变压吸附(PSA)氢气提纯装置运行工况研究

2023-01-01

一、装置概述

中国石化的变压吸附 (PSA) 氢气提纯装置的其设计规模为氢气产量90000m/h, 原料气的处理量达到120000m/h, 氢气回收率达到96%, 其操作弹性值达30%--120%。

本公司使用的变压吸附 (PSA) 氢气提纯装置跟当前我国同类装置进行比较, 具有如下的特点:

1.产品纯度高。根据需要, 产品氢的纯度可以达到99.9%, 甚至更高。

2.工艺流程简单。变压吸附法可以一步将各种杂质组分脱除而获得纯氢, 因此相应的占地面积较小。

3.原料适应性强。对于炼油厂中大部分含氢气源, 可以直接采用变压吸附的办法予以提纯。

4.操作弹性大。变压吸附的操作弹性一般可达30%~120%。

5.操作简便。变压吸附装置的设备简单, 且全部是自动化操作, 开停车只需0.5~2h。

6.吸附剂寿命长。变压吸附一般在常温和中、低压力下进行, 且正常操作下吸附剂可与装置同寿命。

二、原料与产品

这一装置于原料设计上确定为中国石化某分公司的原料为重整氢、加氢精制、加氢裂化和二期的渣油加氢脱硫装置冷低分气的混合气, 其输出的产品是氢气以及解吸气。笔者经过12月13日6时, 22时, 以及12月12日10日是, 三个不同的时间段对标定期间原料气以及尾气组成的数据进行分析, 具体结果如下:

标定期间的原料气的分析项目及平均组成 (vol%) 包括:

C6+ (0.08) 、丙烷 (1.96) 、丙烯 (0.14) 、异丁烷 (0.49) 、正丁烷 (0.23) 、乙炔 (0.00) 、反丁烯 (0.00) 、正丁烯 (0.00) 、异丁烯 (0.01) 、顺丁烯 (0.00) 、异戊烷 (0.09) 、正戊烷 (0.03) 、1, 3-丁二烯 (0.00) 、丙炔 (0.00) 、二氧化碳 (0.00) 、乙烯 (1.10) 、乙烷 (2.19) 、氧气 (0.13) 、氮气 (0.57) 、甲烷 (2.49) 、一氧化碳 (0.00) 、氢气 (90.49) 。

标定期间的尾气的分析项目及平均组成 (vol%) 包括:

C6+ (0.42) 、丙烷 (10.74) 、丙烯 (0.11) 、异丁烷 (2.86) 、正丁烷 (1.36) 、乙炔 (0.00) 、反丁烯 (0.01) 、正丁烯 (0.01) 、异丁烯 (0.05) 、顺丁烯 (0.01) 、异戊烷 (0.52) 、正戊烷 (0.19) 、1, 3-丁二烯 (0.00) 、丙炔 (0.00) 、二氧化碳 (0.00) 、乙烯 (0.02) 、乙烷 (18.08) 、氧气 (0.28) 、氮气 (1.55) 、甲烷 (12.33) 、一氧化碳 (0.00) 、氢气 (51.46) 。

同时笔者以12月12日与12月13日从0:00开始, 全天每两小时计算一次提纯情况, 其中, 12月12日纯度最高值为100%, 最低值为99.5%, 平均纯度为99.85%;12月13日纯度最高值为100%, 最低值为99.5%, 平均纯度为99.85%。

三、装置运行工况及解决措施

这一装置在2010年的10月份一直运行到2014年7月份, 在运作过程中一共出现5次开停工情况, 其中因为计划停工占了3次, 因为装置吸气压缩机电机电流过高出现的停工占了1次, 因为催化剂被击穿造成氢气纯度过低出现的停工占了1次。

1.氢气纯度过低

PSA1程控阀内漏较多。由于PSA1程控阀设计缺陷, 造成部分程控阀门不能完全关死, 泄露比较严重, 进而造成吸附剂特别是分子筛被污染, 影响产品纯度;压缩机入口密度小, 压缩机吸不上量, 为保证解析压力不过高, 压缩机入口需要有间断放空同时也损失一部分尾气;一部分氢通过泄露阀进入运行塔中, 运行塔解析时氢气进入尾气中损失掉, 产品氢收率随之降低。

2.装置大负荷运行存在的问题

在装置大负荷运行期间, 存在如下问题:

(1) 程控阀漏油情况频繁, 部分时刻漏油还比较严重, 修阀的过程中需要切除吸附塔, 给操作造成的波动;

(2) 部分程控阀填料泄露严重, 为了维持装置生产, 不得不在程控阀填料压盖上打卡子, 虽说能够短期维持装置生产, 但由于所打的卡子没有经过设计和检测, 安全隐患较大。

3.解吸气压缩机出现不上量的情况

PSA1解吸气压缩机K101型式为离心式压缩机。离心式压缩机的特点是对分子量的变化比较敏感, 而PSA1在调整吸附时间时就会造成尾气中的氢含量变化, 影响尾气的分子量, 根据操作经验, 当尾气的分子量降低到10左右时, K101就完全不上量了, 具体表现就是出口流量为0, 入口憋压, 只能将PSA1的尾气放入低压火炬系统, 造成较大的生产波动, 且对设备有损坏, 此外, 对于解析气的回收利用有较大浪费。针对此问题, 本装置在2013年大检修期间, 通过在压缩机入口新增一催化干气线, 来提高压缩机入口气体组分分子量, 大大减少了压缩机不易上量的问题。但如有可能, 在未来改造时将压缩机型式由离心式改为往复式, 就可以彻底解决这一问题。

4.产品质量说明

在生产操作中, 重整调整操作时造成PSA1入口进料量从50000 Nm3/h极短时间内波动到110000Nm3/h, 造成PSA1当时正处在吸附状态的两塔重烃穿透, 使得PSA1的氢气纯度受到影响, 从表3中可以看出, 氢气纯度最低为99.5%, 在此两塔同时吸附时, PSA1装置外送氢气的纯度就会下降, 为了保证下游装置所用氢气的纯度和产量, 在操作时不能把吸附时间降得太低, 同时又要最大限度的回收氢气。而减少吸附时间在增加氢气纯度的同时会减少氢气的收率, 本次标定过程中PSA1装置还要确保其它装置特别是聚丙烯装置的用氢纯度, 故导致氢气收率低于设计90%的工况

5.原料气组成对吸附能力的影响

原料气组分的变化对吸附塔的处理关系影响很大。因为PSA1的吸附能力通常是由产氢量或者是原料量来衡量的, 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, 在吸附能力一定的情况下, 吸附塔的处理能力越大;相反, 原料气杂质含量越高, 吸附塔的处理能力越小, 严重时还会造成吸附剂的失活。

摘要：变压吸附 (PSA) 工艺, 因为其有着装置能耗少、运行成本低以及自动化程度高等系列优势, 目前, 已经被广泛使用于制氢以及氢气提浓领域中。然后, 在运行早期往往容易因为各种原因而导致停车情况。本文以中国石油某分公司的变压吸附氢提纯装置作为研究对象, 对装置于运作早期出现的工况及产生的原因进行了分析, 并提出预防方法。

关键词：变压吸附,制氢装置,原料气,解吸气