生。这部分残余量也不是均匀分布再吸附床内各个部位。图2-10中曲线-2示出了这部分残余量在床内的分布情况。曲线-1就是前述的吸附负荷曲线。两根曲线分别与座标所形成的面积之差称为吸附床的有效吸附负荷。此质增大，有利于吸附操作。吸附工况确定后，有效吸附负荷就取决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、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，有三个基本工作步骤：

1．压力下吸附

        吸附床在过程的最高压力下通入被分离的气体混合物，其中强吸附组分被吸附剂选择性吸收，弱吸附组分从吸附床的另一端流出。

2．减压解吸

        根据被吸附组分的性能，选用前述的降压、抽真空、冲洗和置换中的几种方法使吸附剂获得再生。一般减压解吸，先是降压到大气压力，然后再用冲洗、抽真空或置换。

3．升压

        吸附剂再生完成后，用弱吸附组分对吸附床进行充压 ，直到吸附压力为止。接着又在压力下进行吸附。

图2-11示出了在一个变压循环中吸附剂的吸附负荷与压力的变化关系。

三、吸附剂的选择

        吸附剂对各气体组分的吸附性能是通过实验测定静态下的等温吸附线和动态下的流出曲线来评价的。吸附剂的良好吸附性能是吸附分离过程的基本条件。

        在变压吸附过程中吸附剂的选择还要考虑解决吸附和解吸之间的矛盾。例如对于苯、甲苯等强吸附质就要用对其吸附能力较弱的吸附剂如硅胶，以使吸附容量适当，又有利于解吸操作。而对于弱吸附质如甲烷、氮、一氧化碳等，就需要选用吸附能力较强的吸附剂如分子筛等，以期吸附容量大些。选择吸附剂的另一要点是组分间的分离系数尽可能大。

         所谓分离系数的定义是这样的：

        设有一个二组分体系，其中A为强吸附组分；B为弱吸附组分。它们的含量分别为X_a和X_b，组分A和B的吸附系数K_a、K_b各为：

                                K_a =q_a.T.p₀/(v.T₀.p.X_a)         ;      K_b=q_b.T. p₀/( v.T₀.p.X_b)

        式中：q—床内吸附剂吸附A或B组分在标准状态下的体积；

          p、T—工作状态下的压力和温度；

          v—吸附床的死体积（即床内流体能占有的体积），其值为：

                                                 v=1/d_b – 1/d_g

        于是分离系数α为：

                                               α=（K_a+1）/(K_b+1)

        也就是说，某组分吸附平衡时在吸附床内的总量有两部分，一部分是在死空间中，另一部分被吸附剂所吸附，其总和叫做某组分在吸附床内的存留量；弱吸附组分和强吸附组分各自在死空间中含有的量占床内存留量的比值之比称为分离系数。分离系数越大分离越容易。在变压吸附中被分离的两种组分的分离系数不宜小于2。表2-2、2-3列出了常见主要组分在大气压和20℃下的分离系数。

        另外，在吸附床运行过程中因床内压力周期地变化，气体短时间内进入、排出，吸附剂应有足够的强度，以减少破碎和磨损。被分离的气体如果含有象有机机械润滑油、煤焦油之类的物质，那么在吸附过程中，这些油性物质会粘附在吸附颗粒的外表面，堵塞吸附剂内的通道，使吸附剂失去吸附能力。粘附有油类物质的任何吸附剂，不管采用升温还是降压抽空的再生方法，都是不能再生的。因此对气体中的含油量必须严格限制，有的场合就需增设除油设施，以免吸附剂在使用中失效。

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