Studija o poboljšanju sheme adsorpcije pri promjenama tlaka

Uvod

S brzim razvojem industrijalizacije i urbanizacije, tehnologija odvajanja i pročišćavanja plina igra važnu ulogu u mnogim područjima. Adsorpcija uz promjenu tlaka (PSA), kao učinkovita tehnologija odvajanja plina, privukla je široku pozornost zbog svog jednostavnog rada, male potrošnje energije i širokog raspona primjene11-2. Tradicionalni PSA proces još uvijek ima neka ograničenja u učinkovitosti odvajanja i korištenju energije, što je potaknulo istraživače da neprestano traže metode poboljšanja kako bi poboljšali njegovu učinkovitost. Ovaj rad predlaže poboljšanu metodu temeljenu na PSA tehnologiji, s ciljem optimizacije tradicionalnog PSA procesa i poboljšanja učinkovitosti njegove primjene u području odvajanja i pročišćavanja plinova. Optimizacijom adsorbenata, prilagodbom radnih parametara i dizajnom novih adsorpcijskih uređaja, nastoji se postići veća učinkovitost separacije i manja potrošnja energije, čime se promiče daljnji razvoj PSA tehnologije.

 

 

 

 

1 Princip i tradicionalni postupak adsorpcije s promjenama tlaka
Pressure swing adsorpcija (PSA) je tehnologija koja postiže odvajanje plina na temelju selektivnih adsorpcijskih karakteristika adsorbenata na molekulama plina. Osnovno načelo je iskoristiti razliku u adsorpcijskom kapacitetu adsorbenta za plinove različitih komponenti pri različitim tlakovima, te postići proces adsorpcije i desorpcije plina podešavanjem tlaka [13-4]. U PSA postupku, plinska smjesa obično prolazi kroz sloj adsorbera napunjen odgovarajućim adsorbensom. U visokotlačnoj fazi, ciljanu komponentu u plinskoj smjesi će adsorbirati adsorbent, dok će neciljana komponenta proći kroz sloj adsorbensa i nakon pročišćavanja biti ispuštena iz sustava. Nakon toga, u fazi niskog tlaka, smanjenjem tlaka, ciljna komponenta u adsorbensu će se desorbirati i sakupiti kako bi se dobio pročišćeni ciljani plin.
Tradicionalni PSA proces obično uključuje sljedeće korake: adsorpciju, oslobađanje tlaka, pročišćavanje, recikliranje i povećanje tlaka.
1) Adsorpcija: U fazi visokog tlaka, plinska smjesa prolazi kroz sloj adsorbera, ciljanu komponentu selektivno adsorbira adsorbens, a neciljana komponenta prolazi kroz sloj adsorbensa.
2) Otpuštanje tlaka: Nakon stupnja adsorpcije, ciljana komponenta počinje se desorbirati smanjenjem tlaka sloja adsorbera, čime se postiže desorpcija ciljane komponente.
3) Pročišćavanje: Desorbiranu ciljanu komponentu dalje obrađuje uređaj za pročišćavanje kako bi se dobio ciljni plin visoke čistoće.
4) Recirkulacija: pročišćeni ciljani plin može se ponovno ubrizgati u sustav kako bi se pružila prilika za ponovnu apsorpciju.
5) Povećanje tlaka: povećanjem tlaka sloja adsorbera, adsorbent se vraća u stanje visoke adsorpcije kako bi se pripremio za sljedeći ciklus.
Postoje neki problemi u praktičnoj primjeni tradicionalnog PSA procesa, što ograničava daljnje poboljšanje njegove izvedbe i učinkovitosti. Prvo, tradicionalni PSA proces ima dugo vrijeme ciklusa, što rezultira dugim proizvodnim ciklusom i ograničenim proizvodnim kapacitetom. Dugo vrijeme adsorpcije ne samo da povećava potrošnju energije sustava, već također ograničava njegovu široku primjenu u industrijskoj proizvodnji. Drugo, postoji problem neuravnoteženog vremena u tradicionalnom PSA procesu15-6 za svaki radni korak. Nerazumna raspodjela vremena za različite korake dovest će do niske učinkovitosti sustava i smanjiti učinak odvajanja i učinkovitost pročišćavanja. Osim toga, dizajn strukture adsorbera i metoda cirkulacije u tradicionalnom PSA procesu također ima određeni utjecaj na performanse sustava. Nerazumna struktura adsorbera dovest će do slabog protoka plina i utjecati na učinak odvajanja. Tradicionalna metoda cirkulacije može imati problema kao što su velike fluktuacije tlaka i velika potrošnja energije.
Ukratko, tradicionalni PSA proces ima probleme kao što su dugo vrijeme ciklusa, neuravnoteženo vrijeme koraka rada i nerazumna struktura adsorbera i dizajn načina ciklusa, koji ograničavaju učinkovitost njegove primjene u području odvajanja i pročišćavanja plina. Stoga je potrebno i od velike važnosti unaprijediti PSA tehnologiju.

 

 

 

 

2 Optimizacija adsorbensa
2.1 Izbor adsorbensa i procjena učinkovitosti
Adsorbent je vitalna komponenta u PSA sustavu, a njegov odabir i izvedba igraju ključnu ulogu u učinku odvajanja i potrošnji energije sustava. U smislu odabira adsorbensa, potrebno je uzeti u obzir čimbenike kao što su fizikalna i kemijska svojstva ciljnog plina, adsorpcijski kapacitet i selektivnost adsorbensa. Uobičajeno korišteni adsorbenti uključuju aktivni ugljen, molekularna sita itd.
Kako bi se procijenila učinkovitost adsorbensa, mogu se koristiti metode kao što su eksperiment adsorpcijske izoterme i eksperiment dinamičke adsorpcije. Eksperiment s izotermom adsorpcije može izmjeriti količinu adsorpcije različitih komponenti plinova na adsorbensu i dobiti krivulju izoterme adsorpcije. Eksperiment dinamičke adsorpcije može simulirati adsorpcijsku izvedbu adsorbensa u stvarnim uvjetima procesa, uključujući pokazatelje kao što su brzina adsorpcije i selektivnost.
2.2 Tehnologija modifikacije površine adsorbensa
Površinska modifikacija adsorbenata jedan je od važnih načina za poboljšanje njihove adsorpcijske učinkovitosti. Promjenom kemijskih svojstava i strukture pora površine adsorbensa, njegova se površina može povećati, veličina pora se može prilagoditi, a adsorpcijski kapacitet i selektivnost mogu se poboljšati.
Često korištene tehnike modifikacije površine adsorbensa uključuju impregnaciju, taloženje, ionsku izmjenu i kemijsku modifikaciju [17-8]. Metoda impregnacije je uranjanje adsorbensa u određenu otopinu i promjena površinskih svojstava adsorbensa kemijskom reakcijom ili fizičkom adsorpcijom između adsorbensa i tvari u otopini. Metoda taloženja je taloženje sloja specifičnih tvari, kao što su metalni oksidi ili organski funkcionalni spojevi, na površinu adsorbensa kako bi se povećala aktivnost i selektivnost adsorbensa. Metoda ionske izmjene uvodi specifične ione na površinu adsorbensa kako bi se promijenila svojstva površinskog naboja, čime se regulira selektivnost adsorbensa. Kemijska modifikacija je uvođenje kemijskih funkcionalnih skupina na površinu adsorbensa kako bi se promijenila njegova kemijska svojstva i afinitet.
2.3 Dizajn i sinteza novih adsorbenata
Osim poboljšanja učinka tradicionalnih adsorbenata, učinak PSA sustava također se može poboljšati dizajnom i sintetiziranjem novih adsorbenata. Novi adsorbenti mogu biti inovativni materijali temeljeni na različitim principima i materijalima. Na primjer, Metal-Organic Frameworks (MOFs) su nova vrsta adsorbensa visoke poroznosti i podesive strukture. MOF-ovi imaju veliku površinu i volumen pora, što može pružiti više adsorpcijskih mjesta, poboljšati adsorpcijski kapacitet i selektivnost I9-101. Osim toga, nanomaterijali kao što su ugljikove nanocijevi i grafen također pokazuju potencijalnu vrijednost primjene kao adsorbenti. Dizajn i sinteza novih adsorbenata zahtijeva sveobuhvatno razmatranje čimbenika kao što su adsorpcijska učinkovitost, stabilnost i troškovi pripreme. Novi adsorbenti s izvrsnim adsorpcijskim svojstvima mogu se dobiti strukturnom optimizacijom, funkcionalnom modifikacijom i poboljšanjem procesa pripreme.
Optimiziranjem odabira i učinkovitosti adsorbenata, uključujući odabir i procjenu učinkovitosti adsorbenata, tehnologiju modifikacije površine adsorbensa te dizajn i sintezu novih adsorbenata, učinkovitost odvajanja i učinak pročišćavanja PSA sustava mogu se značajno poboljšati, promičući daljnji razvoj PSA tehnologije. Sljedeći odjeljak raspravljat će o učinku optimizacije radnih parametara na performanse PSA sustava.