关于变压吸附提氢装置的初步探讨

2022-09-11

引言

变压吸附 (Pressure Swing Adsorption, 简称PSA) , 是一种新型气体分离技术, 被广泛应用于各大型化工工业生产中[1,2], 其中变压吸附提氢技术最早实现工业化。该技术是在上世纪60年代迅速发展起来的, 而其中以变压吸附法可从多种工业尾气中制取纯度 (V%, 下同) 大于99.9%的氢气[3]。目前随着世界能源的短缺, 各国和各行业越来越重视低品位资源的开发与利用, 加上各国对环境污染的治理要求也越来越高, 使得吸附分离技术在钢铁工业、气体工业、电子工业、石油和化工工业中日益受到重视。

变压吸附的基本原理是利用吸附剂对吸附质的吸附特性随压力变化而呈现差异的特性, 使强吸附组分与弱吸附组分实现分离。在工业变压吸附 (PSA) 工艺中, 吸附剂通常都是在常温和较高压力下, 将混合气体中的强吸附组分吸附, 弱吸附的组分从床层的一端流出, 然后降低吸附剂床层的压力, 使被吸附的组分脱附出来, 从床层的另一端排出, 从而实现了气体的分离与净化, 同时也使吸附剂得到了再生[4]。

一、工业装置

1. 工艺流程

本变压吸附提氢装置运行方式采用10-2-5/P, 即总塔数为10塔, 2塔同时进料吸附, 另外8塔分别处于再生的不同步骤, 5级均压、冲洗再生工艺。每个塔经历吸附 (A) 、一均降 (E1D) 、二均降 (E2D) 、三均降 (E3D) 、四均降 (E4D) 、五均降 (E5D) 、顺放 (PP) 、逆放 (D) 、冲洗 (P) 、五均升 (E5R) 、四均升 (E4R) 、三均升 (E3R) 、二均升 (E2R) 、一均升 (E1R) 、最终升压 (FR) 十五个步骤, 完成了一个生产周期。对整个装置吸附过程而言, 吸附和冲洗过程是连续的, 原料气连续输入, 产品气和解吸气连续输出。逆放排出吸附器中被吸附的杂质, 剩余杂质通过冲洗步骤进一步完全解吸。

逆放前期压力较高部分气体先进入解吸气缓冲罐, 通过压力调节后进入解吸气混合罐;逆放后期压力较低部分气体直接进入解吸气混合罐;装置无逆放时, 顺放气进入顺放气缓冲罐后再对吸附器进行冲洗, 冲洗气直接进入解吸气混合罐。解吸气经解吸气缓冲罐和解吸气混合罐两级稳压后送出界外。工艺流程见图1。

2. 控制指标

我厂的工艺气指标如下表所示:

二、装置特点

1. 自动化程度高、操作简便、产品氢气纯度高

本装置通过程控阀与计算机DCS集散控制系统相连, 实现计算机的远程自动化控制。该技术成熟稳定, 有许多的成功经验可以借鉴。在日常生产中, 只需对其进行定时的巡查, 并对气源气体以及产品氢气进行取样分析即可。该装置的停车可分为正常停车和紧急停车两种, 都可以通过计算机系统来进行操作, 而且开停车过程方便快捷。本工艺采用的吸附剂对杂质气体吸附能力较强, 产品氢气的体积含量可以达到99.9%以上, 从而充分满足相关生产工艺的要求。

2. 连续循环运行、安全可靠

本装置工艺中大量使用了压力、流量调节等安全报警系统, 保证在停电、操作失误等意外情况下装置的安全运行。另外在这一装置中还设计了在线检测分析系统, 对原料气、产品氢气和解吸气的组分浓度进行实时的检测分析, 当气体组分不稳定时, 该系统会报警来提醒操作人员及时进行调整。当装置运行初期或出现问题时, 该装置可以将那些生产的不合格氢气或解吸气直接进行放空送入火炬系统。此外, 该装置的操作弹性较大, 一般可以在50%-110%之间, 当气源气体的量突然增加时, 该装置可以利用吸附时间的调整来实现吸附效果的提高。当吸附塔由于程控阀或控制线路的故障而引起故障时, 该装置也可以利用相应的切塔程序来将故障吸附塔进行切换, 如切为9-2-4/P或8-2-3/P运行方式, 最大限度地保证整个装置可以安全可靠的运行。

3. 氢气回收率高

本装置采用2塔同时进料, 实现连续吸附操作, 保障产品氢气的压力和流量平稳。采用多次均衡压, 降低均压压差, 延长程控阀密封件使用寿命, 并能有效提高氢气回收率。顺放气冲洗再生工艺在常压下即可完成, 顺放气作为冲洗气的气源, 不会损失产品氢气。吸附塔再生释放的逆放气和冲洗气暂时储存在解吸气缓冲罐和解吸气混合罐内, 作为解吸气的气源。从表2可以看出, 解吸气量较大, 且CO和H2的组分含量较高, 这些解吸气经解吸气压缩机增压后返回前工序循环利用, 提高了CO和H2利用率。同时, 该工艺的吸附剂再生无需增加真空泵, 减少了额外的动力设备能量消耗。

三、影响因素

1. 原料气对吸附能力的影响

由于各化工厂的气化工艺装置不尽相同, 送至变压吸附的原料气成分也存在一定的差异性, 所以原料气中N2、CO等杂质的含量差别也较大。变压吸附装置的氢气吸附能力通常是以产氢量来衡量的, 当原料气中氢气含量越高时, 由于所需要吸附的杂质含量低, 在吸附剂能力一定的情况下, 吸附塔的处理能力越大;反之, 原料气杂质含量越高, 特别是净化要求高的有害杂质含量越高时, 吸附塔的处理能力越小。从表2可以看出, 本装置的原料气中H2含量为86.72%, 杂质含量较低, 因此该装置能处理的原料气量较大, 为59046.9 Nm3/h。

此外, 在其他条件相同的情况下, 原料气温度越高, 吸附剂的吸附容量越小, 吸附、解吸再生的循环时间越短, 吸附塔的处理能力越低。总之, 吸附剂对吸附质的吸附能力与气体的温度成反比。一般来讲, 提氢装置在常温下即可正常运行。

2. 操作压力对吸附能力的影响

原料气的压力越高, 吸附剂的吸附量越大, 吸附塔的处理能力越高, 但由此增加的操作费用和设备投资会随之增加。而解吸压力越低, 吸附剂再生越彻底, 吸附剂的动态吸附量越大, 再次吸附效果好, 吸附塔的处理能力越高。即吸附剂对吸附质的吸附能力与气体的压力成正比。一般来讲, 综合考虑经济成本和维护费用, 提氢装置的压力一般保持在2.1MPa-3.2MPa之间。

3. 吸附时间、回收率对吸附能力的影响

变压吸附工艺具有产品纯度范围宽, 且易于调整的特点, 在原料气条件不变和吸附、解吸压力一定的情祝下, 产品氢气纯度越高, 氢气回收率越低;产品氢气纯度越低, 氢气回收率越高, 即:产品纯度与产品回收率是成反比关系的。修改吸附时间和修改操作系数, 延长吸附时间、增大操作系数, 则降低产品纯度;缩短吸附时间, 减小操作系数, 则提高产品纯度。但是在实际操作中不应片面追求产品氢气纯度, 而应结合生产的实际需求调整氢气纯度, 以得到较好的氢气回收率, 使装置运行在最经济的状态。