工业气体净化分离技术-征求意见稿

1T/HEBQIA××××—2024工业气体净化分离技术本文件规定了工业气体净化分离技术的术语和定义、分类、技术要求、检验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存。本文件适用于工业生产中常见气体（如氧气、氮气、氢气、二氧化碳等）的净化分离过程。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB190危险货物包装标志GB/T191包装储运图示标志GB/T601化学试剂滴定分析用标准溶液的制备GB/T603试验方法中所用制剂及制品的制备GB/T6678化工产品采样总则GB/T6680液体化工产品采样通则GB/T6682分析实验室用水规格和试验方法GB/T8170数值修约规则与极限数值的表示和判定GB/T4348.1工业用氢氧化钠氢氧化钠和碳酸钠含量的测定3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1变压吸附PressureSwingAdsorption，PSA通过周期性改变压力，使气体在吸附剂上吸附和解吸，从而实现气体分离和提纯的过程。3.2吸附剂Adsorbent具有吸附能力的多孔固体材料，用于选择性地吸附气体中的杂质成分。3.3旋转阀RotaryValve在变压吸附系统中，用于控制气体流向和实现吸附与解吸过程的关键部件。2T/HEBQIA××××—20244变压吸附原理4.1吸附选择性PSA技术的关键在于吸附剂的选择性，即它能优先吸附混合气体中的某些组分，而允许其他组分通过。公司采用的吸附剂，如活性炭、沸石分子筛或金属有机框架材料（MOFs），对含杂质气体中的CO、N2、CO2和CH4等具有高选择性。这些吸附剂的微孔结构能够精确匹配目标分子的大小和形状，从而有效地捕获并保留这些杂质分子，同时允许氢气、氮气、氧气、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、氯乙烯、甲烷等分子自由通过吸附床，实现氢气、氮气、氧气、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、氯乙烯、甲烷与其他气体的高效分离。4.2物理吸附机制吸附过程主要依赖于气相分子与固体吸附剂表面之间的物理吸引力，即范德华力。这种吸引力对于高极性和低挥发性的气体分子更为显著，因此它们更容易被吸附剂捕获。吸附剂的多孔结构提供了大量的表面积，增强了这一物理吸附效果，使得吸附剂能够在较低的压力下选择性地吸附目标气体分子，而其他挥发性较强的分子则相对较少被吸附。4.3穿透与再生4.3.1在PSA工艺中，原料气流通过装有吸附剂的容器时，不同气体组分的穿透速度存在差异。由于氢气的分子量小、活性高，其穿透吸附床的速度较快，而CO、N2、CO2和CH4等杂质分子因被吸附剂捕获而较慢穿透。这一特性使得氢气得以优先通过，实现初步的分离。4.3.2为了维持吸附剂的性能，需要定期进行再生过程。再生通常通过降低吸附容器内的压力来实现，此时吸附在孔隙内的杂质分子会因压力下降而脱离吸附剂，随尾气排出。此外，有时也会采用抽真空解析再生的方式，进一步提高再生效率，确保吸附剂的长期稳定性和循环使用能力。5工艺流程5.1含杂质气增压工艺流程的第一步是对含有杂质的原料气体进行增压处理，以达到PSA系统的运行压力要求。这一步骤通常通过压缩机完成，将气体压力提升至几个大气压以上。增压不仅有助于提高吸附剂的吸附效率，还能增加单位时间内气体的处理量，从而提升整体工艺的经济性和效率。5.2气体进入吸附容器增压后的气体随后被引导进入PSA系统的吸附容器中，这里填充了专有的吸附剂。这些吸附剂，如活性炭、沸石分子筛或金属有机框架材料（MOFs），因其独特的孔隙结构和化学性质，能够高效地选择性吸附特定的杂质分子。在这一阶段，气体混合物中的杂质开始被吸附剂捕获，而目标气体（如氢气）则继续通过吸附床。5.3吸附与解吸5.3.1吸附阶段3T/HEBQIA××××—2024在高压条件下，气体混合物通过吸附床时，吸附剂的微孔结构和物理化学性质使得杂质分子被有效吸附，而目标气体则相对较少被吸附，从而实现了初步的气体分离。随着吸附过程的进行，吸附剂逐渐饱和，需要适时切换至下一阶段。5.3.2解吸阶段5.3.2.1当吸附剂接近饱和时，PSA系统会自动切换至解吸阶段。在此阶段，吸附容器的压力迅速降低，吸附在孔隙中的杂质分子因压力下降而脱附，随尾气排出吸附容器。这一过程通常伴随着多次压力降，直至吸附剂几乎完全再生，恢复其初始的吸附能力。5.3.2.2为了进一步提高吸附剂的再生效率和延长其使用寿命，解吸过程可能还包括吹扫步骤，即使用少量清洁的气体（通常是产品气体的一部分）反向吹扫吸附剂，以清除残留的杂质分子。此外，某些情况下，抽真空解析再生也被采用，增强再生效果。6设备组成6.1吸附床6.1.1变压吸附（PSA）系统的核心组件是吸附床，它是实现气体分离的关键所在。公司的PSA系统采用了有6搭或者是9塔完全相同的吸附床，这些床体内部精心装填了专有的吸附剂，如沸石分子筛、活性炭或金属有机框架材料（MOFs）。每个吸附床都设计有高度的可互换性和一致性，确保了系统运行的灵活性和稳定性。6.1.2吸附床的设计考虑了气体流动路径、吸附剂的分布均匀性以及压力变化的快速响应能力，以实现高效的吸附与解吸过程。此外，吸附床通常配备有温度和压力监测装置，用于实时监控运行状态，确保吸附剂的最佳工作条件，避免过热或压力异常导致的吸附剂性能下降。6.2旋转阀6.2.1旋转阀是PSA系统中控制气体流向的关键部件，分为上阀和下阀两部分，共同负责管理吸附和解吸阶段的气体切换。这些阀门设计精巧，能够快速、准确地在多个吸附床之间切换气体流动方向，实现吸附床的交替工作，保证了系统连续运行的同时，也实现了吸附剂的高效再生。6.2.2旋转阀的操作精度和可靠性直接影响着PSA系统的分离效率和产品气质量。它们需要具备良好的密封性能，以防止气体泄漏，同时还要能够承受频繁的压力波动，确保长期稳定的工作表现。此外，现代PSA系统中的旋转阀往往集成有先进的控制系统，能够根据预设程序或实时反馈调整阀门开度，优化气体分离过程，减少能源消耗。7吸附剂特性7.1高选择性吸附剂的选择性是PSA技术成功的关键。在工业气体净化分离过程中，吸附剂对特定杂质气体如CO、N2、CO2和CH4等具有显著的高吸附能力，而对氢气等目标气体的吸附能力相对较低。这一特性源于吸附剂表面的化学性质与目标气体分子间的相互作用力差异。例如，沸石分子筛因其规则的孔径和极性表面，能够优先吸附极性或大分子量的杂质气体，而对非极性的小分子气体（如H2）吸附力较弱，从而实现有效的气体分离。7.2多孔结构4T/HEBQIA××××—2024吸附剂的多孔结构为其提供了巨大的单位质量比表面积，这是实现高效吸附的基础。微孔、介孔和大孔的存在，不仅增加了吸附剂与气体分子接触的机会，还为气体分子提供了丰富的吸附位点。这些孔隙的尺寸和分布需精心设计，以匹配目标气体分子的大小和形状，确保吸附剂对特定杂质气体具有高度的选择性吸附能力，同时最小化对目标气体的影响。7.3稳定性与再生能力除了高选择性和多孔结构外，理想的吸附剂还应具备良好的热稳定性和化学稳定性，能够在长时间的运行中保持其吸附性能。此外，吸附剂的再生能力也是评估其性能的重要指标。在PSA系统中，吸附剂需要经过多次吸附-解吸循环，因此，能够快速且完全地从吸附态恢复至原始状态，对维持系统的连续运行至关重要。7.4适应性与成本效益理想的吸附剂还应具有一定的通用性和适应性，能够针对不同的气体混合物和操作条件进行优化。同时，其制备成本、使用寿命以及再生过程中的能耗也是考量其经济性和环境友好性的关键因素。因此，研发新型高性能吸附剂，不仅关注其分离效率，还需综合考虑其在实际应用中的成本效益和可持续性。8操作参数8.1压力范围在变压吸附（PSA）工艺中，压力范围是决定吸附效率和气体分离效果的关键参数之一。合理的增压和减压压力值需根据具体的气体组成、吸附剂特性和系统设计进行细致调整。一般来说，增压压力应足够高，以增强吸附剂对杂质气体的吸附能力，但又不能过高，以免造成不必要的能耗和设备负担。同样，减压压力需适中，既能促进吸附剂的再生，释放被捕获的杂质，又不至于使目标气体（如氢气）过多损失。具体而言：a)增压压力：通常在几个到几十个大气压之间，取决于气体混合物的性质和分离要求。较高的压力有利于提高吸附容量和分离效率。b)减压压力：一般在接近大气压或略高于大气压，以确保杂质气体的有效解吸和排放，同时最大限度地回收目标气体。8.2吸附与解吸时间吸附与解吸时间的设定直接影响着PSA系统的分离效率、产品气质量和能源消耗。这些时间参数需根据进气流量、杂质含量、产品气要求以及吸附剂的动态吸附性能进行优化。通常：a)吸附时间：应足以使吸附剂充分吸附杂质气体，但不宜过长，以免过度吸附目标气体，影响产品气纯度。吸附时间的长短需与进气流量相匹配，确保吸附剂不会过早饱和。b)解吸时间：则需确保吸附剂能彻底再生，恢复其初始吸附能力，准备下一轮吸附循环。解吸时间不宜过短，否则可能导致杂质未能完全解吸，影响后续的吸附效率。8.3温度和湿度虽然在PSA工艺中，温度和湿度的影响不如压力和时间参数那么直接，但它们同样不容忽视。适当的温度可以改善吸附剂的吸附和解吸性能，而湿度则可能影响吸附剂的稳定性。在设计和操作PSA系统时，应考虑原料气的温度和湿度，必要时采取预处理措施，如冷却或干燥，以保证最佳的分离效果。8.4流量控制5T/HEBQIA××××—2024进气流量的控制对于保持PSA系统的稳定运行至关重要。过高的流量可能导致吸附剂过快饱和，降低分离效率；而过低的流量则会增加单位产品的能耗。因此，需根据吸附剂的吸附速率和再生能力，合理调节进气流量，以实现最优的气体分离效果。9性能指标9.1产品气纯度产品气纯度是衡量工业气体净化分离技术成效的核心指标之一。对于氢气净化分离而言，纯度标准极为严格，通常要求最终产出的氢气纯度不低于99.9%，甚至在某些高精尖应用中，如半导体制造、航空航天燃料及燃料电池行业，氢气纯度需达到99.999%以上。这不仅确保了气体在下游应用中的安全性和效能，也反映了PSA技术在分离效率和选择性方面的卓越性能。9.2回收率回收率是指在气体净化分离过程中，目标气体（如氢气）相对于原料气中该气体总量的回收比例。高回收率不仅是工业生产的经济性要求，也是资源高效利用和环境保护的重要体现。在PSA系统中，通过精确调控吸附剂的选择性、优化吸附/解吸循环参数，以及采用先进的吸附剂再生技术，可以显著提高回收率，确保不低于90%，在某些优化设计的系统中，回收率甚至可达到98%以上。9.3处理能力处理能力是PSA系统在单位时间内能够处理的气体体积量，直接关联到生产效率和系统规模。设计合理的PSA系统需确保其处理能力能够满足工厂的实际需求，即每小时处理的气体量不低于设计要求，通常这一指标会根据生产线的具体情况和预期产量来定制。处理能力的高低受到吸附床数量、吸附剂类型、操作压力范围以及系统自动化水平等多方面因素的影响。9.4能源效率能源效率是评估PSA技术经济性和环境友好性的关键指标。高效的PSA系统能够通过减少压缩功耗、优化再生过程和利用余热等方式，大幅降低整个净化分离过程的能耗。高能源效率不仅能够显著降低运营成本，还能够减少温室气体排放，符合全球绿色低碳发展的趋势。9.5系统稳定性与安全性系统稳定性与安全性是工业生产中不可忽视的两个方面。PSA系统的设计和操作需确保在长期运行中具有高稳定性，避免频繁的维护和停机，同时也需遵循严格的安全规范，防止潜在的爆炸、泄漏等风险。这要求制定完善的维护保养计划，由专人负责系统维护和保养，以保证系统的稳定性。10控制策略10.1吸附床容量控制吸附床容量控制是PSA系统运行中至关重要的环节，它直接关系到气体分离效率和产品气纯度。每个吸附床的设计容量旨在确保在每个操作周期内，能够吸附并去除原料气中预定量的杂质。这一设计容量需根据进气流量、杂质浓度以及目标产品气的要求进行精确计算。在实际操作中，吸附时间是调整吸附床容量的关键参数。通过实时监测进气和产品气的质量，并根据需求调整吸附时间，可以优化吸附床的利用效率，避免过早饱和或过度吸附目标气体，从而维持系统运行的稳定性和产品气的高纯度。6T/HEBQIA××××—202410.2周期速度控制PSA系统的周期速度，即吸附/解吸循环的频率，对整个系统的能源效率和产品气质量有着重要影响。采用变频交流马达作为驱动源，可以灵活调节PSA系统的周期速度。通过微调产品气流量，系统能够实时响应外部需求的变化，如在产品气需求增加时加快周期速度，以提高处理能力；反之，在需求减少时降低周期速度，减少能源消耗。这种动态调整机制不仅提高了PSA系统的灵活性和适应性，也确保了在不同工况下均能维持产品气的高纯度和高回收率。10.3自动化与智能化控制现代PSA系统广泛采用了先进的自动化与智能化控制技术，以实现对吸附床容量和周期速度的精确控制。这包括：a)实时数据分析：通过集成的传感器网络收集关于进气、产品气和系统运行状态的数据，进行实时分析，为控制策略提供决策依据。b)预测性维护：利用机器学习算法预测吸附剂的性能衰退和系统可能出现的故障，提前进行维护，减少意外停机时间。c)智能优化算法：基于历史数据和实时反馈，智能优化算法能够自动调整吸附时间、周期速度等关键参数，以达到最佳的分离效果和最低的能耗。10.4故障检测与应急响应PSA系统中还集成了故障检测与应急响应机制，一旦检测到系统异常，如压力突变、流量波动或产品气纯度下降，能够立即启动应急响应程序，自动调整控制策略或触发警报，通知操作人员进行干预，从而保障系统的安全稳定运行。11检验方法11.1气体纯度测定气体纯度的测定是评估工业气体净化分离技术性能的关键步骤，通常采用以下几种科学有效的分析方法：a)气相色谱法（GasChromatography,GC）：这是最常用的气体纯度分析手段之一，通过将气体样品注入色谱柱，利用不同组分在固定相上的分配系数差异，实现各组分的分离和定量分析。GC法能够精确测定气体中各组分的浓度，适用于多种气体的纯度检测。b)质谱分析法（MassSpectrometry,MS）：质谱仪通过电离气体样品，根据离子的质量与电荷比（m/z）对不同组分进行区分，具有极高的灵敏度和选择性，特别适合痕量杂质的检测。c)红外光谱法（InfraredSpectroscopy,IR）：利