變壓吸附技術(shù)在氣體分離提純中的應(yīng)用

胡旭，張勇，周歷科，楊中貴

(西南化工研究設(shè)計院有限公司，四川 成都 610225)

1 變壓吸附技術(shù)

變壓吸附技術(shù)是在20世紀(jì)70年代逐漸推廣的，最初其主要是用于空氣的凈化和干燥、工業(yè)尾氣中氫氣的提取。如今，變壓吸附技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，在化工、醫(yī)療、環(huán)保等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。利用變壓吸附技術(shù)可以使氣體分離提純的純度大大提升，例如很多工藝中氫氣制取的純度高至99.999%，其回收率也已經(jīng)超過了85%。變壓吸附技術(shù)于氣體分離提純方面的應(yīng)用能夠極大地提升分離提純綜合效益，因而在氫氣等氣體的分離提純中成為主流技術(shù)。

1.1 變壓吸附氣體分離技術(shù)的特點

變壓吸附氣體分離技術(shù)能夠在諸多分離提純技術(shù)中脫穎而出，不外乎其諸多方面的優(yōu)勢。第一，變壓吸附技術(shù)能夠有效地提升產(chǎn)品的最終純度，這一方面的特點上述已經(jīng)闡明，有關(guān)氫氣制取的純度及回收率都是其他分離提純技術(shù)所無法達(dá)到的。利用該技術(shù)還可以較好地控制分離提純的純度，技術(shù)人員僅需要改變工藝環(huán)境便可以實現(xiàn)這一改變。第二，變壓吸附技術(shù)耗能小，經(jīng)濟性高。衡量某一技術(shù)應(yīng)用的實際效果，經(jīng)濟性也是重要標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，變壓吸附技術(shù)在實際應(yīng)用時，于常溫條件下便能實現(xiàn)各種氣體的分離提純過程，這就很大程度上減少了能耗，與此同時，變壓吸附技術(shù)的維護也比較方便，無需大量的維修成本，這些都是變壓吸附技術(shù)經(jīng)濟性強的重要因素[1]。第三，工藝流程簡單，智能化程度較高。變壓吸附技術(shù)經(jīng)過幾十年的應(yīng)用發(fā)展，現(xiàn)階段已經(jīng)趨于成熟，實際應(yīng)用中操作流程十分簡單，此外，該工藝所使用的儀器也大多實現(xiàn)了智能化發(fā)展，即由計算機進行整個過程的操控，工作人員只需要通過控制計算機便能實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程自動化。由此可見，變壓吸附技術(shù)工藝流程簡單，因而一經(jīng)投產(chǎn)，無需大量的時間研究設(shè)備，只需要簡單的培訓(xùn)技術(shù)人員便可以開始運作。除此之外，變壓吸附氣體分離技術(shù)的應(yīng)用還有這其他方面的諸多優(yōu)勢，諸如吸附劑使用周期長、綜合效益高等。

1.2 變壓吸附氣體分離技術(shù)的應(yīng)用

成熟的變壓吸附氣體分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，其涉及到化工產(chǎn)業(yè)、鋼鐵行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)等諸多領(lǐng)域。具體而言，變壓吸附氣體分離技術(shù)主要用于氫氣、一氧化碳、二氧化碳等氣體的回收提純，同時也包括空氣中氧的富集等。總體來看，變壓吸附氣體分離技術(shù)的應(yīng)用已然成為諸多領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢，同時相關(guān)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的實際情況也驗證了該技術(shù)的重要作用，尤其是變壓吸附技術(shù)在煉鋼廠中的應(yīng)用，其可以從所產(chǎn)出的焦?fàn)t煤氣中有效地提純氫氣，在降低操作成本的同時也實現(xiàn)了產(chǎn)品純度的大幅度提高。此外，變壓吸附技術(shù)在醫(yī)療、廢水處理等方面的應(yīng)用也是十分廣泛，該方面的應(yīng)用主要表現(xiàn)在氧的富集，傳統(tǒng)的空氣分離法不論是操作工序還是富集效果都遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到預(yù)期效果，而變壓吸附氣體分離技術(shù)的應(yīng)用則在減少能耗的同時提高了回收率，因而該技術(shù)也得到了進一步推廣[2]。

2 變壓吸附技術(shù)在氣體分離提純中的應(yīng)用

變壓吸附技術(shù)于氣體分離提純中的應(yīng)用最為廣泛，現(xiàn)階段效果最好且應(yīng)用最多當(dāng)屬氫氣、二氧化碳以及一氧化碳的回收提純。以下便以這3種氣體的分離提純?yōu)槔M行分析，論證變壓吸附技術(shù)于氣體分離提純中的良好效果及重要作用。

2.1 氫氣的回收與提純

氫氣的回收和提純主要是用于鋼鐵等工業(yè)生產(chǎn)中。很多工業(yè)生產(chǎn)中會排放大量的氣體，其中便混雜有部分氫氣，對于這類氣體而言，不能直接進行排放，必須通過一定的工序去除或是提純氫氣才能進行后續(xù)的處理。變壓吸附技術(shù)的應(yīng)用便實現(xiàn)了氫氣的分離提純。該技術(shù)能使得氫氣提純的純度大大增加，甚至接近100%。目前變壓吸附技術(shù)在氫氣分離提純方面應(yīng)用的主要工藝為多次變壓吸附工藝，該工藝能夠?qū)ξ胶髿埩舻漠a(chǎn)品成分進行二次回收，由此便進一步加強了工業(yè)生產(chǎn)的利用率。我國在氫氣分離提純方面的變壓吸附技術(shù)工藝已經(jīng)頗為成熟，近期我國還實現(xiàn)了變壓吸附技術(shù)氫配置，其氣體處理量以及氫氣制取水平均位于國際先列。總體而言，現(xiàn)階段變壓吸附氣體分離技術(shù)在氫氣的回收及提純方面已經(jīng)取得了較好的效果，氫氣提純純度也是目前各種氣體提純中最高的，經(jīng)該技術(shù)處理后的工業(yè)廢氣中基本不含氫氣，在實現(xiàn)氫氣高純度回收利用的同時，也促進了工業(yè)廢氣的有效處理。

2.2 一氧化碳的回收與提純

一氧化碳是一種重要的工業(yè)生產(chǎn)氣體，其可以用于制取甲酸鈉，在冶金工業(yè)中作還原劑，同時也被廣泛用于氣體燃料。水煤氣中便包含大量的一氧化碳?xì)怏w，由此可見，一氧化碳有著重要的工業(yè)價值，因而對于一氧化碳的回收及提純也是十分重要的工序。目前一氧化碳的制取主要來源于煤、石油、天然氣等不可再生資源，大量使用這類資源進行一氧化碳的獲取經(jīng)濟性不強，同時也造成了資源的浪費。隨著汽車數(shù)量的不斷增加，多數(shù)汽車所使用的仍是來源于石油的汽油，因而其所產(chǎn)生的尾氣中也還有大量的一氧化碳?xì)怏w。面對大量排放的汽車尾氣，如能夠進行一氧化碳提純，則在獲取大量氣體資源的同時也降低了尾氣對于環(huán)境的污染。因而變壓吸附技術(shù)于一氧化碳的回收及提純方面的應(yīng)用也是越來越受到重視，應(yīng)用也在增加。利用變壓吸附技術(shù)對汽車尾氣中的一氧化碳進行分離提純能夠避免其燃燒生成二氧化碳，對大氣造成污染。與此同時，整個過程的操作費用也大大降低，經(jīng)濟效益較高。目前主要有兩種一氧化碳變壓吸附工藝，分別為利用吸附劑實現(xiàn)分離以及物理吸附法。這兩種吸附工藝各有優(yōu)缺點，相較而言，利用吸附劑進行分離效果更好，工業(yè)生產(chǎn)中所使用的一氧化碳吸附劑也比較多，諸如氧化鋁、活性炭等，同時很多研究機構(gòu)也針對一氧化碳吸附劑進行了深入的研發(fā)，最終設(shè)計了一氧化碳變壓吸附的專用吸附劑，有效地提升了吸附的選擇性及最終效果[3]。

2.3 回收制取純二氧化碳

二氧化碳的排放會加劇溫室效應(yīng)，對于環(huán)境保護是極為不利的。然而，純二氧化碳?xì)怏w的應(yīng)用也是較為廣泛，例如焊接過程中常以二氧化碳作為保護氣，食品的冷凍、滅菌、防霉等對于二氧化碳的需求量也是比較大的。對此，回收提純工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的廢氣中的二氧化碳?xì)怏w不僅有利于工業(yè)生產(chǎn)效益的提升，同時也有利于環(huán)境保護。二氧化碳?xì)怏w的回收提純主要來自于油田的伴生氣，二氧化碳的回收提純與氫氣不同，主要在于二氧化碳?xì)怏w具有強吸附性，導(dǎo)致在變壓吸附過程中二氧化碳會殘留在吸附床上?，F(xiàn)階段制取純二氧化碳的工藝基本如下，在實際采用變壓吸附技術(shù)進行制取時，需要對壓力范圍進行有效的控制，經(jīng)過長期的探究確定壓力范圍應(yīng)當(dāng)為0.5～0.8 MPa，在該條件下所提純的二氧化碳純度可以達(dá)到99.5%及以上。

3 空氣中制取富氧

氧氣是諸多領(lǐng)域經(jīng)常用到的重要氣體，諸如醫(yī)療供氧、金屬冶煉等過程都需要使用大量的氧氣。由于這些領(lǐng)域?qū)ρ鯕獾募兌炔⑽从袊?yán)格的要求，因而富氧制取所采用的方法主要為深冷空氣分離法，該制取富氧的方法應(yīng)用時間較長，同時也在趨于成熟。盡管如此，隨著變壓吸附技術(shù)的推廣應(yīng)用，其優(yōu)勢逐漸凸顯出來。與深冷空氣分離法與之相比，在制取富氧成本和效率方面，以及制取過程方便性方面，變壓吸附技術(shù)均優(yōu)于深冷空氣分離法，因而當(dāng)前各個領(lǐng)域中都開始用變壓吸附技術(shù)代替深冷空氣分離法進行氧氣的分離提純。

當(dāng)前使用變壓吸附技術(shù)制取富氧已經(jīng)形成了較為成熟的工藝，其中以常壓和加壓吸附工藝應(yīng)用最為廣泛。對于常壓吸附而言，其壓力通常設(shè)置在0～50 kPa之間，而加壓吸附工藝壓力范圍則為0.2～0.6 MPa。常壓吸附制取富氧的能耗較高，這就需要依據(jù)實際情況調(diào)整常壓吸附制取工藝，當(dāng)對氧氣的純度要求不高時，如醫(yī)院供氧等方面的應(yīng)用便可以采用常壓吸附制取富氧。當(dāng)前兩種吸附工藝的應(yīng)用都比較多，即使是采用常壓吸附大規(guī)模制取富氧，其整體能耗也遠(yuǎn)低于深冷空氣分離法，因而采用變壓吸附技術(shù)制取富氧已成大勢所趨。

4 氯乙烯精餾尾氣的回收利用

變壓吸附技術(shù)除了制取回收提純工業(yè)有價值氣體之外，也能實現(xiàn)一些有害氣體的分離，從而使所排放過的氣體在各項指標(biāo)都符合環(huán)保方面的基本要求，這對于環(huán)境保護無疑有著很大的幫助。該方面應(yīng)用最為典型的案例便是回收利用氯乙烯的精餾尾氣，工業(yè)生產(chǎn)中氯乙烯精餾尾氣的產(chǎn)生量極大，其中包含著乙炔、氯乙烯等對環(huán)境有害的氣體，這些氣體不符合排放標(biāo)準(zhǔn)，因而必須經(jīng)過一定的處理才能最終排出。變壓吸附技術(shù)的應(yīng)用則有效地解決了這一問題，其可以對氯乙烯尾氣中的乙炔及氯乙烯進行選擇性吸附，經(jīng)該技術(shù)處理后的精餾尾氣各方面均符合清潔氣體要求，可以直接排放到空氣中，不會對環(huán)境造成污染。一般可以利用真空泵使吸附床抽空，此時附著劑上的乙炔及氯乙烯便可以脫附，后續(xù)則利用相關(guān)的裝置進行回收利用，從而在達(dá)到環(huán)保要求的同時獲取一定的經(jīng)濟效益[4]。

5 變壓吸附技術(shù)在氣體分離提純中的發(fā)展前景

目前變壓吸附技術(shù)于氣體分離提純中的應(yīng)用取得了較好的效果，在后續(xù)的發(fā)展中該技術(shù)也將不斷趨于成熟，并會在以下幾方面得到進一步提升。首先是產(chǎn)品回收率的進一步提高，當(dāng)前變壓吸附技術(shù)提純氫氣的回收率便達(dá)到了95%以上，后續(xù)仍將進一步增大，實現(xiàn)高純氣體的近乎完全回收。此外，所使用吸附劑的性能也將進一步改善，選擇性吸附將不斷增強，分離系數(shù)的提高也將降低吸附劑的使用量，從而實現(xiàn)變壓吸附技術(shù)的快速發(fā)展[5]。

6 結(jié)語

變壓吸附技術(shù)在氣體分離提純中具有十分重要的作用，其分離提純效果也是其他技術(shù)所無法比擬的。后續(xù)在工業(yè)領(lǐng)域中綜合應(yīng)用變壓吸附技術(shù)、深冷技術(shù)等，使之發(fā)揮出更好的分離提純效果。