变压吸附气体分离技术应用及展望窥探

李 健

（河南能源化工集团濮阳园区濮阳永金化工有限公司, 河南 濮阳 457000）

变压吸附气体分离技术起源于德国无热吸附净化空气研究，通过探究净化空气方法，研发气体分离技术，经过多年改进，此项技术逐渐成熟[1]。由于此项技术应用流程简单，对技术要求较低，环境污染破坏较小，因而得到了广泛应用。目前，此项技术在H2的回收与提纯、CO2的回收与制取、CO 的回收与提纯、氯乙烯精馏尾气的回收中应用较多[2]。本文将此技术的应用展开研究，并对其未来发展进行展望。

1 变压吸附气体分离技术

1.1 技术原理

此项技术是一种可以将多种气体分离开来的综合技术，其工作原理是利用吸附剂，依据变压器吸附原理，通过控制温度变化，从中提取所需气体。通常情况下，选取碳分子筛作为吸附剂。在实际应用中，以气体分子扩散速率作为研究指标，因分子直径大小不同，吸附效果不同，以此达到区分气体的目的[3]。以N2和O2两种气体分离为例，利用吸附剂选择性吸附气体，在压缩空气过程中，N2和O2分别位居不同集，采用此方法大量提取N2。图1 为吸附剂动力学曲线。

图1 吸附剂动力学曲线

图1 中，描绘了吸附剂在吸附N2和O2时，随着时间的推移对应的吸附量大小。通过观察图1 中的变化曲线可以很明显的看出，随着时间的推移，O2吸附量很快就达到了饱和，30min 后不再吸附，虽然N2吸附速度较慢，但是随着时间的推移，始终在吸附，并且吸附速度较慢。依据此原理，可以通过调节吸附剂吸附时间来分离N2和O2。

1.2 技术优势

1） 成本低。该分离技术操作简单，不需要提供大量设备，通过更换吸附剂即可保证装置得以正常运行，满足气体分离要求[4]。因此，利用此项技术分离气体，运行成本低，在资金方面具有一定优势。

2） 能耗低。该项技术运用独特的气体分子筛装填技术，依据气体分离需求，开启回收、提取气体装置，完成气体分离操作。整个作业过程中各个环节消耗能量较少，总能耗偏低。

3） 智能化。此项分离技术采用人机界面处理方式，用户在计算机操作界面，依据气体分离需求下达操作命令，即可实现气体分离，减少了人工搬运等环节，大量节省了人力资源，实现智能化气体分离。

4） 个性化。该技术的应用不是固定不变的，而是根据用户需求，设置提取气体种类、气体浓度等参数，根据参数设置结果，为用户提供个性化服务。开启此装置后，按照提取需求，从中分离类型、浓度等满足要求的气体。

5） 使用寿命长。此项技术融合了分子筛填技术和气流控制技术，可以有效抵抗气流冲击，减少分子筛磨损，以此延长使用寿命。

2 变压吸附气体分离技术应用

目前，变压吸附气体分离技术在H2、CO2、CO、氯乙烯精馏尾气的回收与提取中应用较多，本文将探究此项技术的应用方法。

2.1 回收与提纯H2

通常情况下，此项技术在应用期间，压力应控制范围0.8～2.5MPa，用于吸附产品中的气体。起初，气体的吸附需要使用两个床完成，其中一个床作为气体再生床，另外一个床作为气体吸附床，经过一段时间吸附后相互交替，随着压力的上升，位于死空间的气体逐渐消失。目前，应用此方法来解决多床变压吸附问题，经过放压和均压处理，从中获取产品能量及组分。在实际应用中，通过增加均压施加次数，提高产品回收率，H2回收率范围75%～80%。为了满足H2提取需求，需要根据产品生产加工床数量，调整气体回收工艺流程。

目前，H2回收与提纯装置设计方案逐渐成熟，经过测试分析，验证了此方案的可靠性，标志着我国H2回收与提纯技术研究迈上了新的台阶。从程序操控角度分析，我国成功研发了不同参数规格下的H2提取程序，支持不同参数规格气体提取切换，H2回收率超过90%，纯度高达99.9%。

2.2 回收与制取CO2

在众多气体中，CO2是一种具有较强吸附能力的气体，在吸附床内残留较多，难以去除。因此，CO2回收与提取处理具有一定必要性。变压吸附技术的出现，为CO2提取研究开辟了新的路径，从合成气体中提取CO2。一般情况下，采用干脱离法和湿脱离法提取气体，前者能耗较低，开发时间段，后者开发时间较长，技术已经成熟。

为了解决CO2提取问题，美国率先利用气体分离技术，从合成气体中分离CO2。整个气体脱离过程，以烃类转换为起始点，经过转换处理后得到不同提及分数的气体，而后从中提取CO2，使其纯度达到99.4%。在此基础上，提高H2纯度，当其达到99.9%时，按照1∶3 的比例，混合氮气和氢气，采取压缩处理得到氨。此项工艺CO2回收率为94%，H2回收率为95%，标志着脱碳技术研究进步。目前，国内外研究学者已经对此项工艺进行了优化处理，提高了CO2提取纯度，促进了变压吸附技术发展。

2.3 回收与提纯CO

CO 是我国众多产业发展的产物之一，对大气环境污染较为严重，回收CO 是工业生产的必要环节。为了处理此问题，往往采用气体转化思想去除CO 气体，这种处理方式成本过高，考虑到成本控制问题，采取提纯气体方式取代气体转化。目前，应用比较多的气体提取技术为变压吸附技术，分为二段法和一段法。其中，一段法的气体提取纯度较高，且能耗偏低，成为了当前CO 提纯主要处理工艺之一。

一段法的应用原理：选取CO 吸附剂作为气体提纯处理材料，直接分离气体，简化了操作步骤，有助于气体快速分离。在实际应用中，在氧化铝、分子筛等吸附剂的表面添加铜盐，在络合作用下，从混合气体中提取CO。目前，这种气体处理工艺逐渐成熟，在CO 气体分离中应用较多。

2.4 回收氯乙烯精馏尾气

该气体的回收，通过控制压力大小，从中提取氯乙烯精馏尾气，随着压力的增加，尾气回收率随之提升。如表1 所示为尾气回收统计结果。

表1 尾气回收统计结果

3 变压吸附气体分离技术展望

未来发展中，变压吸附技术将成为气体分离核心技术，扩大应用覆盖面，在工艺流程方面有所突破，根据气体性能不同，分别简化不同种类气体回收和提取流程。另外，在吸附性能方面上也将有所突破，选取吸附性较强的物质取代原有吸附物质，以此增加分子筛选能力，使得气体纯度得以提升。从当前发展形势来看，在未来技术应用中，气体纯度达到99.999%是有可能的。因此，变压吸附技术的应用开发可以帮助更多领域处理气体分离问题，具有较好的应用前景。

4 结语

本文围绕变压吸附气体分离技术展开研究分析，依据技术原理，探究H2、CO2、CO、氯乙烯精馏尾气的回收与提取中应用方法，分析气体回收与提取纯度。从当前技术应用发展形势来看，气体吸附提取纯度仍有上升空间。