第31卷第4期2009年7月南　京　工　業(yè)　大　學(xué)　學(xué)　報(bào)　(自然科學(xué)版)JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY(NaturalScienceEdition)Vol.31No.4July2009doi:10.3969/j.issn.1671-7627.2009.04.002

變壓吸附法凈化含NO的脫附過程2氣體中微量C

馬正飛,丁艷賓,趙春風(fēng),朱志敏,劉曉勤,姚虎卿

(南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210009)

摘　要:對(duì)NO混合氣中的CO在NA型吸附劑上的動(dòng)態(tài)吸附和脫附行為進(jìn)行研究.使用單塔吸附裝置測(cè)定CO2/C

在不同分壓和停留時(shí)間條件下的動(dòng)態(tài)吸附量,考察降壓過程中CO濃度隨床層壓力的變化特征,確定合適的脫附方法和條件.結(jié)果表明:0.9min是比較合適的停留時(shí)間;在床層利用率為80%條件下,順放的氣體可以達(dá)到產(chǎn)品氣體

3積分?jǐn)?shù)不超過5mL/m的要求;抽真空并使用200mL/minN三塔的變壓吸附結(jié)果表2吹掃是合適的脫附再生方式.

明,在常溫下,反復(fù)吸附與脫附再生,可以達(dá)到吸附凈化含N2氣體中微量CO的效果.

關(guān)鍵詞:CO;N變壓吸附;NA吸附劑2;

中圖分類號(hào):TQ028.15　　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A　　　文章編號(hào):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;

　　合成氨原料氣中微量CO會(huì)使氨合成催化劑中

毒,因此必須脫除其中的CO.目前,國內(nèi)外采用脫除

微量CO、CO2的方法主要有甲烷化法、銅氨液洗滌法

以及液氨洗滌法,這些方法的能耗都很大.對(duì)于微量

雜質(zhì)的分離,吸附法具有能耗低、凈化度高、設(shè)備簡(jiǎn)單和易于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),在CO分離領(lǐng)域也有很多應(yīng)用[1-6].作為主要成分的NO的物理性質(zhì)極為相2和C[7]近,只有在低溫下才顯示吸附性質(zhì)上的差別,因此一般的物理吸附法很難將二者有效分離.文獻(xiàn)[8]報(bào)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

基金項(xiàng)目:長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT0732);江蘇省高校自然科學(xué)重大基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目(08KJA530001)

作者簡(jiǎn)介:馬正飛(1960—),男,江蘇蘇州人,教授,博士,主要研究方向?yàn)槲�附分離,E-mail:mazf@njut.edu.cn.

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馬正飛等:變壓吸附法凈化含NO的脫附過程2氣體中微量C

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劑,具有可在常溫下進(jìn)行變壓吸附脫除含N2氣體中CO的特點(diǎn).本文主要討論NA型吸附劑用于變壓吸附法深度凈化含NO的分離性能,特別2氣體中微量C是CO的凈化度和不同脫附模式對(duì)床層再生效果的

影響,以期為工業(yè)應(yīng)用提供可靠的依據(jù).

1.2　單塔動(dòng)態(tài)吸附量及再生條件的測(cè)定

　　單塔吸附實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.實(shí)驗(yàn)裝置主要包括氣源、固定床吸附柱、活化系統(tǒng)、抽空系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)幾個(gè)部分.NO組成的原料氣由鋼瓶氣配2和C

制,當(dāng)完成一個(gè)條件的動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)后,對(duì)吸附劑進(jìn)行升溫活化,以保證吸附劑在相同的狀態(tài)下進(jìn)入下個(gè)條件的實(shí)驗(yàn).

　　吸附柱的尺寸為 18mm×400mm,裝填吸附劑55g.氣體中的CO由紅外檢測(cè)儀檢測(cè)(DY-Q型,0～99.9%,西安鼎研科技有限公司生產(chǎn);GXH-3018型,0～100mL/m,北分譜齊中心分析儀器與自動(dòng)化研究所生產(chǎn))

.

3

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　平衡分離性能數(shù)據(jù)的測(cè)定

　　實(shí)驗(yàn)中CO、N、0～22種氣體純組分在311K100kPa范圍內(nèi)的吸附等溫線采用美國Coulter公司的OMNISORP100CX比表面和孔容吸附測(cè)定儀測(cè)定.NA型吸附劑來自南京華華化工公司.

1—原料氣鋼瓶;2—N3—干燥柱;4—吸附柱;更多內(nèi)容請(qǐng)?jiān)L問久久建筑網(wǎng)
5、6—減壓閥;7～11—控制閥;2鋼瓶;12—程序控溫儀;13—流量調(diào)節(jié)閥;14—活化爐;15—真空表;16—精密壓力表;

17—真空泵;18、19—CO紅外分析儀;20—轉(zhuǎn)子流量計(jì);21—皂沫流量計(jì)

圖1　單塔實(shí)驗(yàn)裝置

Fig.1　Singlebedapparatus

1.3　三塔循環(huán)變壓吸附實(shí)驗(yàn)

　　三塔循環(huán)變壓吸附實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.每個(gè)吸附柱的尺寸為 32mm×500mm,裝填吸附劑170

g,配有6個(gè)程控閥門和1個(gè)壓力變送器.吸附與脫附過程均為常溫.裝置的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集采用SIEMENSS7-200型PLC和智能化軟件組態(tài)王(Kingview).實(shí)驗(yàn)中各氣體的CO濃度檢測(cè)方式與單塔實(shí)驗(yàn)相同,原料氣流量和累積量由質(zhì)量流量計(jì)(0～5L/min,北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司生產(chǎn))計(jì)量,產(chǎn)品氣和抽空氣由濕式流量計(jì)(5L,長(zhǎng)春市儀表總廠生產(chǎn))計(jì)量.

2　結(jié)果與討論

2.1　純組分的吸附平衡

　　CO、N、0～100kPa范22種氣體純組分在311K圍內(nèi)在NA型吸附劑上的吸附等溫線如圖3所示.由圖3可知:CO與NA型吸附劑上的吸附量相2在N差很大,且等溫線的形狀不是非常優(yōu)惠型,適合使用變壓吸附工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)N2的凈化.2.2　單塔變壓吸附分離過程

2.2.1　不同分壓和停留時(shí)間對(duì)動(dòng)態(tài)吸附量的影響　　配制NO原料氣,其中CO體積分?jǐn)?shù)為2%.2/C

8南　京　工　業(yè)　大　學(xué)　學(xué)　報(bào)　(自然科學(xué)版)第31卷　

A～C—吸附柱;D—產(chǎn)品氣緩沖罐;E—解吸氣緩沖罐;F—質(zhì)量流量計(jì);FG—真空泵;0—穩(wěn)壓閥;P—壓力變送器;AFFFF1～A6、B1～B6、C1～C6—?dú)鈩?dòng)閥;1—進(jìn)氣閥;2—逆放氣閥;3—抽空閥;4—順放氣閥;

F、F—產(chǎn)品氣閥;F—解吸氣閥;F、F—取樣閥;P～P—壓力表;P—真空表56789056

圖2　三塔變壓吸附流程

Fig.2　Schematicdiagramofapparatusforthree-bedPSAproces

s

圖3　CO和N2在NA型吸附劑上的吸附等溫線

Fig.3　AdsorptionisothermsofCOandNnadsorbentNA2o

圖4　不同壓力時(shí)CO動(dòng)態(tài)吸附量隨停留時(shí)間的變化

Fig.4　DynamicadsorptioncapacityofCOatdifferent

pressuresandretentiontime

吸附總壓分別為0.4、0.6、0.8MPa,讓原料氣通過干燥柱后進(jìn)入吸附柱.通過調(diào)節(jié)出口氣體流速來控

制氣體在吸附柱內(nèi)的停留時(shí)間.使用CO紅外分析儀在線分析出口氣中的CO含量,當(dāng)出口氣中CO體

3

積分?jǐn)?shù)達(dá)到5mL/m時(shí)停止實(shí)驗(yàn).根據(jù)出口氣的體積和死體積可以求得此條件下的動(dòng)態(tài)吸附量.圖4是CO分壓分別為8、12、16kPa,停留時(shí)間分別為0.6、0.9、1.2、1.5min時(shí)的動(dòng)態(tài)吸附量.　　由圖4可知:隨著CO分壓的升高和停留時(shí)間的延長(zhǎng),CO吸附量是增加的.這是因?yàn)镃O的動(dòng)態(tài)吸附容量是由平衡吸附量和動(dòng)態(tài)傳質(zhì)所決定的.延長(zhǎng)停留時(shí)間有利于達(dá)到吸附平衡.CO吸附過程的動(dòng)態(tài)傳質(zhì)主要包含氣膜傳質(zhì)和顆粒孔擴(kuò)散傳質(zhì)2個(gè)

,氣膜傳質(zhì)和顆�？讛U(kuò)散傳質(zhì),使吸附量增加.然而,吸附壓力較高時(shí),床層死空間內(nèi)氣體體積較大,容易

造成產(chǎn)品氣回收率下降.另外,在同一分壓下,雖然延長(zhǎng)停留時(shí)間可以提高吸附量,但是單位時(shí)間的處理量降低了,這是實(shí)際生產(chǎn)中所不希望的;增大原料氣流量可縮短停留時(shí)間,但床層易被穿透,無法保證產(chǎn)品氣的純度(5mL/m).綜合考慮,CO分壓為12kPa、停留時(shí)間為0.9min時(shí)比較合適.

2.2.2　順放過程對(duì)產(chǎn)品氣的影響

　　為提高產(chǎn)品氣的回收率,多塔循環(huán)變壓吸附過程中一般設(shè)置順放步驟,利用這部分氣體給別的塔提供吹掃氣或均壓氣.

C12k3

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時(shí)間為0.9min條件下分別測(cè)定了床層利用率為80%、85%、100%時(shí)的順放氣中CO濃度變化,結(jié)果如圖5所示.由圖5可知:在床層利用率為80%條件下,順放氣體可以達(dá)到產(chǎn)品氣要求,在多塔循環(huán)過

程中可加以利用.

　　2)抽真空脫附

　　吸附條件如同N2吹掃再生實(shí)驗(yàn)中所述,然后對(duì)床層進(jìn)行抽真空再生.實(shí)驗(yàn)測(cè)定了抽出氣體的CO體積分?jǐn)?shù)和流量曲線如圖7、圖8所示.

圖7　抽出氣體中CO體積分?jǐn)?shù)變化曲線

Fig.7　COconcentrationcurveofventedgas

圖5　順放氣中CO體積分?jǐn)?shù)變化曲線

Fig.5　COconcentrationcurvesofoverheadgas

fromvacuumpump

2.2.3　脫附方法及條件的確定　　1)N2吹掃脫附

　　在壓力為0.6MPa、停留時(shí)間為0.9min條件下讓新鮮床層吸附到穿透吸附量的50%,然后使用流

量分別為100、200、400mL/min的N2對(duì)床層進(jìn)行吹掃再生,測(cè)定吹掃出氣體中的CO體積分?jǐn)?shù)變化曲線如圖6所示

.

圖8　抽出氣體流量變化曲線

Fig.8　Flowratecurveofventedgasfromvacuumpump

　　由圖7、圖8可知:延長(zhǎng)抽空時(shí)間可以使解吸更加完全,但真空泵的消耗功率也增高.抽出氣體流量在前1min最大,這時(shí)真空泵的利用率最高,2min以后流量逐漸趨近于0.而抽出氣體中CO體積分?jǐn)?shù)

在前1min很小,因此在這段時(shí)間所抽出的CO的量

圖6　NO體積分?jǐn)?shù)變化曲線2吹掃時(shí)再生尾氣中C

Fig.6　COconcentrationcurveswithdifferentflowrates

ofNspurgegas2a

也很小.此后CO體積分?jǐn)?shù)雖然增長(zhǎng)很快,但是氣體流量很小,所以抽真空再生過程CO的脫附量不大.另外,實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),由于抽真空過程中床層長(zhǎng)時(shí)間處于真空狀態(tài),解吸出的CO會(huì)向新鮮吸附劑床層部分?jǐn)U散,導(dǎo)致污染,從而影響下一次吸附過程中產(chǎn)品氣的質(zhì)量.由此可見,只用抽真空的脫附方式也不適用于CO凈化.