Surve kõikumise adsorptsiooni parandamise skeemi uuring

Sissejuhatus

Industrialiseerimise ja linnastumise kiire arenguga mängib gaasi eraldamise ja puhastamise tehnoloogia paljudes valdkondades olulist rolli. Survekõikumisega adsorptsioon (PSA) kui tõhus gaasieraldustehnoloogia on pälvinud laialdast tähelepanu oma lihtsa toimimise, madala energiatarbimise ja laia kasutusala tõttu11-2. Traditsioonilisel PSA protsessil on eraldamise tõhususe ja energiakasutuse osas endiselt mõningaid piiranguid, mis on ajendanud teadlasi pidevalt otsima parendusmeetodeid oma jõudluse parandamiseks. Käesolevas artiklis pakutakse välja täiustatud meetod, mis põhineb PSA tehnoloogial, mille eesmärk on optimeerida traditsioonilist PSA protsessi ja parandada selle kasutamise tõhusust gaasi eraldamise ja puhastamise valdkonnas. Adsorbentide optimeerimise, tööparameetrite reguleerimise ja uute adsorptsiooniseadmete disainimise kaudu on ta pühendunud kõrgema eraldusefektiivsuse ja väiksema energiatarbimise saavutamisele, edendades seeläbi PSA tehnoloogia edasist arengut.

 

 

 

 

1 Surve kõikumise adsorptsiooni põhimõte ja traditsiooniline protsess
Pressure swing adsorption (PSA) on tehnoloogia, mis saavutab gaasi eraldamise, mis põhineb adsorbentide selektiivsetel adsorptsiooniomadustel gaasimolekulidel. Põhiprintsiibiks on kasutada adsorbendi adsorptsioonivõime erinevust erinevate komponentide gaaside puhul erinevatel rõhkudel ning saavutada gaasi adsorptsiooni ja desorptsiooni protsess rõhu reguleerimisega [13-4]. PSA protsessis lastakse gaasisegu tavaliselt läbi sobiva adsorbendiga täidetud adsorberkihi. Kõrgsurvefaasis adsorbeerib adsorbent gaasisegus sisalduva sihtkomponendi, samal ajal kui mittesihtkomponent läbib adsorbendikihi ja väljub pärast puhastamist süsteemist. Seejärel desorbeeritakse madalrõhu etapis adsorbendis olev sihtkomponent rõhku vähendades ja kogutakse puhastatud sihtgaasi saamiseks.
Traditsiooniline PSA protsess sisaldab tavaliselt järgmisi samme: adsorptsioon, rõhu vabastamine, puhastamine, ringlussevõtt ja rõhu suurendamine.
1) Adsorptsioon: kõrgsurvefaasis läbib gaasisegu adsorberkihti, sihtkomponent adsorbeerib selektiivselt adsorbendi ja mittesihtkomponent läbib adsorbendikihti.
2) Rõhu vabastamine: pärast adsorptsioonietappi hakkab sihtkomponent desorbeeruma, vähendades adsorberkihi rõhku, saavutades seeläbi sihtkomponendi desorptsiooni.
3) Puhastamine: Desorbeeritud sihtkomponenti töödeldakse edasi puhastusseadmega, et saada kõrge puhtusastmega sihtgaas.
4) Retsirkulatsioon: puhastatud sihtgaasi saab uuesti süsteemi süstida, et anda võimalus uuesti adsorptsiooniks.
5) Rõhu tõus: suurendades adsorberikihi rõhku, taastatakse adsorbent kõrge adsorptsiooni olekusse, et valmistuda järgmiseks tsükliks.
Traditsioonilise PSA protsessi praktilisel rakendamisel on probleeme, mis piirab selle toimivuse ja tõhususe edasist parandamist. Esiteks on traditsioonilisel PSA protsessil pikk tsükliaeg, mille tulemuseks on pikk tootmistsükkel ja piiratud tootmisvõimsus. Pikk adsorptsiooniaeg mitte ainult ei suurenda süsteemi energiatarbimist, vaid piirab ka selle laiaulatuslikku kasutamist tööstuslikus tootmises. Teiseks on traditsioonilises PSA protsessis{1}} iga toiminguetapi jaoks tasakaalustamata ajaprobleem. Erinevate etappide ebamõistlik ajajaotus viib süsteemi madala efektiivsuseni ning vähendab eraldamise ja puhastamise efektiivsust. Lisaks mõjutab süsteemi jõudlust teatud määral ka adsorberi struktuuri ja tsirkulatsioonimeetodi disain traditsioonilises PSA protsessis. Ebamõistlik adsorberi struktuur põhjustab halva gaasivoolu ja mõjutab eraldusefekti. Traditsioonilise tsirkulatsioonimeetodi puhul võib esineda probleeme, nagu suured rõhukõikumised ja suur energiatarbimine.
Kokkuvõtteks võib öelda, et traditsioonilisel PSA protsessil on probleeme, nagu pikk tsükliaeg, tasakaalustamata tööetappide aeg ning ebamõistlik adsorberi struktuur ja tsüklirežiimi disain, mis piiravad selle kasutamise tõhusust gaasi eraldamise ja puhastamise valdkonnas. Seetõttu on PSA tehnoloogia täiustamine vajalik ja väga oluline.

 

 

 

 

2 Adsorbendi optimeerimine
2.1 Adsorbendi valik ja toimivuse hindamine
Adsorbent on PSA süsteemi oluline komponent ning selle valik ja jõudlus mängivad võtmerolli süsteemi eraldusefektis ja energiatarbimises. Adsorbendi valikul tuleb arvesse võtta selliseid tegureid nagu sihtgaasi füüsikalised ja keemilised omadused, adsorptsioonivõime ja adsorbendi selektiivsus. Tavaliselt kasutatavate adsorbentide hulka kuuluvad aktiivsüsi, molekulaarsõelad jne.
Adsorbendi jõudluse hindamiseks võib kasutada selliseid meetodeid nagu adsorptsiooni isotermi katse ja dünaamilise adsorptsiooni katse. Adsorptsiooni isotermi katse abil saab mõõta adsorbendi poolt erinevate komponentidegaaside adsorptsioonikogust ja saada adsorptsiooni isotermi kõver. Dünaamilise adsorptsiooni katse abil saab simuleerida adsorbendi adsorptsiooni jõudlust tegelikes protsessitingimustes, sealhulgas selliseid näitajaid nagu adsorptsioonikiirus ja selektiivsus.
2.2 Adsorbendi pinna modifitseerimise tehnoloogia
Adsorbentide pinna muutmine on üks olulisi vahendeid nende adsorptsioonivõime parandamiseks. Adsorbendi pinna keemiliste omaduste ja pooride struktuuri muutmisega saab suurendada selle pindala, reguleerida pooride suurust ning parandada adsorptsioonivõimet ja selektiivsust.
Tavaliselt kasutatavad adsorbendi pinna muutmise tehnikad hõlmavad immutamist, sadestamist, ioonivahetust ja keemilist modifitseerimist [17-8]. Impregneerimismeetodiks on adsorbendi sukeldamine konkreetsesse lahusesse ja adsorbendi pinnaomaduste muutmine adsorbendi ja lahuses oleva aine vahelise keemilise reaktsiooni või füüsikalise adsorptsiooni teel. Sadestamismeetodiks on spetsiifiliste ainete, näiteks metallioksiidide või orgaaniliste funktsionaalsete ühendite kihi sadestamine adsorbendi pinnale, et suurendada adsorbendi aktiivsust ja selektiivsust. Ioonivahetusmeetod lisab adsorbendi pinnale spetsiifilisi ioone, et muuta pinnalaengu omadusi, reguleerides seeläbi adsorbendi selektiivsust. Keemiline modifitseerimine on keemiliste funktsionaalrühmade lisamine adsorbendi pinnale, et muuta selle keemilisi omadusi ja afiinsust.
2.3 Uute adsorbentide projekteerimine ja süntees
Lisaks traditsiooniliste adsorbentide jõudluse parandamisele saab PSA-süsteemide jõudlust parandada ka uute adsorbentide kavandamise ja sünteesimise teel. Uuteks adsorbentideks võivad olla uuenduslikud materjalid, mis põhinevad erinevatel põhimõtetel ja materjalidel. Näiteks metallorgaanilised raamistikud (MOF) on uut tüüpi suure poorsusega ja reguleeritava struktuuriga adsorbendid. MOF-idel on tohutu pindala ja pooride maht, mis võib pakkuda rohkem adsorptsioonikohti, parandada adsorptsioonivõimet ja selektiivsust9-101. Lisaks näitavad nanomaterjalid, nagu süsiniknanotorud ja grafeen, potentsiaalset kasutusväärtust adsorbentidena. Uute adsorbentide kavandamine ja süntees nõuab selliste tegurite igakülgset arvessevõtmist nagu adsorptsiooni jõudlus, stabiilsus ja ettevalmistuskulud. Suurepärase adsorptsioonivõimega uusi adsorbente on võimalik saada struktuuri optimeerimise, funktsionaalse muutmise ja ettevalmistusprotsesside täiustamise kaudu.
Optimeerides adsorbentide valikut ja toimivust, sealhulgas adsorbentide valikut ja toimivuse hindamist, adsorbendi pinna modifitseerimise tehnoloogiat ning uute adsorbentide disaini ja sünteesi, saab PSA süsteemide eraldusefektiivsust ja puhastusefekti oluliselt parandada, soodustades nende edasist arengut. PSA tehnoloogiast. Järgmises osas käsitletakse tööparameetrite optimeerimise mõju PSA süsteemide jõudlusele.