氣體分離提純應(yīng)用變壓吸附技術(shù)的分析

【摘 要】變壓吸附技術(shù)是一種重要的、高效節(jié)能的氣體分離技術(shù)，具有耗能少、投資低、操作簡(jiǎn)便、可信度高等優(yōu)勢(shì)，目前正被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中。隨著變壓吸附技術(shù)的不斷成熟，其在氣體分離提純中的應(yīng)用價(jià)值越來(lái)越高。本文就變壓吸附技術(shù)的發(fā)展概況、基本原理、主要特點(diǎn)以及應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行如下綜述。

【關(guān)鍵詞】變壓吸附技術(shù)；氣體；分離；提純；應(yīng)用

1 變壓吸附技術(shù)的發(fā)展概況

變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）這一概念最初是由德國(guó)學(xué)者Hkahle在1942年提出的，而后一篇無(wú)熱吸附凈化空氣的專利文獻(xiàn)在德國(guó)發(fā)表了。當(dāng)時(shí)，所用的吸附劑是硅膠、活性氧化鋁、活性炭等，這些吸附劑對(duì)于氧、氮而言，其吸附性較弱，分離系數(shù)也較低，難以實(shí)現(xiàn)分離。所以，該技術(shù)于20世紀(jì)50年代才開(kāi)展逐漸發(fā)展起來(lái)。20世紀(jì)60年代初，美國(guó)聯(lián)合碳化物公司應(yīng)用變壓吸附技術(shù)順利從氫廢棄中提純到氫氣。70年代后，變壓吸附技術(shù)開(kāi)始被逐步推廣開(kāi)來(lái)，尤其是在天然氣、 工業(yè)尾氣的提氫、空氣的凈化與干燥中，該技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用。1977年，德國(guó)用煤研制了碳分子篩，并申請(qǐng)了專利，而后美、日等國(guó)試制用碳分子篩變壓吸附進(jìn)行空氣分離制氧氮配置。發(fā)展至今，變壓吸附配置已經(jīng)商品化，相關(guān)儀器的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈，美國(guó)聯(lián)合碳化物公司的變壓吸附制氫、制氧、制氮的儀器在全球獲得了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，其多床工藝制氫的純度高達(dá)99.999%，回收率也超過(guò)85%；其專利沸石吸附劑制氮的純度高達(dá)99.95%，制氧的純度也達(dá)到了99.5%。

我國(guó)的變壓吸附技術(shù)也越來(lái)越成熟，目前正被廣泛應(yīng)用于化工、鋼鐵、電子、啤酒、醫(yī)療、環(huán)保等行業(yè)中。在該技術(shù)的研究過(guò)程中，中國(guó)西南化工研究設(shè)計(jì)院獲得了最高的成就，與德國(guó)的林德公司、美國(guó)的UOP公司并列為全球變壓吸附三大專業(yè)研究設(shè)計(jì)院。中國(guó)西南化工研究設(shè)計(jì)院不斷地對(duì)變壓吸附技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，不僅節(jié)約了成本，也簡(jiǎn)化了操作流程，有效提升了氣體分離提純的綜合效益。目前，我國(guó)在氫的分離與提純中，變壓吸附技術(shù)已經(jīng)成為主流應(yīng)用技術(shù)，傳統(tǒng)的低溫、電解等方法也逐步被變壓吸附技術(shù)所取代。

2 變壓吸附技術(shù)的基本原理

變壓吸附技術(shù)的基本原理是，利用吸附劑對(duì)吸附質(zhì)于不同分壓下具有不同吸附容量、吸附速度以及吸附力，且于特定壓力下對(duì)被分離的氣體混合物的各組成成分進(jìn)行選擇性吸附，通過(guò)加壓吸附去除氣體混合物中的雜質(zhì)成分，減壓脫附雜質(zhì)成分后，吸附劑即可獲得重生。變壓吸附技術(shù)的吸附循環(huán)周期通常很短，吸附熱不排出床外，以供解吸時(shí)用，由于吸附熱與解吸熱的吸附床層溫差較小，所以可將變壓吸附技術(shù)當(dāng)成是一種等溫技術(shù)。變壓吸附技術(shù)的流程可以簡(jiǎn)單概括為三個(gè)環(huán)節(jié)，即吸附、解吸再生、生壓。

3 變壓吸附技術(shù)的主要特點(diǎn)

對(duì)比其他氣體分離提純技術(shù)，變壓吸附技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）適用性強(qiáng)，耗能少：變壓吸附技術(shù)的適用性強(qiáng)，能在不同壓力范圍下進(jìn)行，部分有壓力的起源還可免去再度加壓的能量損耗，變壓吸附技術(shù)在常溫下進(jìn)行氣體分離提純時(shí)，還可以免去加熱與冷卻的環(huán)節(jié)所造成的能量損耗。（2）產(chǎn)品純度高，靈活性強(qiáng)：應(yīng)用變壓吸附技術(shù)制氫的產(chǎn)品純度高達(dá)99.999%，制氮的產(chǎn)品純度高達(dá)99.95%，制氧的產(chǎn)品純度也達(dá)到了99.5%，操作過(guò)程中，還能按照工藝環(huán)境的不同，任意改變產(chǎn)品的純度。（3）工藝流程簡(jiǎn)單，承受力強(qiáng)：變壓吸附技術(shù)對(duì)水、硫化物、氨、烴類等雜質(zhì)均有較強(qiáng)的承受力，且其工藝流程非常簡(jiǎn)單，無(wú)需繁雜的預(yù)處理工序，能夠制氫、制氮、制氧等。（4）智能化程度高，便于操作：變壓吸附技術(shù)工藝的相關(guān)儀器均由計(jì)算機(jī)控制，智能化程度較高，且非常便于操作，每班僅需稍微巡視便可，且可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)操作，開(kāi)停車簡(jiǎn)單、快速，一般只要30分鐘就能獲得所需產(chǎn)品。（5）調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，操作彈性大：只要稍微調(diào)整下變壓吸附技術(shù)的配置，就可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的變化，且還能確保產(chǎn)品質(zhì)量不受負(fù)荷的變化所影響，配置對(duì)氣體混合物中的雜質(zhì)含量與壓力等條件的變化也有較強(qiáng)的適應(yīng)性，調(diào)節(jié)區(qū)域也較廣。（6）投資少，成本低：變壓吸附技術(shù)的投資較少，操作成本較低，便于維護(hù)，利用率較高。（7）吸附劑使用周期長(zhǎng)，正常情況下可使用超過(guò)10年。（8）配置可靠性強(qiáng)：變壓吸附配置的運(yùn)動(dòng)配件只有程序控制閥，而程序控制閥的使用壽命較長(zhǎng)，故障率也較低，非常可靠，且具有智能診斷功能，能實(shí)現(xiàn)吸附塔的自動(dòng)切換。（9）環(huán)境效益高：排除氣體混合物的特性，變壓吸附配置在進(jìn)行氣體分離提純期間不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，幾乎是一種“零污染”操作。

4 變壓吸附技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 氫氣的回收與提純

現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)存在大量的氣體混合物，比如鋼廠焦?fàn)t煤氣、煉油廠含氫尾氣等，利用變壓吸附技術(shù)直接從這些氣體混合物中提純氫氣，不僅大大減少了操作成本，從焦?fàn)t氣中提純氫氣的耗能僅為0.4kW·h/Nm3，產(chǎn)品純度高達(dá)99.999%。利用變壓吸附技術(shù)制氫，其工藝中的吸附壓力約為0.8～2.5MPa。初期變壓吸附技術(shù)的應(yīng)用局限在于難以對(duì)吸附后殘留于吸附床中的產(chǎn)品成分進(jìn)行回收再利用，在此問(wèn)題的解決上，當(dāng)前應(yīng)用最多的是利用多床變壓吸附工藝，其流程包括均壓與順向放壓兩個(gè)環(huán)節(jié)。正常情況下，均壓的增加次數(shù)與產(chǎn)品的回收率呈正比，增加次數(shù)越多，產(chǎn)品的回收率就越高。實(shí)踐表明，四床流程產(chǎn)品的純度通常在99%以上，氫的回收率高于75%。按照變壓吸附的配置規(guī)模，可應(yīng)用四床、五床、八床、十床流程等。當(dāng)前，全球最大的變壓吸附技術(shù)制氫配置在我國(guó)試車成功，該配置實(shí)現(xiàn)了在12塔與6塔之間的隨意轉(zhuǎn)換，其處理氣量為34×104Nm3/b，制氫水平為28×104Nm3/b，氫純度為99.9%，氫回收率為90%以上。吸附技術(shù)制氫的成功試車，意味著我國(guó)的變壓吸附技術(shù)已經(jīng)挺進(jìn)世界前列。

4.2 空氣中富氧的制取

在廢水處理、金屬冶煉、醫(yī)療供氧等領(lǐng)域中，對(duì)所需氧氣的純度要求不高，過(guò)去常采用的制氧方法是深冷空氣分離法。隨著變壓吸附技術(shù)的不斷推廣與應(yīng)用，深冷空氣分離法慢慢被取代。在從空氣中制取富氧的過(guò)程中，變壓吸附配置的吸附壓力通常較低，按照吸附方法的不同，可將變壓吸附制氧的工藝分成加壓吸附于常壓吸附兩種。加壓吸附工藝的壓力范圍一般為0.2～0.6MPa，于常壓下解吸，該工藝具有儀器簡(jiǎn)單、操作成本低等優(yōu)勢(shì)，但也存在氧回收率、能量消耗大等不足，因此常被應(yīng)用于不足200Nm3/h的小規(guī)模制氧領(lǐng)域中。常壓吸附工藝的壓力范圍一般為0～50kPa，抽真空解吸，壓力范圍為-50～-80kPa，與加壓吸附工藝相比，該工藝具有益氣復(fù)雜、操作成本高、效率高、能耗少等特點(diǎn)。對(duì)于常壓吸附制氧配置而言，氧氣制取的成本主要集中于電耗，這也是判斷制氧裝置經(jīng)濟(jì)性能的決定性因素，當(dāng)前，最具規(guī)模的常壓吸附制氧的總體耗能約為0.3kW·h/Nm3，明顯低于深冷空氣分離法制氧所消耗的能量。所以，在產(chǎn)品單一且純度要求不高的情況下，可應(yīng)用常壓吸附工藝制氧。

4.3 純二氧化碳的回收與制取

在尿素生產(chǎn)、焊接保護(hù)等領(lǐng)域中，二氧化碳的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。當(dāng)前，可用于回收二氧化碳的氣體混合物主要包括制氫裝置廢氣、油田伴生氣等。在這些氣體混合物中，二氧化碳被當(dāng)成是一種強(qiáng)吸附成分，吸附時(shí)，二氧化碳常會(huì)殘留于吸附床中，因此，應(yīng)用變壓吸附技術(shù)制氫或回收二氧化碳所采用的工藝存在較大的差異性，回收、制取二氧化碳主要是從吸附相中制取產(chǎn)品。應(yīng)用變壓吸附技術(shù)回收、制取二氧化碳，最佳的壓力范圍是0.5～0.8MPa，二氧化碳的純度超過(guò)99.5%。氣體混合物中的有害成分被凈化后，所得產(chǎn)品通常會(huì)符合食品級(jí)添加劑的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用變壓吸附技術(shù)回收、制取二氧化碳的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是脫除合成氨變換氣中的二氧化碳，常用的脫碳方法有濕法與干法兩種，其中干法更具優(yōu)勢(shì)，不僅節(jié)能，其凈化度、成本、能耗等均較佳。應(yīng)用變壓吸附技術(shù)進(jìn)行尿素脫碳，二氧化碳回收率高達(dá)94%。

4.4 一氧化碳的回收與提純

一氧化碳可用于制取甲醇、醋酸、脂肪酸等羥基化合物。正常情況下，對(duì)煤、石油、天然氣等進(jìn)行凈化即可獲得一氧化碳。轉(zhuǎn)爐煤氣中內(nèi)含約60%的一氧化碳，工業(yè)尾氣中也常含有大量的一氧化碳。應(yīng)用變壓吸附技術(shù)，可提純工業(yè)尾氣，進(jìn)而將其制成碳一化工產(chǎn)品，這樣不但能夠有效預(yù)防因一氧化碳燃燒而形成二氧化碳，也能在一定程度上減少操作費(fèi)用，提升經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前，應(yīng)用變壓吸附技術(shù)提純一氧化碳的方法主要有二段法與一段法，其中一段法的應(yīng)用更具優(yōu)勢(shì)。二段法是一種物理吸附，常用的吸附劑主要有分子篩、活性炭等，這些吸附劑的吸附能力排序?yàn)槎趸?gt;一氧化碳>氫氣>氮?dú)?，其中一氧化碳是一種強(qiáng)吸附成分，必須進(jìn)行第一段變壓吸附，另在此加壓情況下吸附氣體混合物中的二氧化碳。一段法一般是建立在高效的一氧化碳吸附劑上，通常需要應(yīng)用到二段法中的第二段變壓吸附以實(shí)現(xiàn)一氧化碳的分離，如此一來(lái)，不但將銅鹽負(fù)載于分子篩、活性炭或氧化鋁之類的吸附劑上，也在一定程度上提升了一氧化碳的吸附力。我國(guó)多家變壓吸附技術(shù)研究設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)研制了“一氧化碳—變壓吸附”的專用吸附劑，這在有效提升了一氧化碳的選擇性與均衡吸附量。

4.5 氯乙烯精餾尾氣的回收

利用特殊符合吸附劑，能夠在高壓下選擇性地吸附氯乙烯尾氣中的氯乙烯和乙炔，進(jìn)而從非吸附相中提取滿足環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的凈化氣體放空。運(yùn)用真空泵時(shí)降低壓力可抽空吸附床，讓吸附劑上的氯乙烯與乙炔脫附，再回氯乙烯生產(chǎn)裝置回收利用，吸附劑也因此得以重生。變壓吸附回收所得的氯乙烯精餾尾氣經(jīng)凈化后，一般都能夠達(dá)到國(guó)家環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，也具有較高的社會(huì)效益。

4.6 天然氣凈化與煤氣層中甲烷的提純

天然氣中一般含有2%左右的甲烷同類物，這些物質(zhì)的存在會(huì)對(duì)天然氣原料的質(zhì)量造成一定的影響。變壓吸附技術(shù)的應(yīng)用，能將天然氣中的這些甲烷同類物組分脫除。當(dāng)前，我國(guó)已研發(fā)出了多種變壓吸附天然氣凈化裝置。另外，我國(guó)是煤炭生產(chǎn)大國(guó)，每年因采煤排放出來(lái)的甲烷總量約占全球的30%以上，低濃度煤層氣因?yàn)榧淄闈舛容^低也造成其利用率低，這樣不但造成了資源浪費(fèi)，也對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生了一定的破壞作用。如果能夠?qū)⒌蜐舛让簩託庵械募淄闈舛忍嵘?5%以上，則可將其應(yīng)用于各種化工領(lǐng)域中，變壓吸附技術(shù)的應(yīng)用則可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。低濃度煤層氣中除了含有甲烷外，還有二氧化碳、氮?dú)?、氧氣等氣體，對(duì)這些氣體的分離提純，能夠在一定程度上提升煤礦的安全性，不僅減少了環(huán)境污染，也能緩解資源短缺問(wèn)題。事實(shí)上，早在1992年，美國(guó)UOP公司就已經(jīng)從天然氣中提純到甲烷，其濃度為96.4%，回收率為85%。

5 結(jié)束語(yǔ)

在變壓吸附技術(shù)不斷研發(fā)的過(guò)程中，其在工業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域也將越來(lái)越廣，甚至?xí)由斓綇U棄凈化與綜合利用中。目前，變壓吸附技術(shù)在氫氣的回收與提純、空氣中富氧的制取、純二氧化碳的回收與制取、一氧化碳的回收與提純、氯乙烯精餾尾氣的回收以及天然氣凈化與煤氣層中甲烷的提純等領(lǐng)域中所取得的成果已經(jīng)顯而易見(jiàn)。未來(lái)在該領(lǐng)域的研究上，變壓吸附技術(shù)與深冷技術(shù)、膜分離技術(shù)、變溫吸附技術(shù)等氣體分離提純技術(shù)的聯(lián)合工藝將是主流，這也會(huì)為變壓吸附技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)辟新方向。

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