優(yōu)化PSA各步時間，提高氫氣收率

趙洋，趙瑋

（蘭州石化公司煉油廠，甘肅蘭州　730060）

智能油化工程

優(yōu)化PSA各步時間，提高氫氣收率

趙洋，趙瑋

（蘭州石化公司煉油廠，甘肅蘭州730060）

變壓吸附（PSA）作為一種清潔高效的氣體分離與提純技術(shù)，越來越廣泛的應(yīng)用于含氫氣體中氫氣的提純，變壓吸附（PSA）制取純氫技術(shù)的發(fā)展尤為引人注目。煉油廠50 000 Nm3/h制氫裝置PSA單元設(shè)計為沖洗再生式PSA，其核心操作是如何優(yōu)化各步序運(yùn)行時間，只有將運(yùn)行時間設(shè)定合理，才能充分發(fā)揮吸附劑的作用，在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的情況下盡可能提高氫氣收率。

變壓吸附（PSA）；吸附時間；氫氣收率；隨動控制

蘭州石化公司煉油廠50 000 Nm3/h制氫裝置承擔(dān)著煉油廠2.4 MPa及1.3 MPa氫氣管網(wǎng)供氫平衡的重要責(zé)任，為煉油廠各類加氫裝置提供純度≥99.9％的優(yōu)質(zhì)氫氣［1］。變壓吸附單元（以下簡稱PSA）作為制氫裝置的一個重要組成部分，它的運(yùn)行狀態(tài)直接影響著氫氣的質(zhì)量和收率。

該裝置PSA單元采用成都華西化工科技股份有限公司的全套工藝包，由10臺吸附塔、2臺順放緩沖罐、1臺解吸氣緩沖罐、1臺解吸氣混合罐及一套液壓泵站構(gòu)成，吸附塔再生采用沖洗再生方式。正常情況下，運(yùn)行程序為“10-2-4”模式，即10臺吸附塔始終有兩臺處于吸附狀態(tài)，其余8臺處于再生狀態(tài)，再生時經(jīng)過4次均壓過程以提高氫氣回收率［2］，當(dāng)其中一臺吸附塔出現(xiàn)故障，將其切除后，程序自動轉(zhuǎn)入“9-2-3”模式，依次類推，最低運(yùn)行程序為“5-1-2”模式。

1　PSA氫氣收率影響因素

（1）程序各步序運(yùn)行時間的設(shè)定。時間設(shè)定不合理，會導(dǎo)致氫氣質(zhì)量不合格且氫氣收率降低。

（2）終升隨動控制閥HIC-20101的初始開度。初始開度過小，終升不到位，影響吸附塔工作效率，初始開度過大，氫氣收率降低。

（3）程控閥門的開關(guān)速度。原則上應(yīng)設(shè)定為“慢開快關(guān)”，有利于提高氫氣收率。

（4）液壓程控閥門的密封程度。閥門漏量，氫氣收率下降。

（5）再生均壓次數(shù)。均壓次數(shù)越多，氫氣收率越高。

PSA實際運(yùn)行過程中，程控閥門的運(yùn)行狀態(tài)及塔的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生故障是隨機(jī)不可控的，操作中主要通過調(diào)節(jié)工藝運(yùn)行參數(shù)（各步序運(yùn)行時間、HIC-20101初始開度的設(shè)定）來控制產(chǎn)品氫質(zhì)量和提高氫氣收率。

2　各步序運(yùn)行時間的設(shè)定原則

2.1不同塔數(shù)下運(yùn)行程序

現(xiàn)取A塔為例，分別對“10-2-4”、“9-2-3”、“8-2-3”、“7-2-2”、“6-2-2”、“5-1-2”等6種運(yùn)行模式的各步序進(jìn)行說明，運(yùn)行程序（見表1）。

表1中各字母含義說明（見表2）。

表1　不同塔數(shù)下PSA運(yùn)行程序表

表2　程序字母含義

2.2“10-2-4”程序運(yùn)行時間設(shè)定原則分析

2.2.1各步序時間說明通過表1步序可以看出，此程序下每個吸附塔運(yùn)行一個周期共計需要（T1+T2）× 10時間，具體（見表3）。

表3　“10-2-4”程序運(yùn)行周期表

2.2.2時間設(shè)定原則吸附時間越長，氫氣收率越高，但吸附時間過長，產(chǎn)品質(zhì)量下降，日常操作中吸附時間的最大值由產(chǎn)品質(zhì)量確定，即（T1+T2）的最大值是根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷及產(chǎn)品最低質(zhì)量要求而確定的。當(dāng)（T1+T2）確定以后，吸附時間（A）、逆放時間（D）、沖洗時間（P）都隨之確定，就T1、T2、T3、T4時間的設(shè)定原則進(jìn)行分析，通過表3可以看出：

（1）T1時間設(shè)定：T1含三均時間（T3）和順放時間，T1的最小值必須同時保證三均降塔與三均升塔壓力均等及順放完全（即順放壓力≤0.2 MPa），同時T1最小值還必須保證一均時間足夠（即T1須≥T3）。

（2）T3時間設(shè)定：T3為一均時間（T3≤T1），T3的設(shè)定原則應(yīng)根據(jù)一均降塔壓力降低至最小值時程控閥關(guān)閉為最合適值，T3過小，一均降不能降到位，減少氫氣回收率；T3過長，產(chǎn)品氫會回充一均降塔，也減少氫氣收率。

（3）T2時間設(shè)定：T2含二均時間，T2的最小值必須保證兩塔二均均等。

（4）T4時間設(shè)定：T4為四均時間（T4≤T2），T4的最小值必須保證兩塔壓力四均均等。

2.3“9-2-3”程序運(yùn)行時間設(shè)定分析

2.3.1各步序時間說明通過表3步序可以看出，此程序下每個吸附塔運(yùn)行一個周期共計需要（T1+T2）×9時間，具體（見表4）。

表4　“9-2-3”程序運(yùn)行周期表

表4　“9-2-3”程序運(yùn)行周期表（續(xù)表）

2.3.2時間設(shè)定原則同理，當(dāng)（T1+T2）的值確定以后，吸附時間A、逆放時間D、沖洗時間P隨之確定，一均時間T3設(shè)定原則同上，對T1、T2時間的設(shè)定原則進(jìn)行分析，通過表4可以看出：

（1）T1設(shè)定：T1含三均時間和一均時間，T1的最小值必須保證兩塔壓力三均均等，同時T1還必須保證兩塔壓力一均均等（即T1須≥T3）。

（2）T2設(shè)定：T2含二均時間和順放時間，T2的最小值必須同時保證兩塔二均壓力均等和順放完全。

2.4“8-2-3”程序運(yùn)行時間設(shè)定分析

2.4.1各步序運(yùn)行時間說明通過表4步序可以看出，此程序下每個吸附塔運(yùn)行一個周期共計需要（T1+ T2）×8時間，具體（見表5）。

表5　“8-2-3”程序運(yùn)行周期表

2.4.2時間設(shè)定原則當(dāng)（T1+T2）確定以后，吸附時間A確定，一均時間T3設(shè)定原則同前，主要分析T1、T2時間的設(shè)定原則，通過表5可以看出：

（1）T1設(shè)定：T1須≥T3，且T1最小值應(yīng)能滿足兩塔壓力三均均等。

（2）T2設(shè)定：在保證T1≥最小值情況下，應(yīng)盡量延長T2時間，因為延長T2能延長沖洗時間，可以使吸附塔再生徹底且能減小解吸氣壓力波動；T2的最小值必須保證順放時間足夠，順放主要為吸附塔再生提供干凈沖洗氣源。

2.5“7-2-2”程序運(yùn)行時間設(shè)定分析

2.5.1各步序運(yùn)行時間說明通過表5步序可以看出，此程序下每個吸附塔運(yùn)行一個周期共計需要（T1+ T2）×7時間，具體（見表6）。

表6　“7-2-2”程序運(yùn)行周期表

2.5.2時間設(shè)定原則 （T1+T2）確定后，吸附時間A確定，T3設(shè)定原則同前，主要分析T1、T2時間，通過表6可以看出：

（1）T1設(shè)定：T1主要含一均時間和順放時間，設(shè)定中須保證T1≥T3，且能保證順放完全，即保證T1時間內(nèi)順放程控閥在順放壓力降至≤0.2 MPa（可設(shè)定）后關(guān)閉。

（2）T2設(shè)定：在保證T1≥最小值情況下，應(yīng)盡量延長T2時間，因為延長T2可以延長逆放時間，逆放時間越長，雜質(zhì)解吸越干凈，越有利于提高吸附塔的再生效果。

2.6“6-2-2”程序運(yùn)行時間設(shè)定分析

2.6.1各步序時間說明通過表6步序可以看出，此程序下每個吸附塔運(yùn)行一個周期共計需要（T1+T2）×6時間，具體（見表7）。

表7　“6-2-2”程序運(yùn)行周期表

2.6.2時間設(shè)定原則當(dāng)（T1+T2）確定以后，吸附時間A、沖洗時間P確定，T3設(shè)定時間同前，主要分析T1、T2、T4時間的設(shè)定原則：

（1）T1設(shè)定：在保證T2≥最小值情況下，應(yīng)盡量延長T1，因為延長T1能延長逆放時間，逆放時間越長雜質(zhì)解吸越徹底，有利于提高吸附塔再生效果；T1最小值須保證大于等于T3，且塔的逆放壓力能降至0.2 MPa（可設(shè)定），這樣才能有利于吸附塔再生。

（2）T2設(shè)定：T2最小值設(shè)定應(yīng)滿足兩塔壓力二均完畢后再生塔能順放完全，即T2≥（T4+順放程控閥關(guān)閉時間）。

（3）T4設(shè)定：二均時間T4最小值應(yīng)能保證兩塔壓力二均均等。

2.7“5-1-2”程序運(yùn)行時間設(shè)定分析

2.7.1各步序運(yùn)行時間說明通過表7步序可以看出，此程序下每個吸附塔運(yùn)行一個周期共計需要（T1+ T2）×5時間，具體（見表8）。

表8　“5-1-2”程序運(yùn)行周期表

2.7.2時間設(shè)定原則分析當(dāng)（T1+T2）確定以后，吸附時間A、沖洗時間P確定，T3設(shè)定原則同前，主要分析T1、T2、T4的設(shè)定：

（1）T1設(shè)定：在保證T2≥最小值時，應(yīng)盡量延長T1，因為延長T1能延長逆放時間，逆放時間越長雜質(zhì)解吸越徹底，有利于再生塔再生效果；T1最小值須保證大于等于T3，且塔的逆放壓力能降至≤0.2 MPa（可設(shè)定），這樣才能有利于吸附塔再生。

（2）T2設(shè)定：T2最小值設(shè)定應(yīng)滿足二均完畢以后吸附塔能順放完全，即T2≥（T4+順放程控閥關(guān)閉時間）。

（3）T4設(shè)定：二均時間T4最小值能保證兩塔壓力二均均等。

2.8程序運(yùn)行時間設(shè)定小結(jié)

綜上所述，程序運(yùn)行時間的設(shè)定應(yīng)遵循的原則為：

（1）在5塔和6塔程序時，應(yīng)盡量延長T1時間，延長T1時間就能延長逆放時間，有利于再生塔再生徹底，但是T2的最小值須保證順放時間足夠。

（2）在7塔和8塔程序時，應(yīng)盡量延長T2時間，延長T2時間就能延長逆放時間，有利于再生塔再生徹底，但T1必須≥T3。

（3）在9塔和10塔程序時，在保證T1和T2均≥允許最小值下延長T1或T2時間均可，正常生產(chǎn)過程中，為防止切塔后操作調(diào)節(jié)幅度過大，一般將T2設(shè)定時間偏長。

（4）任何運(yùn)行程序下，一均時間T3設(shè)定的最優(yōu)值為一均降塔壓力降至最小值時時間。

（5）在5塔和6塔程序時，T4時間的設(shè)定很重要，T4過長則順放時間不夠，塔再生不徹底，T4過短則兩塔壓力二均不到位，氫氣損失多收率低。

3　終升隨動控制閥HIC-20101對氫氣收率的影響

3.1HIC-20101作用

終升隨動控制閥HIC-20101的作用是當(dāng)吸附塔再生完畢經(jīng)過一均升以后，由于其壓力低于吸附工作壓力，為保證產(chǎn)品氫氣供應(yīng)壓力平穩(wěn)和提高吸附塔的工作效率，PSA程序設(shè)定通過HIC-20101閥，用產(chǎn)品氫對一均升完畢以后的吸附塔進(jìn)行充壓，使其在程序轉(zhuǎn)入吸附步序后能立即進(jìn)入工作的狀態(tài)。

3.2HIC-20101的設(shè)定原則

圖1　HIC-20101初始開度設(shè)定對終升曲線的影響圖

HIC-20101設(shè)計為隨動控制，它根據(jù)終升塔的測量壓力自動對閥門開度進(jìn)行調(diào)整。操作中應(yīng)根據(jù)吸附塔終升壓力變化速率對其初始開度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，HIC-20101初始開度過大，產(chǎn)品氫壓力受影響波動較大，且產(chǎn)品氫氣收率低；HIC-20101初始開度過小，再生塔充壓不到位，轉(zhuǎn)入吸附步序后易導(dǎo)致產(chǎn)品氫壓力波動，同時會降低吸附塔有效吸附時間，降低氫氣收率。

隨動控制閥HIC-20101的初始開度設(shè)定原則應(yīng)遵循：隨時間進(jìn)行，閥的開度逐漸由小到大，塔的終升壓力曲線要近似為直線，不能成弧形狀。HIC-20101初始開度設(shè)定過大、過小對吸附曲線和終升曲線均有較大影響，其影響關(guān)系分別（見圖1，圖2）。

4　吸附壓力曲線分析

4.1理想壓力曲線

PSA程序運(yùn)行狀況的好壞可以直接通過塔的壓力曲線來進(jìn)行判定，現(xiàn)取“10-2-4”程序進(jìn)行說明，“10-2-4”程序下理論壓力曲線圖（見圖3）。

實際生產(chǎn)過程中，操作人員應(yīng)實時對比實際運(yùn)行曲線圖和理論曲線圖，從而對PSA參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高PSA系統(tǒng)工作效率和氫氣收率。

4.2優(yōu)化對比

4.2.1優(yōu)化前PSA運(yùn)行狀況實際生產(chǎn)過程中，PSA單元一般為“10-2-4”程序運(yùn)行，2014年2月，當(dāng)時T1、T2、T3、T4時間分別給定為60 s、140 s、54 s、60 s，終升隨動控制閥HIC-20101初始開度為25％時，吸附曲線圖（見圖4）。

圖2　HIC-20101初始開度設(shè)定對吸附曲線的影響圖

圖3　“10-2-4”程序理論壓力曲線圖

圖4　優(yōu)化前實際壓力曲線與理論壓力曲線對比圖

4.2.2偏差原因分析實際曲線與理論曲線有偏差的原因有以下幾個方面：

（1）產(chǎn)品氫氣壓力未達(dá)到設(shè)計壓力2.5 MPa，原因是后續(xù)300×104t/a柴油加氫裝置新氫罐安全閥起跳壓力為2.42 MPa，為保證安全，實際生產(chǎn)過程中PSA吸附壓力控制為2.17 MPa。

圖5　“10-2-4”程序調(diào)整后實際壓力與理論壓力曲線

（2）終升隨動控制閥HIC-20101初始開度過大，吸附塔剛進(jìn)入吸附步序時壓力有明顯下降波動趨勢。

（3）一均時間T3設(shè)定不合理，一均降塔壓力有回升現(xiàn)象，導(dǎo)致氫氣浪費(fèi)較多。

（4）T2時間設(shè)定比T1時間長。

程序時間在此狀況下，氫氣收率較低，部分氫氣隨解吸氣進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐燃燒，從而提高了制氫裝置的生產(chǎn)成本。

4.2.3調(diào)節(jié)方法依據(jù)上面“10-2-4”時間設(shè)定分析原則和終升隨動控制閥HIC-20101初始開度設(shè)定原則，對時間和HIC-20101初始開度做改動（見表9）。

表9　PSA單元優(yōu)化調(diào)整表

4.2.4調(diào)整后PSA運(yùn)行狀況2014年11月，經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整后，吸附塔的實際曲線和理論曲線對比（見圖5）。

4.2.5調(diào)整前后收率對比表2014年2月與2014年 11月，經(jīng)過調(diào)節(jié)前后氫氣收率對比表（見表10）。

表10　優(yōu)化前后氫氣收率表

通過對比可以看出，經(jīng)過調(diào)整后，解吸氣收率明顯下降，氫氣收率提高較多，證明優(yōu)化調(diào)節(jié)措施有效。

5　結(jié)論

PSA正常運(yùn)行過程中，在不同塔數(shù)程序模式下運(yùn)行，T1、T2、T3、T4時間的設(shè)定與氫氣收率關(guān)系較為明顯，日常操作過程中，操作人員要通過認(rèn)真判斷實際吸附曲線圖，通過設(shè)定合理的T1、T2、T3、T4時間，從而使PSA高效平穩(wěn)運(yùn)行，可在保證氫氣質(zhì)量的前提下盡可能的提高氫氣收率，降低裝置加工成本。

［1］周景倫，趙洋.蘭州石化公司50 000 Nm3/h制氫裝置操作規(guī)程［G］.蘭州石化公司，2012.

［2］蘭州石化公司50 000 Nm3/h制氫裝置操作手冊［G］.成都華西化工科技股份有限公司編制.

TE962

A

1673-5285（2016）08-0110-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.08.024

2016-06-15

2016-07-15

趙洋，男（1985-），助理工程師，現(xiàn)從事于煉油裝置生產(chǎn)技術(shù)管理工作。