Estudi sobre l'esquema de millora de l'adsorció de canvi de pressió

Introducció

Amb el ràpid desenvolupament de la industrialització i la urbanització, la tecnologia de separació i purificació de gasos té un paper important en molts camps. L'adsorció de canvi de pressió (PSA), com a tecnologia eficaç de separació de gasos, ha cridat l'atenció generalitzada pel seu funcionament senzill, el seu baix consum d'energia i l'ampli rang d'aplicació11-2. El procés tradicional de PSA encara té algunes limitacions en l'eficiència de la separació i la utilització de l'energia, fet que ha portat els investigadors a buscar contínuament mètodes de millora per millorar el seu rendiment. Aquest article proposa un mètode millorat basat en la tecnologia PSA, amb l'objectiu d'optimitzar el procés tradicional de PSA i millorar l'eficiència de la seva aplicació en el camp de la separació i purificació de gasos. Mitjançant l'optimització dels adsorbents, l'ajust dels paràmetres de funcionament i el disseny de nous dispositius d'adsorció, es compromet a aconseguir una major eficiència de separació i un menor consum d'energia, promovent així el desenvolupament de la tecnologia PSA.

 

 

 

 

1 Principi i procés tradicional d'adsorció de canvi de pressió
L'adsorció de canvi de pressió (PSA) és una tecnologia que aconsegueix la separació de gasos basant-se en les característiques d'adsorció selectiva dels adsorbents sobre les molècules de gas. El principi bàsic és utilitzar la diferència de capacitat d'adsorció de l'adsorbent per a gasos de diferents components a diferents pressions i aconseguir el procés d'adsorció i desorció de gas ajustant la pressió [13-4]. En el procés PSA, la mescla de gas sol passar per un llit adsorbent ple d'un adsorbent adequat. En l'etapa d'alta pressió, el component objectiu de la mescla de gas serà adsorbit per l'adsorbent, mentre que el component no objectiu passarà pel llit adsorbent i es descarregarà del sistema després de la purificació. Posteriorment, en l'etapa de baixa pressió, en reduir la pressió, el component objectiu de l'adsorbent es desorbirà i es recollirà per obtenir un gas objectiu purificat.
El procés tradicional de PSA sol incloure els següents passos: adsorció, alliberament de pressió, purificació, reciclatge i augment de pressió.
1) Adsorció: a l'etapa d'alta pressió, la barreja de gasos passa pel llit adsorbent, el component objectiu és adsorbit selectivament per l'adsorbent i el component no objectiu passa pel llit adsorbent.
2) Alliberament de pressió: després de l'etapa d'adsorció, el component objectiu comença a desorbir-se reduint la pressió del llit d'adsorció, aconseguint així la desorció del component objectiu.
3) Purificació: el component objectiu desorbit és processat posteriorment pel dispositiu de purificació per obtenir un gas objectiu d'alta puresa.
4) Recirculació: el gas objectiu purificat es pot tornar a injectar al sistema per oferir una oportunitat de readsorció.
5) Augment de pressió: en augmentar la pressió del llit adsorbent, l'adsorbent es restaura a un estat d'adsorció elevat per preparar-se per al següent cicle.
Hi ha alguns problemes en l'aplicació pràctica del procés tradicional PSA, que limita la millora addicional del seu rendiment i eficiència. En primer lloc, el procés tradicional de PSA té un temps de cicle llarg, el que resulta en un cicle de producció llarg i una capacitat de producció limitada. El llarg temps d'adsorció no només augmenta el consum d'energia del sistema, sinó que també limita la seva aplicació a gran escala en la producció industrial. En segon lloc, hi ha un problema de temps desequilibrat en el procés PSA tradicional15-6 per a cada pas d'operació. L'assignació de temps no raonable de diferents passos conduirà a una baixa eficiència del sistema i reduirà l'efecte de separació i l'eficiència de purificació. A més, el disseny de l'estructura de l'adsorbidor i el mètode de circulació en el procés tradicional PSA també té un cert impacte en el rendiment del sistema. L'estructura d'adsorbidor no raonable conduirà a un flux de gas deficient i afectarà l'efecte de separació. El mètode de circulació tradicional pot tenir problemes com grans fluctuacions de pressió i un alt consum d'energia.
En resum, el procés tradicional de PSA té problemes com ara un temps de cicle llarg, un temps de pas d'operació desequilibrat i una estructura d'absorció i un disseny de mode de cicle no raonables, que limiten l'eficiència de la seva aplicació en el camp de la separació i purificació de gasos. Per tant, és necessari i de gran importància millorar la tecnologia PSA.

 

 

 

 

2 Optimització de l'adsorbent
2.1 Selecció de l'adsorbent i avaluació del rendiment
L'adsorbent és un component vital en el sistema PSA, i la seva selecció i rendiment tenen un paper clau en l'efecte de separació i el consum d'energia del sistema. Pel que fa a la selecció de l'adsorbent, cal tenir en compte factors com ara les propietats físiques i químiques del gas objectiu, la capacitat d'adsorció i la selectivitat de l'adsorbent. Els adsorbents d'ús habitual inclouen carbó activat, garbells moleculars, etc.
Per avaluar el rendiment de l'adsorbent, es poden utilitzar mètodes com l'experiment d'isoterma d'adsorció i l'experiment d'adsorció dinàmica. L'experiment d'isoterma d'adsorció pot mesurar la quantitat d'adsorció de diferents gasos components per part de l'adsorbent i obtenir la corba d'isoterma d'adsorció. L'experiment d'adsorció dinàmica pot simular el rendiment d'adsorció de l'adsorbent en condicions reals del procés, inclosos indicadors com la taxa d'adsorció i la selectivitat.
2.2 Tecnologia de modificació de superfícies adsorbents
La modificació superficial dels adsorbents és un dels mitjans importants per millorar el seu rendiment d'adsorció. En canviar les propietats químiques i l'estructura dels porus de la superfície adsorbent, es pot augmentar la seva superfície, es pot ajustar la mida dels porus i es pot millorar la capacitat d'adsorció i la selectivitat.
Les tècniques de modificació de superfícies adsorbents que s'utilitzen habitualment inclouen la impregnació, la deposició, l'intercanvi d'ions i la modificació química [17-8]. El mètode d'impregnació consisteix a submergir l'adsorbent en una solució específica i canviar les propietats superficials de l'adsorbent per reacció química o adsorció física entre l'adsorbent i la substància de la solució. El mètode de deposició consisteix a dipositar una capa de substàncies específiques, com òxids metàl·lics o compostos orgànics funcionals, a la superfície de l'adsorbent per augmentar l'activitat i la selectivitat de l'adsorbent. El mètode d'intercanvi iònic introdueix ions específics a la superfície de l'adsorbent per canviar les propietats de càrrega superficial, regulant així la selectivitat de l'adsorbent. La modificació química consisteix a introduir grups funcionals químics a la superfície de l'adsorbent per canviar les seves propietats químiques i afinitat.
2.3 Disseny i síntesi de nous adsorbents
A més de millorar el rendiment dels adsorbents tradicionals, també es pot millorar el rendiment dels sistemes PSA dissenyant i sintetitzant nous adsorbents. Els nous adsorbents poden ser materials innovadors basats en diferents principis i materials. Per exemple, els marcs orgànics metàl·lics (MOF) són un nou tipus d'adsorbent amb alta porositat i estructura ajustable. Els MOF tenen una superfície i un volum de porus enormes, que poden proporcionar més llocs d'adsorció, millorar la capacitat d'adsorció i la selectivitatI9-101. A més, els nanomaterials com els nanotubs de carboni i el grafè també mostren un valor potencial d'aplicació com a adsorbents. El disseny i la síntesi de nous adsorbents requereix una consideració exhaustiva de factors com ara el rendiment d'adsorció, l'estabilitat i el cost de preparació. Es poden obtenir nous adsorbents amb un excel·lent rendiment d'adsorció mitjançant l'optimització estructural, la modificació funcional i la millora dels processos de preparació.
Mitjançant l'optimització de la selecció i el rendiment dels adsorbents, inclosa la selecció i l'avaluació del rendiment dels adsorbents, la tecnologia de modificació de la superfície de l'adsorbent i el disseny i la síntesi de nous adsorbents, es pot millorar significativament l'eficiència de separació i l'efecte de purificació dels sistemes PSA, afavorint el desenvolupament posterior. de la tecnologia PSA. La següent secció tractarà l'efecte de l'optimització dels paràmetres de funcionament en el rendiment dels sistemes PSA.