变压吸附原理.doc

 变压吸附原理
在吸附平衡情况下，任何一种吸附剂在吸附同一气体时，气体压力越高，则吸附剂的吸附量越大。反之，压力越低，则吸附量越小。
   在空气压力升高时，碳分子筛将大量吸附氧气、二氧化碳和水分。当压力降到常压时，碳分子筛对氧气、二氧化碳和水分的吸附量非常小。
变压吸附设备主要由A、B二只装有碳分子筛的吸附塔和控制系统组成。当压缩空气从下至上通过A塔时，氧气、二氧化碳和水分被碳分子筛所吸附，而氮气则被通过并从塔顶流出。当A塔内分子筛吸附饱和时便切换到B塔进行上述吸附过程并同时对A塔分子筛进行再生。所谓再生，即将吸附塔内气体排至大气从而使压力迅速降低至常压，使分子筛吸附的氧气、二氧化碳和水分从分子筛内释放出来的过程，整个吸附，再生过程为120秒。
然气制氢由天然气蒸汽转化制转化气和变压吸附(PSA)提纯氢气(H2)两部分组成，压缩并脱硫后天然气与水蒸汽混合后，在镍催化剂的作用下于820~950℃将天然气物质转化为氢气(H2)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)的转化气，转化气可以通过变换将一氧化碳(CO)变换为氢气(H2)，成为变换气，然后，转化气或者变换气通过变压吸附(PSA)过程，得到高纯度的氢气(H2)。

天然气制氢气也是一个比较传统的技术，以前常用于大规模的氢气供应场合，例如5000m3/h以上的氢气供应量。我们根据中国氢气用户分散而且规模较小的特点，开发了低投资和低消耗的天然气蒸汽转化制氢技术，非常适合中小规模的氢气需求场合。在天然气丰富的地区，天然气制氢是最好的选择。我公司已经为国内和国外用户建设了这类装置和转让了技术。
 典型装置
中国石油天然气股份有限公司吉林油田分公司天然气制氢装置
天然气制氢的主要技术：
天然气蒸汽一段转化技术，适合中小规模的制氢。
天然气蒸汽一段转化串接纯氧二段转化技术，适合于中大规模的制氢。
天然气两段换热式转化技术，适合中等规模的制氢技术。
天然气部分氧化制氢，适合大规模的制氢。
焦炉气部分氧化制氢，适合焦炉气资源丰富的地区。
产品特点
氢气规模：200~100,000m3/h
氢气纯度：99~99.999%
氢气压力：0.5~3.5MPa
适用领域：双氧水、山梨醇、TDI、MDI、苯胺加氢等精细化工或医药中间体加氢过程，炼油厂加氢过程等。
技术特点
采用独特的热能回收技术，将转化炉的热效率提高;
设计优良的废热锅炉，为制氢装置的长周期运转，提供可靠的保障;
专有的转化炉烟气流动方式，燃料气的消耗更低。
无扰动切换吸附塔的变压吸附(PSA)提纯氢气大大提高了系统的可靠性。
技术原理
1 天然气的蒸汽转化
天然气的蒸汽转化是以水蒸汽为氧化剂，在镍催化剂的作用下将天然气转化为氢气(H2)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)的转化气。这一过程为吸热过程故需外供热量，转化所需的热量由转化炉辐射段燃烧燃料气提供。
在镍催化剂存在下其主要反应如下：
CH4+H2O→CO+3H2+Q
CO+H2O→CO2+H2+Q
2  变压吸附
变压吸附(PSA)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(PSA)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
转化炉示意图
变压吸附分离技术及其在粉末冶金行业中的应用

    摘 要： 简单介绍了变压吸附气体分高技术的工艺特点、技术进展和在我国的应用情况，对变压吸附各种不同的工艺在粉末冶金生产过程中的应用进行了展望，预计该技术在粉末冶金行业将舍得到迅速推广，为生产厂家带来良好的经济效益，促进粉末冶金技术的进步。

    在许多粉末制备和烧结过程中气氛对产品质量影响很大。因此必须对气氛进行控制。如适宜的烧结气氛可以防治和减少周围环境对烧结产品的有害反应。排除有害杂质，维持或改变烧结材料中的有用成分，从而保证烧结顺利进行和产品质量稳定。随着粉末冶金技术的发展和粉末冶金制品性能的提高，对粉末制备和烧结气氛的要求将会更加严格。为了能方便有效地控制气氛组成，离不开气体的制备、分离和提纯工艺。合理的分离提纯工艺，可以简化工艺操作、降低产品成本、提高产品质量，以及促进粉末冶金技术的应用和发展。
    变压吸附(Pressure swing adsorption，PSA)工艺是近十几年来飞速发展的一种非低温法气体分离和提纯技术，与传统的气体分离工艺相比，具有投资小、能耗低、工艺简单、自动化程度高、操作方便可靠、产品质量高等优点，已在化工、石油炼制、冶金、采矿、电子、食品、科研、航天、医药、环保等方面得到了广泛的应用。
    粉末冶金过程中涉及的许多气体，如H2、N2、O2、CH4、CO、CO2等都可以利用变压吸附技术进行分离或提纯。可以预计，随着粉末冶金行业的发展和对变压吸附技术的了解，这种新型的气体分离工艺将在粉末冶金行业得到广泛推广和应用。
   1 变压吸附气体分离和提纯技术
   1．1 工艺过程
    变压吸附(PSA)是利用气体各组分在吸附剂上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化的原理，通过周期性的压力变化实现气体的分离。
    吸附剂对不同气体的吸附特性是不同的。利用吸附剂对混合气中各种组分吸附能力的不同，通过选择合适的吸附剂就可以达到对混合气进行分离提纯的目的。
    同一吸附剂对同种气体的吸附量，还随吸附压力和温度的变化而变化：压力越高，吸附量越大；温度越高，吸附量越小。利用这一特性，可以使吸附剂在高压或低温下吸附，然后通过降压或升温使吸附剂上吸附的气体解吸下来，使吸附剂再生，达到循环利用的目的。利用温度的变化使吸附剂吸附或再生的工艺过程称为变温吸附，利用压力的变化使吸附剂吸附或再生的工艺过程称为变压吸附。
    1.2 特点
    变压吸附气体分离技术作为非低温法的代表，工业应用领域迅速发展，并进一步向大型化发展。与其他气体分离技术相比，变压吸附技术具有以下特点：
    (1)能耗低，这是因为PSA工艺所要求的压力较低，一些有压力的气源可以省去再次加压的能耗，在常温下操作，可以省去加热或冷却的能耗；
    (2)产品纯度高且可灵活调节，如PSA制氢，产品纯度可达99．999％，并且可根据工艺需要随意调节氢的纯度，调节后对整套装置的操作几乎没有影响；
    (3)工艺流程简单，可实现多种气体的分离、对水、硫化物、氨、烃类等杂质有较强的承受能力，无需复杂的预处理工序；
    (4)装置有计算机控制，自动化纯度高，操作方便，开停车简单迅速，通常开车0．5h左右就可以生产出合格产品；
    (5)装置调节能力强，操作弹性大，在30％~120％的负荷内开车，工艺调整不大；
    (6)投资小，操作费用低，维护简单、使用寿命长；
    (7)环境效益好，除原料气的特性外，PSA装置的运行不会造成新的环境污染、几乎无“三废”产生。
    1．3 研究进展
    PSA技术的广泛应用，促进了PSA技术的快速发展。近年PSA技术的进展主要体现在以下几个方面。
    (1)PSA工艺日臻完善 采用抽空工艺，极大地提高了产品的回收率；采用多床层多种吸附剂装填方式，取消了某些气源的预处理及后处理工序，减少了投资和消耗。
    (2)PSA适用气源更加广泛 PSA技术所用气源可以达几十种，以前某些不能使用的因产品组分含量太低或杂质组分极难解吸的气源，因PSA技术的提高，使其可以回收利用。目前以各种工业废气为原料提纯氢气的PSA装置仅国内就有二百多套投入使用。
    (3)产品回收率逐步提高 现在PSA制氢的收率最高可达95％以上。
    (4)吸附剂吸附分离性能不断提高 表现在吸附剂的吸附量提高、分离系数的提高、杂质组分吸附前沿的降低、再生比较容易、吸附剂强度的提高等几个方面．给PSA工艺的改进提供了充足的空间。
    (5)程序控制阀的改进 程控阀是PSA装置实现正常运转、可靠工作的关键设备，对程控阀的要求远较一般阀门高。四川天一科技股份有限公司针对PSA工艺的不同要求，研制开发了如高性能提升阀、适用于低压差大通径的双偏心和三偏心蝶阀、逻辑导向阀、组合阀、单向阀、波纹管截止阀、四通球阀、管道阀、高低选自动阀等多种适用PSA工艺的专用程控阀、获得多项专利。阀门密封寿命可达60万次以上，整体寿命可以大于15年。
   (6)计算机专家诊断系统的应用 PSA装置程序控制阀门多，开关频繁，对自动化纯度要求较高。四川天一科技股份有限公司开发研制的“计算机专家诊断处理系统”，使PSA装置的控制水平达到世界一流水平。应用该系统后，当PSA装置局部出现故障后，可以通过检测故障信息，及时准确地判定故障原因、故障范围和影响程度，迅速将故障部位隔离出去，并利用剩余完好设备，组成新的工艺流程，启动相应控制程序，维持系统继续运行，此时可以对故障部位进行维修。当故障处理好后，可自动或手动将装置恢复到原流程运行，极大地提高了PSA装置的抗干扰能力和运行的可靠性、安全性。
   1．4 在我国的应用现状
    变压吸附在我国起步较晚，但发展速度却很快，四川天一科技股份有限公司(西南化工研究设计院)最早在国内将PSA技术实现工业化，已经推广各种工业装置六百多套，使我国的变压吸附技术在许多方面处于国际领先地位。目前，我国变压吸附技术的应用领域有：氢气的提纯、二氧化碳的提纯(可直接生产食品级二氧化碳)、一氧化碳的提纯、变换气脱除二氧化碳、天然气的净化、空气分离制氧、空气分离制氮、瓦斯气浓缩甲烷、浓缩和提纯乙烯、气体干燥、气体脱硫等等。
   1．4．1 氢气的分离提纯
    由于制备氢气的原料气种类很多，组成变化很大，有许多不同的提纯工艺。表1对常用的分离提纯氢气的方法进行了简单的比较。
                                                                           表1 几种氢气纯化技术比较
项目
膜分离
变压吸附
深冷分离
规模/Nm3h-1
100~10000
100~100000
5000~100000
氢纯度/V%
80~99
99~99.999
90~99
氢回收率/%
75~85
80~95
最高98
操作压力/MPa
3~15或更高
0.5~3.0
1.0~8.0
压力降/MPa
高，原料产品压力比为2~6
0.1
0.2
原料氢最小含量/V%
30
15~20
15
原料的预处理
需预处理
可不预处理
需预处理
产品中的CO含量
原料气中CO的30%
<10μg/g
几百μg/g
操作弹性/%
20~100
10~100
50~100
投资
低
低
较高
能耗
低
低
较高
操作难易
简单
简单
较难
    氢气的分离提纯是PSA技术最早实现工业化的领域。我国第一套PSA工业装置就是由西南化工研究院开发设计，1982年建于上海吴淞化肥厂的从合成氨弛放气回收氢气装置。从合成氨弛放气中回收氢气是合成氨厂普遍采用的节能措施。目前
有两百多套从各种工业废气中提纯氢气的PSA装置投入使用。
    冶金工业早期的氢气均由电解法提供，但钢厂有丰富的含氢气源(如焦炉煤气)，用PSA法从焦炉气中提氢耗电约0.5kw·h／m3，而电解法制氢耗电为6—7kw·h／m3。目前，我国几大钢铁企业纷纷采用PSA技术取代电解法制氢。
   石油炼制过程需要大量的氢气，同时石油加工过程中又产生大量的含氢尾气(如加氢裂化尾气、催化重整副产气、回炼渣油的催化裂化干气等)，均可采用PSA技术回收利用。
   1．4，2   变换气脱碳
   利用变压吸附可以脱出原料气中的CO2。目前，PSA脱碳装置最大的处理量可达50000m3/h以上，在我国已有近70套各种规模的PSA脱碳装置。
   1.4.3  CO的分离提纯
    一氧化碳是C1化学的基础原料气，但提纯方法不多，以往国内采用精馏法或COSORB法提纯CO。但这两种方法的预处理系统复杂，设备多，投资大，操作成本高，效果不理想。四川天一科技股份有限公司开发的PSA分离提纯CO工艺，其投资仅为COSORB法的65％，生产成本为60％，能耗为68％，使我国CO的分离技术达到国际领先水平。该工艺目前已推广应用16套，CO产量可达3000m3/h。
    黄磷尾气、转炉气、高炉气等气源中都含有大量的CO，是PSA提纯CO的理想气源，也可以来用PSA工艺将高炉气热值提高用作工业燃气。
   1.4.4 变压吸附空分制氧气、氮气
    PSA空分制氧、制氮工艺，因其投资少、能耗低、操作方便，在中、小规模领域内有取代传统低温空分装置的趋势。
PSA制氧的氧气纯度可达99．95％，而PSA制氧的能耗却逐年下降，对于氧气纯度为93％--95．5％，产量为1000m3/h的PSA制氧装置，其单位电耗为0．42kw·h／m3。
   PSA制氮可采用沸石分子筛(ZMS)和碳分子筛(CMS)为吸附剂。采用ZMS的工艺从抽空脱附得到产品氮，可得到99．99％以上的高纯氮。采用CMS的工艺简单，单位能耗低，能一步得到99．5％的氮气。
   1.4.5 二氧化碳的分离提纯
    PSA分离提纯CO2技术于1986年实现工业化。可以从多种含O02气源中分离提纯CO2，满足CO2的多种工业用途。
    1．4．6 PSA在其他领域的应用
    PSA可用于天然气的净化。天然气中常含有的0．5％~3％的烃类杂质常常影响以天然气为原料的化工产品质量。采用PSA净化工艺，可以将烃类杂质脱除到100x10-6以下，是一种理想的净化方法。
    PSA用于煤矿瓦斯气浓缩，将煤矿瓦斯气中甲烷浓缩，提高其热值达到城市煤气的水平，使瓦斯气变废为宝。
   PSA还可用于乙烯浓缩、尾气净化、气体干燥、脱硫脱氮等各领域。
    2 变压吸附技术在粉末冶金行业应用展望
    2．1 变压吸附干燥工艺酌应用
    在一些金属粉末制备过程中，必须对气氛中的水分含量进行控制，有时要求还非常高。例如在氢还原法制取钨粉时，氢气的湿度对钨粉的颗粒、还原程度都有影响，氢气人炉前必须充分干燥脱水以减少炉内水蒸气浓度。
    对于活性较高的金属Be、A1、Si、Zr、V、Cr、Mn及含有这些元素的合金如不锈钢、高速钢、钢结硬质合金、钻合金等，在烧结时，气氛中即使含有极微量的水或氧都是不允许的，这些金属极易生成难还原的氧化膜而阻碍烧结过程。因此，烧结时必须用严格脱水的氢气或惰性气体。
   气体干燥的方法有许多种，如深冷法、溶剂吸收法、化学法等．利用吸附刑吸附脱水是比较常用的一种方法，变温吸附法和变压吸附法都可以达到很高的脱水深度，可以根据工艺特点进行选择。变压吸附脱水时工艺比较简单，无需加热和冷却，脱水深度最高可达常压露点-60~-70℃。该技术非常适合于原料气中水含量不很高且具有一定压力的场合。
   2．2 变压吸附氢气提纯工艺的应用
    氢气是粉末制备时常用的一种优良的还原剂, 所得产品质量较好。如用氢还原法制取的铁粉较固体碳还原法制取的铁粉更纯，且成本较低。又如采用气相化学沉积法由气态卤化物制取难熔化合物粉末和各种碳化物、硼化物、硅化物、氮化物涂层时，氢气既是还原剂又是气体载体。氢气还常常用作制备粉末或烧结时的保护气。可见，氢气的质量对生成工艺和产品质量有很大影响。
    采用变压吸附氢气分离和提纯技术，可以非常方便地从含氢原料气中分离或提纯氢气，所得氢气纯度可以在90％~99．999％之间灵活控制；在提纯氢气同时．无需额外措施，可以直接将产品氢中水分脱至常压露点—60℃左右。对于无廉价含氢气源且需氢量不很大的场合，采用变压吸附技术与氨裂解或甲醇裂解技术相结合，可以得到廉价的氢气，整套工艺投资小、操作简单，经济效益十分明显，已在国内多家工厂得到应用。
    利用变压吸附对原料气要求不高的优点，还可以利用许多工艺尾气和废气提纯氢气，变废为宝，所得氢气成本很低，既具有经济效益，又满足了环保要求。
    2．3 变压吸附空分工艺的应用
    氧气和氮气在粉末冶金行业的应用场合非常多。以烧结过程为例，根据不同工艺，需控制不同的烧结气氛。有时需要氧化气氛，如用于贵金属的烧结、氧化物弥散材料的内氧化烧结、铁或铜基零件的预氧化活化烧结等．常采用纯氧、空气和水蒸汽等作为烧结气氛。在惰性或中性气氛中，常用N2、Ar、CO2等控制气相组成，用于活性金属或高纯金属的烧。N2还用于控制烧结不锈钢及含Cr钢时的氮化气氛。
    变压吸附空分技术最适合于这种对氧、氮纯度要求不很高、用量不很大的场合。在中小规模空分领域，变压吸附空分工艺比低温工艺投资小、成本低．而且当产品纯度要求不高时，这种优势更加明显。变压吸附制氧时产品纯度在50％~95％时效益较好，在制氮时氮气纯度在96％~99．5％时最为合理。因此，在粉末冶金领域中，可以充分发挥变压吸附空分技术的优势。
    2．4 其他变压吸附提纯工艺的应用
    在粉末冶金过程中，常涉及到的气体还有CO、CO2、CH4等。CO是常用的一种还原剂。控制烧结气氛中CO／CO2、CH4/H2等组分的比例，可以改变气氛的碳势，来控制渗碳或股碳反应的进行。
    变压吸附技术可以比较容易地对这些气体组分进行脱除或提纯，如变压吸附脱碳工艺可以将CO2脱除到0．2％乃至百万分之一级，而变压吸附提纯CO2工艺又可将CO2提纯到食品级；变压吸附提纯CO工艺，可以将CO提纯到98％左右，同时，
该技术还可以用于对含CO气体的回收。
    总之，在粉末冶金过程中，如能合理利用变压吸附气体分离和提纯技术，制备各种高品质的气体以满足生产的需要，将会显著提高粉末冶金产品质量，提高粉末冶金技术水平，带来良好的经济效益。
    3 结 语
    在粉末冶金生产过程中，对气体质量有比较高的要求，气氛的控制对粉末制品的质量有比较大的影响。但由于气体制备和提纯工艺的限制．在一定程度上对粉末冶金技术的发展产生了不利影响。新兴的变压吸附气体分离和提纯技术，具有投资小、能耗低、操作安全、产品质量高等突出优点，大大降低了气体制备和提纯的成本，在许多行业得到了广泛的推广。变压吸附气体分离和提纯技术，将成为各生产厂家首选的气体分离提纯技术之一，其应用前景非常广阔。
浅析膜分离和变压吸附技术在甲醇生产中的应用
周奕亮，何绍辉(天邦膜技术国家：工程研究中心有限责任公司，辽宁大连 116023)
甲醇是重要的有机化工原料。在甲醇生产过程中，合成甲醇受化学平衡的限制。甲醇的一次反应转化率很低，为提高转化率，必须把未反应的气体进行循环。在循环过程中，一些不参与反应的惰性气体，如N2、CH4、Ar等会在循环气中累积，从而降低反应物的分压和转化率。为此，必须将部分惰性气体排放出去，以降低其含量。在排放惰性气体的同时，H2、CO2、CO等有效气体也会随之放空。采用气体分离技术将该部分有效气体分离回收，可产生可观的经济效益和社会社益。
1  气体分离方法简述

目前，实现工业化的气体分离技术可分为三大主流技术：深冷法(cryogenic)、变压吸附法(PSA)和膜分离法(MembraneSeparation)。每种工艺都有其独特的特点并适用于不同的情况。
    (1)深冷分离是传统的气体分离工艺，它利用进料组分的沸点温差达到分离效果。其特点是：产品回收率高，分离纯度高，但投资较大，运行能耗高，多适用于大规模、多组分的气体同时回收的场合，在甲醇放空气回收中较少采用。
    (2)PSA分离法是利用分子筛对不同种类气体在某一时间内吸附容量的差别，结合加压吸附减压脱附的非连续循环过程实现气体分离。其特点是：产品气纯度高、生产的氢气基本上不降压，但解析气通常为常压或负压，回收率相对较低。
    (3)膜分离技术是一种新发展的高新技术，它是利用混合气体在通过高分子膜时不同的渗透速率而达到连续分离的目的。与传统的分离技术相比，膜分离技术具有无材料损耗、投资少、占地少，能耗低、免维护、操作方便等优点，气体的回收率高，但产品纯度受到限制。
2  PSA在甲醇中的应用

变压吸附这一概念由H.kahle于1942年在德国申请专利提出。20世纪60年代在世界处于能源危机的情况下，美国联合碳化物公司(UCC)首先采用变压吸附技术从含氢废气中回收氢气，1966年第1套PSA回收氢气的工业装置投入运行。70年代以后，变压吸附技术获得了迅速发展，工艺不断完善，使用范围越来越广，装置数量剧增，装置规模不断增大。

变压吸附技术在我国的应用已有20多年的历史，我国第1套PSA工业装置是西南化工研究院设计的，在1982年建于上海，用于从合成氨放空气中回收氢气。目前该装置推广使用已超过500套，其中应用于甲醇放空气回收的有十几套。部分使用厂家见表1。
    PSA回收甲醇合成放空气具有如下特点。
    (1)由于原料气压力较高，可直接进入PSA装置，同时得到较高压力的产品氢气。若同时回收CO2，需将解析气压缩后再进行吸附分离，要消耗部分压缩功
    (2)产品氢气能耗高，并可根据需要随时调整氢气纯度(98％～99.999％)。不但可以满足产品返回合成循环需要，还可以满足厂家外销氢气或其他加氢装置需要。
    (3)装置操作由计算机控制，自动化程度高，但操作相对较为复杂。装置对程序控制阀和分子筛的质量要求严格，但目前计算机专家诊断系统的开发应用，使装置能自动诊断故障，自动切换吸附塔，装置的可靠性进一步提高。
    (4)装置投资建设周期和运行费用比深冷法低，但比膜分离方法高。
3  膜分离技术用于回收甲醇合成放空气

气体膜分离技术始于20世纪40年代。20世纪60年代Loeb和Sourirajan研制出第1张具有高脱盐率和高透水量的醋酸纤维素非对称膜，由此开创了膜技术的新纪元。膜法气体分离技术真正实现大规模的工业化应用是以美国孟山都(Monsanto)公司在1979年开发的Prism中空纤维氮氢膜分离器为标志，从此，气体膜分离技术进入了工业化应用的阶段。

我国气体膜分离技术研究始于1982年。1988年中国科学院大连化学物理研究所研制成功我国第1台中空纤维氮氢膜分离器，经与上海吴泾化工厂的Prism装置性能对比试验，结果表明我国研制的分离器达到国外20世纪80年代中期水平。

采用膜分离技术，氢的回收率与纯度都在90％以上，经过二级膜法分离，可使氢气纯度提高到99％以上。目前国内使用该技术的合成氨企业已超过200家。

气体膜分离技术的原理是在一定的压力条件下，利用不同种类气体在有机高分子膜中具有不同的渗透速率，从而将混合气体的特点组分进行分离和提浓。

目前在哈尔滨气化厂、河南义马气化厂、河南新郑化肥厂、驻马店中原气化集团、山西化肥厂等一些甲醇厂都采用或计划采用膜分离装置用于回收甲醇合成放空气。

膜分离法回收甲醇合成放空气具有如下特点。
    (1)将放空气中的少量甲醇先进行吸收或低温分离后，以放空气自身压力为推动力进行放空气的回收，不需额外动力，通常做燃料的排放气(尾气)无压降。回收的有效气体(渗透气)的压力降低。
    (2)在回收H2，排放N2、Ar、CH4等惰性气体的同时也能回收大部分CO2、CO气体，因此在满足放空惰性气体的前提下，有用的气体(H2、CO、CO2)的总回收率比较高。
    (3)接近常温操作，装置中无运动部件，属静态操作，几乎不消耗其他材料和能源，不产生新的物质，对环境友好。
    (4)分离效率高，装置规模小，投资少，占地面积通常仅有几十平方米。控制部分少，适于连续生产，且开停车十分方便。
    (5)膜分离器件的组合性强，非常容易进行扩建。它可以根据实际的工况条件，适当增加或减少膜组件，以扩大或减小生产能力。
    (6)回收气体(渗透气)中H2的回收率高，但产品纯度受到限制。
4  PSA与膜分离回收甲醇放空气比较

以某甲醇厂为例，放空气压力4.6 MPa，温度≤30℃，其组分见表2。

分别采用膜分离与PSA技术来回收此放空气，并将回收气返回3.0 MPa压缩机入口，将空气(瓦斯气)送到0.5MPa压缩机入口。

膜分离技术采用一级膜分离，将大部分氢气和部分CO2、CO回收，回收气压力为1.6MPa，尾气压力为3.0MPa。采用PSA技术来回收H2、CO2、CO，由于CO2、CO为解析气，需增加2台压缩机，分别将CO2、CO压缩到3.0 MPa，将尾气压缩到0.5MPa。 2种分离方法各组分的回收情况见表3，技术经济比较见表4。

表3、表4对比结果表明：
    (1)膜分离技术有效气体总回收率为92.9％，PSA为91.4％；膜分离技术惰性气体的排放率为59.65％，PSA为45.7％。
    (2)膜分离技术压缩回收气体的能耗为368kW；PSA压缩CO2、CO能耗为392kW，压缩尾气能耗为101 kW。
    (3)膜分离技术的操作弹性大，操作和维护简单，并且投资少、占地面积小、操作人员少，对甲醇放空气中有效气体回收率高，是更为简单易行的方法。
5  结语
    (1)虽然膜分离技术回收的气体纯度受到限制，但对于某些工业过程，特别是合成气的处理，包括回收、调比等不需要更高气体纯度的场合，更适宜使用膜分离技术。
    (2)目前膜分离技术已在合成氨放空气的回收中得到广泛应用，但在甲醇合成放空气回收中的应用才刚刚起步，随着甲醇行业的蓬勃发展，膜分离技术这种新兴的气体分离方法，依靠其简单、节能、高效的特点必将得到更广泛的应用。
前言
　　贵州化肥厂有限责任公司8.13合成新系统自2002年5月26日建成投产后，因脱碳装置采用GV双塔再生工艺，主要存在问题是蒸汽消耗高，吨氨耗蒸汽3.0吨以上；再生部分腐蚀大，开车一年后经常因腐蚀泄漏造成系统停车；吸收能力差，生产负荷在55000 Nm3 /h 的工况下，蒸汽用量稍有减少易引起吸收塔出口CO2超标；运转设备多，调节较复杂，生产操作繁琐；化工原材料消耗及电耗高；一年运行费用在800万元以上。严重制约我厂8.13合成新系统高负荷长周期安全经济运行，为了扭转这一被动局面，公司经调研后决定采用成都天立化工科技有限公司的变压吸附脱碳（PSA）工艺取代GV脱碳双塔再生工艺，于2004年3月份建成投产。本文对变压吸附脱碳（PSA）装置运行作如下总结：
　　1 变压吸附脱碳的工作原理
　　变压吸附的工作原理是利用吸附剂对吸附质在不同的分压下对被分离的气体混合物组分有选择吸附的特性,加压吸附脱除原料气中的杂质组分,减压脱附这些杂质而使吸附剂获得再生。因此,采用多个吸附床循环地变动所组合的各吸附床压力,就可以达到连续分离气体混合物的目的。
　　2 装置概况
　　变压吸附装分初脱段和精脱段，粗脱段和精脱段都采用11塔，三塔吸附六次均降流程。利用精脱段逆放气作为粗脱段的吹扫气和二段气升压气，以保护吸附剂及回收部分有效气体，精脱段抽真空以保证吸附剂的再生。
　　3 工艺方块示意图

　　4 运行参数
　　4.1 设计参数
　　　　变换气组成（V）
H2
N2
CO2
CO
CH4
H2O
～52%
～15%
～26%
～5.0%
～1.7%
饱和

　　处理气量70000Nm3 /h　 净化气中CO2含量 ≤0.2%
　　中间气中CO2含量 8～12%（干）、 吸附压力：粗脱 1.8MPa
　　净化、 1.75MPa　　　　吸附温度： 20～40℃
　　4.2 实际运行参数
　　　　变换气组成（V）
H2
N2
CO2
CO
CH4
H2O
52.8%
17.3%
24%
2.7%
2.9%
饱和

　　处理能力70000 Nm3 /h　净化气中CO2含量 0.8%（联醇）
　　中间气CO2含量 10～13% 吸附压力：粗脱 1.7MPa
　　净化 1.65MPa　　　　　吸附温度 32℃
　　5 运行状况
　　变压吸附在运行过程中，对系统负荷的变化适应性强，操作简单、只需根据负荷变化情况对循环时间作适当调整即可，氢回收率≥98%氮回收率≥97%，对稳定系统、降低消耗起到了重要贡献，在运行过程中易出现如下故障，对系统稳定安全运行、吸除剂使用寿命造成威胁，现就我厂出现的情况叙述如下、供同行参考：
　　5.1 电磁阀卡死现象
　　变压吸附脱流装置自2004年3月份投运自2004年8月份这段时间，主要表现在电磁阀卡死后程控阀无法动作，引起串气，严重时不得不作紧急停车处理，更换电磁阀。其原因是油系统管道设备有杂质，含有铁屑的液压油进入电磁阀后卡死油活塞，导致程式控阀不动作，所以要保证电磁阀的灵活运行，必须保证油路及油质的干净，我厂是采用油过滤机长期对液压油进行过滤。自2004年8月份以后基本没有出现电磁阀卡死的情况，保证了系统长周期高负荷稳定运行。
　　5.2 杜绝液体带进吸附塔
　　2004年6月17日2:04全厂低电压跳车，因油泵跳车后电器连锁未复位，油泵未及时开启，油压降到2.0MPa以下后，导致程控阀失控引起串气放空，三段气在4分钟内泄为常压，同时变脱泵未跳车仍在运行，此过程中将硫泡沫及部份溶液带进吸附塔，造成了粗脱吸附剂的粉化失活，为了防止类此事故再次发生，经会同天应公司商议后，决定不开变脱，用变脱塔作为分离器，确保变换气不带液。
　　5.3 吸附剂脱硫效果良好
　　自2004年8月份停变脱后，入吸附塔H2S含量都在400～650mg/ Nm3经变压吸附脱除后H2S≤0.1mg/ Nm3，保证了联醇对H2S的要求，我厂联醇装置自2004年4月份投产以来，运行自今甲醇合成触媒活性良好。H2S对吸附剂没有明显不良影响。
　　5.4 吸附剂的更换方法
　　我厂粗脱吸附剂失活后，循环时间缩短了200秒，气体损失明显增大，于2005年3月份对原粗脱吸附剂进行更换，签于吸附塔的特殊结构，无卸料孔，为了将吸除塔内的吸附剂清理干净，我们采用真空抽吸的办法将吸附剂抽出，即加工两个容积为3m3的分离器，配管至真空泵进口，塔内用软管连接抽吸，当一个容器抽满后换另一个容器，共用一个星期将粗脱11个塔内硅胶和氧化铝抽吸干净。
　　5.5 程控阀卡死问题
　　程控阀使用时间长后，少部份程控阀会出现卡死现象，主要原因是油活塞环磨损后密封不好导致程控阀无法动作；另一方面是油活塞密封环抱死油活塞导致程控阀无法动作，此种情况只有更换阀门或拆开程控阀油缸更换活塞环或密封填料，需要提前准备备件。
　　5.6 程控阀报警
　　程控阀报警有三种情况，（1）阀检故障、此种情况是阀检线路接触不良所致，要求仪表工检查路线即可处理。（2）程控阀内阀检感应磁铁脱落或是失去磁性所致。此种情况在开车状态下无法处理，对程控阀的安全运行不够成威胁，只有在停车后拆油缸重新装磁铁才能解决。（3）程控阀阀检电源短路，一般有两种原因，一是阀检电源接线盒进水短路，二是线路绝缘不好造成短路，阀检电源短路如果处理不及时，将造成控制系统电源空开过流跳闸，电磁阀在没有电信号的情况下系统程控阀开启混乱造成串气而停车。所以当阀检报警后要立即查明原因并加以处理，切不可掉以轻心。
　　5.7 油管漏油后的处理方法
　　在11塔运行情况下可将油管泄漏的塔在吸附状况的压力下切除运行，将进回油阀关死就可折油管处理油漏点。
　　如果有一个塔已经因故障切除运行即只有十塔运行，此时如果又有塔油管漏油需切塔处理漏点，而运行程序又没有九塔运行的程序，可将故障切除塔的电磁阀信号电源与电磁阀分开，使电磁阀不能带电，在此种状态下将故障切除塔投入系统以满足运行程度的需要，而该塔不参与吸附气体，再将油管泄漏塔切除处理漏点，此种状况下虽然是十塔运行，但实际只有九塔运行，基本上不用减负荷，但运行时间不益过长，应尽快将漏点处理完后投入运行，将故障塔切除停运。
　　5.8 避免吸附塔串气放空
　　当吸附塔因电磁阀或程控卡死，或因程序混乱引起串气放空，在短时间内有大量气体通过吸附塔易造成塔内丝网因吸附剂翻腾将网丝撕碎，造成吸附剂跨踏堵塞管道引起停车。
　　6 结束语
　　变压吸附脱碳按吸附剂使用期七年算年运行费用为50万元，与GV脱碳相比每年节约运行费用700多万元，三年即可收回成本。变压吸附脱碳的投运为我厂8.13氨合成系统稳产高产长周期经济运行打下了坚实的基础，随着变压吸附脱碳（PSA）技术的进一步成熟及在使用中经验的不段丰富，必将在氮肥行业得到广泛的使用而在节能降耗上作出重要贡献。
变压吸附技术在焦炉煤气制氢中的应用
戴 四 新
（厦门市建坤实业发展公司，福建 厦门 361012）
摘　要：介绍了变压吸附（PSA）技术的基本原理及其应用于焦炉煤气提氢的Sysiv和Bergbau PSA制氢典型工艺。指出PSA技术是近年国内外发展最快、技术最成熟、成本最低的煤气制氢方法，在国内焦炉煤气制氢中最具发展前途，应大力推广应用。
    焦炉煤气中含有丰富的氢气,约占55%（体积比）,目前焦炉煤气主要用作工业和民用燃料,宝贵的氢气资源被浪费掉。另一方面,轧钢、化工合成工业又需高纯度氢气来作为冷轧钢板保护气及合成化工基本原料。制取氢气的传统方法为电解水或氨裂解,该法因成本高、投资大,难以推广应用。为解决氢气来源并探索其最合理经济的制取方法,各国都在不懈研究着。1978年美国UCC公司建成了世界上第一套焦炉煤气制氢的工业PSA装置,1984年实现了工业化,之后该技术得到了迅速推广应用。
　1985年宝钢引进了焦炉煤气PSA制氢技术装置，之后西南化工研究院、鞍山热能研究院在吸收研究基础上分别在武钢、鞍钢、攀钢及本钢建成了1000Nm3/h和500Nm3/h的PSA制氢装置。随着轧钢产品对质量的要求提高，对氢气的质量和数量要求必然提高，同时，随着天然气的民用开发，焦炉煤气尤其是其中H2提取和利用应着手思考、研究，而PSA技术因其工艺十分简单、产品纯度高(99.9%以上)、成本低已经成为且将来仍必将成为制氢的一种主导方法。
1 变压吸附的基本原理
　　变压吸附技术是以吸附剂（多孔固体物质）内部表面对气体分子的物理吸附为基础，利用吸附剂在相同压力下易吸附高沸点组分、不易吸附低沸点组分和高压下吸附量增加（吸附组分）、减压下吸附量减少（解吸组分）的特性，将原料气在压力下通过吸附剂床层，相对于氢的高沸点杂质组分被选择性吸附，低沸点组分的氢不易吸附而通过吸附剂床层，达到氢和杂质组分的分离。然后在减压下解吸被吸附的杂质组分使吸附剂获得再生，以利于再次进行杂质的吸附分离。具体变压吸附过程见图1、图2。

图1 变压吸附过程示意图（常压解吸）

图2 变压吸附过程示意图（真空解吸）
    由图1看出，变压吸附过程中，主要包括升压过程（A→B），吸附过程（B→C），顺放过程（C→D），逆放过程（D→F）。但常压解吸和真空解吸的最后一步略有差别（即E→A）。前者为冲洗过程，在过程最低压力P1下进行逆向冲洗以不断降低杂质分压使杂质解吸并随冲洗气带出吸附床；后者采用烽真空不断降压的方法降低杂质分压，使杂质解吸并随抽空气带出吸附床。两者都说明冲洗解吸时冲气量越多或真空解吸时抽空压力越低，吸附剂再生越彻底。
2 焦炉煤气变压吸附提氢典型工艺
　　焦炉煤气（COG）是焦化厂炼焦过程中产生的气体。其典型组成见表1。
表1 焦炉煤气典