变压吸附工艺在氯乙烯尾气回收装置中的应用

　　摘要:变压吸附气体分离技术在工业上得到了广泛应用 ,已逐步成为一种主要的气体分离技术。它具有能耗低、投资小、流程简单、操作方便、可靠性高、自动化程度高及环境效益好等特点。本文介绍了变压吸附工艺流程及其优势。

　　Abstract: Pressure swing adsorption separation technology has been widely applied in industry, and has become a main air separation technology. It has merits such as small investment, low energy consumption, simple, convenient operation, high reliability, high automation and environmental benefits. The paper introduced adsorption process and its advantages.

　　关键词:变压吸附;分离;技术;回收

　　Key words: pressure swing adsorption;separation;technology;recycling

　　中图分类号:TQ06文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)14-0111-02

　　0引言

　　目前,国内生产氯乙烯(VCM)大致有两种工艺:电石法和氧氯化法。这两种生产工艺的氯乙烯精馏工段的精馏尾气经冷凝器回收后的不凝气中仍然含有8%～12%的氯乙烯单体 (VCM),该尾气不加治理,直接排入大气,不仅造成资源浪费,而且严重的污染环境。为此,国内先后开发出活性炭吸附、膜吸附、活性碳纤维吸附和变压吸附等尾气处理技术来回收氯乙烯气体。但是,变压吸附(Pressure Swing Adsorption,简称PSA)是一种新型气体吸附分离技术,它有如下优点:①产品纯度高;②一般可在室温和不高的压力下工作,床层再生时不用加热,节能经济;③设备简单,操作、维护简便;④连续循环操作,可完全达到自动化。因此,当这种新技术问世后,就受到各国工业界的关注,竟相开发和研究,发展迅速,并日益成熟。

　　1变压吸附分离技术原理和工艺流程

　　1.1 压吸附分离技术原理[1]变压吸附(Pressure Swing Adsorption,PSA)的基本原理是利用吸附剂对吸附质在不同分压下有不同的吸附容量、吸附速度和吸附力,并且在一定压力下对被分离的气体混合物的各组分有选择吸附的特性,加压吸附除去原料气中杂质组份,减压脱附这些杂质而使吸附剂获得再生。因此,采用多个吸附床,循环地变动所组合的各吸附床压力,就可以达到连续分离气体混合物的目的。吸附常常是在压力环境下进行的,变压吸附提出了加压和减压相结合的方法,它通常是由加压吸附、减压再组成的吸附一解吸系统。在等温的情况下,利用加压吸附和减压解吸组合成吸附操作循环过程。吸附剂对吸附质的吸附量随着压力的升高而增加,并随着压力的降低而减少,同时在减压(降至常压或抽真空)过程中,放出被吸附的气体,使吸附剂再生,外界不需要供给热量便可进行吸附剂的再生。因此,变压吸附既称等温吸附,又称无热再生吸附。PVC精馏尾气是采用变压吸附技术(PSA)来实现气体分离的。变压吸附技术是以吸附剂(多孔固体物质)内表面对气体分子的物理吸附和解析为基础,利用吸附剂在相同压力下易吸附高沸点组分不易吸附低沸点组分的原理和减压下吸附量减少的特征,将原料气(尾气)在一定压力下通过吸附剂床层,VCM、非甲烷总烃等高沸点组分被选择吸附,低沸点组分则因不易被吸附而通过吸附床层,达到VCM、非甲烷总烃等组分与其他组分分离。然后在减压下解吸被吸附的VCM、非甲烷总烃等组分使吸附剂获得重生。有利于再次进行吸附、解析分离,增加经济效益。这种高压下吸附VCM、非甲烷总烃,减压下解吸的过程为变压吸附。

　　1.2 变压吸附工艺流程PVC精馏尾气经压缩机加压并经流量计计量后进入由多台吸附塔组成的PSA系统,由入口端通入原料气,VCM和乙炔被吸附剂吸附,每台吸附器在不同时间依次经历吸附(A)、均压降(EiD)、顺放(PP)、逆放(D)、抽空(V)、抽空冲洗(VP)、均压升(EiR)、最终升压(FR)等步骤,脱除了VCM和乙炔的气体从出口放出,一部分返回到吸附塔内用做再生冲洗气,另一部分作为净化气输出放空。被吸附的VCM和乙炔气体在逆放和抽空过程中被解吸出来作为产品气,同时吸附剂获得再生,吸附塔进入下周期的吸附循环。产品气经过两级稳压后进入压缩机加压并稳压输出回收利用。精馏尾气变压吸附回收装置流程示意图见图1。

　　2不同吸附工艺介绍及特点对比

　　活性炭吸附、膜吸附、活性碳纤维吸附、变压吸附等工艺介绍:

　　2.1 活性炭吸附法是利用氯乙烯单体在活性炭上的高选择吸附这一特性来制定的工艺。活性炭是多孔型固体,比表面积可达1000m2/g,活性炭对精馏尾气中氯乙烯及氢气、乙炔、氮气等不凝性气体的吸附能力随其沸点升高而加大,其中氯乙烯先被吸附,乙炔次之,因此活性炭首先吸附的是氯乙烯单体。活性炭吸附氯乙烯达到饱和后,通入蒸汽解析,可回收氯乙烯单体。活性炭吸附流程简单,2～3台装有活性炭的吸附器并联并切换使用,即可保证吸收系统稳定运行。具有投资少,见效快的优点。但吸收装置需要盐水冷却,活性炭再生需要蒸汽升温、热空气干燥、氮气置换等操作程序,能源消耗量大,回收成本高,所回收的单体含水量大。同时还具有操作劳动强度大,不适合高流量生产的弊病。因此,目前的实际生产中,活性炭吸附法基本上已被淘汰,仅作为辅助吸附方法使用。

　　2.2 膜吸附技术[2]是上世纪九十年代兴起的新型分离技术,随着其技术的不断进步,近几年在石化行业已被广泛应用。膜法回收系统主要采用“反向”选择性高分子复合膜,在一定的渗透力推动作用下,根据不同气体分子在膜中的溶解扩散性能差异,达到分离混合气体中各类成份的目的。可凝性有机蒸汽(如氯乙烯等)与惰性气体(如氢气、氮气等)相比,被优先吸附渗透,从而从气体中分离出来。该方法具有氯乙烯回收率较高(90%～95%)、占地面积少、动力消耗少、回收成本低、操作简便等特点。但存在的不足之处是操作弹性小,当尾气中氯乙烯浓度波动大,或尾气带料时,会造成膜的损坏,甚至必须停车更换,在实际生产中存在膜更换频繁而增大回收成本等问题。

　　2.3 碳纤维是以粘胶基纤维、聚丙烯基纤维、沥青基纤维等纤维为原料,经过高温碳化、活化处理工艺制成的新型吸附材料。当废气通过碳纤维层时,其中的氯乙烯等有机物被碳纤维吸附、截留,而氮气、氢气等无机气体则顺利通过,使含有氯乙烯的废气得到到净化。当碳纤维吸附有机物达到一定量时,用水蒸气进行脱附再生。氯乙烯等有机物从碳纤维脱附下来,与水蒸气一起进入间接冷凝器,水蒸气被冷凝成液体,而氯乙烯等有机物仍为气体被送入气柜回收。该方法具有回收效率较高(≥95%)、吸附容量高、吸附脱附速度快、耗能低、强度高、寿命长、操作简便等特点。

　　2.4 变温变压吸附[3]氯乙烯法是在加压情况下,把含有氯乙烯、乙炔的精馏尾气通入装有特殊吸附质的吸附器,其中强吸附组分(氯乙烯和乙炔)被吸附剂选择性吸附,弱吸附组分(氮气、氢气等)从吸附床的另一端流出排空,达到净化含氯乙烯、乙炔气体的效能。当吸附剂床层吸附饱和后,采用升温、降压、抽真空的方法使氯乙烯、乙炔脱附回收,并使吸附剂获得再生。在实际生产中一般采用2～4个吸附床交替切换使用。变温变压吸附法特点有:氯乙烯回收率高(≥99.99%)、吸附后废气可达标排放、吸附剂使用寿命长(可达10年以上)、操作简便、能耗较小等优点。目前处理回收精制尾气中氯乙烯的最好方法是变温变压吸附法,处理效率可达99.99%以上。四川天一科技股份有限公司(西南化工研究设计院)开发的变压吸附工艺现已成功地在山西太原化工氯碱分公司10万吨/年PVC项目、云南盐化股份有限公司10万吨/年PVC项目、浙江巨化股份有限公司12万吨/年PVC项目等10余个项目推广应用;成都华西化工研究所与西安西化热电化工有限责任公司采用变温变压吸附原理回收精馏尾气氯乙烯的新方法也在西化公司年产5.5万吨PVC装置上进行了成功的工业运行。化学工业氯碱氯产品质量监督检验中心对已投产的山西太原化工氯碱分公司进行的实际监测表明,外排废气达标。原料精馏尾气及分离后的产品气和净化气的工艺指标见表1、表2、表3。

　　在生产过程中分离出来的净化气全部排入大气中,而产品气则全部回收到转化器。几种尾气处理技术性能比较见表4[4]。精馏尾气采取变压吸附工艺对含氯乙烯尾气进行回收处理。从低沸塔尾气冷凝出来的尾气含有少量的氯乙烯及部分惰性气体,采用变压吸附系统对该类气体进行处理,其处理效率达99.9%。处理过程为:精馏尾气经调节阀从吸附器的顶部进入,尾气中的氯乙烯被吸附,其它不凝气体不被吸附;吸附达到饱和后,进行减压解吸,解吸出来的氯乙烯经水封回至气柜。精馏尾气经以上处理后,经排气筒排放,氯乙烯排放浓度为20mg/m3,排放量为0.007kg/h,满足《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)表2中的二级标准要求。该技术为当前先进环保技术,处理后尾气中VCM含量达到国家标准。

　　3结束语

　　通过生产实践可以知道,变压吸附的正常运行对低沸塔尾气达标排放的稳定运行起着至关重要的作用。因此为了保证生产的正常运行,成本的降低,务必确保变压吸附的工艺参数正常,提高开车率。

　　参考文献:

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