變壓吸附實驗裝置說明書
利用多孔固體物質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。吸附過程得以實現的基礎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附著于固體表面，也可通過化學鍵合力的作用吸引物質附著于固體表面，前者稱為物理吸附，后者稱為化學吸附。一個完整的吸附分離過程通常是由吸附與解吸（脫附）循環操作構成，由于實現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，變壓吸附是通過調節操作壓力（加壓吸附、減壓解吸）完成吸附與解吸的操作循環，變溫吸附則是通過調節溫度（降溫吸附，升溫解吸）完成循環操作。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，達到提純氧氣的目的。
一 實驗目的
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用，了解變壓吸附設備，并學會設備的操作。
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
物質在吸附劑（固體）表面的吸附必須經過兩個過程：一是通過分子擴散到達固體表面，二是通過范德華力或化學鍵合力的作用吸附于固體表面。因此，要利用吸附實現混合物的分離，被分離組分必須在分子擴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合力差異不大，因此，從熱力學（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在碳分子篩微孔內的擴散速度存在明顯差異，如：35℃時，O₂的擴散速度為2.0×10⁶ ，O₂的速度比N₂快30倍，因此當空氣與碳分子篩接觸時，O₂將優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－解吸循環速率的控制）非常重要。當吸附劑用量、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（即吸附質）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，吸附質的濃度基本不變（控制在要求的濃度之下），此時，出口產品是合格的。越過下拐點之后，吸附質的濃度隨時間增加，到達上拐點（b點）后趨于進口濃度，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。通常將出口濃度達到進口濃度的95%的點確定為飽和點，而穿透點的濃度應根據產品質量要求來定，一般略高于目標值。本實驗要求N₂的濃度≥97%，即出口O₂應≦３％，因此，將穿透點定為O₂濃度在2.5%-3.0%。

為確保產品質量，在實際生產中吸附柱有效工作區應控制在穿透點之前，因此，穿透點（a點）的確定是吸附過程研究的重要內容。利用穿透點對應的時間（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吸附量，而動態吸附容量是吸附裝置設計放大的重要依據。
動態吸附容量的定義為：從吸附開始直至穿透點（a點）的時段內，單位重量的吸附劑對吸附質的吸附量（即：吸附質的質量/吸附劑質量或體積）

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。
來自空壓機的原料空氣經脫油器脫油和硅膠脫水后進入吸附柱。氣流的切換是由時間控制器控制五通閥來實現。在控制面板上，有兩個可自由設定的時間窗口 ，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
實驗準備：檢查壓縮機、真空泵、吸附設備和時間控制系統之間的連接是否到位，儀表顯示是否正常。打開電腦，進入軟件界面。
打開電源開關，在時間控制器上設置好所需吸附和解析時間。
開啟空氣壓縮機，調節壓縮機出口穩壓閥，使輸出壓力穩定在0.2MPa。
開啟真空泵，打開電磁閥電源開關。
全開進氣流量計，打開產氣流量計上調節閥，緩慢調節尾氣（產氣）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據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據采集界面讀取采集壓力、溫度、氧氣濃度。
調節壓縮機出口氣體減壓閥，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據采集界面讀取采集壓力、溫度、氧氣濃度。
實驗結束后：關閉空壓機開關、真空泵開關和電磁閥開關，然后關閉總電源。關閉軟件和電腦。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