Новости

Nov 08, 2023

Технология адсорбции при переменном давлении

16 апреля 2019 г. | Тобиас Келлер, Linde Engineering; и Гутам

16 апреля 2019 г. | Тобиас Келлер, Linde Engineering; и Гутам Шахани, Shure-Line Construction

Технология адсорбции с переменным давлением хорошо известна для целей очистки H2, но этот метод также может использоваться для других процессов разделения газов на нефтеперерабатывающих предприятиях.

Адсорбция при переменном давлении (PSA) — это хорошо зарекомендовавший себя процесс разделения и очистки широкого спектра промышленных газов. PSA, как правило, безопасен, надежен и экономически эффективен. В нефтеперерабатывающей промышленности системы PSA используются для производства водорода из синтез-газа, получаемого путем паровой конверсии метана (SMR), частичного окисления (POX) или газификации.

Хотя технология PSA хорошо известна благодаря очистке H2, она также может использоваться для других задач разделения газов. Системы PSA могут использоваться для извлечения H2 из отходящих газов нефтеперерабатывающих заводов, для улавливания CO2 и для производства газов O2 и N2. В этой статье представлен обзор технологии PSA, включая научные принципы, определяющие ее работу, а также соображения по проектированию систем PSA. Кроме того, в статье резюмируется, как технология PSA может использоваться в ряде других приложений нефтепереработки, помимо очистки H2, и потенциальные экономические выгоды, которые могут быть реализованы с помощью этого подхода.

Выбор лучшей технологии для решения конкретной проблемы разделения газов требует глубокого понимания доступных технологий производства, включая SMR, POX и газификацию, а также доступных технологий разделения, таких как мембранные, криогенные, абсорбционные и адсорбционные. Определение оптимального решения и того, может ли технология PSA принести пользу, также требует детального знания капитальных и эксплуатационных затрат на соответствующий процесс.

Технология PSA основана на физическом связывании молекул газа с твердым адсорбирующим материалом. Адсорбирующий материал может представлять собой комбинацию активированного угля, силикагеля, углеродных молекулярных сит и цеолитов. Силы притяжения между молекулами газа и адсорбирующим материалом зависят от газового компонента, типа адсорбирующего материала, парциального давления газового компонента и рабочей температуры. Легколетучие соединения с низкой полярностью, такие как H2 или He, по существу вообще не адсорбируются по сравнению с такими молекулами, как CO2, CO, N2 и углеводороды. Относительная сила притяжения различных молекул газа с типичным адсорбентом показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Легколетучие соединения с низкой полярностью не адсорбируются на материале адсорбента в системе PSA

Процесс PSA работает в основном при постоянной температуре и использует эффект переменного давления и парциального давления для выполнения адсорбции и десорбции. Поскольку нагрев или охлаждение не требуются, время цикла может быть коротким — в пределах минут. Кроме того, для регенерации адсорбента не требуется тепло. Изменения температуры вызываются только теплотой адсорбции и десорбции и разгерметизацией. Это приводит к чрезвычайно длительному сроку службы адсорбентного материала.

Процесс PSA работает между двумя уровнями давления. Адсорбцию примесей проводят при высоком давлении для увеличения парциального давления нежелательных газов и, следовательно, увеличения загрузки примесей на материал адсорбента. Десорбция или регенерация происходит при низком давлении, чтобы максимально снизить остаточную нагрузку примесей.

Большинство систем PSA основаны на соображениях равновесия. Типичная изотерма равновесия показана на рисунке 2. Изотермы адсорбции показывают взаимосвязь между парциальным давлением молекулы газа и ее равновесной нагрузкой на адсорбирующий материал при данной температуре.

Рисунок 2. Изотермы адсорбции показывают связь между парциальным давлением молекулы газа и ее равновесной нагрузкой на материал адсорбента при заданной температуре.

Адсорбция осуществляется при высоком давлении — обычно в диапазоне от 10 до 40 бар — до достижения равновесной нагрузки. На этом этапе адсорбирующий материал необходимо регенерировать, чтобы избежать проникновения примесей в продукт. Эта регенерация осуществляется путем снижения давления до значения, немного превышающего атмосферное, что приводит к соответствующему уменьшению равновесной нагрузки. В результате примеси на адсорбенте десорбируются, а адсорбент регенерируется. Количество примесей, удаляемых из газового потока за один цикл, соответствует разнице адсорбционно-десорбционной нагрузки.