Принцип работы технологии ВКМ с использованием процесса трансформативной адсорбции.

Основные принципы процесса адсорбции при изменении давления. Технология разделения газов с использованием адсорбции при изменении давления (Pressure Swing Adsorption, PSA) быстро развивается благодаря таким преимуществам, как простота технологического процесса, возможность одновременного удаления множества примесей, высокая чистота продукта, большая гибкость в эксплуатации, высокий уровень автоматизации, низкие операционные затраты, длительный срок службы адсорбента, экономичность инвестиций и удобство обслуживания. Эта технология уже стала одной из основных методов для сушки воздуха, очистки водорода, разделения воздуха в небольших масштабах, а также для разделения и очистки других смешанных газов. Так называемый метод трансформационной адсорбции (PSA) на самом деле представляет собой способ восстановления адсорбента путем десорбции при снижении давления. Цикл может происходить при комнатной температуре; благодаря быстрому изменению давления цикл обычно завершается за несколько минут или даже секунд. Хотя емкость адсорбента не очень велика, его эффективность высока, что позволяет обрабатывать большие объемы материала. Для восстановления адсорбента в процессе мембранной адсорбции не требуется внешнее нагревание. К тому же коэффициент теплопроводности адсорбента обычно очень мал, поэтому процесс можно считать адиабатическим. Циклы мембранной адсорбции довольно короткие, поэтому тепло, выделяющееся во время адсорбции, не успевает рассеяться и может быть использовано для процесса десорбции. Изменения температуры слоя адсорбента, вызванные процессами адсорбции и десорбции, как правило, незначительны, поэтому этот процесс можно считать изотермическим. Поскольку у распространенных адсорбентов коэффициент пористости очень высок, а процесс адсорбции при изменяющемся давлении происходит под давлением, объем газа, находящегося в пространствах между частицами адсорбента в слое (которые обычно называют мертвым пространством слоя), не может быть проигнорирован. Во время десорбции при снижении давления, по мере десорбции более сильно адсорбируемых компонентов, слабо адсорбируемые компоненты, находящиеся в мертвом пространстве каталитического слоя, выходят из него, что приводит к потере легких продуктов. Циклический процесс технологии адсорбции под давлением обычно включает следующие этапы: адсорбция, снижение давления в направлении потока, снижение давления в обратном направлении, промывка или опустошение, выравнивание давления и окончательное нагнетание давления. Здесь в качестве примера приводится простая процедура адсорбционно-десорбционной перегонки для получения продукта из неадсорбированной фазы, с целью объяснения роли основных этапов этого процесса. 1) Шаг адсорбции: исходный газ поступает в адсорбционную камеру при максимальном давлении в цикле; компоненты, которые легко адсорбируются, задерживаются на адсорбенте, а компоненты с слабой способностью к адсорбции выходят в качестве продукта. Часть газа-продукта используется для дальнейшего повышения давления в другом слое камеры. Этап адсорбции прекращается тогда, когда фронт адсорбции находится на определенном расстоянии от выходного отверстия продукта. Это позволяет сохранить у выходного отверстия некоторое количество незагруженного адсорбента, который может быть использован для продвижения фронта адсорбции при снижении давления. 2) Шаг снижения давления в направлении потока: после завершения процесса адсорбции давление в каталитическом слое снижается, а газ, выходящий из него, направляется в другой каталитический слой, который уже был очищен и находится при более низком давлении. Таким образом, выходные отверстия обоих слоев соединяются между собой. По окончании этого процесса давление в обоих слоях становится одинаковым; оно находится на более высоком среднем уровне. Это и есть шаг выравнивания давления. Он выполняет функцию снижения давления и газа-продукта в слое, где уже произошло адсорбирование, тем самым повышая степень восстановления газа-продукта. На этапе выравнивания давления фронт адсорбции движется в направлении выхода продукта, однако примеси ещё не проникли внутрь. Поэтому газ, выходящий на этапе выравнивания давления, представляет собой по сути чистый газ продукта. 3) Шаг обратного снижения давления: закрывают клапан на выходе продукта и открывают клапан на входе, чтобы газ в слое материала выходил из него в направлении, противоположном направлению подачи. Давление в слое материала снижается от более низкого промежуточного уровня до минимального давления в цикле, которым обычно является атмосферное давление или отрицательное давление. На этом этапе примеси, адсорбированные адсорбентом, дегазируются и выходят из слоя адсорбента. Кроме того, газ с высокой концентрацией остаточных компонентов продукта, находящийся в зоне мертвого пространства рядом с выходом продукта, под действием обратного потока способствует очистке слоя адсорбента; это позволяет примесям, находящимся рядом с входом материала, также выйти из слоя адсорбента на этом этапе. 4) Шаг промывки или опорожнения: слой фильтата промывается в обратном направлении под минимальным давлением цикла с помощью газов, выходящих из слоя, в котором в настоящее время происходит шаг накопления. В процессе промывки снижается парциальное давление примесей, в результате чего они десорбируются с адсорбента и удаляются из камеры для промывки; при этом граница адсорбции смещается в направлении входа. Таким образом, к моменту окончания промывки регенерация адсорбента практически завершается. Или можно использовать вакуумный насос для создания вакуума в адсорбционном слое, чтобы усилить регенерацию адсорбента. 5) Шаг нивелирования давления: слой, который уже прошел процедуру регенерации, но находится при низком давлении в цикле, должен быть заполнен газом до уровня давления, необходимого для дальнейшей процедуры адсорбции. Для этого сначала используется газ, выходящий из другого слоя, в котором в настоящее время происходит процедура снижения давления; таким образом достигается соединение выходных отверстий обоих слоев. Давление в слое повышается от минимального значения в цикле до более высокого промежуточного уровня. Обратное нагнетание давления позволяет сместить границу адсорбции к входу, тем самым обеспечивая высокую чистоту продукта. 6) Этап окончательного нагнетания давления: для повышения давления в слое с более низкого среднего уровня до давления адсорбции можно использовать исходный газ для нагнетания в направлении потока, либо продуктовый газ — в обратном направлении. Обратное нагнетание продуктового газа позволяет сместить границу адсорбции примесей к входу в слой материала для адсорбции, а также сделать её концентрацию максимально равномерной, что способствует эффективности последующих процедур адсорбции. Однако это требует значительных затрат продуктового газа. Метод нагнетания может заключаться в нагнетании сырьевого газа до высокого промежуточного давления, после чего с помощью газа-продукта осуществляется обратное нагнетание до давления адсорбции; также возможно одновременное нагнетание с обоих концов камеры с использованием как сырьевого, так и газа-продукта. 7) На уровне кровати после этапа окончательного нагнетания давления завершен один цикл операций, и она готова к следующему циклу процесса адсорбции.

Основной процесс очистки в этом устройстве представляет собой технологию 5-1-3&V/VP. Каждый очиститель в ходе одного цикла должен пройти такие этапы: адсорбция (A), снижение давления 1 (E1D), снижение давления 2 (E2D), снижение давления 3 (E3D), обратное снижение давления (D), вакуумирование (V), повышение давления 3 (E3R), повышение давления 2 (E2R), повышение давления 1 (E1R) и, наконец, окончательное повышение давления (FR).