变压吸附技术中径向流吸附器的应用与研究进展.docx

变压吸附技术中径向流吸附器的应用与研究进展杜雄伟（中冶京诚工程技术有限公司能源环保所北京100176）摘要：径向流吸附器在变压吸附分离技术中的应用是随着径向流反应器在化学工业中的大规模应用逐渐发展起来的。本文回顾了径向流变压吸附技术的应用历程，表明其应用前景是非常广阔的。详细讨论了径向流吸附器结构形式、相关理论和实验研究进展，指出径向流反应器的设计方法不能完全直接应用于径向流吸附器的设计，径向流变压吸附分离过程的工艺流程、操作参数及优化策略有待深入研究。关键词：变压吸附径向流吸附器空气分离变压吸附（PressureSwingAdsorption，PSA）分离技术经过五十多年的发展，已经在气体混合物的分离与纯化领域获得非常广泛的应用，主要包括：气体干燥、溶剂蒸汽回收、空气分离制氧制氮、氢气回收与纯化、二氧化碳的分离与纯化、甲烷分离等。随着该技术的推广应用，相关的基础理论与工艺也取得了长足的发展，主要表现在高性能吸附剂的研制、多组分气体吸附平衡和动力学数据的不断充实、吸附床气体分离数学模型的完善、吸附系统的优化设计与控制等方面。大量的文献报道、专著论述对PSA分离技术发展过程中取得的成就已经进行了非常详细的概括、讨论和分析[1,2,3,4,5]。但是，到目前为止，PSA分离技术的研究绝大部分是以立式轴向流吸附器为研究对象。PSA分离技术的研究趋势是在更高的回收率下获得纯度更高的产品，低能耗和低吸附剂用量以及在较低投资情况下增加设备规模[6]。而通常，吸附器的优化设计能够获得低能耗，减少投资，增加装置容量。为此，径向流吸附器应运而生，有力的推动了PSA技术的发展，增强了其在大型工业应用场合与传统分离技术的竞争力。本文将对径向流PSA分离技术的应用状况以及相关的基础理论与技术研究进展进行讨论，指出相关问题并提出建议。1径向流变压吸附分离技术的应用径向流吸附器在变压吸附分离技术中的应用是随着径向流反应器在化学工业中的大规模应用逐渐发展起来的。有关径向流反应器的发展、应用和研究，文献中有比较详细的回顾和讨论[7-18]。了解和分析径向流反应器的应用和研究历程对进一步拓宽径向流吸附器在变压吸附分离技术的应用范围以及加快和提高其研究进程和水平是非常有借鉴意义的。径向流吸附器最早是用在深冷法空气分离系统的前端净化系统中，用来吸附净化空气中的水分、二氧化碳及其他碳氢化合物，该净化系统称为分子筛纯化器。早期的深冷空分系统由于空气处理量小，故分子筛纯化器一般采用立式平面床结构，但当处理空气量大时，则采用卧式水平床吸附器。但卧式吸附器有很多缺点，如床层厚、阻力大、能耗大、占地面积大，一旦床层不平或气流不均就有可能造成气流短路，使部分分子筛颗粒流化，加速分子筛粉化[19]。针对卧式吸附器的缺点，法液空经过多年研究，于1979年首次在法国某公司的6400Nm3/h空分制氧系统上使用了立式双层径向流吸附器[20]。1995年，由法液空计算、设计并提供内件，四川空分设备厂联合制造生产的该类吸附器在提供给国内某化肥厂的40000Nm3/h空分制氧系统上获得成功应用[19]。1996年，由法液空提供的国内某钢铁公司35000Nm3/h空分制氧系统上也使用了径向吸附器，该套吸附器也是由法液空计算、设计并提供内件，由杭氧液空公司制造[19]。截至2002年，这种结构的空气纯化器制造和运行的总数量，法液空已逾200台，具有当今世界的设计先进水平[21]。2005年，由中国空分设备公司自主设计、研制的立式双层床径向流分子筛吸附器首次成功应用于国内某钢厂的20000Nm3/h空分制氧系统[22]。2008年和2011年，径向流分子筛纯化器相继在邯郸钢铁集团有限公司新区配套2*35000Nm3/h空分和法液空（伊春）35000Nm3/h空分工程中成功应用。2012年，攀钢梅塞尔新建6号40000Nm3/h空分中也采用了径向流分子筛纯化器。随着PSA制氧技术的日臻成熟，在氧纯度小于95%的应用场合，与深冷法制氧形成了激烈的市场竞争。为了进一步增加规模、降低能耗，充分发挥PSA技术的优势，采用立式径向流吸附器是一种好的选择。Linde公司的第一台采用径向流吸附器的真空变压吸附（VacuumPressureSwingAdsorption，VPSA）制氧装置于1997年成功投入运转[23]。2001年，美国PRAXAIR公司为国内某钢铁厂提供了两套VPSA径向流PSA制氧装置，用于2000m3高炉的富氧喷煤[24]。两套制氧装置总产氧量达到8888Nm3/h，氧纯度为90%，单位纯氧电耗仅为0.33kWh/Nm3，制氧量可在0~100%负荷内调节。可以看出，目前径向流PSA技术的应用主要集中在大型深冷空分设备的空气预纯化和单机制氧量在1500~5000Nm3/h的VPSA制氧领域，且