空氣預(yù)純化的技術(shù)研究進(jìn)展

王浩宇，劉應(yīng)書，楊雄

（1北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京100083；2北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院，北京100023）

隨著工業(yè)現(xiàn)代化造成的污染不斷加劇，很多空分設(shè)備所處環(huán)境中空氣雜質(zhì)含量偏高，表1所示為空氣中主要雜質(zhì)的成分、含量及對(duì)空分設(shè)備的危害[1]。在空氣分離過程中，通常要求進(jìn)入空分裝置的壓縮空氣水蒸氣露點(diǎn)小于?60 ℃，CO2的體積濃度小于1 mg/L[2]?？諝忸A(yù)純化就是為保障空氣分離裝置正常穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)空氣中所含雜質(zhì)進(jìn)行脫除而設(shè)計(jì)的工藝過程。

圖1 空氣分離系統(tǒng)流程示意圖

表1 空氣中所含主要雜質(zhì)成分及體積濃度[1]

空氣預(yù)純化系統(tǒng)設(shè)置在空氣預(yù)冷系統(tǒng)之后，如圖1所示。壓縮空氣經(jīng)過空氣預(yù)冷系統(tǒng)冷卻后，空氣中的H2O、CO2及其他碳?xì)浠衔锏热匀淮嬖?。通過空氣預(yù)純化系統(tǒng)脫除原料氣中的H2O、CO2及其他碳?xì)浠衔?，可避免設(shè)備和氣體管道的凍結(jié)和堵塞，防止CH4、C2H6等積聚在液氧中引起爆炸，確?？辗衷O(shè)備長(zhǎng)期安全、可靠的運(yùn)行。

目前的空氣預(yù)純化主要采用變溫吸附技術(shù)（TSA）和變壓吸附技術(shù)（PSA），TSA法在空氣預(yù)純化中的應(yīng)用較早[3-4]，PSA法在20世紀(jì)90年代也開始應(yīng)用于空氣預(yù)純化系統(tǒng)中[5]。這兩種技術(shù)都是通過固定吸附床內(nèi)填充的微孔吸附劑來有效清除空氣中的雜質(zhì)。近幾年來空氣預(yù)純化系統(tǒng)得到很大的改進(jìn)，概括起來主要有以下3個(gè)方面：①改進(jìn)工藝流程，例如均壓工藝、采用多塔循環(huán)系統(tǒng)代替雙塔系統(tǒng)等；②改進(jìn)吸附劑的吸附性能，例如混合多組分吸附劑、合成復(fù)合吸附劑、開發(fā)新型吸附劑等提高吸附效率；③改進(jìn)吸附器的結(jié)構(gòu)，例如采用氣流分布更均勻的氣流分布器、改善分子篩布局及裝填方式、采用套筒結(jié)構(gòu)和徑向流來降低吸附器高徑比等。本文將從以上3個(gè)方面介紹國(guó)內(nèi)、外空氣預(yù)純化的研究和工業(yè)應(yīng)用情況，為空氣預(yù)純化技術(shù)進(jìn)一步的研究開發(fā)和設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

1 工藝研究進(jìn)展

最早的預(yù)純化系統(tǒng)之一是自清除空氣純化系統(tǒng)，如圖2所示。在全低壓切換式換熱器的空分流程中，切換式換熱器在換熱的同時(shí)凝結(jié)并清除加工空氣中的H2O和CO2，即為自清除[6]。空氣首先進(jìn)入切換式換熱器進(jìn)行降溫，溫度從常溫被冷卻到?172 ℃左右，空氣中的H2O和CO2基本上全部?jī)鼋Y(jié)在換熱器管道內(nèi)。經(jīng)過一段時(shí)間間隔的自動(dòng)切換，用返流污氮?dú)鉀_刷該凍結(jié)管道，使已經(jīng)凍結(jié)的水蒸氣和CO2在污氮?dú)庵姓舭l(fā)或者升華而被帶走。隨著空氣預(yù)純化技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來研制出的新型高效吸附劑可以同時(shí)清除H2O、CO2及其他碳?xì)浠衔?，因此吸附劑吸附純化技術(shù)迅速地替代了自清除技術(shù)。

圖2 自清除空氣純化系統(tǒng)示意圖[6]

為了在空氣預(yù)純化系統(tǒng)中更好地清除 H2O、CO2及其他碳?xì)浠衔?，減少操作過程中的能量損失，除采用如圖3所示的傳統(tǒng)Skarstrom雙塔循環(huán)外，研究人員提出了很多改進(jìn)的流程措施，其中最為有效的就是采用均壓步驟、多塔循環(huán)等。均壓步驟是影響氣體分離效果的重要因素，其主要目的是保存容納在吸附床氣體中的機(jī)械能。Berlin等[7]最早對(duì) Skarstrom雙塔循環(huán)工藝提出改進(jìn)，引入均壓步驟。Ruthven Delgado等[8-9]曾指出均壓工藝能顯著提高吸附質(zhì)回收率并節(jié)約能耗。Delgado等[10]通過數(shù)值模擬的方法驗(yàn)證了均壓步驟可提高吸附效率，并對(duì)均壓步驟的邊界條件進(jìn)行了分析。除了常用的雙塔循環(huán)外，目前的工業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)開發(fā)出多塔吸附的循環(huán)裝置。張培昆等[11]提出了一種新型的雙吸附器空氣凈化系統(tǒng)余熱回收利用的三吸附器TSA工藝流程。其模擬結(jié)果表明，三吸附器純化系統(tǒng)節(jié)約能耗42.7%，并對(duì)寶鋼分公司6#制氧機(jī)雙吸附器TSA系統(tǒng)進(jìn)行三吸附器系統(tǒng)改造，預(yù)測(cè)其安全性和節(jié)能效果，結(jié)果表明可節(jié)約能耗45%。Jee等[12]研究了三塔壓力-真空變壓吸附空氣預(yù)純化的工藝流程，如表2所示。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用三塔壓力-真空變壓循環(huán)，并增加兩次連續(xù)放空和回流步驟后可使產(chǎn)品氣濃度提升至98.2%～99.2%，而回收率提高47.2%～63.6%。Nakamura等[13]提出一種新型的雙吸附器空氣預(yù)純化系統(tǒng)，該吸附器內(nèi)吸附劑分兩層放置，底部為活性氧化鋁，上部為分子篩。在該變壓吸附循環(huán)過程中，包括加壓、吸附、降壓和沖洗4個(gè)步驟，其中沖洗步驟通過局部加熱和全加熱來提高吸附劑的再生能力并減少能耗。為了提高吸附效率并減少操作過程中的能量損失，再加壓、順流減壓、回流等工藝步驟也在文獻(xiàn)或?qū)＠衃14-19]提出過。新型模塊式流程系統(tǒng)是空氣預(yù)純化工藝流程的一種新的設(shè)計(jì)方式。Desai等[20]在其專利中研究了由多個(gè)模塊化吸附床單體相互連接，可組合成不同大小和形狀的吸附床結(jié)構(gòu)。使用模塊化吸附床可使空分裝置更為靈活、緊湊且節(jié)約成本，如圖4所示。

圖3 Skarstrom循環(huán)示意圖

表2 三塔真空變壓吸附空氣預(yù)純化循環(huán)

圖4 多個(gè)模塊化吸附床連接示意圖

綜上所述，目前空氣預(yù)純化的工藝進(jìn)展主要針對(duì)工藝流程的改進(jìn)。在工藝流程中根據(jù)所需處理的原料氣體成分、所需回收的目標(biāo)氣體成分、目標(biāo)氣體回收率及純度等不同要求，來增加均壓、多塔循環(huán)、抽真空、回流等工藝步驟，以提高空氣預(yù)純化效果。具體情況不同，所使用的流程及參數(shù)也不相同。所以采用空氣預(yù)純化裝置對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，要根據(jù)不同要求，來開發(fā)專門、專用的吸附工藝流程，并確定適合該工藝流程的工藝參數(shù)。隨著空分裝置的大型化趨勢(shì)，空氣預(yù)純化的工藝流程也應(yīng)呈個(gè)性化、多樣化趨勢(shì)來滿足不同要求。常規(guī)采用變溫吸附和變壓吸附雖然在技術(shù)上已經(jīng)相對(duì)成熟，但其性能卻無法滿足工業(yè)上對(duì)空氣預(yù)純化的要求。因此未來空氣預(yù)純化工藝流程的研究方向仍為對(duì)原有工藝流程的改進(jìn)及開發(fā)新型模塊式流程系統(tǒng)，使其更好地確定最優(yōu)的流程形式及工藝參數(shù)，保證空氣預(yù)純化效果符合要求。

2 吸附劑研究進(jìn)展

空氣預(yù)純化裝置中選用吸附劑的吸附性能將直接決定著空氣預(yù)純化裝置的尺寸、能耗以及使用壽命，因此新型、高效吸附劑的研究得到了行業(yè)內(nèi)科研人員的廣泛關(guān)注。新型吸附劑應(yīng)具有吸附速度快、吸附效率高、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)，促使吸附工藝得到更加廣泛的應(yīng)用。

空氣預(yù)純化系統(tǒng)常用的吸附劑主要是活性氧化鋁（γ-Al2O3）和沸石分子篩（13X分子篩）[21-23]。活性氧化鋁的吸濕性能優(yōu)于沸石分子篩，在吸附床進(jìn)氣端用活性氧化鋁吸附空氣中的H2O，待H2O含量減少后再利用沸石分子篩進(jìn)行深度吸附CO2和乙炔等其他雜質(zhì)。Leavitt等[24]使用 NaY分子篩代替13X分子篩來吸附CO2和乙炔等其他雜質(zhì)，并研究NaY分子篩的吸附性能。結(jié)果表明，與13X分子篩相比，NaY分子篩在解吸步驟中損耗較少且再生能力較強(qiáng)。Golden等[25]對(duì) A4A混合吸附劑（50%活性氧化鋁+50%4A沸石）、AY50混合吸附劑（50%活性氧化鋁+50%NaY沸石）、AY20混合吸附劑（80%活性氧化鋁+20%NaY沸石）和AA300活性氧化鋁等 4種不同組分吸附劑的吸附性能進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明，溫度為30℃下A4A混合吸附劑對(duì)CO2的吸附效果最好，其次是AY50，最差是AA300活性氧化鋁。并對(duì)比了 AY20混合吸附劑和注入5%K2CO3的AY20混合吸附劑的吸附效果。結(jié)果表明，注入5%K2CO3的AY20混合吸附劑的吸附過程使產(chǎn)氣率提高了33%，這說明將活性氧化鋁堿性化可改善其吸附能力。Zheng等[26]制備出由 13X（30%）、Al2O3（30%）和Fe3O4（40%）組成的混合吸附劑。結(jié)果表明，由于Fe3O4的加入大大提高了混合吸附劑的再生能力，有效解決了PSA預(yù)純化周期時(shí)間長(zhǎng)的問題。Rege等[27]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比了13X分子篩、天然斜發(fā)沸石、K+斜發(fā)沸石、Ca2+斜發(fā)沸石、γ-Al2O3等5種吸附劑對(duì)N2、H2O、CO2和碳?xì)浠衔锏奈教匦?。在壓力范圍?0～1 atm（1 atm=101325 Pa）、溫度為295 K條件下，結(jié)果表明：①對(duì)H2O的吸附效果分為高壓段和低壓段，在系統(tǒng)壓力大于10?4atm時(shí)，13X具有最高的吸附能力，其次是 Ca2+斜發(fā)沸石；在系統(tǒng)壓力小于 100×10?4atm壓力時(shí)，K+斜發(fā)沸石具有最高的吸附能力，其次是γ-Al2O3；②對(duì)CO2的吸附效果最好的是13X，其次是K+斜發(fā)沸石；③對(duì)碳?xì)浠衔镄Ч詈玫氖荎+斜發(fā)沸石，其次是13X。Deng等[28]制備出由13X、5A、活性氧化鋁等原料組成的復(fù)合吸附劑，并測(cè)定該吸附劑對(duì) H2O、CO2、碳?xì)浠衔锏奈教匦?。結(jié)果表明，該復(fù)合吸附劑在進(jìn)氣壓力為80.5 psia（1 psia=1lb/m2=6.8948 kPa）、溫度為25 ℃下對(duì)H2O、CO2、碳?xì)浠衔锏龋ǔ鼵H4、C2H6外）有很高的吸附能力，吸附率接近 100%。除常用的活性氧化鋁和沸石分子篩外，科研人員也致力于研發(fā)新型空氣預(yù)純化用吸附劑。Belmabkhout等[29]首次通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比了TRI-PE-MCM-41型中孔硅膠和13X分子篩在0.05 bar（1 bar=105Pa）壓力下吸附CO2的能力。結(jié)果表明，當(dāng)壓力小于 0.05 bar時(shí)，CO2在TRI-PE-MCM-41上的吸附量遠(yuǎn)大于13X分子篩。并在選擇性測(cè)試實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)相對(duì)濕度為27%的混合氣體（5%CO2+95%N2）通過TRI-PE-MCM-41型中孔硅膠時(shí)CO2和H2O都能被很好地吸收，而N2、O2幾乎不被吸附。在壓力為1 bar、溫度為298K的條件下，CO2和H2O在TRI-PE-MCM-41型中孔硅膠上平衡吸附量分別為 2.04 mmol/g和 2.69 mmol/g。這表明TRI-PE-MCM-41型中孔硅膠為親CO2和H2O、而不親N2和O2的吸附劑材料。

綜上所述，目前國(guó)、內(nèi)外相關(guān)科研人員對(duì)空氣預(yù)純化用吸附劑的研究已取得了較大進(jìn)展，但仍存在著一些問題。首先，科研人員的研究重點(diǎn)主要集中在H2O和CO2的有效清除，開發(fā)出來的空氣預(yù)純化用吸附劑也主要用來吸附H2O和CO2。對(duì)空氣中其他雜質(zhì)能否有效清除的文獻(xiàn)還少有報(bào)道。其次大多數(shù)研究人員通過多種方法對(duì)單一或混合吸附劑進(jìn)行優(yōu)化，并在某些吸附反應(yīng)中表現(xiàn)出較好的吸附性能，但是由于功能的專一性、特定性，應(yīng)用起來必定受到某些性能限制。其次，最近已有科研人員開發(fā)出多元復(fù)合吸附劑，并在吸附反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)良的協(xié)同作用和吸附性能，但由于性價(jià)比等問題目前還未推廣使用。因此未來空氣預(yù)純化用吸附劑的研究方向仍為對(duì)原有的吸附劑的改性及尋找新型吸附劑及分子篩，使其有效清除空氣中的有害雜質(zhì)，提高空氣預(yù)純化效果，保證空分設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。

3 吸附器研究進(jìn)展

吸附器結(jié)構(gòu)是空氣預(yù)純化系統(tǒng)中吸附劑性能發(fā)揮的關(guān)鍵。合理的吸附器結(jié)構(gòu)能夠有效改善進(jìn)氣速度和氣流方向，最大限度發(fā)揮吸附劑的吸附性能；減少在高壓氣流沖擊下吸附劑的粉化機(jī)率，有效地延長(zhǎng)吸附劑的使用壽命；減少吸附器內(nèi)的死空間、提高產(chǎn)氣率、降低系統(tǒng)能耗[30]。目前空氣預(yù)純化使用的吸附器是固定床吸附器，其結(jié)構(gòu)按照氣流穿過床層的形式主要分為立式軸向流、臥式垂直流、立式徑向流等3種形式的純化器。

3.1 立式軸向流吸附器

立式軸向流吸附器一般采用雙層床結(jié)構(gòu)，如圖5所示。原料氣由底部進(jìn)入吸附器，經(jīng)吸附分離后，剩余氣體由頂部排出。季阿敏等[31]研究了氣流分配均勻性對(duì)中型立式軸向流吸附器工作性能的影響，并提出氣流分布板要合理布孔并合理設(shè)置分布板位置。陳旭等[32]研究了立式軸向流吸附器的分流板上開孔孔徑、孔隙率的變化對(duì)流場(chǎng)均勻分布的影響。結(jié)果表明在相同孔隙率情況下，對(duì)分流板采用不均勻孔徑分布可使流場(chǎng)分布得到改善；并指出在相同孔徑、不同孔隙率情況下，增加分布板上的孔隙率有利于流場(chǎng)內(nèi)氣流的均布。立式軸向流吸附器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、床層中吸附劑機(jī)械磨損較?。蝗秉c(diǎn)是隨著進(jìn)氣量的增大，立式軸向流吸附床層的厚度也將隨之增大，這將引起床層壓降增加并導(dǎo)致能耗提高，因此立式軸向流吸附器只適用于中、小型空分設(shè)備。丁利群等[33]研制出一種新型立式軸向流旋轉(zhuǎn)變壓吸附裝置。該結(jié)構(gòu)以簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)了多塔的連接和工藝控制，以每循環(huán)低產(chǎn)率和快速循環(huán)獲得較低的高徑比和較高的產(chǎn)率。但該裝置目前適用于微型PSA制氧系統(tǒng)中，而在空氣預(yù)純化系統(tǒng)中并未見到相關(guān)應(yīng)用。

圖5 立式雙層床吸附器示意圖

3.2 臥式垂直流吸附器

臥式垂直流吸附器是目前國(guó)內(nèi)大型空分設(shè)備采用的主要形式，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是空氣處理量較大，床層高度較低；缺點(diǎn)是隨著空氣處理量的增大，其結(jié)構(gòu)尺寸也不斷增大，將造成進(jìn)氣分布不均勻、很難保持分子篩床層平整等問題。因此氣流均布技術(shù)得到了行業(yè)內(nèi)科研人員的廣泛關(guān)注。Nowobilski等[34]在其專利中對(duì)臥式垂直流吸附器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，如圖6所示。進(jìn)氣入口處安裝氣流分布器對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行分布，并合理布置氣流分布器上孔眼的位置，確保了各孔道壓降相等。氣流分布器下部依次放置3層直徑分別為1 in、0.5 in、0.25 in（1 in=2.54 cm）的惰性氧化鋁球來均布?xì)饬?；而在氣流分布器上部放置的直徑?.125 in的惰性氧化鋁球和分子篩，依靠其自身質(zhì)量壓緊氣流分布器，使氣流分布器在兩者之間能夠穩(wěn)定工作，降低了分子篩的粉化機(jī)率，保證床層不會(huì)出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象。這種均布方式的缺點(diǎn)是惰性球再生時(shí)會(huì)積蓄一定熱量，在吸附時(shí)會(huì)放出熱量，造成處理氣溫度升高。

圖6 臥式垂直流吸附器結(jié)構(gòu)示意圖[34]

圖7 采用多孔管的吸附器結(jié)構(gòu)示意圖[35]

杭州杭氧股份有限公司深入研究了臥式垂直流吸附器內(nèi)氣流分布特點(diǎn)，開發(fā)出新型的均布裝置，如圖7所示[35]。其效果表明，對(duì)于體形較長(zhǎng)的吸附器采用多孔管作為氣流分布器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的緩沖板，可有效解決局部偏流問題，比采用緩沖板的設(shè)計(jì)可減少吸附劑的使用量約8%～10%。另外杭州杭氧股份有限公司還開發(fā)出一種新型剛性結(jié)構(gòu)分隔板，可有效解決吸附劑混床問題[36]。胡迪等[37]通過模擬驗(yàn)證了裝有多孔管氣流分布器的吸附器床層上的氣流分布要好于緩沖板結(jié)構(gòu)，并較好解決了臥式垂直流吸附器內(nèi)分子篩床層邊流效應(yīng)問題。這些新技術(shù)較好地解決臥式垂直流吸附器氣流分布不均勻的問題，提高分子篩的吸附容量。但是由于臥式垂直流吸附器占地面積較大，在特大型的空分上使用存在一定的局限性。

3.3 立式徑向流吸附器

隨著空分設(shè)備的大型化及空氣處理量的不斷增大，國(guó)內(nèi)、外氣體分離行業(yè)開始致力于立式徑向流吸附器的研究。立式徑向流吸附器內(nèi)的氣流沿徑向穿過吸附層，有效解決了臥式吸附器內(nèi)氣流均布困難、占地面積大、分子篩床層難平整等問題。原料氣通過進(jìn)氣口進(jìn)入吸附器內(nèi)，并通過氣流分布孔板依次穿過活性氧化鋁和分子篩組成的雙層填充床，部分氣體被填充床中的吸附劑所吸附，剩下的氣體匯集于出氣口而排出，如圖8所示。

根據(jù)氣體沿床層徑向的流動(dòng)方式可分為向心流和離心流：氣體由外向內(nèi)經(jīng)過吸附床層為向心流，氣體由內(nèi)向外經(jīng)過吸附床層為離心流。根據(jù)氣體在流道中的流動(dòng)方式可分為z形流動(dòng)和π形流動(dòng)：氣體在外流道和中心流道中作同向流動(dòng)為z形流動(dòng)，反之為π形流動(dòng)。盧明章等[38]對(duì)用于大中型空分設(shè)備空氣凈化的立式徑向流吸附器進(jìn)行了氣流均布實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，立式徑向流吸附器應(yīng)優(yōu)先選擇向心π形流道布置，采用內(nèi)分布筒開孔調(diào)節(jié)時(shí)，氣流不均勻度小于 5%。同時(shí)驗(yàn)證了朱子彬等[39]提出的當(dāng)外流道與集流道截面積滿足最佳截面比時(shí)，只要使管孔面積比大于相應(yīng)的均勻開孔臨界管孔截面比，分布筒均勻開孔即可保證氣流沿軸向均布的設(shè)計(jì)方法的正確性。Celik等[40]研究了內(nèi)外分布筒不均勻開孔雙邊調(diào)節(jié)的方法，進(jìn)而提高氣流分布的均勻度。推薦的開孔設(shè)置為：分布筒軸向靠近底部（進(jìn)氣側(cè)）的1/3段開孔率為1%～10%，中間1/3段開孔率為10%～25%，上部1/3段開孔率為25%～50%。張學(xué)軍等[41]對(duì)空分用立式徑向流分子篩吸附器進(jìn)行了理論研究。結(jié)果表明，對(duì)于立式徑向流雙層床的設(shè)計(jì)，兩種吸附劑（活性氧化鋁及分子篩）的厚度比存在一個(gè)最優(yōu)值，使得H2O和CO2能夠同時(shí)發(fā)生穿透，此時(shí)吸附劑的利用率最高。

圖8 徑向流吸附器結(jié)構(gòu)示意圖

多床層立式徑向流填充床是徑向流吸附器的又一創(chuàng)新方式。Heggs等[42]對(duì)多床層徑向流填充床進(jìn)行了理論研究。該填充床由10小層不同材料（如碳分子篩、固體小顆粒等）共同組成。原料氣依次通過每層吸附劑及開有不同空隙度的同心圓板，部分氣體被吸附，剩余氣體匯集于出口而排出，如圖9所示。結(jié)果表明，通過調(diào)整吸附劑各層同心圓板上孔眼的數(shù)量及大小，可有效改善氣流的均勻分布。

圖9 多床層立式徑向流填充床結(jié)構(gòu)

法國(guó)液化空氣集團(tuán)最早將徑向流吸附器應(yīng)用于空分裝置當(dāng)中，后來德國(guó)林德公司、美國(guó)空氣產(chǎn)品與化學(xué)公司等也對(duì)徑向流吸附器進(jìn)行研究并應(yīng)用于空分裝置中。1995年，由法國(guó)液化空氣集團(tuán)設(shè)計(jì)，并由四川空分設(shè)備廠制造的40 000 m3/h空分裝置在陜西渭河化肥廠投入運(yùn)行。1996年，同樣由法國(guó)液化空氣集團(tuán)設(shè)計(jì)，并由杭州杭氧股份有限公司液空有限公司制造的35 000 m3/h空分制氧裝置在安徽省馬鞍山鋼鐵公司正式投產(chǎn)。目前，這種吸附器已有近150套在世界各地運(yùn)行。德國(guó)林德公司已將徑向流吸附器成功用于低溫空分裝置中的空氣干燥器，第一臺(tái)采用徑向流吸附器的VPSA制氧裝置于1997年成功投入運(yùn)轉(zhuǎn)。2001年，美國(guó)普萊克斯公司為中國(guó)某鋼鐵廠提供了兩套徑向流VPSA制氧裝置，用于2000 m3高爐的富氧噴煤。兩套制氧裝置總產(chǎn)氧量達(dá)到8888 m3/h，氧純度為90%，單位純氧電耗僅為0.33 kW·h/m3，制氧量可在0～100%負(fù)荷內(nèi)調(diào)節(jié)。近年來，中國(guó)空分設(shè)備公司也開始致力于立式雙層床徑向流分子篩吸附器的開發(fā)研究。2005年7月，由中國(guó)空分設(shè)備公司自主設(shè)計(jì)、研制的立式雙層床徑向流分子篩吸附器首次應(yīng)用于江陰興澄特鋼公司20 000 m3/h空分設(shè)備上，并獲得成功。在較大型空分設(shè)備上使用立式徑向流吸附器，比臥式垂直氣流吸附器更節(jié)約用地，但立式徑向流分子篩吸附器制造要求高，裝填吸附劑麻煩，對(duì)多層吸附劑同心度要求較高，制造成本高，且維修不方便。

綜上所述，目前空氣預(yù)純化常用的3種形式的純化器各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際工程中要根據(jù)處理空氣量、運(yùn)輸條件、場(chǎng)地情況、吸附劑用量以及能耗等方面綜合分析確定吸附器結(jié)構(gòu)類型。中、小型空分設(shè)備宜采用立式軸向流吸附器，且目前該技術(shù)較為成熟。大型、超大型空分設(shè)備宜采用臥式垂直流吸附器或立式徑向流吸附器，但這兩種吸附器在工業(yè)應(yīng)用中仍存在一些問題。隨著空分設(shè)備的大型化，臥式垂直流吸附器的長(zhǎng)度和直徑也越來越大。長(zhǎng)度過大，會(huì)引起氣流分布不均，嚴(yán)重影響吸附效率；直徑過大，會(huì)增加吸附劑用量并造成運(yùn)輸困難及占地面積大等問題。立式徑向流吸附器較好解決了吸附劑用量、運(yùn)輸及占地等問題，但由于徑向流吸附器的加工制造水平要求較高、成本較高、裝填不方便等問題，使其技術(shù)的應(yīng)用及推廣受到制約。因此未來吸附器的研究方向仍為對(duì)原有吸附器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及開發(fā)新型吸附器結(jié)構(gòu)，使其有效改善氣流的分布、更好地發(fā)揮吸附劑的吸附性能并降低系統(tǒng)能耗。

4 發(fā)展趨勢(shì)及展望

在空氣預(yù)純化技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，考慮到空氣預(yù)純化技術(shù)在鋼鐵冶金、石油化工、煤化工、環(huán)境保護(hù)等行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，可以預(yù)測(cè)空氣預(yù)純化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）繼續(xù)改進(jìn)吸附工藝流程。根據(jù)吸附劑、吸附質(zhì)的特性不同，開發(fā)出專用的吸附工藝流程、確定適合該工藝流程的工藝參數(shù)等問題將成為空氣預(yù)純化技術(shù)研究的重點(diǎn)。

（2）繼續(xù)研究并開發(fā)新型吸附劑材料及分子篩。根據(jù)空分設(shè)備所處周圍環(huán)境中空氣成分及含量的不同，開發(fā)新型吸附劑及具有高吸附容量的分子篩，使其有效清除空氣中的有害雜質(zhì)、提高空氣預(yù)純化效果、保證空分設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定等問題將成為今后空氣預(yù)純化技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

（3）繼續(xù)改進(jìn)原有吸附器結(jié)構(gòu)及開發(fā)新型吸附器結(jié)構(gòu)。根據(jù)空分裝置的大型化發(fā)展趨勢(shì)的特點(diǎn)，進(jìn)一步改進(jìn)布?xì)庀到y(tǒng)、掌握合適的吸附劑用量、降低床層高度、減小吸附器尺寸、改進(jìn)吸附劑裝填方法、降低運(yùn)行成本及能耗并開發(fā)新型吸附器結(jié)構(gòu)等問題將成為空氣預(yù)純化技術(shù)研究的難點(diǎn)。

隨著科研人員對(duì)空氣預(yù)純化系統(tǒng)的工藝過流程、新型吸附劑材料和吸附器結(jié)構(gòu)的研發(fā)和改進(jìn)，空氣預(yù)純化技術(shù)必將進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)于提高空氣預(yù)純化效益、保證運(yùn)行安全和節(jié)能具有著重要意義。

[1]Kumar R，Huggahalli M，Deng S，et al.Trace impurity removal from air[J].Adsorption，2003，9（3）：243-250.

[2]李化治.制氧技術(shù)[M].第 2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2009：56-64.

[3]Rohde W，F(xiàn)ürstenried M.在空分設(shè)備中采用分子篩二十年經(jīng)驗(yàn)[J].深冷技術(shù)，1986（1）：7-9.

[4]Reyhing J.利用分子篩吸附器清除空分設(shè)備加工空氣中碳?xì)浠衔锏姆椒╗J].深冷技術(shù)，1986（3）：35-41.

[5]Rege S U，Yang R T，Qian K，et al.Air-prepurification by pressure swing adsorption using single/layered beds[J].Chemical Engineering Science，2001，56（8）：2745-2759.

[6]張培昆.吸附等溫線方程與變溫吸附空氣預(yù)純化系統(tǒng)的研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2011.

[7]Berlin N H，Matawan N J.Method for providing an oxygen-enriched environment：US，3280536[P].1966-10-25.

[8]Ruthven D M.Principles of Adsorption and Adsorption Process[M].New York：Wiley-Interscience，1984：25-36.

[9]Ruthven D M，F(xiàn)arooq S，Knaebel K S.Pressure Swing Adsorption[M].New York：VCH Publishers，1994：72-90.

[10]Delgado J A，Rodrigues A E.Analysis of the boundary conditions for the simulation of the pressure equalization step in PSA cycles[J].Chemical Engineering Science，2008，63（18）：4452-4463.

[11]張培昆，王立，劉桂芹，等.空分裝置三吸附器TSA純化系統(tǒng)及其節(jié)能效果分析[J].過程控制學(xué)報(bào)，2009，9（5）：932-939.

[12]Jee J G，Lee S J，Kim M B，et al.Three-bed PVSA process for high-purity O2generation from ambient air[J].American Institute of Chemical Engineers Journal，2005，51（11）：2988-2999.

[13]Nakamura M，Kawai M，Takei，H.Method of Purifying Air：US，0011887A1[P].2010-09-16.

[14]Wagner J L.Selective adsorption process：US，3430418[P].1969-03-04.

[15]Yang R T.Gas Separation by Adsorption Processes[M].Michigan：Imperial Collage Press，1997：237-247.

[16]Park J H，Beum H T，Kim J N，et al.Numerical analysis on the power consumption of the PSA process for recovering CO2from flue gas[J].Industrial and Engineering Chemistry Research，2002，41（16）：4122-4131.

[17]Anderson S，Newell R.Prospects for carbon capture and storage technologies[J].Annual Review of Environment and Resources，2004，29：109-142.

[18]Mofarahi M，Towfighi J，F(xiàn)athi L.Oxygen separation from air by four-bed pressure swing adsorption[J].Ind.Eng.Chem.Res.，2009，48（11）：5439-5444.

[19]Ackley M W，Smolarek J，Leavitt F W.Pressure swing adsorption gas separation method，using adsorbents with high intrinsic diffusivity and low pressure ratios：US，99908560.8[P].2012-10-17.

[20]Desai A，Celik C E，Ackley M W，et al.Modular compact adsorption bed：US，0118348A1[P].2013-05-16.

[21]Sircar S，Kratz W C.Removal of water and carbon dioxide from air：US，4249915[P].1981-02-10.

[22]Kumar R.Removal of water and carbon dioxide from atmospheric air：US，4711645[P].1987-12-08.

[23]Jain R.Pre-purification of air for separation：US，5232474[P].1993-08-03.

[24]Leavitt F W.PSA gas purifier and purification process：US，5769928[P].1998-06-23.

[25]Golden T C，AliKalbassi M，Taylor F W，et al.Use of zeolites and alumina in adsorption processes：US，5779767[P].1998-07-14.

[26]Zheng J，Stephenson N A，Barrett P A.Process for separating gases and adsorbent compositions therein ：US，0036904A1[P].2013-02-14.

[27]Rege S U，Yang R T，Buzanowski M A.Sorbents for air prepurification in air separation[J].Chemical Engineering Science，2000，55（21）：4827-4838.

[28]Deng S，Kumar R，Wolf R J，et al.Purification of gases using multi-composite adsorbent：US，6358302B1[P].2002-03-19.

[29]Belmabkhout Y，Serna-Guerrero R，Sayari A.Amine-bearing mesoporous silica for CO2removal from dry and humid air[J].Chemical Engineering Science，2010，65（11）：3695-3698.

[30]張輝，劉應(yīng)書，劉文海，等.變壓吸附制氧機(jī)吸附器結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2007，26（11）：1602-1609.

[31]季阿敏，李杰，張君.立式軸向流吸附器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，19（6）：714-715.

[32]陳旭，劉向軍，劉應(yīng)書.軸向流反應(yīng)器分流板的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].礦冶，2011，20（3）：83-85.

[33]丁利群，束鵬程，王智忠，等.新型六塔旋轉(zhuǎn)變壓吸附制氧裝置[J].化工進(jìn)展，2011，30（9）：1906-1914.

[34]Nowobilski J J，Celik C.Adsorbent vessel with improved flow distribution：US，7393394B2[P].2008-06-01.

[35]林秀娜.臥式吸附器的氣流均布裝置：中國(guó)，200610154688.4[P].2007-05-09.

[36]林秀娜.在吸附器內(nèi)間隔吸附劑的隔板裝置：中國(guó)，200610154685.0[P].2007-05-09.

[37]胡迪，顧燕新，金濤，等.臥式垂直氣流分子篩吸附器內(nèi)的流場(chǎng)分析[J].低溫工程，2010（5）：16-20.

[38]盧明章，吳巧仙.立式徑向流吸附器的試驗(yàn)與前景[J].深冷技術(shù)，1992（2）：15-21.

[39]朱子彬，張成芳，徐懋生.動(dòng)量交換型徑向反應(yīng)器流體均布設(shè)計(jì)參數(shù)[J].化學(xué)工程，1983（5）：46-56.

[40]Celik C E，Smolarek J.Radial bed flow distributor for radial pressure absorber vessel：US，7128775B2[P].2006-10-31.

[41]張學(xué)軍，王曉蕾，陸軍亮，等.空分用立式徑向流分子篩吸附器數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2013，34（5）：822-825.

[42]Heggs P J，Ellis D I，Ismail M S.Prediction of flow distributions and pressure changes in multi-layered annular packed beds[J].Gas Separation & Purification，1995，9（4）：243-252.