变压吸附法

变压吸附法（共3篇）

变压吸附法 篇1

氢气作为一种十分重要的工业原料和一种洁净的能源,它广泛应用于石油化工、电子、冶金等行业,随着经济发展,现代社会对氢气产量和纯度都提出越来越高的要求。如在石油化工行业所需氢气的纯度一般要大于99.9%,电子工业要求更高,氢气纯度甚至要求大于99.999%。全球每年生产氢气约0.41亿吨[1],其中80%的氢气通过水蒸气变换工艺生产,水蒸气反应制氢装置得到的典型产物分布为78%的H2、19.7%的CO2、0.3%的CH4和CO等,必须对其进行分离提纯才能得到高纯度的氢气。另外,许多工业驰放气中往往含有大量的氢气,从各种驰放气中回收氢气不仅可以增加经济效益,还可以减轻尾气排放或尾气直接燃烧引起的环境污染[2]。变压吸附(Pressure Swing Adsorption,简称PSA)技术因其具有适用气源广、产品纯度高、工艺简单、节能效果显著等特点得到越来越广泛的应用。

1 变压吸附制氢工艺原理

变压吸附制氢是基于氢气在固体吸附剂上的物理吸附平衡,它是以吸附剂在不同压力条件下对气体混合物中不同组分平衡吸附量的差异为基础,有选择性地在高压下对杂质气体进行吸附,低压下解吸杂质气体使吸附剂得到再生的循环过程。

变压吸附制氢工艺主要由三个步骤组成:高压吸附、低压解析、升压,如图1所示。首先,富氢混合气体在高压下自下而上进入吸附床层,CO2、CO、CH4等杂质被床层内被吸附剂吸附,而弱吸附组分氢气作为产品脱离床体。然后根据吸附组分的性能,采用逆向泄压,产品氢吹扫等方法使吸附剂获得再生,吸附剂再生完成后,吸附床再次升压至吸附压力,至止吸附床就完成了一个吸附和再生的循环过程。通常采用2个或更多的吸附床,使得吸附床交错处于吸附、再生周期循环过程之中,来维持一个连续的产品氢气流。

1高压吸附2低压解析3升压至吸附压力

2 变压吸附制氢工艺的改进

2.1 增加均压次数

在最初的二床流程中,一个吸附床吸附,另一床再生,每隔一定时间互相交替。吸附结束后床内死空间气体随降压而损失了,吸附压力越高损失就越大。为了回收和利用吸附结束时存留在吸附床内死空间的有用组分,美国联合碳化物公司率先引入均压步骤[3],在变压吸附工艺的吸附阶段,吸附床中气体杂质浓度峰面远未到达吸附床的出口端时,停止吸附步骤,然后将该吸附床与一个已完成解吸并等待升压的吸附床连通,此时需降压解吸的吸附床压力逐级下降,而需升压的吸附床的压力得到逐级升高,最终两床压力平衡(称为均压),这样既回收了吸附床死空间中的氢气又利用了其中的能量。

一般说来,增加均压次数,可回收更多的氢气,氢气的收率也就提高。目前,工业上已开发出了4~16床等多种多床工艺[4],二次均压时,H2回收率为70~75%,三次均压时,H2回收率为80~85%,四次均压时,H2回收率为85~90%。但由此我们也可以看出,随着均压次数的增加产品回收率提高的幅度越来越小,而且均压次数提高必须增加吸附塔,设备投资增加,同时均压次数受到循环步序周期时间的限制[5]。杨皓等[6,7]发明了一种利用空罐增加变压吸附工艺流程中均压次数的方法,他利用一个或多个空罐回收吸附塔降压过程流出的气体,分阶段回收流出气,并将空罐气体用于吸附塔升压或冲洗,由此协调吸附塔之间的配合。这些用作间接均压的空罐,可以将变压吸附每一个步序时间按照吸附剂特性需要独立地加长或缩短,均压次数的确定不再受到吸附塔数量的限制,其设计的四塔变压吸附流程均压次数可以达到7次,H2回收率达到98%。

2.2 真空解吸工艺

通常在PSA工艺中吸附剂床层压力即使降至常压,被吸附的杂质也不能完全解吸,这时可采用两种方法使吸附剂完全再生:一种是用产品气对床层进行“冲洗”,将较难解吸的杂质冲洗下来,其优点是在常压下即可完成,不再增加任何设备,但缺点是会损失产品气体,降低产品气的收率;另一种是利用抽真空的办法进行再生,使较难解吸的杂质在负压下强行解吸下来,这就是通常所说的真空变压吸附(Vacuum Pressure Swing Absorption,缩写为VPSA)。VPSA工艺的优点是再生效果好,产品收率高。镇海炼化50 000 Nm3/h炼厂混合气PSA-H2装置及辽化40 000 Nm3/h炼厂混合气PSA-H2装置均成功采用真空解吸工艺[8],使氢气回收率提高到95%~97%的水平,比传统的顺放冲洗工艺提高了5~6个百分点。但其缺点是需要增加真空泵,能耗较高,且增大维修成本。一般而言,当原料气压力低、回收率要求高时才采用真空解吸工艺。

2.3 快速变压吸附工艺

快速变压吸附工艺是由Quest Air技术公司新开发的一种全新工艺,它与传统的变压吸附工艺有着相当大的差异,如表2所示。该工艺采用规整化结构的负载型吸附剂和多通道旋转阀[9],可使循环速度比常规PS A高出两个数量级,而且设备尺寸也大大减小,仅为原来的10%,设备投资成本可降低20~50%。该公司己开发了H-6200型快速变压吸附制氢装置[10],该设计可应用于炼油厂存在广范围污染物的含氢排气工况,也可适应较高的进气压力,能够满足炼油厂氢气回收的需要,其在克森美孚公司炼油厂内建设一套原型H-6200装置于2007年初投用。根据进气条件,设计处理能力为10 000~20 000 Nm3/h,进气含氢体积分数可在40~60%,产品氢浓度一般为90%,氢气回收率在71%~85%之间。H-6200装置设计处理能力可以高达100 000 Nm3/h,但是,由于时间和吸附剂动力学的限制,产品氢气纯度和回收率稍低。

3 联合工艺的开发应用

由于分离任务的多种多样以及原料气组成的千差万别,使得有时仅仅使用一种分离工艺不能充分利用已有资源甚至难以达到即定的分离目标,因此有必要将不同的分离工艺进行合理的结合,使它们扬长避短,从而有可能达到更好的分离效果。

3.1 膜分离+PSA

由于膜分离工艺的推动力是膜两侧之间的压力差,因此对于氢气含量低(20~40%),但压力较高的气源在通过膜分离之后,产品气的压力有所下降而且其中的氢气含量也被提高将此产品气送入到变压吸附装置中即可生产出高纯度的氢气,这样既可以实现高的氢气回收率又可以得到高纯氢气。上海焦化有限公司已经建立的120 Nm3/h燃料电池供氢装置就是利用将变压吸附技术和膜分离技术两种气体分离与净化技术相结合[11],这种联合工艺既发挥了膜分离技术的工艺简单,投资费用少的优点,又利用变压吸附制氢产品纯度高的长处,而且由于膜分离工艺除去了大量的杂质,减小了变压吸附工艺的负荷,从而可以降低变压吸附的投资。

3.2 深冷分离+PSA

深冷分离工艺所得产品氢的纯度低,但它对原料气中的氢气的含量要求不高而且氢气的回收率很高,而且可以将原料气分离成多股物流,因此对于那些含氢量很低的气源(5~20%),可以先用深冷分离工艺把原料气进行分离提纯,产品气中的含氢气流再用变压吸附工艺分离提纯,制得高纯度的氢气。由于含氢气流中的杂质较少,因此变压吸附的规模可以相应减小,节省设备投资。但是深冷分离工艺投资大,因此只有当贫氢气源量非常大而且有需要高纯氢时采用这种联合工艺才会产生较好的经济效益。

3.3 TSA+PSA

变温吸附(TSA)是利用气体组分在固体材料上吸附性能的差异以及吸附容量在不同温度下的变化实现分离,其尤其适合在常温状态下强吸附组分不能良好解吸的分离。中石油大连石化分公司装置富氢尾气中含有不少C5及C5以上的组分,单独使用PSA工艺会使吸附剂很快失活,为此采用TSA+PSA联合工艺,原料气先进入TSA单元,在常温下脱除原料气中C5及C5以上组分,同时利用加热的PSA解析气作为TSA单元的再生冲洗气,在该联合工艺中,TSA可以有效地脱除原料气中饱和水和C5等杂质,保证后续PSA塔吸附剂的寿命,并对原料气组分的变化起缓冲作用。该装置自投产6年多来,运行一直很稳定,吸附剂没有更换,对原料气适应能力强,H2回收率达到90.5%,产品H2浓度达到99.5%[12]。

另外,TSA单元还可以置于PSA单元之后,用于脱除PSA产品氢气中微量杂质如N2、Ar等,进一步纯化氢气。纯化后氢气纯度可达99.999%以上[13],高于电解氢气的纯度,可用于需高纯氢气的特殊场所。

4 结语

随着变压吸附制氢工艺的发展和联合工艺的开发,氢气的回收率和氢气纯度都得以提高,我们可以更好地发掘和利用氢气资源。但由于每种工艺都有其自身的特点,变压吸附工艺流程的选择必须根据实际需要和投资经济性来综合考虑。

摘要：作为近几十年来在工业上新崛起的气体分离技术,变压吸附技术已经被广泛应用于制氢行业,简要概述了变压吸附制氢工艺的原理、流程,重点介绍了变压吸附制氢工艺革新进展以及联合工艺的应用。

关键词：变压吸附,制氢,联合工艺

变压吸附法 篇2

物料在精馏低塔系统处理完毕后，剩余的不凝气体经过预热器预热进入吸附塔，乙炔和氯乙烯被吸附下来，无法被吸附剂吸附下来的其他气体通过尾排阀门排放到大气中。

吸附饱和的吸附塔经过压力均降，逆放，抽空一，抽空二，抽冲，抽空三，压力均升，终充8个步骤进行处理，塔内吸附的乙炔和氯乙烯完全解吸出来，通过压力差和真空泵送入转化。

下面将变压吸附的9个步骤进行分步介绍：

1、吸附

不凝气体在尾排前进入预热器，原料气在预热器内加热到40℃后，通过KV1阀送到吸附塔内。六塔流程为两个塔同时进行吸附，其他四个塔进行处理。原料气内氯乙烯和乙炔在吸附塔内被吸附下来，剩余未被吸附的气体，经过KV2阀到达尾排，通过压力调节阀门排放至空气中。

此过程需要的时间为804S，压力比精馏系统的压力低0.02MPa，在0.47～0.49 MPa。总时间的设定是根据原料气流量、净化气内的氯乙烯和乙炔含量决定的。

如精馏系统出现波动，变压吸附的压力也同时跟着波动。所以，我们在操作时，要保证精馏压力及原料气的流量稳定。当精馏停车时，系统通过KV10，KV11或KV15,KV16阀切换至直排；精馏压力低到设定值（0.45 MPa）时，系统自动进行切换。

2、压力均降 吸附结束后，饱和的吸附塔在设定好的T2步骤进行压力降，通过KV5和KV9阀，将吸附塔内的压力泄入中间罐内。均降步骤在16S就可完成，剩余的时间留给抽空三，使得抽空三步压力尽可能的抽至-0.09MPa吸附塔的解吸更彻底。

吸附塔压力由0.48MPa降至0.22MPa。

3、逆放

均压结束后，吸附塔的逆放为T4和T6步骤，共计130S。此时，吸附塔的压力通过KV17阀进入转化二级混脱，为防止转化压力波动，控制HV102阀门的开度调节，使气体的压力缓慢释放。

压力由0.22MPa降至0.04～0.05MPa。HV102的斜率系数为1.00，阀门的最小开度为25%，最大开度为100%。

4、抽空一

逆放结束后为吸附塔的T8抽空一，打开KV18或KV19阀控制HV102阀门的开度，真空泵

设定的时间为132S，达到要求的真空度-0.05 MPa。

5、抽空二

6、抽冲

7、抽空三

8、压力均升

变压吸附法 篇3

摘要

介绍了变压吸附技术的基本原理及其开发与应用，并对今后变压吸附空气分离技术的发展方向提出了看法。关键词

空气分离 变压吸附 制氧

1.引言

变压吸附(PSA 3技术是近几十年崛起的气体分离技术，PSA用于制氧是近来发展起来的新技术。它与传统的已有近百年历史的深冷法制氧工艺相比，两者各有千秋，在制氧领域各自发挥独自的优势，又彼此激烈竞争。近几年，由于变压吸附空分制氧工艺具有操作灵活方便、投资少、性能好等优点，使其在中小规模空分领域确立了优势，并正不断向大型化发展，对它的研究也成为化工领域的一个热点。

2.变压吸附基本原理

2.1吸附的定义

当两相组成一个体系时，两相界面处的成分与相内成分是不同的，在两相界面处会产生积蓄，这种现象称为吸附；而被吸附的原子或分子返回到液相或气相的过程，称为解吸。在两相界面处，被吸附的物质称为吸附质，吸附相称为吸附剂。

2.2常用的吸附剂

主要有活性白土、硅胶、活性氧化铝、活性炭、碳分子筛、合成沸石分子筛等。2.3变压吸附工作的基本步骤

单一的固定吸附床操作，无论是变温吸附还是变压吸附,由于吸附剂需要再生，吸附是间歇式的。因此，工业上都是采用两个或更多的吸附床，使吸附床的吸附和再生交替（或依次循环）进行，保证整个吸附过程的连续。

对于变压吸附循环过程，有三个基本工作步骤： 1．压力下吸附

吸附床在过程的最高压力下通入被分离的气体混合物，其中强吸附组分被吸附剂选择性吸收，弱吸附组分从吸附床的另一端流出。

2．减压解吸

根据被吸附组分的性能，选用前述的降压、抽真空、冲洗和置换中的几种方法使吸附剂获得再生。一般减压解吸，先是降压到大气压力，然后再用冲洗、抽真空或置换。

3．升压

吸附剂再生完成后，用弱吸附组分对吸附床进行充压，直到吸附压力为止。接着又在压力下进行吸附。

3变压吸附空气分离技术应用与开发

3.1变压吸附工艺发展现状

变压吸附空分制氧工艺技术的进展与分子筛研制的成就息息相关。初期的PSA制氧装置大多为高压吸收，常压解吸，后来在中大型装置上采用了略高于常压下吸附在真空下解吸的方法。目前工业上操作状况如表3所示。一般来讲，若提高吸附压力，则吸附剂吸附的氮量增加，因此能减少吸附剂用量，但由于解吸排气的气量增加，所以氧收率降低。为了提高氧气回收率，减少电耗，工艺上将吸附压力降至略高于大气压，解吸采用抽真空，这是目前大型工业制氧装置的主流。3.2从空气中制取富氧

传统的制氧方法是空气的深冷分馏，此法可制取高纯度的氧、氮和惰性气体，也是大规模生产这些气体的最经济的方法。但在许多场合，如废水处理、金属冶炼、医疗供氧、化工造气等等并不需要象深冷分馏法所制得的高纯度氧气，而且富氧的需用量相对高纯度氧要更多些。为此人们很早就企图实现用比深冷法更简便的方法富集氧气。对分子筛的研究发现，在5A型分子筛上空气中的氮是被优先选择吸附的分子，自此注意到应用分子筛分离富氮的可能性。变压吸附法制取富氧与变压吸附本身的开发一样，是沿着两条途径进行的：一方面是改善吸附剂的性能，以增大氮的吸附能力和富氮的分离系数；另一方面是改进工艺流程，根据富氧生产能力、纯度即吸附剂性能开发有各种二床、三床流程，前面介绍的多床制氢工艺也适用于生产富氧，吸附床数增加可提高产氧能力、降低总耗电量，但额外投资和床数增加的复杂性在经济上导致过于昂贵。所以目前工业上开发应用较多的是二、三床流程。

此法在吸附压力0.025MPa、抽空最终压力190乇下操作时，生产富氧纯度９３％，氧的回收率为３６～３９％。近年来，随着吸附剂制氧能力提高和工艺流程回收死空间气体的改进，所得富氧纯度大于９０％时，回收率为５０％，消耗能量小于０.５kwh/m3-O2,这个能耗已经与深冷空分制氧相接近。

3.3PSA制氧技术开发

3.3.1 新的制氧工艺——真空变压吸附

通常PSA采用的工艺是0.3-0.4MP加压吸附和常压解吸。1983年A.G Bager首先开发了真空变压吸附（VPSA）工艺，并申请了专利。所谓VPSA的制氧工艺就是在压力小于0.1MPa下吸附，真空下解吸。实践表明，真空再生法的性能优于常压再生法，又由于解吸用真空泵的能耗要比原料空气压缩机能耗低得多，从而降低了单位能耗。在这以后所公布的很多专利，都是以提高氧纯度及回收率为目的的。日本酸素工业株式会社即开发了低压吸附、均压、抽空、产品冲洗再说的生产 工艺。据报道，用该工艺制取的氧气纯度为93%-95%，产量为1000m3/h时的单耗为0.42kWh/Nm3。

3.3.2VPSA的操作条件

再生压力：再生压力对产品氧气的回收率影响最大，用高真空再生可得到较好的回收率，然而单纯提高真空度是不经济的；最佳压力变化范围取决于原料空气压缩所需能耗、真空泵的能耗及产品氧的回收率，对于一定的吸附剂还需通过试验加以决定。

4结束语