变压吸附法净化含N_2气体中微量CO的脱附过程_马正飞
第31卷第4期2009年7月南 京 工 业 大 学 学 报 (自然科学版)JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY(NaturalScienceEdition)Vol.31No.4July2009doi:10.3969/j.issn.1671-7627.2009.04.002
变压吸附法净化含NO的脱附过程2气体中微量C
马正飞,丁艳宾,赵春风,朱志敏,刘晓勤,姚虎卿
(南京工业大学材料化学工程国家重点实验室,江苏南京210009)
摘 要:对NO混合气中的CO在NA型吸附剂上的动态吸附和脱附行为进行研究.使用单塔吸附装置测定CO2/C
在不同分压和停留时间条件下的动态吸附量,考察降压过程中CO浓度随床层压力的变化特征,确定合适的脱附方法和条件.结果表明:0.9min是比较合适的停留时间;在床层利用率为80%条件下,顺放的气体可以达到产品气体
3积分数不超过5mL/m的要求;抽真空并使用200mL/minN三塔的变压吸附结果表2吹扫是合适的脱附再生方式.
明,在常温下,反复吸附与脱附再生,可以达到吸附净化含N2气体中微量CO的效果.
关键词:CO;N变压吸附;NA吸附剂2;
中图分类号:TQ028.15 文献标志码:A 文章编号:1671-7627(2009)04-0006-06
DesorptionmodeforremovalofsmallamountofCOfrom
NObypressureswingadsorption2/C
MAZheng-fei,DINGYan-bin,ZHAOChun-feng,ZHUZhi-min,LIUXiao-qin,YAOHu-qing(StateKeyLaboratoryofMaterials-OrientedChemicalEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China)Abstract:TheadsorptionanddesorptionofCOfromNOgasmixtureonNAadsorbentunderdynamic2/C
conditionswasstudied.ThedynamicadsorptioncapacityofCOwasmeasuredwithasinglecolumnatdif-ferentretentiontimeandCOpartialpressures.TheeffectofthepressureonCOconcentrationintheover-headgaswiththeadsorbentbedwasinvestigatedfortheregenerationmodeandconditions.Resultsshowedthat0.9minwasthesuitableretentiontime,andtheCOconcentrationoftheoverheadgaswaslessthan5
3mL/mwhentheutilizationoftheadsorbentbedwas80%,andtheregenerationofthecombinationof200
mL/minNstheinertpurgegasandvacuumpumpingwasthesuitablemode.Experimentsofpressure2a
swingadsorption(PSA)withthethree-columnapparatusshowedthatthedesorptionmodewaspracticalfortheremovalofsmallamountofCOfromNOgasmixturebyPSAinindustry.2/C
Keywords:CO;Npressureswingadsorption;adsorbentNA2;
合成氨原料气中微量CO会使氨合成催化剂中
毒,因此必须脱除其中的CO.目前,国内外采用脱除
微量CO、CO2的方法主要有甲烷化法、铜氨液洗涤法
以及液氨洗涤法,这些方法的能耗都很大.对于微量
杂质的分离,吸附法具有能耗低、净化度高、设备简单和易于自动化等优点,在CO分离领域也有很多应用[1-6].作为主要成分的NO的物理性质极为相2和C[7]近,只有在低温下才显示吸附性质上的差别,因此一般的物理吸附法很难将二者有效分离.文献[8]报道了用Cu(I)-活性炭-稀土化合物制得的NA型吸附收稿日期:2009-03-27
基金项目:长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT0732);江苏省高校自然科学重大基础研究资助项目(08KJA530001)
作者简介:马正飞(1960—),男,江苏苏州人,教授,博士,主要研究方向为吸附分离,E-mail:mazf@njut.edu.cn.
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马正飞等:变压吸附法净化含NO的脱附过程2气体中微量C
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剂,具有可在常温下进行变压吸附脱除含N2气体中CO的特点.本文主要讨论NA型吸附剂用于变压吸附法深度净化含NO的分离性能,特别2气体中微量C是CO的净化度和不同脱附模式对床层再生效果的
影响,以期为工业应用提供可靠的依据.
1.2 单塔动态吸附量及再生条件的测定
单塔吸附实验装置如图1所示.实验装置主要包括气源、固定床吸附柱、活化系统、抽空系统、检测系统几个部分.NO组成的原料气由钢瓶气配2和C
制,当完成一个条件的动态吸附实验后,对吸附剂进行升温活化,以保证吸附剂在相同的状态下进入下个条件的实验.
吸附柱的尺寸为 18mm×400mm,装填吸附剂55g.气体中的CO由红外检测仪检测(DY-Q型,0～99.9%,西安鼎研科技有限公司生产;GXH-3018型,0～100mL/m,北分谱齐中心分析仪器与自动化研究所生产)
.
3
1 实验部分
1.1 平衡分离性能数据的测定
实验中CO、N、0～22种气体纯组分在311K100kPa范围内的吸附等温线采用美国Coulter公司的OMNISORP100CX比表面和孔容吸附测定仪测定.NA型吸附剂来自南京华华化工公司.
1—原料气钢瓶;2—N3—干燥柱;4—吸附柱;更多内容请访问久久建筑网
5、6—减压阀;7～11—控制阀;2钢瓶;12—程序控温仪;13—流量调节阀;14—活化炉;15—真空表;16—精密压力表;
17—真空泵;18、19—CO红外分析仪;20—转子流量计;21—皂沫流量计
图1 单塔实验装置
Fig.1 Singlebedapparatus
1.3 三塔循环变压吸附实验
三塔循环变压吸附实验装置如图2所示.每个吸附柱的尺寸为 32mm×500mm,装填吸附剂170
g,配有6个程控阀门和1个压力变送器.吸附与脱附过程均为常温.装置的自动控制和数据采集采用SIEMENSS7-200型PLC和智能化软件组态王(Kingview).实验中各气体的CO浓度检测方式与单塔实验相同,原料气流量和累积量由质量流量计(0～5L/min,北京七星华创电子股份有限公司生产)计量,产品气和抽空气由湿式流量计(5L,长春市仪表总厂生产)计量.
2 结果与讨论
2.1 纯组分的吸附平衡
CO、N、0～100kPa范22种气体纯组分在311K围内在NA型吸附剂上的吸附等温线如图3所示.由图3可知:CO与NA型吸附剂上的吸附量相2在N差很大,且等温线的形状不是非常优惠型,适合使用变压吸附工艺实现对N2的净化.2.2 单塔变压吸附分离过程
2.2.1 不同分压和停留时间对动态吸附量的影响 配制NO原料气,其中CO体积分数为2%.2/C
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A～C—吸附柱;D—产品气缓冲罐;E—解吸气缓冲罐;F—质量流量计;FG—真空泵;0—稳压阀;P—压力变送器;AFFFF1～A6、B1～B6、C1～C6—气动阀;1—进气阀;2—逆放气阀;3—抽空阀;4—顺放气阀;
F、F—产品气阀;F—解吸气阀;F、F—取样阀;P～P—压力表;P—真空表56789056
图2 三塔变压吸附流程
Fig.2 Schematicdiagramofapparatusforthree-bedPSAproces
s
图3 CO和N2在NA型吸附剂上的吸附等温线
Fig.3 AdsorptionisothermsofCOandNnadsorbentNA2o
图4 不同压力时CO动态吸附量随停留时间的变化
Fig.4 DynamicadsorptioncapacityofCOatdifferent
pressuresandretentiontime
吸附总压分别为0.4、0.6、0.8MPa,让原料气通过干燥柱后进入吸附柱.通过调节出口气体流速来控
制气体在吸附柱内的停留时间.使用CO红外分析仪在线分析出口气中的CO含量,当出口气中CO体
3
积分数达到5mL/m时停止实验.根据出口气的体积和死体积可以求得此条件下的动态吸附量.图4是CO分压分别为8、12、16kPa,停留时间分别为0.6、0.9、1.2、1.5min时的动态吸附量. 由图4可知:随着CO分压的升高和停留时间的延长,CO吸附量是增加的.这是因为CO的动态吸附容量是由平衡吸附量和动态传质所决定的.延长停留时间有利于达到吸附平衡.CO吸附过程的动态传质主要包含气膜传质和颗粒孔扩散传质2个
,气膜传质和颗粒孔扩散传质,使吸附量增加.然而,吸附压力较高时,床层死空间内气体体积较大,容易
造成产品气回收率下降.另外,在同一分压下,虽然延长停留时间可以提高吸附量,但是单位时间的处理量降低了,这是实际生产中所不希望的;增大原料气流量可缩短停留时间,但床层易被穿透,无法保证产品气的纯度(5mL/m).综合考虑,CO分压为12kPa、停留时间为0.9min时比较合适.
2.2.2 顺放过程对产品气的影响
为提高产品气的回收率,多塔循环变压吸附过程中一般设置顺放步骤,利用这部分气体给别的塔提供吹扫气或均压气.
C12k3
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时间为0.9min条件下分别测定了床层利用率为80%、85%、100%时的顺放气中CO浓度变化,结果如图5所示.由图5可知:在床层利用率为80%条件下,顺放气体可以达到产品气要求,在多塔循环过
程中可加以利用.
2)抽真空脱附
吸附条件如同N2吹扫再生实验中所述,然后对床层进行抽真空再生.实验测定了抽出气体的CO体积分数和流量曲线如图7、图8所示.
图7 抽出气体中CO体积分数变化曲线
Fig.7 COconcentrationcurveofventedgas
图5 顺放气中CO体积分数变化曲线
Fig.5 COconcentrationcurvesofoverheadgas
fromvacuumpump
2.2.3 脱附方法及条件的确定 1)N2吹扫脱附
在压力为0.6MPa、停留时间为0.9min条件下让新鲜床层吸附到穿透吸附量的50%,然后使用流
量分别为100、200、400mL/min的N2对床层进行吹扫再生,测定吹扫出气体中的CO体积分数变化曲线如图6所示
.
图8 抽出气体流量变化曲线
Fig.8 Flowratecurveofventedgasfromvacuumpump
由图7、图8可知:延长抽空时间可以使解吸更加完全,但真空泵的消耗功率也增高.抽出气体流量在前1min最大,这时真空泵的利用率最高,2min以后流量逐渐趋近于0.而抽出气体中CO体积分数
在前1min很小,因此在这段时间所抽出的CO的量
图6 NO体积分数变化曲线2吹扫时再生尾气中C
Fig.6 COconcentrationcurveswithdifferentflowrates
ofNspurgegas2a
也很小.此后CO体积分数虽然增长很快,但是气体流量很小,所以抽真空再生过程CO的脱附量不大.另外,实验过程中发现,由于抽真空过程中床层长时间处于真空状态,解吸出的CO会向新鲜吸附剂床层部分扩散,导致污染,从而影响下一次吸附过程中产品气的质量.由此可见,只用抽真空的脱附方式也不适用于CO净化.
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