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

1 變壓吸附氣體分離技術(shù)工藝原理

變壓吸附氣體分離技術(shù)的主要工作原理是根據(jù)氣體含有的成分，通過氣相中個別物質(zhì)在固體表面上進行壓力的變化中發(fā)生濃縮，對應(yīng)不同的氣體采取相對應(yīng)的提取方式，在壓力的變化中實現(xiàn)氣體分離或提純。吸附劑內(nèi)部對氣體分子產(chǎn)生物理吸附的效果是變壓吸附技術(shù)的根本，結(jié)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(shù)量增多，減少壓力下吸附數(shù)量降低的特點。增壓吸附、降壓解吸的循環(huán)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(shù)進行分離提純。吸附劑具有分離效果佳、解吸能力強、吸附數(shù)量多等優(yōu)點，其內(nèi)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(chǎn)生更強吸附力，極其不容易吸附低溫成分（N2、H2）等物質(zhì)及高壓下被吸附的成分，因此通過降低吸附量從而實現(xiàn)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(dāng)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(yīng)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(shù)工藝過程

變壓吸附氣體分離技術(shù)采取的工藝為多塔式結(jié)構(gòu)，主要由眾多吸附器與程序控制閥組成，PLC與DCS控制著設(shè)備的各個工藝流程。對于分系統(tǒng)中氯乙烯的分餾尾氣需歸本設(shè)備的原料氣，在相應(yīng)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(zhì)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(tǒng)進行自動化操作，每一階段的工藝步驟需根據(jù)嚴(yán)格的程序展開。在運行過程中依據(jù)分系統(tǒng)的溫度、壓力、流量、閥位控制器、吸附塔的工作狀態(tài)進行實況記錄，為避免分餾工作出現(xiàn)干擾情況自動啟動警報，提升吸附塔的吸附解吸循環(huán)工作的穩(wěn)定運行。提取設(shè)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(lián)鎖判斷故障問題，進而實現(xiàn)了錯誤工作情況的聯(lián)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(nèi)部上升氣體的速度在一定范圍內(nèi)變換，并協(xié)助吸附塔在分離過程中保持穩(wěn)定操作。不僅能夠為最后一道工序地開展做好充足的準(zhǔn)備，也能滿足其凈化回收率高達99.99%的效果。若出現(xiàn)工序變化波動較大的情況時依據(jù)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(zhì)展開調(diào)整[2]。

3 變壓吸附氣體分離技術(shù)特點

3.1 成本低

變壓吸附氣體的分離技術(shù)操作簡單且不需要大型設(shè)備的協(xié)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(shè)備正常運行，不僅滿足于氣體分離的要求同時也節(jié)省了資金開銷。

3.2 能耗低

變壓分離氣體技術(shù)采取自身特有的氣體過篩裝填技術(shù)。依據(jù)氣體分離的要求，此技術(shù)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)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(jié)能且總消耗能源偏低。

3.3 智能化

變壓分離氣體技術(shù)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(tǒng)中可根據(jù)氣體分離的需求自動識別適應(yīng)的操作命令。在一定基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)氣體分離，且減少了人力資源，從計算機系統(tǒng)強大的規(guī)模中實現(xiàn)智能化氣體分離。

3.4 個性化

變壓分離氣體技術(shù)的應(yīng)用在依照用戶的需求對氣體種類、濃度等參數(shù)進行提取。從參數(shù)設(shè)置的結(jié)果中為用戶提供個性化服務(wù)。采取此設(shè)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(shù)將分子過篩技術(shù)、裝填技術(shù)以及氣體流向控制技術(shù)相結(jié)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(shù)設(shè)備使用壽命。

4 分析變壓吸附氣體分離技術(shù)的主要應(yīng)用

4.1 變壓吸附氣體分離技術(shù)在氫氣提純方面的應(yīng)用

化工廠在生產(chǎn)初期中采取耗電量較高的電解提取氫氣的方式，每生產(chǎn)1 nm的氫氣大約每小時消耗7 kW左右電能，從而導(dǎo)致能源浪費。目前化工廠生產(chǎn)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(chǎn)成本，并且在采用變壓吸附氣體分離的技術(shù)中提取氫氣也降低了耗電量，此方式在生產(chǎn)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(shè)備由1990年武漢鋼鐵公司投資生產(chǎn)的提純氫氣變壓技術(shù)，其生產(chǎn)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(shù)鋼鐵廠陸續(xù)采取變壓吸附氣體分離技術(shù)提取高純度氫氣。變壓吸附氣體分離技術(shù)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(shù)應(yīng)用的早期階段由于缺乏有效的工藝技術(shù)，不斷回收利用吸附面層上存留的物質(zhì)。在吸附床結(jié)構(gòu)中，物質(zhì)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(nèi)未能吸附到的部分氣體在降壓中流失，進而發(fā)現(xiàn)吸附的物質(zhì)流失受壓力增大而流失得愈多。

化工廠通常采取多結(jié)構(gòu)分床變壓吸附工藝進而降低提取物損失，結(jié)合自然循環(huán)系統(tǒng)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(huán)次數(shù)的增加過程中能夠有效提升產(chǎn)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(jù)設(shè)備規(guī)模條件采取五床、十床等工藝技術(shù)。在上海石油化工廠早期生產(chǎn)時就已引用十床變壓吸附氣體分離工藝設(shè)備，其對原料能力為每小時生產(chǎn)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(xiàn)PSA提取氫氣設(shè)備已研發(fā)成功，同時也表示我國PSA技術(shù)占據(jù)世界首位。此設(shè)備在整體工藝技術(shù)中共采取以12塔分成的4組流程中實現(xiàn)12塔與6塔的隨意切換目標(biāo)，其氫氣產(chǎn)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(shù)在氧氣制作方面的應(yīng)用

冷空氣分離法是傳統(tǒng)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(guī)模地提取這些物質(zhì)，而且消耗成本極低。但眾多化工廠或廢水處理、金屬提煉、醫(yī)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(fā)現(xiàn)，分子量為60.08的分子篩在空氣中優(yōu)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(yōu)先被吸附劑吸附。當(dāng)在空氣加壓狀態(tài)下通過含水的架裝結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(dǎo)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(shè)備或獲取的氧氣一般在93%，與冷空氣分離設(shè)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(jù)解吸方法的不同進而調(diào)整，變壓吸附制氧的方法有以下兩種。

（1）PSA工藝技術(shù)

加壓吸附與常壓解吸是PSA工藝的特點。此設(shè)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(shù)

其特點表現(xiàn)在常壓或50 kPa內(nèi)吸附的環(huán)境中通過抽真空的方式解吸。比起PSA工藝技術(shù)更為復(fù)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(guī)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(shè)備技術(shù)是否符合規(guī)格的重要指標(biāo)。我國當(dāng)下規(guī)模較大的VPSA制氧設(shè)備平均耗電量低于每小時0.3千瓦生產(chǎn)每納米，與傳統(tǒng)的冷空氣制氧方式耗電量更低，所以對于產(chǎn)品純度要求不高的前提下VSPA技術(shù)更具有選擇性。

4.3 變壓吸附氣體分離技術(shù)在一氧化碳提純方面的應(yīng)用

一氧化碳作為化工廠中“碳一化學(xué)”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(chǎn)生，我國鋼產(chǎn)量有眾多轉(zhuǎn)爐煤氣尚未回收，在擴散中既損失了能量資源也造成了環(huán)境污染。轉(zhuǎn)爐煤氣以及大部分工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)品中，不僅可以降低化工廠生產(chǎn)成本，也能為化工廠創(chuàng)造經(jīng)濟效益，從而在實現(xiàn)附加值化、能源節(jié)省與環(huán)保的基礎(chǔ)上推動化工廠可持續(xù)發(fā)展。通過PSA對一氧化碳進行提純有兩種方式：一種為常規(guī)的物理吸附劑二段法，另一種為載銅化學(xué)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(fā)的技術(shù)，一段法在20世紀(jì)80年代末由日本加古川化工廠通過對轉(zhuǎn)爐氣進行研發(fā)的技術(shù)。

4.4 變壓吸附技術(shù)在二氧化碳分離、提純方面的應(yīng)用

二氧化碳氣體原料主要來自于制氫設(shè)備排放的廢氣、開采油田時伴生的氣體等。這些氣體廣泛應(yīng)用在飲料生產(chǎn)、尿素生產(chǎn)、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(shù)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(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)。

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(xué)廠采取最常見的脫碳法為干濕法兩種變壓吸附技術(shù)，其中濕法技術(shù)較為傳統(tǒng)且經(jīng)驗豐富，干法是近年來以濕法為基礎(chǔ)研發(fā)的節(jié)能技術(shù)，不僅凈化能力強、技術(shù)操作簡單，具有耗能低、成本低等特點。PSA在連續(xù)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(jié)語

由上所述，變壓吸附法作為混合氣體分離技術(shù)與凈化氣體技術(shù)最有效的方式，變壓吸附理論的研究進步與變壓技術(shù)的發(fā)展相互促進共同進步。根據(jù)理論與實驗對變壓吸附分離技術(shù)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(shù)的效果，為分離混合氣體與提純開發(fā)起到指導(dǎo)作用。伴隨著研究不斷發(fā)展的時代下，變壓吸附技術(shù)在化工行業(yè)的應(yīng)用需求量更大，變壓吸附技術(shù)不僅作為化工生產(chǎn)的主要流程，在多種變壓技術(shù)相結(jié)合的工藝下為變壓吸附氣體分離技術(shù)提供新領(lǐng)域，同時也更有利于提高工業(yè)廢氣回收利用的效率。