PSA在低溫甲醇洗、液氮洗閃蒸氣中的應用

沈 杲

(陽煤集團太原化工新材料有限公司，山西 太原 030400)

陽煤集團清徐化工新材料園區(qū)項目是太化集團整體搬遷項目，終端產品是己內酰胺、己二酸，其中，40萬t/a合成氨及35 000 m3/h制氫裝置是主要配套裝置。合成氨裝置氣體凈化采用的是低溫甲醇洗和液氮洗工藝，在氣體凈化裝置生產過程中產生的中壓閃蒸氣包含大量氫氣，行業(yè)通常設計利用壓縮機將閃蒸氣送入到氣體凈化裝置入口加以利用。新材料作為上下游一體項目，考慮到園區(qū)內有多處利用燃料氣加熱的設備，設計初期將合成氨氣體凈化裝置閃蒸氣作為燃料送入到燃料氣系統(tǒng)。在項目進展過程中燃料氣變更為引入天然氣，另外，園區(qū)內建設的雙氧水裝置需要氫氣，所以提出將合成氨氣體凈化裝置閃蒸氣通過變壓吸附提取氫氣送到雙氧水裝置使用。

1 變壓吸附提氫裝置設計工藝條件

該變壓吸附(PSA)裝置提氫單元采用杭州普菲科空分設備有限公司的變壓吸附氣體分離專有技術，變壓吸附技術是以吸附劑(多孔固體物質)內部表面對氣體分子的物理吸附為基礎，利用吸附劑在相同壓力下易吸附高沸點組分、不易吸附低沸點組分和高壓下吸附量增加(吸附組分)、減壓下吸附量減小(吸附組分)的特性。將閃蒸氣在壓力下通過吸附劑床層，相對于氫的高沸點雜質組分被選擇性吸

附，低沸點組分的氫不易吸附而通過吸附劑床層(作為產品輸出)，達到氫和雜質組分的分離，然后再進行吸附分離雜質。這種壓力下吸附雜質提純氫氣、減壓下解吸雜質使吸附劑再生的循環(huán)便是變壓吸附過程。

1.1 原料氣工藝條件

該裝置處理的原料氣來自兩方面：一是低溫甲醇洗裝置的三塔和四塔一段閃蒸氣、二是液氮洗V01的閃蒸氣(見表1、表2)。

表1 低溫甲醇洗閃蒸氣

表2 液氮洗閃蒸氣

1.2 產品氣

H2回收率保證值≥80.0%，裝置操作彈性：50%～110%。

達到雙氧水裝置氫氣純度工藝指標要求(見表3)。

2 變壓吸附裝置工藝流程

本裝置采用一段5-1-3PSA提氫工藝，由5個吸附塔組成，其中，一個吸附塔始終處于同時進料吸附的狀態(tài)，由吸附、3次均壓降壓、順放、逆放、沖洗、3次均壓升壓步驟組成。

表3 雙氧水使用氫氣指標

來自低溫甲醇洗和液氮洗閃蒸氣混合氣，先經原料氣分液罐分離掉其中的液滴，從吸附塔底部進入處于吸附工況的塔內，在多種吸附劑組成的復合吸附床的一次選擇吸附下，一次性除去氫以外的幾乎所有雜質，獲得純度大于99.0%的產品氫氣從塔頂排出后經緩沖罐穩(wěn)壓、調壓后送往雙氧水裝置，由逆放和沖洗產生的解析氣放空(見圖1)。

圖1 工藝簡圖

3 變壓吸附5-1-3PSA提氫工藝特點

1) 5個塔依次交替進行吸附過程、均壓降壓過程、逆放過程、沖洗過程、均壓升壓過程、終沖過程即可實現氣體連續(xù)分離與提純。

2) 采用三次均壓回收氫氣過程，在保證氫氣純度的同時又是提高氫氣回收率的可靠保證。

3) 采用沖洗解吸工藝，不使用抽真空動設備，降低了能耗，操作更簡便。

4) 作為關鍵設備的PSA程控閥，采用空氣動力操作系統(tǒng)，相對于液壓操作系統(tǒng)具有操作穩(wěn)定性高、清潔、維護方便的優(yōu)點。

在西方國家，以英國的上議院為例，其協(xié)商民主的保障制度就歷經了從習慣法(軟法)到制定法(硬法)的演進過程才建立起了軟法和硬法相結合的保障機制。英國上議院起初的保障機制來自日耳曼人的商議習慣，1215年制定的《自由大憲章》則從憲法的層面為貴族開會協(xié)商議政提供了根本的法律依據，此后通過的《權利請愿書》《權利法案》《國會法》《國會參政法》以及《人權法案》等，使英國上議院逐步建立起較為完善的協(xié)商民主硬法保障機制。也正是借助這些硬法保障機制，英國的上議院可以通過質詢和彈劾等方式追究相關人員的責任，從而使其協(xié)商民主實現的法律力度較大，水準較高。

5) 所有程控開關閥按照事先給定的邏輯程序順序執(zhí)行，自動化程度高。

4 工藝控制

4.1 吸附時間設定

裝置吸附時間參數可在DCS上設定，也可由DCS根據流量自動計算產生。做到流量越大則吸附時間就應越短，流量越小則吸附時間就應越長，在各種操作負荷下充分利用吸附劑的吸附能力，保證產品純度的情況下獲得最高的回收率(見表4)。

表4 變壓吸附時序表

4.2 壓力設定

變壓吸附氣體分離工藝核心是利用壓力的變化實現吸附劑對混合氣體的雜質組分的分離，壓力是PSA的關鍵參數，原料氣體壓力越高吸附分離效果越好。由工藝設計參數確定，原料氣進入裝置的壓力設定為0.8 MPa(G)，吸附塔各階段的壓力由控制系統(tǒng)依據理想壓力曲線自動設定完成(見圖2)。

圖2 吸附塔理想壓力曲線示意圖

4.3 報警、聯鎖的設定

PSA裝置主要依據程控閥自動切換工藝流程，因此裝置要求有完善的報警、聯鎖系統(tǒng)(見表5、圖3)。

5 主要設備及吸附劑

1) 氣液分離器

規(guī)格：Ф600 mm×4000 mm，內設絲網除沫器，除掉原料氣帶來的液滴，保護吸附劑。

表5 報警一覽表

圖3 聯鎖邏輯圖

規(guī)格：Ф1000 mm×7000 mm，保障產品氫氣壓力穩(wěn)定送出。

3) 解吸氣罐

規(guī)格：Ф1200 mm×7000 mm，穩(wěn)定解吸氣壓力。

4) 吸附塔

規(guī)格：Ф800 mm×5000 mm，內裝四層填料和吸附劑，是進行吸附的重要設備(見圖4)。

圖4 吸附塔內部裝填示意圖

6 結論

通過將低溫甲醇洗與液氮洗富氫閃蒸氣利用變壓吸附提氫，能產出約480 m3/h的氫氣，充分利用含氫氣體為雙氧水提供滿足工藝要求的原料氣，回收經濟效益為400多萬/年。全部為靜止設備，相比傳統(tǒng)工藝中利用壓縮機將富氫氣體回收的設計節(jié)約了投資，且維護操作簡單，沒有動設備相對能耗低，并且避免了當作燃料氣的資源浪費，使得經濟利益最大化。對于有需求氫氣的化工一體化園區(qū)，將合成氨凈化裝置低溫甲醇洗也液氮洗閃蒸氣回收氫氣加以利用是一種較經濟的工藝選擇。