探究變壓吸附氣體分離的技術及應用

＊張勇 胡旭 楊中貴 周歷科

（西南化工研究設計院有限公司 四川 610225）

前言

隨著科學技術的不斷發(fā)展，工業(yè)氣體分離已經(jīng)采用變壓吸附氣體分離技術，但也存在著技術體系不完善，缺乏對其應用的重視等問題，導致變壓吸附氣體分離技術的應用存在著一定的問題。而對其技術及應用的研究能夠提高氣體分離的純度，促進氣體分離行業(yè)的發(fā)展。因此，探究變壓吸附氣體分離技術及應用至關重要。

1.變壓吸附氣體分離技術論述

(1)研究背景

現(xiàn)如今，我國的變壓吸附氣體分離技術不斷發(fā)展，其規(guī)模不斷擴大，能夠?qū)κ畮追N氣體同時提取和分離，氫氣提純已經(jīng)達到99.999%。目前，我國對于變壓吸附氣提純技術已經(jīng)能夠?qū)ι贁?shù)的烷烴、烯烴進行提純，能夠?qū)諝庵械牡獨?、氧氣進行提純，對一氧化碳、二氧化碳和氫氣等進行提純。而且對于氫氣的提純應用的更多，使氫氣提純逐漸取代電解法和低溫法等。變壓吸附氣體分離技術投資小，耗能低、提取純度高等特點受到了許多工廠、公司的應用。因此，加強對其技術及應用的研究必不可少，必須打造相應的應用體系，完善變壓吸附氣體分離技術。

(2)變壓吸附氣體分離技術原理

變壓吸附（PSA）主要原理是根據(jù)在固體材料中氣體組分吸附特性的差異，也會受到吸附量隨著壓力變化的特點，利用周期性壓力變換的方式，完成相應氣體分離和提純。吸附是通過對兩種不同的相形成一個比較完整的體系，導致兩個界面外部和內(nèi)部不一樣，從而使兩相在兩個界面上會發(fā)生濃縮反應，使兩個相之間相互吸引，從而達到吸附的目的。氣體分離就是將氣體以此按照一定的順序返回到原來相的過程。變壓吸附空氣分離技術改變氣體壓強來增加氣體容量，對其氣體進行分離，對吸附組進行解吸的過程，從而達到對氣體進行分離和提純的目的。

變壓吸附氣體分離技術必須要嚴格按照吸附、解吸再生以及升壓這三個環(huán)節(jié)將氣體進行分離和提純，必須根據(jù)氣體的總量和氣體分離順序等控制吸附、解吸再生和升壓的時間。吸附是利用濃縮反應原理，利用吸附劑對其氣體進行相應的吸附。解吸再生的主要目的就是要能夠?qū)崿F(xiàn)吸附劑解吸再生，使吸附劑一直能夠進行相應的吸附任務，也避免了吸附材料的浪費。升壓則是在解吸再生完成后，將氣體壓強升高，這樣既可以讓氣體分離，提高氣體純度，又可以為下一次的吸附做準備，使下一次的吸附能夠順利完成。

(3)變壓吸附氣體分離技術的特點

變壓吸附氣體分離技術具有氣體提純高、適用范圍廣、工藝流程比較簡單、成本低和耗能少等特點。表1為變壓吸附氣體分離技術的特點。而且利用表格變壓吸附氣體分離技術制取氫氣和其他方法制取氫氣進行了比較，如表2所示。

表1 變壓吸附氣體分離技術的特點

續(xù)表

表2 比較不同分離法

2.變壓吸附氣體分離技術的應用

(1)變壓吸附氣體分離技術在氮氣生產(chǎn)中的應用

現(xiàn)如今，變壓吸附氣體分離技術已經(jīng)運用到氮氣生產(chǎn)過程中，極大地改進了氮氣氣體分離技術，提高了氮氣氣體分離的效率和純度，從而促進了氮氣生產(chǎn)的發(fā)展，也促進了變壓吸附氣體分離技術的發(fā)展。變壓吸附氣體分離制氮技術有許多種，其分類的原理主要是吸附劑的不同。主要有碳分子篩制氮技術和沸石分子篩制氮技術。碳分子篩制氮技術利用的是一種非極性的碳分子，對氣體進行相應的吸附和分離，該吸附劑利用先進的處理手段將煤處理成活性炭。在其吸附劑表面擁有大量微孔晶體，這種材料可以作為一種半永久性吸附材料進行使用。利用該裝置通過對氧氣和氮氣等吸附，而在活性炭篩上氧氣的擴散速率要比氮氣的擴散速率快，使氧氣和其他雜質(zhì)先出來，最后，使氮氣分子流出，從而能夠得到高濃度的氮氣。

沸石是一種硅鋁酸鹽晶體，具有良好的吸附性。在利用沸石作為制氮過程的吸附劑時，其吸附的原理與活性炭不同，氣體通過沸石內(nèi)部的通道，而各通道以孔道相互連接，利用孔道可將氣體分子進行吸附。而且在沸石內(nèi)部有相應的孔穴，且這些孔穴的大小和形狀相似。當不同大小的分子經(jīng)過沸石孔穴時，孔穴對于不同大小的分子有不同的吸收能力，對于分子體積較大的無法吸收，可以吸收極性分子和不飽和的有機氣體。在分離氮氣過程中，氣體會受到極化作用，氣體內(nèi)部產(chǎn)生偶極作用，在其作用下沸石有選擇地對其進行吸附。而氮氣的偶極誘導力明顯大于氧氣，導致氮氣的吸附能力大于氧氣的吸附能力，從而能夠?qū)崿F(xiàn)氮氣和氧氣的分離，實現(xiàn)氮氣提純的目的。在工業(yè)氮氣提純過程中，可以控制活性炭篩和沸石的質(zhì)量及數(shù)量，從而控制氮氣的純度，能夠根據(jù)工業(yè)的需求，選擇合適的氮氣純度，保證工業(yè)生產(chǎn)有序地進行。變壓吸附氣體分離技術已經(jīng)在氮氣提取和分離行業(yè)廣泛應用，但也存在著一定的問題，影響氮氣提純的效率和質(zhì)量。因此，必須要加強對其技術的研究，改變其技術的應用體系，從而提高氮氣提純的效率和質(zhì)量。

(2)變壓吸附氣體分離技術在一氧化碳生產(chǎn)中的應用

變壓吸附氣體分離技術也開始運用到一氧化碳提純與分離的生產(chǎn)中，已經(jīng)逐步改善了一氧化碳的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。一氧化碳是C1的基礎原料氣，對于工業(yè)具有重要的作用，但是對一氧化碳的提取技術并不多，我國在傳統(tǒng)提取一氧化碳時，經(jīng)常采用精餾法或Cosorb法提純一氧化碳，但這種技術需要的設備多、成本高，操作比較復雜，而且耗能也多，導致其性價比低。現(xiàn)如今，對于一氧化碳的處理可以采用二段法PSA分離技術對一氧化碳進行提純，相對于其他方法生產(chǎn)的成本降低了40%，其能力損耗和原料損失降低了30%，采用變壓吸附氣體分離技術能夠降低能耗，減少成本，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

現(xiàn)如今，對其制一氧化碳技術有兩類，一類是采用化學吸附的方法對一氧化碳進行吸附，利用銅為吸附劑的方法進行相應的處理，該方法操作比較簡單，能夠?qū)ζ溥M行一步處理，但這種技術目前我國還處于實驗階段，相關的銅吸附劑缺乏。而另一種采用兩步變壓吸附，利用常規(guī)的吸附劑進行相應的吸附和變壓處理，之后收集第一次處理的氣體進行第二次處理，從而達到一氧化碳提純和分離的目的。該技術處理的純度較高，生產(chǎn)效率高，耗能少。

黃磷尾氣、轉(zhuǎn)爐氣、高爐氣等氣源中都含有大量的一氧化碳，是變壓吸附提純一氧化碳的理想氣源。在處理一氧化碳過程中，必須要有相應的檢測裝置，防止因一氧化碳濃度過高，受到外界環(huán)境的影響而發(fā)生爆炸，必須要對其進行相應的處理。而且利用變壓吸附氣體分離技術時，必須要將氣體進行二次處理，減少一氧化碳的雜質(zhì)，從而提高一氧化碳的濃度。利用變壓吸附氣體分離技術制取一氧化碳，耗能低，生產(chǎn)的純度高，生產(chǎn)效率高、質(zhì)量高，因此，在生產(chǎn)一氧化碳時，要加強對該技術的使用，從而促進該技術和生產(chǎn)一氧化碳技術的發(fā)展。

(3)變壓吸附氣體分離技術在氫氣生產(chǎn)中的應用

變壓吸附氣體分離技術也廣泛應用到氫氣生產(chǎn)過程中，不斷提高氫氣的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，現(xiàn)如今，通過該技術，氫氣的純度可以達到99.999%，促進了氫氣生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展。在變壓吸附氣體分離技術生產(chǎn)氫氣過程中，首先將吸附塔內(nèi)壓力由高壓降至低壓，然后順吸附塔內(nèi)的方向?qū)⑽轿锏臍鈮旱椭聊骋恢虚g壓力下，將吸附塔內(nèi)的儲氫材料進行保留，然后在逆吸附方向使吸附物的壓力降至低壓，這一步驟可使已被吸附劑所吸收的部分雜質(zhì)從吸附劑中解吸而出或被完全清除吸附塔內(nèi)空氣。用純氫在低溫下清洗吸附物，并除去尚存留在吸附物中的雜質(zhì)。吸附塔充壓至最大吸附壓力后，準備好再次分離原料氣體。而經(jīng)過上述的工藝流程，就可以把氫氣重新制造出，這樣提高了氫氣的制造效率和產(chǎn)品品質(zhì)，也增加了氫氣的純度。

(4)變壓吸附氣體分離技術在二氧化碳分離提純中的應用

變壓吸附氣體分離技術也開始在二氧化碳分離提純中應用，它是最先使用變壓吸附氣體分離技術的氣體之一。變壓吸附氣體分離技術與二氧化碳的使用原理和傳統(tǒng)制氫工藝技術類似。在分離提煉二氧化碳的方面，20世紀80年代就開始進行了工業(yè)化，人們可以從許多富含二氧化碳的氣源中分別提取，對二氧化碳的不同工業(yè)應用也得到了解決。

(5)變壓吸附氣體分離技術在其他領域的應用

變壓吸附氣體分離技術能夠凈化天然氣。在天然氣生產(chǎn)過程中，會伴隨著一些雜質(zhì)，影響天然氣的使用和傳輸，例如：乙烷、丙烷、丁烷等都是天然氣在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)，能夠影響天然氣的質(zhì)量。在天然氣制備和除雜過程中，可以利用變壓吸附氣體分離技術，采用符合天然氣和天然氣雜質(zhì)的吸附劑，從而對天然氣雜質(zhì)進行處理，提高天然氣的純度，保證天然氣的質(zhì)量，從而促進天然氣行業(yè)的發(fā)展。

變壓吸附氣體分離技術可以用于煤礦瓦斯氣濃縮，將煤礦瓦斯氣中甲烷濃縮，提高其熱值，使其達到供暖的水平。利用變壓吸附氣體分離技術能夠?qū)⒚旱V的瓦斯氣體合理地利用起來，而且能夠減少煤礦中的瓦斯氣體，提高采礦的安全。

變壓吸附氣體分離技術可以對工藝和城市中的廢棄物進行相應的處理，將硫化氫等有害雜質(zhì)進行處理，凈化空氣，保證大氣環(huán)境。變壓吸附氣體分離技術在許多領域都有其作用，必須加強對變壓吸附氣體分離技術和應用的研究，從而造福人類。

3.變壓吸附氣體分離技術的發(fā)展趨勢

現(xiàn)如今，變壓吸附氣體分離技術的科技水平越來越高，應用體系逐漸完善，在提高氣體生產(chǎn)效率和純度，降低成本、降低損耗和最大程度利用原料上具有作用。變壓吸附氣體分離技術已經(jīng)開始利用計算機技術，利用計算機技術和智能技術來實現(xiàn)智能化、自動化生產(chǎn)，從而促進變壓吸附氣體分離技術朝著智能化、自動化分析發(fā)展。吸附材料的研究不斷深入，出現(xiàn)了許多吸附劑，從而能夠?qū)υS多氣體進行吸附和分離，利用多床層多種吸附劑填裝的方式，使操作變得更加簡單，簡化了氣體的后續(xù)處理工作。變壓吸附氣體分離技術已經(jīng)朝著大規(guī)?；l(fā)展，讓氣體處理增加至數(shù)十種，能夠?qū)υS多氣體進行處理和分離，也處理了雜質(zhì)組分難以解吸、產(chǎn)品組分含量過低的情況。例如在制氫氣中，各種工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的含氫尾氣，以及甲醇、氨裂解制備含氫氣源，重油、天然氣、煤等原料造氣等。只要是氫氣含量在20%以上的氣源，均可利用該技術制備氫氣。在產(chǎn)品回收率方面實現(xiàn)了較大的提升，例如采用重整氫作為原料氣，可達到95%以上的氫回收率。使用催化裂解干氣作為原料氣，可達到99.9%的純度，利用抽空工藝，可達到90%以上的回收率等。吸附劑的吸附分離性能大大提升，吸附劑吸附量不斷增長，吸附強度不斷增強，再生更容易，雜質(zhì)組分吸附前沿降低，產(chǎn)品組分分離系數(shù)提高等。例如在制氫過程中，使用新型吸附劑，能夠提高10%的吸附量。因此，變壓吸附氣體分離技術運用良好的發(fā)展，必須要加強對變壓吸附氣體分離技術的研究，不斷完善其技術的應用體系，從而促進變壓吸附氣體分離技術更好的發(fā)展和應用。

4.結(jié)束語

綜上所述，變壓吸附氣體分離技術對于氣體的生產(chǎn)和氣體的分離具有重要的作用，必須要加強對該技術的應用，不斷對其進行創(chuàng)新和改進，努力完善該技術的應用體系，使該技術能夠更好地應用在工藝氣體生產(chǎn)和分離中，從而促進工藝的發(fā)展。也必須不斷完善該技術，從而促進變壓吸附氣體技術的發(fā)展。