Studie o schématu zlepšení adsorpce kolísáním tlaku

Úvod

S rychlým rozvojem industrializace a urbanizace hraje technologie separace a čištění plynu důležitou roli v mnoha oborech. Adsorpce s kolísáním tlaku (PSA) jako účinná technologie separace plynů přitáhla širokou pozornost díky jednoduchému ovládání, nízké spotřebě energie a širokému rozsahu použití11-2. Tradiční proces PSA má stále určitá omezení v účinnosti separace a využití energie, což přimělo výzkumníky k neustálému hledání metod zlepšování ke zlepšení jeho výkonu. Tento článek navrhuje vylepšenou metodu založenou na technologii PSA, jejímž cílem je optimalizovat tradiční proces PSA a zlepšit jeho aplikační efektivitu v oblasti separace a čištění plynů. Optimalizací adsorbentů, úpravou provozních parametrů a návrhem nových adsorpčních zařízení se zavazuje k dosažení vyšší účinnosti separace a nižší spotřeby energie, čímž podporuje další rozvoj technologie PSA.

 

 

 

 

1 Princip a tradiční proces adsorpce kolísáním tlaku
Pressure swing adsorption (PSA) je technologie, která dosahuje separace plynů na základě selektivních adsorpčních charakteristik adsorbentů na molekulách plynu. Základním principem je využití rozdílu v adsorpční kapacitě adsorbentu pro plyny různých složek při různých tlacích a dosažení procesu adsorpce a desorpce plynu úpravou tlaku [13-4]. Při procesu PSA se směs plynů obvykle vede přes adsorbérové ​​lože naplněné vhodným adsorbentem. Ve vysokotlakém stupni bude cílová složka ve směsi plynů adsorbována adsorbentem, zatímco necílová složka bude procházet ložem adsorbentu a bude vypuštěna ze systému po čištění. Následně, v nízkotlaké fázi, snížením tlaku, bude cílová složka v adsorbentu desorbována a shromážděna, aby se získal vyčištěný cílový plyn.
Tradiční PSA proces obvykle zahrnuje následující kroky: adsorpci, uvolnění tlaku, čištění, recyklaci a zvýšení tlaku.
1) Adsorpce: Ve vysokotlakém stupni plynná směs prochází ložem adsorbéru, cílová složka je selektivně adsorbována adsorbentem a necílová složka prochází ložem adsorbentu.
2) Uvolnění tlaku: Po fázi adsorpce se cílová složka začne desorbovat snížením tlaku v loži adsorbéru, čímž se dosáhne desorpce cílové složky.
3) Čištění: Desorbovaná cílová složka je dále zpracovávána čistícím zařízením, aby se získal vysoce čistý cílový plyn.
4) Recirkulace: Vyčištěný cílový plyn může být znovu vstřikován do systému, aby byla poskytnuta příležitost pro opětnou adsorpci.
5) Zvýšení tlaku: Zvýšením tlaku lože adsorbéru se adsorbent obnoví do stavu vysoké adsorpce, aby se připravil na další cyklus.
Při praktické aplikaci tradičního procesu PSA existují určité problémy, které omezují další zlepšování jeho výkonu a efektivity. Za prvé, tradiční proces PSA má dlouhou dobu cyklu, což má za následek dlouhý výrobní cyklus a omezenou výrobní kapacitu. Dlouhá doba adsorpce nejen zvyšuje energetickou spotřebu systému, ale také omezuje jeho rozsáhlé použití v průmyslové výrobě. Za druhé, v tradičním procesu PSA existuje nevyvážený časový problém15-6 pro každý krok operace. Nepřiměřená časová alokace různých kroků povede k nízké účinnosti systému a sníží separační účinek a účinnost čištění. Kromě toho má návrh struktury adsorbéru a metody cirkulace v tradičním procesu PSA také určitý vliv na výkon systému. Nerozumná struktura adsorbéru povede ke špatnému proudění plynu a ovlivní separační účinek. Tradiční metoda cirkulace může mít problémy, jako jsou velké kolísání tlaku a vysoká spotřeba energie.
Stručně řečeno, tradiční proces PSA má problémy, jako je dlouhá doba cyklu, nevyvážená doba pracovního kroku a nepřiměřená struktura adsorbéru a návrh režimu cyklu, což omezuje jeho aplikační účinnost v oblasti separace a čištění plynů. Proto je nutné a velmi důležité zdokonalit technologii PSA.

 

 

 

 

2 Optimalizace adsorbentu
2.1 Výběr adsorbentu a hodnocení účinnosti
Adsorbent je důležitou součástí systému PSA a jeho výběr a výkon hrají klíčovou roli v separačním účinku a spotřebě energie systému. Pokud jde o výběr adsorbentu, je třeba vzít v úvahu faktory, jako jsou fyzikální a chemické vlastnosti cílového plynu, adsorpční kapacita a selektivita adsorbentu. Mezi běžně používané adsorbenty patří aktivní uhlí, molekulární síta atd.
K vyhodnocení účinnosti adsorbentu lze použít metody, jako je experiment adsorpční izotermy a experiment dynamické adsorpce. Experiment adsorpční izotermy může měřit adsorpční množství různých složek plynů adsorbentem a získat křivku adsorpční izotermy. Experiment dynamické adsorpce může simulovat adsorpční výkon adsorbentu za skutečných podmínek procesu, včetně indikátorů, jako je rychlost adsorpce a selektivita.
2.2 Technologie úpravy povrchu adsorbentu
Povrchová úprava adsorbentů je jedním z důležitých prostředků pro zlepšení jejich adsorpčního výkonu. Změnou chemických vlastností a struktury pórů povrchu adsorbentu lze zvětšit jeho povrch, upravit velikost pórů a zlepšit adsorpční kapacitu a selektivitu.
Běžně používané techniky modifikace povrchu adsorbentu zahrnují impregnaci, depozici, iontovou výměnu a chemickou modifikaci [17-8]. Metodou impregnace je ponoření adsorbentu do specifického roztoku a změna povrchových vlastností adsorbentu chemickou reakcí nebo fyzikální adsorpcí mezi adsorbentem a látkou v roztoku. Metodou depozice je nanesení vrstvy specifických látek, jako jsou oxidy kovů nebo organické funkční sloučeniny, na povrch adsorbentu, aby se zvýšila aktivita a selektivita adsorbentu. Metoda iontové výměny zavádí specifické ionty na povrch adsorbentu, aby se změnily vlastnosti povrchového náboje, čímž se reguluje selektivita adsorbentu. Chemická modifikace spočívá v zavedení chemických funkčních skupin na povrch adsorbentu za účelem změny jeho chemických vlastností a afinity.
2.3 Návrh a syntéza nových adsorbentů
Kromě zlepšení výkonu tradičních adsorbentů lze výkon PSA systémů zlepšit také navržením a syntézou nových adsorbentů. Nové adsorbenty mohou být inovativní materiály založené na různých principech a materiálech. Například Metal-Organic Frameworks (MOF) jsou novým typem adsorbentu s vysokou porézností a nastavitelnou strukturou. MOF mají obrovský povrch a objem pórů, což může poskytnout více adsorpčních míst, zlepšit adsorpční kapacitu a selektivituI9-101. Kromě toho nanomateriály, jako jsou uhlíkové nanotrubice a grafen, také vykazují potenciální aplikační hodnotu jako adsorbenty. Návrh a syntéza nových adsorbentů vyžaduje komplexní zvážení faktorů, jako je adsorpční výkon, stabilita a náklady na přípravu. Nové adsorbenty s vynikajícím adsorpčním výkonem lze získat strukturální optimalizací, funkční modifikací a zlepšením procesů přípravy.
Optimalizací výběru a účinnosti adsorbentů, včetně výběru a hodnocení účinnosti adsorbentů, technologie úpravy povrchu adsorbentů a návrhu a syntézy nových adsorbentů, lze výrazně zlepšit separační účinnost a čisticí účinek systémů PSA, což podporuje další vývoj technologie PSA. V další části bude diskutován vliv optimalizace provozních parametrů na výkon systémů PSA.