变压吸附气体分离技术研究进展

杨中贵，周历科，张勇，胡旭（西南化工研究设计院有限公司，四川 成都 610225）

1 变压吸附气体分离技术工艺原理

变压吸附气体分离技术的主要工作原理是根据气体含有的成分，通过气相中个别物质在固体表面上进行压力的变化中发生浓缩，对应不同的气体采取相对应的提取方式，在压力的变化中实现气体分离或提纯。吸附剂内部对气体分子产生物理吸附的效果是变压吸附技术的根本，结合吸附剂在相同压力中吸附高温成分，却不容易吸附低温组分的特点；或高压下吸附数量增多，减少压力下吸附数量降低的特点。增压吸附、降压解吸的循环就是变压吸附的工艺流程[1]。

化工厂对与聚氯乙烯分馏尾气的治理过程中采取吸附剂对氯乙烯的回收与乙炔的工艺技术进行分离提纯。吸附剂具有分离效果佳、解吸能力强、吸附数量多等优点，其内部对于气体分子的物理吸附面积更为广阔，在高压条件下容易对高温成分（氯乙烯、乙炔）产生更强吸附力，极其不容易吸附低温成分（N2、H2）等物质及高压下被吸附的成分，因此通过降低吸附量从而实现低压下被吸附成分的分离。

专用吸附剂的聚氯乙烯分馏汽车尾气废水中，氯乙烯、炔类等化合物用作吸收能力增强的化合物，而其余（N2、H2）化合物则用作难吸收成分。当含量较丰富的聚氯乙烯树脂废气在一定压强中通过专用吸附剂表面时，对氯乙烯与炔类等高沸点成分作为在废气中被吸收而需处理的原物料采用了相对应的吸附方法，低沸点组分氮、氧、储氢材料等由活性炭废水处置装置的出口输送。

2 变压吸附气体分离技术工艺过程

变压吸附气体分离技术采取的工艺为多塔式结构，主要由众多吸附器与程序控制阀组成，PLC与DCS控制着设备的各个工艺流程。对于分系统中氯乙烯的分馏尾气需归本设备的原料气，在相应压力下通过PSA专用程序控制阀门后进入吸附器中；分馏尾气中的强力吸附成分氯乙烯、乙炔已被专用吸附剂所吸附，弱力吸附成分N2、H2等成分通过吸附剂表层后排除已净化的氯乙烯、乙炔物质刚好符合国际要求；最后将被吸附的乙烯、乙炔通过解吸后回收加以净化，进而达到一箭双雕的双重效果。如图1所示。

图1 工艺流程简图

装置的整个工艺过程通过可编程逻辑控制器或分散控制系统进行自动化操作，每一阶段的工艺步骤需根据严格的程序展开。在运行过程中依据分系统的温度、压力、流量、阀位控制器、吸附塔的工作状态进行实况记录，为避免分馏工作出现干扰情况自动启动警报，提升吸附塔的吸附解吸循环工作的稳定运行。提取设备运行中通过压力控制器及阀位控制器反馈得到的信号联锁判断故障问题，进而实现了错误工作情况的联锁保障，并有利于在线检查修正。

采取多层符合吸附剂床，其吸附塔内部上升气体的速度在一定范围内变换，并协助吸附塔在分离过程中保持稳定操作。不仅能够为最后一道工序地开展做好充足的准备，也能满足其净化回收率高达99.99%的效果。若出现工序变化波动较大的情况时依据原料气流量，为保证净化回收效果不受影响进而对氯乙烯、乙炔等物质展开调整[2]。

3 变压吸附气体分离技术特点

3.1 成本低

变压吸附气体的分离技术操作简单且不需要大型设备的协助，在一定程度上降低了成本。只需通过更新吸附剂就可保证变压分离设备正常运行，不仅满足于气体分离的要求同时也节省了资金开销。

3.2 能耗低

变压分离气体技术采取自身特有的气体过筛装填技术。依据气体分离的要求，此技术设备能够实现回收利用、提取气体等功能，并有效完成气体分离操作。整个流程中不仅节能且总消耗能源偏低。

3.3 智能化

变压分离气体技术更多的采用人工智能机械展开处理，用户在计算机操作系统中可根据气体分离的需求自动识别适应的操作命令。在一定基础上能够实现气体分离，且减少了人力资源，从计算机系统强大的规模中实现智能化气体分离。

3.4 个性化

变压分离气体技术的应用在依照用户的需求对气体种类、浓度等参数进行提取。从参数设置的结果中为用户提供个性化服务。采取此设备能够在智能化提取中满足用户需求。

3.5 使用寿命长

变压分离气体技术将分子过筛技术、装填技术以及气体流向控制技术相结合。在一定条件下不仅能够有效抵抗气流压力的冲击，同时也降低了分子过筛时的磨损程度，并维护了分离气体技术设备使用寿命。

4 分析变压吸附气体分离技术的主要应用

4.1 变压吸附气体分离技术在氢气提纯方面的应用

化工厂在生产初期中采取耗电量较高的电解提取氢气的方式，每生产1 nm的氢气大约每小时消耗7 kW左右电能，从而导致能源浪费。目前化工厂生产富含丰富的氢气原料，比如：炼油厂尾气、合成氨弛放气等多种气源，并且能够从中提纯氢气，在一定程度上降低了生产成本，并且在采用变压吸附气体分离的技术中提取氢气也降低了耗电量，此方式在生产1 nm的氢气大约每小时消耗500 W左右电能。

我国的第一套吸附设备由1990年武汉钢铁公司投资生产的提纯氢气变压技术，其生产氢气的能力为每小时1 000 nm，提取纯度高达99.999%。自武汉钢铁厂后我国多数钢铁厂陆续采取变压吸附气体分离技术提取高纯度氢气。变压吸附气体分离技术的工艺在氢气提取中，吸附压力普遍在2 MPa左右。在变压技术应用的早期阶段由于缺乏有效的工艺技术，不断回收利用吸附面层上存留的物质。在吸附床结构中，物质在第一个吸附床中被吸附后，从第二张吸附床中再生，在一定时间的相互替换中，吸附床内未能吸附到的部分气体在降压中流失，进而发现吸附的物质流失受压力增大而流失得愈多。

化工厂通常采取多结构分床变压吸附工艺进而降低提取物损失，结合自然循环系统与顺向防压两种模式对吸附床中未能吸附到的成分进行回收吸附。一般情况下，在自然循环次数的增加过程中能够有效提升产品回收率，采取四层吸附床分层提取成分纯度高达99.99%，氢气的回收率为77.5%。除四层吸附床工艺外，可依据设备规模条件采取五床、十床等工艺技术。在上海石油化工厂早期生产时就已引用十床变压吸附气体分离工艺设备，其对原料能力为每小时生产74 530 nm，吸附压力约2.5 MPa，氢气提取的纯度高达99.9%，回收率达85%。如今在国家能源集团—神华集团煤制油项目中实现PSA提取氢气设备已研发成功，同时也表示我国PSA技术占据世界首位。此设备在整体工艺技术中共采取以12塔分成的4组流程中实现12塔与6塔的随意切换目标，其氢气产量达到每小时280 nm，处理气体容量每小时340 nm，提取氢气的纯度高达99.9%，回收利用率超过90%。

4.2 变压吸附气体分离技术在氧气制作方面的应用

冷空气分离法是传统的制氧方式，同时也可以提取高纯度的氧气、氮气、氢气和低温液体，不仅可以大规模地提取这些物质，而且消耗成本极低。但众多化工厂或废水处理、金属提炼、医用氧气等场合并不需要纯度极高地氧气，因此对冷空气分离法进行深入研究进而获取更简便地方式提取气体中超过21%的氧含量。在进行多孔分子筛的研究中发现，分子量为60.08的分子筛在空气中优先吸附氮元素，这时便考虑分子筛分离氧、氮气体的可能性。

氮与氧作为空气中的主要成分，氮与氧都含有微电子，氮元素含有的微电子为0.031 nm，而氧元素含有的微电子只有0.01 nm，因此氮气优先被吸附剂吸附。当在空气加压状态下通过含水的架装结构铝硅盐酸矿物分子筛吸附剂的吸附床体时，充分的吸收氮气后流出吸附床，实现氧气与氮气的分离且收获到富氧。而氩气与氧气的沸点相差不大，导致两者很难分离，在混合气相中得到富集，使得变压器吸附制氧设备或获取的氧气一般在93%，与冷空气分离设备提取到99.5%以上的氧含量相比，也称之为富氧。

在氮氧元素分离的过程中随压力的降低而提升分离的效率，所以变压吸附法制取氧的过程中需根据解吸方法的不同进而调整，变压吸附制氧的方法有以下两种。

（1）PSA工艺技术

加压吸附与常压解吸是PSA工艺的特点。此设备操作简单，且消耗成本低，但氧气提取效率偏低、能量消耗较高，仅仅使用于小于每小时200 m的场所。

（2）VSPA工艺技术

其特点表现在常压或50 kPa内吸附的环境中通过抽真空的方式解吸。比起PSA工艺技术更为复杂，虽然这种分离方式需投入高成本，但其效率高且能源消耗低，比较适用于大规模制氧场所。电能消耗决定了VPSA制氧成本，同时也是衡量制氧设备技术是否符合规格的重要指标。我国当下规模较大的VPSA制氧设备平均耗电量低于每小时0.3千瓦生产每纳米，与传统的冷空气制氧方式耗电量更低，所以对于产品纯度要求不高的前提下VSPA技术更具有选择性。

4.3 变压吸附气体分离技术在一氧化碳提纯方面的应用

一氧化碳作为化工厂中“碳一化学”的基本原料，一般从煤、石油、天然气通过净化获取。一般采取此元素制造甲醇、甲酸、草酸、脂肪酸以及多种分子里含有官能团羟基的醇类和酚类化合物。钢铁厂拥有含量丰富的高炉煤气，大部分煤气是由钢铁厂自身燃烧产生，我国钢产量有众多转炉煤气尚未回收，在扩散中既损失了能量资源也造成了环境污染。转炉煤气以及大部分工业生产排放的尾气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。若将排放出来的尾气进行提纯并再用于一氧化碳化工产品中，不仅可以降低化工厂生产成本，也能为化工厂创造经济效益，从而在实现附加值化、能源节省与环保的基础上推动化工厂可持续发展。通过PSA对一氧化碳进行提纯有两种方式：一种为常规的物理吸附剂二段法，另一种为载铜化学吸附剂提纯法。物理吸附剂二段法由1990年末德国林德公司研发的技术，一段法在20世纪80年代末由日本加古川化工厂通过对转炉气进行研发的技术。

4.4 变压吸附技术在二氧化碳分离、提纯方面的应用

二氧化碳气体原料主要来自于制氢设备排放的废气、开采油田时伴生的气体等。这些气体广泛应用在饮料生产、尿素生产、焊接保护等场所。除硫化物以外的混合物中二氧化碳是一种具有强吸附能力成分，采取变压吸附法吸附二氧化碳元素与制氢技术不同，二氧化碳在吸附过程中被存留在吸附床中，从吸附相中获取元素。采取0.6 MPa的压力进行变压吸附二氧化碳分离法，生产出的二氧化碳纯度高于99.5%，同时对源气进行加工净化，最终提取到二氧化碳不仅在一定程度上减少污染，而且提取到的二氧化碳符合国家对食品安全的标准。

变压吸附回收二氧化碳最为重要的用途是合成氨气体中的脱碳工序。合成氨化学厂采取最常见的脱碳法为干湿法两种变压吸附技术，其中湿法技术较为传统且经验丰富，干法是近年来以湿法为基础研发的节能技术，不仅净化能力强、技术操作简单，具有耗能低、成本低等特点。PSA在连续处理原料气体中获取二氧化碳至少需要两个以上的吸附塔进行提取。

5 结语

由上所述，变压吸附法作为混合气体分离技术与净化气体技术最有效的方式，变压吸附理论的研究进步与变压技术的发展相互促进共同进步。根据理论与实验对变压吸附分离技术进行研究探讨，在加深理解的过程中，提升混合气体分离与提纯技术的效果，为分离混合气体与提纯开发起到指导作用。伴随着研究不断发展的时代下，变压吸附技术在化工行业的应用需求量更大，变压吸附技术不仅作为化工生产的主要流程，在多种变压技术相结合的工艺下为变压吸附气体分离技术提供新领域，同时也更有利于提高工业废气回收利用的效率。