氢气纯化——氢气的吸附干燥

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吸附干燥可采用两种工艺,即变压吸附和变温吸附法,水电解制氢的干燥工艺通常采用变温吸附。

   1 吸附平衡

   吸附有两种:一是化学吸附,如催化剂脱氧过程,吸附力强;二是物理吸附,由分子间的范德华力引起的,吸附力较弱。脱水干燥过程属于后一种情况,这种吸附结合力较弱,产生的吸附热较小,也比较容易解脱。当含水气体与吸附剂的多孔表面相接触时,吸附剂的表面引力场使气体中的水汽分子与之相碰撞,即被吸附。在吸附的同时,被吸附的分子由于自身的热运动或与外界气气态分子的碰撞,有一部分又回到气相中。吸附与解吸达到平衡时,从宏观来看,吸附作用已不复存在,微观上已经达到了动态平衡。

   平衡吸附量与两个因素相关,一是与吸附剂的物化性能—比表面积、孔结构、粒度有关, 

二是与吸附质,这里是水的物化性能、以及工艺条件,如吸附温度、分压(浓度)有关。当吸附剂与吸附质确定后,吸附量q0只与吸附质的工艺条件如温度、分压有关,即q0=f(p,t)。当温度一定时,吸附量与分压之间的关系,可以绘出各种温度下压力与吸附量之间的等温曲线,不同吸附剂、不同吸附质的等温曲线,其形状是不一样的。

   同样,气压一定时,吸附量是随着温度变化而变化的,即吸附等压线。

   吸附容量恒定时,平衡压力与吸附温度的函数曲线,称为吸附等量线。

   2 吸附传质过程

   吸附操作过程类似于填料吸附塔,吸附剂可看作固定在填料上。吸附过程的进行是由于两个浓度差引起的:即气体中的吸附质的浓度Co与吸附剂表面吸附质浓度之差,粒子表面的吸附量qs与粒子内部的平均吸附量q之差来推动的。移动速度是由吸附剂粒子内外假想的境膜阻力所控制。即由传质系数所控制的。实际吸附过程是很复杂的,一般不能用简单的假定推动力来说明,但对于属于物理吸附的直线平衡系,一般能用推动力和假想的境膜阻力进行推算。当总传质系数受表面扩散控制时,线速度增加,粒外侧传质系数增加,传递加快,吸附量增加。而以内扩散(细孔扩散)控制时,吸附过程不受线速度的影响,此时减小粒径对改善孔内扩散有明显的效果。

  (1)吸附传质区长度(吸附带高度)

   固定床吸附器中,从上到下吸附,可分为三段,上部为已饱和区,中间为吸附带,下部为未吸附区。操作时通常选择中间区未达饱和时倒塔,一般在1/2吸附传质区长度时倒换,因此正确决定吸附带高度是十分重要的。吸附带的长短关系到吸附床层的利用率,它与吸附剂种类、颗粒大小、气速、气体性质、吸附质浓度、吸附剂再生情况、工作周期和操作条件等诸多因素有关。

  (2)穿透点、穿透时间

   在固定床吸附器中,气体流过吸附床时,吸附过程先从床层的入口处开始,从上至下吸附剂逐层被吸附质所饱和。随着含吸附质(如水汽)气体不断送入,吸附传质区不断向吸附床的下端移动,其移动速度<<气流的线速度。当吸附前沿达到床层出口端时,流出气体中出现的吸附质超过了规定限量,并且其浓度迅速升高,很快达到入口端的吸附质浓度。吸附器的工作时间及其出口端吸附质浓度的变化关系曲线,称为穿透曲线。到穿透点所需的时间称为穿透时间。常常是以流出气体的吸附质浓度为入口浓度的5~10%为穿透浓度。

 3吸附剂

  (1)硅胶

硅胶是由硅酸溶液凝结而成的人造含水硅石,其化学式SiO2.XH20。分为粗硅胶、细孔硅胶。孔径15~20A称为粗硅胶,<8A为特细硅胶,>100A为特粗硅胶。硅胶具有气体含湿量高,相对湿度大,吸附容量大;再生加热温度较低;价格低和机械强度较好的优点。但存在着含气体含湿量小,相对湿度低时,吸附能力大幅下降;遇水滴后即行崩裂的缺点。

基本性能:吸附温度升高,吸附性能明显降,气流速度0.15m/s,干燥度露点为-60℃;气流速度增加,吸附性能也要降低;粒度小的硅胶吸附容量大,粒度增加,吸附容量减少;再生气含湿度决定着气体的干燥度,再生温度达160℃时,气体干燥度为10ppm(露点:-57℃),温度再升高,干燥度基本无变化;高压气流中,吸附能力随压力升高而提高。

  (2)活性氧化铝

   它的化学成分为Al2O3.nH2O

   基本性能:原料气相对湿度较小时,吸水量小,相对湿度达70%时,吸水量明显增加;气流速度小于0.05m/s时,干燥度平稳地达到-55℃露点,当气流速度增加时,干燥度明显下降;与气流接触时间长,吸附容量大,接触时间不到5秒时,吸附容量降低较快。因此适用于含水量较大的气体干燥中。

  (3)分子筛

   特点:分子筛吸附剂的特点之一是微孔孔径分布单一均匀,具有普通元素分子的孔径,因此可依据气体分子大小和形状来筛分分子。分子较小者可以筛分通过,较大者不能进入分子孔穴,不能被吸收,由于分子骨架有一定的伸缩性,在某种情况下也可以吸附一些稍大于分子筛微孔直径的分子;分子筛可通过分子的极性、不饱和性和极化率进行选择性吸附。在吸附过程中,分子筛的孔径大小不是唯一的因素。由于这些因素,使它们的吸附强弱和扩散速度有所差异。有的容易吸附,有的难以吸附,有的基本上不能被吸附,如CO和Ar直径、沸点都相近,但5A分子筛上CO吸附量远大于Ar的吸附量,不饱和度越大的的分子,吸附也越强,如乙烷、乙烯、乙炔是不一样的。

2019年8月2日 16:31
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