氣體分離提純應用變壓吸附技術的分析

【摘 要】變壓吸附技術是一種重要的、高效節能的氣體分離技術，具有耗能少、投資低、操作簡便、可信度高等優勢，目前正被廣泛應用于工業領域中。隨著變壓吸附技術的不斷成熟，其在氣體分離提純中的應用價值越來越高。本文就變壓吸附技術的發展概況、基本原理、主要特點以及應用領域進行如下綜述。

【關鍵詞】變壓吸附技術；氣體；分離；提純；應用

1 變壓吸附技術的發展概況

變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）這一概念最初是由德國學者Hkahle在1942年提出的，而后一篇無熱吸附凈化空氣的專利文獻在德國發表了。當時，所用的吸附劑是硅膠、活性氧化鋁、活性炭等，這些吸附劑對于氧、氮而言，其吸附性較弱，分離系數也較低，難以實現分離。所以，該技術于20世紀50年代才開展逐漸發展起來。20世紀60年代初，美國聯合碳化物公司應用變壓吸附技術順利從氫廢棄中提純到氫氣。70年代后，變壓吸附技術開始被逐步推廣開來，尤其是在天然氣、 工業尾氣的提氫、空氣的凈化與干燥中，該技術獲得了廣泛應用。1977年，德國用煤研制了碳分子篩，并申請了專利，而后美、日等國試制用碳分子篩變壓吸附進行空氣分離制氧氮配置。發展至今，變壓吸附配置已經商品化，相關儀器的市場競爭也越來越激烈，美國聯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爭優勢，其多床工藝制氫的純度高達99.999%，回收率也超過85%；其專利沸石吸附劑制氮的純度高達99.95%，制氧的純度也達到了99.5%。

我國的變壓吸附技術也越來越成熟，目前正被廣泛應用于化工、鋼鐵、電子、啤酒、醫療、環保等行業中。在該技術的研究過程中，中國西南化工研究設計院獲得了最高的成就，與德國的林德公司、美國的UOP公司并列為全球變壓吸附三大專業研究設計院。中國西南化工研究設計院不斷地對變壓吸附技術進行創新，不僅節約了成本，也簡化了操作流程，有效提升了氣體分離提純的綜合效益。目前，我國在氫的分離與提純中，變壓吸附技術已經成為主流應用技術，傳統的低溫、電解等方法也逐步被變壓吸附技術所取代。

2 變壓吸附技術的基本原理

變壓吸附技術的基本原理是，利用吸附劑對吸附質于不同分壓下具有不同吸附容量、吸附速度以及吸附力，且于特定壓力下對被分離的氣體混合物的各組成成分進行選擇性吸附，通過加壓吸附去除氣體混合物中的雜質成分，減壓脫附雜質成分后，吸附劑即可獲得重生。變壓吸附技術的吸附循環周期通常很短，吸附熱不排出床外，以供解吸時用，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當成是一種等溫技術。變壓吸附技術的流程可以簡單概括為三個環節，即吸附、解吸再生、生壓。

3 變壓吸附技術的主要特點

對比其他氣體分離提純技術，變壓吸附技術具有如下優勢：（1）適用性強，耗能少：變壓吸附技術的適用性強，能在不同壓力范圍下進行，部分有壓力的起源還可免去再度加壓的能量損耗，變壓吸附技術在常溫下進行氣體分離提純時，還可以免去加熱與冷卻的環節所造成的能量損耗。（2）產品純度高，靈活性強：應用變壓吸附技術制氫的產品純度高達99.999%，制氮的產品純度高達99.95%，制氧的產品純度也達到了99.5%，操作過程中，還能按照工藝環境的不同，任意改變產品的純度。（3）工藝流程簡單，承受力強：變壓吸附技術對水、硫化物、氨、烴類等雜質均有較強的承受力，且其工藝流程非常簡單，無需繁雜的預處理工序，能夠制氫、制氮、制氧等。（4）智能化程度高，便于操作：變壓吸附技術工藝的相關儀器均由計算機控制，智能化程度較高，且非常便于操作，每班僅需稍微巡視便可，且可實現全自動操作，開停車簡單、快速，一般只要30分鐘就能獲得所需產品。（5）調節能力強，操作彈性大：只要稍微調整下變壓吸附技術的配置，就可以實現負荷的變化，且還能確保產品質量不受負荷的變化所影響，配置對氣體混合物中的雜質含量與壓力等條件的變化也有較強的適應性，調節區域也較廣。（6）投資少，成本低：變壓吸附技術的投資較少，操作成本較低，便于維護，利用率較高。（7）吸附劑使用周期長，正常情況下可使用超過10年。（8）配置可靠性強：變壓吸附配置的運動配件只有程序控制閥，而程序控制閥的使用壽命較長，故障率也較低，非?？煽?，且具有智能診斷功能，能實現吸附塔的自動切換。（9）環境效益高：排除氣體混合物的特性，變壓吸附配置在進行氣體分離提純期間不會對環境造成污染，幾乎是一種“零污染”操作。

4 變壓吸附技術的應用領域

4.1 氫氣的回收與提純

現代工業化生產存在大量的氣體混合物，比如鋼廠焦爐煤氣、煉油廠含氫尾氣等，利用變壓吸附技術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，從焦爐氣中提純氫氣的耗能僅為0.4kW·h/Nm3，產品純度高達99.999%。利用變壓吸附技術制氫，其工藝中的吸附壓力約為0.8～2.5MPa。初期變壓吸附技術的應用局限在于難以對吸附后殘留于吸附床中的產品成分進行回收再利用，在此問題的解決上，當前應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環節。正常情況下，均壓的增加次數與產品的回收率呈正比，增加次數越多，產品的回收率就越高。實踐表明，四床流程產品的純度通常在99%以上，氫的回收率高于75%。按照變壓吸附的配置規模，可應用四床、五床、八床、十床流程等。當前，全球最大的變壓吸附技術制氫配置在我國試車成功，該配置實現了在12塔與6塔之間的隨意轉換，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。吸附技術制氫的成功試車，意味著我國的變壓吸附技術已經挺進世界前列。

4.2 空氣中富氧的制取

在廢水處理、金屬冶煉、醫療供氧等領域中，對所需氧氣的純度要求不高，過去常采用的制氧方法是深冷空氣分離法。隨著變壓吸附技術的不斷推廣與應用，深冷空氣分離法慢慢被取代。在從空氣中制取富氧的過程中，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，該工藝具有儀器簡單、操作成本低等優勢，但也存在氧回收率、能量消耗大等不足，因此常被應用于不足200Nm3/h的小規模制氧領域中。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，該工藝具有益氣復雜、操作成本高、效率高、能耗少等特點。對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濟性能的決定性因素，當前，最具規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，在產品單一且純度要求不高的情況下，可應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、焊接保護等領域中，二氧化碳的應用越來越廣泛。當前，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，二氧化碳被當成是一種強吸附成分，吸附時，二氧化碳常會殘留于吸附床中，因此，應用變壓吸附技術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品。應用變壓吸附技術回收、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99.5%。氣體混合物中的有害成分被凈化后，所得產品通常會符合食品級添加劑的相關標準。應用變壓吸附技術回收、制取二氧化碳的一個關鍵環節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，其中干法更具優勢，不僅節能，其凈化度、成本、能耗等均較佳。應用變壓吸附技術進行尿素脫碳，二氧化碳回收率高達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，對煤、石油、天然氣等進行凈化即可獲得一氧化碳。轉爐煤氣中內含約60%的一氧化碳，工業尾氣中也常含有大量的一氧化碳。應用變壓吸附技術，可提純工業尾氣，進而將其制成碳一化工產品，這樣不但能夠有效預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用，提升經濟效益。當前，應用變壓吸附技術提純一氧化碳的方法主要有二段法與一段法，其中一段法的應用更具優勢。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為二氧化碳>一氧化碳>氫氣>氮氣，其中一氧化碳是一種強吸附成分，必須進行第一段變壓吸附，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，通常需要應用到二段法中的第二段變壓吸附以實現一氧化碳的分離，如此一來，不但將銅鹽負載于分子篩、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。我國多家變壓吸附技術研究設計機構研制了“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，進而從非吸附相中提取滿足環保排放標準的凈化氣體放空。運用真空泵時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凈化后，一般都能夠達到國家環保排放標準，也具有較高的社會效益。

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，這些物質的存在會對天然氣原料的質量造成一定的影響。變壓吸附技術的應用，能將天然氣中的這些甲烷同類物組分脫除。當前，我國已研發出了多種變壓吸附天然氣凈化裝置。另外，我國是煤炭生產大國，每年因采煤排放出來的甲烷總量約占全球的30%以上，低濃度煤層氣因為甲烷濃度較低也造成其利用率低，這樣不但造成了資源浪費，也對自然環境產生了一定的破壞作用。如果能夠將低濃度煤層氣中的甲烷濃度提升至95%以上，則可將其應用于各種化工領域中，變壓吸附技術的應用則可實現這一目標。低濃度煤層氣中除了含有甲烷外，還有二氧化碳、氮氣、氧氣等氣體，對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，不僅減少了環境污染，也能緩解資源短缺問題。事實上，早在1992年，美國UOP公司就已經從天然氣中提純到甲烷，其濃度為96.4%，回收率為85%。

5 結束語

在變壓吸附技術不斷研發的過程中，其在工業中的應用領域也將越來越廣，甚至會延伸到廢棄凈化與綜合利用中。目前，變壓吸附技術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域中所取得的成果已經顯而易見。未來在該領域的研究上，變壓吸附技術與深冷技術、膜分離技術、變溫吸附技術等氣體分離提純技術的聯合工藝將是主流，這也會為變壓吸附技術的應用開辟新方向。

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