Адсорбция при переменном давлении ( PSA ) — это метод, используемый для разделения некоторых видов газов из смеси газов (обычно воздуха) под давлением в соответствии с молекулярными характеристиками видов и сродством к адсорбирующему материалу. Он работает при температуре, близкой к температуре окружающей среды, и значительно отличается от криогенной дистилляции, обычно используемой для разделения газов. Селективные адсорбирующие материалы (например, цеолиты ( молекулярные сита ), активированный уголь и т. д.) используются в качестве улавливающего материала, предпочтительно адсорбируя целевые виды газов при высоком давлении. Затем процесс переходит к низкому давлению для десорбции адсорбированного газа.
Процесс адсорбции при переменном давлении (PSA) основан на явлении, что под высоким давлением газы имеют тенденцию задерживаться на твердых поверхностях, т. е. «адсорбироваться». Чем выше давление, тем больше газа адсорбируется. Когда давление падает, газ высвобождается или десорбируется. PSA можно использовать для разделения газов в смеси, поскольку различные газы адсорбируются на данной твердой поверхности более или менее сильно. Например, если газовая смесь, такая как воздух, пропускается под давлением через сосуд, содержащий адсорбционный слой цеолита, который притягивает азот сильнее, чем кислород , часть азота останется в слое, и газ, выходящий из сосуда, будет богаче кислородом, чем входящая смесь. Когда слой достигает предела своей способности адсорбировать азот, его можно регенерировать, снизив давление, тем самым высвобождая адсорбированный азот. Затем он готов к следующему циклу производства воздуха, обогащенного кислородом.
Использование двух адсорбционных сосудов позволяет производить целевой газ практически непрерывно. Это также позволяет выравнивать давление, когда газ, выходящий из сосуда, в котором сбрасывается давление, используется для частичного повышения давления во втором сосуде. Это приводит к значительной экономии энергии и является обычной промышленной практикой.
Помимо их способности различать различные газы, адсорбенты для систем PSA обычно представляют собой очень пористые материалы, выбранные из-за их большой удельной площади поверхности . Типичными адсорбентами являются цеолит , активированный уголь , силикагель , оксид алюминия или синтетические смолы . Хотя газ, адсорбированный на этих поверхностях, может состоять из слоя толщиной всего в одну или максимум в несколько молекул, площади поверхности в несколько сотен квадратных метров на грамм позволяют адсорбировать большую часть веса адсорбента в газе. В дополнение к их сродству к различным газам, цеолиты и некоторые типы активированного угля могут использовать свои характеристики молекулярного сита, чтобы исключить некоторые молекулы газа из своей структуры на основе размера и формы молекул, тем самым ограничивая способность более крупных молекул адсорбироваться.
Помимо использования для подачи медицинского кислорода или в качестве замены для хранения большого количества криогенного или сжатого баллона, который является основным источником кислорода для любой больницы, PSA имеет множество других применений. Одним из основных применений PSA является удаление диоксида углерода (CO 2 ) в качестве конечного шага в крупномасштабном коммерческом синтезе водорода (H 2 ) для использования на нефтеперерабатывающих заводах и в производстве аммиака (NH 3 ). Нефтеперерабатывающие заводы часто используют технологию PSA для удаления сероводорода (H 2 S) из потоков подачи водорода и рециркуляции установок гидроочистки и гидрокрекинга . Другим применением PSA является отделение диоксида углерода от биогаза для увеличения соотношения метана (CH 4 ).
Благодаря PSA биогаз может быть улучшен до качества, аналогичного природному газу . Это включает в себя процесс утилизации свалочного газа для улучшения свалочного газа до коммунального метанового газа высокой чистоты для продажи в качестве природного газа. [1]
PSA также используется в:
В рамках улавливания и хранения углерода (CCS) в настоящее время также проводятся исследования по улавливанию больших объемов CO2 с угольных электростанций перед геосеквестрацией с целью сокращения выбросов парниковых газов на этих электростанциях. [4] [5]
PSA также обсуждался как будущая альтернатива технологии нерегенерируемых сорбентов, используемых в основных системах жизнеобеспечения скафандров , с целью экономии веса и продления срока службы скафандра. [6]
Этот процесс используется в медицинских кислородных концентраторах, используемых пациентами с эмфиземой и COVID-19, а также другими лицами, которым для дыхания требуется обогащенный кислородом воздух. [ необходима ссылка ]
(DS-PSA, иногда также называемый двухступенчатым PSA)
С помощью этого варианта PSA, разработанного для использования в лабораторных генераторах азота, газообразный азот производится в два этапа: на первом этапе сжатый воздух принудительно проходит через углеродное молекулярное сито для получения азота с чистотой приблизительно 98%; на втором этапе этот азот принудительно проходит через второе углеродное молекулярное сито, и газообразный азот достигает окончательной чистоты до 99,999%. Продувочный газ со второго этапа рециркулируется и частично используется в качестве исходного газа на первом этапе.
Кроме того, процесс продувки поддерживается активным вакуумированием для лучшей производительности в следующем цикле. Целью обоих этих изменений является повышение эффективности по сравнению с обычным процессом PSA.
DS-PSA также может применяться для повышения концентрации кислорода. В этом случае цеолит на основе алюмосиликата адсорбирует азот на первом этапе, достигая 95% кислорода на выходе, а на втором этапе молекулярное сито на основе углерода адсорбирует остаточный азот в обратном цикле, концентрируя кислород до 99%.
Быстрая адсорбция с колебанием давления, или RPSA, часто используется в портативных кислородных концентраторах . Она позволяет значительно уменьшить размер слоя адсорбента, когда высокая чистота не является существенной и когда исходный газ (воздух) может быть отброшен. [7] Она работает путем быстрого циклирования давления при попеременном выпуске противоположных концов колонны с одинаковой скоростью. Это означает, что неадсорбированные газы продвигаются вдоль колонны гораздо быстрее и выпускаются на дистальном конце, в то время как адсорбированные газы не получают возможности продвигаться и выпускаются на проксимальном конце. [8]
Вакуумная адсорбция с переменным давлением (VSA) отделяет определенные газы от газовой смеси при давлении, близком к атмосферному; затем процесс переходит в вакуум для регенерации адсорбирующего материала. VSA отличается от других методов PSA, поскольку работает при температурах и давлениях, близких к атмосферным. VSA обычно протягивает газ через процесс разделения с помощью вакуума. Для систем VSA с кислородом и азотом вакуум обычно создается воздуходувкой. Существуют также гибридные системы вакуумной адсорбции с переменным давлением (VPSA). Системы VPSA применяют сжатый газ для процесса разделения, а также применяют вакуум к продувочному газу. Системы VPSA, как и один из переносных кислородных концентраторов, являются одними из самых эффективных систем, измеряемых по обычным отраслевым показателям, таким как извлечение (выход продуктового газа/вход продуктового газа) и производительность (выход продуктового газа/масса материала сита). Как правило, более высокая степень извлечения приводит к меньшему компрессору, воздуходувке или другому источнику сжатого газа или вакуума и меньшему потреблению энергии. Более высокая производительность приводит к меньшим слоям сита. Потребитель, скорее всего, будет учитывать индексы, которые имеют более непосредственно измеримую разницу в общей системе, например, количество произведенного газа, деленное на вес и размер системы, первоначальные затраты и затраты на техническое обслуживание системы, энергопотребление системы или другие эксплуатационные расходы, а также надежность.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )