胡旭，張勇，周歷科，楊中貴

(西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610225)

1 變壓吸附技術(shù)

變壓吸附技術(shù)是在20世紀(jì)70年代逐漸推廣的，最初其主要是用于空氣的凈化和干燥、工業(yè)尾氣中氫氣的提取。如今，變壓吸附技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，在化工、醫(yī)療、環(huán)保等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。利用變壓吸附技術(shù)可以使氣體分離提純的純度大大提升，例如很多工藝中氫氣制取的純度高至99.999%，其回收率也已經(jīng)超過了85%。變壓吸附技術(shù)于氣體分離提純方面的應(yīng)用能夠極大地提升分離提純綜合效益，因而在氫氣等氣體的分離提純中成為主流技術(shù)。

1.1 變壓吸附氣體分離技術(shù)的特點(diǎn)

變壓吸附氣體分離技術(shù)能夠在諸多分離提純技術(shù)中脫穎而出，不外乎其諸多方面的優(yōu)勢(shì)。第一，變壓吸附技術(shù)能夠有效地提升產(chǎn)品的最終純度，這一方面的特點(diǎn)上述已經(jīng)闡明，有關(guān)氫氣制取的純度及回收率都是其他分離提純技術(shù)所無法達(dá)到的。利用該技術(shù)還可以較好地控制分離提純的純度，技術(shù)人員僅需要改變工藝環(huán)境便可以實(shí)現(xiàn)這一改變。第二，變壓吸附技術(shù)耗能小，經(jīng)濟(jì)性高。衡量某一技術(shù)應(yīng)用的實(shí)際效果，經(jīng)濟(jì)性也是重要標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，變壓吸附技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，于常溫條件下便能實(shí)現(xiàn)各種氣體的分離提純過程，這就很大程度上減少了能耗，與此同時(shí)，變壓吸附技術(shù)的維護(hù)也比較方便，無需大量的維修成本，這些都是變壓吸附技術(shù)經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)的重要因素[1]。第三，工藝流程簡(jiǎn)單，智能化程度較高。變壓吸附技術(shù)經(jīng)過幾十年的應(yīng)用發(fā)展，現(xiàn)階段已經(jīng)趨于成熟，實(shí)際應(yīng)用中操作流程十分簡(jiǎn)單，此外，該工藝所使用的儀器也大多實(shí)現(xiàn)了智能化發(fā)展，即由計(jì)算機(jī)進(jìn)行整個(gè)過程的操控，工作人員只需要通過控制計(jì)算機(jī)便能實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化。由此可見，變壓吸附技術(shù)工藝流程簡(jiǎn)單，因而一經(jīng)投產(chǎn)，無需大量的時(shí)間研究設(shè)備，只需要簡(jiǎn)單的培訓(xùn)技術(shù)人員便可以開始運(yùn)作。除此之外，變壓吸附氣體分離技術(shù)的應(yīng)用還有這其他方面的諸多優(yōu)勢(shì)，諸如吸附劑使用周期長(zhǎng)、綜合效益高等。

1.2 變壓吸附氣體分離技術(shù)的應(yīng)用

成熟的變壓吸附氣體分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，其涉及到化工產(chǎn)業(yè)、鋼鐵行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)等諸多領(lǐng)域。具體而言，變壓吸附氣體分離技術(shù)主要用于氫氣、一氧化碳、二氧化碳等氣體的回收提純，同時(shí)也包括空氣中氧的富集等?？傮w來看，變壓吸附氣體分離技術(shù)的應(yīng)用已然成為諸多領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)，同時(shí)相關(guān)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的實(shí)際情況也驗(yàn)證了該技術(shù)的重要作用，尤其是變壓吸附技術(shù)在煉鋼廠中的應(yīng)用，其可以從所產(chǎn)出的焦?fàn)t煤氣中有效地提純氫氣，在降低操作成本的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品純度的大幅度提高。此外，變壓吸附技術(shù)在醫(yī)療、廢水處理等方面的應(yīng)用也是十分廣泛，該方面的應(yīng)用主要表現(xiàn)在氧的富集，傳統(tǒng)的空氣分離法不論是操作工序還是富集效果都遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到預(yù)期效果，而變壓吸附氣體分離技術(shù)的應(yīng)用則在減少能耗的同時(shí)提高了回收率，因而該技術(shù)也得到了進(jìn)一步推廣[2]。

2 變壓吸附技術(shù)在氣體分離提純中的應(yīng)用

變壓吸附技術(shù)于氣體分離提純中的應(yīng)用最為廣泛，現(xiàn)階段效果最好且應(yīng)用最多當(dāng)屬氫氣、二氧化碳以及一氧化碳的回收提純。以下便以這3種氣體的分離提純?yōu)槔M(jìn)行分析，論證變壓吸附技術(shù)于氣體分離提純中的良好效果及重要作用。

2.1 氫氣的回收與提純

氫氣的回收和提純主要是用于鋼鐵等工業(yè)生產(chǎn)中。很多工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)排放大量的氣體，其中便混雜有部分氫氣，對(duì)于這類氣體而言，不能直接進(jìn)行排放，必須通過一定的工序去除或是提純氫氣才能進(jìn)行后續(xù)的處理。變壓吸附技術(shù)的應(yīng)用便實(shí)現(xiàn)了氫氣的分離提純。該技術(shù)能使得氫氣提純的純度大大增加，甚至接近100%。目前變壓吸附技術(shù)在氫氣分離提純方面應(yīng)用的主要工藝為多次變壓吸附工藝，該工藝能夠?qū)ξ胶髿埩舻漠a(chǎn)品成分進(jìn)行二次回收，由此便進(jìn)一步加強(qiáng)了工業(yè)生產(chǎn)的利用率。我國在氫氣分離提純方面的變壓吸附技術(shù)工藝已經(jīng)頗為成熟，近期我國還實(shí)現(xiàn)了變壓吸附技術(shù)氫配置，其氣體處理量以及氫氣制取水平均位于國際先列?？傮w而言，現(xiàn)階段變壓吸附氣體分離技術(shù)在氫氣的回收及提純方面已經(jīng)取得了較好的效果，氫氣提純純度也是目前各種氣體提純中最高的，經(jīng)該技術(shù)處理后的工業(yè)廢氣中基本不含氫氣，在實(shí)現(xiàn)氫氣高純度回收利用的同時(shí)，也促進(jìn)了工業(yè)廢氣的有效處理。

2.2 一氧化碳的回收與提純

一氧化碳是一種重要的工業(yè)生產(chǎn)氣體，其可以用于制取甲酸鈉，在冶金工業(yè)中作還原劑，同時(shí)也被廣泛用于氣體燃料。水煤氣中便包含大量的一氧化碳?xì)怏w，由此可見，一氧化碳有著重要的工業(yè)價(jià)值，因而對(duì)于一氧化碳的回收及提純也是十分重要的工序。目前一氧化碳的制取主要來源于煤、石油、天然氣等不可再生資源，大量使用這類資源進(jìn)行一氧化碳的獲取經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)，同時(shí)也造成了資源的浪費(fèi)。隨著汽車數(shù)量的不斷增加，多數(shù)汽車所使用的仍是來源于石油的汽油，因而其所產(chǎn)生的尾氣中也還有大量的一氧化碳?xì)怏w。面對(duì)大量排放的汽車尾氣，如能夠進(jìn)行一氧化碳提純，則在獲取大量氣體資源的同時(shí)也降低了尾氣對(duì)于環(huán)境的污染。因而變壓吸附技術(shù)于一氧化碳的回收及提純方面的應(yīng)用也是越來越受到重視，應(yīng)用也在增加。利用變壓吸附技術(shù)對(duì)汽車尾氣中的一氧化碳進(jìn)行分離提純能夠避免其燃燒生成二氧化碳，對(duì)大氣造成污染。與此同時(shí)，整個(gè)過程的操作費(fèi)用也大大降低，經(jīng)濟(jì)效益較高。目前主要有兩種一氧化碳變壓吸附工藝，分別為利用吸附劑實(shí)現(xiàn)分離以及物理吸附法。這兩種吸附工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)，相較而言，利用吸附劑進(jìn)行分離效果更好，工業(yè)生產(chǎn)中所使用的一氧化碳吸附劑也比較多，諸如氧化鋁、活性炭等，同時(shí)很多研究機(jī)構(gòu)也針對(duì)一氧化碳吸附劑進(jìn)行了深入的研發(fā)，最終設(shè)計(jì)了一氧化碳變壓吸附的專用吸附劑，有效地提升了吸附的選擇性及最終效果[3]。

2.3 回收制取純二氧化碳

二氧化碳的排放會(huì)加劇溫室效應(yīng)，對(duì)于環(huán)境保護(hù)是極為不利的。然而，純二氧化碳?xì)怏w的應(yīng)用也是較為廣泛，例如焊接過程中常以二氧化碳作為保護(hù)氣，食品的冷凍、滅菌、防霉等對(duì)于二氧化碳的需求量也是比較大的。對(duì)此，回收提純工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的廢氣中的二氧化碳?xì)怏w不僅有利于工業(yè)生產(chǎn)效益的提升，同時(shí)也有利于環(huán)境保護(hù)。二氧化碳?xì)怏w的回收提純主要來自于油田的伴生氣，二氧化碳的回收提純與氫氣不同，主要在于二氧化碳?xì)怏w具有強(qiáng)吸附性，導(dǎo)致在變壓吸附過程中二氧化碳會(huì)殘留在吸附床上?，F(xiàn)階段制取純二氧化碳的工藝基本如下，在實(shí)際采用變壓吸附技術(shù)進(jìn)行制取時(shí)，需要對(duì)壓力范圍進(jìn)行有效的控制，經(jīng)過長(zhǎng)期的探究確定壓力范圍應(yīng)當(dāng)為0.5～0.8 MPa，在該條件下所提純的二氧化碳純度可以達(dá)到99.5%及以上。

3 空氣中制取富氧

氧氣是諸多領(lǐng)域經(jīng)常用到的重要?dú)怏w，諸如醫(yī)療供氧、金屬冶煉等過程都需要使用大量的氧氣。由于這些領(lǐng)域?qū)ρ鯕獾募兌炔⑽从袊?yán)格的要求，因而富氧制取所采用的方法主要為深冷空氣分離法，該制取富氧的方法應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)也在趨于成熟。盡管如此，隨著變壓吸附技術(shù)的推廣應(yīng)用，其優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯出來。與深冷空氣分離法與之相比，在制取富氧成本和效率方面，以及制取過程方便性方面，變壓吸附技術(shù)均優(yōu)于深冷空氣分離法，因而當(dāng)前各個(gè)領(lǐng)域中都開始用變壓吸附技術(shù)代替深冷空氣分離法進(jìn)行氧氣的分離提純。

當(dāng)前使用變壓吸附技術(shù)制取富氧已經(jīng)形成了較為成熟的工藝，其中以常壓和加壓吸附工藝應(yīng)用最為廣泛。對(duì)于常壓吸附而言，其壓力通常設(shè)置在0～50 kPa之間，而加壓吸附工藝壓力范圍則為0.2～0.6 MPa。常壓吸附制取富氧的能耗較高，這就需要依據(jù)實(shí)際情況調(diào)整常壓吸附制取工藝，當(dāng)對(duì)氧氣的純度要求不高時(shí)，如醫(yī)院供氧等方面的應(yīng)用便可以采用常壓吸附制取富氧。當(dāng)前兩種吸附工藝的應(yīng)用都比較多，即使是采用常壓吸附大規(guī)模制取富氧，其整體能耗也遠(yuǎn)低于深冷空氣分離法，因而采用變壓吸附技術(shù)制取富氧已成大勢(shì)所趨。

4 氯乙烯精餾尾氣的回收利用

變壓吸附技術(shù)除了制取回收提純工業(yè)有價(jià)值氣體之外，也能實(shí)現(xiàn)一些有害氣體的分離，從而使所排放過的氣體在各項(xiàng)指標(biāo)都符合環(huán)保方面的基本要求，這對(duì)于環(huán)境保護(hù)無疑有著很大的幫助。該方面應(yīng)用最為典型的案例便是回收利用氯乙烯的精餾尾氣，工業(yè)生產(chǎn)中氯乙烯精餾尾氣的產(chǎn)生量極大，其中包含著乙炔、氯乙烯等對(duì)環(huán)境有害的氣體，這些氣體不符合排放標(biāo)準(zhǔn)，因而必須經(jīng)過一定的處理才能最終排出。變壓吸附技術(shù)的應(yīng)用則有效地解決了這一問題，其可以對(duì)氯乙烯尾氣中的乙炔及氯乙烯進(jìn)行選擇性吸附，經(jīng)該技術(shù)處理后的精餾尾氣各方面均符合清潔氣體要求，可以直接排放到空氣中，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。一般可以利用真空泵使吸附床抽空，此時(shí)附著劑上的乙炔及氯乙烯便可以脫附，后續(xù)則利用相關(guān)的裝置進(jìn)行回收利用，從而在達(dá)到環(huán)保要求的同時(shí)獲取一定的經(jīng)濟(jì)效益[4]。

5 變壓吸附技術(shù)在氣體分離提純中的發(fā)展前景

目前變壓吸附技術(shù)于氣體分離提純中的應(yīng)用取得了較好的效果，在后續(xù)的發(fā)展中該技術(shù)也將不斷趨于成熟，并會(huì)在以下幾方面得到進(jìn)一步提升。首先是產(chǎn)品回收率的進(jìn)一步提高，當(dāng)前變壓吸附技術(shù)提純氫氣的回收率便達(dá)到了95%以上，后續(xù)仍將進(jìn)一步增大，實(shí)現(xiàn)高純氣體的近乎完全回收。此外，所使用吸附劑的性能也將進(jìn)一步改善，選擇性吸附將不斷增強(qiáng)，分離系數(shù)的提高也將降低吸附劑的使用量，從而實(shí)現(xiàn)變壓吸附技術(shù)的快速發(fā)展[5]。

6 結(jié)語

變壓吸附技術(shù)在氣體分離提純中具有十分重要的作用，其分離提純效果也是其他技術(shù)所無法比擬的。后續(xù)在工業(yè)領(lǐng)域中綜合應(yīng)用變壓吸附技術(shù)、深冷技術(shù)等，使之發(fā)揮出更好的分離提純效果。