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制氧吸附剂的研制与节能型制氧工艺的计算模拟

周圆圆  
【摘要】:本文采用了一种较高温度下的加压水热交换方法改性沸石分子筛,研究了反应体系温度压力(温度为设定温度,压力为自生成压力)、反应时间、氯化锂浓度对交换的影响。以硅溶胶、偏铝酸钠分别为硅源、铝源合成X型分子筛,并对其进行锂离子交换,评价其吸附分离效果。测量自主合成的制氧吸附剂的吸附参数,借助于Aspen Adsim模拟软件,建立吸附数学模型,完成三塔VPSA富氧工艺模拟,并考察循环时间、均压时间、产品气出口流量等对产品气氧浓度和收率的影响,优化工艺条件,为生产实践提供指导。 温度影响分子筛的交换。在常压、100℃-0.26MPa(表压)、140℃范围内,随着温度的升高,分子筛Li~+交换度增大,氮吸附容量增大,但同时过高的温度会部分破坏分子筛的结构,最佳反应温度和压力为130℃、0.2MPa(表压);交换时间影响分子筛的交换效果和交换平衡。随着交换时间的延长,分子筛Li~+交换度增大,氮吸附量增大,当达到交换平衡后,即便是延长交换时间,分子筛Li~+交换度和氮吸附量也不再增大;氯化锂浓度影响分子筛的交换。在分子筛交换达到平衡前,随着氯化锂浓度的增大,分子筛Li~+交换度和氮吸附量增大。经考察,得到离子交换的最佳条件:反应体系压力、温度为0.2MPa(表压)、130℃,锂离子浓度3mol/L,交换4次,每次6h。测得分子筛在室温、0.15MPa(绝压)下的氮吸附容量为1.02mmol/g,氮氧分离因子为6.1。 分别以硅溶胶、偏铝酸钠为硅源、铝源,原料配比为SiO_2/Al_2O_3=2.5;Na~2O/SiO_2=1.6;H_2O/Na~2O=45;室温老化12h,100℃晶化3h,得到粉末状分子筛,对分子筛进行XRD扫描,证明合成的分子筛为X型,经过锂离子交换后,测得分子筛在室温、0.15MPa(绝压)下的氮吸附容量为0.98mmol/g,氮氧分离因子为6.3。 循环时间、均压时间以及产品气出口流量等影响产品气氧浓度和收率,在三塔VPSA工艺模拟中,经优化,得到最佳循环时间为75s,均压时间为4s,产品气出口流量为64.8L/s。本文通过两种途径降低富氧工艺能耗:(1)降低吸附与解吸压力之比。吸附压力为147KPa、解吸压力为79KPa时,压力比为2.88,低于当前工业中常用的压力比3.4,更为节能。(2)采用常压进气方式。当吸附塔均压升完毕后,塔内压力仍然低于大气压,利用空气直接进气的方式给吸附塔升压,这部分原料气占总原料气量的27%,节能效果明显。在此工艺条件下,得到氧浓度为94.6%、氧收率为56.6%的产品气。


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