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)過程的應(yīng)用情況，對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)立的單元操作過程。由于變壓吸附（PSA）氣體分離技術(shù)是依靠壓力的變化來實(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)。并且由于該工藝過程簡單、操作穩(wěn)定、可對含多種雜質(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（兩臺同時(shí)運(yùn)行），在多種吸附劑的作用下，依次經(jīng)過選擇性吸附，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)入吸附劑再生過程。在吸附劑再生過程中，吸附塔首要先經(jīng)過連續(xù)四次均壓降壓過程，回收塔內(nèi)死角處的殘存的氫氣，再通過順放步序，將剩余的大部分氫氣放入順放氣罐。再經(jīng)過逆放和沖洗兩個(gè)步序，使被吸附雜質(zhì)解吸出來。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)逐級分離的操作過程。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，然后再通過減壓、抽空、沖洗等再生過程，將CO₂、CO、N₂、H₂O、H₂S等雜質(zhì)組分從吸附劑上解吸出來，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提純原料氣中氫氣生產(chǎn)過程中原料氣與產(chǎn)品氫氣的規(guī)格，見表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）原料氣流量對氫氣產(chǎn)品純度的影響

當(dāng)PSA氣體分離與提純生產(chǎn)過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)品純度會下降。與之相比，采用真空解吸再生時(shí)，吸附劑動態(tài)吸附量大，吸附劑再生就會徹底，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。所以隨著吸附過程的進(jìn)行，雜質(zhì)就會慢慢穿透吸附床，起初是痕量，漸漸就會超過允許值，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。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自動計(jì)算產(chǎn)生。除盡量延長的設(shè)定時(shí)間外，其他時(shí)間等于操作工手動設(shè)定參數(shù)，而要求盡量延長的設(shè)定時(shí)間則會根據(jù)原料氣流量的大小自動計(jì)算出來。

4.結(jié)束語

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實(shí)現(xiàn)吸附劑對混合氣體中的雜質(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)定是通過改變吸附壓力調(diào)節(jié)回路的設(shè)定值來實(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確定了。因此，在其它生產(chǎn)過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