变压吸附技术的应用研究进展1

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1、第31卷第2期广州化学Vol.31,No.22006年6月GuangzhouChemistryJune,20061变压吸附技术的应用研究进展辜敏，鲜学福（重庆大学西南资源开发与环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆400044）摘要：变压吸附（PSA）技术是近几十年来在工业上新崛起的气体分离技术，是物理化学渗流理论在工业上的具体应用。自上世纪70年代以来，变压吸附技术因其优势明显，在化工分离中占有重要地位，受到关注和发展。文章简要综述了变压吸附技术的发展里程、理论基础及其研究进展、分离过程的计算机模拟和

2、在国内外工业领域中的应用情况，并对其应用前景进行了展望。关键词：变压吸附；进展中图分类号：TQ028文献标识码：A文章编号：1009-220X(2006)02-0060-06变压吸附技术是近几十年来在工业上新崛起的气体分离技术，其原理是基于压力和循环条件下让多组分混合气体通过吸附柱，因吸附平衡及对速率行为影响效果存在差异来进行快速的吸附–脱附循环，从而达到气体分离和吸附剂循环使用的目的。自上世纪70年代以来，变压吸附法已在化工分离技术中占据了重要地位，其主要特点是：循环时间短，常温操作（能耗低）、易于自

3、动控制、可获得高纯度产品。由于新型高效吸附剂不断产生，工艺逐渐得到改进，变压吸附的应用领域还在不断拓展，处理规模也在日益扩大，现已成为一种成熟的多[1-3]组分混合气体分离技术。变压吸附分离是借助下述三种效应之一来实现的：位阻效应、动力学效应和平衡效应。到目前为止，在已应用的吸附分离技术中，除了用5A沸石从异烷烃和环烷烃中分离正烷烃、用3A沸石进行干燥是利用位阻效应分离和用炭分子筛分离空气是动力学分离之外，其它的[1]PSA过程都是混合气体通过在吸附柱上产生气体平衡或竞争吸附来完成气体分离的。1多组分变

4、压吸附技术分离的工业应用进展早期的PSA技术一般仅限于除去混合气中的低浓度组分，由于新吸附剂的出现及分离工艺技术的改进，其应用范围得到了扩大，使多种气体的净化分离实现了工业化。变压吸附循环是Skarstrom和Guerin-Domine于1960年发明的。Skarstrom发现，用PSA技术并结合他发明的循环在干燥空气方面表现的效率非常高，因此，未作大的修改，Skarstrom变压吸附就立即被用于工业规模的空气干燥。1962年，美国联合碳化物公司建立了第一套空气干燥工业装置。此后，经过一系列的改进，各种

5、精致和完善的变压吸附循环装置相继诞生，并在分离效率和能量消耗方面得到了相应的改善，从而加速了PSA的工业应用，现已成为空收稿日期：2005-10-12基金项目：教育部重点科学技术项目（98031）作者简介：辜敏（1969－），女，四川人，副教授，工学博士，主要从事气体分离、电化学方面的研究。第2期辜敏,等：变压吸附技术的应用研究进展61气干燥、氢气纯化、正构烷烃脱除和中、小规模空气分离的主要技术。上世纪80年代后，PSA技术已被用于天然气和煤层气中CH4的分离，同时在CO2、He、有机蒸汽、石油气等[4

6、-7]吸附性质相近的混合气体分离中也得到了应用，此方面的专题综述可见文献。我国于上世纪70年代开始进行PSA空气分离富氧工艺试验，其后，西南化工研究院率[6-8]先开发了PSA技术，并于1982年研制出第一套PSA工业装置，用于从合成氨释放气体中回收H2。至今国内外已有500余套PSA装置，并在九个领域得到相应的应用。经过203多年的发展，我国PSA技术水平和应用领域已进入世界先进行列，能提供小至20Nm/h，3[8][9-12]大至10万Nm/h的各种规模的PSA装置。与此同时，相关的基础研究还在许多

7、高等院校、科研机构中不断进行，这为我国PSA技术的长期稳定发展奠定了良好基础。值得注意的是，虽然变压吸附分离气体工艺日趋完善，但要想分离出产品纯度很高的组[7]分仍然只能限于弱吸附组分，如H2，其PSA分离纯度可以到达99.999%。以强吸附组分为产品的工业化的PSA过程却很少，其原因主要有两方面：一是强吸附组分的解吸困难，二是强吸附组分与其它组分在吸附剂上的分离系数不够大。已工业化的大多数PSA过程是基于平衡吸附来完成分离的，这要求各分离气体之间在吸附剂上的分离系数（相对吸附率）αij≥2，αij偏离

8、1越大，分离的效果越好。目前运用最广、最为成功是H2的PSA分离提纯，其原因之一就在于H2的吸附惰性而导致与其它气体之间的分离系数αi/H2（i为其它吸附气体）[12]远偏离1，如CH4/H2在活性炭上、纳丝光泡沸石的分离系数＞10；而对于一些强吸附组[11]分为目标产品的气体的分离，如从瓦斯中提纯CH4，可以表现为CH4/N2体系，其分离系[12]数在常用的吸附剂上均小于3，大多数甚至低于2，由此可见其分离难度远比CH4/H2大，难以得到