淺談PSA變壓吸附制氫工藝及優化

朱宇

（大慶油田化工有限公司甲醇分公司制氫車間，黑龍江 大慶 163000）

近年來，我國的化工行業進步明顯，各個化工企業為適應行業現代化的發展步伐，都越發關注工藝革新，希望通過現代化工藝克服傳統工藝的不足，提升生產效率與質量。PSA變壓吸附制氫工藝的流程多、要素多，其工藝應用效果與許多因素有關，化工企業內應用PSA變壓吸附制氫工藝時應立足實際情況，創造良好的工藝條件，強化工藝中的流程把控。一些化工企業的PSA變壓吸附制氫工藝中存在諸多技術不足，未來這些企業需加強工藝優化與技術改進。

1 影響變壓吸附的主要因素

1.1 PSA 變壓吸附制氫影響吸附能力的主要因素

PSA變壓吸附制氫工藝中，吸附能力為衡量該工藝應用效果的關鍵指標，就實際的生產過程來看，吸附能力與諸多因素都有關，主要因素為：（1）原料氣溫度，這一因素與吸附能力有著緊密的聯系，二者呈反比曲線，溫度越大對應著越小的吸附劑容量，也就導致吸附、解吸、再生循環的效率大大提升，時間縮短，吸附塔的處理能力偏低。（2）原料氣組分，企業中采用PSA變壓吸附制氫工藝時使用的原料有一定差異，其差異主要體現在物質組分方面，如原料中的雜質含量超標，吸附塔的吸附能力顯著下降，在工藝中為達到最佳的吸附效果，應選用低雜質原料。（3）操作壓力，PSA變壓吸附制氫工藝中壓力與吸附量為正向變化的關系，壓力越大吸附量越大，此時吸附塔有較強的處理能力，但解吸氣的壓力值越小，意味著吸附劑具有更強的再生能力，因此，吸附劑的動態吸附容量越大，吸附塔具有更強的處理能力。（4）氫氣純度，在PSA制氫工藝的吸附劑再生階段，氫氣損失較大，此時的吸附塔處理能力越強，對應的再生周期較長，而單位時間內的再生次數相對較少，在此關系下，如在工藝中減小氫氣損失量，可提升整體效率。

1.2 PSA 變壓吸附制氫影響氫氣收率的因素

在PSA變壓吸附制氫工藝中，氫氣收率也是需重點關注的部分，但氫氣收率同樣與很多因素有關。首先，吸附時間與吸附氣量有關，這兩個參數為決定PSA制氫工藝產品收率、產品純度的重要因素，生產中的吸附時間越長對應著更高的產品收率、原料氣量，為此，每個吸附循環周期內吸收的雜質總量越大，氫氣純度越小，難以達到實際的生產需求。因此，在產品純度、收率都達到要求時，原料氣量越大越能縮短吸附時間，反之，則延長吸附時間。其次，吸附時間對氫氣收率也存在或大或小的干擾，當在工藝生產中吸附的時間越長時氫氣損失量越少，氫氣收率更高，為此，有關企業在利用PSA工藝制氫時為創造更大的經濟效益，需在確保氫氣純度不超標的情況下適當延長吸附時間，保障產品收率達到標準。最后，氫氣收率也與吸附壓力有關，PSA制氫工藝中的關鍵技術為變壓吸附氣體技術，在工藝流程中，如壓力存在較大波動，混合氣體分離將難以達到預期，因此，企業在利用PSA制氫工藝時需做好壓力管理，動態監測壓力的變化情況。

2 PSA變壓吸附技術制氫工藝改進

2.1 增多均壓次數

工藝生產環節最初二床流程中的一個吸附床負責吸附處理，另一個負責再生，兩個吸附床之間維持交替工作狀態。當按照有關規定完成吸附處理后，床內的死空間氣體將隨著壓力降低而出現或大或小的損失，吸附壓力越高，損失越大。現代化的生產條件下，各項生產任務中人們更為關注生產的經濟性、環保性，因此，為最大化回收、利用吸附完時殘留于吸附床死空間中的可用部分，需增加均壓處理工序，變壓吸附工藝吸附環節的吸附床中對應氣體雜質濃度峰面未達到吸附床出口位置時，可立即停止吸附工序，將此吸附床與另一結束解吸、等待升壓的吸附床相聯通，與此同時，降低降壓解吸吸附床的壓力，增大有升壓需求吸附床的壓力，在這些工序下使兩個吸附床的壓力可維持在平衡條件下，完全回收吸附床中死空間范圍內的氫氣。

2.2 真空解吸工藝

在PSA變壓吸附制氫工藝條件下對吸附床層壓力的要求較高，只有在特定的壓力條件下才能保障正常的生產任務。一般情況下，吸附床層壓力可使其降至常壓條件，但被吸附的有關雜質無法被全部解吸，面對這一情況，實際的生產作業中可采取以下兩種方式再生吸附劑：利用產品氣清洗床層，使解吸相對困難的雜質能在此條件下被沖下來，利用這一方式處理時完全可在常壓條件下實現，且不需額外配置其他設備，但可能存在產品氣體的損失，使產品氣回收率難以達到預期；采用抽真空的方式再生，此方式下很難被解吸的雜質在負壓條件下可被解吸，實際上為真空變壓吸附（VPSA）流程，此方式下的再生效果相對理想，產品收率較高，如在實際的生產中原料氣的壓力偏低、有較高的回收率要求時更適合采用真空解吸工藝。

2.3 快速變壓吸附（PSA）工藝

快速變壓吸附為生產領域的新技術，這一技術與傳統變壓吸附有相似之處，但也有不同之處，就是利用規整化結構對應負載型吸附劑或者多通道旋轉閥來提高其循環速度，確保此循環速度遠遠超出傳統變壓吸附，并減小有關設備的尺寸，利用這些方式降低設備投資成本，提高整個生產工藝的經濟性。快速變壓吸附裝置在國內的許多煉油廠中都有較為成功的應用，特別是當煉油廠的污染物質含氫排氣或者有更高進氣壓力的條件下，能大范圍回收氫氣。

2.4 復合型工藝應用

當前的化工市場上陸續出現了多種氣體分離方式，工藝流程有所區別且各自都有其適用條件，化工行業內存在多種多樣的分離任務，為達到最佳的分離效果，單獨采用某一種特定的分離工藝難以達到預期，在具體的分離任務中應結合實際需求選擇恰當的分離工藝。為此，相關企業在涉及分離任務時應綜合多方面因素，從經濟性、技術性、安全性等角度選擇恰當的分離工藝或者選定分離工藝組合。在一些企業中應用了膜分離及變壓吸附工藝，兩種工藝結合后可發揮各自的優勢，如膜分離技術下由于存在膜的選擇滲透作用，在外部能量及化學位差條件下可分離有關混合物。氣體膜分離技術下的分離由氣體壓力作用來實現，由于高分子聚合物薄膜對氣體分子的滲透性各有不同，可在此作用下達到分離、提純的作用。膜分離與變壓吸附工藝對相比較，前一種工藝下的壓力更大，在貧氣原料中相對適用，但其產品氣純度相對偏低。為此，氫氣含量偏低及壓力偏高的氣源條件下，一般應先實施膜分離處理，隨后再由變壓吸附來處理，整個工藝流程下的操作簡單且成本投資低。

3 PSA變壓吸附制氫裝置優化

3.1 PSA變壓吸附制氫裝置脫碳單元的優化

PSA變壓吸附制氫裝置中經常存在CO2、CO和N2等組分，這些實際上都為雜質，為提高工藝應用效果，在脫碳環節就需處理這些雜質，以保障氣體的回收效率，大大降低PSA變壓吸附制氫裝置的壓力，從根本上保障氫氣的回收率。實際的生產工藝中，有關人員要從根本上優化脫碳單元，需考慮以下方面：優化和調整PSA脫碳單元原料氣的入口壓力，在原料氣壓力偏高的情況下，更能保障吸附劑的吸附效果，使吸附塔有更好的處理性能；增大脫碳單元的原料氣壓力可同步增大CO2組分的分壓，保障吸附劑的吸附性能。

3.2 PSA變壓吸附制氫裝置變換單元的優化

變化單元內存在化學反應，反應過程為CO+H2O=CO2+H2，結合其反應過程，可將原料氣中的CO轉變為所需的N2，在此方式下PSA變壓吸附制氫裝置中原料氣的氫氣濃度相對較高。結合生產經驗，吸附水平與氫氣回收率有著緊密的聯系，在既定的吸附水平下，如原料氣中的氫氣越多、雜質越少，吸附塔將具有更強的處理能力，也就可保障氫氣回收率；在原料氣量和壓力相等時，對比開變換和不開變換下PSA變壓吸附制氫裝置的氫氣回收率，前者的氫氣回收率明顯高于后者。為此，變換單元對增強氫氣回收率十分有效。

3.3 PSA變壓吸附制氫單元的優化

實際的生產中為提高PSA變壓吸附制氫工藝的應用水平，具體可從以下幾個方面實施優化與調整，以形成更為完整且有效的工藝體系。

3.3.1 優化原料氣吸附壓力

當企業生產中應用PSA變壓吸附制氫工藝時，理想狀態下的壓力一般保持在1.4MPa上下，在從實際的生產經驗分析，一般無法達到這一壓力數值，基本維持在1.2～1.3MPa，這一情況下，為提高氫氣回收率，有關人員應在原有基礎上適當增大制氫單元原料氣的壓力，以通過這一方式增強原料氣中各種雜質的分壓，保障吸附劑吸附雜質的性能。

3.3.2 優化吸附時間

PSA變壓吸附制氫工藝下，吸附時間也是要關注的一個重點參數，當吸附時間合理時能保障制氫單元的高效運行。氫氣中的N2組分含量較大，為此，整個生產環節N2組分為調節吸附時間的重要因素，具體的調節任務中，有關人員需嚴格參考氫氣純度理化結果，以保障吸附時間的合理性。如果在生產中負荷變化異常，制氫單元吸附時間的調節周期將相對較長，要調節到最佳狀態也需消耗較長的時間，在此過程中易引起氫氣組分的損失。為有效降低氫氣組分的損失，相關人員在實際的生產中應加強分析與總結，對比不同負荷條件下的吸附時間變化情況，合理調節吸附時間。

3.3.3 優化產品純度

產品純度對PSA制氫工藝的應用效果也有直接影響，為增強制氫裝置的運行可靠性，相關生產人員在實際的工作中應嚴格控制氫氣純度，使該指標處于相對正常的條件下，避免純度過高或過低所引起的生產問題。結合行業內氫氣純度、吸附時間等的研究，發現當氫氣純度超過99.98%的情況下，吸附時間應隨之增加4s；如氫氣純度為99.92%～99.98%，吸附時間增加減小，應為2s；氫氣純度在99.88%～99.92%時，吸附時間應增加1s；氫氣純度低于99.80%時吸附時間維持原狀。

3.3.4 優化操作系數

PSA變壓吸附制氫工藝下的操作系數設置是否合理關乎工藝水平，結合其工藝原理，低溫條件下的吸附作用突出，高溫下的解吸作用明顯，因此，溫度過高或者過低都難以達到最佳的工藝效果。從生產經驗總結，PSA變壓吸附制氫單元入口氫氣溫度應在40℃以內，為得到PSA變壓吸附制氫吸附劑的最佳溫度，實際的工作中相關人員應不斷總結，以獲得溫度區間，如夏季和冬季的入口氫氣溫度不同，分別為20～30℃、30～40℃，只有維持在這一溫度條件下，吸附劑的吸附和分離作用才能最好。依據甲烷含量所對應的氫氣濃度、產氫量情況，操作系數的影響較為明顯，如操作系數從0.68減小到0.64時，產氫量、氫氣濃度雖有變化但幅度微乎其微；從0.64減小到0.63時氫氣濃度增大，而產氫量減小；從0.63增大到0.64時，產氫量與氫氣濃度雖有一定的變化，但變化幅度幾乎可忽略不計；從0.64變為0.65時，氫氣濃度減小，產氫量增大。

4 結語

當前的工業生產領域，PSA變壓吸附制氫工藝的應用越發普遍，但該工藝的應用效果受到諸多因素的制約，為達到最佳的工藝效果，相關生產人員在實際的工作中應強化流程管理、參數控制，以發揮該工藝的優勢。