PSA裝置的設(shè)備和管道布置探討

康 斌

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

變壓吸附法(PSA法)作為一種新型氣體分離技術(shù)已逐漸得到廣泛應(yīng)用，其中，以PSA法制氫應(yīng)用最多，根據(jù)雜質(zhì)氣體與氫氣在吸附劑上吸附能力的差別，PSA法能從其他氣體中分離出氫氣。含氫的混合氣體穿過吸附床層，雜質(zhì)被多種吸附劑分別吸附，含量逐漸降低，最終得到合格的產(chǎn)品氫氣。吸附劑吸附飽和后需要再生，通過將吸附塔的壓力降低至尾氣壓力，并用高純度的氫氣反吹，使雜質(zhì)解吸。采用變壓吸附分離CO的方法最早是由德國林德公司提出，林德公司采用5A分子篩兩段法分離，由于5A分子篩對CO與甲烷和氮?dú)獾姆蛛x系數(shù)較小，在原料氣中氮?dú)夂图淄楹枯^高時(shí)，為了提高CO純度，需要大量的沖洗氣量。與國外相比，國內(nèi)的變壓吸附技術(shù)起步較晚，特別是在PSA裝置大型化技術(shù)方面較為落后，上世紀(jì)80年代前，我國的大型變壓吸附裝置完全依賴進(jìn)口。為改變這種狀況，上世紀(jì)80年代，西南化工研究設(shè)計(jì)院成功完成了變壓吸附的國產(chǎn)化，且設(shè)立了國家PSA 技術(shù)研究推廣中心。其后，依托西南化工研究院的原始技術(shù)，國內(nèi)擁有PSA技術(shù)的工藝商逐漸出現(xiàn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至目前，能提供PSA技術(shù)的工藝商達(dá)15家以上。技術(shù)實(shí)力雄厚、公司規(guī)模大的主要有3家，分別為西南化工研究設(shè)計(jì)院(成都天一科技股份有限公司)變壓吸附分離工程研究所、成都華西化工研究所、成都天立化工科技有限公司。這三家在PSA領(lǐng)域?qū)I(yè)逐漸細(xì)化，并各自形成獨(dú)立的技術(shù)特點(diǎn)。天一科技偏重研究，產(chǎn)品較齊全，具有PSA制氫、制CO、制CO2、脫碳、濃縮乙烯、天然氣脫烴、氯乙烯回收等技術(shù)，擁有PSA核心技術(shù)中氣動(dòng)程控閥門的技術(shù)。成都華西化工研究所PSA技術(shù)實(shí)力雄厚，產(chǎn)品較齊全，具有PSA制氫、制CO、制CO2、脫碳、制CH4、PSA制富氧、乙炔回收等技術(shù)；完成了計(jì)算機(jī)集成液壓操縱技術(shù)和高性能三偏心金屬密封程控蝶閥的開發(fā)工作，并合作研制成功了比國外制氫分子篩吸附容量更大、強(qiáng)度更高的新型制氫分子篩HX5A-98H和HXBC-15吸附劑以及富氧分子篩，實(shí)現(xiàn)了大型變壓吸附裝置國產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)的突破，其程控閥門主要采用液壓驅(qū)動(dòng)，大口徑閥門多采用自有專利的液壓驅(qū)動(dòng)三偏心蝶閥。

1 PSA裝置的流程

以下以PSA提CO為例簡單介紹流程：PSA提CO裝置的作用是將CO 與H2、CH4、N2等其他雜質(zhì)組分分離，得到CO 產(chǎn)品氣。

凈化后的轉(zhuǎn)爐氣進(jìn)入PSA-CO 裝置吸附塔，經(jīng)過一定循環(huán)步驟后，吸附塔內(nèi)合格的CO 通過逆向放壓和抽真空方式排出吸附塔，進(jìn)入產(chǎn)品氣緩沖罐。一部分CO 作為產(chǎn)品氣經(jīng)壓縮后送入后工序，另一部分CO 經(jīng)置換氣壓縮機(jī)后用于置換吸附塔內(nèi)殘存的雜質(zhì)組分。

根據(jù)總氣量確定PSA提CO 裝置采用若干個(gè)吸附塔流程，各吸附塔交替工作，從而達(dá)到連續(xù)分離提純CO 的目的。在一個(gè)周期中，每個(gè)吸附塔依次經(jīng)歷吸附、均壓降壓、置換、逆向放壓、抽真空、均壓升壓、預(yù)吸附、終充壓等工藝過程。下面以其中一個(gè)吸附塔為例，對各個(gè)操作步驟進(jìn)行簡要描述。

(1) 吸附。凈化后的轉(zhuǎn)爐氣送入PSA提CO 裝置的吸附塔中，CO 被吸附，吸附尾氣從吸附塔頂進(jìn)入下游。

(2) 均壓降壓。吸附塔依次與低壓的吸附塔連通，回收吸附塔內(nèi)的有用組分。

(3) 置換。部分CO 產(chǎn)品氣自吸附塔底進(jìn)入吸附塔，置換出的雜質(zhì)組分，經(jīng)壓縮后返回原料氣入口。

(4) 逆向放壓。吸附塔內(nèi)的CO 純度達(dá)到要求，打開吸附塔底部的逆向放壓閥門，吸附塔壓力降至常壓，逆放氣進(jìn)入緩沖罐。

(5) 抽真空。真空泵對吸附塔進(jìn)行抽真空，使被吸附的CO 得以徹底地解吸。

(6) 均壓升壓。用來自其他吸附塔的氣體依次對該吸附塔進(jìn)行均壓升壓，最終使相互連通的吸附塔的壓力相等。

(7)終升壓。用處于吸附步驟中吸附塔位置的吸附尾氣，將吸附塔壓力升至預(yù)定值。

按以上步驟，吸附塔完成了一個(gè)完整的吸附-再生循環(huán)過程，并為下一個(gè)循環(huán)過程做好了準(zhǔn)備。每個(gè)吸附塔交替進(jìn)行以上各步驟的操作，得到的CO 產(chǎn)品氣經(jīng)壓縮后送入下游裝置。

2 PSA裝置的布置

PSA裝置的主要設(shè)備有吸附塔、緩沖罐、換熱器等。由于程控閥數(shù)量較多，且檢修頻繁，在進(jìn)行裝置布置設(shè)計(jì)時(shí)，不得不將程控閥組的布置作為重點(diǎn)考慮因素。吸附塔的頂部進(jìn)口管線經(jīng)過程控閥與十幾根管線相連，底部出口管線經(jīng)過程控閥與近十根管線相連。這意味著每臺吸附塔與近20臺程控閥以及近20根管道相關(guān)聯(lián)。

每臺吸附塔還配備一臺真空泵對吸附塔進(jìn)行抽真空，管線為負(fù)壓，要求管道阻力降越小越好，因此要求相關(guān)管線盡量短，距離吸附塔盡量近。為了便于吸附塔中吸附劑的充裝，吸附塔的一側(cè)需留出檢修通道和檢修空間。因此，該裝置的布局依次為吸附塔、程控閥、真空泵。

圖1 某廠實(shí)拍

由于程控閥數(shù)量多，相關(guān)管束多，而且程控閥檢修頻繁，如何布置程控閥成為考慮的重點(diǎn)。吸附塔進(jìn)出口的程控閥布置在吸附塔區(qū)域和真空泵區(qū)域之間，管束和閥門聯(lián)合布置，需要踩著管道才能接近程控閥(見圖1)，檢修執(zhí)行機(jī)構(gòu)或閥體都比較困難。因此，考慮將程控閥和管束分層布置，程控閥層設(shè)置操作平臺，上方設(shè)置吊點(diǎn)或者吊車，便于檢修，程控閥操作平臺下方布置管束。根據(jù)裝置大小，確定吸附塔的進(jìn)出口程控閥組集中在同一層或者將吸附塔進(jìn)出口的閥組分別分布在上下兩層。根據(jù)需要，確定是否設(shè)置真空泵檢修吊車。兩種布置方案見圖2、圖3。

圖2 程控閥單層布置

3 廠房封閉問題

GB50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(2018年版)第3.6.1條規(guī)定，有爆炸危險(xiǎn)的甲乙類廠房宜獨(dú)立設(shè)置，并宜采用敞開與半敞開式。當(dāng)項(xiàng)目地處高寒地區(qū)時(shí)，為了操作、檢修以及保護(hù)設(shè)備的需要，業(yè)主經(jīng)常希望封閉廠房，并配備采暖系統(tǒng)。作為設(shè)計(jì)方，需要關(guān)注安全問題，比如強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)施、逃生通道的設(shè)置、防火設(shè)計(jì)等是否滿足規(guī)范要求。封閉后的廠房需要設(shè)置防爆通風(fēng)，機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)與室內(nèi)探測報(bào)警聯(lián)鎖，為了在冬季保證室內(nèi)采暖溫度，機(jī)械通風(fēng)設(shè)備在正常情況下為關(guān)閉狀態(tài)，僅在氣體報(bào)警后聯(lián)鎖開啟。根據(jù)SH/T3004-2011《石油化工采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.1.7條規(guī)定，補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)從清潔區(qū)域(即非爆炸危險(xiǎn)區(qū)域)取風(fēng)。當(dāng)以上要求無法實(shí)現(xiàn)時(shí)，敞開布置將更加安全。

圖3 程控閥分層布置

4 吸附塔平臺

為了便于吸附劑裝填，吸附塔頂需設(shè)置平臺，而吸附塔為疲勞設(shè)備，設(shè)備筒體和封頭上如果焊接平臺或爬梯的支撐預(yù)焊件，將會導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，影響設(shè)備的使用壽命和安全。因此，操作平臺、爬梯以及管架均不得生根在設(shè)備上，只能在塔的封頭外掛鋼帶做披掛，所有支撐件焊接在披掛上。由于外掛鋼帶無法固定，如果上塔直爬梯的休息平臺焊接在披掛上，必然不夠牢固，增加了不安全因素，如果無法利用相鄰的其他設(shè)備設(shè)置直爬梯，可考慮為此專門設(shè)置斜梯。另外，根據(jù)GB50160-2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》(2018年版)的第5.2.26條，設(shè)備的構(gòu)架或平臺的安全疏散通道應(yīng)符合下列規(guī)定：可燃?xì)怏w、液化烴和可燃液體設(shè)備的聯(lián)合平臺應(yīng)設(shè)置不少于2個(gè)通往地面的梯子(見圖4)，作為安全疏散通道。

圖4 吸附塔操作平臺

5 結(jié)語

緣于較高的回收率、較低的工程和能源消耗，使得國內(nèi)PSA技術(shù)在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用突飛猛進(jìn)，已經(jīng)逐步應(yīng)用于大型工業(yè)裝置中，不再只使用在廢棄回收等小型裝置上。因此，如何做好設(shè)備和管道布置，順應(yīng)PSA大型化的潮流，成為非常緊迫的課題。保證安全、節(jié)約占地、減少投資、便于操作、檢修、人性化等要素，在滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的前提下，都是做好設(shè)備和管道布置的重要因素。