變壓吸附提氫裝置氫收率低的原因分析及改進措施

董震

摘 要：近年，興起了一種新型氣體分離技術(shù)，即為變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，簡稱PSA），其被廣泛應(yīng)用于各大型化工工業(yè)生產(chǎn)中，其中變壓吸附提氫技術(shù)最早實現(xiàn)工業(yè)化。該技術(shù)是在上世紀60年代迅速發(fā)展起來的，而其中以變壓吸附法可從多種工業(yè)尾氣中制取純度（V%，下同）大于99.9%的氫氣。目前隨著世界能源的短缺，各國和各行業(yè)越來越重視低品位資源的開發(fā)與利用，加上各國對環(huán)境污染的治理要求也越來越高，使得吸附分離技術(shù)在鋼鐵工業(yè)、氣體工業(yè)、電子工業(yè)、石油和化工工業(yè)中日益受到重視。

關(guān)鍵詞：變壓吸附提氫裝置;氫收率低;改進措施

吸附分離技術(shù)是化工生產(chǎn)過程中一個重要的組成部分，由于這一工藝具有能耗低、運行成本小、自動化程度高等特點，在化工生產(chǎn)中的氣體分離中應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在制氫和氫氣提純生產(chǎn)中應(yīng)用更加廣泛。

1 變壓吸附提氫裝置概述

變壓吸附分離技術(shù)的原理是利用吸附劑對氣體分子的吸附選擇性，具有在相同壓力下易吸附高沸點、強極性組分，不易吸收低沸點、弱極性組分的特性，實現(xiàn)氣體混合物的分離和吸附劑的再生。對同一種組分在高壓下吸附量增加（即吸附組分），低壓下吸附量減?。唇馕M分）。在吸附劑選擇吸附的條件下，加壓吸附原料氣中的CH4、C2H6、C3H8、C4、C5、C6等雜質(zhì)組分，而氫氣等不易吸附的組分則通過吸附床層由吸附器頂部排出，從而實現(xiàn)氣體混合物的分離，而通過降低吸附劑床層的壓力使被吸附的CH4、C2H6、C3H8、C4、C5、C6等組分脫附解吸，使吸附劑得到再生，同時達到制取氫氣的目的。

2 變壓吸附提氫裝置氫收率低的原因分析

2.1 吸附時間的影響

理論上，延長吸附時間就意味著單位時間內(nèi)的再生次數(shù)減少，再生過程中損失的氫氣也就減少，氫收率越高。但是，在同樣的條件下，吸附時間越長，進入吸附劑床層的雜質(zhì)量也就越大，而受吸附塔大小和吸附劑裝填量的制約，吸附劑的動態(tài)吸附量是不會改變的，也就是說不能被吸附劑吸附而穿透吸附劑進入產(chǎn)品氫的雜質(zhì)量也就會增大，如此勢必造成產(chǎn)品氫的純度下降。因此，變壓吸附提氫裝置的實際操作中，在保證產(chǎn)品氫純度的前提下，應(yīng)盡可能延長吸附時間，以提高產(chǎn)品氫氣的收率，實現(xiàn)變壓吸附裝置的經(jīng)濟運行。

2.2 均壓次數(shù)的影響

所謂均壓，就是將需降壓解吸的吸附塔內(nèi)的氣體分別均給需升壓的吸附塔，使需降壓解吸的吸附塔壓力逐級下降、需升壓吸附塔的壓力逐級升高，從而使吸附塔降壓排出產(chǎn)品氫氣的一個過程?？梢姡黾泳鶋捍螖?shù)，可回收更多的產(chǎn)品氫氣，氫氣收率得以提高;但是，隨著均壓次數(shù)的增加，順放壓力相應(yīng)降低，使得作為沖洗氣的順放氣中被吸附組分的濃度升高，同時順放壓差變小，吸附劑沖洗再生的效果變差，吸附劑的動態(tài)吸附量減少，產(chǎn)品氫的收率隨之降低。

3 變壓吸附提氫裝置氫收率的改進措施

3.1 降低原料氣中CO、CO2及其他雜質(zhì)含量

①更換變換爐催化劑，提高變換爐入口工藝氣的溫度和水氣比，提高變換爐（R1501、R1502）的操作溫度;②加大低溫甲醇洗裝置的甲醇循環(huán)量，降低貧甲醇的溫度，保證甲醇水分離塔（T1605）的正常運行，控制貧甲醇中的水含量;③加強操作運行管理，嚴格控制工藝指標(biāo)并保持穩(wěn)定，嚴格控制系統(tǒng)加減量的速率，防止變換爐爐溫和系統(tǒng)壓力波動過大。

3.2 延長吸附時間

在保證變壓吸附裝置產(chǎn)品氫純度≥99.2%的前提下，維持9次均壓運行的同時盡可能地延長吸附時間，即將吸附時間從30s延長至45s，通過優(yōu)化操作進一步提高變壓吸附提氫裝置產(chǎn)品氫氣的收率。

3.3 保證均壓平衡

重新計算和設(shè)計均壓管線的管徑，增大均壓程控閥和均壓管線的尺寸，將二/三均、四/五均、六/七均這3條均壓總管尺寸由DN20變更為DN25，以減小均壓降壓力和均壓升壓力的差值，盡可能地保證均壓降壓力和均壓升壓力的平衡，從設(shè)備硬件匹配上降低降壓解吸吸附塔的壓力，為進一步提高變壓吸附提氫裝置的氫收率做好保障。

3.4 回收變壓吸附提氫裝置的解吸氣

本著環(huán)保、節(jié)能、高效的原則，在變壓吸附提氫裝置下游新增尾氣壓縮裝置，即利用原有的1臺LG-445/6.2型螺桿壓縮機和新增的2臺4M50W-7.9/5.5-56型往復(fù)式壓縮機，將解吸氣壓力由0.02MPa提至5.60MPa，然后通過管道回收至節(jié)能減排項目變換裝置入口總管，實現(xiàn)變壓吸附提氫裝置解吸尾氣的全部回收利用，進一步降低了生產(chǎn)成本，相當(dāng)于提高了變壓吸附提氫裝置產(chǎn)品氫氣的收率。

4 結(jié)語

變壓吸附提氫裝置工藝具有流程簡單、投資少、能耗低、自動化程度高、產(chǎn)品純度高、成本低等優(yōu)點，與其他工藝相比，更具有可靠性、靈活性及經(jīng)濟合理性。整個吸附分離循環(huán)過程由計算機控制，全部實現(xiàn)自動化操作，裝置彈性大，能適應(yīng)原料氣流量和組分的波動。

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