變壓吸附氣體分離技術(shù)應(yīng)用及展望窺探

李 健

（河南能源化工集團濮陽園區(qū)濮陽永金化工有限公司, 河南 濮陽 457000）

變壓吸附氣體分離技術(shù)起源于德國無熱吸附凈化空氣研究，通過探究凈化空氣方法，研發(fā)氣體分離技術(shù)，經(jīng)過多年改進，此項技術(shù)逐漸成熟[1]。由于此項技術(shù)應(yīng)用流程簡單，對技術(shù)要求較低，環(huán)境污染破壞較小，因而得到了廣泛應(yīng)用。目前，此項技術(shù)在H2的回收與提純、CO2的回收與制取、CO 的回收與提純、氯乙烯精餾尾氣的回收中應(yīng)用較多[2]。本文將此技術(shù)的應(yīng)用展開研究，并對其未來發(fā)展進行展望。

1 變壓吸附氣體分離技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

此項技術(shù)是一種可以將多種氣體分離開來的綜合技術(shù)，其工作原理是利用吸附劑，依據(jù)變壓器吸附原理，通過控制溫度變化，從中提取所需氣體。通常情況下，選取碳分子篩作為吸附劑。在實際應(yīng)用中，以氣體分子擴散速率作為研究指標(biāo)，因分子直徑大小不同，吸附效果不同，以此達(dá)到區(qū)分氣體的目的[3]。以N2和O2兩種氣體分離為例，利用吸附劑選擇性吸附氣體，在壓縮空氣過程中，N2和O2分別位居不同集，采用此方法大量提取N2。圖1 為吸附劑動力學(xué)曲線。

圖1 吸附劑動力學(xué)曲線

圖1 中，描繪了吸附劑在吸附N2和O2時，隨著時間的推移對應(yīng)的吸附量大小。通過觀察圖1 中的變化曲線可以很明顯的看出，隨著時間的推移，O2吸附量很快就達(dá)到了飽和，30min 后不再吸附，雖然N2吸附速度較慢，但是隨著時間的推移，始終在吸附，并且吸附速度較慢。依據(jù)此原理，可以通過調(diào)節(jié)吸附劑吸附時間來分離N2和O2。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

1） 成本低。該分離技術(shù)操作簡單，不需要提供大量設(shè)備，通過更換吸附劑即可保證裝置得以正常運行，滿足氣體分離要求[4]。因此，利用此項技術(shù)分離氣體，運行成本低，在資金方面具有一定優(yōu)勢。

2） 能耗低。該項技術(shù)運用獨特的氣體分子篩裝填技術(shù)，依據(jù)氣體分離需求，開啟回收、提取氣體裝置，完成氣體分離操作。整個作業(yè)過程中各個環(huán)節(jié)消耗能量較少，總能耗偏低。

3） 智能化。此項分離技術(shù)采用人機界面處理方式，用戶在計算機操作界面，依據(jù)氣體分離需求下達(dá)操作命令，即可實現(xiàn)氣體分離，減少了人工搬運等環(huán)節(jié)，大量節(jié)省了人力資源，實現(xiàn)智能化氣體分離。

4） 個性化。該技術(shù)的應(yīng)用不是固定不變的，而是根據(jù)用戶需求，設(shè)置提取氣體種類、氣體濃度等參數(shù)，根據(jù)參數(shù)設(shè)置結(jié)果，為用戶提供個性化服務(wù)。開啟此裝置后，按照提取需求，從中分離類型、濃度等滿足要求的氣體。

5） 使用壽命長。此項技術(shù)融合了分子篩填技術(shù)和氣流控制技術(shù)，可以有效抵抗氣流沖擊，減少分子篩磨損，以此延長使用壽命。

2 變壓吸附氣體分離技術(shù)應(yīng)用

目前，變壓吸附氣體分離技術(shù)在H2、CO2、CO、氯乙烯精餾尾氣的回收與提取中應(yīng)用較多，本文將探究此項技術(shù)的應(yīng)用方法。

2.1 回收與提純H2

通常情況下，此項技術(shù)在應(yīng)用期間，壓力應(yīng)控制范圍0.8～2.5MPa，用于吸附產(chǎn)品中的氣體。起初，氣體的吸附需要使用兩個床完成，其中一個床作為氣體再生床，另外一個床作為氣體吸附床，經(jīng)過一段時間吸附后相互交替，隨著壓力的上升，位于死空間的氣體逐漸消失。目前，應(yīng)用此方法來解決多床變壓吸附問題，經(jīng)過放壓和均壓處理，從中獲取產(chǎn)品能量及組分。在實際應(yīng)用中，通過增加均壓施加次數(shù)，提高產(chǎn)品回收率，H2回收率范圍75%～80%。為了滿足H2提取需求，需要根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)加工床數(shù)量，調(diào)整氣體回收工藝流程。

目前，H2回收與提純裝置設(shè)計方案逐漸成熟，經(jīng)過測試分析，驗證了此方案的可靠性，標(biāo)志著我國H2回收與提純技術(shù)研究邁上了新的臺階。從程序操控角度分析，我國成功研發(fā)了不同參數(shù)規(guī)格下的H2提取程序，支持不同參數(shù)規(guī)格氣體提取切換，H2回收率超過90%，純度高達(dá)99.9%。

2.2 回收與制取CO2

在眾多氣體中，CO2是一種具有較強吸附能力的氣體，在吸附床內(nèi)殘留較多，難以去除。因此，CO2回收與提取處理具有一定必要性。變壓吸附技術(shù)的出現(xiàn)，為CO2提取研究開辟了新的路徑，從合成氣體中提取CO2。一般情況下，采用干脫離法和濕脫離法提取氣體，前者能耗較低，開發(fā)時間段，后者開發(fā)時間較長，技術(shù)已經(jīng)成熟。

為了解決CO2提取問題，美國率先利用氣體分離技術(shù)，從合成氣體中分離CO2。整個氣體脫離過程，以烴類轉(zhuǎn)換為起始點，經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后得到不同提及分?jǐn)?shù)的氣體，而后從中提取CO2，使其純度達(dá)到99.4%。在此基礎(chǔ)上，提高H2純度，當(dāng)其達(dá)到99.9%時，按照1∶3 的比例，混合氮氣和氫氣，采取壓縮處理得到氨。此項工藝CO2回收率為94%，H2回收率為95%，標(biāo)志著脫碳技術(shù)研究進步。目前，國內(nèi)外研究學(xué)者已經(jīng)對此項工藝進行了優(yōu)化處理，提高了CO2提取純度，促進了變壓吸附技術(shù)發(fā)展。

2.3 回收與提純CO

CO 是我國眾多產(chǎn)業(yè)發(fā)展的產(chǎn)物之一，對大氣環(huán)境污染較為嚴(yán)重，回收CO 是工業(yè)生產(chǎn)的必要環(huán)節(jié)。為了處理此問題，往往采用氣體轉(zhuǎn)化思想去除CO 氣體，這種處理方式成本過高，考慮到成本控制問題，采取提純氣體方式取代氣體轉(zhuǎn)化。目前，應(yīng)用比較多的氣體提取技術(shù)為變壓吸附技術(shù)，分為二段法和一段法。其中，一段法的氣體提取純度較高，且能耗偏低，成為了當(dāng)前CO 提純主要處理工藝之一。

一段法的應(yīng)用原理：選取CO 吸附劑作為氣體提純處理材料，直接分離氣體，簡化了操作步驟，有助于氣體快速分離。在實際應(yīng)用中，在氧化鋁、分子篩等吸附劑的表面添加銅鹽，在絡(luò)合作用下，從混合氣體中提取CO。目前，這種氣體處理工藝逐漸成熟，在CO 氣體分離中應(yīng)用較多。

2.4 回收氯乙烯精餾尾氣

該氣體的回收，通過控制壓力大小，從中提取氯乙烯精餾尾氣，隨著壓力的增加，尾氣回收率隨之提升。如表1 所示為尾氣回收統(tǒng)計結(jié)果。

表1 尾氣回收統(tǒng)計結(jié)果

3 變壓吸附氣體分離技術(shù)展望

未來發(fā)展中，變壓吸附技術(shù)將成為氣體分離核心技術(shù)，擴大應(yīng)用覆蓋面，在工藝流程方面有所突破，根據(jù)氣體性能不同，分別簡化不同種類氣體回收和提取流程。另外，在吸附性能方面上也將有所突破，選取吸附性較強的物質(zhì)取代原有吸附物質(zhì)，以此增加分子篩選能力，使得氣體純度得以提升。從當(dāng)前發(fā)展形勢來看，在未來技術(shù)應(yīng)用中，氣體純度達(dá)到99.999%是有可能的。因此，變壓吸附技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)可以幫助更多領(lǐng)域處理氣體分離問題，具有較好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

本文圍繞變壓吸附氣體分離技術(shù)展開研究分析，依據(jù)技術(shù)原理，探究H2、CO2、CO、氯乙烯精餾尾氣的回收與提取中應(yīng)用方法，分析氣體回收與提取純度。從當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用發(fā)展形勢來看，氣體吸附提取純度仍有上升空間。