杜雄偉（中冶京誠工程技術有限公司能源環(huán)保所 北京 100176）

變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）分離技術經(jīng)過五十多年的發(fā)展，已經(jīng)在氣體混合物的分離與純化領域獲得非常廣泛的應用，主要包括：氣體干燥、溶劑蒸汽回收、空氣分離制氧制氮、氫氣回收與純化、二氧化碳的分離與純化、甲烷分離等。隨著該技術的推廣應用，相關的基礎理論與工藝也取得了長足的發(fā)展，主要表現(xiàn)在高性能吸附劑的研制、多組分氣體吸附平衡和動力學數(shù)據(jù)的不斷充實、吸附床氣體分離數(shù)學模型的完善、吸附系統(tǒng)的優(yōu)化設計與控制等方面。大量的文獻報道、專著論述對PSA分離技術發(fā)展過程中取得的成就已經(jīng)進行了非常詳細的概括、討論和分析[1,2,3,4,5]。但是，到目前為止，PSA分離技術的研究絕大部分是以立式軸向流吸附器為研究對象。PSA分離技術的研究趨勢是在更高的回收率下獲得純度更高的產(chǎn)品，低能耗和低吸附劑用量以及在較低投資情況下增加設備規(guī)模[6]。而通常，吸附器的優(yōu)化設計能夠獲得低能耗，減少投資，增加裝置容量。為此，徑向流吸附器應運而生，有力的推動了PSA技術的發(fā)展，增強了其在大型工業(yè)應用場合與傳統(tǒng)分離技術的競爭力。本文將對徑向流PSA分離技術的應用狀況以及相關的基礎理論與技術研究進展進行討論，指出相關問題并提出建議。

1 徑向流變壓吸附分離技術的應用

徑向流吸附器在變壓吸附分離技術中的應用是隨著徑向流反應器在化學工業(yè)中的大規(guī)模應用逐漸發(fā)展起來的。有關徑向流反應器的發(fā)展、應用和研究，文獻中有比較詳細的回顧和討論[7-18]。了解和分析徑向流反應器的應用和研究歷程對進一步拓寬徑向流吸附器在變壓吸附分離技術的應用范圍以及加快和提高其研究進程和水平是非常有借鑒意義的。

徑向流吸附器最早是用在深冷法空氣分離系統(tǒng)的前端凈化系統(tǒng)中，用來吸附凈化空氣中的水分、二氧化碳及其他碳氫化合物，該凈化系統(tǒng)稱為分子篩純化器。早期的深冷空分系統(tǒng)由于空氣處理量小，故分子篩純化器一般采用立式平面床結構，但當處理空氣量大時，則采用臥式水平床吸附器。但臥式吸附器有很多缺點，如床層厚、阻力大、能耗大、占地面積大，一旦床層不平或氣流不均就有可能造成氣流短路，使部分分子篩顆粒流化，加速分子篩粉化[19]。針對臥式吸附器的缺點，法液空經(jīng)過多年研究，于1979年首次在法國某公司的6400Nm3/h空分制氧系統(tǒng)上使用了立式雙層徑向流吸附器[20]。1995年，由法液空計算、設計并提供內(nèi)件，四川空分設備廠聯(lián)合制造生產(chǎn)的該類吸附器在提供給國內(nèi)某化肥廠的40000Nm3/h空分制氧系統(tǒng)上獲得成功應用[19]。1996年，由法液空提供的國內(nèi)某鋼鐵公司35000Nm3/h空分制氧系統(tǒng)上也使用了徑向吸附器，該套吸附器也是由法液空計算、設計并提供內(nèi)件，由杭氧液空公司制造[19]。截至2002年，這種結構的空氣純化器制造和運行的總數(shù)量，法液空已逾200臺，具有當今世界的設計先進水平[21]。2005年，由中國空分設備公司自主設計、研制的立式雙層床徑向流分子篩吸附器首次成功應用于國內(nèi)某鋼廠的20000Nm3/h空分制氧系統(tǒng)[22]。2008年和2011年，徑向流分子篩純化器相繼在邯鄲鋼鐵集團有限公司新區(qū)配套2*35000Nm3/h空分和法液空（伊春）35000Nm3/h空分工程中成功應用。2012年，攀鋼梅塞爾新建6號40000Nm3/h空分中也采用了徑向流分子篩純化器。

隨著PSA制氧技術的日臻成熟，在氧純度小于95%的應用場合，與深冷法制氧形成了激烈的市場競爭。為了進一步增加規(guī)模、降低能耗，充分發(fā)揮PSA技術的優(yōu)勢，采用立式徑向流吸附器是一種好的選擇。Linde公司的第一臺采用徑向流吸附器的真空變壓吸附（Vacuum Pressure Swing Adsorption，VPSA）制氧裝置于1997年成功投入運轉[23]。2001年，美國PRAXAIR公司為國內(nèi)某鋼鐵廠提供了兩套VPSA徑向流PSA制氧裝置，用于2000m3高爐的富氧噴煤 [24]。兩套制氧裝置總產(chǎn)氧量達到8888Nm3/h，氧純度為90%，單位純氧電耗僅為0.33kWh/Nm3，制氧量可在0～100%負荷內(nèi)調(diào)節(jié)。

可以看出，目前徑向流PSA技術的應用主要集中在大型深冷空分設備的空氣預純化和單機制氧量在1500～5000 Nm3/h的VPSA制氧領域，且前者的應用更成熟，設計水平也較高。因此，徑向流PSA技術的發(fā)展和應用前景是非常廣闊的。

2 徑向流變壓吸附分離技術的研究進展

一方面，徑向流動設備的關鍵和首要在于流體的均勻分布，即要求流體經(jīng)分布器的側壁小孔流入（合流）或流出（分流）時，必須沿吸附器軸向均勻分布；為此，必須通過正確合理的理論計算和實驗驗證來獲得徑向流吸附器各組件的合適結構參數(shù)。另一方面，徑向流變壓吸附與傳統(tǒng)的軸向流變壓吸附過程相比，由于吸附器結構形式的改變，相關結構參數(shù)和過程操作參數(shù)對吸附過程的傳熱、傳質規(guī)律和最終的吸附分離性能的影響勢必不同；因此，對徑向流變壓吸附分離過程開展理論與實驗研究對設計和優(yōu)化分離過程是必要的。

2.1 徑向流吸附器結構形式研究

早期的徑向流設備主要應用于空氣預純化器和催化反應器，而且存在很多缺點，如大的空隙容積、流體分布不均、設計未考慮流體的反向流動、結構復雜導致的分子篩裝填困難以及高壓降等。針對這些不足，專門用于PSA或VPSA的徑向流吸附器設計相繼出現(xiàn)。兩種典型的而且應用較多的徑向流吸附器的結構形式如圖1所示[25,26]。

圖1(a)所示的吸附器下部和上部分別裝有吸附劑(圖中A，B所示)，對于PSA制氧，A為氧化鋁，B為5A、13X或LiX等分子篩。該設計的獨特之處在于，氣流的軸向均勻分布是依靠吸附器中心合流流道內(nèi)的一個錐形導流器實現(xiàn)的，該導流器使得中心合流流道的橫截面積從上到下基本呈線性增加。與該設計類似的徑向流吸附器已經(jīng)取得了成功應用[19,20,21,22]。

Smolarek等[26]在其專利中提出了一種更為緊湊的徑向流吸附器，如圖1(b)所示。該徑向流吸附器外壁有一定的錐度，目的是能夠與吸附器內(nèi)部的的多孔外分布器形成一個變截面的梯形流道，以此來使流體沿軸向分布均勻。該梯形流道的下部橫截面積較大，降低了進氣和逆流排氣時的壓力損失，同時減少了不必要的空隙容積，從而提高了吸附過程的效率。為了獲得低壓降、低空隙容積以及均勻的流體分布，該專利對流道的寬度和容積進行了限定：外環(huán)梯形分流流道的下部寬度和中心環(huán)形合流流道的寬度通常為吸附劑裝填高度的2%～8%和5%～13%；吸附器進氣側和產(chǎn)品側的空隙容積分別與吸附劑床容積之比通常為10%～25%和3%～10%。Celik等[27]通過模擬計算發(fā)現(xiàn)，當吸附劑床高度從2.54 m增加到5.08 m，而其他幾何尺寸不變時，僅僅依靠Smolarek等[26]的梯形流道進行流體分布的不均勻度從2%～3%上升到10%～15%。為此，Celik等[27]采用內(nèi)外分布筒不均勻開孔雙邊調(diào)節(jié)的方法來提高氣流分布的均勻度，推薦的開孔設置為：分布筒軸向靠近底部 （進氣側）的1/3段開孔率為1%～10%，中間1/3段開孔率為10%～25%，上部1/3段開孔率為25%～50%。文獻[24]中用到的吸附器與圖1(b)中的結構類似。

圖1 兩種典型的徑向流吸附器[25,26]

徑向流吸附器結構形式的研究與改進受益于對徑向流反應器的研究成果。為了正確選擇、設計徑向流設備的氣流分布氣，必須弄清分布器主流道內(nèi)流體的靜壓分布規(guī)律和分、合流情況下流體穿孔阻力系數(shù)等問題。上海化工學院等[7]于1979年進行了徑向反應器流體均布的研究，測定了單孔板和噴嘴阻力系數(shù)，分、合流情況下穿孔阻力系數(shù)和動量交換系數(shù)，為后續(xù)研究打下了基礎。張成芳等[8,9]詳細探討了徑向反應器流體均布的合理設計，提出了流體均布的設計原則，計算了主流道靜壓分布，對流體分布型式和流道尺寸的選擇進行了研究，具體的闡述了流體均布的開孔調(diào)節(jié)問題，提出了確定開孔率的設計方法。朱子彬等[10]針對動量交換型流道，敘述了主流道靜壓的各種組合情況，提供了最佳流道截面比的開孔參數(shù)和外分布流道截面較大時的開孔參數(shù)；指出為了獲得開孔的均勻分布，應使開孔控制流道的橫截面積與分布筒開孔總面積比大于某一臨界值，并且提供了不同情況下此臨界值的大小。

值得注意的是，在張成芳等和朱子彬等的研究中提出一個最佳截面比的概念。在這種截面比的情況下，分、合流主流道間各點的靜壓差的差別均可等于零。在推導該最佳截面比公式時，由于研究對象是反應器，在分、合流流道內(nèi)流體的質量流量不變；而對于變壓吸附就不同，以VPSA制氧為例，由于空氣中體積比為79%的氮氣絕大部分被分子篩吸附，在合流流道中的產(chǎn)品氧氣的質量肯定要比分流流道的進氣流量小得多。因此對于徑向流吸附器，其最佳截面比不能直接采用推薦公式計算，相應的開孔參數(shù)等數(shù)據(jù)的適用性也亟待驗證。

盧明章等[20]對用于大中型深冷空分設備空氣凈化的立式徑向流吸附器進行了氣流均布實驗，在分流流道截面積及分流流道模型(動量交換控制型)保持不變的前提下，通過改變合流流道的截面積、改變流道的組合型式(型、Z型)、改變中心集氣管尺寸及其離底距離、是否采用測流開孔調(diào)節(jié)等方法來組合試驗工況。結果顯示，立式徑向流吸附器應優(yōu)先選擇向心型流道布置，采用內(nèi)分布筒開孔調(diào)節(jié)時，氣流不均勻度小于±5%；同時驗證了朱子彬等提出的關于當分、合流流道截面積滿足最佳截面比時，只要使該截面比大于相應的均勻開孔臨界管孔截面比，分布筒均勻開孔即可保證氣流沿軸向均布的設計方法的正確性。由此可以看出，當分、合流流道中主流氣體的質量變化不太大時，張成芳等、朱子彬等提出的徑向流反應器的相關設計方法還是適用的。

Heggs等[28]對一種具有多吸附層的徑向流空氣凈化器，采用數(shù)值計算和實驗相結合的手段研究了吸附床內(nèi)的流體分布情況和壓降特性。結果顯示，實驗值和計算值之間的差別較大，尤其是分流流道內(nèi)壓力的分布，導致誤差過大的原因是氣體進口的幾何結構沒有在模型中充分考慮。Kareeri等[18]建立了徑向流反應器的計算流體力學數(shù)學模型，并采用CFD軟件模擬了Heggs等進行計算和實驗的徑向流空氣凈化器，結果顯示Kareeri等[18]的CFD模擬結果更加接近實驗值。洪若瑜[14]等通過比較分析各種徑向流固定床數(shù)學模型，也建議采用計算流體力學的方法來深入研究徑向流反應器內(nèi)的變質量流動。因此，通過建立嚴格的流體力學模型來反應徑向流吸附器內(nèi)流體的流動特性，采用實驗研究或理論研究來精確測定模型參數(shù)，封閉流體力學模型，在此基礎上進行徑向流吸附器的設計和優(yōu)化是一種好的途徑。

2.2 徑向流變壓吸附分離理論與實驗研究

從微觀角度看，徑向流和軸向流變壓吸附分離過程中氣體在吸附劑顆粒中的擴散、傳熱、傳質等規(guī)律是相同的；但從宏觀來看，由于徑向流吸附器結構的不同，整個吸附分離過程的傳質規(guī)律和分離效果與軸向流變壓吸附是不一樣的。

吸附傳質規(guī)律的研究常借助于吸附穿透曲線。有關軸向流吸附器穿透曲線的研究已經(jīng)很多，也比較成熟，而徑向流吸附器中，流體流過的截面面積與主流速度都在不斷變化，穿透曲線如何變化，則是個新的問題。鄭德馨等[29]采用13X分子篩作吸附劑，CO2為吸附質，N2為惰性氣體，初步建立了單組分徑向流吸附器的數(shù)學模型，對穿透曲線進行了求解并作了實驗驗證。模型的建立、求解和實驗裝置均基于向心Z型徑向流動吸附器。

該模型計算結果與實測穿透曲線基本一致，但在穿透曲線拐彎處附近誤差較大，其原因可能是理論模型忽略了吸附熱和床層徑向擴散等。

Rota和Wankat[30]首先提出了徑向流快速變壓吸附(Rapid Pressure Swing Adsorption，RPSA)概念。 Chiang 和 Hong[31]采用粒徑為3 μm的5A沸石分子篩在徑向流吸附器上進行了RPSA制氧實驗。研究發(fā)現(xiàn)，離心操作獲得的氧氣純度總是比向心操作獲得的氧純度要低；因為在徑向流吸附器中，流體流動阻力大部分存在于吸附器的中心部分，而在外環(huán)進氣側的壓力梯度較小，因此向心操作使吸附劑能夠得到更充分的利用。Huang和Chou[32]建立了軸向流和徑向流RPSA數(shù)學模型，通過Chiang和Hong[31]、Pitchard和Simpson[33]的實驗數(shù)據(jù)進行了驗證，模擬結果與實驗值吻合較好。。

Huang和Chou[32]通過模擬計算徑向流RPSA制氧過程，系統(tǒng)考察了徑向流吸附器有效長度、進氣方向(向心或離心)、吸附劑顆粒大小、進氣壓力、產(chǎn)品流量等參數(shù)對氧氣回收率和純度的影響；并且與軸向流RPSA的分離性能進行了比較，結果顯示在相同的產(chǎn)品流量時，徑向RPSA的氧氣純度要高，單位重量吸附劑的氣體產(chǎn)量也增加，但是回收率有所降低。

杜雄偉[34]采用平衡理論，對徑向流吸附器空氣吸附分離制氧動力學行為進行了分析研究，考察了主要吸附質——氮氣在吸附器中的濃度分布、傳質區(qū)的移動以及穿透曲線等，并與軸向流中的動力學行為進行了比較。借鑒徑向反應器的設計理論，設計出符合實驗要求的半工業(yè)性立式雙層徑向流吸附器，吸附器采用向心π型分布合流均勻開孔控制。在自行研制的兩塔徑向流VPSA制氧半工業(yè)性實驗裝置第一次系統(tǒng)地探討了上述3種帶有重疊步驟循環(huán)及其工藝參數(shù)對制氧性能的影響，比較了不同循環(huán)優(yōu)化工況下裝置的制氧性能。實驗比較了徑向流與軸向流VPSA制氧效果，在相同氣源、相同分子篩量條件下，對各自相應的最佳運行結果比較發(fā)現(xiàn)，采用徑向流吸附器和具有重疊步驟的短周期循環(huán)，與軸向流系統(tǒng)相比，可以有效降低吸附過程壓比，提高解吸壓力，減少吸附器壓降，在氧氣回收率降低不太大的情況下，增加分子篩氧氣產(chǎn)率。

綜上所述，與軸向流PSA分離過程的理論和實驗研究相比，徑向流PSA分離過程的研究顯得相對匱乏，相關報道也很少，這種研究狀況與徑向流PSA技術的潛在應用需求是不適應的。

3 研究展望及建議

通過對徑向流PSA技術應用趨勢的分析不難推測其發(fā)展前景是非常廣闊的，由于競爭壓力的增加，PSA設備制造企業(yè)不得不讓其設備在高氣體流速和短傳質區(qū)條件下運行，這樣徑向流吸附器的設計將越來越受到青睞。目前應用較多的徑向流吸附器大多以專利的形式出現(xiàn)，且為國外大型氣體公司所有，尤其是改善氣流均勻分布的一些核心技術，極大的限制了國產(chǎn)設備的開發(fā)和應用。此外，關于徑向流PSA分離過程的理論和實驗研究較軸向流PSA也顯得比較落后。因此，建議今后主要在以下兩方面積極開展研究工作：(1)消化現(xiàn)有徑向流吸附器的設計理念和技術，充分借鑒徑向流反應器的設計經(jīng)驗和理論，采用先進的計算流體力學研究手段，大力開展徑向流吸附器結構研究；(2)在徑向流吸附器結構研究的基礎上，廣泛吸納軸向流PSA分離過程的研究手段和大量理論成果，對徑向流PSA分離過程進行系統(tǒng)深入研究，開發(fā)與之適應的工藝流程，尋找優(yōu)化的過程參數(shù)，努力提高分離設備的性能，適應工業(yè)化需求。

4 結論

(1)徑向流變壓吸附技術具有很好的應用前景；

(2)徑向流吸附器的應用有其自身特點，針對徑向流反應器提出的設計方法不能完全照搬；

(3)徑向流變壓吸附分離過程的工藝流程、操作參數(shù)及優(yōu)化策略有待深入研究。

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