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PSA氢提纯工艺 成都华西化工科技股份有限公司 侯世杰 前 言 吸附分离是一门古老的学科。早在数千年前，人门就开始利用木炭、酸性白土、硅藻土等物质所具有的强吸附能力进行防潮、脱臭和脱色。但由于这些吸附剂的吸附能力较低、选择性较差，因而难以大规模用于现代工业。 变压吸附(Pressure Swing Adsorption)气体分离与提纯技术成为化学工业的一种生产工艺和独立的单元操作过程，是在本世纪六十年代迅速发展起来的。这一方面是由于随着世界能源的短缺，各国和各行业越来越重视低品位资源的开发与利用，以及各国对环境污染的治理要求也越来越高，使得吸附分离技术在钢铁工业、气体工业、电子工业、石油和化工工业中日益受到重视；另一方面，六十年代以来，吸附剂也有了重大发展，如性能优良的分子筛吸附剂的研制成功，活性炭、活性氧化铝和硅胶类吸附剂性能的不断改进，以及ZSM特种吸附剂和活性炭纤维的发明，都为连续操作的大型吸附分离工艺奠定了技术基础。 由于变压吸附(PSA)气体分离技术是依靠压力的变化来实现吸附与再生的，因而再生速度快、能耗低，属节能型气体分离技术。并且，该工艺过程简单、操作稳定、对于含有多种杂质的混合气而言，可将杂质一次脱除，得到高纯度产品。因而近三十年来发展非常迅速，已广泛应用于各种含氢气体中氢气的提纯，混合气体中一氧化碳、二氧化碳、氧气、氮气、氩气和烃类的制取、各种气体的无热干燥等。 而随着我国对油品质量的要求越来越高，企业燃油产品柴汽比的提高、进口原油加工量的增加和对节能、环保的越来越重视，石化行业对氢气的需求在近几年内增长速度极快，变压吸附氢提纯（简称PSA-H2）技术作为一种高效、节能的高纯氢提取技术也得到了越来越广泛的重视。 自一九六二年美国联合碳化物公司(UCC)第一套工业PSA制氢装置投产以来，UCC公司、Haldor Topsoe公司、Linder公司等已先后向各国提供了近千套变压吸附制氢装置。与国外相比，国内的变压吸附技术起步较晚，特别是在PSA装置大型化技术方面较为落后，以至在七、八十年代，我国的大型变压吸附装置完全依赖进口。为改变这种状况，我们进行了坚持不懈的努力，终于成功地完成了变压吸附计算机集成操纵技术和高性能三偏心金属密封程控蝶阀的开发工作，并研制成功了比国外制氢分子筛吸附容量更大、强度更高的新型5A制氢分子筛和氢提纯专用吸附剂。从而实现了大型变压吸附装置国产化关键技术的突破，达到了国外同类装置的先进水平。 第一节 吸附工艺原理 1.1 吸附的概念 吸附是指：当两种相态不同的物质接触时，其中密度较低物质的分子在密度较高的物质表面被富集的现象和过程。其实质就是在两相的交界面上，物质的浓度会自动发生变化的现象和过程。 具有吸附作用的物质（一般为密度相对较大的多孔固体）被称为吸附剂，被吸附的物质（一般为密度相对较小的气体或液体）称为吸附质。 由于分子是在运动的。因此，作为吸附质的任何一个分子，当它在空间漫游时，既可能相互碰撞，也可能碰撞到固体（吸附剂）的表面上。这种碰撞分弹性和非弹性碰撞。前者停留时间极短，且反射角等于入射角。而非弹性碰撞分子则贴在表面上一些时间，然后离开，但离去的方向与来时的方向无关。在大多数的情况下，碰撞表面的吸附质分子要在表面上停留一些时间，其时间长短取决于多种因素，如分子碰撞在表面上的位置、表面的性质、分子的性质、表面的温度、分子的动能等等。从一个单位面积的表面来看，我们可以推定在一定条件下，单位时间内碰撞表面的分子数是有一个动态平衡的。因此，当表面上浓聚（停留）一些分子时，此种现象就被我们称为“吸附”。 在单位表面积上浓聚的分子数B取决于碰撞表面的分子数n及其在表面上停的时间Z： B=nZ I/cm2 根据maxwele的统计学说，可以推导出： NP n = 2πMRT 气体常数R＝8.315×107尔格／0K一克分子 阿佛加德罗常数N＝8.025×1023 M=气体的分子量 P＝气体分子的分压（毫米汞柱） T＝温度0K ∴ 举个例来说，在20℃时，湿度为1% 的空气中，水蒸气的分压是0.17㎜汞柱，这已是相当干燥了。但根据上式计算，在平衡时，每秒钟还有8.46×1018个水分子碰撞到1㎝2的表面上。因此，n的巨大数值使吸附现象可以很大的速度进行，即几乎是瞬间地进行。但是应该说清楚，在存在吸附剂（例如硅胶等干燥剂）时，则仅是接近表面的一层气体才有这样大的速度。当紧靠表面的空气中的水分子被吸附以后，吸附过程就显著减慢。这有两方面的原因： 吸附剂的活性表面少了； 水分子的进一步供应要从远方的空气中来，这就取决于水分子在空气中的扩散速度。 可以设想，当气体分子落在表面上以后，就与组成表面的原子交换能量，当停留时间