利用多孔固體物質(zhì)的選擇性吸附分離和凈化氣體或液體混合物的過程稱為吸附分離。吸附過程得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)是固體表面過剩能的存在，這種過剩能可通過范德華力的作用吸引物質(zhì)附著于固體表面，也可通過化學(xué)鍵合力的作用吸引物質(zhì)附著于固體表面，前者稱為物理吸附，后者稱為化學(xué)吸附。一個完整的吸附分離過程通常是由吸附與解吸（脫附）循環(huán)操作構(gòu)成，由于實現(xiàn)吸附和解吸操作的工程手段不同，過程分變壓吸附和變溫吸附，變壓吸附是通過調(diào)節(jié)操作壓力（加壓吸附、減壓解吸）完成吸附與解吸的操作循環(huán)，變溫吸附則是通過調(diào)節(jié)溫度（降溫吸附，升溫解吸）完成循環(huán)操作。變壓吸附主要用于物理吸附過程，變溫吸附主要用于化學(xué)吸附過程。本實驗以空氣為原料，以5A富氧分子篩為吸附劑，通過變壓吸附的方法分離空氣中的氮氣和氧氣，達(dá)到提純氧氣的目的。
一 實驗?zāi)康?/strong>
1、了解和掌握碳分子篩變壓吸附提純氮氣的基本原理。
2、掌握吸附中變壓吸附的應(yīng)用，了解變壓吸附設(shè)備，并學(xué)會設(shè)備的操作。
3、掌握變壓吸附中壓力的變化、閥門切換時間變化與吸附量的關(guān)系。
4、了解和掌握吸附床穿透曲線的測定方法和目的。
二 實驗原理
物質(zhì)在吸附劑（固體）表面的吸附必須經(jīng)過兩個過程：一是通過分子擴(kuò)散到達(dá)固體表面，二是通過范德華力或化學(xué)鍵合力的作用吸附于固體表面。因此，要利用吸附實現(xiàn)混合物的分離，被分離組分必須在分子擴(kuò)散速率或表面吸附能力上存在明顯差異。
碳分子篩吸附分離空氣中N2和O2就是基于兩者在擴(kuò)散速率上的差異。N2和O2都是非極性分子，分子直徑十分接近（O2為0.28nm，N2為0.3nm），由于兩者的物性相近，與碳分子篩表面的結(jié)合力差異不大，因此，從熱力學(xué)（吸收平衡）角度看，碳分子篩對N2和O2的吸附并無選擇性，難于使兩者分離。然而，從動力學(xué)角度看，由于碳分子篩是一種速率分離型吸附劑，N2和O2在碳分子篩微孔內(nèi)的擴(kuò)散速度存在明顯差異，如：35℃時，O2的擴(kuò)散速度為2.0×106 ，O2的速度比N2快30倍，因此當(dāng)空氣與碳分子篩接觸時，O2將優(yōu)先吸附于碳分子篩而從空氣中分離出來，使得空氣中的N2得以提純。由于該吸附分離過程是一個速率控制的過程，因此，吸附時間的控制（即吸附－解吸循環(huán)速率的控制）非常重要。當(dāng)吸附劑用量、吸附壓力、氣體流速一定時，適宜的吸附時間可通過測定吸附柱的穿透曲線來確定。
所謂穿透曲線就是出口流體中被吸附物質(zhì)（即吸附質(zhì)）的濃度隨時間的變化曲線。典型的穿透曲線如下圖所示，由圖可見吸附質(zhì)的出口濃度變化呈S形曲線，在曲線的下拐點（a點）之前，吸附質(zhì)的濃度基本不變（控制在要求的濃度之下），此時，出口產(chǎn)品是合格的。越過下拐點之后，吸附質(zhì)的濃度隨時間增加，到達(dá)上拐點（b點）后趨于進(jìn)口濃度，此時，床層已趨于飽和，通常將下拐點（a點）稱為穿透點，上拐點（b點）稱為飽和點。通常將出口濃度達(dá)到進(jìn)口濃度的95%的點確定為飽和點，而穿透點的濃度應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求來定，一般略高于目標(biāo)值。本實驗要求N2的濃度≥97%，即出口O2應(yīng)≦３％，因此，將穿透點定為O2濃度在2.5%-3.0%。
為確保產(chǎn)品質(zhì)量，在實際生產(chǎn)中吸附柱有效工作區(qū)應(yīng)控制在穿透點之前，因此，穿透點（a點）的確定是吸附過程研究的重要內(nèi)容。利用穿透點對應(yīng)的時間（t0）可以確定吸附裝置的最佳吸附操作時間和吸附劑的動態(tài)吸附量，而動態(tài)吸附容量是吸附裝置設(shè)計放大的重要依據(jù)。
動態(tài)吸附容量的定義為：從吸附開始直至穿透點（a點）的時段內(nèi)，單位重量的吸附劑對吸附質(zhì)的吸附量（即：吸附質(zhì)的質(zhì)量/吸附劑質(zhì)量或體積）
三 實驗裝置及流程
變壓吸附裝置是由兩根可切換操作的吸附柱(A柱、B柱)構(gòu)成，吸附柱尺寸為
，吸附劑為碳分子篩，粒徑：1.0-1.5mm，各柱碳分子篩的裝填量為400g。來自空壓機(jī)的原料空氣經(jīng)脫油器脫油和硅膠脫水后進(jìn)入吸附柱。氣流的切換是由時間控制器控制五通閥來實現(xiàn)。在控制面板上，有兩個可自由設(shè)定的時間窗口 ，所代表的含義分別為：表示單柱吸附和解吸的操作時間（A柱吸附時B柱解析，A柱解析時B柱吸附）。
有兩個可自由設(shè)定的時間窗口 K1，K2，所代表的含義分別為：
K1——表示吸附和解吸的時間（注：吸附和解吸在兩個吸附柱分別進(jìn)行）。
K2——表示吸附柱充壓和串連吸附操作時間。
解吸過程分為兩步,首先是常壓解吸，隨后進(jìn)行真空解吸。
氣體分析：出口氣體中的氧氣含量通過氧氣濃度傳感器測量,量程0~100%。
四 實驗步驟
實驗準(zhǔn)備：檢查壓縮機(jī)、真空泵、吸附設(shè)備和時間控制系統(tǒng)之間的連接是否到位，儀表顯示是否正常。打開電腦，進(jìn)入軟件界面。
打開電源開關(guān)，在時間控制器上設(shè)置好所需吸附和解析時間。
開啟空氣壓縮機(jī)，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)出口穩(wěn)壓閥，使輸出壓力穩(wěn)定在0.2MPa。
開啟真空泵，打開電磁閥電源開關(guān)。
全開進(jìn)氣流量計，打開產(chǎn)氣流量計上調(diào)節(jié)閥，緩慢調(diào)節(jié)尾氣（產(chǎn)氣）流量計，將流量控制在40L/H左右。
觀察氧氣分析儀上的讀數(shù)隨時間的變化，記錄吸附壓力、溫度、氧氣濃度和氣體流量。也可以通過電腦軟件數(shù)據(jù)采集界面讀取采集壓力、溫度、氧氣濃度。
改變流量條件，將流量提高到60L/H，測試本工況下氣體濃度的變化。記錄吸附壓力、溫度、氧氣濃度和氣體流量。也可以通過電腦軟件數(shù)據(jù)采集界面讀取采集壓力、溫度、氧氣濃度。
調(diào)節(jié)壓縮機(jī)出口氣體減壓閥，將氣體壓力升至0.3 MPa，測試不情況下氣體濃度隨時間的變化，記錄吸附壓力、溫度、氧氣濃度和氣體流量。也可以通過電腦軟件數(shù)據(jù)采集界面讀取采集壓力、溫度、氧氣濃度。
實驗結(jié)束后：關(guān)閉空壓機(jī)開關(guān)、真空泵開關(guān)和電磁閥開關(guān)，然后關(guān)閉總電源。關(guān)閉軟件和電腦。打掃整理實驗操作臺。
注意事項：分子篩由于久存吸水或吸附失活，必須更換或者再生活化
DB-GY314 變壓吸附實驗裝置
| 技術(shù)指標(biāo) | 說 明 | |||
| 裝置功能 |
1、理解吸附理論、掌握所學(xué)理論知識，并與實踐相結(jié)合。 2、掌握吸附中變壓吸附的應(yīng)用，了解變壓吸附設(shè)備，并學(xué)會設(shè)備的操作。 3、掌握變壓吸附中壓力的變化、閥門切換時間變化與吸附量的關(guān)系。 4、了解和掌握分子篩變壓吸附提純氧氣，以及其它混合氣體分離提純的原理。 |
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| 主要配置 | 吸附塔、吸附劑、干燥器、油水分離器、空壓機(jī)、真空泵、緩沖罐、壓力表、流量計、測氧儀、不銹鋼管路、閥門、中央處理器、觸摸屏、高品質(zhì)鋁合金型材框架。 | |||
| 公用設(shè)施 |
電：電壓AC220V，功率1.0KW，標(biāo)準(zhǔn)單相三線制。每個實驗室需配置1～2個接地點（安全地及信號地）。 氣：空氣來自空壓機(jī)（自帶氣源）。 實驗物料：空氣。常壓操作，溫度：<50℃。 |
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| 技術(shù)參數(shù) |
1、吸附塔：管徑Φ38mm，管長750mm，304不銹鋼材質(zhì)，兩端快裝卡套連接方便填裝吸附劑。吸附塔入口段裝有氣體吸濕和干燥器。 2、無油靜音空壓機(jī)：功率550W，排氣量36L/min，額定排氣壓力0.8MPa。 3、真空泵：旋片式真空泵 抽速: ≥2L/s, 轉(zhuǎn)速: 2800r/min，功率: 370w。 4、氣體轉(zhuǎn)子流量計：16-160ml/h和25-250ml/h，根據(jù)產(chǎn)氣量選配。 5、吸附劑：PSA-5A型富氧分子篩，顆粒規(guī)格：0.4-0.8mm。 6、氧分析儀：防爆式氧氣濃度傳感器，量程0~100%，最小檢測量：0.01％，輸出信號4-20mA，DC24V供電。 7、工作壓力：-0.1-0.6MPa，溫度計：0-100℃。 8、塔體、管路、管件及閥門均為304不銹鋼。 9、中央處理器：執(zhí)行速度0.64μs，內(nèi)存容量16K，內(nèi)建Ethernet支持Modbus TCP及Ethernet/IP通訊協(xié)議；功能：數(shù)據(jù)處理運(yùn)算。 10、模擬量模塊：高達(dá)16位分辨率，總和精度±0.5%，內(nèi)建RS485通訊模式。 11、溫度模塊：分辨率0.1℃，精度0.5%，內(nèi)建RS485通訊模式。 12、采用一體機(jī)平板觸摸電腦，全程數(shù)字化觸摸屏控制操作。HMI：投射式觸控技術(shù)，5000萬次觸摸點，內(nèi)存4G，功能：中央處理器數(shù)據(jù)顯示控制。實現(xiàn)壓力、溫度、含氧量，吸附時間的顯示， 以及閥門調(diào)節(jié)、吸附時間控制等操作，實現(xiàn)整個變壓吸附系統(tǒng)的全自動控制。 13、外形尺寸：1300×550×1800mm，外形為可移動式設(shè)計，帶剎車輪，高品質(zhì)鋁合金型材框架，無焊接點，安裝拆卸方便，水平調(diào)節(jié)支撐型腳輪。 14、工程化標(biāo)識：包含設(shè)備位號、管路流向箭頭及標(biāo)識、閥門位號等工程化設(shè)備理念配套，使學(xué)生處于安全的實驗操作環(huán)境中，學(xué)會工程化管路標(biāo)識認(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生工程化理念。 15、配數(shù)據(jù)采集軟件一套，在線工業(yè)組態(tài)軟件一套。 |
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| 測控組成 | 變量 | 檢測機(jī)構(gòu) | 顯示機(jī)構(gòu) | 執(zhí)行機(jī)構(gòu) |
| 氣體流量 | 轉(zhuǎn)子流量計 | 轉(zhuǎn)子流量計 | 手動調(diào)節(jié) | |
| 吸附塔溫度 | 溫度傳感器 | 觸摸屏 | 無 | |
| 吸附壓力 | 壓力傳感器 | 觸摸屏 | 無 | |
| 氧濃度 | 氧濃度傳感器 | 觸摸屏 | 無 | |
| 吸附時間 | 時間控制器 | 觸摸屏 | 無 | |