W ostatnich latach, wraz z rozwojem rozwoju i technologii procesowej oraz ciągłym poszerzaniem dziedzin zastosowań gazu, zwłaszcza ciągłym doskonaleniem wymagań jakościowych i ilościowych w zakresie tlenu, azotu i azotu, wiele firm zwiększyło swoje inwestycje w badania i zastosowania technologii, znacznie zwiększając udział produkcji gazu na rynku gazu i stając się kolejną potężną technologią separacji powietrza po kriogenicznej separacji powietrza. Choć technologia produkcji tlenu ma wieloletnią historię, wciąż wymaga dalszego rozwoju, gdyż otworzyła nową drogę w dziedzinie produkcji tlenu i jest wyjątkowa. Kierunkiem i przedmiotem rozwoju tej technologii będzie wykorzystanie nowych osiągnięć współczesnej nauki, poznanie mechanizmu procesu separacji adsorpcyjnej oraz staranne projektowanie i optymalizacja parametrów.
Koncepcja separacji adsorpcyjnej
Proces separacji adsorpcyjnej składa się z dwóch etapów: adsorpcji i desorpcji płynu. Już w 1990 roku… przedstawił koncepcję „adsorpcji”, a adsorpcja zmiennociśnieniowa należy do adsorpcji fizycznej. Adsorpcja fizyczna jest zjawiskiem powierzchniowym. W obszarze dwufazowym płyn i porowate ciało stałe łączą się ze sobą. Pomiędzy dwiema fazami istnieje siła międzycząsteczkowa, która powoduje gromadzenie się cząsteczek płynu i koncentrację na powierzchni porowatego ciała stałego. W przypadku płynów wieloskładnikowych istnieją różnice w siłach pomiędzy każdym składnikiem a porowatym ciałem stałym, dlatego zachodzi selektywna adsorpcja. W pewnych warunkach składniki zaadsorbowane na powierzchni fazy stałej opuszczają granicę faz i wracają do fazy płynnej. Proces ten jest procesem odwrotnym do adsorpcji, zwanym desorpcją lub desorpcją.
Poprzez adsorpcję i desorpcję osiąga się separację składników i regenerację w fazie stałej, realizując w ten sposób separację i oczyszczanie mieszanych płynów. Porowaty materiał w fazie stałej nazywany jest adsorbentem, a zaadsorbowany płyn nazywany jest adsorbentem. Kiedy płyn zostaje zaadsorbowany, odległość między cząsteczkami zmniejsza się, energia kinetyczna cząsteczek maleje i uwalniane jest ciepło. Przeciwnie, podczas desorpcji wzrasta energia kinetyczna cząsteczek, a do usunięcia zaadsorbowanych cząsteczek zaadsorbowanych na powierzchni wymagana jest absorpcja ciepła.
Zasada wytwarzania tlenu poprzez adsorpcję zmiennociśnieniową
Separacja adsorpcyjna mieszanego gazu kończy się poprzez zwiększenie ciśnienia, a zaadsorbowane składniki gazu są desorbowane w warunkach obniżonego ciśnienia, aby osiągnąć separację składników mieszanego gazu i regenerację adsorbentu. Izoterma równowagi adsorpcji składnika płynnego, gdy temperatura jest stała, ilość adsorpcji zmieszanego gazu na adsorbencie rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia cząstkowego składnika;
Zakładając, że temperatura w zbiorniku adsorpcyjnym pozostaje stała podczas adsorpcji i desorpcji, zmieniając ciśnienie cząstkowe składnika płynnego, ilość adsorpcji płynu na adsorbencie w fazie stałej będzie zmieniać się wzdłuż izotermy adsorpcji, punkt pracy znajduje się pomiędzy punktami , a różnica między wielkościami adsorpcji w dwóch punktach jest wielkością rozdziału składników w cyklu adsorpcji izotermicznej ze zmiennym ciśnieniem. Jednakże w rzeczywistym procesie separacji metodą adsorpcji zmiennociśnieniowej proces adsorpcji uwalnia ciepło, a proces desorpcji pochłania ciepło. Temperatura złoża adsorpcyjnego ulegnie zmianie, co będzie miało wpływ na przebieg procesu adsorpcji. W miarę postępu adsorpcji rzeczywisty proces adsorpcji zmiennociśnieniowej będzie przebiegał pomiędzy dwoma punktami a rzeczywistą wielkością oddzielania składników adsorpcji zmiennociśnieniowej.
Zwiększanie różnicy w ilości adsorpcji składników gazowych na adsorbencie podczas procesów adsorpcji i desorpcji pomoże poprawić efekt separacji. Oprócz dużej różnicy w selektywności dla każdego składnika, wybrany adsorbent powinien charakteryzować się również znaczącą zmianą nachylenia izotermy adsorpcji, a zmianę ciśnienia należy zwiększyć tak bardzo, jak to możliwe, aby zwiększyć wartość zmiany adsorpcji składnika kwota. Do produkcji tlenu wykorzystuje się powietrze jako surowy gaz, a zeolitowe sita molekularne jako adsorbenty w fazie stałej. Mechanizm separacji należy do typu separacji równowagowej, to znaczy różnica w sile międzycząsteczkowej pomiędzy cząsteczkami azotu i tlenu w powietrzu w porach sita molekularnego jest w pełni wykorzystywana do osiągnięcia produkcji tlenu podczas separacji powietrza.
Moment dipolowy cząsteczki azotu wynosi , moment dipolowy cząsteczki tlenu wynosi , a polaryzowalność azotu jest większa, więc oddziaływanie między azotem a kationami i powierzchniami polarnymi w zeolicie jest silniejsze niż między azotem i tlenem. Dlatego zeolitowe sita molekularne mogą selektywnie adsorbować azot. Wykorzystując właściwość zeolitowych sit molekularnych do preferencyjnej adsorbcji azotu przy średnich i niskich ciśnieniach, cel rozdziału azotu i tlenu w powietrzu osiąga się poprzez obróbkę podwyższającą ciśnienie, a następnie ciśnienie obniża się w celu desorpcji azotu zaadsorbowanego w fazie stałej sit molekularnych, dzięki czemu sita molekularne fazy stałej można poddać recyklingowi.
