Estudo sobre o esquema de melhoria da adsorção por oscilação de pressão

Introdução

Com o rápido desenvolvimento da industrialização e urbanização, a tecnologia de separação e purificação de gás desempenha um papel importante em muitos campos. A adsorção por oscilação de pressão (PSA), como uma tecnologia eficaz de separação de gás, atraiu ampla atenção devido à sua operação simples, baixo consumo de energia e ampla faixa de aplicação11-2. O processo PSA tradicional ainda tem algumas limitações na eficiência de separação e utilização de energia, o que levou os pesquisadores a buscar continuamente métodos de melhoria para melhorar seu desempenho. Este artigo propõe um método aprimorado com base na tecnologia PSA, visando otimizar o processo PSA tradicional e melhorar sua eficiência de aplicação no campo de separação e purificação de gás. Por meio da otimização de adsorventes, do ajuste de parâmetros operacionais e do design de novos dispositivos de adsorção, ele está comprometido em atingir maior eficiência de separação e menor consumo de energia, promovendo assim o desenvolvimento adicional da tecnologia PSA.

 

 

 

 

1 Princípio e processo tradicional de adsorção por oscilação de pressão
Adsorção por oscilação de pressão (PSA) é uma tecnologia que atinge a separação de gases com base nas características de adsorção seletiva de adsorventes em moléculas de gás. O princípio básico é usar a diferença na capacidade de adsorção do adsorvente para gases de diferentes componentes em diferentes pressões e atingir o processo de adsorção e dessorção de gás ajustando a pressão [13-4]. No processo PSA, a mistura de gases geralmente é passada por um leito adsorvente preenchido com um adsorvente adequado. No estágio de alta pressão, o componente alvo na mistura de gases será adsorvido pelo adsorvente, enquanto o componente não alvo passará pelo leito adsorvente e será descarregado do sistema após a purificação. Posteriormente, no estágio de baixa pressão, reduzindo a pressão, o componente alvo no adsorvente será dessorvido e coletado para obter um gás alvo purificado.
O processo tradicional de PSA geralmente inclui as seguintes etapas: adsorção, liberação de pressão, purificação, reciclagem e aumento de pressão.
1) Adsorção: No estágio de alta pressão, a mistura de gases passa pelo leito adsorvente, o componente alvo é adsorvido seletivamente pelo adsorvente e o componente não alvo passa pelo leito adsorvente.
2) Liberação de pressão: Após o estágio de adsorção, o componente alvo começa a ser dessorvido reduzindo a pressão do leito adsorvente, conseguindo assim a dessorção do componente alvo.
3) Purificação: O componente alvo dessorvido é posteriormente processado pelo dispositivo de purificação para obter um gás alvo de alta pureza.
4) Recirculação: O gás alvo purificado pode ser reinjetado no sistema para fornecer uma oportunidade de readsorção.
5) Aumento de pressão: Ao aumentar a pressão do leito adsorvente, o adsorvente é restaurado a um alto estado de adsorção para se preparar para o próximo ciclo.
Existem alguns problemas na aplicação prática do processo PSA tradicional, o que limita a melhoria adicional de seu desempenho e eficiência. Primeiro, o processo PSA tradicional tem um longo tempo de ciclo, resultando em um longo ciclo de produção e capacidade de produção limitada. O longo tempo de adsorção não só aumenta o consumo de energia do sistema, mas também limita sua aplicação em larga escala na produção industrial. Em segundo lugar, há um problema de tempo desequilibrado no processo PSA tradicional 15-6 para cada etapa da operação. A alocação de tempo irracional de diferentes etapas levará à baixa eficiência do sistema e reduzirá o efeito de separação e a eficiência de purificação. Além disso, o design da estrutura do adsorvente e o método de circulação no processo PSA tradicional também têm um certo impacto no desempenho do sistema. A estrutura do adsorvente irracional levará a um fluxo de gás ruim e afetará o efeito de separação. O método de circulação tradicional pode ter problemas como grandes flutuações de pressão e alto consumo de energia.
Em resumo, o processo PSA tradicional tem problemas como tempo de ciclo longo, tempo de passo de operação desbalanceado e estrutura de adsorvente e design de modo de ciclo irracionais, que limitam sua eficiência de aplicação no campo de separação e purificação de gás. Portanto, é necessário e de grande importância melhorar a tecnologia PSA.

 

 

 

 

2 Otimização do adsorvente
2.1 Seleção de adsorventes e avaliação de desempenho
O adsorvente é um componente vital no sistema PSA, e sua seleção e desempenho desempenham um papel fundamental no efeito de separação e no consumo de energia do sistema. Em termos de seleção do adsorvente, fatores como as propriedades físicas e químicas do gás alvo, a capacidade de adsorção e a seletividade do adsorvente precisam ser considerados. Os adsorventes comumente usados ​​incluem carvão ativado, peneiras moleculares, etc.
Para avaliar o desempenho do adsorvente, métodos como experimento de isoterma de adsorção e experimento de adsorção dinâmica podem ser usados. O experimento de isoterma de adsorção pode medir a quantidade de adsorção de diferentes gases componentes pelo adsorvente e obter a curva de isoterma de adsorção. O experimento de adsorção dinâmica pode simular o desempenho de adsorção do adsorvente sob condições reais do processo, incluindo indicadores como taxa de adsorção e seletividade.
2.2 Tecnologia de modificação de superfície adsorvente
A modificação da superfície de adsorventes é um dos meios importantes para melhorar seu desempenho de adsorção. Ao alterar as propriedades químicas e a estrutura dos poros da superfície do adsorvente, sua área de superfície pode ser aumentada, o tamanho dos poros pode ser ajustado e a capacidade de adsorção e seletividade podem ser melhoradas.
Técnicas de modificação de superfície de adsorvente comumente usadas incluem impregnação, deposição, troca iônica e modificação química [17-8]. O método de impregnação é imergir o adsorvente em uma solução específica e alterar as propriedades de superfície do adsorvente por reação química ou adsorção física entre o adsorvente e a substância na solução. O método de deposição é depositar uma camada de substâncias específicas, como óxidos metálicos ou compostos orgânicos funcionais, na superfície do adsorvente para aumentar a atividade e a seletividade do adsorvente. O método de troca iônica introduz íons específicos na superfície do adsorvente para alterar as propriedades de carga da superfície, regulando assim a seletividade do adsorvente. A modificação química é introduzir grupos funcionais químicos na superfície do adsorvente para alterar suas propriedades químicas e afinidade.
2.3 Projeto e síntese de novos adsorventes
Além de melhorar o desempenho dos adsorventes tradicionais, o desempenho dos sistemas PSA também pode ser melhorado projetando e sintetizando novos adsorventes. Novos adsorventes podem ser materiais inovadores baseados em diferentes princípios e materiais. Por exemplo, Metal-Organic Frameworks (MOFs) são um novo tipo de adsorvente com alta porosidade e estrutura ajustável. Os MOFs têm uma grande área de superfície e volume de poros, o que pode fornecer mais locais de adsorção, melhorar a capacidade de adsorção e a seletividadeI9-101. Além disso, nanomateriais como nanotubos de carbono e grafeno também mostram valor potencial de aplicação como adsorventes. O design e a síntese de novos adsorventes requerem consideração abrangente de fatores como desempenho de adsorção, estabilidade e custo de preparação. Novos adsorventes com excelente desempenho de adsorção podem ser obtidos por meio de otimização estrutural, modificação funcional e melhoria dos processos de preparação.
Ao otimizar a seleção e o desempenho de adsorventes, incluindo a seleção e a avaliação do desempenho de adsorventes, tecnologia de modificação da superfície do adsorvente e o design e síntese de novos adsorventes, a eficiência de separação e o efeito de purificação dos sistemas PSA podem ser significativamente melhorados, promovendo o desenvolvimento posterior da tecnologia PSA. A próxima seção discutirá o efeito da otimização dos parâmetros operacionais no desempenho dos sistemas PSA.