PSA 變壓吸附技術(shù)在合成氨中的應(yīng)用分析

陳 亮

（山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

合成氨是是一種廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中的化工原料，是保證工業(yè)生產(chǎn)順利進行的核心原料，目前由于合成氨的方法比較落后，在合成氨的生產(chǎn)過程中普遍存在著PSA 提氫處理能力弱、氫氣損耗量大等問題，導(dǎo)致合成氨生產(chǎn)效率和經(jīng)濟性不足，極大地限制了其應(yīng)用范圍的進一步提升。

本文以15 萬t/a 合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)為研究對象，對PSA 變壓吸附原理、工藝流程等進行了分析，針對性地提出了采用氮氣再生+微動力回收的綜合優(yōu)化方案。在系統(tǒng)中設(shè)置了凈化段的吸附塔、H2再利用裝作、N2傳輸裝置及相應(yīng)的控制閥芯，實現(xiàn)了對PSA 變壓吸附工藝流程的優(yōu)化。根據(jù)對優(yōu)化后變壓吸附技術(shù)的應(yīng)用可知，該技術(shù)能夠有效地提升氫氣回收率，對降低反應(yīng)過程中的能耗，提高合成氨反應(yīng)效率和經(jīng)濟性具有十分重要的意義。

1 PSA 變壓吸附技術(shù)

PSA 變壓吸附脫碳是合成氨過程中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要是把煤氣經(jīng)過變換、脫硫后形成的變換氣傳輸?shù)轿剿?nèi)進行深度吸收，然后再對其進行精脫硫處理，減少煤氣中二氧化碳和硫化氫氣體的含量，最后把經(jīng)過過濾的氣體送入到后工段使用[1]。在精脫硫過程中解析下來的二氧化碳氣體在系統(tǒng)中會進一步地進行減壓分離、回收利用，提高合成氨過程的經(jīng)濟性。

變壓吸附脫碳的關(guān)鍵在于使用了吸附劑在不同工況下隨吸附質(zhì)分壓不同而有差異的特性。通過吸附劑對不同組分吸附能力的不同實現(xiàn)了對目標物質(zhì)的精確分離和提純，通過吸附容量和吸附質(zhì)風(fēng)壓的關(guān)系來實現(xiàn)吸附劑在高壓下吸附在低壓下解吸，滿足了吸附劑吸附和再生的循環(huán)關(guān)系，保證了PSA 變壓吸附過程的循環(huán)進行[2]。

2 變壓吸附合成氨技術(shù)需求

在利用變壓吸附技術(shù)進行合成氨的過程中，進氣處的原料氣成分如表1 所示。

變壓吸附后各產(chǎn)品指標要求如表2 所示。

表2 吸附后產(chǎn)品指標要求

3 變壓吸附工藝流程優(yōu)化

8.8 萬t/a 合成氨PSA 變壓吸附工藝核心的改造點是在PSA1 段加入了22 塔操作，并把其中4 臺吸附塔為在線吸附，利用多塔均壓、雙塔氮氣吹掃再生工藝，確保在吸附塔內(nèi)良好的再生效果[3]。在PSA2 區(qū)域共設(shè)置了4 個吸附塔，而且該區(qū)域的吸附塔使用了17 塔操作方案，提高了便于吸附的均勻性和可靠性。

整套PSA 變壓吸附提氫裝置的操作均在入塔原料氣溫下操作，優(yōu)化后的變壓吸附工藝流程如圖1所示[4]。

圖1 變壓吸附工藝流程圖

3.1 PSA1 段工藝流程分析

變換氣首先通過PSA1 段吸附塔的底部緩慢擴散到吸附狀態(tài)塔內(nèi)部，這些變換器在吸附狀態(tài)塔內(nèi)部會被不同類型的吸附床層進行針對性的吸附，在經(jīng)過吸附過濾以后，這些氣體中的水分和CO2等氣體會被不同類型的吸附床吸附，從而使到達吸附塔頂?shù)臍怏w中二氧化碳的體積分數(shù)不超過8%，然后再進入到PSA2 段進行處理。

在該反應(yīng)區(qū)段，被吸附雜質(zhì)的傳質(zhì)區(qū)前沿到大床層出口的某一位置時，系統(tǒng)自動關(guān)閉吸附塔底部的進料閥和吸附塔頂部的出口閥，停止吸附，直到吸附床層開始再次轉(zhuǎn)入再生過程[5]。在經(jīng)過多次均壓后沿著氣體吸附方向，使吸附塔中含有較高氫氣和氮氣的混合氣體轉(zhuǎn)入到已經(jīng)完成吸附且壓力較低的吸附塔中，在這個過程中能夠?qū)Υ矊铀揽臻g的氫氣進行充分回收[6]。在反應(yīng)均壓過程完成后，可用通過吸附塔底板和吸附塔頂部的閥門來控制吸附塔內(nèi)的壓力，使床層內(nèi)的二氧化碳濃度保持在系統(tǒng)要求的范圍內(nèi)，在完成順放以后，再逆著吸附塔的方向閥吸附，使塔內(nèi)的壓力降低到常壓狀態(tài)，從而滿足吸附劑在常壓狀態(tài)下再生的要求。

在完成逆放以后，可以利用PSA2 段再生氣對吸附床層進行吹掃，使常壓狀態(tài)的吸附劑能夠完全再生，然后吸附塔再通過升壓使吸附劑重新恢復(fù)到吸附狀態(tài)[7]，滿足新循環(huán)下的吸附要求。在逆放階段，收集的純度超過98%的二氧化碳氣體會被進行液化處理，作為反應(yīng)過程中二氧化碳崗位的原料。

3.2 PSA2 段工藝流程分析

從PSA1 段出來的中間氣體從吸附塔的底部緩慢擴散到吸附狀態(tài)塔內(nèi)部，通過吸附塔內(nèi)部的針對性吸收作業(yè)，使中間氣體內(nèi)的各類水分和雜質(zhì)氣體被精準吸收，確保了從吸附塔上側(cè)溢出的氫氣中的二氧化碳的體積分數(shù)小于0.2%，便于在下一個工段進一步處理。

在該反應(yīng)區(qū)段，當系統(tǒng)傳質(zhì)區(qū)前端到達床層出口時，系統(tǒng)會使進料閥門和出口閥門關(guān)閉，暫時終止系統(tǒng)的吸附作用，此時位于吸附區(qū)域的床層便開始進行重生，在通過多次反應(yīng)后，系統(tǒng)中的高壓混合氣體就會在壓力的作用下進入到具有更低壓力的吸附塔內(nèi)，通過這個循環(huán)反應(yīng)過程，使床層空間內(nèi)的氫氣得到全部回收。同時，在系統(tǒng)完成均壓以后，可以把吸附塔內(nèi)的氣體送緩沖罐進行充分的回收。

在系統(tǒng)完成降壓后，用壓縮機把塔內(nèi)的富氫氣體回收到PSA1 入口系統(tǒng)中，然后再使用氮氣對各個吸附床層進行清洗，使床層中附著的大量吸附劑能夠再利用。在對床層完成吹掃以后，就會控制系統(tǒng)內(nèi)各個吸附塔進行逐級升壓，最終達到系統(tǒng)的吸附壓力，然后就可以再進入一個新的吸附循環(huán)。PSA2 段中在整個反應(yīng)過程中的吸附溫度和進氣溫度是一致的，在每個吸附塔中都會依次進行吸附、吹掃過程，確保整個系統(tǒng)在反應(yīng)過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

4 實際應(yīng)用情況研究

目前，該新型PSA 變壓吸附裝置已經(jīng)完成改造并在2022 年7 月投入使用，根據(jù)對其實際運行情況的分析，該裝置投入使用后的運行穩(wěn)定性高，各個系統(tǒng)閥門動作順暢且動作精度高。當該變壓吸附裝置在8.8 萬m3/h 的負荷下工作時，在管道出口處的二氧化碳體積分數(shù)小于0.09%，遠低于不超過0.2%的標準要求，在反應(yīng)過程中對H2的回收率超過了99.2%，一段吸附時的循環(huán)反應(yīng)時間增加到了989 s，二段吸附時的循環(huán)反應(yīng)時間則增加到了3 588 s。

在優(yōu)化后，PSA 變壓吸附裝置通過增加吸附時間，從而降低了解吸氣的放空頻率，減少了在反應(yīng)過程中有效氣體的損失，使氣化單爐在滿負荷工作時的產(chǎn)量從最初的78 t/班，增加到了98 t/班，產(chǎn)量增加了25.6%。噸氨煤耗由最初的1.45 t 降低到了現(xiàn)在的1.28 t，噸氨煤耗降低了11.7%。顯著提升了PAS 變壓吸附技術(shù)在合成氨中的應(yīng)用經(jīng)濟型。

5 結(jié)論

為了解決合成氨過程中PSA 變壓吸附所存在的提氫能力差、產(chǎn)量低、能耗高的不足，對變壓吸附原理和優(yōu)化方案進行了分析，根據(jù)實際應(yīng)用表明：

1）變壓吸附脫碳的關(guān)鍵在于使用了吸附劑在不同工況下隨吸附質(zhì)分壓不同而有差異的特性，實現(xiàn)了對目標物質(zhì)的精確分離和提純；

2）變壓吸附工藝優(yōu)化主要是在PSA1 段加入了22 塔操作，在PSA2 段增加了4 個吸附塔，采用了17塔的操作模式；

3）優(yōu)化后，反應(yīng)過程中氫氣的回收率達到了99.2%，產(chǎn)量增加了25.6%，噸氨煤耗降低了11.7%。