Onderzoek naar verbeteringsschema van drukschommelingsadsorptie

Invoering

Met de snelle ontwikkeling van industrialisatie en verstedelijking speelt gasscheidings- en zuiveringstechnologie een belangrijke rol op veel gebieden. Pressure swing adsorption (PSA), als een effectieve gasscheidingstechnologie, heeft veel aandacht getrokken vanwege de eenvoudige bediening, het lage energieverbruik en het brede toepassingsbereik11-2. Het traditionele PSA-proces kent nog steeds enkele beperkingen in scheidingsefficiëntie en energiegebruik, wat onderzoekers ertoe heeft aangezet om voortdurend verbeteringsmethoden te zoeken om de prestaties ervan te verbeteren. Dit artikel stelt een verbeterde methode voor op basis van PSA-technologie, met als doel het traditionele PSA-proces te optimaliseren en de toepassingsefficiëntie ervan op het gebied van gasscheiding en -zuivering te verbeteren. Door de optimalisatie van adsorbentia, de aanpassing van bedrijfsparameters en het ontwerp van nieuwe adsorptieapparaten, streeft het ernaar een hogere scheidingsefficiëntie en een lager energieverbruik te bereiken, waardoor de verdere ontwikkeling van PSA-technologie wordt bevorderd.

 

 

 

 

1 Principe en traditioneel proces van drukschommelingsadsorptie
Pressure swing adsorption (PSA) is een technologie die gasscheiding bereikt op basis van de selectieve adsorptiekarakteristieken van adsorbentia op gasmoleculen. Het basisprincipe is om het verschil in adsorptiecapaciteit van het adsorbens te gebruiken voor gassen van verschillende componenten bij verschillende drukken, en om het gasadsorptie- en desorptieproces te bereiken door de druk aan te passen [13-4]. In het PSA-proces wordt het gasmengsel gewoonlijk door een adsorberbed geleid dat is gevuld met een geschikt adsorbens. In de hogedrukfase wordt de doelcomponent in het gasmengsel geadsorbeerd door het adsorbens, terwijl de niet-doelcomponent door het adsorbensbed gaat en na zuivering uit het systeem wordt afgevoerd. Vervolgens wordt in de lagedrukfase, door de druk te verlagen, de doelcomponent in het adsorbens gedesorbeerd en verzameld om een ​​gezuiverd doelgas te verkrijgen.
Het traditionele PSA-proces omvat doorgaans de volgende stappen: adsorptie, drukverlaging, zuivering, recycling en drukverhoging.
1) Adsorptie: In de hogedrukfase passeert het gasmengsel het adsorptiebed, wordt de doelcomponent selectief geadsorbeerd door het adsorbens en passeert de niet-doelcomponent door het adsorbensbed.
2) Drukverlaging: Na de adsorptiefase begint de doelcomponent te desorberen door de druk van het adsorptiebed te verlagen, waardoor de desorptie van de doelcomponent wordt bereikt.
3) Zuivering: Het gedesorbeerde doelcomponent wordt verder verwerkt door het zuiveringsapparaat om een ​​doelgas met een hoge zuiverheid te verkrijgen.
4) Recirculatie: Het gezuiverde doelgas kan opnieuw in het systeem worden geïnjecteerd om een ​​mogelijkheid voor heradsorptie te creëren.
5) Drukverhoging: Door de druk van het adsorptiebed te verhogen, wordt het adsorbens teruggebracht naar een hoge adsorptiestatus ter voorbereiding op de volgende cyclus.
Er zijn enkele problemen bij de praktische toepassing van het traditionele PSA-proces, die de verdere verbetering van de prestaties en efficiëntie beperken. Ten eerste heeft het traditionele PSA-proces een lange cyclustijd, wat resulteert in een lange productiecyclus en beperkte productiecapaciteit. De lange adsorptietijd verhoogt niet alleen het energieverbruik van het systeem, maar beperkt ook de grootschalige toepassing ervan in industriële productie. Ten tweede is er een onevenwichtig tijdsprobleem in het traditionele PSA-proces15-6 voor elke bewerkingsstap. De onredelijke tijdstoewijzing van verschillende stappen zal leiden tot een lage systeemefficiëntie en het scheidingseffect en de zuiveringsefficiëntie verminderen. Bovendien heeft het ontwerp van de adsorberstructuur en de circulatiemethode in het traditionele PSA-proces ook een bepaalde impact op de systeemprestaties. De onredelijke adsorberstructuur zal leiden tot een slechte gasstroom en het scheidingseffect beïnvloeden. De traditionele circulatiemethode kan problemen hebben zoals grote drukschommelingen en een hoog energieverbruik.
Samenvattend heeft het traditionele PSA-proces problemen zoals een lange cyclustijd, ongebalanceerde operationele staptijd en onredelijke adsorberstructuur en cyclusmodusontwerp, die de toepassingsefficiëntie op het gebied van gasscheiding en -zuivering beperken. Daarom is het noodzakelijk en van groot belang om de PSA-technologie te verbeteren.

 

 

 

 

2 Adsorbensoptimalisatie
2.1 Selectie van adsorptiemiddelen en evaluatie van de prestaties
Adsorbens is een essentieel onderdeel van het PSA-systeem en de selectie en prestaties ervan spelen een belangrijke rol in het scheidingseffect en energieverbruik van het systeem. Wat betreft de selectie van adsorbens moeten factoren zoals de fysieke en chemische eigenschappen van het doelgas, de adsorptiecapaciteit en selectiviteit van het adsorbens in overweging worden genomen. Veelgebruikte adsorbentia zijn onder andere actieve kool, moleculaire zeven, etc.
Om de prestaties van het adsorbens te evalueren, kunnen methoden zoals het adsorptie-isotherm-experiment en het dynamische adsorptie-experiment worden gebruikt. Het adsorptie-isotherm-experiment kan de adsorptiehoeveelheid van verschillende componentgassen door het adsorbens meten en de adsorptie-isothermcurve verkrijgen. Het dynamische adsorptie-experiment kan de adsorptieprestaties van het adsorbens onder werkelijke procesomstandigheden simuleren, inclusief indicatoren zoals adsorptiesnelheid en selectiviteit.
2.2 Technologie voor oppervlaktemodificatie van adsorbenten
Oppervlaktemodificatie van adsorbentia is een van de belangrijke middelen om hun adsorptieprestaties te verbeteren. Door de chemische eigenschappen en poriestructuur van het adsorbensoppervlak te veranderen, kan het oppervlak ervan worden vergroot, kan de poriegrootte worden aangepast en kunnen de adsorptiecapaciteit en selectiviteit worden verbeterd.
Veelgebruikte technieken voor oppervlaktemodificatie van adsorbens omvatten impregnatie, depositie, ionenuitwisseling en chemische modificatie [17-8]. De impregnatiemethode is om het adsorbens onder te dompelen in een specifieke oplossing en de oppervlakte-eigenschappen van het adsorbens te veranderen door een chemische reactie of fysieke adsorptie tussen het adsorbens en de substantie in de oplossing. De depositiemethode is om een ​​laag van specifieke substanties, zoals metaaloxiden of organische functionele verbindingen, op het oppervlak van het adsorbens af te zetten om de activiteit en selectiviteit van het adsorbens te vergroten. De ionenuitwisselingsmethode introduceert specifieke ionen op het oppervlak van het adsorbens om de oppervlakteladingseigenschappen te veranderen, waardoor de selectiviteit van het adsorbens wordt gereguleerd. Chemische modificatie is om chemische functionele groepen op het oppervlak van het adsorbens te introduceren om de chemische eigenschappen en affiniteit ervan te veranderen.
2.3 Ontwerp en synthese van nieuwe adsorbentia
Naast het verbeteren van de prestaties van traditionele adsorbentia, kunnen de prestaties van PSA-systemen ook worden verbeterd door het ontwerpen en synthetiseren van nieuwe adsorbentia. Nieuwe adsorbentia kunnen innovatieve materialen zijn die gebaseerd zijn op verschillende principes en materialen. Metal-Organic Frameworks (MOF's) zijn bijvoorbeeld een nieuw type adsorbens met een hoge porositeit en een aanpasbare structuur. MOF's hebben een enorm oppervlak en poriënvolume, wat meer adsorptiesites kan bieden, de adsorptiecapaciteit en selectiviteit kan verbeterenI9-101. Daarnaast vertonen nanomaterialen zoals koolstofnanotubes en grafeen ook potentiële toepassingswaarde als adsorbentia. Het ontwerp en de synthese van nieuwe adsorbentia vereist uitgebreide overweging van factoren zoals adsorptieprestaties, stabiliteit en bereidingskosten. Nieuwe adsorbentia met uitstekende adsorptieprestaties kunnen worden verkregen door structurele optimalisatie, functionele modificatie en verbetering van bereidingsprocessen.
Door de selectie en prestaties van adsorbentia te optimaliseren, inclusief de selectie en prestatie-evaluatie van adsorbentia, adsorbent oppervlakte modificatie technologie en het ontwerp en de synthese van nieuwe adsorbentia, kunnen de scheidingsefficiëntie en het zuiveringseffect van PSA-systemen aanzienlijk worden verbeterd, wat de verdere ontwikkeling van PSA-technologie bevordert. In het volgende gedeelte wordt het effect van optimalisatie van operationele parameters op de prestaties van PSA-systemen besproken.