變壓吸附氣體分離技術研究進展

楊中貴，周歷科，張勇，胡旭（西南化工研究設計院有限公司，四川 成都 610225）

1 變壓吸附氣體分離技術工藝原理

變壓吸附氣體分離技術的主要工作原理是根據氣體含有的成分，通過氣相中個別物質在固體表面上進行壓力的變化中發生濃縮，對應不同的氣體采取相對應的提取方式，在壓力的變化中實現氣體分離或提純。吸附劑內部對氣體分子產生物理吸附的效果是變壓吸附技術的根本，結合吸附劑在相同壓力中吸附高溫成分，卻不容易吸附低溫組分的特點；或高壓下吸附數量增多，減少壓力下吸附數量降低的特點。增壓吸附、降壓解吸的循環就是變壓吸附的工藝流程[1]。

化工廠對與聚氯乙烯分餾尾氣的治理過程中采取吸附劑對氯乙烯的回收與乙炔的工藝技術進行分離提純。吸附劑具有分離效果佳、解吸能力強、吸附數量多等優點，其內部對于氣體分子的物理吸附面積更為廣闊，在高壓條件下容易對高溫成分（氯乙烯、乙炔）產生更強吸附力，極其不容易吸附低溫成分（N2、H2）等物質及高壓下被吸附的成分，因此通過降低吸附量從而實現低壓下被吸附成分的分離。

專用吸附劑的聚氯乙烯分餾汽車尾氣廢水中，氯乙烯、炔類等化合物用作吸收能力增強的化合物，而其余（N2、H2）化合物則用作難吸收成分。當含量較豐富的聚氯乙烯樹脂廢氣在一定壓強中通過專用吸附劑表面時，對氯乙烯與炔類等高沸點成分作為在廢氣中被吸收而需處理的原物料采用了相對應的吸附方法，低沸點組分氮、氧、儲氫材料等由活性炭廢水處置裝置的出口輸送。

2 變壓吸附氣體分離技術工藝過程

變壓吸附氣體分離技術采取的工藝為多塔式結構，主要由眾多吸附器與程序控制閥組成，PLC與DCS控制著設備的各個工藝流程。對于分系統中氯乙烯的分餾尾氣需歸本設備的原料氣，在相應壓力下通過PSA專用程序控制閥門后進入吸附器中；分餾尾氣中的強力吸附成分氯乙烯、乙炔已被專用吸附劑所吸附，弱力吸附成分N2、H2等成分通過吸附劑表層后排除已凈化的氯乙烯、乙炔物質剛好符合國際要求；最后將被吸附的乙烯、乙炔通過解吸后回收加以凈化，進而達到一箭雙雕的雙重效果。如圖1所示。

圖1 工藝流程簡圖

裝置的整個工藝過程通過可編程邏輯控制器或分散控制系統進行自動化操作，每一階段的工藝步驟需根據嚴格的程序展開。在運行過程中依據分系統的溫度、壓力、流量、閥位控制器、吸附塔的工作狀態進行實況記錄，為避免分餾工作出現干擾情況自動啟動警報，提升吸附塔的吸附解吸循環工作的穩定運行。提取設備運行中通過壓力控制器及閥位控制器反饋得到的信號聯鎖判斷故障問題，進而實現了錯誤工作情況的聯鎖保障，并有利于在線檢查修正。

采取多層符合吸附劑床，其吸附塔內部上升氣體的速度在一定范圍內變換，并協助吸附塔在分離過程中保持穩定操作。不僅能夠為最后一道工序地開展做好充足的準備，也能滿足其凈化回收率高達99.99%的效果。若出現工序變化波動較大的情況時依據原料氣流量，為保證凈化回收效果不受影響進而對氯乙烯、乙炔等物質展開調整[2]。

3 變壓吸附氣體分離技術特點

3.1 成本低

變壓吸附氣體的分離技術操作簡單且不需要大型設備的協助，在一定程度上降低了成本。只需通過更新吸附劑就可保證變壓分離設備正常運行，不僅滿足于氣體分離的要求同時也節省了資金開銷。

3.2 能耗低

變壓分離氣體技術采取自身特有的氣體過篩裝填技術。依據氣體分離的要求，此技術設備能夠實現回收利用、提取氣體等功能，并有效完成氣體分離操作。整個流程中不僅節能且總消耗能源偏低。

3.3 智能化

變壓分離氣體技術更多的采用人工智能機械展開處理，用戶在計算機操作系統中可根據氣體分離的需求自動識別適應的操作命令。在一定基礎上能夠實現氣體分離，且減少了人力資源，從計算機系統強大的規模中實現智能化氣體分離。

3.4 個性化

變壓分離氣體技術的應用在依照用戶的需求對氣體種類、濃度等參數進行提取。從參數設置的結果中為用戶提供個性化服務。采取此設備能夠在智能化提取中滿足用戶需求。

3.5 使用壽命長

變壓分離氣體技術將分子過篩技術、裝填技術以及氣體流向控制技術相結合。在一定條件下不僅能夠有效抵抗氣流壓力的沖擊，同時也降低了分子過篩時的磨損程度，并維護了分離氣體技術設備使用壽命。

4 分析變壓吸附氣體分離技術的主要應用

4.1 變壓吸附氣體分離技術在氫氣提純方面的應用

化工廠在生產初期中采取耗電量較高的電解提取氫氣的方式，每生產1 nm的氫氣大約每小時消耗7 kW左右電能，從而導致能源浪費。目前化工廠生產富含豐富的氫氣原料，比如：煉油廠尾氣、合成氨弛放氣等多種氣源，并且能夠從中提純氫氣，在一定程度上降低了生產成本，并且在采用變壓吸附氣體分離的技術中提取氫氣也降低了耗電量，此方式在生產1 nm的氫氣大約每小時消耗500 W左右電能。

我國的第一套吸附設備由1990年武漢鋼鐵公司投資生產的提純氫氣變壓技術，其生產氫氣的能力為每小時1 000 nm，提取純度高達99.999%。自武漢鋼鐵廠后我國多數鋼鐵廠陸續采取變壓吸附氣體分離技術提取高純度氫氣。變壓吸附氣體分離技術的工藝在氫氣提取中，吸附壓力普遍在2 MPa左右。在變壓技術應用的早期階段由于缺乏有效的工藝技術，不斷回收利用吸附面層上存留的物質。在吸附床結構中，物質在第一個吸附床中被吸附后，從第二張吸附床中再生，在一定時間的相互替換中，吸附床內未能吸附到的部分氣體在降壓中流失，進而發現吸附的物質流失受壓力增大而流失得愈多。

化工廠通常采取多結構分床變壓吸附工藝進而降低提取物損失，結合自然循環系統與順向防壓兩種模式對吸附床中未能吸附到的成分進行回收吸附。一般情況下，在自然循環次數的增加過程中能夠有效提升產品回收率，采取四層吸附床分層提取成分純度高達99.99%，氫氣的回收率為77.5%。除四層吸附床工藝外，可依據設備規模條件采取五床、十床等工藝技術。在上海石油化工廠早期生產時就已引用十床變壓吸附氣體分離工藝設備，其對原料能力為每小時生產74 530 nm，吸附壓力約2.5 MPa，氫氣提取的純度高達99.9%，回收率達85%。如今在國家能源集團—神華集團煤制油項目中實現PSA提取氫氣設備已研發成功，同時也表示我國PSA技術占據世界首位。此設備在整體工藝技術中共采取以12塔分成的4組流程中實現12塔與6塔的隨意切換目標，其氫氣產量達到每小時280 nm，處理氣體容量每小時340 nm，提取氫氣的純度高達99.9%，回收利用率超過90%。

4.2 變壓吸附氣體分離技術在氧氣制作方面的應用

冷空氣分離法是傳統的制氧方式，同時也可以提取高純度的氧氣、氮氣、氫氣和低溫液體，不僅可以大規模地提取這些物質，而且消耗成本極低。但眾多化工廠或廢水處理、金屬提煉、醫用氧氣等場合并不需要純度極高地氧氣，因此對冷空氣分離法進行深入研究進而獲取更簡便地方式提取氣體中超過21%的氧含量。在進行多孔分子篩的研究中發現，分子量為60.08的分子篩在空氣中優先吸附氮元素，這時便考慮分子篩分離氧、氮氣體的可能性。

氮與氧作為空氣中的主要成分，氮與氧都含有微電子，氮元素含有的微電子為0.031 nm，而氧元素含有的微電子只有0.01 nm，因此氮氣優先被吸附劑吸附。當在空氣加壓狀態下通過含水的架裝結構鋁硅鹽酸礦物分子篩吸附劑的吸附床體時，充分的吸收氮氣后流出吸附床，實現氧氣與氮氣的分離且收獲到富氧。而氬氣與氧氣的沸點相差不大，導致兩者很難分離，在混合氣相中得到富集，使得變壓器吸附制氧設備或獲取的氧氣一般在93%，與冷空氣分離設備提取到99.5%以上的氧含量相比，也稱之為富氧。

在氮氧元素分離的過程中隨壓力的降低而提升分離的效率，所以變壓吸附法制取氧的過程中需根據解吸方法的不同進而調整，變壓吸附制氧的方法有以下兩種。

（1）PSA工藝技術

加壓吸附與常壓解吸是PSA工藝的特點。此設備操作簡單，且消耗成本低，但氧氣提取效率偏低、能量消耗較高，僅僅使用于小于每小時200 m的場所。

（2）VSPA工藝技術

其特點表現在常壓或50 kPa內吸附的環境中通過抽真空的方式解吸。比起PSA工藝技術更為復雜，雖然這種分離方式需投入高成本，但其效率高且能源消耗低，比較適用于大規模制氧場所。電能消耗決定了VPSA制氧成本，同時也是衡量制氧設備技術是否符合規格的重要指標。我國當下規模較大的VPSA制氧設備平均耗電量低于每小時0.3千瓦生產每納米，與傳統的冷空氣制氧方式耗電量更低，所以對于產品純度要求不高的前提下VSPA技術更具有選擇性。

4.3 變壓吸附氣體分離技術在一氧化碳提純方面的應用

一氧化碳作為化工廠中“碳一化學”的基本原料，一般從煤、石油、天然氣通過凈化獲取。一般采取此元素制造甲醇、甲酸、草酸、脂肪酸以及多種分子里含有官能團羥基的醇類和酚類化合物。鋼鐵廠擁有含量豐富的高爐煤氣，大部分煤氣是由鋼鐵廠自身燃燒產生，我國鋼產量有眾多轉爐煤氣尚未回收，在擴散中既損失了能量資源也造成了環境污染。轉爐煤氣以及大部分工業生產排放的尾氣中含有大量的一氧化碳元素，并且大部分都未采取回收利用的措施。若將排放出來的尾氣進行提純并再用于一氧化碳化工產品中，不僅可以降低化工廠生產成本，也能為化工廠創造經濟效益，從而在實現附加值化、能源節省與環保的基礎上推動化工廠可持續發展。通過PSA對一氧化碳進行提純有兩種方式：一種為常規的物理吸附劑二段法，另一種為載銅化學吸附劑提純法。物理吸附劑二段法由1990年末德國林德公司研發的技術，一段法在20世紀80年代末由日本加古川化工廠通過對轉爐氣進行研發的技術。

4.4 變壓吸附技術在二氧化碳分離、提純方面的應用

二氧化碳氣體原料主要來自于制氫設備排放的廢氣、開采油田時伴生的氣體等。這些氣體廣泛應用在飲料生產、尿素生產、焊接保護等場所。除硫化物以外的混合物中二氧化碳是一種具有強吸附能力成分，采取變壓吸附法吸附二氧化碳元素與制氫技術不同，二氧化碳在吸附過程中被存留在吸附床中，從吸附相中獲取元素。采取0.6 MPa的壓力進行變壓吸附二氧化碳分離法，生產出的二氧化碳純度高于99.5%，同時對源氣進行加工凈化，最終提取到二氧化碳不僅在一定程度上減少污染，而且提取到的二氧化碳符合國家對食品安全的標準。

變壓吸附回收二氧化碳最為重要的用途是合成氨氣體中的脫碳工序。合成氨化學廠采取最常見的脫碳法為干濕法兩種變壓吸附技術，其中濕法技術較為傳統且經驗豐富，干法是近年來以濕法為基礎研發的節能技術，不僅凈化能力強、技術操作簡單，具有耗能低、成本低等特點。PSA在連續處理原料氣體中獲取二氧化碳至少需要兩個以上的吸附塔進行提取。

5 結語

由上所述，變壓吸附法作為混合氣體分離技術與凈化氣體技術最有效的方式，變壓吸附理論的研究進步與變壓技術的發展相互促進共同進步。根據理論與實驗對變壓吸附分離技術進行研究探討，在加深理解的過程中，提升混合氣體分離與提純技術的效果，為分離混合氣體與提純開發起到指導作用。伴隨著研究不斷發展的時代下，變壓吸附技術在化工行業的應用需求量更大，變壓吸附技術不僅作為化工生產的主要流程，在多種變壓技術相結合的工藝下為變壓吸附氣體分離技術提供新領域，同時也更有利于提高工業廢氣回收利用的效率。