PSA裝置的設備和管道布置探討

康 斌

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

變壓吸附法(PSA法)作為一種新型氣體分離技術已逐漸得到廣泛應用，其中，以PSA法制氫應用最多，根據雜質氣體與氫氣在吸附劑上吸附能力的差別，PSA法能從其他氣體中分離出氫氣。含氫的混合氣體穿過吸附床層，雜質被多種吸附劑分別吸附，含量逐漸降低，最終得到合格的產品氫氣。吸附劑吸附飽和后需要再生，通過將吸附塔的壓力降低至尾氣壓力，并用高純度的氫氣反吹，使雜質解吸。采用變壓吸附分離CO的方法最早是由德國林德公司提出，林德公司采用5A分子篩兩段法分離，由于5A分子篩對CO與甲烷和氮氣的分離系數較小，在原料氣中氮氣和甲烷含量較高時，為了提高CO純度，需要大量的沖洗氣量。與國外相比，國內的變壓吸附技術起步較晚，特別是在PSA裝置大型化技術方面較為落后，上世紀80年代前，我國的大型變壓吸附裝置完全依賴進口。為改變這種狀況，上世紀80年代，西南化工研究設計院成功完成了變壓吸附的國產化，且設立了國家PSA 技術研究推廣中心。其后，依托西南化工研究院的原始技術，國內擁有PSA技術的工藝商逐漸出現。據不完全統計，截至目前，能提供PSA技術的工藝商達15家以上。技術實力雄厚、公司規模大的主要有3家，分別為西南化工研究設計院(成都天一科技股份有限公司)變壓吸附分離工程研究所、成都華西化工研究所、成都天立化工科技有限公司。這三家在PSA領域專業逐漸細化，并各自形成獨立的技術特點。天一科技偏重研究，產品較齊全，具有PSA制氫、制CO、制CO2、脫碳、濃縮乙烯、天然氣脫烴、氯乙烯回收等技術，擁有PSA核心技術中氣動程控閥門的技術。成都華西化工研究所PSA技術實力雄厚，產品較齊全，具有PSA制氫、制CO、制CO2、脫碳、制CH4、PSA制富氧、乙炔回收等技術；完成了計算機集成液壓操縱技術和高性能三偏心金屬密封程控蝶閥的開發工作，并合作研制成功了比國外制氫分子篩吸附容量更大、強度更高的新型制氫分子篩HX5A-98H和HXBC-15吸附劑以及富氧分子篩，實現了大型變壓吸附裝置國產化關鍵技術的突破，其程控閥門主要采用液壓驅動，大口徑閥門多采用自有專利的液壓驅動三偏心蝶閥。

1 PSA裝置的流程

以下以PSA提CO為例簡單介紹流程：PSA提CO裝置的作用是將CO 與H2、CH4、N2等其他雜質組分分離，得到CO 產品氣。

凈化后的轉爐氣進入PSA-CO 裝置吸附塔，經過一定循環步驟后，吸附塔內合格的CO 通過逆向放壓和抽真空方式排出吸附塔，進入產品氣緩沖罐。一部分CO 作為產品氣經壓縮后送入后工序，另一部分CO 經置換氣壓縮機后用于置換吸附塔內殘存的雜質組分。

根據總氣量確定PSA提CO 裝置采用若干個吸附塔流程，各吸附塔交替工作，從而達到連續分離提純CO 的目的。在一個周期中，每個吸附塔依次經歷吸附、均壓降壓、置換、逆向放壓、抽真空、均壓升壓、預吸附、終充壓等工藝過程。下面以其中一個吸附塔為例，對各個操作步驟進行簡要描述。

(1) 吸附。凈化后的轉爐氣送入PSA提CO 裝置的吸附塔中，CO 被吸附，吸附尾氣從吸附塔頂進入下游。

(2) 均壓降壓。吸附塔依次與低壓的吸附塔連通，回收吸附塔內的有用組分。

(3) 置換。部分CO 產品氣自吸附塔底進入吸附塔，置換出的雜質組分，經壓縮后返回原料氣入口。

(4) 逆向放壓。吸附塔內的CO 純度達到要求，打開吸附塔底部的逆向放壓閥門，吸附塔壓力降至常壓，逆放氣進入緩沖罐。

(5) 抽真空。真空泵對吸附塔進行抽真空，使被吸附的CO 得以徹底地解吸。

(6) 均壓升壓。用來自其他吸附塔的氣體依次對該吸附塔進行均壓升壓，最終使相互連通的吸附塔的壓力相等。

(7)終升壓。用處于吸附步驟中吸附塔位置的吸附尾氣，將吸附塔壓力升至預定值。

按以上步驟，吸附塔完成了一個完整的吸附-再生循環過程，并為下一個循環過程做好了準備。每個吸附塔交替進行以上各步驟的操作，得到的CO 產品氣經壓縮后送入下游裝置。

2 PSA裝置的布置

PSA裝置的主要設備有吸附塔、緩沖罐、換熱器等。由于程控閥數量較多，且檢修頻繁，在進行裝置布置設計時，不得不將程控閥組的布置作為重點考慮因素。吸附塔的頂部進口管線經過程控閥與十幾根管線相連，底部出口管線經過程控閥與近十根管線相連。這意味著每臺吸附塔與近20臺程控閥以及近20根管道相關聯。

每臺吸附塔還配備一臺真空泵對吸附塔進行抽真空，管線為負壓，要求管道阻力降越小越好，因此要求相關管線盡量短，距離吸附塔盡量近。為了便于吸附塔中吸附劑的充裝，吸附塔的一側需留出檢修通道和檢修空間。因此，該裝置的布局依次為吸附塔、程控閥、真空泵。

圖1 某廠實拍

由于程控閥數量多，相關管束多，而且程控閥檢修頻繁，如何布置程控閥成為考慮的重點。吸附塔進出口的程控閥布置在吸附塔區域和真空泵區域之間，管束和閥門聯合布置，需要踩著管道才能接近程控閥(見圖1)，檢修執行機構或閥體都比較困難。因此，考慮將程控閥和管束分層布置，程控閥層設置操作平臺，上方設置吊點或者吊車，便于檢修，程控閥操作平臺下方布置管束。根據裝置大小，確定吸附塔的進出口程控閥組集中在同一層或者將吸附塔進出口的閥組分別分布在上下兩層。根據需要，確定是否設置真空泵檢修吊車。兩種布置方案見圖2、圖3。

圖2 程控閥單層布置

3 廠房封閉問題

GB50016-2014《建筑設計防火規范》(2018年版)第3.6.1條規定，有爆炸危險的甲乙類廠房宜獨立設置，并宜采用敞開與半敞開式。當項目地處高寒地區時，為了操作、檢修以及保護設備的需要，業主經常希望封閉廠房，并配備采暖系統。作為設計方，需要關注安全問題，比如強制通風設施、逃生通道的設置、防火設計等是否滿足規范要求。封閉后的廠房需要設置防爆通風，機械通風系統與室內探測報警聯鎖，為了在冬季保證室內采暖溫度，機械通風設備在正常情況下為關閉狀態，僅在氣體報警后聯鎖開啟。根據SH/T3004-2011《石油化工采暖通風與空氣調節設計規范》第4.1.7條規定，補風系統應從清潔區域(即非爆炸危險區域)取風。當以上要求無法實現時，敞開布置將更加安全。

圖3 程控閥分層布置

4 吸附塔平臺

為了便于吸附劑裝填，吸附塔頂需設置平臺，而吸附塔為疲勞設備，設備筒體和封頭上如果焊接平臺或爬梯的支撐預焊件，將會導致局部應力集中，影響設備的使用壽命和安全。因此，操作平臺、爬梯以及管架均不得生根在設備上，只能在塔的封頭外掛鋼帶做披掛，所有支撐件焊接在披掛上。由于外掛鋼帶無法固定，如果上塔直爬梯的休息平臺焊接在披掛上，必然不夠牢固，增加了不安全因素，如果無法利用相鄰的其他設備設置直爬梯，可考慮為此專門設置斜梯。另外，根據GB50160-2008《石油化工企業設計防火標準》(2018年版)的第5.2.26條，設備的構架或平臺的安全疏散通道應符合下列規定：可燃氣體、液化烴和可燃液體設備的聯合平臺應設置不少于2個通往地面的梯子(見圖4)，作為安全疏散通道。

圖4 吸附塔操作平臺

5 結語

緣于較高的回收率、較低的工程和能源消耗，使得國內PSA技術在化工領域中的應用突飛猛進，已經逐步應用于大型工業裝置中，不再只使用在廢棄回收等小型裝置上。因此，如何做好設備和管道布置，順應PSA大型化的潮流，成為非常緊迫的課題。保證安全、節約占地、減少投資、便于操作、檢修、人性化等要素，在滿足標準規范的前提下，都是做好設備和管道布置的重要因素。