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1、《化工装备技术》第20卷第1期1999年74变压吸附空气分离技术的开发与应用顾飞龙(上海化工研究院,上海市200062)摘要介绍了变压吸附技术的基本原理及其开发与应用,并对今后变压吸附空气分离技术的发展方向提出了看法。关键词空气分离变压吸附制氧制氮现实。一些新型吸附剂和专用吸附剂的开发成1引言功,使变压吸附工艺和应用领域不断向前发展。传统的气体分离工艺有溶剂吸收法和低温213吸附剂的再生分离法两大类。由于吸收法需耗用大量水、蒸为使吸附分离法经济有效地应用,除吸附汽等,低温蒸馏法虽技术水平日臻完善,但单剂要有良好的吸附选择性能外,吸附剂的再生位产量能耗较高,所以这两种分离方法正逐渐也很
2、关键。吸附剂的再生程度直接影响着吸附地丧失它们的领地。剂的吸附能力及产品的纯度。吸附剂的再生时近30年来,变压吸附(简称PSA)技术作间在一定程度上决定了吸附剂循环周期的长为非低温法的代表,与膜分离等新型分离方法短,同时也决定了吸附剂的效率。因此,选择一起迅猛发展,包括中小型空气分离装置在内,合适的再生方法,对吸附分离法的工业化起着PSA技术以独特的优点,不断拓展了其工业应重要的作用。用领域,并逐步走向大型化。按吸附剂的再生方法可将吸附分离循环过程分为变温再生吸附法和变压吸附法两大类,2变压吸附基本原理见图1。211吸附的定义当两相组成一个体系时,两相界面处的成分与相内成分是不同的,
3、在两相界面处会产生积蓄(浓缩),这种现象称为吸附;而被吸附的原子或分子返回到液相或气相的过程,称为解吸。在两相界面处,被吸附的物质称为吸附质,吸附相称为吸附剂。212常用的吸附剂主要有活性白土、硅胶、活性氧化铝、活图1变温、变压吸附示意图性碳、碳分子筛、合成沸石分子筛等。吸附剂制造工艺的发展已能合成出孔径分21311变温再生吸附法布均一、微孔直径可按需确定的吸附剂,使分离在较低温度下吸附,随后通过加热升温的某些分子、原子大小非常接近的一些介质成为方法使吸附剂解吸再生。84变压吸附空气分离技术的开发与应用21312变压吸附法深冷法制氧氮设备不宜随时停机,即使停利用不同压力下吸附剂对吸附
4、质吸附容量机几小时,也会影响运行工况。停机过长,工和选择性的差异,即通过加压增大吸附容量,通况无法恢复正常,就得解冻加温、吹除,然后过降压解吸吸附的组分。该法的吸附循环周期重新启动。而变压吸附设备既可长期连续运转一般较短,吸附热不需移出床外,因此变压吸又可随时停机,再启动时所需时间更短。附工况可看作在一等温吸附线上变化。313纯度调节方便214变压吸附基本工作过程深冷法制氧氮的纯度调节,受多种因素制对于变压吸附法,工业上一般都以固相作约,而PSA法只受排出产品气量的影响,在其为吸附剂,气相为吸附质,采用固定床结构及他条件不变的条件下,产品流量与纯度的变化两个以上的吸附床系统,使吸附剂
5、的吸附和再关系是一连续曲线。生交替进行,从而保证分离过程的循环和连续,314易实现无人操作一般包括以下三个基本过程:低温深冷法设备系统复杂、机组多,且采(1)吸附:吸附床在较高吸附压力下,通用高速透平膨胀机,易发生故障,从而影响设入气体混合物,其中强吸附组分被吸附剂选择备正常运行,一般需配备操作维护人员。而吸附,弱吸附组分作为流出相从吸附床的出口PSA法由于设备简单和操作简易,因而在设备端流出。运行正常后即可实现无人操作。(2)解吸再生:根据吸附组分的特点,选4国外PSA空气分离装置的发展趋势择降压、抽真空、产品冲洗和置换等方法使吸附剂解吸再生。1960年美国C.W.Skarstro
6、m首先获得了(3)升压:解吸剂再生完成后,用弱吸附PSA分子筛制氧的专利权,接着英、德、日等国组分对吸附床进行逐步加压,使之达到吸附压相继进行了大量的试验研究工作。1970年美国力值,完成对下一次吸附的准备。UCC公司(联碳公司)首先实现了工业化,并且在PSA技术的开发及应用方面长期处于领先3变压吸附法相对低温分离法的优势地位。PSA法在与传统的分离方法的竞争中,由于变压吸附操作一般在不太高的压力和由于不断地改进和完善,得到了迅速的发展。常温下进行,比之于低温法具有流程简单、设411装置量逐年增长备制造容易、操作和维修方便、自动化程度高、PSA技术迅速发展,使PSA制氧(氮)量占地面
7、积小、投资少等特点。发达国家已纷纷在总的氧(氮)气生产中所占的比例逐年上升使用这种方法来实现氧氮分离,并且已达到很(见表1),预计在今后10年还会有更大的发高的技术水平。展。据报道,在美国PSA制氧能力增长速度为311启动快低温法的4～6倍。由于深冷法分离氧氮的过程是在极低温度412能耗逐年下降下进行的,因此设备在正常运行之前必须有预随着吸附剂性能的改进及新的制氧(氮)工冷启动这一过程,启动时间一般都在6小时以艺的不断完善,PSA装置的能耗逐年下降。如3上
