变压吸附技术

（一）工艺流程
变压吸附技术的研究与开发一直都围绕着如何提高吸附剂的性能和吸附床死空间（除吸附剂外的空间）气体的回收利用两大课题。
目前工艺上采用多床变压吸附工艺。它的主要实施方法是，根据吸附的状态特性将吸附操作在转效点之前一段相当长的时间结束。这样吸附床出口端就有一部分吸附剂尚未利用，然后将该吸附床与一个已完成解吸并等待升压的吸附床连通，两床压力平衡（称为均压），这样既回收了吸附床死空间中的有用组分又利用了其中的能量。一般说来，均压次数增加，产品回收率上升，但吸附床数也要增多。多床变压吸附工艺中应用最广的是四床流程。
除了四床流程外，工业上已开发出了5～12床等多种多床工艺，可根据具体情况实现一至六次均压回收过程。一般而言，原料气量越大，原料气压力越高，产品回收率要求越高，则流程的吸附床越多，均压次数越多。下面以十床层PSA氢提纯装置为例，简要说明PSA装置的工艺过程。图2-3-3为100000Nm3/h变换气PSA氢提纯装置的工艺流程，该装置产氢能力为60000Nm3/h，吸附能力2.45 MPa，产氢纯度99.99%，氢回收率89%，装置采用10-2-4流程，即过程中始终有2台吸附床处于吸附状态，其他8台吸附床处于解吸、再生的不同阶段，解吸过程中包括4次连续均压过程。该流程的特点为采用三次顺放冲洗三个不同吸附床的三次冲洗过程。

图2-3-3  十床层PSA氢提纯装置工艺流程图
一般十塔流程，一个塔放出的顺放气只冲洗一个另外的吸附塔。由于吸附塔放出的顺放气开始杂质含量很低，随着时间的推移杂质含量越来越高，这使得最后用于冲洗的顺放气中杂质含量很高，塔内吸附剂再生不够完全。而本装置的十塔流程是一个塔放出的顺放气去冲洗三个不同的塔。开始放出的杂质含量很低的顺放气去冲洗处于再生状态的吸附剂，第二次放出的杂质含量较高的顺放气去冲洗已处于中间再生状态的吸附剂，最后放出的杂质含量最高的顺放气去冲洗刚逆放完的吸附塔。因此实现了用较脏的顺放气去冲洗较脏的吸附床层，用较干净的顺放气去冲洗较干净的吸附床，用干净的顺放气去冲洗接近干净的吸附床层。本装置的十塔流程和一般的十塔流程相比，吸附剂再生较完全，在其他条件相同的情况下，氢气回收更高。
（二）变压吸附的主要工序
    吸附工序——在常温、高压下吸附杂质，分离出产品氢气。
    减压工序——通过一次或多次的均压降压过程，将床层死空间氢气回收。
    顺放工序——通过顺向减压过程获得冲洗再生气源。
    逆放工序——逆着吸附方向减压使吸附剂获得部分再生。
    冲洗工序——用其它塔顺放出的氢气冲洗吸附床，降低杂质分压，使吸附剂完成最终的再生，冲洗时间越长越好。
    升压工序——通过一次或多次的均压升压和产品气升压过程使吸附塔压力升至吸附压力，为下一次吸附作好准备。
以十床吸附为例，各个工序见图2-3-4。
图2-3-4 吸附塔运行压力曲线
1．吸附过程（A）
中变（低变）气经程控阀，自底部进入正处于吸附状态的两台吸附塔，在多种吸附剂的选择吸附下，其中除氢气以外的CO、CO2、H2O、CH4等杂质被依次吸附下来，得到纯度99.99%纯氢从塔顶排出，经程控阀和吸附压力调节阀送出界区。
均压降压过程
2．均压降压过程（ED）
在吸附过程完成后，顺着吸附方向将塔内较高压力气体依次放入其它已完成再生的较低压力的吸附塔，同时也回收了吸附床层死空间的氢气，一般共有四次连续均压降压过程，分别称为：一均降(ElD)、二均降(E2D)、三均降(E3D)和四均降(E4D)。
3．顺放过程（P）
吸附塔在均压结束后，顺着吸附方向减压，减压出来的氢气进入顺放气罐储存起来，用作其它吸附塔的冲洗再生气源。
4．逆放过程（D）
吸附塔在完成顺放过程后，逆着吸附方向将塔内压力降至最低0.03MPa，此时被吸附的杂质开始从吸附剂中解析出来。并经程控阀和调节阀放入解吸气缓冲罐中。
5．冲洗过程（PP）
在这一过程中，逆着吸附方向用顺放气罐中的氢气冲洗床层，使吸附剂中的杂质得到完全解吸。冲洗出的解吸气经调节阀放入解吸气缓冲罐中。逆放解吸气和冲洗解吸气在缓冲罐中混合后，经调节阀送往低压燃气系统。
6．均压升压过程（ER）
该过程与降压过程相对应。分别利用其它吸附塔的均降气体依次从吸附塔顶部对吸附塔进行升压。在这一过程中，分别利用其他吸附塔的均压降压气体依次从吸附塔顶部对吸附塔进行升压。共包括四次连续均压升压过程，依次称为：四均升(E4R)、三均升(E3R)、二均升(E2R)和一均升(E1R)。各次均升通过程控阀控制进行。
7．产品升压过程（FR）
经过四次均升后，吸附塔压力已接近吸附压力，最后用产品氢经程控阀自塔顶将吸附塔升至吸附压力。至此，便完成了一个再生过程，为下一次吸附做好了准备。
（二）吸附塔的切除和恢复
1．吸附塔的切除
由于PSA氢提纯装置是由10台吸附塔组成。因而为提高装置的可靠性，PSA装置还编制了一套自动切塔与恢复程序。即：当某一台吸附塔出现故障时，可将其脱出工作线，让剩余的9个吸附塔转入9-2-3方式工作，如果再有吸附塔出现故障则可继续切除，依次转入8-2-2流程、7-2-2、6-2-2和5-1-2流程。切塔后参数变化情况见表2-3-5。这时，装置处理气量和产氢量等指标会发生变化。
表2-3-5  切塔后参数变化情况
流    程        吸附床数        均压次数        公称处理量        氢产量
10-2-4        10        4        93036        60000
9-2-3        9        3        93036        57333
8-2-2        8        2        93036        54667
7-2-2        7        2        83732        49200
6-2-2        6        2        74429        43734
5-l-2        5        2        51170        30066
    （1）故障塔判断
当某吸附塔的压力异常、程控阀检出错、杂质超标三种问题同时出现两个时，就认为此塔故障，应予以切除。此时DCS将提示操作人员。
    （2）切塔操作
    操作人员确认故障属实后，直接在DCS上选中故障塔的切除键，然后确认。则程序将自动关断该塔的所有程控阀，将故障塔切出工作线。此时被切除塔处于接近于常压的状态，可较方便地进行检修。
    （3）DCS自动将程序切入9-2-3流程中与切塔前的10-2-4流程相对应的点，保证切除时各吸附塔压力无大的波动。
    （4）程序自动开始运行切塔后的9-2-3程序，并建立起正常的运行条件。为保证切塔时产品氢纯度不变，在切塔后的第一个循环内程序将自动缩短吸附时间。
    （5）检修人员检修处理故障塔。
    （6）如果在已切除一台吸附塔后又有吸附塔故障出现，则重复以上的操作即继续切至8塔、7塔、6塔、5塔运行。
PSA装置的绝大多数故障均出现在控制系统和调节装置上，因而通常切塔后的检修无需拆工艺管线和设备。但被切除塔在检修时，如需要拆开连接的工艺管道或设备，则必须先将塔内气体排入火炬系统并进行置换。这时必须将与故障塔同侧的另外几台吸附塔一起切除，将两侧的吸附塔用截止阀和盲板隔离才能维修。此时装置的产量减半。
2．切除塔恢复
    当被切除塔故障排除后，需要将其重新投入正常运行，但如果投入的时机、状态不对，将引起较大的压力波动和产品纯度变化，甚至可能出现故障和安全事故。为此，该PSA装置设计的自动恢复软件能够自动找出最佳状态恢复，使系统波动最小。
    恢复过程如下：
    （1）操作人员发出塔恢复指令；在DCS上直接点动要恢复塔的恢复键，然后确认。
（2）计算机自动等待合适的时间将故障塔恢复至运行程序。程序将根据各塔的压力状态，自动确定恢复后应进入的最佳运行步序，然后自动等待到该步序的最佳切入时机，切入新程序。
注意：新恢复的塔总是从解吸阶段切入的，(即: ElDP1阶段)这样可保证恢复后的产品纯度不变。
（三）主要工艺参数
影响PSA操作的主要工艺参数有进料气体的压力、排气压力、进料气体的组成、氢气纯度。
1．进料气体的压力  吸附压力决定于所需产品的压力。通常认为多床PSA吸附压力不能小于1.2 MPa，否则各过程难以连续。如吸附压力在3.0 MPa以上，氢回收率不再提高，而投资增加，所以吸附压力一般在1.2～3.0MPa。
2．排气压力  排气压力对收率影响较大，降低排气压力可提高收率。有资料称，进料气体压力和排气压力之比最小为4∶1。
3．进料气体的组成  杂质含量高，吸附热大，收率就降低。一般认为，进料气中H2含量至少应在30%以上，否则在经济上将不合理。
4．氢气纯度  产品氢气纯度越高时，投资增加的较快。例如，氢纯度提高到99.999%时投资比99.9%的纯度投资增加15%～20%，因为纯度愈高，所需的吸附剂量愈大，氢回收率也愈低。
5．吸附时间
（1）吸附时间参数的设定
    吸附时间参数是变压吸附的最主要参数，其设定值将直接决定装置产品氢的纯度和氢气回收率。因而，PSA装置的吸附时间参数应尽量准确，以保证产品纯度合格，且氢气回收率最高。PSA装置10-2-4流程时吸附时间设定见表2-3-6。
表2-3-6  PSA装置10-2-4流程时吸附时间设定表
时间序号        含  义        预设值        设    定    原    则
Tl        一均、  三均、冲洗一、冲洗三时间        30秒        在保证两塔的压力能均至相等，且产品纯度合格的情况下尽量长
T2        二均、  四均、冲洗二、逆放、产品气升压时间        30秒        保证两塔的压力能均至相等，逆放能放至0.03MPa左右，产品气升压能升至吸附压力即可
注：以上的预设值为满负荷预设值，且与最终开车后的整定值间可能有差异。在切塔后，时间参数仍是TI和T2，只是设定值不同而已。
    PSA部分的单塔吸附时间=2×(T1+T2)
    由于吸附塔的大小和装填的吸附剂量是固定的，因而在原料气组成和吸附压力一定的情况下，吸附塔每一次所能吸附的杂质总量就是一定的。所以随着吸附过程的进行，杂质就会慢慢穿透吸附床，起初是痕量，渐渐就会超过允许值，这时就必须切换至其它塔吸附。因而，当原料气的流量发生变化时，杂质的穿透时间也就会随之变化，吸附时间参数就应随之进行调整。
    流量越大则吸附时间就应越短，流量越小则吸附时间就应越长。这样才能保证在各种操作负荷下均能充分地利用吸附剂的吸附能力，在保证产品纯度的情况下获得最高的氢气回收率。
    PSA装置的吸附时间参数可在DCS上人工设定，亦可由DCS自动计算产生。
    人工设定时，只需将DCS画面上的“手动时间设定” 按钮设为“ON”，然后分别修改“T1”、“T2”的设定值即可。
    但要注意：T1的时间应尽量延长，只要产品氢中的杂质不超标即可应。T2的时间最短不能低于20秒，在初次开车整定后T2的时间一般无需再改变。
自动设定时，只需将DCS画面上的“手动时间设定”按钮设为“OFF”即可。这时DCS系统将自动依据设定的原料气流量计算出吸附时间。
建议：在原料气流量计准确的情况下，最好用自动方式，但由于原料气的组成和压力有可能发生波动，这将影响吸附时间参数。因而，PSA装置设计了一个“操作系数”参数，用于修正这种影响。“操作系数”参数的含义为：将自动计算出的吸附时间乘以“操作系数”后作为操作的时间。
实际吸附时间=(满负荷流量实际负荷流量)×满负荷时间×操作系数
   （2）操作系数对PSA装置运行的影响
    增大操作系数→吸附时间延长→产品氢纯度下降→氢气回收率提高。
减小操作系数→吸附时间缩短→产品纯度上升→氢气回收率降低。
操作系数的设定
由于操作系数的大小决定着吸附时间的长短，因而对PSA装置的运行状况起着至关重要的影响，所以调整时应特别精心，其调整步骤如下：
  ①增加操作系数(当产品氢纯度高于要求值时，增加操作系数)
  A．以0.02为单位增加操作系数
  B．等三个完整的PSA循环周期(即：单塔吸附时间×9)
  C．重复以上的步骤增加操作参数直到产品纯度下降至允许的最低值
  D．以0.05为单位降低操作系数，使装置能在高收率下安全运行
②减小操作系数(当产品氢纯度低于要求值时，减小操作系数)
  A．以0.1为单位增加操作系数
  B．等三个完整的PSA循环周期(即：单塔吸附时间×15)
  C．重复以上的步骤减小操作参数直到产品纯度上升至允许值以内
D、然后按增加操作系数的步骤调整，直到装置能在高收率下安全运行为止。