变压吸附提纯氢气及其影响因素分析

变压吸附提纯氢气及其影响因素分析

叶华

广东众和化塑股份公司 广东茂名 525000

摘要：为了获得高纯度的氢气，吸附分离技术引起了各领域人们的关注，并且随着吸附剂优异性能的不断完善，大规模工艺吸附分离技术的实现已成为人们关注的焦点。其中变压吸附是目前国际上较为先进、成熟的制氢方法，该技术由于成本低廉、经济，具有良好的开发应用前景。因此，本文对于变压吸附提纯氢气及其影响因素进行全面的分析，仅供参考。

关键词：变压吸附；提纯氢气；影响因素

引言：

中国市场大部分企业采用焦炉煤气作为制氢原料，而焦炉煤气一般作为化工企业的燃料，其中含有约60%的氢资源。采用变压吸附技术生产高纯度氢气。提取后剩余的原料可用于生产其他化工产品。与传统、落后的提氢方法相比，变压吸收材料的生产成本相对较低，效益较好，具备非常广阔的使用发展前景，变压吸附工艺是指通过一系列装置对原料气进行变压吸附，然后再通过先进方法对产品气加以提纯，已成为大型化工企业中相对独特的操作过程。

一、变压吸附基本工艺原理

变压吸附提取氢气的过程本身就属于一个物理过程，不会发生化学反应，因此吸附过程完全可逆，证实了整个过程优良的可操作性和能源效率。变压吸附过程中，工作人员可以利用相同压力下易吸附沸点高的杂质组分进行吸附，而低压下要通过被吸附介质的特点，将杂质吸附在吸附剂层中，通过高纯氢气流经吸附剂层。吸收层由出口直接流出，以实现净化变压吸附材料的目的，同时吸附剂与被所吸收的物质在低温下脱附和再生，并以此完成对吸附剂的吸收与再生过程。变压吸附提纯氢气的整个流程都不经过任何介质的吸附装置，且全部操作都在常温下完成，具备了吸附剂效率高、回收周期短、材料消耗较低等优点。

二、变压吸附提纯氢气影响因素分析

（一）原料气及其组成对变压吸附装置的影响

在探讨影响PSA的原因时，工作应先探讨相应的PSA设备，由于PSA设备的运转效率影响变压吸附材料的吸收能力，所以变压吸附提纯氢气工作要重视PSA设备的使用。经过对变压吸附装置的进一步探讨，认为原料和设备的结构对变压吸附能力起一定的作用，原料短缺或原料不符合规范都可能影响运转效能。变压吸附装置在运行过程中，原料气成分、温度、压力的变化对生产装置处理能力影响巨大，主要体现在：

1、原料气成分

在研究的过程中其实就能发现，生产装置自身的处理能力与原料气本身就有着很大的关系，若是原料气中具有高含量的氢气，生产装置的处理能力就会变大。相反，如果原料气中具有一定的杂质，这就会对杂质净化的纯度提出要求，生产装置的处理能力也会逐步变小。

2、原料气温度

吸附剂的吸附量小主要就是因为原料气温度越高，导致生产装置处理能力越低。

（二）变压吸附装置运行产生的压力对变压吸附能力的影响

在变压吸附装置运行过程中，工作人员必须按照生产氢气的实际需要提前对吸附装置作出设定，以利于工作人员规范吸附装置的正常运行。尽管该技术的主要优点是可以吸收适当含量的变压吸附材料，但在吸附装置运行过程中，变压吸附设备将受到相应压力的作用，主要体现在两方面：

1、吸附压力

若是变压吸附装置的运行能力不断增高，吸附剂自身的吸附量也会逐步提高，以此提高生产装置运行的态度。

2、解吸压力

解吸压力越低，吸附剂再生越彻底，吸附剂的动态吸附量越大，生产装置处理能力越高。

变压吸附系统也必须产生相应的吸附压力，而如处理不当，会干扰变压吸附的作用，特别是研究了近年来对制氢过程系统的研究结果，吸附压力的提高已严重影响了高温变换反应器的出口压力，并进行装置优化过程，在有不合适的地方也要及时调整。

（三）吸附时间的影响因素

变压吸附的最重要参数之一就是吸附时间,它的设定会直接影响到装置产品的氢含量和氢气回收率。因此,在设计PSA部件时,应尽可能精确地控制吸附时间,以确保产品的纯度达到标准,并获得最佳的氢气回收率。

当使用特殊的设备时,如果使用的设备尺寸不同,可能导致最终的净化效果不同。例如,如果使用的设备尺寸较小,则可能导致最终的净化效果不佳。为了避免这种问题,可以考虑更改设备的尺寸,并调整净化效果。由于原材料的流动性不断改变,杂质的渗透速度和吸附速度都将受到影响,这需要对其相关的吸附参数做出相应的调节。

随着流量的增加,吸附时间也会相应缩短,而当流量减少时,吸附时间会变得更长。这样,我们就可以在不同的工作负荷下,充分利用吸附剂的吸附能力,从而达到最佳的氢气回收率,同时也保证了产品的纯度。

三、变压吸附提纯氢气的过程

（一）吸附剂的选用

PSA制氢设备使用的吸附剂通常为高效的固态物,如活性氧化铝、活性碳、硅橡胶或者分子筛。这些物质的特点在于它们的孔径、比表面积以及其他特征,使它们在处理混合气体时,可以提供高效的吸附效果。

AL2O3具有极强的亲水性,因此,我们推荐采用Φ3-5球状,具备良好的耐磨损、耐损坏、安全可靠的特点,而且它与绝大多数的酸碱类物质都没有任何的化学反应，它可以被安置于吸收塔的底层,从而可以有效地从氢气中脱离出水分。硅胶不但对水有很好的吸收作用，同时对二氧化碳也有很好的吸收作用，还能够发挥很强的吸收功能。

通过特殊的化学和热处理,活化碳可以形成一种具有极高孔隙度的专用活性炭,它具有出色的吸附性能,可以有效地吸附原料气中的各种有机物质,而且这种吸附剂还具有良好的耐水性。

5A分子筛是一种独特的硅铝酸盐结构,它的形态可以是Φ2-3的球形,它的特点是拥有较大的比表面积,并且分子筛的空隙分布十分均衡,最大的孔径可以达到0.5nm。此外,它还是一种安全、环保的材料，5A分子筛具有出色的吸附能力,可以有效地去除各种有害物质,特别适合在吸收塔的顶层安置,如甲烷和乙烯。

我们用不同温度下的吸附等温线来描述这一关系，如下图一 ：

图一 变压吸附容积与压力曲线图

从上图的B→A和C→D可以看出：若是在温度一定的情况下，由于压力的不断加强，变压吸附的容量也会逐步增大。从上图的B→C和A→D可以看出：若是在压力处于一定的情况下，变压吸附的容量也会逐步减小。

通过利用A-B段的吸附剂特性,氢提纯装置可以有效地将原料气中的杂质组分进行吸附和解吸,从而达到净化的目的。为了达到最佳的净化效果,B点的压力必须低于常压,以便更好地实现气体的有效净化。

（二）变压吸附过程

由于考虑到吸附剂的回收，吸附过程是间歇性的，因此吸附是在吸附床上进行的。随着吸附过程的推进，逐渐达到吸附平衡，整个过程包括顺放过程、逆放过程、冲洗过程、均压增压过程和产物气体增加过程。一般工厂生产装置包括如下几个步骤：

1、吸附工序—在常温、高压下吸附杂质，出产品。

2、减压工序—通过一次或多次的均压降压过程，将床层死空间氢气回收。

3、顺放工序—通过顺向减压过程获得冲洗再生气源。

4、逆放工序--逆着吸附方向减压使吸附剂获得部分再生。

5、冲洗工序—利用顺放所得的再生气源对吸附塔进行冲洗，即降低杂质分压，使吸附剂完成最终的再生。

6、升压工序--通过一次或多次的均压升压和产品气升压过程使吸附塔压力升至吸附压力，为下一次吸附作好准备。

结束语：

纵观全文来看，通过深入的研究,工作人员发现了一系列有助于提高氢气质量的有效方法,包括调整和优化变压吸附技术,并且能够有效地应用于实际的环境中,从而达到更好的效果。使得吸附装置的有效吸附效率和氢气回收率能够大大提高。此外，工作人员在对氢气进行提纯的同时，还可以保证原料质量符合标准，提氢纯度满足相关要求，确保变压吸附提纯氢气的进行得以更加的完善。

参考文献：

[1]张伟. 变压吸附方法提纯燃料电池用氢的研究[D].大连海事大学,2020.

[2]李慧茹. 变压吸附与炼厂氢气网络的同步设计与柔性分析[D].浙江大学,2020.

[3]罗超. 变压吸附提纯氢气及其影响因素的分析[J]. 化工设计通讯,2017,43(06):163.