變壓吸附提純氣體

任飛飛

（內蒙古建豐煤化工有限責任公司,內蒙古 鄂爾多斯 017300）

1 概述

變壓吸附是對氣體混合物進行提純的工藝過程，該工藝以多孔性固體物質內表面對氣體分子的物理吸附為基礎，在兩種壓力狀態之間工作的可逆物理吸附過程。它是根據多孔性固體物質內表面對混合氣體中雜質氣體的吸附能力隨吸附壓力的減小而快速降至極小值，而對產品氣則無論是高壓或是低壓都具有較小的吸附能力的原理。變壓吸附分離混合氣體有以下特點：產品氣純度高，可達到99.9%以上的高純度[1]；工藝流程短，自動化程度高[2]；原料適應性強，對于產品含量15%～98%均可通過變壓吸附得到高純度的產品；操作彈性大，操作彈性一般可達到30%～120%；產品純度易調節，只需調整操作參數，即可得到各種不同純度的產品氣；能耗低、運行費用少，一般在常溫和中、低壓力下操作；不足之處是產品氣回收率較其他方法低一些，產品氣量相同時原料消耗較高。本論文通過研究變壓吸附工藝，深入探究壓力、溫度、原料氣流速、原料氣的量、原料氣組成等對變壓吸附制氣體中產品氣純度、回收率的影響。

2 吸附劑及變壓吸附過程

吸附劑是一種多孔性固體物質，對部分液體和氣體有較大的吸附能力。變壓吸附提純氣體混合物的效果很大程度上取決于吸附劑，所以在變壓吸附工藝中對吸附劑的選擇很重要。吸附劑有以下特點：吸附劑具有較大的比表面、吸附過程為物理吸附、可再生；機械強度大等。工業上常用的吸附劑有：硅膠、活性氧化鋁、活性炭、分子篩等。

以**化工廠變壓吸附提變換氣中氫氣為例：

本廠采用10-2-5VPSA進行變壓吸附進行連續操作。10-2-5VPSA指10塔（A～J塔）運行、2塔吸附、5次均壓，抽真空變壓吸附。10塔運行步序以A塔為例如下：

（1）吸附過程：原料氣自塔底進入吸附塔A，在吸附壓力1.2MPa（G）下，選擇吸附所有雜質，未被吸附的氫氣作為產品從塔頂經產品氣閥送至裝置外，吸附前沿到達吸附劑預留段時，停止吸附轉入再生過程。

（2）一均降壓過程：A塔與剛完成的二均升的G塔相連，直到兩塔的壓力基本相等。A塔壓力變化：1.2～0.98 MPa

（3）二均降壓過程：A塔與剛完成三均升的C塔相連進行均壓直到兩塔的壓力基本相等。壓力變化：0.98～0.76 MPa

（4）三均降壓過程：A塔與剛完成四均升的H塔相連進行均壓,直到兩塔的壓力基本相等。壓力變化：0.76～0.54 MPa

（5）四均降壓過程：A塔與剛完成五均升的D塔相連進行均壓，直到兩塔的壓力基本相等。壓力變化：0.54～0.32 MPa

（6）五均降壓過程：A塔與剛完成沖洗再生的I塔相連進行均壓，直到兩塔的壓力基本相等。壓力變化：0.32～0.10 MPa

（7）逆放過程 ：A塔壓力已降至0.1MPa（G）左右，雜質開始解吸，逆著吸附方向將吸附塔壓力降至0.02Mpa（G）左右。

（8）抽真空過程：逆著吸附方向，用真空泵對吸附塔進行抽真空，進一步降低裝置壓力至-0.08MPa，使被吸附組分從吸附劑中完全解吸出來。

（9）五均升壓過程：A塔與剛完成四均降壓的G塔相連進行均壓升壓，直到兩塔壓力基本相等。壓力變化-0.08～ 0.10 MPa

（10）四均升壓過程：A塔與剛完成三均降壓的C塔相連進行均壓升壓，直到兩塔壓力基本相等。壓力變化0.10～0.32 MPa

（11）三均升壓過程 ：A塔與剛完成二均降壓的H塔相連進行均壓升壓，直到兩塔壓力基本相等。壓力變化0.32～ 0.54 MPa

（12）二均升壓過程：A塔與剛完成一均降壓的D塔相連進行均壓升壓，直到兩塔壓力基本相等。壓力變化0.54 ～0.76 MPa

（13）一均升壓過程：A與剛完成吸附的I塔相連進行均壓升壓，直到兩塔壓力基本相等。壓力變化0.76 ～0.98 MPa

（14）產品氣升壓過程：連續五次均壓升壓過程后，A塔壓力已升至0.98MPa（G）左右，再用產品氫對吸附塔進行最后的升壓，直到使其達到吸附壓力。

3 分析變壓吸附的影響因素

變壓吸附是可逆的物理吸附過程，吸附劑對雜質氣體的吸附量隨壓力的增加而增加，剛開始時快速增加，而后增加放緩，當吸附劑接近飽和時，吸附量趨于一穩定的極大值。操作壓力越高操作費用和設備投資隨之增加[3]。因此多數大型變壓吸附將吸附壓力控制在2.0Mpa左右[2]。

進料溫度高，吸附劑的吸附能力下降，造成產品氣回收率下降、質量不合格，同時還大大的縮短吸附劑的使用壽命。而溫度太低，不利于吸附劑再生，會有部分雜質留在吸附劑內表面，隨著時間的推移會出現吸附劑雜質超載的現象。

進料中產品氣含量增加時，產品氣量和收率提高，產品氣含量低于要求值時，產品氣量和收率降低，應及時減少吸附時間或降低進料量，來降低吸附劑負荷防止造成雜質超載，影響產品氣質量甚至會導致停車。

進料流量減小時，吸附劑負荷減小提高了對混合氣體的提純效果，應延長進料時間以充分利用吸附劑，提高產品氣的收率。當進料流量增加時，吸附劑負荷增加，對混合氣體的提純效果變差，應減少進氣時間，保證產品氣純度，保護吸附劑不超載。

原料氣進入吸附器的流速過快會導致吸附劑床層的松動及少量吸附劑被粉碎，吸附劑粉末會增加吸附劑床層的阻力導致吸附器的壓降增加。并且吸附劑的粉塵可能損壞閥門閥座，堵塞儀表管線，從而使裝置的吸附效果變差，甚至導致停車。

[1]張炳標.變壓吸附-低溫分離聯合法制氫技術的應用[J].南京:江蘇省人民出版社，1997：43-47.

[2]魏璽群,陳健.低溫與特氣[J].大連:光明化工研究設計院,2002：42-48.

[3]許慶本,高健康.甘肅科技[J].蘭州:甘肅科學技術出版社,2008：32-34.