分子筛纯化系统介绍.ppt
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1、空分设备操作技术培训 空气纯化系统原料空气纯化原理及设备主讲主讲:杭氧设计院杭氧设计院林秀娜林秀娜2011年年5月月 目的:分子筛纯化系统运行在最优化状态安全、节能。空气纯化系统介绍一、概述二、分子筛纯化原理三、流程和设备介绍 四、事故案例分析空气纯化系统一、概述 为了使空分设备长期、安全、可靠地运转,必须设置的纯化设备。用以清除空气中的水分和二氧化碳、乙炔等碳氢化合物发展动态:1950年后期-国外的小型空分设备已采用分子筛纯化流程。八十年代前国内以切换式换热器自清除流程为主八十年代后期开始:国内空分设备开始采用分子筛纯化流程。分子筛纯化流程优点:具有纯产品提取量大、操作简便、运转周期长,使用
2、安全可靠等诸多优点。它代表着空分发展的主导方向。空气纯化系统1.分子筛纯化流程作用:用吸吸附附法法清除原料空气中的水分、乙炔、二氧化碳及一些能吸附的碳氢化合物,保证空分设备的正常运行。2.、吸附系统功能组成:吸附-工作(较高压力0.6MPa(A)下),解吸再生常压下0.116MPa(A)3、设备组成:分子筛吸附器、加热设备、消声器、阀门、仪电控空气纯化系统二、分子筛纯化原理1.空气成分及有害气体空分设备的原料气是空气。空气是多组分的混合气体。除氧、氮及稀有气体外,还含有水蒸汽、二氧化碳及碳氢化合物等,另外还有少量灰尘等固体杂质。2.有害气体危害这些杂质随空气进入空压机,继而进入空分设备是非常有
3、害的。固体杂质会磨损机器运转零件,堵塞冷却设备。空气纯化系统水分和二氧化碳会随着空气温度的下降,从 空气中析出,冻结和堵塞气体通道。乙炔和其它碳氢化合物在空分设备内积聚,在一定条件下还会引起爆炸。3.空分设备有害气体的安全范围水 分 吸 附 后 达 到-60以 下,CO2小 于1PPm,乙炔小于0.01 PPm等。空气纯化系统分子筛流程第一次将净化空气部分分离出来,采用独立单元,因此分子筛流程的空分装置,主换热器已经基本是一个纯换热设备了,不再同时兼具净化空气的作用。用分子筛净化空气技术的发展历史:国外二十世纪五十年代末期-Linde公司中国二十世纪八十年代引进Linde公司技术发展起来空气纯
4、化系统分子筛纯化系统目前空分采用分子筛纯化系统为主来纯化空气。吸附器内装填的吸附剂有:分子筛,活性氧化铝等。吸附原理介绍为了保证分馏塔的安全,我们需要对空气进行吸附处理。1.吸附剂的吸附原理吸附法净除空气中的杂质空气中的水分、乙炔、二氧化碳均可用叫做“吸附剂”的多孔物质吸附净除。吸附术语吸附力分类:吸附又可分为物理吸附和化学吸附两类。分子筛纯化系统物理吸附:也称为范德华吸附,它是由于分子间的弥散作用及静电作用等引起的;物理吸附热较低,接近液体的汽化或冷凝热,吸附和解吸速度都较快。化学吸附:是由于化学键作用所引起的。化学吸附由原子间反应生成了表面络合物,吸附热接近化学反应热,需要一定的活化能,其
5、吸附和解吸速度都比物理吸附慢。”分子筛纯化系统吸附热:空分吸附中水分,CO2占主要时,物理吸附占主要,吸附热主要由水分,CO2冷凝潜热产生,所以产生了吸附器前后温度的升高。再生:(解吸或脱附)由于分子筛等吸附剂是固体,它的多孔吸附表面是有限的,所以不能连续操作,吸附容量饱和时,必须进行解吸。固定床吸附原理再生:(解吸或脱附)“气体一固体”,这是不均匀界面吸附,已被吸附的原子或分子,返回到气相中,称之为解吸或脱附。(2)恒温恒压固定床吸附的基本原理当吸附质浓度为ye混合气体开始以恒定流速进入吸附器时,吸附质首先在靠近吸附器进口端的吸附剂入口上被吸附。并渐渐趋于饱和。固定床吸附原理吸附平衡区:吸附
6、剂上的吸附质浓度xe与进气浓度ye平衡,气体经过这一段吸附柱时浓度不再发生变化,这一区域称为吸附平衡区。传质区:在平衡区以上是正在进行吸附的传质区。未吸附区:传质区以上是未吸附区,继续进料,吸附器中传质区逐渐下移,平衡区慢慢扩大,未吸附区相应缩小,只要传质区还附在吸附柱内,气体经过吸附柱后吸附质浓度都应该是y0。固定床吸附原理转效点:当传质区前缘移出吸附柱,则流出气体中吸附质浓度开始增加。当传质区的尾缘也离开了吸附柱的出口截面,这时整个吸附柱都达到饱和,对原料气的吸附质不再具有吸附能力,经过吸附柱后的气体中吸附质浓度仍为ye。当传质区前缘开始达到吸附器出口截面时,这一点即称为转效点,用表示时间
7、,则b为转效时间。(见图1)固定床吸附原理吸附剂的吸附能力以吸附容量来表示。吸附容量分为静吸附容量和动吸附容量。静吸附容量:是在一定温度和被吸附组分浓度一定的情况下每单位重量或单位体积的吸附剂到达平衡时所能吸附物质的最大量,即吸附剂的吸附容量能达到的最大值(平衡值)。动吸附容量动吸附容量:是吸附剂到达“转效点”时的吸附值(吸附器内单位吸附剂的平均吸附容量)。由于气体连续流过吸附剂表面,未达饱和就已流走,故动态吸附容量小于静态吸附容量。1:吸附剂在不同温度下对水分的静吸附容量 温度 255075100125 150 250分子分子筛筛 222118.515963.5活性活性氧化氧化铝铝 1062
8、.5310 注:上表在水蒸汽分压力0.1KPa的实验数据 吸附剂(3)吸附剂种类 吸附剂:一切固体都有吸附能力,但并不都是吸附剂.吸附剂必须具备适当的表面结构、表面积、孔隙大小和分布,使其具有很强的吸附力。常用的吸附剂:空分设备中为纯化空气有分子筛、活性氧化铝、硅胶等。分子筛 a 分子筛分子筛经加热失去结晶水,晶体内形成许多孔穴,其孔径大小与被吸附气体分子直径相近,且非常均匀。它能把小于孔径的分子吸进孔隙内,把大于孔径的分子挡在孔隙外。因此,它可以根据分子的大小,把各种组分分离,“分子筛”亦由此得名。分子筛类型:分子筛是人工合成泡沸石,硅铝酸盐的晶体,呈白色粉末,加入粘结剂后可挤压成条状、片状
9、和球状。在空分上常用分子筛13X-APG13X-APG,1.1.球状有4X84X8目,(4mm)(4mm)2.2.球状有8x128x12目,(2.38mm),(2.38mm)3.3.条状有1/161/16”,(1.6mm,L=3-6mm),(1.6mm,L=3-6mm)现有些厂家有新开发的分子筛,吸附能力提高(10%),(10%),可降低能耗或延长工作时间分子筛分子筛的化学通式为:Mex/n(AlO2x(SiO2)ymH2OMe阳离子,主要是Na+、Ca+、K+;X/n能置换原子价n的阳离子数;式中n金属离子的价数;xAlO2分子数;ySiO2的分子数;m结晶水的分子数。分子筛 13X型的分子
10、筛化学通式型的分子筛化学通式Na86(AlO2)86(SiO2)106.mH2O 能吸附临界直径能吸附临界直径C2H2CO2。由于是共吸附,势必会使分子筛对每种组分的吸附容量都将减少。吸附原理在出吸附剂床层的空气中很快会出现甲烷(CHCH4 4),乙烷(C(C2 2H H6 6),),接着乙烯(C(C2 2H H4 4),),丙烷(C(C3 3H H8 8)几乎与二氧化碳同时在出吸附剂层的空气中出现。以后才依次出现乙炔(C C2 2H H2 2),丙烯(C(C3 3H H6 6)、丁烷(C C4 4H H1010)、丁烯(C C4 4H H8 8)。吸附原理由于吸附器在工作周期内必须在出口空气
11、中出现二氧化碳之前结束,即切换。这表明乙炔、丙烯、丁烷、丁烯不能随空气进入空分设备内。吸附物质可将上述吸附用表3、表4示出:表3:分子筛透过和吸附杂质 透过透过 甲烷、乙烷、丙烷、甲烷、乙烷、丙烷、乙烯乙烯 吸附吸附(二氧化碳二氧化碳)乙炔、乙炔、丁烷、丙稀、丁烯丁烷、丙稀、丁烯(水水).).表4:杂质穿透分子筛床层顺序 甲烷甲烷 立即穿透立即穿透 乙烷乙烷 几乎立即穿透几乎立即穿透 二氧化碳、丙烷、二氧化碳、丙烷、乙烯乙烯 几乎同时穿透,但按几乎同时穿透,但按相反顺序相反顺序 乙炔、丙稀乙炔、丙稀 迟一些穿透迟一些穿透 丁烷、丁烯丁烷、丁烯 较迟一些穿透较迟一些穿透 水水 很迟穿透很迟穿透
12、b.活性氧化铝 活性氧化铝是用碱从铝盐溶液或用酸从铝盐溶液中沉淀出水合氧化铝,然后经过老化、洗涤、胶溶、干燥和成型得到氢氧化铝,再经脱水而得氧化铝。其化学式为AlAl2 2O3。它是白色具有较好的化学稳定性和机械强度的固体吸附剂。活性氧化铝 现在使用的活性氧化铝是以三水铝石为原料,经过干燥、高温快速脱水,然后经再水化和活化等制备工艺制取的X X型干燥剂。特点:具有抗压强度高、磨耗低,不粉化,不爆裂等独特的优点,其抗冷热的突变性也很强,在极恶劣的工作条件下,也能承担吸附作用。吸水性能好。活性氧化铝 我们现在常用活性氧化铝来初步吸附水分。颗粒3-5mm.3-5mm.放在下层。c惰性氧化铝 30-6
13、5%30-65%的AlAl2 2O3含量,SiOSiO2 2等组成。铺于床层底层,用于分布气流。在床面分布好的吸附器内,可以不用.2.影响吸附性能的因素-温度、浓度吸附容量的大小受多种因素的影响,主要有:吸附过程的温度和被吸附组分的分压力(或浓度)的影响。随水蒸汽分压力增加而增大,但增大到一定程度以后,吸附容量大体上与分压力无关了。所以应尽量降低吸附过程的温度,温度降低,饱和水分含量也减少,有利于吸附。2.影响吸附性能的因素 与气体(或液体)的流速有关流速越高,吸附效果越差,动吸附容量越小。气体湿度的影响分子筛对相对湿度较低的气体干燥能力较大。与吸附剂的再生完善程度有关 吸附剂解吸再生越彻底,
14、吸附容量就 越大,反之越小,而再生的完善程度与再生温度有关,也与再生气体中含有多少吸附质有关。影响吸附性能的因素再生 3.吸附剂的再生为使吸附质从吸附剂表面上解脱出来,从而使吸附剂恢复吸附能力称为“解吸”(或“再生”)。在吸附质与吸附剂充分接触后,终将达到动平衡,被吸附的量达到了最大值(即饱和),“动平衡”是指吸附和解吸的吸附质,分子数相等,处于平衡状态,此时吸附剂失去了吸附能力。吸附和解析事实上是同时进行的,只不过未达饱和前吸附的量大于解析的量。影响吸附性能的因素再生 吸附剂被吸附质饱和以后就失去了吸附的能力,应当进行再生,把所吸附的水分,乙炔和二氧化碳赶走,然后再继续使用。再生是吸附的逆过
15、程解析过程。再生是利用吸附温度越高,压力越低,吸附容量越小的特性进行的,因为气体温度升高,分子动能增大,吸附剂吸附不住吸附质时,吸附质就逃逸了。所以再生在低压、高温下进行。影响吸附性能的因素吸附剂的再生温度应该是对于该吸附质的吸附容量等于零时的温度,称为完全再生。空气中的乙炔、丙烯、丁烷在吸附器切换之前一般可纯化至 10-4ppm、在解析过程中,大部分乙炔在10分钟之内解析掉,解析气中乙炔的最高含量在加热开始后15分钟左右。再生(1)吸附剂的再生及能耗再生的基本机理是破坏吸附的动态平衡,人为地使吸附表面上停留的吸附质分子不断减少,最后达到完全脱附的目的。因此,再生是传质和传热同时发生的复杂过程
16、。再生实际上,在再生结束的时候,吸收层的温度不一定均匀,再生气的出口和入口部位,残留在吸附层中的吸附组分量当然也会产生梯度。随随着着分分子子筛筛流流程程使使用用经经验验的的积积累累,分分子子筛筛再再生生温温度度也也从从最最先先开开始始的的300300左左右右下下降降到到160160左左右右,甚甚至至还还可可到到100100左左右右。在在再再生生温温度度300300和和200200比比较较时时,前前者者吸吸附附容容量量仅仅增增加加3%3%,但再生气体所需的,但再生气体所需的热热量却要增加量却要增加30%30%。再生从设备运转的经济性考虑,以后逐渐将再生气体的进口温度降到160左右。随着温度的降低
17、,其吸附容量略有降低。但相差不大,在实际使用中也能很好地运转。在再生加热温度为200时,吹冷峰值温度可达160左右,这是吸附器的最佳运转工况。再生分四步:1.降压2.加温3.吹冷4.升压5.切换在再生加热温度为170时,吹冷峰值温度可达130左右,这时被吸附的水分和二氧化碳均能解析。再生时间也有关系.再生气量也有关系.可调整。Q总=CMt*T(时间)由于电加热器的功率有限,活化时可以降低流量,增加时间和tt。而工作周期长(4 48h8h),其吸附剂用量增多,容器体积变大,气体通过床层的压力降也大、空压机的排压也要相应提高,这增加了能耗。三、三、空气纯化系统流程和设备的介绍空气纯化系统流程和设备
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