变压吸附气体分离

变压吸附气体分离
概述
变压吸附(Pressure Swing Adsorption)分离技术最广泛的应用是工业气体的分离提纯。

在分离过程中，气体组份在升压时吸附，降压时解吸，不同组份由于其吸附和解吸特性不同，在压力周期性的变化过程中实现分离，这一过程称之为变压吸附分离过程（简称PSA）。

变压吸附分离过程一般在中等的压力(低于6.0MPa)下进行，操作简单，自动化程度高，设备不需要特殊材料等优点。

原料气中的杂质组份如H2O，NH3，硫化物等工业上常见的有害组份可同时除去，预处理和分离过程同时进行，省去了繁琐的预处理装置，简化流程，操作费用低。

变压吸附(PSA)分离技术主要应用于以下领域：
1.变压吸附法(PSA)提纯氢气(H2)
2.变压吸附法(PSA)提纯一氧化碳(CO)
3.变换气脱除二氧化碳(CO2)
4.变压吸附法(PSA)回收二氧化碳(CO2)
5.变压吸附法(PSA)提纯一氧化碳(CO2)
6.变压吸附法(PSA)空气分离制氧(O2)
7.变压吸附法(PSA)空气分离制氮(N2)
8.变压吸附法(PSA)回收乙烯(C2H4)
9.变压吸附法(PSA)聚丙烯尾气回收丙烯(C3H6)
10.变压吸附法(PSA)天然气回收轻烃
11.变压吸附法(PSA)回收聚氯乙烯尾气
技术特点
1.变压吸附(PSA)技术是一种低能耗的气体分离技术。

PSA工艺所要求的压力一般在
0.1～2.5MPa，允许压力变化范围较宽，一些有压力的气源，如氨厂弛放气、变换气
等，本身的压力可满足变压吸附(PSA)工艺的要求，可省去再次加压的能耗。

对于处理这类气源，PSA制氢装置的消耗仅是照明、仪表用电及仪表空气的消耗，能耗很低；PSA装置压力损失很小，一般不超过0.05MPa。

2.变压吸附(PSA)装置可获得高纯度的产品气，如PSA制氢装置，可得到98.0～
99.999％的产品氢气；
3.变压吸附(PSA)工艺流程简单，无需复杂的预处理系统，一步或两步可实现多种气体
的分离，可处理各种组成复杂的气源，对水、硫化物、氨、烃类等杂质有较强的承
受能力，
4.变压吸附(PSA)装置的运行由计算机自动控制，装置自动化程度高，操作方便，装置
启动后短时间内即可投入正常运行，输出合格产品。

技术特点
变压吸附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
下图示意说明吸附器的吸附、解吸过程
图变压吸附循环中吸附—解吸过程示意图
常压解吸(见图a)
1.升压过程(A-B): 经逆放解吸再生后的吸附器处于过程的最低压力P1、床内杂质吸
留量为Q1(A点). 在此条件下用产品组分升压到吸附压力P3，床内杂质吸留量Q 1
不变(B点).
2.吸附过程(B-C): 在恒定的吸附压力下原料气不断进入吸附器，同时输出产品组分.
吸附器内杂质组分的吸留量逐步增加，当到达规定的吸留量Q3时(C点)停止进入原料气，吸附终止. 此时吸附器内仍预留有一部分未吸附杂质的吸附剂(如吸附剂全部被吸附杂质，吸留量可为Q4，C’点)。

3.顺放过程(C-D): 沿着进入原料气输出产品的方向降低压力，流出的气体仍为产品组
分，用于别的吸附器升压或冲洗. 在此过程中，随床内压力不断下降，吸附剂上的杂质被不断解吸，解吸的杂质又继续被未充分吸附杂质的吸附剂吸附，因此杂质并未离开吸附器，床内杂质吸留量Q3不变. 当吸附器降压到D点时，床内吸附剂全部被杂质占用，压力为P2。

4.逆放过程(D-E): 开始逆着进入原料气输出产品的方向降低压力，直到变压吸附过程
的最低压力P1(通常接近大气压力)，床内大部分吸留的杂质随气流排出器外，床内杂质吸留量为Q2。

5.冲洗过程(E-A): 根据实验测定的吸附等温线，在压力P1下吸附器仍有一部分杂质吸
留量，为使这部分杂质尽可能解吸，要求床内压力进一步降低. 在此利用别的吸附器顺向降压过程排出的产品组分，在过程最低压力P1下进行逆向冲洗不断降低杂质分压使杂质解吸并随冲洗气带出吸附器. 经一定程度冲洗后，床内杂质吸留量降低到过程的最低量Q1时，再生终止. 至此，吸附器完成了一个吸附—解吸再生过程，再次升压进行下一个循环。

真空解吸(见图b)
1.升压过程(A-B): 经真空解吸再生后的吸附器处于过程的最低压力P0、床内杂质吸留
量为Q1(A点). 在此条件下用产品组分升压到吸附压力P3，床内杂质吸留量Q 1不变(B点)。

2.吸附过程(B-C): 在恒定的吸附压力下原料气不断进入吸附器，同时输出产品组分.
吸附器内杂质组分的吸留量逐步增加，当到达规定的吸留量Q3时(C点)停止进入原料气，吸附终止. 此时吸附器内仍预留有一部分未吸附杂质的吸附剂(如吸附剂全部被吸附杂质，吸留量可为Q4，C’点)。

3.顺放过程(C-D): 沿着进入原料气输出产品的方向降低压力，流出的气体仍为产品组
分，用于别的吸附器升压或冲洗. 在此过程中，随床内压力不断下降，吸附剂上的
杂质被不断解吸，解吸的杂质又继续被未充分吸附杂质的吸附剂吸附，因此杂质并未离开吸附器，床内杂质吸留量Q3不变. 当吸附器降压到D点时，床内吸附剂全部被杂质占用，压力为P2。

4.逆放过程(D-E): 开始逆着进入原料气输出产品的方向降低压力，直到变压吸附过程
的最低压力P1(通常接近大气压力)，床内大部分吸留的杂质随气流排出器外，床内杂质吸留量为Q2。

5.抽空过程(E-A): 根据实验测定的吸附等温线，在压力P1下吸附器仍有一部分杂质吸
留量，为使这部分杂质尽可能解吸，要求床内压力进一步降低. 在此利用真空泵抽吸的方法降低杂质分压使杂质解吸并随抽空气带出吸附器.抽吸一定时间后，床内压力为P0，杂质吸留量降低到过程的最低量Q1时，再生终止。

至此，吸附器完成了一个吸附—解吸再生过程，再次升压进行下一个循环。

氢气(H2)的分离提纯
装置规模：生产氢气100~200,000Nm3/h
适用范围：从变换气、重整气、甲醇尾气、水煤气、焦炉气、催化干气等各种含氢气源中提纯氢气。

氢气回收率：80~99%
氢气纯度：99~99.999%
装置特点：适合从中低压的混合气中得到高纯度的氢气。

一氧化碳(CO)的分离提纯
装置规模：生产一氧化碳(CO)100~10,000Nm3/h
适用范围：从水煤气、半水煤气、德士古煤气、SHELL煤气、铜洗再生气、转炉气、高炉气、黄磷尾气等各种含一氧化碳的气源中提纯一氧化碳。

一氧化碳(CO)回收率：80~95%
一氧化碳(CO)纯度：96~99.9%
装置特点：适合从含氮气的气体中分离出96~99%的一氧化碳(CO)产品，特别是在以下这种情况下：
①原料气中氮气、甲烷含量高，如水煤气、半水煤气、铜洗再生气等；
②原料气压力低，如水煤气、半水煤气、铜洗再生气等；
③一氧化碳(CO)纯度要求不高，产品一氧化碳(CO)纯度要求96~99%；
两段法脱除/提纯二氧化碳
装置规模：处理原料气1~20×104Nm3/h
适用范围：以天然气、煤等各种原料生产的变换气、转化气、水煤气等，特别适合合成氨联产甲醇的装置。

产品用途：脱除二氧化碳的合成气作为氨合成或羰基合成的原料，二氧化碳作为尿素生产的原料。

氢气(H2)回收率：99.9%
二氧化碳(CO2)回收率：99.3%
氮气(N2)回收率：99.3%
一氧化碳(CO)回收率：99%
合成气中CO2净化度：10PPM~0.2%
电耗：30~60KW / 1000Nm3 CO2
装置特点：适合从中低压力的变换气、转换气、水煤气中脱除二氧化碳，电耗低，无蒸汽消耗。

二氧化碳回收与提纯
装置规模：生产二氧化碳100~50,000Nm3/h
适用范围：从变换气、石灰窑气、转化气等含二氧化碳的气源中回收二氧化碳。

产品用途：食品级液体二氧化碳、合成可降解塑料的原料、合成碳酸二甲酯的原料等。

CO2回收率：80~90%
CO2纯度：98%，经过低温精馏净化后，可以达到99.999%
装置特点：适合从较低压力（如~0.6MPa）的气源中脱除二氧化碳，无蒸汽消耗。