Μελέτη Σχεδίου Βελτίωσης Προσρόφησης Ταλαντώσεως Πίεσης

Εισαγωγή

Με την ταχεία ανάπτυξη της εκβιομηχάνισης και της αστικοποίησης, η τεχνολογία διαχωρισμού και καθαρισμού αερίων διαδραματίζει σημαντικό ρόλο σε πολλούς τομείς. Η προσρόφηση αιώρησης πίεσης (PSA), ως αποτελεσματική τεχνολογία διαχωρισμού αερίων, έχει προσελκύσει ευρεία προσοχή λόγω της απλής λειτουργίας, της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και του μεγάλου εύρους εφαρμογής11-2. Η παραδοσιακή διαδικασία PSA εξακολουθεί να έχει ορισμένους περιορισμούς στην απόδοση διαχωρισμού και στη χρήση ενέργειας, γεγονός που έχει ωθήσει τους ερευνητές να αναζητούν συνεχώς μεθόδους βελτίωσης για τη βελτίωση της απόδοσής της. Αυτή η εργασία προτείνει μια βελτιωμένη μέθοδο που βασίζεται στην τεχνολογία PSA, με στόχο τη βελτιστοποίηση της παραδοσιακής διαδικασίας PSA και τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας εφαρμογής της στον τομέα του διαχωρισμού και του καθαρισμού αερίων. Μέσω της βελτιστοποίησης των προσροφητικών, της προσαρμογής των παραμέτρων λειτουργίας και του σχεδιασμού νέων συσκευών προσρόφησης, δεσμεύεται να επιτύχει υψηλότερη απόδοση διαχωρισμού και χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας, προωθώντας έτσι την περαιτέρω ανάπτυξη της τεχνολογίας PSA.

 

 

 

 

1 Αρχή και παραδοσιακή διαδικασία προσρόφησης αιώρησης πίεσης
Η προσρόφηση αιώρησης πίεσης (PSA) είναι μια τεχνολογία που επιτυγχάνει διαχωρισμό αερίων με βάση τα χαρακτηριστικά επιλεκτικής προσρόφησης των προσροφητών σε μόρια αερίου. Η βασική αρχή είναι να χρησιμοποιηθεί η διαφορά στην ικανότητα προσρόφησης του προσροφητικού για αέρια διαφορετικών συστατικών σε διαφορετικές πιέσεις και να επιτευχθεί η διαδικασία προσρόφησης και εκρόφησης αερίου ρυθμίζοντας την πίεση [13-4]. Στη διεργασία PSA, το μίγμα αερίων συνήθως διέρχεται μέσω μιας προσροφητικής κλίνης γεμάτη με κατάλληλο προσροφητικό. Στο στάδιο υψηλής πίεσης, το συστατικό στόχο στο μείγμα αερίων θα προσροφηθεί από το προσροφητικό, ενώ το μη στοχευόμενο συστατικό θα περάσει μέσα από την προσροφητική κλίνη και θα εκκενωθεί από το σύστημα μετά τον καθαρισμό. Στη συνέχεια, στο στάδιο της χαμηλής πίεσης, μειώνοντας την πίεση, το συστατικό στόχο στο προσροφητικό θα εκροφηθεί και θα συλλεχθεί για να ληφθεί ένα καθαρισμένο αέριο στόχο.
Η παραδοσιακή διαδικασία PSA περιλαμβάνει συνήθως τα ακόλουθα βήματα: προσρόφηση, απελευθέρωση πίεσης, καθαρισμό, ανακύκλωση και αύξηση πίεσης.
1) Προσρόφηση: Στο στάδιο υψηλής πίεσης, το μείγμα αερίων διέρχεται μέσω της κλίνης προσροφητή, το συστατικό στόχο προσροφάται επιλεκτικά από το προσροφητικό και το μη στοχευόμενο συστατικό περνά μέσα από το προσροφητικό στρώμα.
2) Αποδέσμευση πίεσης: Μετά το στάδιο της προσρόφησης, το συστατικό στόχο αρχίζει να εκροφάται μειώνοντας την πίεση της κλίνης προσροφητή, επιτυγχάνοντας έτσι την εκρόφηση του συστατικού στόχου.
3) Καθαρισμός: Το εκροφημένο συστατικό στόχο υποβάλλεται σε περαιτέρω επεξεργασία από τη συσκευή καθαρισμού για να ληφθεί ένα αέριο στόχο υψηλής καθαρότητας.
4) Ανακυκλοφορία: Το καθαρισμένο αέριο στόχος μπορεί να εγχυθεί εκ νέου στο σύστημα για να παρέχει μια ευκαιρία για επαναπροσρόφηση.
5) Αύξηση πίεσης: Αυξάνοντας την πίεση της κλίνης προσροφητή, το προσροφητικό αποκαθίσταται σε κατάσταση υψηλής προσρόφησης για να προετοιμαστεί για τον επόμενο κύκλο.
Υπάρχουν ορισμένα προβλήματα στην πρακτική εφαρμογή της παραδοσιακής διαδικασίας PSA, γεγονός που περιορίζει την περαιτέρω βελτίωση της απόδοσης και της αποτελεσματικότητάς του. Πρώτον, η παραδοσιακή διαδικασία PSA έχει μεγάλο χρόνο κύκλου, με αποτέλεσμα μακρύ κύκλο παραγωγής και περιορισμένη παραγωγική ικανότητα. Ο μεγάλος χρόνος προσρόφησης όχι μόνο αυξάνει την κατανάλωση ενέργειας του συστήματος, αλλά και περιορίζει τη μεγάλης κλίμακας εφαρμογή του στη βιομηχανική παραγωγή. Δεύτερον, υπάρχει ένα πρόβλημα μη ισορροπημένου χρόνου στην παραδοσιακή διαδικασία PSA15-6 για κάθε βήμα λειτουργίας. Η παράλογη κατανομή χρόνου των διαφορετικών βημάτων θα οδηγήσει σε χαμηλή απόδοση του συστήματος και θα μειώσει το αποτέλεσμα διαχωρισμού και την αποτελεσματικότητα καθαρισμού. Επιπλέον, ο σχεδιασμός της δομής του προσροφητή και της μεθόδου κυκλοφορίας στην παραδοσιακή διαδικασία PSA έχει επίσης κάποιο αντίκτυπο στην απόδοση του συστήματος. Η παράλογη δομή του προσροφητή θα οδηγήσει σε κακή ροή αερίου και θα επηρεάσει το αποτέλεσμα διαχωρισμού. Η παραδοσιακή μέθοδος κυκλοφορίας μπορεί να έχει προβλήματα όπως μεγάλες διακυμάνσεις πίεσης και υψηλή κατανάλωση ενέργειας.
Συνοπτικά, η παραδοσιακή διαδικασία PSA έχει προβλήματα όπως ο μεγάλος χρόνος κύκλου, ο μη ισορροπημένος χρόνος βήματος λειτουργίας και η παράλογη δομή προσροφητή και σχεδιασμός λειτουργίας κύκλου, που περιορίζουν την αποτελεσματικότητα εφαρμογής της στον τομέα του διαχωρισμού και του καθαρισμού αερίων. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητη και μεγάλης σημασίας η βελτίωση της τεχνολογίας PSA.

 

 

 

 

2 Βελτιστοποίηση προσροφητή
2.1 Επιλογή προσροφητικού και αξιολόγηση απόδοσης
Το προσροφητικό είναι ένα ζωτικό συστατικό στο σύστημα PSA και η επιλογή και η απόδοσή του διαδραματίζουν βασικό ρόλο στο αποτέλεσμα διαχωρισμού και στην κατανάλωση ενέργειας του συστήματος. Όσον αφορά την επιλογή προσροφητικού, παράγοντες όπως οι φυσικές και χημικές ιδιότητες του αερίου στόχου, η ικανότητα προσρόφησης και η επιλεκτικότητα του προσροφητικού πρέπει να λαμβάνονται υπόψη. Τα συνήθως χρησιμοποιούμενα προσροφητικά περιλαμβάνουν ενεργό άνθρακα, μοριακά κόσκινα κ.λπ.
Για την αξιολόγηση της απόδοσης του προσροφητικού, μπορούν να χρησιμοποιηθούν μέθοδοι όπως πείραμα ισοθερμικής προσρόφησης και πείραμα δυναμικής προσρόφησης. Το πείραμα ισοθερμικής προσρόφησης μπορεί να μετρήσει την ποσότητα προσρόφησης διαφορετικών αερίων συστατικών από το προσροφητικό και να λάβει την καμπύλη ισοθερμικής προσρόφησης. Το πείραμα δυναμικής προσρόφησης μπορεί να προσομοιώσει την απόδοση προσρόφησης του προσροφητικού υπό πραγματικές συνθήκες διεργασίας, συμπεριλαμβανομένων δεικτών όπως ο ρυθμός προσρόφησης και η επιλεκτικότητα.
2.2 Τεχνολογία τροποποίησης επιφάνειας προσροφητικού
Η τροποποίηση της επιφάνειας των προσροφητικών είναι ένα από τα σημαντικά μέσα για τη βελτίωση της απόδοσης προσρόφησής τους. Με την αλλαγή των χημικών ιδιοτήτων και της δομής των πόρων της επιφάνειας του προσροφητικού, το εμβαδόν επιφάνειάς του μπορεί να αυξηθεί, το μέγεθος των πόρων μπορεί να προσαρμοστεί και η ικανότητα προσρόφησης και η επιλεκτικότητα μπορούν να βελτιωθούν.
Οι κοινώς χρησιμοποιούμενες τεχνικές τροποποίησης επιφάνειας προσροφητικού περιλαμβάνουν εμποτισμό, εναπόθεση, ανταλλαγή ιόντων και χημική τροποποίηση [17-8]. Η μέθοδος εμποτισμού είναι η βύθιση του προσροφητικού σε ένα συγκεκριμένο διάλυμα και η αλλαγή των επιφανειακών ιδιοτήτων του προσροφητικού μέσω χημικής αντίδρασης ή φυσικής προσρόφησης μεταξύ του προσροφητικού και της ουσίας στο διάλυμα. Η μέθοδος εναπόθεσης είναι η εναπόθεση ενός στρώματος συγκεκριμένων ουσιών, όπως οξείδια μετάλλων ή οργανικές λειτουργικές ενώσεις, στην επιφάνεια του προσροφητικού για να αυξηθεί η δραστηριότητα και η επιλεκτικότητα του προσροφητικού. Η μέθοδος ανταλλαγής ιόντων εισάγει συγκεκριμένα ιόντα στην επιφάνεια του προσροφητικού για να αλλάξει τις ιδιότητες επιφανειακού φορτίου, ρυθμίζοντας έτσι την επιλεκτικότητα του προσροφητικού. Η χημική τροποποίηση είναι η εισαγωγή χημικών λειτουργικών ομάδων στην επιφάνεια του προσροφητικού για την αλλαγή των χημικών ιδιοτήτων και της συγγένειάς του.
2.3 Σχεδιασμός και σύνθεση νέων προσροφητικών
Εκτός από τη βελτίωση της απόδοσης των παραδοσιακών προσροφητικών, η απόδοση των συστημάτων PSA μπορεί επίσης να βελτιωθεί με το σχεδιασμό και τη σύνθεση νέων προσροφητικών. Τα νέα προσροφητικά μπορεί να είναι καινοτόμα υλικά βασισμένα σε διαφορετικές αρχές και υλικά. Για παράδειγμα, τα μεταλλικά-οργανικά πλαίσια (MOFs) είναι ένας νέος τύπος προσροφητικού με υψηλό πορώδες και ρυθμιζόμενη δομή. Τα MOF έχουν τεράστιο εμβαδόν επιφάνειας και όγκο πόρων, τα οποία μπορούν να παρέχουν περισσότερες θέσεις προσρόφησης, να βελτιώσουν την ικανότητα προσρόφησης και την επιλεκτικότητα I9-101. Επιπλέον, τα νανοϋλικά όπως οι νανοσωλήνες άνθρακα και το γραφένιο παρουσιάζουν επίσης πιθανή αξία εφαρμογής ως προσροφητικά. Ο σχεδιασμός και η σύνθεση νέων προσροφητικών απαιτεί ολοκληρωμένη εξέταση παραγόντων όπως η απόδοση προσρόφησης, η σταθερότητα και το κόστος προετοιμασίας. Μπορούν να ληφθούν νέα προσροφητικά με εξαιρετική απόδοση προσρόφησης μέσω δομικής βελτιστοποίησης, λειτουργικής τροποποίησης και βελτίωσης των διαδικασιών παρασκευής.
Με τη βελτιστοποίηση της επιλογής και της απόδοσης των προσροφητικών, συμπεριλαμβανομένης της επιλογής και αξιολόγησης της απόδοσης των προσροφητικών, της τεχνολογίας τροποποίησης επιφάνειας προσροφητικού και του σχεδιασμού και της σύνθεσης νέων προσροφητικών, η αποτελεσματικότητα διαχωρισμού και η επίδραση καθαρισμού των συστημάτων PSA μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά, προωθώντας την περαιτέρω ανάπτυξη τεχνολογίας PSA. Στην επόμενη ενότητα θα συζητηθεί η επίδραση της βελτιστοποίησης των λειτουργικών παραμέτρων στην απόδοση των συστημάτων PSA.