淺議PSA變壓吸附制氫工藝及優(yōu)化

張朋崗　王寶軍

摘 要：在我國氫氣工業(yè)生產(chǎn)過程中，PSA變壓吸附制氫工藝占有十分重要的地位，這種工藝在我國石化、國防、冶金、醫(yī)療以及環(huán)境保護(hù)等方面都擔(dān)負(fù)著至關(guān)重要的作用，具有十分廣泛的應(yīng)用意義。PSA變壓吸附制氫工藝的制氫能力和氫氣純度在實(shí)際生產(chǎn)過程中會有諸多的影響因素，在開車過程中也會出現(xiàn)諸多問題，如何有效提升氫氣產(chǎn)品的收率、增強(qiáng)吸附劑的吸附能力、優(yōu)化工藝效率就成為了制氫工業(yè)企業(yè)所面臨的主要課題。本文通過闡述PSA變壓吸附制氫工藝的概念以及發(fā)展現(xiàn)狀，深入研究PSA變壓吸附制氫工藝制氫能力和氫氣純度的影響因素，對原有PSA變壓吸附制氫工藝進(jìn)行全面的優(yōu)化和改造，進(jìn)而全面提升我國PSA變壓吸附制氫的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：PSA變壓吸附制氫;影響因素;優(yōu)化和改造

1 PSA變壓吸附制氫工藝概述以及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 PSA變壓吸附制氫工藝概述

PSA，翻譯成中文即為變壓吸附，該項技術(shù)主要是針對氣體進(jìn)行吸附分離作業(yè)方面的應(yīng)用，在我國工業(yè)生產(chǎn)以及化工生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。PSA變壓吸附制氫工藝就是利用變壓吸附技術(shù)和氣體分離技術(shù)進(jìn)行氫氣生產(chǎn)的一種工藝，是一種應(yīng)用和適用范圍十分廣泛的制氫技術(shù)。PSA變壓吸附制氫工藝技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種物理吸附分離技術(shù)，利用不同氣體組分間吸附能力的不同而進(jìn)行分離的一種方式，由于不同氣體組分吸附能力上具有差異性，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)工藝裝置可依據(jù)不同氣體的吸附作業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行針對性分析，以低溫--高壓--吸附，低壓--高溫解析的循環(huán)生產(chǎn)工藝進(jìn)行氫氣的提純生產(chǎn)。由于PSA變壓吸附制氫工藝是通過壓差的變化進(jìn)行氫氣產(chǎn)品的吸附和再生，在應(yīng)用生產(chǎn)過程中具有分離率高、能耗低的特性，且整體作業(yè)操作簡單并效果良好，是當(dāng)前我國制氫工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用最為廣泛的一種制氫工藝。

1.2 PSA變壓吸附制氫工藝發(fā)展現(xiàn)狀

PSA變壓吸附制氫工藝在我國制氫工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中整體發(fā)展較好，但隨著我國循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念的提出，以及綠色環(huán)保生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的逐漸提升，PSA變壓吸附制氫工藝在具體工藝技術(shù)方面逐漸展現(xiàn)出了應(yīng)變不足的缺陷，在煤氣處理、原料方面、原料氣溫度方面以及操作壓力等方面出現(xiàn)了諸多問題。

2 PSA變壓吸附制氫工藝的影響因素分析

本文研究的PSA變壓吸附制氫工藝為8臺吸附器和一系列的程控閥門組成，是一種8-2-4流程工藝，即：兩座塔同時進(jìn)料四次均壓的八塔工藝，具體的工藝簡圖如下：

2.1 PSA變壓吸附制氫影響吸附能力的主要因素

首先，原料氣溫度對吸附能力產(chǎn)生影響。原料氣溫度與吸附能力呈反比曲線，溫度越高，則吸附劑的容量就越小，致使吸附、解吸以及再生循環(huán)的時間就越短，造成吸附塔的處理能力就越低;其次，原料氣組分對吸附能力產(chǎn)生影響。PSA變壓吸附制氫工藝會采用不同的原料，致使原料氣中的CO、CO2以及烴類物質(zhì)的組成比例大相徑庭，一旦原料氣中的雜質(zhì)所占比例較大，就會對吸附塔的吸附能力產(chǎn)生影響，有害雜質(zhì)含量較高時就會降低吸附塔的處理能力;第三，操作壓力對吸附能力產(chǎn)生影響。通常情況下，PSA變壓吸附制氫工藝的壓力值越大，則吸附量越大，進(jìn)而吸附塔的處理能力就越強(qiáng)，而解吸氣壓力值越低，則吸附劑的再生能力就越徹底，因此，吸附劑的動態(tài)吸附容量就越大，吸附塔的處理能力也就越強(qiáng);第四，氫氣純度對吸附能力產(chǎn)生影響。氫氣的損失在整個PSA制氫工藝環(huán)節(jié)中主要來源于吸附劑的再生階段，吸附塔的處理能力越強(qiáng)，則再生周期所需的時間就越長，再生次數(shù)則在單位時間內(nèi)的次數(shù)就越少，氫氣損失量降低則必然導(dǎo)致工藝氫氣整體收率的提升。

2.2 PSA變壓吸附制氫影響氫氣收率的影響因素

首先，吸附時間與吸附氣量的關(guān)系。吸附時間和吸附氣量是決定PSA制氫工藝產(chǎn)品收率和產(chǎn)品純度的主要參數(shù)，吸附的時間越久，則產(chǎn)品的收率就越高，而原料氣量越大，則每一個吸附循環(huán)周期所吸收的雜質(zhì)就越多，氫氣的純度就越低，因此，在保障產(chǎn)品純度，提升收率的前提下，原料氣量大就縮短吸附時間，原料氣量小就延長吸附時間;其次，吸附時間對氫氣收率產(chǎn)生影響。吸附的時間久則代表氫氣產(chǎn)品的損失就越少，氫氣的收率就高，因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，企業(yè)要想提升生產(chǎn)線的經(jīng)濟(jì)性就必須在保障氫氣純度不超標(biāo)的前提下，最大限度的延長吸附時間，進(jìn)而提升產(chǎn)品收率;第三，吸附壓力對氫氣收率產(chǎn)生影響。PSA制氫工藝的核心部分就是變壓吸附氣體技術(shù)，壓力的變化對原料氣混合氣體的分離具有十分重要的影響，因此，壓力變化數(shù)值是PSA變壓吸附制氫工藝的關(guān)鍵參數(shù)。

3 PSA變壓吸附制氫工藝的條件優(yōu)化

3.1 變壓吸附脫碳單元的優(yōu)化

PSA變壓吸附制氫工藝主要是對原料氣中的CO、CO2以及氮?dú)獾入s質(zhì)進(jìn)行吸附脫除，為了提升有效氣體的回收幾率，提升雜質(zhì)氣體的去除率，降低變壓吸附裝置的運(yùn)行壓力，對脫碳單元進(jìn)行如下優(yōu)化：①優(yōu)化脫碳單元原料氣入口的壓力，將原料氣入口的壓力值進(jìn)行提升，利用壓力值越高吸附劑吸附量越大的特點(diǎn)，來提升吸附塔的處理能力，提升CO2組分的分壓，進(jìn)而提升工藝對CO2的吸附能力以及回收率;②操作時序優(yōu)化。將原有的T3+T4的工作計劃調(diào)整為T4計劃，并在4閥管線上連接一條沖洗管線并增加一臺程控閥門，通過操作時序的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)沖洗的連續(xù)性，進(jìn)而提升脫碳單元吸附劑的動態(tài)吸附容量，全面提升氫氣產(chǎn)品的收率。

3.2 變換單元的優(yōu)化

對變換單元進(jìn)行優(yōu)化主要是增加一項化學(xué)反應(yīng)環(huán)節(jié)，即：CO+H2O=CO2+H2，通過該反應(yīng)可以將原料氣中的CO組分轉(zhuǎn)換成為氫氣，進(jìn)而提升原料氣中的氫氣組分含量，由于PSA變壓吸附制氫工藝的吸附能力穩(wěn)定，那么降低原料氣中的雜質(zhì)氣體含量，提升原料氣中的氫氣純度可以有效提升吸附塔的處理能力，進(jìn)而提升氫氣產(chǎn)品的收率。

3.3 變壓吸附制氫單元的優(yōu)化

①對原料氣入口壓力進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)前PSA變壓吸附制氫工藝在實(shí)際生產(chǎn)過程中的原料氣入口壓力多為1.2-1.3MPa，沒有達(dá)到工藝設(shè)計的1.4MPa，因此，對制氫單元進(jìn)氣口的壓力要進(jìn)行優(yōu)化提升，最大限度的達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)吸附劑對雜質(zhì)組分的吸附能力，提升氫氣產(chǎn)品的收率;②對吸附時間進(jìn)行優(yōu)化。由于氮?dú)饨M分在氫氣產(chǎn)品中的含量較高，因此，吸附時間的調(diào)整要以氮?dú)鈹?shù)據(jù)值為主要依據(jù)，最大限度的增加吸附時間，進(jìn)而提升氫氣產(chǎn)品收率。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)負(fù)荷會發(fā)生變動，PSA制氫單元要進(jìn)行周期性的調(diào)整，然而現(xiàn)實(shí)中的調(diào)整周期往往過長，使得氫氣產(chǎn)品的損失較大，吸附單元要依照不同的負(fù)荷制定最佳的調(diào)整周期和吸附時間，進(jìn)而保障氫氣產(chǎn)品的最大收率運(yùn)轉(zhuǎn)。

綜上所述，PSA變壓吸附制氫工藝是我國工業(yè)制氫生產(chǎn)中的重要內(nèi)容，對我國石化領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、環(huán)保領(lǐng)域以及冶金領(lǐng)域都產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。工業(yè)制氫企業(yè)要充分了解PSA變壓吸附制氫工藝的具體內(nèi)容，挖掘?qū)ψ儔何街茪溲b置產(chǎn)生影響的主要因素，進(jìn)而通過分析問題而找到具體的優(yōu)化措施，全面提升PSA變壓吸附制氫工藝的高效運(yùn)轉(zhuǎn)和穩(wěn)定運(yùn)行，提升氫氣產(chǎn)品的收率，提升我國工業(yè)制氫的能力。

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