实验十五 碳分子筛变压吸附提纯氮气

国内变压吸附制氮技术概述1 前言采用变压吸附技术从空气中提取氮气，在中小规模用户已经广泛普及。

在2000Nm3/H能力范围内，比深冷更具吸引力，已经成为氮气市场的主流，它不但生产过程简单维护操作方便，产品纯度在一定范围内可以任意调节，而且规模从几十到上千方规模可以任意选用。

2．工艺介绍以空气为原料，变压吸附制氮技术是在常温下利用O2和N2在吸附剂上的吸附速率的差异或吸附容量不同，采用在高压下吸附，低压下解吸原理来制备的。

根据不同性能的吸附剂，制氮的机理也不相同。

目前变压吸附制氮采用碳分子筛（CMS）和沸石分子筛（MS）两种技术。

碳分子筛制氮（CMS）是利用碳分子筛对O2和N2吸附速率不同的原理来分离N2的。

碳分子筛是一种非极性速度分离型吸附剂，通常以煤为原料，以纸张或焦油为粘结剂加工而成。

它之所以能对氧氮分离主要是基于氧气和氮气在碳分子筛上的扩散速率不同（35℃时扩散速率，O2为6.2×10-5，N2为2.0×10-6），氧气在碳分子筛上的扩散速度大于氮气的扩散速度，使得碳分子筛优先吸附氧气，而氮气富集于不吸附相中，从而在吸附塔流出得到产品氮气。

碳分子筛制氮一般采用2个吸附塔，原料压缩空气经过冷干机除去气体中的水分和微量油进入床层，O2等杂质迅速吸附在床层上，N2得以分离在吸附塔出口得到，吸附结束后经过均压和真空解吸或者常压解吸，使吸附剂的杂质组分脱除再生，2个塔循环交替吸附再生。

真空解吸或者常压解吸再生的目的是为了往复利用吸附剂。

真空法较常压法能耗高，但产品气纯度高。

实际中这两种解吸方法都在应用，不过为了降低能耗，真空解吸方式逐渐减少。

碳分子筛技术能得到普氮，纯度小于99.99%时相对经济。

沸石分子筛制氮（MS）是利用沸石分子筛对O2和N2吸附容量不同的原理来分离N2的。

沸石分子筛是人工合成的硅铝酸盐晶体，加热到一定程度失去结晶水得到的，它由离子孔穴和带负电荷的硅铝骨格所结构。

变压吸附试验实验报告实验目的：本实验旨在通过变压吸附（Pressure Swing Adsorption, PSA）技术，研究气体分离过程中吸附剂对特定气体组分的吸附能力，以及在不同压力条件下的吸附效率，为工业气体分离提供理论依据和实验数据。

实验原理：变压吸附是一种利用吸附剂对不同组分在不同压力下吸附能力差异的分离技术。

在吸附过程中，吸附剂对目标组分的吸附能力随压力的增加而增强。

通过周期性地改变压力，可以实现吸附剂对目标组分的高效分离。

实验材料：1. 吸附剂：活性炭2. 气体混合物：氮气和氧气的混合气体3. 吸附装置：包括压力调节阀、吸附柱、气体流量计等4. 测量设备：压力计、温度计、气体分析仪实验步骤：1. 准备实验材料，将活性炭装入吸附柱中。

2. 将气体混合物通过吸附柱，调节压力至设定值，开始吸附过程。

3. 记录不同压力下的气体流量和组成，观察吸附效果。

4. 改变压力，进行吸附-解吸循环，记录数据。

5. 通过气体分析仪对吸附后的气体进行成分分析。

6. 重复步骤2-5，以获得不同条件下的吸附数据。

实验结果：1. 在低压条件下，吸附剂对氧气的吸附能力较弱，氮气为主要的通过组分。

2. 随着压力的增加，吸附剂对氧气的吸附能力显著增强，氧气的通过量减少。

3. 在吸附-解吸循环过程中，吸附剂表现出良好的循环稳定性和吸附效率。

实验结论：通过本次变压吸附实验，我们发现活性炭作为吸附剂在不同压力条件下对氧气和氮气具有不同的吸附能力。

在工业应用中，可以通过调节压力来实现氧气和氮气的高效分离。

此外，实验结果还表明，活性炭具有良好的循环利用潜力，为工业气体分离提供了一种经济可行的解决方案。

建议：1. 对不同种类的吸附剂进行变压吸附性能测试，以寻找更高效的吸附材料。

2. 进一步优化吸附-解吸循环条件，提高吸附效率和循环稳定性。

3. 将实验结果应用于实际工业生产中，进行规模化的气体分离试验。

本次实验报告到此结束，感谢阅读。

实验报告评分标准实验名称碳分子筛变压吸附提纯氮气班级姓名学号成绩实验周次同组成员一．实验预习1、实验概述（阐明实验目的、原理、流程装置；写清步骤、所要采集的数据；列出化学品、器材清单；分析实验过程危险性）（10 分）实验目的：1 分原理阐述：2 分穿透曲线：2 分流程装置：2 分实验步骤：2 分分析实验过程危险性：1 分2、预习思考（5 分）共 5 题，错一题扣 1 分完整度和认真度：0.5 分3、方案设计（5 分）实验方案设计题目如何从系统中回收提纯的氧气？用预先抽好负压的储罐代替真空泵进行解吸。

有文字叙述：3 分有流程示意图：2 分二．实验过程1、原始记录（要求：记录操作条件、原始数据，注意有效数字、单位格式）（10 分）操作条件：2 分原始数据：8 分表格是否规范：-1 分2、实验现象（5 分）开车阶段：1 分平衡阶段：1 分吸附过程：1 分解吸过程：1 分停车阶段：1 分实验现象描述是否观察认真：-0.5 分三．实验数据处理（10 分）1、数据处理方法（计算举例、计算结果列表）（6 分）标准体积转换计算举例：2 分动态吸附容量计算举例：2 分2、数据处理结果（4 分）标准体积转换计算结果列表：2 分动态吸附容量计算结果列表：2 分穿透曲线绘制：2 分计算结果有误：-2 分四．结果讨论（实验现象分析、误差分析、实验结论）（20 分）实验现象分析：10 分误差分析：5 分实验结论：5 分实验报告评分表：指导教师审阅意见：优秀100—90 良好89—76 合格75—60 不合格59—0教师签名：日期：。

变压吸附实验报告篇一：分子筛变压吸附研究报告院级本科生科技创新项目研究报告项目名称变压制富氧分子筛延长寿命的研究立项时间XX年10月计划完成时间 XX年12月项目负责人储万熠学院与班级冶金与生态工程学院冶金1302班北京科技大学教务摘要变压吸附制氧关键的因素是制氧吸附剂和制氧工艺。

制氧吸附剂的性能优劣和使用寿命直接影响产品气的氧浓度和收率，氮吸附容量是评价制氧吸附剂性能优劣的一项重要指标。

本课题首先对分子筛进行XRF分析、XRD表征和TEM 表征探究分子筛的物理及化学性质，确定对分子筛造成影响的条件。

ANSYS FLUENT中的多孔介质模型可以模拟多孔介质内的流体流动、“三传一反”。

PSA空分吸附床由固体吸附剂颗粒填充而成，气-固两相区可作为多孔介质，因此可基于多孔介质模型对变压吸附空分吸附床进行模拟，从而得到床层内气体的流动状态和组分浓度分布情况。

为研究提高分子筛寿命的研究提供可靠有效的实验数据。

Research of Prolong the Life ofPressure-Swinging-Oxygen-Making Molecular Sieve AbstractThe keyfactorof thepressure swinging oxygen making is oxygen adsorbentandoxygenprocess. The quality and service life of oxygen adsorbentdirect impact on the oxygenconcentrationandyield of productgas, nitrogen adsorptioncapacity ofthe oxygensorbentperformanceevaluation ofthe meritsofan important indicator.This paperfirstdo XRFanalysis, XRDandofmolecular TEMcharacterization sieveinquiryto ofphysicalandchemicalproperties theimpact onmolecular determinesievesconditions.The porous medium model in ANSYS FLUENT can simulate fluid flow in porous media. PSA air separation adsorbent bed is filled by a solid sorbent particles, gas - solid two phase region as a porous medium, thus can simulate the pressure swing adsorption airseparation adsorbent bed based on the porous medium model, resulting in the flow state within the bed of gas and component concentration distribution for providing valid and reliable experimental data of improving molecular sieve’s life.目录1引言 ................................................ ................................................... (1)1.1课题研究背景................................................. .. (1)1.2课题研究目的及意义 ................................................ (1)2原矿矿物学分析 ................................................ . (2)2.1分子筛XRF分析 ................................................ (2)2.2 分子筛XRD表征 ................................................ (3)2.3 分子筛TEM表征 ................................................ .. (5)2.4 分子筛孔隙率实验 ................................................ (6)2.4.1 失活实验 ................................................ . (6)2.4.2 活化实验 ................................................ . (6)2.4.3 差热曲线 ................................................ . (7)3 ANSYS FLUENT模拟 ................................................ (8)3.1 模型建立 ................................................ (8)3.2 模拟结果 ................................................ . (11).............................................. . (11)3.2.2 速度云图 ................................................ . (11)3.2.3 温度云图 ................................................ . (12)4 FLUENT模拟结论 ................................................ . (12)参考文献 ................................................ .. (12)1 引言1.1 课题研究背景变压吸附制氧关键的因素是制氧吸附剂和制氧工艺。

变压吸附分离技术在氮气生产中的应用摘要：氮气是我们赖以生存的空气的主要组成成分，其在空气中占有非常大的比例，由于其气源丰富，已经在人们的生产中被广泛应用，比如：氮气被用作保护气，同时还应用于防腐防爆业以及电子工业等等，正是由于其非常多的用途，所以更多的制氮气的方法也不断的出现和更新。

本文主要介绍变压吸附分离技术在氮气生产中的应用以及一些主要的制氮气的方法。

希望通过本文能为相关人士带来些许参考价值。

关键词：变压吸附分离技术；工业制氮；生产应用；一、氮气在工业生产中主要的制取方法目前在我国的工业生产中会有很多涉及到很多用氮的地方，所以在工业上就会使用很多制氮的方法，目前在工业上主要的用氮制取方法有，深冷法也就是低温精馏法，变压吸附法，薄膜的渗透法，化学吸收法等等。

传统的对于空气分离的方法就是低温蒸馏法，这个方法的主要原理就是利用存在于空气中的主要氧气、氮气的沸点的不同，利用这一原理，在对空气进行深冷液化的时候，由于沸点的不同，进而进行相应的分离提纯技术。

但是这项传统技术存在着相应的缺点，虽然对于氮气的分离出来的产量大，纯度也比较高，但是低温蒸馏法的整体操作工艺流程比较复杂，同时对于应用其中的设备的要求非常高，而且相关企业部门对于整体工艺流程的投资非常大，其整个流程操作的过程中所使用的场地面积也非常大。

低温精馏法是比较传统的方法，其使用时间及发展历史也较长，但是其不适用于中小气量，所以其存在着自身的局限性。

变压吸附法在工业中比较适合中小型设备进行制氮，随着变压吸附法的不断完善和改进，其具有一定的优越性。

近些年来，变压吸附技术已经发展的非常好，其本身也具有非常多的优势，相对传统的低温精馏法其整体工艺的工艺过程比较简单，而且整体制造设备也非常简单，其占地面积也相对较少。

对于生产设备的整体维护也比较简单，其自动化的程度也相对的较高，对于期间所产生的问题，可随时进行开停车的操作，这样就比较简单、方便，同时具有相对小巧，投资少、而且整体维修比较容易，还能够比较容易实现自动及远程控制。

变压吸附制氮实验报告变压吸附制氮机的原理分析变压吸附制氮机的原理分析川汇气体变压吸附制氮机名词解释及工作原理分析变压吸附（PSA）制氮技术，具有能耗低、低噪音、无污染、操作简便、性能稳定等优点。

可满足各种用气需要，在冶炼、金属加工、石化工业、电子工业、食品行业、仓储运输、等众多领域得到广泛使用。

变压吸附制氮机是以空气为原料，利用分子筛吸附剂对空气中氮、氧不同的吸附性能，在常温下变压吸附(简称PSA)制取氮气。

主要结构由空气净化系统，自动控制系统，制氮系统、氮气储罐等部分构成。

碳分子筛是由碳组成的多孔物质，孔结构模型为无序堆积碳素结构。

它分离空气的能力，取决于空气中各种气体在碳分子筛微孔中的不同扩散速度或不同的吸附力。

由于氧分子通过碳分子筛微孔系统的狭窄空隙的扩散速度比氮分子快得多。

因此，当加压时它对氧优先吸附，而氮则被富集成高纯度气体。

变压吸附制氮机正是利用这一特性，采用加压吸附、减压解吸的方式实现氮氧分离。

变压吸附法通常使用两塔并联，交替进行加压吸附和解压再生，从而获得连续的氮气流。

PSA制氮机工艺流程压缩后的空气经空气贮存缓冲罐进入活性碳过滤器，除去油和水，然后经过冷干机干燥冷却卸压再经过T级和A级精密过滤后进入两个吸附塔。

PSA制氮工艺流程是采用在常温下变压吸附（即PSA）为无热源的吸附分离过程，碳分子筛对吸附组合（主要是氧分子）的吸附容量因其分压升高而增加，因其分压的下降而减少。

这样，碳分子筛在加压时吸附，减压时解吸，放出被吸附的部分，使碳分子再生，形成循环操作。

变压吸附过程，循环操作包括：吸附、均压、降压、释放、冲洗，然后再充压、吸附几个工作阶段，形成循环操作过程。

PSA制氮装置根据流程的再生压力不同，可分为真空再生和常压再生流程。

在两种流程中，原料空气经无油空压机压缩调压后，进入除油系统和冷却器，再经干燥进入碳分子筛吸附塔，吸附塔的上部排出产品氮气，被吸附的氧气直接排放到大气中，实现碳分子筛的再生。

实验十五碳分子筛变‎压吸附提纯‎氮气利用多孔固‎体物质的选‎择性吸附分‎离和净化气‎体或液体混‎合物的过程‎称为吸附分‎离。

吸附过程得‎以实现的基‎础是固体表‎面过剩能的‎存在，这种过剩能‎可通过范德‎华力的作用‎吸引物质附‎着于固体表‎面，也可通过化‎学键合力的‎作用吸引物‎质附着于固‎体表面，前者称为物‎理吸附，后者称为化‎学吸附。

一个完整的‎吸附分离过‎程通常是由‎吸附与解吸‎（脱附）循环操作构‎成，由于实现吸‎附和解吸操‎作的工程手‎段不同，过程分变压‎吸附和变温‎吸附，变压吸附是‎通过调节操‎作压力（加压吸附、减压解吸）完成吸附与‎解吸的操作‎循环，变温吸附则‎是通过调节‎温度（降温吸附，升温解吸）完成循环操‎作。

变压吸附主‎要用于物理‎吸附过程，变温吸附主‎要用于化学‎吸附过程。

本实验以空‎气为原料，以碳分子筛‎为吸附剂，通过变压吸‎附的方法分‎离空气中的‎氮气和氧气‎，达到提纯氮‎气的目的。

A 实验目的（1）了解和掌握‎连续变压吸‎附过程的基‎本原理和流‎程；（2）了解和掌握‎影响变压吸‎附效果的主‎要因素；（3）了解和掌握‎碳分子筛变‎压吸附提纯‎氮气的基本‎原理；（4）了解和掌握‎吸附床穿透‎曲线的测定‎方法和目的‎。

B 实验原理物质在吸附‎剂（固体）表面的吸附‎必须经过两‎个过程：一是通过分‎子扩散到达‎固体表面，二是通过范‎德华力或化‎学键合力的‎作用吸附于‎固体表面。

因此，要利用吸附‎实现混合物‎的分离，被分离组分‎必须在分子‎扩散速率或‎表面吸附能‎力上存在明‎显差异。

碳分子筛吸‎附分离空气‎中N2和O‎2就是基于‎两者在扩散‎速率上的差‎异。

N2和O2‎都是非极性‎分子，分子直径十‎分接近（O2为0.28nm，N2为0.3nm），由于两者的‎物性相近，与碳分子筛‎表面的结合‎力差异不大‎，因此，从热力学（吸收平衡）角度看，碳分子筛对‎N2和O2‎的吸附并无‎选择性，难于使两者‎分离。

变压吸附制氮气实验一、实验目的1. 理解变压吸附理论，掌握所学理论知识，并与实践相结合。

2. 了解变压吸附分离技术的应用领域，了解变压吸附设备，能够熟练操作设备。

3. 掌握吸附压力、循环周期、产品气流量等对产品氮气浓度的影响。

4. 掌握单塔穿透试验的测试方法，并绘制出穿透曲线。

二、实验原理1. 变压吸附现象吸附是一个复杂过程，存在着化学和物理吸附现象，而变压吸附则是纯物理吸附，整个过程均无化学吸附现象存在。

众所周知，当气体与多孔和固体吸附剂（如活性炭类）接触，因固体表面分子与部分子不同，具有剩余的表面自由力场或称表面引力场，因此使气相中的可被吸附的组分分子碰撞到固体表面后即被吸附。

当吸附于固体表面分子数量逐渐增加，并将要被覆盖时，吸附剂表面的再吸附能力下降，即失去吸附能力，此时己达到吸附平衡。

变压吸附在化工、轻工、炼油、冶金和环保等领域都有广泛的应用。

如气体中水分的脱除，气体混合物的分离，溶剂的回收，水溶液或有机溶液的脱色、除臭，有机烷烃的分离，芳烃的精制等等。

2. 变压吸附原理变压吸附是在较高压力进行吸附，在较低压力下使吸附的组分解吸出来。

从图1吸附等温线可看出，吸附量与分压的关系，升压吸附量增加，而降压可使吸附分子解吸，但解吸不完全，故用抽空方法得到脱附解吸并使吸附剂再生。

图1、变压吸附的吸附等温线吸附－解吸的压力变换为反复循环过程，但解吸条件不同，可以有不同结果，可通过图2（a）、（b）得到解释。

当被处理的吸附混合物中有强吸附物和弱吸附物存在时，强吸附物被吸附，而弱吸附物被强吸附物取代而排出，在吸附床未达到吸附平衡时，弱吸附物可不断排出，并且被提纯。

1.1 常压解吸（见图2（a））（1）升压过程（A－B）经解吸再生后的吸附床处于过程的最低压力P1，床层杂质的吸留量为Q1（A 点），在此条件下让其他塔的吸附出口气体进入该塔，使塔压升至吸附压力P3，此时床杂质的吸留量Q1不变（B点）。

（2）吸附过程（B－C）在恒定的吸附压力下原料气不断进入吸附床，同时输出产品组分，吸附床杂质组分的吸留量逐步增加，当达到规定的吸留量Q3时（C点），停止进入原料气，吸附终止，此时吸附床上部仍预留有一部分未吸附杂质的吸附剂。

碳分子筛变压吸附提纯氮气模块名称预习考查题目权重1．碳分子筛吸附法从空气中分离提纯氮气的原理是什么？（）A．利用N2与O2在空气中的浓度差异，优先吸附N2气B．利用N2与O2在碳分子筛中扩散速率的差异，优先吸附O2气C．利用碳分子筛中的微孔尺寸的选择性，优先吸附O2气D．利用N2与O2在碳分子筛中扩散速率的差异，优先吸附N2气2．一个连续变压吸附分离装置，至少需要几个吸附柱，包括哪些操作步骤？（）A．2个，操作步骤包括系统充压、加压吸附、减压脱附、柱间气流切换B．3个，操作步骤包括系统充压、加压吸附、减压脱附、柱间气流切换C．1个，操作步骤包括系统充压、加压吸附、减压脱附D．3个，操作步骤包括加压吸附、减压脱附、柱间气流切换3．本实验采用什么工程手段来实现吸附和解吸操作？（）A．加压吸附，常压脱附B．加压吸附，升温脱附C．加压吸附，真空脱附D．低温吸附，高温脱附4．当吸附剂用量一定时，影响本实验变压吸附效果的主要因素有哪些？（）A．吸附压力、温度、气体流量、解吸压力B．吸附压力、气体流量、脱附压力、吸附时间E．吸附压力、气体流量、吸附时间D．温度、气体流量、脱附压力、吸附时间5．何谓穿透曲线？（）A．吸附柱出口流体中被吸附物质的浓20度随时间的变化曲线B．吸附柱出口流体中被吸附物质的浓度随气体流量的变化曲线C．吸附柱出口流体中被吸附物质的浓度随吸附压力的变化曲线D．吸附柱出口流体中被吸附物质的浓度随进口浓度的变化曲线你的回答本模块得分[满分100]B|B|C|B|A 100 模块名称仪器选择题目权重选错一次扣5分10你的回答本模块得分[满分100]正确答案：吸附柱（2个）、微机、放空阀、流量计、CYES氧气分析仪、脱水柱、取样阀、空气压缩机及减压阀、脱油柱、缓冲罐、流量调节阀、水循环真空泵做错次数：0100模块名称操作步骤题目权重选错一次扣5分10你的回答本模块得分[满分100]正确答案：B、检查压缩机、真空泵、吸附装置和计算机之间的连接是否到位，接通压缩机电源，接通吸附装置上的电源和真空泵电源，开启计算机并打开“在线控制软件”，点击“泵开关”，开启真空泵。