变压吸附提纯氢气及其影响因素研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 05 日 作者简介：李瑞（1986），男，汉族，山东德州人，本科，工程师，现就职于山东华鲁恒升化工股份有限公司，研究方向为气体分离提纯。-24-变压吸附提纯氢气及其影响因素研究 李 瑞 山东华鲁恒升化工股份有限公司，山东 德州 253000 摘要：摘要：氢能源是人们普遍重视的清洁能源之一，氢能源提纯技术也得到了不断地开发。其中变压吸附提纯技术是制取氢气的重要手段。研究目的是对变压吸附提纯氢的基本原理，影响因素，用途及挑战与未来前景进行深入探索。首先对氢能源研究的意义及提纯技术发展过程进行阐述，其次对变压吸附技术原理及关键步骤进行深入探讨。然后对影响这一技术性能的主要因素进行分析，进而对变压吸附技术的工业应用及实验室研究进行讨论，重点阐述了变压吸附技术工业制造存在的问题及技术改进的机遇。关键词：关键词：氢能源；提纯技术；变压吸附；吸附剂；工业应用；环境考虑 中图分中图分类号：类号：TQ116 0 引言 氢能源以其清洁和可再生能源形式受到广泛关注并被视为今后能源领域中的重要选择。但是，为了使氢气在各领域中都能得到应用，氢气的纯度也必须满足高标准要求，因此需要有效的氢气提纯技术。随时间推移，氢气提纯技术层出不穷，既有基础吸附剂又有近代变压吸附技术。在诸多提纯方法当中，变压吸附技术以其优异的经济成本与技术可行性受到工业应用的关注。本论文旨在对变压吸附提纯氢气原理及其影响因素进行深入的研究，并提供对该技术的整体认识，以期对该技术今后的发展方向起到指导作用。1 氢气提纯技术的概况 氢气在清洁能源中的应用前景备受关注，提纯技术发展过程呈现出由初期基础吸附剂向今天沸石分子筛、碳分子筛等先进技术演变的趋势。1.1 吸附剂的进化（1）基础吸附剂。最早氢气提纯技术是利用活性炭、硅胶等基础吸附剂吸附杂质气体来达到氢气纯化目的。但基础吸附剂的吸附容量及选择性有限，使其不能满足人们对氢气纯度越来越苛刻的需求。（2）沸石分子筛。它的提出表明氢气提纯技术有了重大发展。沸石分子筛比表面积大、孔径特定，能选择性地吸附分子较小的杂质气体如水、CO2等，使氢气纯度增加。该技术的运用，使氢气提纯更有效，可行。（3）碳分子筛。碳分子筛作为吸附剂领域中的一颗新星，这些分子筛比表面积极高，孔径调控能力强，使得碳分子筛非常适合于提高氢气提纯效率。碳分子筛既能高效地吸附杂质气体又能在高温条件下达到吸附脱附目的，以减少制氢过程中的能量消耗。1.2 变压吸附技术的研究背景 变压吸附技术是提纯氢气的主要手段，制氢经济成本比较低廉，这一特性使得该技术在清洁氢能源的制取过程中发挥着重要作用。由于氢气是未来清洁能源储备与燃料之一，因此减少制氢成本对实现氢能源可持续生产具有重要意义。尽管变压吸附技术具有诸多优势，但在工业制造中仍存在一些挑战和问题。其中一个重要问题就是吸附剂稳定性与循环使用性问题，由于经常进行吸附-脱附循环会使吸附剂发生劣化，而且高温运行还会带来热力学与工程问题，这就要求必须对温度进行准确控制与热管理。2 变压吸附提纯氢气的基本原理 氢气提纯过程中最关键的一个环节就是变压吸附，该工艺核心原理及工艺流程对顺利实现氢气高效提纯具有非常重要的意义。2.1 基本原理 变压吸附技术就是根据气体分子对吸附剂表面在不同情况下的吸附能力进行氢气提纯分离的技术。该技术原理是通过吸附剂选择性和吸附条件调整来达到高效纯化。变压吸附时，氢气及杂质气体对吸附剂表中国科技期刊数据库 工业 A-25-面的吸附速度依赖于其对吸附剂的亲和力及分子尺寸1。通常吸附剂对杂质气体显示选择性较强，对氢气的吸附比较微弱。这是建立在吸附剂的性质基础上的，其中包括吸附剂的孔隙结构，化学性质以及表面亲和力等。所以吸附剂的筛选对实现氢气提纯非常关键，因其能够根据杂质气体特性对其进行优化从而高效脱除。一个普遍的用途就是利用变压吸附技术除去水分、二氧化碳以及其他杂质气体来提高氢气纯度。这就涉及调节吸附剂选择来保证对水及二氧化碳的高吸附能力而对氢气吸附能力比较低。通过压力、温度等吸附条件的变化，可对不同气体分子进行吸附脱附，使氢气得到分离纯化。该过程可在循环操作下反复进行，使系统保持稳定性并保持性能良好。2.2 工艺流程（1）吸附过程。吸附过程为变压吸附技术中的一个核心环节。在此阶段，混合气体（包括氢气，杂质气体等）在一定的温度和压力下通过吸附塔或吸附床，吸附床内填充吸附剂。吸附剂的筛选与性能关系到该环节效率。杂质气体将吸附在吸附剂的表面上，比较纯净的氢气从吸附床中逐渐排出。（2）减压脱附。减压脱附又是纯化氢气的关键环节。吸附床一旦饱和或者达到某一吸附程度时，减小系统压力会使吸附剂放出被吸附杂质气体。该工艺一般都是在低温条件下完成，从而保证吸附剂能将被吸附杂质气体有效释放出来。排放出的杂质气体能够被进一步加工或者循环使用，同时较纯的氢气能够被收集并存储起来以用于后续使用。2.3 吸附剂的选择 吸附剂选择对变压吸附提纯氢气有重要影响。吸附剂比表面积，孔径尺寸，亲和力及稳定性等性能会对氢气提纯效率及选择性产生直接影响。不同种类的吸附剂如活性炭，沸石分子筛及碳分子筛等性能特点各异，需根据特定应用需求选择适宜吸附剂。3 影响因素分析 氢气变压吸附提纯技术受到很多因素影响，直接决定着技术性能与效率。3.1 吸附剂的特性 吸附剂性能对氢气提纯过程有关键影响，吸附容量与吸附速度作为 2 个关键参数对优化变压吸附技术起到了重要的作用。吸附容量作为评价吸附剂性能的核心指标是吸附剂所能吸附气体的多少。对氢气提纯来说，高吸附容量是至关重要的，这意味着吸附剂能有效地除去较多杂质气体以提高其纯度。实际生产中选用高吸附容量吸附剂是保证提纯过程顺利进行的关键步骤，因它直接关系到产品的质量2。与吸附容量密切相关的为吸附速度，其表征气体分子对吸附剂表面的吸附速率。吸附速度对整个提纯过程有着关键性的影响，由于其对效率有着直接的影响。吸附速度快有利于提高生产率、缩短生产时间和降低能耗。为达到这一目的，必须考虑吸附剂性能及工艺参数调控等因素。其中可能包括调节操作条件，选择合适吸附剂种类和优化吸附剂结构来保证最佳吸附速度等。3.2 工艺参数 压力的改变将直接影响到气体在吸附剂上的吸附与脱附，合理地调整压力可使吸附剂达到最佳寿命，改善氢气提纯效果。但压力波动太大或者太小都会导致系统失稳，这就要求准确地控制压力。这就要求必须慎重考虑工艺参数调整问题，保证压力能在可以接受范围内浮动，使吸附性能保持平稳。另一主要参数为温度，它直接影响吸附剂性能及吸附速度。合适的温度控制能调节吸附剂活性、增加吸附容量、保证吸附-脱附循环稳定。但高温会使吸附剂劣化，故温度控制需权衡。考虑到温度等参数变化情况，必须寻求最佳操作条件才能保证吸附剂在长时间工作下性能稳定。3.3 杂质物质 杂质物质对于氢气提纯起着至关重要的作用，由于这些杂质物质给吸附剂的筛选及性质带来挑战并影响提纯效果。水与二氧化碳这两类常见杂质需要格外注意与处理才能保证有效纯化。水分子的吸附特性类似于氢气，即可能会和氢气争夺吸附位置而影响提纯效果。氢气提纯尤其是变压吸附技术需要面临以水分脱除为目标以及吸附剂抗水性等关键问题。选用抗水性强的吸附剂非常关键，这是因为这些吸附剂能有效除去水分子并保证提纯过程稳定、纯度较高3。另一方面二氧化碳又是常见杂质，具有类似氢气的吸附特点。这就增加了选择适当吸附剂的复杂性，因为要保证 CO2 不随氢气被吸附而使氢气纯度下降。中国科技期刊数据库 工业 A-26-为了解决这一难题，必须选用高选择性吸附剂来实现氢气与二氧化碳的可靠分离。这就要求必须认真地进行研究与试验，才能保证吸附剂能在有二氧化碳存在时维持高纯度氢气输出。3.4 循环操作 循环操作直接影响着氢气提纯技术过程中体系的稳定与性能。吸附-脱附工艺循环次数与效率对吸附剂使用寿命与提纯效果具有重要意义。吸附-脱附循环为一连续过程，要求吸附剂活性与循环次数相平衡。若循环过频，则可能使吸附剂提前用尽而使提纯效果下降。反之，循环操作过慢则会造成提纯速度不足而影响生产率的提高。所以确定合适的循环频率是保持系统性能的关键。这就涉及了对工程进行深入分析与控制，从而保证循环操作能够在各种情况下使系统稳定高效。在循环操作时，吸附剂是否稳定也是一个必须考虑的问题。吸附-脱附循环过程中吸附剂要承受热力学及物理应力作用，这些应力会对吸附剂的性能产生影响。所以提高吸附剂稳定性是实现氢气可靠提纯的关键。这可从选用适当吸附剂材料、优化循环条件和兼顾材料耐用性等方面着手。通过将稳定性考虑纳入吸附剂选型与设计，延长了吸附剂寿命，降低了维护成本，提高了氢气提纯可持续性。4 变压吸附提纯氢气用途 变压吸附技术是提纯氢气的一种有效而经济的方法，已经在不同的领域显示出了广阔的应用前景。4.1 工业应用 在工业领域中，变压吸附技术得到了最广泛应用的一种情景。在氢气这一清洁能源需求量越来越大的情况下，工业生产对于高纯度的氢气要求越来越迫切。变压吸附技术用于工业气体分离与提纯，已取得了令人瞩目的成就。变压吸附技术主要应用于石油化工，化肥生产以及电力工业中高纯度氢气的制备。合理地设计吸附剂及优化操作参数可达到有效脱除杂质气体并满足工业生产纯净氢气需求的目的，比较低廉的制氢经济成本使变压吸附技术更具有工业规模生产竞争力。变压吸附技术还在氢能源储存领域有着重要的应用前景，利用这一技术净化后的氢气可应用于燃料电池、氢气储罐等储能系统中。这就为可再生能源储存与使用提供了切实可行的方法，推动氢能源可持续发展4。4.2 实验室研究 实验室研究是促进氢气提纯技术持续创新与完善的重点领域。实验室内变压吸附技术的普遍应用为科研人员进行氢气分离，存储及氢能源系统等基础研究提供了有效途径。实验室研究中常采用变压吸附技术进行气体分离与捕获，主要有天然气杂质气体脱除，氢同位素分离。它具有灵活性，高度可控性等特点，是实验室规模研究较为理想的手段。研究者可通过调整吸附剂性能、优化操作条件等手段对气体分子吸附、脱附等过程进行精细调控来探索气体分离新机制与提纯方法。实验室内也广泛采用变压吸附技术来模拟氢的储存与释放，帮助理解储氢材料特性及储氢机制。这是发展更加有效，安全和可持续氢气储存技术的关键。5 挑战和未来前景 5.1 在工业制造方面存在着问题 尽管变压吸附技术在工业应用中取得了令人瞩目的成果，但在实际制造过程中仍然存在一些挑战。一，吸附剂稳定性。由于频繁的吸附-脱附循环会使吸附剂在热力学及物理等方面产生应力而使性能劣化，高温操作会给工程带来麻烦，这就要求对温度有更加准确的控制及热管理。这些问题都直接影响着工业生产的稳定性与效率，所以有必要对其进行深入的研究与技术改进加以解决。另一工业制造问题在于吸附剂寿命及循环操作是否可持续。吸附剂的使用寿命制约着装置的可靠性及维护周期，循环操作时间过长会对系统造成冲击，从而降低系统性能。所以有必要研制更加耐用吸附剂和优化循环操作来延长装置使用寿命和增加系统稳定性5。5.2 技术改进机会 技术改进是促进变压吸附提纯技术向更深层次发展的重点。一方面吸附剂在设计合成过程中可不断创新，提高吸附容量，吸附速度及抗水性。金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）等新型吸附剂的引入，可能会开拓新的性能前景，纳米材料的应用也可能为吸附剂性能的提升提供新的契机。另一方面工艺参数优化与自动化也会成为技术改进的一个重要方向。采用先进控制系统及监测技术可实现压力，温度中国科技期刊数据库 工业 A-27-及循环操作等更加准确实时控制。有利于增强系统稳定性、降低能耗、简化操作流程。5.3 可持续发展和环境方面的考虑 氢能源产业可持续发展的大环境要求变压吸附提纯技术更注重环境友好与可持续性。一方面绿色制氢技术兴起推动了吸附剂对环境的影响需求。研制可再生，可降解吸附剂有助于缓解制氢过程中的环境效应。另一方面，能源效率和碳足迹也成为技术改进的对象。优化变压吸附技术能源利用效率和降低对化石燃料依赖有利于促进氢气提纯技术向更可持续方向发展。6 结论 变压吸附提纯氢气技术是生产清洁能源的关键环节，其应用前景广阔，但是也面临着一系列的挑战。通过技术改进及可持续发展工作，预计该技术将继续发展并对未来清洁能源作出更多贡献。鼓励研究人员与工业界一起促进该领域发展并实现氢能源可持续愿景。参考文献 1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(6):1.2杨明.变压吸附提纯氢气及其影响因素分析J.地理,2020(1).3周超.变压吸附提纯氢气及其影响因素分析J.决策探索(中),2020(03):23.4吕昌忠.新型四塔变压吸附提纯氢气过程研究D.天津:天津大学,2003.5刘杰.变压吸附制氢收率影响因素浅析J.化工中间体,2021(009):41-42.