1T/HEBQIA××××—2024工業(yè)氣體凈化分離技術(shù)本文件規(guī)定了工業(yè)氣體凈化分離技術(shù)的術(shù)語和定義、分類、技術(shù)要求、檢驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸和貯存。本文件適用于工業(yè)生產(chǎn)中常見氣體（如氧氣、氮?dú)?、氫氣、二氧化碳等）的凈化分離過程。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB190危險(xiǎn)貨物包裝標(biāo)志GB/T191包裝儲(chǔ)運(yùn)圖示標(biāo)志GB/T601化學(xué)試劑滴定分析用標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備GB/T603試驗(yàn)方法中所用制劑及制品的制備GB/T6678化工產(chǎn)品采樣總則GB/T6680液體化工產(chǎn)品采樣通則GB/T6682分析實(shí)驗(yàn)室用水規(guī)格和試驗(yàn)方法GB/T8170數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示和判定GB/T4348.1工業(yè)用氫氧化鈉氫氧化鈉和碳酸鈉含量的測(cè)定3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1變壓吸附PressureSwingAdsorption，PSA通過周期性改變壓力，使氣體在吸附劑上吸附和解吸，從而實(shí)現(xiàn)氣體分離和提純的過程。3.2吸附劑Adsorbent具有吸附能力的多孔固體材料，用于選擇性地吸附氣體中的雜質(zhì)成分。3.3旋轉(zhuǎn)閥RotaryValve在變壓吸附系統(tǒng)中，用于控制氣體流向和實(shí)現(xiàn)吸附與解吸過程的關(guān)鍵部件。2T/HEBQIA××××—20244變壓吸附原理4.1吸附選擇性PSA技術(shù)的關(guān)鍵在于吸附劑的選擇性，即它能優(yōu)先吸附混合氣體中的某些組分，而允許其他組分通過。公司采用的吸附劑，如活性炭、沸石分子篩或金屬有機(jī)框架材料（MOFs），對(duì)含雜質(zhì)氣體中的CO、N2、CO2和CH4等具有高選擇性。這些吸附劑的微孔結(jié)構(gòu)能夠精確匹配目標(biāo)分子的大小和形狀，從而有效地捕獲并保留這些雜質(zhì)分子，同時(shí)允許氫氣、氮?dú)狻⒀鯕?、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、氯乙烯、甲烷等分子自由通過吸附床，實(shí)現(xiàn)氫氣、氮?dú)?、氧氣、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、氯乙烯、甲烷與其他氣體的高效分離。4.2物理吸附機(jī)制吸附過程主要依賴于氣相分子與固體吸附劑表面之間的物理吸引力，即范德華力。這種吸引力對(duì)于高極性和低揮發(fā)性的氣體分子更為顯著，因此它們更容易被吸附劑捕獲。吸附劑的多孔結(jié)構(gòu)提供了大量的表面積，增強(qiáng)了這一物理吸附效果，使得吸附劑能夠在較低的壓力下選擇性地吸附目標(biāo)氣體分子，而其他揮發(fā)性較強(qiáng)的分子則相對(duì)較少被吸附。4.3穿透與再生4.3.1在PSA工藝中，原料氣流通過裝有吸附劑的容器時(shí)，不同氣體組分的穿透速度存在差異。由于氫氣的分子量小、活性高，其穿透吸附床的速度較快，而CO、N2、CO2和CH4等雜質(zhì)分子因被吸附劑捕獲而較慢穿透。這一特性使得氫氣得以優(yōu)先通過，實(shí)現(xiàn)初步的分離。4.3.2為了維持吸附劑的性能，需要定期進(jìn)行再生過程。再生通常通過降低吸附容器內(nèi)的壓力來實(shí)現(xiàn)，此時(shí)吸附在孔隙內(nèi)的雜質(zhì)分子會(huì)因壓力下降而脫離吸附劑，隨尾氣排出。此外，有時(shí)也會(huì)采用抽真空解析再生的方式，進(jìn)一步提高再生效率，確保吸附劑的長期穩(wěn)定性和循環(huán)使用能力。5工藝流程5.1含雜質(zhì)氣增壓工藝流程的第一步是對(duì)含有雜質(zhì)的原料氣體進(jìn)行增壓處理，以達(dá)到PSA系統(tǒng)的運(yùn)行壓力要求。這一步驟通常通過壓縮機(jī)完成，將氣體壓力提升至幾個(gè)大氣壓以上。增壓不僅有助于提高吸附劑的吸附效率，還能增加單位時(shí)間內(nèi)氣體的處理量，從而提升整體工藝的經(jīng)濟(jì)性和效率。5.2氣體進(jìn)入吸附容器增壓后的氣體隨后被引導(dǎo)進(jìn)入PSA系統(tǒng)的吸附容器中，這里填充了專有的吸附劑。這些吸附劑，如活性炭、沸石分子篩或金屬有機(jī)框架材料（MOFs），因其獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，能夠高效地選擇性吸附特定的雜質(zhì)分子。在這一階段，氣體混合物中的雜質(zhì)開始被吸附劑捕獲，而目標(biāo)氣體（如氫氣）則繼續(xù)通過吸附床。5.3吸附與解吸5.3.1吸附階段3T/HEBQIA××××—2024在高壓條件下，氣體混合物通過吸附床時(shí)，吸附劑的微孔結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)使得雜質(zhì)分子被有效吸附，而目標(biāo)氣體則相對(duì)較少被吸附，從而實(shí)現(xiàn)了初步的氣體分離。隨著吸附過程的進(jìn)行，吸附劑逐漸飽和，需要適時(shí)切換至下一階段。5.3.2解吸階段5.3.2.1當(dāng)吸附劑接近飽和時(shí)，PSA系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換至解吸階段。在此階段，吸附容器的壓力迅速降低，吸附在孔隙中的雜質(zhì)分子因壓力下降而脫附，隨尾氣排出吸附容器。這一過程通常伴隨著多次壓力降，直至吸附劑幾乎完全再生，恢復(fù)其初始的吸附能力。5.3.2.2為了進(jìn)一步提高吸附劑的再生效率和延長其使用壽命，解吸過程可能還包括吹掃步驟，即使用少量清潔的氣體（通常是產(chǎn)品氣體的一部分）反向吹掃吸附劑，以清除殘留的雜質(zhì)分子。此外，某些情況下，抽真空解析再生也被采用，增強(qiáng)再生效果。6設(shè)備組成6.1吸附床6.1.1變壓吸附（PSA）系統(tǒng)的核心組件是吸附床，它是實(shí)現(xiàn)氣體分離的關(guān)鍵所在。公司的PSA系統(tǒng)采用了有6搭或者是9塔完全相同的吸附床，這些床體內(nèi)部精心裝填了專有的吸附劑，如沸石分子篩、活性炭或金屬有機(jī)框架材料（MOFs）。每個(gè)吸附床都設(shè)計(jì)有高度的可互換性和一致性，確保了系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性和穩(wěn)定性。6.1.2吸附床的設(shè)計(jì)考慮了氣體流動(dòng)路徑、吸附劑的分布均勻性以及壓力變化的快速響應(yīng)能力，以實(shí)現(xiàn)高效的吸附與解吸過程。此外，吸附床通常配備有溫度和壓力監(jiān)測(cè)裝置，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，確保吸附劑的最佳工作條件，避免過熱或壓力異常導(dǎo)致的吸附劑性能下降。6.2旋轉(zhuǎn)閥6.2.1旋轉(zhuǎn)閥是PSA系統(tǒng)中控制氣體流向的關(guān)鍵部件，分為上閥和下閥兩部分，共同負(fù)責(zé)管理吸附和解吸階段的氣體切換。這些閥門設(shè)計(jì)精巧，能夠快速、準(zhǔn)確地在多個(gè)吸附床之間切換氣體流動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)吸附床的交替工作，保證了系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了吸附劑的高效再生。6.2.2旋轉(zhuǎn)閥的操作精度和可靠性直接影響著PSA系統(tǒng)的分離效率和產(chǎn)品氣質(zhì)量。它們需要具備良好的密封性能，以防止氣體泄漏，同時(shí)還要能夠承受頻繁的壓力波動(dòng)，確保長期穩(wěn)定的工作表現(xiàn)。此外，現(xiàn)代PSA系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)閥往往集成有先進(jìn)的控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)預(yù)設(shè)程序或?qū)崟r(shí)反饋調(diào)整閥門開度，優(yōu)化氣體分離過程，減少能源消耗。7吸附劑特性7.1高選擇性吸附劑的選擇性是PSA技術(shù)成功的關(guān)鍵。在工業(yè)氣體凈化分離過程中，吸附劑對(duì)特定雜質(zhì)氣體如CO、N2、CO2和CH4等具有顯著的高吸附能力，而對(duì)氫氣等目標(biāo)氣體的吸附能力相對(duì)較低。這一特性源于吸附劑表面的化學(xué)性質(zhì)與目標(biāo)氣體分子間的相互作用力差異。例如，沸石分子篩因其規(guī)則的孔徑和極性表面，能夠優(yōu)先吸附極性或大分子量的雜質(zhì)氣體，而對(duì)非極性的小分子氣體（如H2）吸附力較弱，從而實(shí)現(xiàn)有效的氣體分離。7.2多孔結(jié)構(gòu)4T/HEBQIA××××—2024吸附劑的多孔結(jié)構(gòu)為其提供了巨大的單位質(zhì)量比表面積，這是實(shí)現(xiàn)高效吸附的基礎(chǔ)。微孔、介孔和大孔的存在，不僅增加了吸附劑與氣體分子接觸的機(jī)會(huì)，還為氣體分子提供了豐富的吸附位點(diǎn)。這些孔隙的尺寸和分布需精心設(shè)計(jì)，以匹配目標(biāo)氣體分子的大小和形狀，確保吸附劑對(duì)特定雜質(zhì)氣體具有高度的選擇性吸附能力，同時(shí)最小化對(duì)目標(biāo)氣體的影響。7.3穩(wěn)定性與再生能力除了高選擇性和多孔結(jié)構(gòu)外，理想的吸附劑還應(yīng)具備良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在長時(shí)間的運(yùn)行中保持其吸附性能。此外，吸附劑的再生能力也是評(píng)估其性能的重要指標(biāo)。在PSA系統(tǒng)中，吸附劑需要經(jīng)過多次吸附-解吸循環(huán)，因此，能夠快速且完全地從吸附態(tài)恢復(fù)至原始狀態(tài)，對(duì)維持系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行至關(guān)重要。7.4適應(yīng)性與成本效益理想的吸附劑還應(yīng)具有一定的通用性和適應(yīng)性，能夠針對(duì)不同的氣體混合物和操作條件進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，其制備成本、使用壽命以及再生過程中的能耗也是考量其經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性的關(guān)鍵因素。因此，研發(fā)新型高性能吸附劑，不僅關(guān)注其分離效率，還需綜合考慮其在實(shí)際應(yīng)用中的成本效益和可持續(xù)性。8操作參數(shù)8.1壓力范圍在變壓吸附（PSA）工藝中，壓力范圍是決定吸附效率和氣體分離效果的關(guān)鍵參數(shù)之一。合理的增壓和減壓壓力值需根據(jù)具體的氣體組成、吸附劑特性和系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)致調(diào)整。一般來說，增壓壓力應(yīng)足夠高，以增強(qiáng)吸附劑對(duì)雜質(zhì)氣體的吸附能力，但又不能過高，以免造成不必要的能耗和設(shè)備負(fù)擔(dān)。同樣，減壓壓力需適中，既能促進(jìn)吸附劑的再生，釋放被捕獲的雜質(zhì)，又不至于使目標(biāo)氣體（如氫氣）過多損失。具體而言：a)增壓壓力：通常在幾個(gè)到幾十個(gè)大氣壓之間，取決于氣體混合物的性質(zhì)和分離要求。較高的壓力有利于提高吸附容量和分離效率。b)減壓壓力：一般在接近大氣壓或略高于大氣壓，以確保雜質(zhì)氣體的有效解吸和排放，同時(shí)最大限度地回收目標(biāo)氣體。8.2吸附與解吸時(shí)間吸附與解吸時(shí)間的設(shè)定直接影響著PSA系統(tǒng)的分離效率、產(chǎn)品氣質(zhì)量和能源消耗。這些時(shí)間參數(shù)需根據(jù)進(jìn)氣流量、雜質(zhì)含量、產(chǎn)品氣要求以及吸附劑的動(dòng)態(tài)吸附性能進(jìn)行優(yōu)化。通常：a)吸附時(shí)間：應(yīng)足以使吸附劑充分吸附雜質(zhì)氣體，但不宜過長，以免過度吸附目標(biāo)氣體，影響產(chǎn)品氣純度。吸附時(shí)間的長短需與進(jìn)氣流量相匹配，確保吸附劑不會(huì)過早飽和。b)解吸時(shí)間：則需確保吸附劑能徹底再生，恢復(fù)其初始吸附能力，準(zhǔn)備下一輪吸附循環(huán)。解吸時(shí)間不宜過短，否則可能導(dǎo)致雜質(zhì)未能完全解吸，影響后續(xù)的吸附效率。8.3溫度和濕度雖然在PSA工藝中，溫度和濕度的影響不如壓力和時(shí)間參數(shù)那么直接，但它們同樣不容忽視。適當(dāng)?shù)臏囟瓤梢愿纳莆絼┑奈胶徒馕阅?，而濕度則可能影響吸附劑的穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)和操作PSA系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮原料氣的溫度和濕度，必要時(shí)采取預(yù)處理措施，如冷卻或干燥，以保證最佳的分離效果。8.4流量控制5T/HEBQIA××××—2024進(jìn)氣流量的控制對(duì)于保持PSA系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。過高的流量可能導(dǎo)致吸附劑過快飽和，降低分離效率；而過低的流量則會(huì)增加單位產(chǎn)品的能耗。因此，需根據(jù)吸附劑的吸附速率和再生能力，合理調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的氣體分離效果。9性能指標(biāo)9.1產(chǎn)品氣純度產(chǎn)品氣純度是衡量工業(yè)氣體凈化分離技術(shù)成效的核心指標(biāo)之一。對(duì)于氫氣凈化分離而言，純度標(biāo)準(zhǔn)極為嚴(yán)格，通常要求最終產(chǎn)出的氫氣純度不低于99.9%，甚至在某些高精尖應(yīng)用中，如半導(dǎo)體制造、航空航天燃料及燃料電池行業(yè)，氫氣純度需達(dá)到99.999%以上。這不僅確保了氣體在下游應(yīng)用中的安全性和效能，也反映了PSA技術(shù)在分離效率和選擇性方面的卓越性能。9.2回收率回收率是指在氣體凈化分離過程中，目標(biāo)氣體（如氫氣）相對(duì)于原料氣中該氣體總量的回收比例。高回收率不僅是工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性要求，也是資源高效利用和環(huán)境保護(hù)的重要體現(xiàn)。在PSA系統(tǒng)中，通過精確調(diào)控吸附劑的選擇性、優(yōu)化吸附/解吸循環(huán)參數(shù)，以及采用先進(jìn)的吸附劑再生技術(shù)，可以顯著提高回收率，確保不低于90%，在某些優(yōu)化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，回收率甚至可達(dá)到98%以上。9.3處理能力處理能力是PSA系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)能夠處理的氣體體積量，直接關(guān)聯(lián)到生產(chǎn)效率和系統(tǒng)規(guī)模。設(shè)計(jì)合理的PSA系統(tǒng)需確保其處理能力能夠滿足工廠的實(shí)際需求，即每小時(shí)處理的氣體量不低于設(shè)計(jì)要求，通常這一指標(biāo)會(huì)根據(jù)生產(chǎn)線的具體情況和預(yù)期產(chǎn)量來定制。處理能力的高低受到吸附床數(shù)量、吸附劑類型、操作壓力范圍以及系統(tǒng)自動(dòng)化水平等多方面因素的影響。9.4能源效率能源效率是評(píng)估PSA技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性的關(guān)鍵指標(biāo)。高效的PSA系統(tǒng)能夠通過減少壓縮功耗、優(yōu)化再生過程和利用余熱等方式，大幅降低整個(gè)凈化分離過程的能耗。高能源效率不僅能夠顯著降低運(yùn)營成本，還能夠減少溫室氣體排放，符合全球綠色低碳發(fā)展的趨勢(shì)。9.5系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性是工業(yè)生產(chǎn)中不可忽視的兩個(gè)方面。PSA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作需確保在長期運(yùn)行中具有高穩(wěn)定性，避免頻繁的維護(hù)和停機(jī)，同時(shí)也需遵循嚴(yán)格的安全規(guī)范，防止?jié)撛诘谋ā⑿孤┑蕊L(fēng)險(xiǎn)。這要求制定完善的維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃，由專人負(fù)責(zé)系統(tǒng)維護(hù)和保養(yǎng)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。10控制策略10.1吸附床容量控制吸附床容量控制是PSA系統(tǒng)運(yùn)行中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到氣體分離效率和產(chǎn)品氣純度。每個(gè)吸附床的設(shè)計(jì)容量旨在確保在每個(gè)操作周期內(nèi)，能夠吸附并去除原料氣中預(yù)定量的雜質(zhì)。這一設(shè)計(jì)容量需根據(jù)進(jìn)氣流量、雜質(zhì)濃度以及目標(biāo)產(chǎn)品氣的要求進(jìn)行精確計(jì)算。在實(shí)際操作中，吸附時(shí)間是調(diào)整吸附床容量的關(guān)鍵參數(shù)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)氣和產(chǎn)品氣的質(zhì)量，并根據(jù)需求調(diào)整吸附時(shí)間，可以優(yōu)化吸附床的利用效率，避免過早飽和或過度吸附目標(biāo)氣體，從而維持系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和產(chǎn)品氣的高純度。6T/HEBQIA××××—202410.2周期速度控制PSA系統(tǒng)的周期速度，即吸附/解吸循環(huán)的頻率，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的能源效率和產(chǎn)品氣質(zhì)量有著重要影響。采用變頻交流馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)源，可以靈活調(diào)節(jié)PSA系統(tǒng)的周期速度。通過微調(diào)產(chǎn)品氣流量，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)外部需求的變化，如在產(chǎn)品氣需求增加時(shí)加快周期速度，以提高處理能力；反之，在需求減少時(shí)降低周期速度，減少能源消耗。這種動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制不僅提高了PSA系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，也確保了在不同工況下均能維持產(chǎn)品氣的高純度和高回收率。10.3自動(dòng)化與智能化控制現(xiàn)代PSA系統(tǒng)廣泛采用了先進(jìn)的自動(dòng)化與智能化控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)吸附床容量和周期速度的精確控制。這包括：a)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析：通過集成的傳感器網(wǎng)絡(luò)收集關(guān)于進(jìn)氣、產(chǎn)品氣和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，為控制策略提供決策依據(jù)。b)預(yù)測(cè)性維護(hù)：利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測(cè)吸附劑的性能衰退和系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障，提前進(jìn)行維護(hù)，減少意外停機(jī)時(shí)間。c)智能優(yōu)化算法：基于歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)反饋，智能優(yōu)化算法能夠自動(dòng)調(diào)整吸附時(shí)間、周期速度等關(guān)鍵參數(shù)，以達(dá)到最佳的分離效果和最低的能耗。10.4故障檢測(cè)與應(yīng)急響應(yīng)PSA系統(tǒng)中還集成了故障檢測(cè)與應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，一旦檢測(cè)到系統(tǒng)異常，如壓力突變、流量波動(dòng)或產(chǎn)品氣純度下降，能夠立即啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)程序，自動(dòng)調(diào)整控制策略或觸發(fā)警報(bào)，通知操作人員進(jìn)行干預(yù)，從而保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。11檢驗(yàn)方法11.1氣體純度測(cè)定氣體純度的測(cè)定是評(píng)估工業(yè)氣體凈化分離技術(shù)性能的關(guān)鍵步驟，通常采用以下幾種科學(xué)有效的分析方法：a)氣相色譜法（GasChromatography,GC）：這是最常用的氣體純度分析手段之一，通過將氣體樣品注入色譜柱，利用不同組分在固定相上的分配系數(shù)差異，實(shí)現(xiàn)各組分的分離和定量分析。GC法能夠精確測(cè)定氣體中各組分的濃度，適用于多種氣體的純度檢測(cè)。b)質(zhì)譜分析法（MassSpectrometry,MS）：質(zhì)譜儀通過電離氣體樣品，根據(jù)離子的質(zhì)量與電荷比（m/z）對(duì)不同組分進(jìn)行區(qū)分，具有極高的靈敏度和選擇性，特別適合痕量雜質(zhì)的檢測(cè)。c)紅外光譜法（InfraredSpectroscopy,IR）：利