利用PSA氣體分離與提純混合氣中氫氣技術(shù)的應(yīng)用研究

王世榮

【摘要】結(jié)合變壓吸附氣體分離與提純技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的應(yīng)用情況，對(duì)PSA氣體分離與提純的工作原理、工藝操作條件的選擇以及影響PSA氣體分離與提純中氫氣產(chǎn)品純度的因素，進(jìn)行了綜合分析，得出了進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程操作參數(shù)的必要性結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】變壓吸附 氣體分離與提純技術(shù) 工藝條件 因素分析參數(shù)設(shè)定

1.前言

變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，以下簡(jiǎn)稱PSA）氣體分離與提純技術(shù)已經(jīng)成為大型化工工業(yè)的一種生產(chǎn)工藝和獨(dú)立的單元操作過(guò)程。由于變壓吸附（PSA）氣體分離技術(shù)是依靠壓力的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)吸附與再生的，因而再生速度快、能耗低，屬節(jié)能型氣體分離技術(shù)。并且由于該工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、操作穩(wěn)定、可對(duì)含多種雜質(zhì)的混合氣雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)一次脫除，而得到高純度產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)。近三十年來(lái)該項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)得到了迅速應(yīng)用，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于含氫混合氣體中的氫氣提純過(guò)程。尤其是變壓吸附制取純氫技術(shù)的發(fā)展尤為突出。

2.PSA氣體分離與提純技術(shù)工藝概況

2.1 PSA氣體分離與提純技術(shù)工藝生產(chǎn)流程

現(xiàn)有從造氣單元壓力約2.1 MPa、溫度40%中變換氣進(jìn)入界區(qū)后，自吸附塔底進(jìn)入正處于吸附生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)的塔（兩臺(tái)同時(shí)運(yùn)行），在多種吸附劑的作用下，依次經(jīng)過(guò)選擇性吸附，便一次性地除去原料氣中氫之外的絕大部分雜質(zhì)氣體，從而獲得氫氣純度大于99.9%的產(chǎn)品。這些精制后的氫氣經(jīng)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)壓后，送出界區(qū)。

當(dāng)吸附塔內(nèi)的吸附劑飽和后，可通過(guò)分程控制閥，切換至備用吸附塔內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行吸附生產(chǎn)操作，吸附劑被飽和的吸附塔，則轉(zhuǎn)入吸附劑再生過(guò)程。在吸附劑再生過(guò)程中，吸附塔首要先經(jīng)過(guò)連續(xù)四次均壓降壓過(guò)程，回收塔內(nèi)死角處的殘存的氫氣，再通過(guò)順?lè)挪叫颍瑢⑹Ｓ嗟拇蟛糠謿錃夥湃腠樂(lè)艢夤蕖Ｔ俳?jīng)過(guò)逆放和沖洗兩個(gè)步序，使被吸附雜質(zhì)解吸出來(lái)。逆放解吸氣進(jìn)入解吸氣緩沖罐，沖洗解吸氣進(jìn)入解吸氣緩沖罐，然后經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)混合后，平穩(wěn)地送往造氣單元的轉(zhuǎn)化爐作為燃料氣。

2.2 PSA氣體分離與提純技術(shù)的工作原理

PSA氣體分離提純H₂工序的生產(chǎn)任務(wù)是脫除制氫原料氣中所含的CO₂、N₂、CO、H₂O、H₂S等雜質(zhì)組分，便于制取純凈的氫氣氣體。其分離提純的基本原理是利用吸附劑對(duì)制氫原料氣不同組分的吸附量，隨壓力不同而不同的特點(diǎn)，而實(shí)現(xiàn)逐級(jí)分離的操作過(guò)程。在某一定吸附壓力下，可以選擇性吸附混合氣中吸附能力較強(qiáng)的CO₂、CO、N₂、H₂O、H₂S等雜質(zhì)組分，然后再通過(guò)減壓、抽空、沖洗等再生過(guò)程，將CO₂、CO、N₂、H₂O、H₂S等雜質(zhì)組分從吸附劑上解吸出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)吸附劑的再生，為此實(shí)現(xiàn)了混合氣體中不同組分的有效分離，也使吸附劑得到了循環(huán)使用。最后，原料氣中的絕大部分H2氣通過(guò)吸附床層，進(jìn)入氫氣產(chǎn)品氣罐內(nèi)，作為氫氣成品送到下一個(gè)工序應(yīng)用。

2.3氣體分離與提純生產(chǎn)過(guò)程工藝條件的選擇

氣體分離與提純技術(shù)的工藝條件選擇，從五個(gè)方面考慮：（1）原料氣的組成。吸附塔的吸附處理能力與送入的原料氣體組成有關(guān)。原料氣中氫氣含量越高時(shí)，吸附塔的處理能力越大；如果原料氣中的雜質(zhì)含量越高，凈化后要求氫氣氣體高時(shí)，原料氣中的有害雜質(zhì)含量越高時(shí)，則吸附塔的處理能力就越小。（2）原料氣的溫度。原料氣溫度越高，吸附劑的吸附量越小，吸附塔的處理能力越低。（3）吸附的壓力。原料氣壓力越高，吸附劑的吸附量越大，吸附塔的處理能力越高。（4）解吸塔內(nèi)的解吸壓力。解吸壓力越低，吸附劑再生效果越好，吸附劑的動(dòng)態(tài)吸附量越大，吸附塔的處理能力越高。（5）氫氣產(chǎn)品純度要求。氫氣產(chǎn)品純度要求越高，會(huì)導(dǎo)致吸附劑的有效利用率就越低，使吸附塔的處理能力越低。

2.4 PSA提純?cè)蠚庵袣錃馍a(chǎn)過(guò)程中原料氣與產(chǎn)品氫氣的規(guī)格，見(jiàn)表1、表2。

3.影響PSA氣體分離與提純中氫氣產(chǎn)品純度的因素分析

（1）原料氣流量對(duì)氫氣產(chǎn)品純度的影響

當(dāng)PSA氣體分離與提純生產(chǎn)過(guò)程中的氣體工藝條件及工藝參數(shù)不變時(shí)，原料氣流量的變化對(duì)純度的影響很大。當(dāng)原料氣流量越大，在每一循環(huán)周期內(nèi)進(jìn)入吸附塔的雜質(zhì)量就越大，雜質(zhì)也就容易從吸附塔中被帶出，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品氫純度越低；當(dāng)原料氣流量減小，則有利于提高產(chǎn)品氫氣的純度。

（2）解吸再生條件對(duì)氫氣產(chǎn)品純度的影響

在常壓沖洗再生的情況下，一方面因要消耗部分產(chǎn)品氣用于吸附劑再生，會(huì)導(dǎo)致氫氣回收率偏低；另一方面，若吸附劑再生不徹底，吸附劑動(dòng)態(tài)吸附量偏小，在原料氣流量保持不變的情況下，則氫氣產(chǎn)品純度會(huì)下降。與之相比，采用真空解吸再生時(shí)，吸附劑動(dòng)態(tài)吸附量大，吸附劑再生就會(huì)徹底，不僅有利于提高原料氣中的氫氣回收率，也能提高了氫氣產(chǎn)品的純度。

（3）均壓次數(shù)對(duì)產(chǎn)品氫純度的影響

原料氣處理量和吸附循環(huán)周期不變，均壓次數(shù)越多，均壓過(guò)程的最終壓力越小，被吸附的雜質(zhì)也就越容易穿透進(jìn)入下一吸附塔并在吸附劑床層頂部被吸附，致使該塔在轉(zhuǎn)入下一次吸附時(shí)雜質(zhì)很容易被氫氣帶出，影響產(chǎn)品氫純度。

由于吸附塔的大小和裝填的吸附劑量是固定的，因而在原料氣組成和吸附壓力一定的情況下，吸附塔每一次所能吸附的雜質(zhì)總量就是一定的。所以隨著吸附過(guò)程的進(jìn)行，雜質(zhì)就會(huì)慢慢穿透吸附床，起初是痕量，漸漸就會(huì)超過(guò)允許值，這時(shí)就必須切換至其它塔吸附。因而，當(dāng)原料氣的流量發(fā)生變化時(shí)，雜質(zhì)的穿透時(shí)間也就會(huì)隨之變化，吸附時(shí)間參數(shù)就應(yīng)隨之進(jìn)行調(diào)整。

（4）流量對(duì)產(chǎn)品氫純度的影響

流量越大則吸附時(shí)間就應(yīng)越短，流量越小則吸附時(shí)間就應(yīng)越長(zhǎng)。這樣才能保證在各種操作負(fù)荷下均能充分地利用吸附劑的吸附能力，在保證產(chǎn)品純度的情況下獲得最高的氫氣回收率。本裝置的吸附時(shí)間參數(shù)可在DCS上人工設(shè)定，亦可由DCS自動(dòng)計(jì)算產(chǎn)生。除盡量延長(zhǎng)的設(shè)定時(shí)間外，其他時(shí)間等于操作工手動(dòng)設(shè)定參數(shù)，而要求盡量延長(zhǎng)的設(shè)定時(shí)間則會(huì)根據(jù)原料氣流量的大小自動(dòng)計(jì)算出來(lái)。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，PSA氣體分離與提純技術(shù)影響產(chǎn)品氫氣純度因素是吸附壓力、吸附時(shí)間、操作系數(shù)等。而變壓吸附氣體分離工藝的核心就是利用壓力的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)吸附劑對(duì)混合氣體中的雜質(zhì)組分的吸附與分離，因而壓力也是PSA的關(guān)鍵參數(shù)。①PSA吸附壓力。PSA吸附壓力的設(shè)定是通過(guò)改變吸附壓力調(diào)節(jié)回路的設(shè)定值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其設(shè)定值一般為2.5MPa。②吸附各階段的壓力。當(dāng)工藝流程和吸附壓力一定時(shí)，各階段的理想壓力曲線也就自動(dòng)確定了。因此，在其它生產(chǎn)過(guò)程中的工藝條件與工藝參數(shù)確定的情況下，控制好氣體系統(tǒng)的壓力變化，是穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行的關(guān)鍵。endprint