[科普中國]-變壓式吸附法

變壓吸附法由于具有能耗低、工藝流程簡單、自動化程度高、操作方便、常溫下可連續(xù)運(yùn)行等顯著特點(diǎn)，因此被認(rèn)為是目前最具有發(fā)展前景的瓦斯富集分離技術(shù)。也常用于二氧化碳等氣體的吸附除去。

變壓吸附分離原理及過程變壓吸附分離的原理是通過控制壓力的升降來實(shí)現(xiàn)吸附和脫附過程的。當(dāng)升壓時(shí)，在高壓下吸附劑首先吸附混合氣中的強(qiáng)吸附組分，當(dāng)吸附飽和后，吸附塔則進(jìn)入再生過程，通過降壓將吸附質(zhì)從吸附床中解吸出來，未被吸附組分則通過吸附層被排出。由于不同氣體吸附和解吸特性不同，在壓力周期性的變化過程中可以實(shí)現(xiàn)分離。

由于單塔操作吸附分離過程是間歇的，因此為了連續(xù)操作，工業(yè)上通常采用兩塔或多塔吸附，使吸附塔中吸附劑的吸附和再生交替進(jìn)行。1

變壓吸附法分離瓦斯吸附劑的研究進(jìn)展變壓吸附技術(shù)的關(guān)鍵是開發(fā)性能優(yōu)良的吸附劑。由于乏風(fēng)瓦斯氣體中CH4的含量很小，而O2和N2的含量卻很大，因此需要研制針對CH4/O2和CH4/N2富集分離的高性能吸附劑。目前國內(nèi)外常用于分離CH4/N2混合二元體系的吸附劑主要包括炭吸附材料、硅鋁分子篩、介孔分子篩、鈦硅分子篩、金屬有機(jī)骨架材料等。相比而言，硅鋁分子篩對甲烷吸附分離的性能較低，較大孔徑的介孔分子篩需要修飾后才能應(yīng)用，鈦硅分子篩雖然有些已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用，但用于分離和富集乏風(fēng)瓦斯的吸附劑還未見報(bào)道，金屬有機(jī)骨架材料雖然具有比表面積大和孔道結(jié)構(gòu)規(guī)則的優(yōu)勢，但還停留在實(shí)驗(yàn)室研究。而炭吸附材料由于表面具有疏水性，吸附非極性分子CH4受水的影響小，因此炭材料在天然氣濃縮研究中被廣泛用作吸附劑。除此以外，炭材料還具有比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐酸堿、機(jī)械強(qiáng)度較高、再生容易、成本低等優(yōu)點(diǎn)。2

變壓吸附法分離瓦斯操作條件的研究進(jìn)展在變壓吸附法分離瓦斯過程中，主要的操作條件包括半周期、均壓流程及吸附壓力和解吸壓力。

1)半周期。

半周期是影響吸附效果的最重要操作參數(shù)之一。當(dāng)原料氣從底部進(jìn)入吸附塔內(nèi)時(shí)，CH4氣體被快速吸附在吸附劑上。當(dāng)半周期增大時(shí)，吸附時(shí)間也增加，通入的原料氣越多，在吸附劑上被吸附的CH4量就越多，解吸獲得的產(chǎn)品氣中CH4體積分?jǐn)?shù)就越大;當(dāng)半周期超過吸附平衡時(shí)間后，通入的CH4量超過吸附劑的飽和吸附量，過量的CH4會隨著排放氣排掉，在解吸時(shí)即使再增加抽真空時(shí)間，解吸的產(chǎn)品氣中CH4的體積分?jǐn)?shù)也不會增大。因此，產(chǎn)品氣中CH4體積分?jǐn)?shù)會隨著半周期的增大而增大，但當(dāng)半周期超過吸附平衡時(shí)間后，趨于穩(wěn)定。

由吸附理論可知，在壓力一定的情況下，原料氣進(jìn)入吸附塔后吸附劑快速吸附CH4氣體，達(dá)到吸附塔的飽和吸附量。隨著半周期增大，吸附時(shí)間增加，更多的原料氣進(jìn)入吸附塔，更多的CH4被吸附劑吸附，因此解吸氣中CH4體積分?jǐn)?shù)越大;而當(dāng)半周期超過吸附平衡時(shí)間后，隨原料氣進(jìn)入的CH4量超過吸附劑的飽和吸附能力，當(dāng)吸附劑達(dá)到飽和后，即使再增加抽真空時(shí)間，解吸氣CH4含量也只能維持恒定的水平。因此，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)產(chǎn)品氣的CH4體積分?jǐn)?shù)隨著半周期的增加而增加。

2)均壓流程。

均壓流程是影響吸附效果的另一個(gè)最重要操作參數(shù)。按照均壓流程中兩塔接通的方式不同，可分為上均壓、下均壓、同時(shí)均壓，不同均壓方式對解吸效果產(chǎn)生的影響也不一樣。由于上均壓是順放過程，此時(shí)弱吸附組分從吸附塔上端流出，使得吸附塔中強(qiáng)吸附組分增加，因此解吸氣中強(qiáng)吸附組分體積分?jǐn)?shù)較大。下均壓時(shí)只有少部分含CH4體積分?jǐn)?shù)較低的空氣和原料氣流出吸附塔，解吸氣中CH4體積分?jǐn)?shù)相對較低。因此均壓流程對CH4分離的效果是：上均壓> 同時(shí)均壓> 下均壓。均壓時(shí)間使均壓過程能夠讓吸附塔的壓力快速升高，同時(shí)還能回收部分的產(chǎn)品氣和機(jī)械能，提高CH4體積分?jǐn)?shù)。產(chǎn)品氣CH4體積分?jǐn)?shù)隨著均壓時(shí)間的增加先增大后減小。

3)吸附壓力和解吸壓力。

吸附壓力是變壓吸附過程中極為重要的參數(shù)，直接影響吸附劑對氣體的吸附量，從而影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。隨著吸附壓力增大，N2和CH4的吸附量隨之增大，CH4與N2的吸附量的差值也越大，因此可以通過改變吸附壓力的大小來改變產(chǎn)品氣中CH4的體積分?jǐn)?shù)。吸附壓力大小可以通過節(jié)流子的孔徑控制來實(shí)現(xiàn)，節(jié)流子的孔徑越小，吸附塔的吸附壓力越大，顯著增加了吸附劑對CH4的飽和吸附量，在相同的真空度下解吸出的產(chǎn)品氣中 CH4體積分?jǐn)?shù)也增大很多。因此，為了獲得較高產(chǎn)品氣CH4的體積分?jǐn)?shù)，可以采用通過減小節(jié)流子孔徑而增大吸附壓力的方法。但隨著吸附壓力的增加，能耗也將顯著增加。因此，要根據(jù)能耗指標(biāo)，通過選取合適的節(jié)流子孔徑來控制合適的吸附壓力。隨著解吸壓力的降低，產(chǎn)品氣中CH4的體積分?jǐn)?shù)也增大，但當(dāng)解吸壓力越小時(shí)，解吸的能耗會越高，因此需要選擇合適的解吸壓力。12

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李斌 - 副教授 - 西南大學(xué)