变压吸附原理
随着变压吸附（PSA）制氢工艺的广泛应用，变压吸附原理，由于涉及到其制氢能力和氢气纯度的影响因素非常多，在实际的操作过程中经常会有许多问题出现，了解并掌握这些影响因素，就可以在操作过程中改善吸附剂的吸附能力，提高产品气的收率，解决这些出现的问题，可以尽量避免装置故障的发生，提高整个装置运行的平稳率。
变压吸附原理（变压吸附原理即有化学原理和物理原理）
随着国内各大炼油企业对油品质量要求的提高，以及产品结构的调整，对加氢裂化和加氢精制油品的处理能力和要求普遍提高，需要有较高纯度的氢气和较大的产氢能力，因此氢气提纯单元的指标受到了各大炼油企业的重视。目前大量采用的变压吸附（PressureSwingAdsorption，PSA）工艺，因其具有再生速度快、能耗低、操作简单稳定等优点受到了各大炼厂的普遍青睐[1]。
变压吸附原理即有化学原理和物理原理
碳分子筛可以同时吸附空气中的氧和氮，其吸附量也随着压力的升高而升高，而且在同一压力下氧和氮的平衡吸附量无明显的差异。因而，仅凭压力的变化很难完成氧和氮的有效分离。如果进一步考虑吸附速度的话，就能将氧和氮的吸附特性有效地区分开来。氧分子直径比氮分子小，因而扩散速度比氮快数百倍，故碳分子筛吸附氧的速度也很快，吸附约1分钟就达到90%以上；而此时氮的吸附量仅有5%左右，所以此时吸附的大体上都是氧气，而剩下的大体上都是氮气。这样，如果将吸附时间控制在1分钟以内的话，就可以将氧和氮初步分离开来，也就是说，吸附和解吸是靠压力差来实现的，压力升高时吸附，压力下降时解吸。而区分氧和氮是靠两者被吸附的速度差，通过控制吸附时间来实现的，将时间控制的很短，氧已充分吸附，而氮还未来得及吸附，就停止了吸附过程。因而变压吸附制氮要有压力的变化，也要将时间控制在1分钟以内。
变压吸附制氢原理
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本文主要综述变压吸附分离CH4/N2原理和所采用吸附剂的研究进展。
作者
张进华1,2,3,4，曲思建2,3,4，王鹏2,3,4，李雪飞2,3,4，李兰廷2,3,4，车永芳2,3,4，李小亮2,3,4
作者单位
1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院
2.煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院
3.煤基节能环保炭材料北京市重点实验室
4.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室
摘要
低浓度煤层气直接排放既造成能源浪费，又带来严重的温室效应，变压吸附法提纯低浓度煤层气是解决煤层气排放的有效利用途径。总结了变压吸附技术对CH4/N2体系煤层气中CH4分离的研究进展，包括变压吸附分离机理和相应的变压吸附提纯工艺路线，分析了2种工艺的优缺点，变压吸附原理，讨论了多孔吸附材料，如活性炭、碳分子筛、沸石分子筛和金属有机骨架材料对CH4/N2吸附分离效果的研究进展和存在的问题。基于平衡效应分离的变压吸附技术，在CH4/N2体系分离实际应用中遇到瓶颈，原因在于现有吸附剂平衡分离系数太小，提浓幅度有限；其次，CH4在平衡效应里作为强吸附组分被优先吸附，产品气必须通过抽真空的方式解吸获得，必须采取多级压缩和增加置换步骤，因而能耗相对较高。基于动力学效应的分离，可在塔顶直接获得富集的带压产品气；同时免去多级压缩的能量消耗，相对平衡效应分离具有显著优势，但需要在第一级加压，处理接近爆炸限浓度煤层气有一定安全隐患。活性炭吸附容量大，处理能力强，价格低廉，是一种典型的平衡分离型吸附剂，但分离系数较低，存在气体循环量大、效率低，提浓幅度窄等缺点，如何通过孔径调控和表面改性提高活性炭的平衡分离系数将是今后研究的重点。现有报道效果较好的动力学吸附剂主要以碳分子筛为主，但价格高昂，变压吸附原理，工业推广受限，选择合适的廉价原料、改变现有间歇式生产工艺、进一步开发高效、廉价的动力学选择型吸附剂将是今后变压吸附分离CH4/N2的重要方向。沸石分子筛会优先吸附CH4，与动力学效应优先吸附N2相反，降低了分子筛对CH4/N2的分离选择性。所以硅铝分子筛/钛硅分子筛多在分离高浓度CH4含量的天然气、油田气方面表现优异，针对低浓度煤层气CH4的提纯应用较少，未见工业应用报道。金属有机骨架材料的出现提供了新的发展思路，但其在CH4/N2的吸附平衡和动力学研究以及变压吸附分离方面研究较少，还有待进一步深入研究，解决材料的稳定成型和放大仍是需要突破的技术瓶颈。未来变压吸附提纯工艺将是平衡效应和动力学效应的组合工艺，变压吸附原理，开发低压下变压吸附分离工艺将具有更好的经济性和安全性；低成本、大容量、高选择性吸附剂开发仍是未来吸附剂的重点发展方向；同时吸附剂寿命以及再生性能有待深入研究。
