徐宁
中国化工沧州大化集团聚海分公司 河北省沧州市 061001
摘要：在工业领域中，变压吸附气体分离技术具有广泛的应用，在气体分离方面也是最为重要的技术之一。该技术的特点在于环境效益好、自动化程度高、可靠性高、操作方便、流程简单、投资小、能耗低等方面。本文主要对变压吸附气体分离技术及其特点进行了分析，并阐述了其应用和发展。
关键词：变压吸附；气体分离技术；应用；发展
前言：变压吸附气体分离技术的主要原理是根据在固体材料中气体组分吸附特性的差异，以及吸附量随着压力变化的特点，利用周期性压力变换的方式，完成气体分离提纯。在上世纪60年代的工业规模制氢中，该技术就已经得到了应用。此后随着技术的不断发展和突破，装置数量及规模不断扩大，应用范围也更为广泛。同时工艺不断完善、成本逐渐下降，在气体分离领域已经成为了一项不可或缺的重要技术。
一、变压吸附气体分离技术的概述
在我国变压吸附气体分离技术的工业应用已经有数十年的历史，第一套工业装置是在1982年于上海吴淞化肥厂建立，在合成氨弛放气中对氢气进行回收。目前，专业的变压吸附气体分离装置的规模不断扩大，能够在数十种不同气源中对不同气体进行分离提纯。目前，我国对于该项技术的应运用领域，主要包括了浓缩提纯乙烯、瓦斯琪浓缩甲烷、空气分离制氮、空气分离制氧、天然气净化、变换气脱除二氧化碳、一氧化碳提纯、二氧化碳提纯、氢气提纯等。其中，该技术在中小规模制氢方面已经占据了主要的位置，取代了电解法、低温法等传统方法。小合成氨厂通过运用这项技术，从合成氨变换气中提取二氧化碳，能够改变单一产品结构，增加液氨产量，降低能耗及成本[1]。C1化学羟基合成方面，运用该技术分离提纯一氧化碳，能够对原料气提纯问题加以解决。提纯二氧化碳技术可以从廉价工业废气中制取食品级二氧化碳。此外，某些有毒气体脱除、硫化物脱除、氮氧化物脱除等方面也有较好的效果，因而在环境保护及尾气治理方面均有较大的作用。
二、变压吸附气体分离技术的特点
相比于其它气体分离技术，变压吸附气体分离技术有着很多方面的优势。能耗较低，适应压应力范围较广，对一些有压力的气源，无需再次加压，也不需要加热或冷却，因而可降低能耗。该技术能够灵活调节产品纯度，如在制氢中最大纯度可达到99.999%，还可利用不同工艺条件随意调节产品纯度。工艺流程比较简单，对多种气体均可有效分离，对烃类、氨、硫化物、水等承受能力较高，无需复杂的预处理。利用计算机控制装置，实现较高的自动化水平，操作简单方便，装置可全自动化运行[2]。装置具有较强的调节能力和较大的操作弹性。稍加调节就能对生产符合加以改变，在不同负荷下都能保证产品质量，只会轻微影响回收率。装置对于压力条件、原料气杂质含量等适应能力较强，有着较宽的调节范围。该技术投资较小、操作低价，维护简单，检修时间短，可达到较高的开工效率。吸附剂能够长期使用，可达十年以上。装置具有较强的可靠性，其中的运动部件只有程序控制阀，能够延长使用寿命，降低故障发生，提高可靠性。在配合应用计算机专家诊断系统后，能够实现故障自动诊断、吸附塔自动切换等，因而可靠性较高。该技术的环境效益也非常理想，除了原料气自身特性之外，该技术装置本身并不会造成新的污染问题，也不会产生传统三废。
三、变压吸附气体分离技术的应用
在变压吸附气体分离技术中，最早、最广泛的应用领域就是制氢，在化工行业中、冶金行业中都有较多应用。例如采用该技术从焦炉气中提取氢气，耗电量远远低于电解法。该技术也可应用于石油提氢，对原料气限制较小，很多炼厂废气都可应用。在制氧、制氮领域，该技术的应用也能够逐渐取代传统的膜分离技术、低温技术等，在生产效率等方面更为理想。近年来，随着空分设备的低能耗、大型化发展，变压吸附气体分离制氧和制氮量占比也逐渐提升，每年的增幅可达到30%左右，进展十分迅速。C1化学中最基础的原料气就是一氧化碳，传统方法与处理系统复杂，设备较多，投资成本都比较大[3]0。而利用变压吸附气体分离技术，能够大大降低投资成本，提高效益水平。在实际生产中，可采用化学吸附一氧化碳专用铜系吸附剂及吸附工艺，或常规吸附剂物理吸附工艺。在分离提纯二氧化碳方面，上世纪80年代就已经实现了工业化，能够从很多含有二氧化碳的气源中分离提出，对二氧化碳的各种工业用途加以满足。在其它领域中，变压吸附气体分离技术也有着广泛的应用。例如用于净化天然气，将其中的丁烷、丙烷、乙烷等烃类杂质去除，将烃类杂质水平控制在100×10-6以下。该技术可应用与煤矿瓦斯琪浓缩，将其中的甲烷成分浓缩后，能够达到城市煤气的热值水平，从而使瓦斯发挥出更大的价值。此外，在各种放空尾气及工业气源中，也能透出硫化氢和氮氧化物等有害杂质，在尾气净化、依稀浓缩等领域中，也都有着广泛的应用。
四、变压吸附气体分离技术的发展
变压吸附气体分离技术在近几十年来取得了快速的发展，工艺技术水平上日益完善，能够实现多次均压，对产品组分及原料压力最大限度回收，减少原料及能源消耗。利用抽空工艺，将氢气回收率大大提升，可达到95%-97%的水平。利用多床层多种吸附剂填装的方式，省去了一些气源预处理及后处理工序。技术应用范围不断扩大，在一些需要变温吸附的场合可以应用。在适用气源方面大大扩充，增加至数十种，对于杂质组分难以解吸、产品组份含量过低的情况也能大大很好的效果。例如在制氢气中，各种工业生产过程中产生的含氢尾气，以及甲醇、氨裂解制备含氢气源，重油、天然气、煤等原料造气等。只要是氢气含量在20%以上的气源，均可利用该技术制备氢气。在产品回收率方面实现了较大的提升，例如采用重整氢作为原料气，可达到95%以上的氢回收率。使用催化裂解干气作为原料气，可达到99.9%的纯度，利用抽空工艺，可达到90%以上的回收率等。吸附剂的吸附分离性能大大提升，吸附剂吸附量不断增长，吸附强度不断增强，再生更容易，杂质组分吸附前沿降低，产品组分分离系数提高等。例如在制氢过程中，使用新型吸附剂，能够提高10%的吸附量。程序控制阀得到了进一步的改进，具有更长的动作寿命，启闭次数可达到50万次以上，密封性能良好，反应速度快，还具有双向流通性和多种调节功能。能够提供阀位状态现场指示、远程信号传送等功能，性能及安全都大大提升。
结论：变压吸附气体分离技术是当前工业领域中最常用的技术类型之一，用于各种目标气体的制备和提纯，效果均比较理想。与传统技术相比，该技术具有很多方面的明显优势及特点，对于多种不同的原料气均可适用，提出准备的目标气体回收率和纯度较高，能够很好的满足工业应用需求。目前，该技术的应用范围很广，随着未来技术水平的不断发展和提高，在性能和安全性方面也将进一步提升。
参考文献：
[1]吴传淑,尹吉庆,王卫国.变压吸附分子筛制氧技术研究进展[J].中国急救复苏与灾害医学杂志,2020,15(2):240-242.
[2]张博,杨紫琪.变压吸附在改良西门子法生产多晶硅中的应用[J].中国高新技术企业,2016,43(32):48-49.
[3]何永强,王宏莉.气体分离提纯应用变压吸附技术的相关研究[J].中国化工贸易,2018,10(4):102-102.
姓名：徐宁1977.2.10 ，男，汉族，河北省吴桥县，助理工程师，大专
单位：中国化工大化集团聚海分公司；研究方向：化学工程与工艺；单位省市及邮编：河北省沧州市 061001