Studie zum Verbesserungsschema der Druckwechseladsorption

Einführung

Mit der rasanten Entwicklung der Industrialisierung und Urbanisierung spielt die Technologie zur Gastrennung und -reinigung in vielen Bereichen eine wichtige Rolle. Die Druckwechseladsorption (PSA) hat als effektive Gastrennungstechnologie aufgrund ihrer einfachen Handhabung, ihres geringen Energieverbrauchs und ihres breiten Anwendungsbereichs große Aufmerksamkeit erregt11-2. Der herkömmliche PSA-Prozess weist immer noch einige Einschränkungen hinsichtlich der Trennleistung und des Energieverbrauchs auf, weshalb Forscher kontinuierlich nach Verbesserungsmöglichkeiten zur Leistungssteigerung suchen. In diesem Artikel wird eine verbesserte Methode auf Basis der PSA-Technologie vorgeschlagen, die darauf abzielt, den herkömmlichen PSA-Prozess zu optimieren und seine Anwendungseffizienz im Bereich der Gastrennung und -reinigung zu verbessern. Durch die Optimierung der Adsorbentien, die Anpassung der Betriebsparameter und die Entwicklung neuer Adsorptionsgeräte sollen eine höhere Trennleistung und ein geringerer Energieverbrauch erreicht und so die Weiterentwicklung der PSA-Technologie gefördert werden.

 

 

 

 

1 Prinzip und traditioneller Prozess der Druckwechseladsorption
Druckwechseladsorption (PSA) ist eine Technologie, die eine Gastrennung auf Grundlage der selektiven Adsorptionseigenschaften von Adsorbentien an Gasmolekülen erreicht. Das Grundprinzip besteht darin, den Unterschied in der Adsorptionskapazität des Adsorbens für Gase mit unterschiedlichen Komponenten bei unterschiedlichen Drücken zu nutzen und den Gasadsorptions- und -desorptionsprozess durch Anpassen des Drucks zu erreichen [13-4]. Beim PSA-Prozess wird das Gasgemisch normalerweise durch ein Adsorberbett geleitet, das mit einem geeigneten Adsorbens gefüllt ist. In der Hochdruckphase wird die Zielkomponente im Gasgemisch vom Adsorbens adsorbiert, während die Nichtzielkomponente das Adsorbensbett passiert und nach der Reinigung aus dem System abgelassen wird. Anschließend wird in der Niederdruckphase durch Reduzierung des Drucks die Zielkomponente im Adsorbens desorbiert und gesammelt, um ein gereinigtes Zielgas zu erhalten.
Der traditionelle PSA-Prozess umfasst normalerweise die folgenden Schritte: Adsorption, Druckentlastung, Reinigung, Recycling und Druckerhöhung.
1) Adsorption: In der Hochdruckphase durchläuft das Gasgemisch das Adsorberbett, die Zielkomponente wird selektiv vom Adsorbens adsorbiert und die Nichtzielkomponente passiert das Adsorbensbett.
2) Druckentlastung: Nach der Adsorptionsphase beginnt die Desorption der Zielkomponente durch Reduzierung des Drucks im Adsorberbett, wodurch die Desorption der Zielkomponente erreicht wird.
3) Reinigung: Die desorbierte Zielkomponente wird durch die Reinigungsvorrichtung weiterverarbeitet, um ein hochreines Zielgas zu erhalten.
4) Rückführung: Das gereinigte Zielgas kann wieder in das System eingespeist werden, um eine erneute Adsorption zu ermöglichen.
5) Druckerhöhung: Durch Erhöhung des Drucks im Adsorberbett wird das Adsorbens wieder in einen hohen Adsorptionszustand versetzt, um es für den nächsten Zyklus vorzubereiten.
Bei der praktischen Anwendung des herkömmlichen PSA-Verfahrens gibt es einige Probleme, die eine weitere Verbesserung seiner Leistung und Effizienz einschränken. Erstens hat das herkömmliche PSA-Verfahren eine lange Zykluszeit, was zu einem langen Produktionszyklus und einer begrenzten Produktionskapazität führt. Die lange Adsorptionszeit erhöht nicht nur den Energieverbrauch des Systems, sondern begrenzt auch seine Anwendung im großen Maßstab in der industriellen Produktion. Zweitens gibt es beim herkömmlichen PSA-Verfahren15-6 für jeden Betriebsschritt ein Problem der unausgewogenen Zeit. Eine unangemessene Zeitaufteilung der verschiedenen Schritte führt zu einer geringen Systemleistung und verringert die Trennwirkung und Reinigungseffizienz. Darüber hinaus hat auch das Design der Adsorberstruktur und des Zirkulationsverfahrens beim herkömmlichen PSA-Verfahren einen gewissen Einfluss auf die Systemleistung. Eine unangemessene Adsorberstruktur führt zu einem schlechten Gasfluss und beeinträchtigt die Trennwirkung. Das herkömmliche Zirkulationsverfahren kann Probleme wie große Druckschwankungen und einen hohen Energieverbrauch aufweisen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der traditionelle PSA-Prozess Probleme wie lange Zykluszeiten, unausgewogene Betriebsschrittzeiten und unangemessene Adsorberstrukturen und Zyklusmodusdesigns aufweist, die seine Anwendungseffizienz im Bereich der Gastrennung und -reinigung einschränken. Daher ist es notwendig und von großer Bedeutung, die PSA-Technologie zu verbessern.

 

 

 

 

2 Adsorbensoptimierung
2.1 Auswahl des Adsorbent und Leistungsbewertung
Das Adsorbent ist eine wichtige Komponente im PSA-System, und seine Auswahl und Leistung spielen eine Schlüsselrolle für den Trenneffekt und den Energieverbrauch des Systems. Bei der Auswahl des Adsorbents müssen Faktoren wie die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Zielgases, die Adsorptionskapazität und die Selektivität des Adsorbents berücksichtigt werden. Häufig verwendete Adsorbentien sind Aktivkohle, Molekularsiebe usw.
Zur Bewertung der Leistung des Adsorbens können Methoden wie Adsorptionsisothermenexperimente und dynamische Adsorptionsexperimente verwendet werden. Mit dem Adsorptionsisothermenexperiment kann die Adsorptionsmenge verschiedener Gaskomponenten durch das Adsorbent gemessen und die Adsorptionsisothermenkurve erstellt werden. Mit dem dynamischen Adsorptionsexperiment kann die Adsorptionsleistung des Adsorbents unter tatsächlichen Prozessbedingungen simuliert werden, einschließlich Indikatoren wie Adsorptionsrate und Selektivität.
2.2 Technologie zur Oberflächenmodifizierung von Adsorbentien
Die Oberflächenmodifizierung von Adsorbentien ist eines der wichtigsten Mittel zur Verbesserung ihrer Adsorptionsleistung. Durch Veränderung der chemischen Eigenschaften und der Porenstruktur der Adsorbentoberfläche kann ihre Oberfläche vergrößert, die Porengröße angepasst und die Adsorptionskapazität und Selektivität verbessert werden.
Zu den häufig verwendeten Techniken zur Oberflächenmodifizierung von Adsorbentien zählen Imprägnierung, Abscheidung, Ionenaustausch und chemische Modifikation [17-8]. Bei der Imprägnierungsmethode wird das Adsorbens in eine bestimmte Lösung getaucht und seine Oberflächeneigenschaften werden durch eine chemische Reaktion oder physikalische Adsorption zwischen dem Adsorbens und der Substanz in der Lösung verändert. Bei der Abscheidungsmethode wird eine Schicht bestimmter Substanzen, beispielsweise Metalloxide oder organische funktionelle Verbindungen, auf der Oberfläche des Adsorbens abgelagert, um dessen Aktivität und Selektivität zu erhöhen. Bei der Ionenaustauschmethode werden bestimmte Ionen auf die Oberfläche des Adsorbens gebracht, um die Oberflächenladungseigenschaften zu verändern und so die Selektivität des Adsorbens zu steuern. Bei der chemischen Modifikation werden chemische funktionelle Gruppen auf die Oberfläche des Adsorbens gebracht, um dessen chemische Eigenschaften und Affinität zu verändern.
2.3 Design und Synthese neuer Adsorbentien
Neben der Verbesserung der Leistung herkömmlicher Adsorbentien kann die Leistung von PSA-Systemen auch durch die Entwicklung und Synthese neuer Adsorbentien verbessert werden. Neue Adsorbentien können innovative Materialien sein, die auf unterschiedlichen Prinzipien und Materialien basieren. Beispielsweise sind Metall-organische Gerüstverbindungen (MOFs) ein neuer Typ von Adsorbentien mit hoher Porosität und anpassbarer Struktur. MOFs haben eine riesige Oberfläche und ein riesiges Porenvolumen, wodurch mehr Adsorptionsstellen bereitgestellt und die Adsorptionskapazität und Selektivität verbessert werden können. Darüber hinaus zeigen auch Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren und Graphen einen potenziellen Anwendungswert als Adsorbentien. Die Entwicklung und Synthese neuer Adsorbentien erfordert eine umfassende Berücksichtigung von Faktoren wie Adsorptionsleistung, Stabilität und Herstellungskosten. Neue Adsorbentien mit hervorragender Adsorptionsleistung können durch Strukturoptimierung, Funktionsmodifikation und Verbesserung der Herstellungsprozesse erhalten werden.
Durch die Optimierung der Auswahl und Leistung von Adsorbentien, einschließlich der Auswahl und Leistungsbewertung von Adsorbentien, der Technologie zur Modifizierung der Adsorbentienoberfläche sowie der Entwicklung und Synthese neuer Adsorbentien können die Trennleistung und die Reinigungswirkung von PSA-Systemen erheblich verbessert werden, was die Weiterentwicklung der PSA-Technologie fördert. Im nächsten Abschnitt werden die Auswirkungen der Optimierung von Betriebsparametern auf die Leistung von PSA-Systemen erörtert.