变压吸附原理

变压吸附原理

在吸附平衡情况下，任何一种吸附剂在吸附同一气体时，气体压力越高，则吸附剂的吸附量越大。反之，压力越低，则吸附量越小。

在空气压力升高时，碳分子筛将大量吸附氧气、二氧化碳和水分。当压力降到常压时，碳分子筛对氧气、二氧化碳和水分的吸附量非常小。

变压吸附设备主要由A、B二只装有碳分子筛的吸附塔和控制系统组成。当压缩空气从下至上通过A塔时，氧气、二氧化碳和水分被碳分子筛所吸附，而氮气则被通过并从塔顶流出。当A塔内分子筛吸附饱和时便切换到B塔进行上述吸附过程并同时对A塔分子筛进行再生。所谓再生，即将吸附塔内气体排至大气从而使压力迅速降低至常压，使分子筛吸附的氧气、二氧化碳和水分从分子筛内释放出来的过程，整个吸附，再生过程为120秒。

然气制氢由天然气蒸汽转化制转化气和变压吸附(PSA)提纯氢气(H2)两部分组成，压缩并脱硫后天然气与水蒸汽混合后，在镍催化剂的作用下于820~950℃将天然气物质转化为氢气(H2)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)的转化气，转化气可以通过变换将一氧化碳(CO)变换为氢气(H2)，成为变换气，然后，转化气或者变换气通过变压吸附(PSA)过程，得到高纯度的氢气(H2)。

天然气制氢气也是一个比较传统的技术，以前常用于大规模的氢气供应场合，例如5000m3/h以上的氢气供应量。我们根据中国氢气用户分散而且规模较小的特点，开发了低投资和低消耗的天然气蒸汽转化制氢技术，非常适合中小规模的氢气需求场合。在天然气丰富的地区，天然气制氢是最好的选择。我公司已经为国内和国外用户建设了这类装置和转让了技术。

典型装置

中国石油天然气股份有限公司吉林油田分公司天然气制氢装置

天然气制氢的主要技术：

天然气蒸汽一段转化技术，适合中小规模的制氢。

天然气蒸汽一段转化串接纯氧二段转化技术，适合于中大规模的制氢。

天然气两段换热式转化技术，适合中等规模的制氢技术。

天然气部分氧化制氢，适合大规模的制氢。

焦炉气部分氧化制氢，适合焦炉气资源丰富的地区。

产品特点

氢气规模：200~100,000m3/h

氢气纯度：99~99.999%

氢气压力：0.5~3.5MPa

适用领域：双氧水、山梨醇、TDI、MDI、苯胺加氢等精细化工或医药中间体加氢过程，炼油厂加氢过程等。

技术特点

采用独特的热能回收技术，将转化炉的热效率提高;

设计优良的废热锅炉，为制氢装置的长周期运转，提供可靠的保障;

专有的转化炉烟气流动方式，燃料气的消耗更低。

无扰动切换吸附塔的变压吸附(PSA)提纯氢气大大提高了系统的可靠性。

技术原理

1 天然气的蒸汽转化

天然气的蒸汽转化是以水蒸汽为氧化剂，在镍催化剂的作用下将天然气转化为氢气(H2)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)的转化气。这一过程为吸热过程故需外供热量，转化所需的热量由转化炉辐射段燃烧燃料气提供。

在镍催化剂存在下其主要反应如下：

CH4+H2O→CO+3H2+Q

CO+H2O→CO2+H2+Q

2 变压吸附

变压吸附(PSA)循环是吸附和再生的循环，吸附过程是吸附剂在加压时吸附混合气中的某些组份，未被吸附组份通过吸附器层流出，当吸附剂被强吸附组分饱和以后，吸附塔需要进入再生过程，也就是解吸或脱附过程。

在变压吸附(PSA)过程中吸附器内吸附剂解吸是依靠降低杂质分压实现的，在工业装置上可以采用的方法有：

1)降低吸附器压力(泄压)•

2)对吸附器抽真空‚

3)用产品组分冲洗

转化炉示意图

变压吸附分离技术及其在粉末冶金行业中的应用

摘要：简单介绍了变压吸附气体分高技术的工艺特点、技术进展和在我国的应用情况，对变压吸附各种不同的工艺在粉末冶金生产过程中的应用进行了展望，预计该技术在粉末冶金行业将舍得到迅速推广，为生产厂家带来良好的经济效益，促进粉末冶金技术的进步。

在许多粉末制备和烧结过程中气氛对产品质量影响很大。因此必须对气氛进行控制。如适宜的烧结气氛可以防治和减少周围环境对烧结产品的有害反应。排除有害杂质，维持或改变烧结材料中的有用成分，从而保证烧结顺利进行和产品质量稳定。随着粉末冶金技术的发展和粉末冶金制品性能的提高，对粉末制备和烧结气氛的要求将会更加严格。为了能方便有效地控制气氛组成，离不开气体的制备、分离和提纯工艺。合理的分离提纯工艺，可以简化工艺操作、降低产品成本、提高产品质量，以及促进粉末冶金技术的应用和发展。

变压吸附(Pressure swing adsorption，PSA)工艺是近十几年来飞速发展的一种非低温法气体分离和提纯技术，与传统的气体分离工艺相比，具有投资小、能耗低、工艺简单、自动化程度高、操作方便可靠、产品质量高等优点，已在化工、石油炼制、冶金、采矿、电子、食品、科研、航天、医药、环保等方面得到了广泛的应用。

粉末冶金过程中涉及的许多气体，如H2、N2、O2、CH4、CO、CO2等，都可以利用变压吸附技术进行分离或提纯。可以预计，随着粉末冶金行业的发展和对变压吸附技术的了解，这种新型的气体分离工艺将在粉末冶金行业得到广泛推广和应用。

1 变压吸附气体分离和提纯技术

1．1 工艺过程

变压吸附(PSA)是利用气体各组分在吸附剂上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化的原理，通过周期性的压力变化实现气体的分离。

吸附剂对不同气体的吸附特性是不同的。利用吸附剂对混合气中各种组分吸附能力的不同，通过选择合适的吸附剂就可以达到对混合气进行分离提纯的目的。

同一吸附剂对同种气体的吸附量，还随吸附压力和温度的变化而变化：压力越高，吸附量越大；温度越高，吸附量越小。利用这一特性，可以使吸附剂在高压或低温下吸附，然后通过降压或升温使吸附剂上吸附的气体解吸下来，使吸附剂再生，达到循环利用的目的。利用温度的变化使吸附剂吸附或再生的工艺过程称为变温吸附，利用压力的变化使吸附剂吸附或再生的工艺过程称为变压吸附。

1.2 特点

变压吸附气体分离技术作为非低温法的代表，工业应用领域迅速发展，并进一步向大型化发展。与其他气体分离技术相比，变压吸附技术具有以下特点：

(1)能耗低，这是因为PSA工艺所要求的压力较低，一些有压力的气源可以省去再次加压的能耗，在常温下操作，可以省去加热或冷却的能耗；

(2)产品纯度高且可灵活调节，如PSA制氢，产品纯度可达99．999％，并且可根据工艺需要随意调节氢的纯度，调节后对整套装置的操作几乎没有影响；

(3)工艺流程简单，可实现多种气体的分离、对水、硫化物、氨、烃类等杂质有较强的承受能力，无需复杂的预处理工序；

(4)装置有计算机控制，自动化纯度高，操作方便，开停车简单迅速，通常开车0．5h左右就可以生产出合格产品；

(5)装置调节能力强，操作弹性大，在30％~120％的负荷内开车，工艺调整不大；

(6)投资小，操作费用低，维护简单、使用寿命长；

(7)环境效益好，除原料气的特性外，PSA装置的运行不会造成新的环境污染、几乎无“三废”产生。

1．3 研究进展

PSA技术的广泛应用，促进了PSA技术的快速发展。近年PSA技术的进展主要体现在以下几个方面。

(1)PSA工艺日臻完善采用抽空工艺，极大地提高了产品的回收率；采用多床层多种吸附剂装填方式，取消了某些气源的预处理及后处理工序，减少了投资和消耗。

(2)PSA适用气源更加广泛PSA技术所用气源可以达几十种，以前某些不能使用的因产品组分含量太低或杂质组分极难解吸的气源，因PSA技术的提高，使其可以回收利用。目前以各种工业废气为原料提纯氢气的PSA装置仅国内就有二百多套投入使用。

(3)产品回收率逐步提高现在PSA制氢的收率最高可达95％以上。

(4)吸附剂吸附分离性能不断提高表现在吸附剂的吸附量提高、分离系数的提高、杂质组分吸附前沿的降低、再生比较容易、吸附剂强度的提高等几个方面．给PSA工艺的改进提供了充足的空间。

(5)程序控制阀的改进程控阀是PSA装置实现正常运转、可靠工作的关键设备，对程控阀的要求远较一般阀门高。四川天一科技股份有限公司针对PSA工艺的不同要求，研制开发了如高性能提升阀、适用于低压差大通径的双偏心和三偏心蝶阀、逻辑导向阀、组合阀、单向阀、波纹管截止阀、四通球阀、管道阀、高低选自动阀等多种适用PSA工艺的专用程控阀、获得多项专利。阀门密封寿命可达60万次以上，整体寿命可以大于15年。