气体分离提纯应用变压吸附技术的分析

【摘 要】变压吸附技术是一种重要的、高效节能的气体分离技术，具有耗能少、投资低、操作简便、可信度高等优势，目前正被广泛应用于工业领域中。随着变压吸附技术的不断成熟，其在气体分离提纯中的应用价值越来越高。本文就变压吸附技术的发展概况、基本原理、主要特点以及应用领域进行如下综述。

【关键词】变压吸附技术；气体；分离；提纯；应用

1 变压吸附技术的发展概况

变压吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）这一概念最初是由德国学者Hkahle在1942年提出的，而后一篇无热吸附净化空气的专利文献在德国发表了。当时，所用的吸附剂是硅胶、活性氧化铝、活性炭等，这些吸附剂对于氧、氮而言，其吸附性较弱，分离系数也较低，难以实现分离。所以，该技术于20世纪50年代才开展逐渐发展起来。20世纪60年代初，美国联合碳化物公司应用变压吸附技术顺利从氢废弃中提纯到氢气。70年代后，变压吸附技术开始被逐步推广开来，尤其是在天然气、 工业尾气的提氢、空气的净化与干燥中，该技术获得了广泛应用。1977年，德国用煤研制了碳分子筛，并申请了专利，而后美、日等国试制用碳分子筛变压吸附进行空气分离制氧氮配置。发展至今，变压吸附配置已经商品化，相关仪器的市场竞争也越来越激烈，美国联合碳化物公司的变压吸附制氢、制氧、制氮的仪器在全球获得了竞争优势，其多床工艺制氢的纯度高达99.999%，回收率也超过85%；其专利沸石吸附剂制氮的纯度高达99.95%，制氧的纯度也达到了99.5%。

我国的变压吸附技术也越来越成熟，目前正被广泛应用于化工、钢铁、电子、啤酒、医疗、环保等行业中。在该技术的研究过程中，中国西南化工研究设计院获得了最高的成就，与德国的林德公司、美国的UOP公司并列为全球变压吸附三大专业研究设计院。中国西南化工研究设计院不断地对变压吸附技术进行创新，不仅节约了成本，也简化了操作流程，有效提升了气体分离提纯的综合效益。目前，我国在氢的分离与提纯中，变压吸附技术已经成为主流应用技术，传统的低温、电解等方法也逐步被变压吸附技术所取代。

2 变压吸附技术的基本原理

变压吸附技术的基本原理是，利用吸附剂对吸附质于不同分压下具有不同吸附容量、吸附速度以及吸附力，且于特定压力下对被分离的气体混合物的各组成成分进行选择性吸附，通过加压吸附去除气体混合物中的杂质成分，减压脱附杂质成分后，吸附剂即可获得重生。变压吸附技术的吸附循环周期通常很短，吸附热不排出床外，以供解吸时用，由于吸附热与解吸热的吸附床层温差较小，所以可将变压吸附技术当成是一种等温技术。变压吸附技术的流程可以简单概括为三个环节，即吸附、解吸再生、生压。

3 变压吸附技术的主要特点

对比其他气体分离提纯技术，变压吸附技术具有如下优势：（1）适用性强，耗能少：变压吸附技术的适用性强，能在不同压力范围下进行，部分有压力的起源还可免去再度加压的能量损耗，变压吸附技术在常温下进行气体分离提纯时，还可以免去加热与冷却的环节所造成的能量损耗。（2）产品纯度高，灵活性强：应用变压吸附技术制氢的产品纯度高达99.999%，制氮的产品纯度高达99.95%，制氧的产品纯度也达到了99.5%，操作过程中，还能按照工艺环境的不同，任意改变产品的纯度。（3）工艺流程简单，承受力强：变压吸附技术对水、硫化物、氨、烃类等杂质均有较强的承受力，且其工艺流程非常简单，无需繁杂的预处理工序，能够制氢、制氮、制氧等。（4）智能化程度高，便于操作：变压吸附技术工艺的相关仪器均由计算机控制，智能化程度较高，且非常便于操作，每班仅需稍微巡视便可，且可实现全自动操作，开停车简单、快速，一般只要30分钟就能获得所需产品。（5）调节能力强，操作弹性大：只要稍微调整下变压吸附技术的配置，就可以实现负荷的变化，且还能确保产品质量不受负荷的变化所影响，配置对气体混合物中的杂质含量与压力等条件的变化也有较强的适应性，调节区域也较广。（6）投资少，成本低：变压吸附技术的投资较少，操作成本较低，便于维护，利用率较高。（7）吸附剂使用周期长，正常情况下可使用超过10年。（8）配置可靠性强：变压吸附配置的运动配件只有程序控制阀，而程序控制阀的使用寿命较长，故障率也较低，非常可靠，且具有智能诊断功能，能实现吸附塔的自动切换。（9）环境效益高：排除气体混合物的特性，变压吸附配置在进行气体分离提纯期间不会对环境造成污染，几乎是一种“零污染”操作。

4 变压吸附技术的应用领域

4.1 氢气的回收与提纯

现代工业化生产存在大量的气体混合物，比如钢厂焦炉煤气、炼油厂含氢尾气等，利用变压吸附技术直接从这些气体混合物中提纯氢气，不仅大大减少了操作成本，从焦炉气中提纯氢气的耗能仅为0.4kW·h/Nm3，产品纯度高达99.999%。利用变压吸附技术制氢，其工艺中的吸附压力约为0.8～2.5MPa。初期变压吸附技术的应用局限在于难以对吸附后残留于吸附床中的产品成分进行回收再利用，在此问题的解决上，当前应用最多的是利用多床变压吸附工艺，其流程包括均压与顺向放压两个环节。正常情况下，均压的增加次数与产品的回收率呈正比，增加次数越多，产品的回收率就越高。实践表明，四床流程产品的纯度通常在99%以上，氢的回收率高于75%。按照变压吸附的配置规模，可应用四床、五床、八床、十床流程等。当前，全球最大的变压吸附技术制氢配置在我国试车成功，该配置实现了在12塔与6塔之间的随意转换，其处理气量为34×104Nm3/b，制氢水平为28×104Nm3/b，氢纯度为99.9%，氢回收率为90%以上。吸附技术制氢的成功试车，意味着我国的变压吸附技术已经挺进世界前列。

4.2 空气中富氧的制取

在废水处理、金属冶炼、医疗供氧等领域中，对所需氧气的纯度要求不高，过去常采用的制氧方法是深冷空气分离法。随着变压吸附技术的不断推广与应用，深冷空气分离法慢慢被取代。在从空气中制取富氧的过程中，变压吸附配置的吸附压力通常较低，按照吸附方法的不同，可将变压吸附制氧的工艺分成加压吸附于常压吸附两种。加压吸附工艺的压力范围一般为0.2～0.6MPa，于常压下解吸，该工艺具有仪器简单、操作成本低等优势，但也存在氧回收率、能量消耗大等不足，因此常被应用于不足200Nm3/h的小规模制氧领域中。常压吸附工艺的压力范围一般为0～50kPa，抽真空解吸，压力范围为-50～-80kPa，与加压吸附工艺相比，该工艺具有益气复杂、操作成本高、效率高、能耗少等特点。对于常压吸附制氧配置而言，氧气制取的成本主要集中于电耗，这也是判断制氧装置经济性能的决定性因素，当前，最具规模的常压吸附制氧的总体耗能约为0.3kW·h/Nm3，明显低于深冷空气分离法制氧所消耗的能量。所以，在产品单一且纯度要求不高的情况下，可应用常压吸附工艺制氧。

4.3 纯二氧化碳的回收与制取

在尿素生产、焊接保护等领域中，二氧化碳的应用越来越广泛。当前，可用于回收二氧化碳的气体混合物主要包括制氢装置废气、油田伴生气等。在这些气体混合物中，二氧化碳被当成是一种强吸附成分，吸附时，二氧化碳常会残留于吸附床中，因此，应用变压吸附技术制氢或回收二氧化碳所采用的工艺存在较大的差异性，回收、制取二氧化碳主要是从吸附相中制取产品。应用变压吸附技术回收、制取二氧化碳，最佳的压力范围是0.5～0.8MPa，二氧化碳的纯度超过99.5%。气体混合物中的有害成分被净化后，所得产品通常会符合食品级添加剂的相关标准。应用变压吸附技术回收、制取二氧化碳的一个关键环节是脱除合成氨变换气中的二氧化碳，常用的脱碳方法有湿法与干法两种，其中干法更具优势，不仅节能，其净化度、成本、能耗等均较佳。应用变压吸附技术进行尿素脱碳，二氧化碳回收率高达94%。

4.4 一氧化碳的回收与提纯

一氧化碳可用于制取甲醇、醋酸、脂肪酸等羟基化合物。正常情况下，对煤、石油、天然气等进行净化即可获得一氧化碳。转炉煤气中内含约60%的一氧化碳，工业尾气中也常含有大量的一氧化碳。应用变压吸附技术，可提纯工业尾气，进而将其制成碳一化工产品，这样不但能够有效预防因一氧化碳燃烧而形成二氧化碳，也能在一定程度上减少操作费用，提升经济效益。当前，应用变压吸附技术提纯一氧化碳的方法主要有二段法与一段法，其中一段法的应用更具优势。二段法是一种物理吸附，常用的吸附剂主要有分子筛、活性炭等，这些吸附剂的吸附能力排序为二氧化碳>一氧化碳>氢气>氮气，其中一氧化碳是一种强吸附成分，必须进行第一段变压吸附，另在此加压情况下吸附气体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剂上，通常需要应用到二段法中的第二段变压吸附以实现一氧化碳的分离，如此一来，不但将铜盐负载于分子筛、活性炭或氧化铝之类的吸附剂上，也在一定程度上提升了一氧化碳的吸附力。我国多家变压吸附技术研究设计机构研制了“一氧化碳—变压吸附”的专用吸附剂，这在有效提升了一氧化碳的选择性与均衡吸附量。

4.5 氯乙烯精馏尾气的回收

利用特殊符合吸附剂，能够在高压下选择性地吸附氯乙烯尾气中的氯乙烯和乙炔，进而从非吸附相中提取满足环保排放标准的净化气体放空。运用真空泵时降低压力可抽空吸附床，让吸附剂上的氯乙烯与乙炔脱附，再回氯乙烯生产装置回收利用，吸附剂也因此得以重生。变压吸附回收所得的氯乙烯精馏尾气经净化后，一般都能够达到国家环保排放标准，也具有较高的社会效益。

4.6 天然气净化与煤气层中甲烷的提纯

天然气中一般含有2%左右的甲烷同类物，这些物质的存在会对天然气原料的质量造成一定的影响。变压吸附技术的应用，能将天然气中的这些甲烷同类物组分脱除。当前，我国已研发出了多种变压吸附天然气净化装置。另外，我国是煤炭生产大国，每年因采煤排放出来的甲烷总量约占全球的30%以上，低浓度煤层气因为甲烷浓度较低也造成其利用率低，这样不但造成了资源浪费，也对自然环境产生了一定的破坏作用。如果能够将低浓度煤层气中的甲烷浓度提升至95%以上，则可将其应用于各种化工领域中，变压吸附技术的应用则可实现这一目标。低浓度煤层气中除了含有甲烷外，还有二氧化碳、氮气、氧气等气体，对这些气体的分离提纯，能够在一定程度上提升煤矿的安全性，不仅减少了环境污染，也能缓解资源短缺问题。事实上，早在1992年，美国UOP公司就已经从天然气中提纯到甲烷，其浓度为96.4%，回收率为85%。

5 结束语

在变压吸附技术不断研发的过程中，其在工业中的应用领域也将越来越广，甚至会延伸到废弃净化与综合利用中。目前，变压吸附技术在氢气的回收与提纯、空气中富氧的制取、纯二氧化碳的回收与制取、一氧化碳的回收与提纯、氯乙烯精馏尾气的回收以及天然气净化与煤气层中甲烷的提纯等领域中所取得的成果已经显而易见。未来在该领域的研究上，变压吸附技术与深冷技术、膜分离技术、变温吸附技术等气体分离提纯技术的联合工艺将是主流，这也会为变压吸附技术的应用开辟新方向。

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