教學(xué)設(shè)備

變壓吸附實(shí)驗(yàn)裝置說(shuō)明書(shū)
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(guò)程稱為吸附分離。吸附過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是固體表面過(guò)剩能的存在，這種過(guò)剩能可通過(guò)范德華力的作用吸引物質(zhì)附著于固體表面，也可通過(guò)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(gè)完整的吸附分離過(guò)程通常是由吸附與解吸（脫附）循環(huán)操作構(gòu)成，由于實(shí)現(xiàn)吸附和解吸操作的工程手段不同，過(guò)程分變壓吸附和變溫吸附，變壓吸附是通過(guò)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(guò)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(guò)程，變溫吸附主要用于化學(xué)吸附過(guò)程。本實(shí)驗(yàn)以空氣為原料，以5A富氧分子篩為吸附劑，通過(guò)變壓吸附的方法分離空氣中的氮?dú)夂脱鯕�，達(dá)到提純氧氣的目的。
一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
1、了解和掌握碳分子篩變壓吸附提純氮?dú)獾幕�本原理�?br /> 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(huì)設(shè)備的操作。
3、掌握變壓吸附中壓力的變化、閥門切換時(shí)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(cè)定方法和目的。
二 實(shí)驗(yàn)原理
物質(zhì)在吸附劑（固體）表面的吸附必須經(jīng)過(guò)兩個(gè)過(guò)程：一是通過(guò)分子擴(kuò)散到達(dá)固體表面，二是通過(guò)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(shí)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(duì)N₂和O₂的吸附并無(wú)選擇性，難于使兩者分離。然而，從動(dòng)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(shí)，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(shí)，O₂將優(yōu)先吸附于碳分子篩而從空氣中分離出來(lái)，使得空氣中的N₂得以提純。由于該吸附分離過(guò)程是一個(gè)速率控制的過(guò)程，因此，吸附時(shí)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(shí)，適宜的吸附時(shí)間可通過(guò)測(cè)定吸附柱的穿透曲線來(lái)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(shí)間的變化曲線。典型的穿透曲線如下圖所示，由圖可見(jiàn)吸附質(zhì)的出口濃度變化呈S形曲線，在曲線的下拐點(diǎn)（a點(diǎn)）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(shí)，出口產(chǎn)品是合格的。越過(guò)下拐點(diǎn)之后，吸附質(zhì)的濃度隨時(shí)間增加，到達(dá)上拐點(diǎn)（b點(diǎn)）后趨于進(jìn)口濃度，此時(shí)，床層已趨于飽和，通常將下拐點(diǎn)（a點(diǎn)）稱為穿透點(diǎn)，上拐點(diǎn)（b點(diǎn)）稱為飽和點(diǎn)。通常將出口濃度達(dá)到進(jìn)口濃度的95%的點(diǎn)確定為飽和點(diǎn)，而穿透點(diǎn)的濃度應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求來(lái)定，一般略高于目標(biāo)值。本實(shí)驗(yàn)要求N₂的濃度≥97%，即出口O₂應(yīng)≦３％，因此，將穿透點(diǎn)定為O₂濃度在2.5%-3.0%。

為確保產(chǎn)品質(zhì)量，在實(shí)際生產(chǎn)中吸附柱有效工作區(qū)應(yīng)控制在穿透點(diǎn)之前，因此，穿透點(diǎn)（a點(diǎn)）的確定是吸附過(guò)程研究的重要內(nèi)容。利用穿透點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間（t₀）可以確定吸附裝置的最佳吸附操作時(shí)間和吸附劑的動(dòng)態(tài)吸附量，而動(dòng)態(tài)吸附容量是吸附裝置設(shè)計(jì)放大的重要依據(jù)。
動(dòng)態(tài)吸附容量的定義為：從吸附開(kāi)始直至穿透點(diǎn)（a點(diǎn)）的時(shí)段內(nèi)，單位重量的吸附劑對(duì)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(shí)驗(yàn)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(lái)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(shí)間控制器控制五通閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。在控制面板上，有兩個(gè)可自由設(shè)定的時(shí)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(shí)間（A柱吸附時(shí)B柱解析，A柱解析時(shí)B柱吸附）。
有兩個(gè)可自由設(shè)定的時(shí)間窗口 K1，K2，所代表的含義分別為：
K1——表示吸附和解吸的時(shí)間（注：吸附和解吸在兩個(gè)吸附柱分別進(jìn)行）。
K2——表示吸附柱充壓和串連吸附操作時(shí)間。
解吸過(guò)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(guò)氧氣濃度傳感器測(cè)量,量程0~100%。
四  實(shí)驗(yàn)步驟
實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：檢查壓縮機(jī)、真空泵、吸附設(shè)備和時(shí)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(kāi)電腦，進(jìn)入軟件界面。
打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，在時(shí)間控制器上設(shè)置好所需吸附和解析時(shí)間。
開(kāi)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(kāi)啟真空泵，打開(kāi)電磁閥電源開(kāi)關(guān)。
全開(kāi)進(jìn)氣流量計(jì)，打開(kāi)產(chǎn)氣流量計(jì)上調(diào)節(jié)閥，緩慢調(diào)節(jié)尾氣（產(chǎn)氣）流量計(jì)，將流量控制在40L/H左右。
觀察氧氣分析儀上的讀數(shù)隨時(shí)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(guò)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(cè)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(guò)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(cè)試不情況下氣體濃度隨時(shí)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(guò)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(shí)驗(yàn)結(jié)束后：關(guān)閉空壓機(jī)開(kāi)關(guān)、真空泵開(kāi)關(guān)和電磁閥開(kāi)關(guān)，然后關(guān)閉總電源。關(guān)閉軟件和電腦。打掃整理實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)。
注意事項(xiàng)：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(shí)驗(yàn)裝置

 

技術(shù)指標(biāo)	說(shuō) 明
裝置功能	1、理解吸附理論、掌握所學(xué)理論知識(shí)，并與實(shí)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(huì)設(shè)備的操作。 3、掌握變壓吸附中壓力的變化、閥門切換時(shí)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。
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(jì)、測(cè)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(gè)實(shí)驗(yàn)室需配置1～2個(gè)接地點(diǎn)（安全地及信號(hào)地）。 氣：空氣來(lái)自空壓機(jī)（自帶氣源）。 實(shí)驗(yàn)物料：空氣。常壓操作，溫度：<50℃。
技術(shù)參數(shù)	1、吸附塔：管徑Φ38mm，管長(zhǎng)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(wú)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(jì)：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(cè)量：0.01％，輸出信號(hào)4-20mA，DC24V供電。 7、工作壓力：-0.1-0.6MPa，溫度計(jì)：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(wàn)次觸摸點(diǎn)，內(nèi)存4G，功能：中央處理器數(shù)據(jù)顯示控制。實(shí)現(xiàn)壓力、溫度、含氧量，吸附時(shí)間的顯示， 以及閥門調(diào)節(jié)、吸附時(shí)間控制等操作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)變壓吸附系統(tǒng)的全自動(dòng)控制。 13、外形尺寸：1300×550×1800mm，外形為可移動(dòng)式設(shè)計(jì)，帶剎車輪，高品質(zhì)鋁合金型材框架，無(wú)焊接點(diǎn)，安裝拆卸方便，水平調(diào)節(jié)支撐型腳輪。 14、工程化標(biāo)識(shí)：包含設(shè)備位號(hào)、管路流向箭頭及標(biāo)識(shí)、閥門位號(hào)等工程化設(shè)備理念配套，使學(xué)生處于安全的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境中，學(xué)會(huì)工程化管路標(biāo)識(shí)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。
測(cè)控組成	變量	檢測(cè)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(jì)	轉(zhuǎn)子流量計(jì)	手動(dòng)調(diào)節(jié)
	吸附塔溫度	溫度傳感器	觸摸屏	無(wú)
	吸附壓力	壓力傳感器	觸摸屏	無(wú)
	氧濃度	氧濃度傳感器	觸摸屏	無(wú)
	吸附時(shí)間	時(shí)間控制器	觸摸屏	無(wú)