變壓吸附（PSA）技術原理及其具體應用領域
發布時間：
2024-06-13 15:03
變壓吸附氣體分離技術起源于德國無熱吸附凈化空氣研究，通過探究凈化空氣方法，研發氣體分離技術，經過多年改進，此項技術逐漸成熟。由于此項技術應用流程簡單，對技術要求較低，環境污染破壞較小，因而得到了廣泛應用。目前，此項技術在H2的回收與提純、CO2的回收與制取、CO的回收與提純、氯乙烯精餾尾氣的回收中應用較多。
下面我們就來看看變壓吸附氣體分離技術：
01技術原理
此項技術是一種可以將多種氣體分離開來的綜合技術，其工作原理是利用吸附劑，依據變壓器吸附原理，通過控制溫度變化，從中提取所需氣體。通常情況下，選取碳分子篩作為吸附劑。在實際應用中，以氣體分子擴散速率作為研究指標，因分子直徑大小不同，吸附效果不同，以此達到區分氣體的目的。以N2和O2兩種氣體分離為例，利用吸附劑選擇性吸附氣體，在壓縮空氣過程中，N2和O2分別位居不同集，采用此方法大量提取N2。下圖為吸附劑動力學曲線。
上圖中，描繪了吸附劑在吸附N2和O2時，隨著時間的推移對應的吸附量大小。通過觀察上圖中的變化曲線可以很明顯的看出，隨著時間的推移，O2吸附量很快就達到了飽和，30min后不再吸附，雖然N2吸附速度較慢，但是隨著時間的推移，始終在吸附，并且吸附速度較慢。依據此原理，可以通過調節吸附劑吸附時間來分離N2和O2。
02技術優勢
①成本低。該分離技術操作簡單，不需要提供大量設備，通過更換吸附劑即可保證裝置得以正常運行，滿足氣體分離要求。因此，利用此項技術分離氣體，運行成本低，在資金方面具有一定優勢。
②能耗低。該項技術運用獨特的氣體分子篩裝填技術，依據氣體分離需求，開啟回收、提取氣體裝置，完成氣體分離操作。整個作業過程中各個環節消耗能量較少，總能耗偏低。
③智能化。此項分離技術采用人機界面處理方式，用戶在計算機操作界面，依據氣體分離需求下達操作命令，即可實現氣體分離，減少了人工搬運等環節，大量節省了人力資源，實現智能化氣體分離。
④個性化。該技術的應用不是固定不變的，而是根據用戶需求，設置提取氣體種類、氣體濃度等參數，根據參數設置結果，為用戶提供個性化服務。開啟此裝置后，按照提取需求，從中分離類型、濃度等滿足要求的氣體。
⑤使用壽命長。此項技術融合了分子篩填技術和氣流控制技術，可以有效抵抗氣流沖擊，減少分子篩磨損，以此延長使用壽命。
變壓吸附氣體分離技術有哪些應用？
目前，變壓吸附氣體分離技術在H2、CO2、CO、氯乙烯精餾尾氣的回收與提取中應用較多，下面我們來看看變壓吸附技術的應用方法。
01回收與提純H2
通常情況下，此項技術在應用期間，壓力應控制范圍0.8~2.5MPa，用于吸附產品中的氣體。起初，氣體的吸附需要使用兩個床完成，其中一個床作為氣體再生床，另外一個床作為氣體吸附床，經過一段時間吸附后相互交替，隨著壓力的上升，位于死空間的氣體逐漸消失。目前，應用此方法來解決多床變壓吸附問題，經過放壓和均壓處理，從中獲取產品能量及組分。在實際應用中，通過增加均壓施加次數，提高產品回收率，H2回收率范圍75%~80%。為了滿足H2提取需求，需要根據產品生產加工床數量，調整氣體回收工藝流程。目前，H2回收與提純裝置設計方案逐漸成熟，經過測試分析，驗證了此方案的可靠性，標志著我國H2回收與提純技術研究邁上了新的臺階。從程序操控角度分析，我國成功研發了不同參數規格下的H2提取程序，支持不同參數規格氣體提取切換，H2回收率超過90%，純度高達99.9%。
02回收與制取CO2
在眾多氣體中，CO2是一種具有較強吸附能力的氣體，在吸附床內殘留較多，難以去除。因此，CO2回收與提取處理具有一定必要性。變壓吸附技術的出現，為CO2提取研究開辟了新的路徑，從合成氣體中提取CO2。一般情況下，采用干脫離法和濕脫離法提取氣體，前者能耗較低，開發時間段，后者開發時間較長，技術已經成熟。為了解決CO2提取問題，美國率先利用氣體分離技術，從合成氣體中分離CO2。整個氣體脫離過程，以烴類轉換為起始點，經過轉換處理后得到不同提及分數的氣體，而后從中提取CO2，使其純度達到99.4%。在此基礎上，提高H2純度，當其達到99.9%時，按照1：3的比例，混合氮氣和氫氣，采取壓縮處理得到氨。此項工藝CO2回收率為94%，H2回收率為95%，標志著脫碳技術研究進步。目前，國內外研究學者已經對此項工藝進行了優化處理，提高了CO2提取純度，促進了變壓吸附技術發展。
03回收與提純CO
CO是我國眾多產業發展的產物之一，對大氣環境污染較為嚴重，回收CO是工業生產的必要環節。為了處理此問題，往往采用氣體轉化思想去除CO氣體，這種處理方式成本過高，考慮到成本控制問題，采取提純氣體方式取代氣體轉化。目前，應用比較多的氣體提取技術為變壓吸附技術，分為二段法和一段法。其中，一段法的氣體提取純度較高，且能耗偏低，成為了當前CO提純主要處理工藝之一。一段法的應用原理：選取CO吸附劑作為氣體提純處理材料，直接分離氣體，簡化了操作步驟，有助于氣體快速分離。在實際應用中，在氧化鋁、分子篩等吸附劑的表面添加銅鹽，在絡合作用下，從混合氣體中提取CO。目前，這種氣體處理工藝逐漸成熟，在CO氣體分離中應用較多。
04回收氯乙烯
精餾尾氣該氣體的回收，通過控制壓力大小，從中提取氯乙烯精餾尾氣，隨著壓力的增加，尾氣回收率隨之提升。如下表所示為尾氣回收統計結果。
未來發展中，變壓吸附技術將成為氣體分離核心技術，擴大應用覆蓋面，在工藝流程方面有所突破，根據氣體性能不同，分別簡化不同種類氣體回收和提取流程。另外，在吸附性能方面上也將有所突破，選取吸附性較強的物質取代原有吸附物質，以此增加分子篩選能力，使得氣體純度得以提升。從當前發展形勢來看，在未來技術應用中，氣體純度達到99.999%是有可能的。因此，變壓吸附技術的應用開發可以幫助更多領域處理氣體分離問題，具有較好的應用前景。
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