Slėgio svyravimo adsorbcijos tobulinimo schemos tyrimas

Įvadas

Sparčiai vystantis industrializacijai ir urbanizacijai, dujų atskyrimo ir valymo technologijos vaidina svarbų vaidmenį daugelyje sričių. Slėgio svyravimo adsorbcija (PSA), kaip efektyvi dujų atskyrimo technologija, sulaukė didelio dėmesio dėl paprasto veikimo, mažo energijos suvartojimo ir plataus pritaikymo diapazono11-2. Tradicinis PSA procesas vis dar turi tam tikrų atskyrimo efektyvumo ir energijos naudojimo apribojimų, todėl mokslininkai nuolat ieškojo tobulinimo būdų, kaip pagerinti jo veikimą. Šiame darbe siūlomas patobulintas metodas, pagrįstas PSA technologija, siekiant optimizuoti tradicinį PSA procesą ir pagerinti jo taikymo efektyvumą dujų atskyrimo ir valymo srityje. Optimizuodamas adsorbentus, koreguodamas veikimo parametrus ir kurdamas naujus adsorbcijos įrenginius, jis yra įsipareigojęs pasiekti didesnį atskyrimo efektyvumą ir mažesnes energijos sąnaudas, taip skatindamas tolesnę PSA technologijos plėtrą.

 

 

 

 

1 Slėgio svyravimo adsorbcijos principas ir tradicinis procesas
Slėgio svyravimo adsorbcija (PSA) – tai technologija, kuria dujos atskiriamos remiantis selektyviomis adsorbentų ant dujų molekulių adsorbcijos savybėmis. Pagrindinis principas yra panaudoti adsorbento adsorbcijos gebos skirtumą skirtingų komponentų dujoms esant skirtingam slėgiui, o dujų adsorbcijos ir desorbcijos procesą pasiekti reguliuojant slėgį [13-4]. PSA procese dujų mišinys paprastai praleidžiamas per adsorberio sluoksnį, užpildytą tinkamu adsorbentu. Aukšto slėgio etape tikslinis komponentas dujų mišinyje bus adsorbuojamas adsorbento, o netikslinis komponentas praeis per adsorbento sluoksnį ir po valymo bus pašalintas iš sistemos. Vėliau, žemo slėgio etape, sumažinus slėgį, tikslinis komponentas adsorbente bus desorbuojamas ir surenkamas, kad būtų gautos išgrynintos tikslinės dujos.
Tradicinis PSA procesas paprastai apima šiuos veiksmus: adsorbciją, slėgio išleidimą, valymą, perdirbimą ir slėgio padidinimą.
1) Adsorbcija: aukšto slėgio stadijoje dujų mišinys praeina per adsorbento sluoksnį, tikslinis komponentas yra selektyviai adsorbuojamas adsorbento, o netikslinis komponentas praeina per adsorbento sluoksnį.
2) Slėgio atleidimas: pasibaigus adsorbcijos etapui, tikslinis komponentas pradeda desorbuotis, sumažindamas adsorberio sluoksnio slėgį ir taip pasiekia tikslinio komponento desorbciją.
3) Valymas: Desorbuotas tikslinis komponentas toliau apdorojamas valymo įrenginiu, kad būtų gautos didelio grynumo tikslinės dujos.
4) Recirkuliacija: išgrynintos tikslinės dujos gali būti pakartotinai įpurškiamos į sistemą, kad būtų suteikta galimybė pakartotinai adsorbuoti.
5) Slėgio padidėjimas: padidinus adsorberio sluoksnio slėgį, adsorbentas atstatomas į aukštą adsorbcijos būseną, kad būtų galima pasiruošti kitam ciklui.
Praktiškai taikant tradicinį PSA procesą kyla tam tikrų problemų, kurios riboja tolesnį jo veikimo ir efektyvumo gerinimą. Pirma, tradicinis PSA procesas turi ilgą ciklo laiką, todėl gamybos ciklas yra ilgas ir gamybos pajėgumai riboti. Ilgas adsorbcijos laikas ne tik padidina sistemos energijos sąnaudas, bet ir riboja jos platų panaudojimą pramoninėje gamyboje. Antra, tradiciniame PSA procese15-6 yra nesubalansuoto laiko problema kiekvienam operacijos veiksmui. Neprotingas skirtingų etapų laiko paskirstymas sumažins sistemos efektyvumą ir sumažins atskyrimo bei valymo efektyvumą. Be to, adsorberio struktūros ir cirkuliacijos metodo dizainas tradiciniame PSA procese taip pat turi tam tikrą poveikį sistemos veikimui. Neprotinga adsorberio struktūra sukels prastą dujų srautą ir paveiks atskyrimo efektą. Tradicinis cirkuliacijos metodas gali turėti problemų, tokių kaip dideli slėgio svyravimai ir didelis energijos suvartojimas.
Apibendrinant galima pasakyti, kad tradicinis PSA procesas turi problemų, tokių kaip ilgas ciklo laikas, nesubalansuotas veikimo žingsnių laikas ir nepagrįsta adsorberio struktūra ir ciklo režimo konstrukcija, o tai riboja jo taikymo efektyvumą dujų atskyrimo ir valymo srityje. Todėl būtina ir labai svarbu tobulinti PSA technologiją.

 

 

 

 

2 Adsorbento optimizavimas
2.1 Adsorbento pasirinkimas ir veikimo įvertinimas
Adsorbentas yra gyvybiškai svarbus PSA sistemos komponentas, o jo pasirinkimas ir veikimas atlieka pagrindinį vaidmenį atskyrimo efekte ir sistemos energijos suvartojime. Kalbant apie adsorbento pasirinkimą, reikia atsižvelgti į tokius veiksnius kaip tikslinių dujų fizinės ir cheminės savybės, adsorbcijos pajėgumas ir adsorbento selektyvumas. Dažniausiai naudojami adsorbentai yra aktyvuota anglis, molekuliniai sietai ir kt.
Adsorbento veikimui įvertinti gali būti naudojami tokie metodai kaip adsorbcijos izoterminis eksperimentas ir dinaminės adsorbcijos eksperimentas. Adsorbcijos izotermos eksperimentas gali išmatuoti skirtingų komponentų dujų adsorbcijos kiekį adsorbentu ir gauti adsorbcijos izotermos kreivę. Dinaminės adsorbcijos eksperimentas gali imituoti adsorbento adsorbcijos efektyvumą tikromis proceso sąlygomis, įskaitant tokius rodiklius kaip adsorbcijos greitis ir selektyvumas.
2.2 Adsorbento paviršiaus modifikavimo technologija
Adsorbentų paviršiaus modifikavimas yra viena iš svarbių priemonių pagerinti jų adsorbcijos efektyvumą. Keičiant adsorbento paviršiaus chemines savybes ir porų struktūrą, galima padidinti jo paviršiaus plotą, reguliuoti porų dydį, pagerinti adsorbcijos gebą ir selektyvumą.
Dažniausiai naudojami adsorbento paviršiaus modifikavimo būdai yra impregnavimas, nusodinimas, jonų mainai ir cheminis modifikavimas [17-8]. Impregnavimo būdas yra panardinti adsorbentą į konkretų tirpalą ir pakeisti adsorbento paviršiaus savybes cheminės reakcijos arba fizinės adsorbcijos būdu tarp adsorbento ir tirpale esančios medžiagos. Nusodinimo metodas yra tam tikrų medžiagų, tokių kaip metalų oksidai arba organiniai funkciniai junginiai, sluoksnio nusodinimas ant adsorbento paviršiaus, siekiant padidinti adsorbento aktyvumą ir selektyvumą. Jonų mainų metodas įveda specifinius jonus ant adsorbento paviršiaus, kad pakeistų paviršiaus krūvio savybes, taip reguliuojant adsorbento selektyvumą. Cheminis modifikavimas – tai cheminių funkcinių grupių įvedimas į adsorbento paviršių, siekiant pakeisti jo chemines savybes ir giminingumą.
2.3 Naujų adsorbentų projektavimas ir sintezė
Be tradicinių adsorbentų veikimo gerinimo, PSA sistemų veikimas taip pat gali būti pagerintas kuriant ir sintetinant naujus adsorbentus. Nauji adsorbentai gali būti naujoviškos medžiagos, pagrįstos skirtingais principais ir medžiagomis. Pavyzdžiui, metaliniai organiniai karkasai (MOF) yra naujo tipo adsorbentai, turintys didelį poringumą ir reguliuojamą struktūrą. MOF turi didžiulį paviršiaus plotą ir porų tūrį, o tai gali suteikti daugiau adsorbcijos vietų, pagerinti adsorbcijos pajėgumą ir selektyvumąI9-101. Be to, nanomedžiagos, tokios kaip anglies nanovamzdeliai ir grafenas, taip pat gali būti naudojamos kaip adsorbentai. Kuriant ir sintezuojant naujus adsorbentus reikia visapusiškai atsižvelgti į tokius veiksnius kaip adsorbcijos efektyvumas, stabilumas ir paruošimo kaina. Naujus adsorbentus, pasižyminčius puikiomis adsorbcijos savybėmis, galima gauti optimizuojant struktūrą, modifikuojant funkcines galimybes ir tobulinant paruošimo procesus.
Optimizavus adsorbentų pasirinkimą ir veikimą, įskaitant adsorbentų parinkimą ir veikimo įvertinimą, adsorbentų paviršiaus modifikavimo technologiją ir naujų adsorbentų projektavimą bei sintezę, galima žymiai pagerinti PSA sistemų atskyrimo efektyvumą ir valymo poveikį, skatinant tolesnę plėtrą. PSA technologija. Kitame skyriuje bus aptariamas darbo parametrų optimizavimo poveikis PSA sistemų veikimui.