Študija o shemi izboljšanja adsorpcije zaradi nihanja tlaka

Uvod

S hitrim razvojem industrializacije in urbanizacije ima tehnologija ločevanja in čiščenja plina pomembno vlogo na številnih področjih. Adsorpcija z nihanjem tlaka (PSA) kot učinkovita tehnologija ločevanja plinov je pritegnila široko pozornost zaradi preprostega delovanja, nizke porabe energije in širokega obsega uporabe11-2. Tradicionalni postopek PSA ima še vedno nekaj omejitev glede učinkovitosti ločevanja in izrabe energije, kar je raziskovalce spodbudilo k nenehnemu iskanju metod izboljšanja za izboljšanje njegove učinkovitosti. Ta članek predlaga izboljšano metodo, ki temelji na tehnologiji PSA, katere namen je optimizirati tradicionalni postopek PSA in izboljšati učinkovitost njegove uporabe na področju ločevanja in čiščenja plinov. Z optimizacijo adsorbentov, prilagoditvijo obratovalnih parametrov in zasnovo novih adsorpcijskih naprav se zavzema za doseganje večje učinkovitosti ločevanja in nižje porabe energije ter s tem spodbuja nadaljnji razvoj tehnologije PSA.

 

 

 

 

1 Načelo in tradicionalni postopek adsorpcije zaradi nihanja tlaka
Adsorpcija z nihanjem tlaka (PSA) je tehnologija, ki doseže ločevanje plinov na podlagi selektivnih adsorpcijskih značilnosti adsorbentov na molekulah plina. Osnovno načelo je izkoristiti razliko v adsorpcijski sposobnosti adsorbenta za pline različnih komponent pri različnih tlakih in doseči postopek adsorpcije in desorpcije plina s prilagajanjem tlaka [13-4]. V postopku PSA se mešanica plinov običajno prehaja skozi adsorberjsko plast, napolnjeno z ustreznim adsorbentom. V visokotlačni fazi bo ciljno komponento v mešanici plinov adsorbiral adsorbent, medtem ko bo neciljna komponenta prešla skozi adsorbentno plast in se po čiščenju izpustila iz sistema. Nato se v fazi nizkega tlaka z zmanjšanjem tlaka ciljna komponenta v adsorbentu desorbira in zbere, da se pridobi prečiščen ciljni plin.
Tradicionalni postopek PSA običajno vključuje naslednje korake: adsorpcijo, sprostitev tlaka, čiščenje, recikliranje in dvig tlaka.
1) Adsorpcija: V visokotlačni fazi mešanica plinov prehaja skozi adsorbentsko plast, ciljno komponento selektivno adsorbira adsorbent, neciljna komponenta pa gre skozi adsorbcijsko plast.
2) Sprostitev tlaka: Po stopnji adsorpcije se ciljna komponenta začne desorbirati z zmanjšanjem tlaka adsorberjske postelje, s čimer se doseže desorpcija ciljne komponente.
3) Čiščenje: desorbirano ciljno komponento nadalje obdela čistilna naprava, da dobimo ciljni plin visoke čistosti.
4) Recirkulacija: prečiščeni ciljni plin se lahko ponovno vbrizga v sistem, da se omogoči ponovna adsorpcija.
5) Povečanje tlaka: S povečanjem tlaka adsorberjske plasti se adsorbent povrne v stanje visoke adsorpcije, da se pripravi na naslednji cikel.
Pri praktični uporabi tradicionalnega postopka PSA je nekaj težav, kar omejuje nadaljnje izboljšanje njegove učinkovitosti in učinkovitosti. Prvič, tradicionalni postopek PSA ima dolg cikel, kar ima za posledico dolg proizvodni cikel in omejeno proizvodno zmogljivost. Dolg čas adsorpcije ne samo poveča porabo energije sistema, ampak tudi omejuje njegovo obsežno uporabo v industrijski proizvodnji. Drugič, obstaja težava z neuravnoteženim časom v tradicionalnem postopku PSA15-6 za vsak korak operacije. Nerazumna časovna razporeditev različnih korakov bo povzročila nizko učinkovitost sistema ter zmanjšala učinek ločevanja in učinkovitost čiščenja. Poleg tega ima zasnova strukture adsorberja in metoda kroženja v tradicionalnem procesu PSA določen vpliv na delovanje sistema. Nerazumna struktura adsorberja bo povzročila slab pretok plina in vplivala na učinek ločevanja. Tradicionalna cirkulacijska metoda ima lahko težave, kot so velika nihanja tlaka in velika poraba energije.
Če povzamemo, tradicionalni postopek PSA ima težave, kot so dolgi časi cikla, neuravnotežen čas koraka delovanja in nerazumna struktura adsorberja in zasnova načina cikla, ki omejujejo učinkovitost njegove uporabe na področju ločevanja in čiščenja plinov. Zato je nujno in zelo pomembno izboljšati tehnologijo PSA.

 

 

 

 

2 Optimizacija adsorbenta
2.1 Izbira adsorbenta in ocena učinkovitosti
Adsorbent je vitalna komponenta v sistemu PSA, njegova izbira in učinkovitost pa igrata ključno vlogo pri učinku ločevanja in porabi energije sistema. Pri izbiri adsorbenta je treba upoštevati dejavnike, kot so fizikalne in kemijske lastnosti ciljnega plina, adsorpcijska zmogljivost in selektivnost adsorbenta. Običajno uporabljeni adsorbenti vključujejo aktivno oglje, molekularna sita itd.
Za ovrednotenje učinkovitosti adsorbenta je mogoče uporabiti metode, kot sta poskus z adsorpcijsko izotermo in dinamični adsorpcijski poskus. S poskusom z adsorpcijsko izotermo je mogoče izmeriti količino adsorpcije različnih sestavnih plinov s strani adsorbenta in pridobiti krivuljo adsorpcijske izoterme. Dinamični adsorpcijski poskus lahko simulira adsorpcijsko učinkovitost adsorbenta v dejanskih procesnih pogojih, vključno s kazalniki, kot sta stopnja adsorpcije in selektivnost.
2.2 Tehnologija modifikacije površine adsorbenta
Modifikacija površine adsorbentov je eden od pomembnih načinov za izboljšanje njihove adsorpcijske učinkovitosti. S spreminjanjem kemijskih lastnosti in strukture por površine adsorbenta je mogoče povečati njegovo površino, prilagoditi velikost por ter izboljšati adsorpcijsko zmogljivost in selektivnost.
Običajno uporabljene tehnike modifikacije površine adsorbentov vključujejo impregnacijo, nanašanje, ionsko izmenjavo in kemično modifikacijo [17-8]. Metoda impregnacije je potopitev adsorbenta v določeno raztopino in sprememba površinskih lastnosti adsorbenta s kemično reakcijo ali fizično adsorpcijo med adsorbentom in snovjo v raztopini. Metoda nanašanja je nanos plasti specifičnih snovi, kot so kovinski oksidi ali organske funkcionalne spojine, na površino adsorbenta, da se poveča aktivnost in selektivnost adsorbenta. Metoda ionske izmenjave uvaja specifične ione na površino adsorbenta, da spremeni lastnosti površinskega naboja in s tem uravnava selektivnost adsorbenta. Kemijska modifikacija je uvedba kemičnih funkcionalnih skupin na površino adsorbenta, da se spremenijo njegove kemične lastnosti in afiniteta.
2.3 Oblikovanje in sinteza novih adsorbentov
Poleg izboljšanja učinkovitosti tradicionalnih adsorbentov je mogoče učinkovitost sistemov PSA izboljšati tudi z načrtovanjem in sintezo novih adsorbentov. Novi adsorbenti so lahko inovativni materiali, ki temeljijo na različnih principih in materialih. Na primer, Metal-Organic Frameworks (MOF) so nova vrsta adsorbenta z visoko poroznostjo in prilagodljivo strukturo. MOF imajo veliko površino in prostornino por, kar lahko zagotovi več adsorpcijskih mest, izboljša adsorpcijsko zmogljivost in selektivnostI9-101. Poleg tega nanomateriali, kot so ogljikove nanocevke in grafen, prav tako kažejo potencialno vrednost uporabe kot adsorbenti. Zasnova in sinteza novih adsorbentov zahteva celovito preučitev dejavnikov, kot so adsorpcijska učinkovitost, stabilnost in stroški priprave. Nove adsorbente z odlično adsorpcijsko zmogljivostjo je mogoče pridobiti s strukturno optimizacijo, funkcionalno modifikacijo in izboljšanjem postopkov priprave.
Z optimizacijo izbire in učinkovitosti adsorbentov, vključno z izbiro in vrednotenjem učinkovitosti adsorbentov, tehnologijo modifikacije površine adsorbentov ter oblikovanjem in sintezo novih adsorbentov, je mogoče bistveno izboljšati učinkovitost ločevanja in učinek čiščenja sistemov PSA, kar spodbuja nadaljnji razvoj tehnologije PSA. V naslednjem razdelku bomo obravnavali učinek optimizacije delovnih parametrov na delovanje sistemov PSA.