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1、变压吸附技术的应用争论与前景涂适 1132236摘要：文章论述了变压吸附的根本原理，表达了变压吸附的特点，变压吸附剂的再生以及变压吸附技术在工业上的应用，最终谈到了变压吸附技术的市场前景。关键词：变压吸附 吸附剂 煤层气 空分制氧引言变压吸附技术Pressure Swing Adsorption.简称 PSA是近几十年来在工业上崛起的气体分别技术, 是物理化学渗流理论在工业上的具体应用。1942 年德国发表了第一篇无热吸附净化空气的专利文献, 20 世纪 60 年月初, 美国联合碳化物公司(UCC )首次承受变压吸附技术从含氢废气中提纯氢气获得成功1。变压吸附行业是气体分别设备行业的重要组成局
2、部,我国从上世纪 70 年月就开头对变压吸附技术进展研发，到上世纪90 年月中期有了快速进展。进入 21 世纪，变压吸附已经形成一个重要产业，涌现出一批如四川天一、北大先锋科、温州瑞气等为代表的优秀企业。1 变压吸附根本原理变压吸附法利用吸附剂对吸附质在不同的分压下具有不同的吸附容量、吸附速度和吸附力, 并且在肯定压力下对被分别的气体混合物的各组分有选择吸附的特性 2, 加压吸附除去原料气中的杂质组分, 减压脱附这些杂质而使吸附剂获得再生3。变压吸附应用于煤层气中 CH4 和 N2 分别，既可以通过平衡效应得到，又可以通过动力学效应得到。1平衡效应的变压吸附，基于平衡效应的PSA 是利用不同分
3、子在吸附剂上平衡吸附量的差异进展分别，大多数变压吸附分别过程都是基于平衡效应来完成的4。PSA 分别提纯煤层气，CH4 是强吸附组分，在解吸气中获得，除了受到平衡量的限制，吸附剂的再生也有肯定的难度。鉴于变压吸附工艺已经成熟，争论者们在吸附剂的改性方面也做了大量的争论工作，期望以此提高CH4 和 N2 的分别系数进展分别。2动力学效应的变压吸附，基于动力学效应的 PSA 是依据分子集中进入吸附剂孔内的速率不同，适中选择吸附时间掌握目标组分和非目标组分的吸附量来实现分别。鉴于吸附平衡效应分别CH4/N2 面临困难，而CH4 和 N2 分子存在较小、但可操作的动力学直径差异，CH4 动力学直径为
4、0.382nm，N2 动力学直径为 0.368nm，科研人员将关注目光投到了利用吸附动力学效应进展分别5。到目前为止，在已应用的吸附分别技术中，除了用5A 沸石从异烷烃和环烷烃中分别正烷烃、用3A 沸石进展枯燥是利用位阻效应分别和用炭分子筛分别空气是动力学分别之外，其它的PSA 过程都是混合气体通过在吸附柱上产生气体平衡或竞争吸附来完成气体分别的6-9。2 变压吸附的特点变压吸附技术在石油、化工、冶金、电子、国防、医疗、环境保护等方面得到了广泛的应用, 与其它气体分别技术相比, 变压吸附技术具有以下优点: 低能耗。变压吸附工艺适应的压力范围较广, 一些有压气源可以省去再次加压的能耗。变压吸附在
5、常温下操作, 可以省去加热或冷却的能耗。产品纯度高且可敏捷调整。如变压吸附制氢, 产品纯度可达 99. 999%, 并可依据工艺条件的变化, 在较大范围内随便调整产品氢的纯度10。 工艺流程简洁, 可实现多种气体的分别, 对水、硫化物、氨、烃类等杂质有较强的承受力量, 无需简单的预处理工序。装置由计算机掌握, 自动化程度高, 操作便利, 每班只需稍加巡察即可, 装置可以实现全自动操作。开停车简洁快速, 通常开车半小时左右就可得到合格产品,数分钟就可完成停车。装置调整力量强, 操作弹性大。变压吸附装置稍加调整就可以转变生产负荷, 而且在不同负荷下生产时产品质量可以保持不变, 仅回收率稍有变化。变
6、压吸附装置对原料气中杂质含量和压力等条件转变也有很强的适应力量,调整范围很宽。投资小, 操作费用低, 维护简洁,检修时间少, 开工率高。 吸附剂使用周期长。一般可以使用10 年以上。装置牢靠性高。变压吸附装置通常只有程序掌握阀是运动部件, 其使用寿命长, 故障率极低, 而且由于计算机专家诊断系统的开发应用, 具有故障自动诊断、吸附塔自动切换等功能, 使装置的牢靠性进一步提高。环境效益好。除因原料气的特性外, 变压吸附装置的运行不会造成的环境污染, 几乎无“三废”产生。3. 变压吸附中吸附剂的再生为了能使吸附分别法经济地实现, 除了吸附剂要有良好的吸附性能以外, 吸附剂的再生方法具有关键意义。吸
7、附剂的再生程度打算产品的纯度, 也影响吸附床对原料的处理量, 吸附剂的再生时间打算了吸附循环周期的长短, 从而也打算了吸附剂用量的大小。因此能否找到一种适宜的再生方法, 往往对吸附法的工业化起打算性影响。变压吸附工艺常用的吸附剂再生方法有以下四种:1. 降压解吸: 把吸附床由较高压力降到较低压力, 使被吸附组分的分压相应降低, 也可收到肯定的再生效果。这个方法的最大优点是它的步骤简洁; 但由于死空间气体中产品组分常因不能回收而损失, 同时吸附剂的再生纯度也常达不到要求,所以一般不单独使用, 而要同其他方法协作11。2 .冲洗解吸: 此法用纯产品气或其它适当气体冲洗需要再生的吸附剂。吸附剂再生纯
8、度打算于冲洗气用量和其中杂质组分含量。3 .真空解吸: 在吸附床压力降到大气压后, 为了进一步减小杂质组分的分压, 可用抽真空的方法来降低吸附床总压力, 以得到更好的再生效果。但这个方法能量消耗比较大, 而且对易燃易爆气体简洁造成事故, 不过由于冲洗气用量可大大削减, 所以用这个方法提取率可以高些。冲洗和真空解吸法只能用于杂质组分吸附力不太强的场合, 亦即在操作条件下它的吸附容量与压力成正比的场合。4 . 置换解吸: 对于难解吸的吸附质, 可以用一种吸附力比它略强或略弱的组分( 解吸介质) 来把它从吸附剂上置换下来。由于被吸附物质是同解吸介质一起流出的, 所以要求他们之间某一方面的性质( 如沸
9、点等) 差异比较大以便于分别。常用的解吸介质吸附力比吸附质略弱, 这样在重吸附时吸附质可又把解吸介质从吸附剂上冲洗下来。这种方法适用于产品组分吸附力量强而杂质组分吸附力量较弱的状况, 例如用在从非直链烃中分别直链烃和从裂解气中分别烯烃。4. 变压吸附技术的应用目前, 变压吸附技术已推广应用到以下领域: 氢气的分别与提纯; 二氧化碳的分别与提纯; 一氧化碳的分别和提纯; 空气分别制氧; 空气分别制氮; 变换气脱碳;废气综合利用; CH /N 气体混合物的分别; 从煤矿瓦斯气浓缩甲烷;从富含乙烯42的混合气中浓缩乙烯等。不同产品的分别技术承受不同的吸附剂和工艺, 其中氢气的分别提纯是变压吸附技术中
10、最早实现工业化的领域。变压吸附提氢装置所承受的气源分为两类, 一类是以煤、自然气、重油为原料气或用甲醇、氨裂解制备的含氢气源; 另一类为各种工业生产过程中产生的含氢尾气, 如炼油厂含氢尾气、合成氨弛放气、炭黑尾气、DMF 尾气、甲醛及甲醇尾气等。一般而言, 含氢气 30% 以上的混合气可作为变压吸附提纯氢气的气源。从工业废气中回收氢气是合成氨厂普遍承受的节能措施, 回收的氢气用于生产比氨产值高得多的化工产品, 如双氧水、硬化油、甲醇、山梨醇、人工黄油等。目前有200 余套从各种工业废气中提纯氢气的变压吸附装置投入使用12。氢气是冶金工业中重要的保护气, 主要用作硅钢及其他特别钢材的退火保护。早
11、期的保护用氢气均由高电耗的电解法供给。钢厂有丰富的含氢气源(如焦炉煤气), 第一套从焦炉气中提纯氢气的变压吸附装置于1990 年在武汉钢铁公司建成投产, 氢气生产力量为 1000m3 /h, 纯度达 99.999% , 用作硅钢片光亮退火的保护气。原电解法制氢装置耗电 67 kWh /m3, 变压吸附法从焦炉气中提纯氢气仅为0. 5 kWh /m3。继武汉钢铁公司之后, 我国几大钢铁企业如鞍山钢铁公司、本溪钢铁公司、攀枝花钢铁公司等纷纷承受变压吸附技术取代电解法制氢。在石油炼制过程需要大量氢气, 同时石油加工过程中又产生大量含氢尾气, 如加氢裂化尾气、催化重整副产气、回炼渣油的催化裂化干气等,
12、 这些尾气有很大的回收价值。用于石油工业的变压吸附提氢装置规模较大, 原料气处理力量一般在 1 万 Nm3 /h 以上, 国外最大的变压吸附制氢装置处理气量已超过 10 万 Nm3 /h13。辽阳石油化纤公司特油厂引进德国林德股份10 床变压吸附掌握技术、阀架和吸附剂14 。林德变压吸附技术具有其独特的掌握功能和相当高的生产敏捷性, 掌握承受挨次掌握和模拟掌握相结合, 自动化程度高, 并具有智能化等特点。开停工及正常生产过程中安全牢靠, 具有世界 20 世纪 90 年月先进水平。该工艺的原理是: 依据吸附剂中对变换气各组分的吸附力不同, 对进料自下而上有选择地吸附杂质, 提纯氢气。5. 变压吸
13、附分别技术推广应用的前景变压吸附法是从混合气中分别和净化气体的有效方法，以其明显的优势倍受青睐。变压吸附分别技术的应用领域现已拓展至 N2/CH4、CO2/CH4、CO/N2 及Ar/空气的分别。其进展方向是：能同时分别两种以上工业上有价值的产品；削减吸附剂的用量；提高设备的生产能力；在保证产品纯度的同时增加产品回收率，并降低生产单位产品所需能量的消耗；承受一套装置，同时生产多种产品的PSA 技术；PSA 技术与深冷技术或膜技术相结合推出复合型分别技术15，甚至还可以推广到提高地下煤层气抽放率的注入增产法方面16。变压吸附技术市场潜力巨大，其中变压吸附技术在聚氯乙烯PVC尾气的净化回收、煤层气
14、制氢及空分制氧等领域的应用17，在业内尤其引人关注。PVC 尾气净化PVC 装置排放尾气中的氯乙烯，假设被人体呼吸后，会引起不同器官及组织的急慢性中毒， 国际有关组织已把氯乙烯确认为致癌物质18。国内现有近 100 家 PVC 生产厂，几乎都存在尾气排放问题，以一个中等PVC 生产厂为例，每年就排放氯乙烯 1300 吨。如何对PVC 尾气进展净化回收，成为业界共同面临的环保难题19。四川天一科技股份抓住这一环保难 题，组织科研人员承受变压吸附分别技术净化回收氯乙烯尾气。他们研制的对氯乙烯和乙炔 的吸附容量大、选择性好、组分间分别系数大的专用吸附剂，在回收氯乙烯的同时也可回收 尾气中的乙炔。现场
15、测线试验证明，经过变压吸附处理后的回收气中氯乙烯和乙炔的回收率 均大于 99.9%，净化后排放尾气中氯乙烯的含量小于36mg/m3， 乙炔含量小于 120mg/m3，到达国际标准。目前，该技术成果已在山西太化集团、广西南宁化工公司等企业进展工业应用， 技术经济指标全部到达设计要求，装置运行不到一年时间就全部收回了投资。煤层气制氢煤层气是富含甲烷的气体，也是一种清洁燃料。在煤炭开采过程中，为保证安全生产， 我国从井下大量抽放煤层气。但受技术所限，得到的煤层气浓度仅为30% 60%， 民用数量有限， 发电效率又低，因此抽出来的煤层气大都排入大气，污染环境又铺张资源。西南化工争论设计院的专家们对此提
16、出，将煤层气转化为氢气产品，即利用煤层气中的氧与甲烷 的燃烧反响热，使甲烷与水蒸气发生转化反响20，得到含氢、一氧化碳、二氧化碳和氮的混 合气，然后通过变压吸附一次除去全部杂质而得纯氢。用煤层气制氢，既可为氢石油化工、化工、冶金、电子、食品、机械、轻工、能源等行业供给廉价的氢源，也解决了煤层气排放造成的环境问题21。中小型空分制氧变压吸附空分制氧技术以其能耗低、投资少、规模敏捷、自动化程度高等优势，逐步成 为中小型空分制氧的主要方法22。目前，变压吸附空分制氧正在向规模的大型化、微型化及 高纯度三个方向进展，其中微型化进展格外快速，尤其是在低压下使压缩机的排气量得到很 大提高。型锂分子筛的应用
17、、节能技术开发也为制氧机微型化供给了强有力的技术支撑。北京科技大学的专家在对微型变压吸附制氧机系统分析的根底上提出，要解决四大关键技术23：一是型高效的专用压缩机。即需要排气量小、能耗低、体积小而排气压力不太高的压缩机；二是高效专用吸附剂。吸附剂是变压吸附制氧技术的核心，承受吸附容量大、分别系 数高、所需压力小的锂分子筛可削减吸附剂用量，从而减小制氧机的体积24；三是节能工艺。降低系统的能耗可以降低压缩机的功率，而提高氧气回收率是降低能耗的重要途径，也是变 压吸附制氧工艺的争论重点。四是优化吸附塔、制氧机构造及外观。据介绍，微型变压吸附制氧机与其它小型制氧设备相比，安全牢靠、使用便利、经济实惠
18、、可连续供氧，适用于医院、宾馆、氧吧及家庭，成为医疗保健的主要供氧设备。有专家认为，微型变压吸附制氧机将成为广泛应用的家电产品。参考文献：1 郑黎，周丽莉. 变压吸附气体分别技术应用及展望J.河南化工，2023,278：1.2 Douglas M.Ruthven, Shamsuzzaman Farooq KentS Knaebel. Pressure Swing AdsorptionM. 美国：VCH Publishers, 1994:5.3 王燕，黄子川，程月玲. 变压吸附技术在气体分别提纯中的应用J.河南化工，2023,2510：2.4 任英. 二次活化制备炭分子筛D上海：同济大学化学系，
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