變壓吸附（PSA）氫氣提純裝置運(yùn)行工況淺析

薛德蓮

（中國石油廣西石化公司生產(chǎn)二部，廣西 欽州 5350008）

變壓吸附（PSA）氫氣提純裝置運(yùn)行工況淺析

薛德蓮

（中國石油廣西石化公司生產(chǎn)二部，廣西 欽州 5350008）

介紹了廣西石化公司變壓吸附（PSA）氫氣提純裝置運(yùn)行分析及解吸氣中氫氣含量高解決措施。

解吸氣;氫含量;壓力;壓縮機(jī)

廣西石化公司以重整氫氣和加氫冷低分氣等的混合氣為原料，采用成都華西化工科技股份有限公司的10－2－4 PSA流程變壓吸附氫提純技術(shù)，從混合氣中提純分離出純度大于99．9%的氫氣，然后送出界區(qū)去氫氣管網(wǎng)。重整氫氣和加氫冷低分氣等混合氣在提純氫后的解吸氣，經(jīng)過解吸氣壓縮機(jī)升壓后去全廠燃料氣管網(wǎng)。PSA設(shè)計(jì)參數(shù)為公稱產(chǎn)氫能力 12×104Nm3·h－1， 操作彈性50%～110%。

1 PSA裝置運(yùn)行分析

PSA裝置投產(chǎn)運(yùn)行已經(jīng)1年，開工初期PSA裝置運(yùn)行良好，氫氣純度控制99．99%以上，解吸氣壓力 0．00～0．01MPa， 在運(yùn)行期間經(jīng)歷以下問題:兩次受到瞬時大流量沖擊;部分二、三均（4#）閥門內(nèi)漏嚴(yán)重，切除兩塔后八塔運(yùn)行。

（1）重整裝置調(diào)整操作，重整氫進(jìn)料量瞬間由 8×104Nm3·h－1增加到 14×104Nm3·h－1， 操作員立即縮短吸附時間，但為時已晚，造成2臺處于吸附狀態(tài)的吸附塔頂層分子篩被穿透，氫氣純度由99．99%以上降至99．0%，待進(jìn)料流量正常后被穿透的吸附塔氫氣純度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常狀態(tài)的吸附純度，最好只能恢復(fù)到99．5%。

（2）柴油加氫裝置停工期間，大量尾氣進(jìn)入PSA 裝置， 瞬時進(jìn)料量由 7．5×104Nm3·h－1增加到12．4×104Nm3·h－1， 再次造成 2 臺處于吸附狀態(tài)的吸附塔頂層分子篩被穿透，氫氣純度降至99．0%。經(jīng)歷兩次大流量沖擊之后，PSA裝置氫氣純度已經(jīng)不能恢復(fù)至99．99%，效果越來越差。

（3）通過趨勢曲線發(fā)現(xiàn)部分二、三均（4#）閥門內(nèi)漏嚴(yán)重，導(dǎo)致高壓氣進(jìn)入解吸氣系統(tǒng)，解吸氣中氫含量偏高達(dá)到70%，解吸氣壓力達(dá)到0．09MPa，離心式壓縮機(jī)入口實(shí)際分子量低于13．0，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)分子量 18．51，壓縮機(jī)做功很小不能將解吸氣壓力抽下來，導(dǎo)致分子篩解吸不徹底，氫氣純度呈下降趨勢，低至98%。

2 PSA檢修后運(yùn)行分析

針對以上問題，廣西石化公司于2011年9月對PSA裝置進(jìn)行檢修，檢修后運(yùn)行至今裝置并沒有達(dá)到預(yù)期效果。對裝置存在的問題做以下分析:

（1）PSA1解吸氣氫氣含量偏高，分子量偏小，導(dǎo)致解吸氣壓縮機(jī)不上量，壓縮機(jī)工作點(diǎn)離喘振工作點(diǎn)近，易失電。

表1 離心壓縮機(jī)工作點(diǎn)數(shù)據(jù)

（2）由于解吸氣中氫氣含量偏高，解吸氣壓力達(dá)到 0．06～0．08MPa，壓力不下來造成解吸效果不理想，吸附劑在解吸時不徹底，最終產(chǎn)品氫純度越來越低，氫純度最低掉到 99．1%（指標(biāo)99．5%）。

（3）可能有閥門微漏導(dǎo)致高壓氣進(jìn)入解吸氣系統(tǒng)，漏量極微小，但是對于解吸氣影響很大，解吸氣含氫量高、壓力大、密度小，壓縮機(jī)不上量。

（4）通過產(chǎn)品氫純度趨勢判斷，在E、F塔吸附結(jié)束前幾秒時間內(nèi)，產(chǎn)品氫純度開始快速下降至 99．1%，而其他塔的純度在 99．6%左右，分析 E、F塔已較其他塔提前達(dá)到吸附前沿。

（5）數(shù)據(jù)分析

（a）根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果計(jì)算分析，數(shù)據(jù)見表2。實(shí)際值與設(shè)計(jì)值對比見表3。

表2 PSA1解吸氣參數(shù)

表3 實(shí)際值和設(shè)計(jì)值對比

（b）根據(jù)實(shí)際進(jìn)、出料流量計(jì)算分析，結(jié)果見表 3、4。

表3 計(jì)算數(shù)據(jù)依據(jù)（1O月15日）

表4 流量計(jì)算結(jié)果

計(jì)算方法:原料氣氫氣純度為化驗(yàn)結(jié)果93%，

①原料氣中氫含量＝91000×93%＝84630m3·h－1

② 原 料 氣 中 雜 質(zhì) 含 量 ＝91000×（1－0．93） ＝6370m3·h－1

③解吸氣中氫含量%＝（16000－6370）×100%／16000＝60．19%

④氫氣收率%＝[91000×93%－（16000－6370）]×100%／84630＝88．6%

通過以上兩種計(jì)算方法可以看出，解吸氣中氫含量都在60%以上，氫收率低于89%。解吸氣中氫氣含量很高，氫收率低，密度小。

兩組數(shù)據(jù)之所以產(chǎn)生偏差是由于流量數(shù)據(jù)是在一定范圍波動的，取數(shù)時達(dá)不到十分精確。

3 解決措施

（1）操作上保證氫純度不再降低，首先將解吸氣壓力降低。當(dāng)壓縮機(jī)工作點(diǎn)達(dá)到27000Nm3·h－1并且工作點(diǎn)還繼續(xù)上升，此時手動將防喘振二返一閥FV1003關(guān)3%～8%個閥位，盡可能地降低解吸氣壓力，當(dāng)工作點(diǎn)開始下降至 27000Nm3·h－1時將FV1003恢復(fù)至關(guān)閥前閥位，隨著解吸氣壓力降低，解吸效果變好，氫氣純度呈上升趨勢（每次調(diào)整吸附時間增加1s最少間隔2～3個吸附周期），如此反復(fù)操作至PSA穩(wěn)定，解吸氣中氫含量慢慢降低，氫氣收率增加，壓縮機(jī)做功效果明顯，氫氣純度逐漸恢復(fù)至99．5%，解吸氣壓力逐漸降低。

（a）根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果計(jì)算分析，結(jié)果見表5，調(diào)整后的實(shí)際值與設(shè)計(jì)值的對比見表6。

表5 調(diào)整操作后的PSA解吸氣參數(shù)（同表2算法）

表6 調(diào)整操作后實(shí)際值和設(shè)計(jì)值對比

（b）根據(jù)實(shí)際進(jìn)、出料流量計(jì)算分析，結(jié)果見表7。流量計(jì)算結(jié)果為:氫含量50．55%，氫收率91．03%。

由以上數(shù)據(jù)可以看出在按照上述方法調(diào)整操作之后，解吸氣中氫氣含量呈下降趨勢，由于是每天上午9:00至11:00采樣分析，可能存在采樣和化驗(yàn)分析上的偏差造成解吸氣氫氣含量的偶爾偏高;解吸氣壓力曲線是每d每h的平均值，呈平穩(wěn)下降趨勢，壓力在0．01~0．03MPa之間波動達(dá)到設(shè)計(jì)工況。對比10月11日操作調(diào)整兩組曲線的前后，按照此方法操作解吸氣中氫氣含量和壓力得到明顯的改善。

圖1 9月29日至1O月31日解吸氣氫氣含量采樣結(jié)果曲線

圖2 9月29日至1O月31日解吸氣壓力曲線

（2）解吸氣緩沖罐和混合罐都是底部進(jìn)料通至罐中上部，底部出料，罐高24m，體積185m3。正常發(fā)生操作調(diào)整吸附時間時必須緩慢（瞬間大流量波動除外），切不可以因?yàn)楫a(chǎn)品氫氣純度偏低就大幅度減吸附時間，當(dāng)時氫氣純度可以短時間上升，但是解吸氣中氫氣含量增加進(jìn)入緩沖罐和混合罐后，氫氣在罐子頂部，需要長時間才能將罐子中氫氣慢慢降下來。切塔時要在逆放和沖洗時切（除緊急情況除外），不可將高壓氣放入解吸氣系統(tǒng)中。解吸氣壓力呈上升趨勢時及時調(diào)整壓縮機(jī)防喘振閥將壓力抽下來。

（3）當(dāng)解吸氣氫含量高時，以上手段難以恢復(fù)操作平穩(wěn)，通過其他手段（類如增設(shè)瓦斯線）增加解吸氣壓縮機(jī)入口密度，使壓縮機(jī)上量，以降低解吸氣壓力，提升吸附劑的解吸效果，然后操作上通過緩慢的延長吸附時間增加氫收率從而將解吸氣中氫含量將下來;否則頂層分子篩得不到徹底解吸產(chǎn)品氫純度會越來越差，而且這種過程是不可逆的。

（4）建議設(shè)計(jì)部門在PSA進(jìn)料線上增加流量控制調(diào)節(jié)閥，將該流控閥設(shè)置一定流量，在進(jìn)料大流量波動時可以及時將原料氣釋放出去以減少對PSA吸附塔床層的沖擊。

[1] 黃曉暉，楊少臣，劉海濤，馬曉偉．制氫變壓吸附解吸氣回收利用方案探討 [J]．石油煉制與化工，2007，（11）:56-59

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Operation Conditions Analysisof Hydrogen Purification by Pressure Swing Adsorption

XUEDe－lian
（Guangxi Petrochemical Company， CNPC， Qinzhou 535008，China）

TQ 028.1+7

B

1671-9905（2012）03-0059-03

薛德蓮，就職于中國石油天然氣股份有限公司廣西石化分公司生產(chǎn)二部，E-mail:xuedelian＠petrochina．com．cn，電話:0777-3881767，15907773181

2011-11-29