变压吸附技术在气体分离提纯中的应用

2023-01-03胡旭张勇周历科杨中贵

化工管理 2022年5期

胡旭，张勇，周历科，杨中贵

(西南化工研究设计院有限公司，四川成都 610225)

1 变压吸附技术

变压吸附技术是在20世纪70年代逐渐推广的，最初其主要是用于空气的净化和干燥、工业尾气中氢气的提取。如今，变压吸附技术已经日趋成熟，在化工、医疗、环保等行业中得到了广泛的应用。利用变压吸附技术可以使气体分离提纯的纯度大大提升，例如很多工艺中氢气制取的纯度高至99.999%，其回收率也已经超过了85%。变压吸附技术于气体分离提纯方面的应用能够极大地提升分离提纯综合效益，因而在氢气等气体的分离提纯中成为主流技术。

1.1 变压吸附气体分离技术的特点

变压吸附气体分离技术能够在诸多分离提纯技术中脱颖而出，不外乎其诸多方面的优势。第一，变压吸附技术能够有效地提升产品的最终纯度，这一方面的特点上述已经阐明，有关氢气制取的纯度及回收率都是其他分离提纯技术所无法达到的。利用该技术还可以较好地控制分离提纯的纯度，技术人员仅需要改变工艺环境便可以实现这一改变。第二，变压吸附技术耗能小，经济性高。衡量某一技术应用的实际效果，经济性也是重要标准。据相关调查显示，变压吸附技术在实际应用时，于常温条件下便能实现各种气体的分离提纯过程，这就很大程度上减少了能耗，与此同时，变压吸附技术的维护也比较方便，无需大量的维修成本，这些都是变压吸附技术经济性强的重要因素[1]。第三，工艺流程简单，智能化程度较高。变压吸附技术经过几十年的应用发展，现阶段已经趋于成熟，实际应用中操作流程十分简单，此外，该工艺所使用的仪器也大多实现了智能化发展，即由计算机进行整个过程的操控，工作人员只需要通过控制计算机便能实现整个生产过程自动化。由此可见，变压吸附技术工艺流程简单，因而一经投产，无需大量的时间研究设备，只需要简单的培训技术人员便可以开始运作。除此之外，变压吸附气体分离技术的应用还有这其他方面的诸多优势，诸如吸附剂使用周期长、综合效益高等。

1.2 变压吸附气体分离技术的应用

成熟的变压吸附气体分离技术的应用领域十分广泛，其涉及到化工产业、钢铁行业、医疗行业等诸多领域。具体而言，变压吸附气体分离技术主要用于氢气、一氧化碳、二氧化碳等气体的回收提纯，同时也包括空气中氧的富集等。总体来看，变压吸附气体分离技术的应用已然成为诸多领域发展的必然趋势，同时相关产业应用的实际情况也验证了该技术的重要作用，尤其是变压吸附技术在炼钢厂中的应用，其可以从所产出的焦炉煤气中有效地提纯氢气，在降低操作成本的同时也实现了产品纯度的大幅度提高。此外，变压吸附技术在医疗、废水处理等方面的应用也是十分广泛，该方面的应用主要表现在氧的富集，传统的空气分离法不论是操作工序还是富集效果都远远无法达到预期效果，而变压吸附气体分离技术的应用则在减少能耗的同时提高了回收率，因而该技术也得到了进一步推广[2]。

2 变压吸附技术在气体分离提纯中的应用

变压吸附技术于气体分离提纯中的应用最为广泛，现阶段效果最好且应用最多当属氢气、二氧化碳以及一氧化碳的回收提纯。以下便以这3种气体的分离提纯为例进行分析，论证变压吸附技术于气体分离提纯中的良好效果及重要作用。

2.1 氢气的回收与提纯

氢气的回收和提纯主要是用于钢铁等工业生产中。很多工业生产中会排放大量的气体，其中便混杂有部分氢气，对于这类气体而言，不能直接进行排放，必须通过一定的工序去除或是提纯氢气才能进行后续的处理。变压吸附技术的应用便实现了氢气的分离提纯。该技术能使得氢气提纯的纯度大大增加，甚至接近100%。目前变压吸附技术在氢气分离提纯方面应用的主要工艺为多次变压吸附工艺，该工艺能够对吸附后残留的产品成分进行二次回收，由此便进一步加强了工业生产的利用率。我国在氢气分离提纯方面的变压吸附技术工艺已经颇为成熟，近期我国还实现了变压吸附技术氢配置，其气体处理量以及氢气制取水平均位于国际先列。总体而言，现阶段变压吸附气体分离技术在氢气的回收及提纯方面已经取得了较好的效果，氢气提纯纯度也是目前各种气体提纯中最高的，经该技术处理后的工业废气中基本不含氢气，在实现氢气高纯度回收利用的同时，也促进了工业废气的有效处理。

2.2 一氧化碳的回收与提纯

一氧化碳是一种重要的工业生产气体，其可以用于制取甲酸钠，在冶金工业中作还原剂，同时也被广泛用于气体燃料。水煤气中便包含大量的一氧化碳气体，由此可见，一氧化碳有着重要的工业价值，因而对于一氧化碳的回收及提纯也是十分重要的工序。目前一氧化碳的制取主要来源于煤、石油、天然气等不可再生资源，大量使用这类资源进行一氧化碳的获取经济性不强，同时也造成了资源的浪费。随着汽车数量的不断增加，多数汽车所使用的仍是来源于石油的汽油，因而其所产生的尾气中也还有大量的一氧化碳气体。面对大量排放的汽车尾气，如能够进行一氧化碳提纯，则在获取大量气体资源的同时也降低了尾气对于环境的污染。因而变压吸附技术于一氧化碳的回收及提纯方面的应用也是越来越受到重视，应用也在增加。利用变压吸附技术对汽车尾气中的一氧化碳进行分离提纯能够避免其燃烧生成二氧化碳，对大气造成污染。与此同时，整个过程的操作费用也大大降低，经济效益较高。目前主要有两种一氧化碳变压吸附工艺，分别为利用吸附剂实现分离以及物理吸附法。这两种吸附工艺各有优缺点，相较而言，利用吸附剂进行分离效果更好，工业生产中所使用的一氧化碳吸附剂也比较多，诸如氧化铝、活性炭等，同时很多研究机构也针对一氧化碳吸附剂进行了深入的研发，最终设计了一氧化碳变压吸附的专用吸附剂，有效地提升了吸附的选择性及最终效果[3]。

2.3 回收制取纯二氧化碳

二氧化碳的排放会加剧温室效应，对于环境保护是极为不利的。然而，纯二氧化碳气体的应用也是较为广泛，例如焊接过程中常以二氧化碳作为保护气，食品的冷冻、灭菌、防霉等对于二氧化碳的需求量也是比较大的。对此，回收提纯工业生产产生的废气中的二氧化碳气体不仅有利于工业生产效益的提升，同时也有利于环境保护。二氧化碳气体的回收提纯主要来自于油田的伴生气，二氧化碳的回收提纯与氢气不同，主要在于二氧化碳气体具有强吸附性，导致在变压吸附过程中二氧化碳会残留在吸附床上。现阶段制取纯二氧化碳的工艺基本如下，在实际采用变压吸附技术进行制取时，需要对压力范围进行有效的控制，经过长期的探究确定压力范围应当为0.5～0.8 MPa，在该条件下所提纯的二氧化碳纯度可以达到99.5%及以上。

3 空气中制取富氧

氧气是诸多领域经常用到的重要气体，诸如医疗供氧、金属冶炼等过程都需要使用大量的氧气。由于这些领域对氧气的纯度并未有严格的要求，因而富氧制取所采用的方法主要为深冷空气分离法，该制取富氧的方法应用时间较长，同时也在趋于成熟。尽管如此，随着变压吸附技术的推广应用，其优势逐渐凸显出来。与深冷空气分离法与之相比，在制取富氧成本和效率方面，以及制取过程方便性方面，变压吸附技术均优于深冷空气分离法，因而当前各个领域中都开始用变压吸附技术代替深冷空气分离法进行氧气的分离提纯。

当前使用变压吸附技术制取富氧已经形成了较为成熟的工艺，其中以常压和加压吸附工艺应用最为广泛。对于常压吸附而言，其压力通常设置在0～50 kPa之间，而加压吸附工艺压力范围则为0.2～0.6 MPa。常压吸附制取富氧的能耗较高，这就需要依据实际情况调整常压吸附制取工艺，当对氧气的纯度要求不高时，如医院供氧等方面的应用便可以采用常压吸附制取富氧。当前两种吸附工艺的应用都比较多，即使是采用常压吸附大规模制取富氧，其整体能耗也远低于深冷空气分离法，因而采用变压吸附技术制取富氧已成大势所趋。

4 氯乙烯精馏尾气的回收利用

变压吸附技术除了制取回收提纯工业有价值气体之外，也能实现一些有害气体的分离，从而使所排放过的气体在各项指标都符合环保方面的基本要求，这对于环境保护无疑有着很大的帮助。该方面应用最为典型的案例便是回收利用氯乙烯的精馏尾气，工业生产中氯乙烯精馏尾气的产生量极大，其中包含着乙炔、氯乙烯等对环境有害的气体，这些气体不符合排放标准，因而必须经过一定的处理才能最终排出。变压吸附技术的应用则有效地解决了这一问题，其可以对氯乙烯尾气中的乙炔及氯乙烯进行选择性吸附，经该技术处理后的精馏尾气各方面均符合清洁气体要求，可以直接排放到空气中，不会对环境造成污染。一般可以利用真空泵使吸附床抽空，此时附着剂上的乙炔及氯乙烯便可以脱附，后续则利用相关的装置进行回收利用，从而在达到环保要求的同时获取一定的经济效益[4]。

5 变压吸附技术在气体分离提纯中的发展前景

目前变压吸附技术于气体分离提纯中的应用取得了较好的效果，在后续的发展中该技术也将不断趋于成熟，并会在以下几方面得到进一步提升。首先是产品回收率的进一步提高，当前变压吸附技术提纯氢气的回收率便达到了95%以上，后续仍将进一步增大，实现高纯气体的近乎完全回收。此外，所使用吸附剂的性能也将进一步改善，选择性吸附将不断增强，分离系数的提高也将降低吸附剂的使用量，从而实现变压吸附技术的快速发展[5]。