PSA系统了解.docx

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PSA系统了解

流程简述

来自界区外的压力2.5MPa（G）、温度40℃的变换气从塔底部进入吸附塔（C2001A～J）中正处于吸附工况的塔（始终有2台），在多种吸附剂组成的复合吸附床的依次选择吸附下，一次性除去氢以外的几乎所有杂质，直接获得纯度大于99.9%的产品氢气从塔顶排出，然后经吸附压力调节阀PV9803稳压后送出界区。

PSA单元除送出产品氢外，还产生逆放解吸气和冲洗解吸气。

逆放解吸气来自于吸附床的逆放步骤，冲洗解吸气产生于冲洗步骤，所有解吸气最后均送解吸气混合罐V-2003。

逆放解吸气和冲洗解吸气在解吸气混合罐中混合后送往制氢转化炉。

吸附塔的工作过程依次如下：

1）  吸附过程

  原料气经程控阀XV9801A～J，自塔底进入PSA吸附塔C2001A～J中正处于吸附状态的两台吸附塔，其中除H2以外的杂质组分被装填的多种吸附剂依次吸附，得到纯度大于99.9%的产品氢气从塔顶排出，经程控阀XV9802A～J和吸附压力调节阀PV9803后送出界区。

2）  均压降压过程

  这是在吸附过程完成后，顺着吸附方向将塔内较高压力氢气依次放入其它已完成再生的较低压力吸附塔的过程，这一过程不仅是降压过程，而且也回收了吸附床层死空间内的氢气，本装置主流程共包括四次连续均压降压过程，分别称为：

一均降（E1D）、二均降（E2D）、三均降（E3D）、四均降（E4D）。

一均降通过程控阀XV9803A～J进行，二均降、三均降通过程控阀XV9804A～J进行，四均降通过程控阀XV9806A～J进行。

3）  顺放过程

  均压过程结束后，吸附塔压力仍有0.5MPa左右，而此时的杂质吸附前沿仍未到达床层顶部，故可通过顺放获得冲洗再生气源。

顺放过程通过XV9806A～J、XV9810A.B进行，顺放气进入顺放气罐V2001。

4）   逆放过程

  这是吸附塔在完成顺放过程后，逆着吸附方向将塔内压力降至0.03MPa的过程，此时被吸附的杂质开始从吸附剂中解吸出来。

逆放解吸气经程控阀门XV9808A～J及调节阀PV9805A.B放入逆放缓冲罐V2002，然后再经压力调节阀PV9806调节到后进入解吸气混合罐V2003。

5）  冲洗过程

  在这一过程中，用来自于顺放气罐V2001的氢气逆着吸附方向对吸附床冲洗，使吸附剂中的杂质得以完全解吸。

冲洗通过程控阀XV9805A～J、XV9807A～J，调节阀PV9804A.B进行，冲洗解吸气进入解吸气混合罐V2003。

  逆放和冲洗解吸气于V2003中混合后送出界区去制氢转化炉。

6）  均压升压过程

  该过程与均压降压过程相对应。

在这一过程中，分别利用其它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。

本装置主流程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）。

7）  产品气升压过程

经过四次均压升压过程后，再用产品氢经程控阀XV9809A.B、XV9803A～J和调节阀PV9808A.B将吸附塔压力升至吸附压力。

经这一过程后，吸附塔便完成了整个再生过程，为下一次吸附做好了准备。

吸附分离是一门古老的学科。

早在数千年前，人门就开始利用木炭、酸性白土、硅藻土等物质所具有的强吸附能力进行防潮、脱臭和脱色。

但由于这些吸附剂的吸附能力较低、选择性较差，因而难于大规模用于现代工业。

变压吸附（PressureSwingAdsorption）气体分离与提纯技术成为大型化工工业的一种生产工艺和独立的单元操作过程，是在本世纪六十年代迅速发展起来的。

这一方面是由于随着世界能源的短缺，各国和各行业越来越重视低品位资源的开发与利用，以及各国对环境污染的治理要求也越来越高，使得吸附分离技术在钢铁工业、气体工业、电子工业、石油和化工工业中日益受到重视；另一方面，六十年代以来，吸附剂也有了重大发展，如性能优良的分子筛吸附剂的研制成功，活性炭、活性氧化铝和硅胶吸附剂性能的不断改进，以及ZSM特种吸附剂和活性炭纤维的发明，都为连续操作的大型吸附分离工艺奠定了技术基础。

由于变压吸附（PSA）气体分离技术是依靠压力的变化来实现吸附与再生的，因而再生速度快、能耗低，属节能型气体分离技术。

并且，该工艺过程简单、操作稳定、对于含多种杂质的混合气可将杂质一次脱除得到高纯度产品。

因而近三十年来发展非常迅速，已广泛应用于含氢气体中氢气的提纯，混合气体中一氧化碳、二氧化碳、氧气、氮气、氩气和烃类的制取、各种气体的无热干燥等。

而其中变压吸附制取纯氢技术的发展尤其令人瞩目。

在实际工业应用中，吸附分离一般分为变压吸附和变温吸附两大类。

从吸附剂的吸附等温线可以看出，吸附剂在高压下对杂质的吸附容量大，低压下吸附容量小。

同时从吸附剂的吸附等压线我们也可以看到，在同一压力下吸附剂在低温下吸附容量大，高温下吸附容量小。

利用吸附剂的前一性质进行的吸附分离称为变压吸附（PSA），利用吸附剂的后一性质进行的吸附分离就称为变温吸附（TSA）。

在工业变压吸附（PSA）工艺中，吸附剂通常都是在常温和较高压力下，将混合气体中的易吸附组分吸附，不易吸附的组分从床层的一端流出，然后降低吸附剂床层的压力，使被吸附的组分脱附出来，从床层的另一端排出，从而实现了气体的分离与净化，同时也使吸附剂得到了再生。

  工业吸附分离流程的主要工序吸附工序――在常温、高压下原料气进入吸附床，吸附剂将杂质吸附，获得产品氢气。

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吸附剂再生的冲洗气源，即用于对其他塔进行吹扫。

逆放工序―  ―逆着吸附方向减压使吸附剂获得部分再生

冲洗（抽真空）工序――  用产品氢冲洗（或抽真空）降低杂质分压，使吸附剂完成最终的再生。

（本装置采用冲洗再生）

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

主流程的工序包括：

吸附、一均降、二均降、三均降、四均降、顺放、逆放、冲洗、四均升、三均升、二均升、一均升、产品氢终升共十三个工艺步序。

1、吸附剂及吸附力

  工业PSA制氢装置所用的吸附剂都是具有较大比表面积的固体颗粒，主要有：

活性氧化铝类、硅胶类、活性炭类和分子筛类。

不同的吸附剂由于有不同的孔隙大小分布、不同的比表面积和不同的表面性质，因而对混合气体中的各组分具有不同的吸附能力和吸附容量。

本装置所用吸附剂的特性如下

1）.AS吸附剂

在大型PSA氢提纯中的应用结果表明：

我公司的AS吸附剂对H2O均有很高的吸附能力，同时再生非常容易，并且该吸附剂还具有很高的强度和稳定性，因而适合于装填在吸附塔的底部脱除水分和保护上层吸附剂。

2）.HXSI-01吸附剂

本装置所用PSA专用硅胶属于一种高空隙率的无定型二氧化硅，化学特性为惰性，无毒、无腐蚀性.其中规格为Φ1-3球状的硅胶装于吸附塔中下部，用于吸附水分和CO2。

3）.HXBC-15B吸附剂

  本装置所用活性炭是以煤为原料，经特别的化学和热处理得到的孔隙特别发达的专用活性炭。

属于耐水型无极性吸附剂，对原料气中几乎所有的有机化合物都有良好的亲和力。

本装置所用活性炭规格为Φ1.5条状，装填于吸附塔中部主要用于脱除CO2组分。

4）.HX-CO专用吸附剂

  本装置所用的HX-CO专用吸附剂是一种以活性碳为载体的对CO有良好吸附和解吸能力的吸附剂，装填于吸附塔的上部，用于脱除CO2和CO。

5）.HX5A-98H吸附剂

  本装置所用的分子筛为一种具有立方体骨架结构的硅铝酸盐，规格为Φ2-3球状，无毒，无腐蚀性。

HX5A-98H吸附剂不仅有着较大的比表面积，而且有着非常均匀的空隙分布，其有效孔径为0.5nm。

HX5A-98H吸附剂是一种吸附量较高且吸附选择性极佳的优良吸附剂，装填于吸附塔的上部，用于脱除甲烷、CO、N2，保证最终的产品纯度。

2、吸附剂的处理

  几乎所有的吸附剂都是吸水的，特别是HX5A-98H吸附剂具有极强的亲水性，因而在吸附剂的保管和运输过程中应特别注意防潮和包装的完整性，如果受潮，则必须作活化处理。

对于废弃的吸附剂，一般采用深埋或回收处理。

但应注意：

在卸取吸附剂时，必须先用氮气进行置换以确保塔内无有毒或爆炸性气体。

在正常使用情况下，PSA工段的吸附剂一般是和装置同寿命的。

  吸附力：

在物理吸附中，各种吸附剂对气体分子之所以有吸附能力是由于处于气、固相分界面上的气体分子的特殊形态。

一般来说，只处于气相中的气体分子所受的来自各方向的分子吸引力是相同的，气体分子处于自由运动状态；而当气体分子运动到气、固相分界面时（即撞击到吸附剂表面时），气体分子将同时受到固相、和气相中分子的引力，其中来自固相分子的引力更大，当气体分子的分子动能不足以克服这种分子引力时，气体分子就会被吸附在固体吸附剂的表面。

被吸附在固体吸附剂表面的气体分子又被称为吸附相，其分子密度远大于气相，一般可接近于液态的密度。

固体吸附剂表面分子对吸附相中气体分子的吸引力可由以下的公式来描述：

分子引力F=C1/rm-C2/rn  （m>n）

  其中：

C1表示引力常数，与分子的大小、结构有关

      C2表示电磁力常数，主要与分子的极性和瞬时偶极矩有关

      r表示分子间距离

因而对于不同的气体组分，由于其分子的大小、结构、极性等性质各不相同，吸附剂对其吸附的能力和吸附容量也就各不相同。

PSA制氢装置所利用的就是吸附剂的这一特性。

由于吸附剂对混合气体中的氢组分吸附能力很弱，而对其它组分吸附能力较强，因而通过装有不同吸附剂的混合吸附床层，就可将各种杂质吸附下来，得到提纯的氢气。

下图为不同组分在分子筛上的吸附强弱顺序示意图

组分                  吸附能力  

氦气                ☆                弱

氢气                ☆  

氧气              ☆☆  

氩气              ☆☆  

氮气              ☆☆☆  

一氧化碳            ☆☆☆  

甲烷              ☆☆☆☆  

二氧化碳          ☆☆☆☆☆☆  

乙烷            ☆☆☆☆☆☆  

乙烯            ☆☆☆☆☆☆☆  

丙烷            ☆☆☆☆☆☆☆  

异丁烷          ☆☆☆☆☆☆☆☆  

丙烯            ☆☆☆☆☆☆☆☆  

戊烷            ☆☆☆☆☆☆☆☆

丁烯          ☆☆☆☆☆☆☆☆☆

硫化氢        ☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆  

硫醇          ☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆  

戊烯          ☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆

苯          ☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆  

甲苯        ☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆  

乙基苯        ☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆  

苯乙烯      ☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆  

水    ☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆  强

3、吸附平衡

  吸附平衡是指在一定的温度和压力下，吸附剂与吸附质充分接触，最后吸附质在两相中的分布达到平衡的过程。

在实际的吸附过程中，吸附质分子会不断地碰撞吸附剂表面并被吸附剂表面的分子引力束缚在吸附相中；同时吸附相中的吸附质分子又会不断地从吸附剂分子或其它吸附质分子得到能量，从而克服分子引力离开吸附相；当一定时间内进入吸附相的分子数和离开吸附相的分子数相等时，吸附过程就达到了平衡。

对于物理吸附而言，动态吸附平衡很快就能完成，并且在一定的温度和压力下，对于相同的吸附剂和吸附质，平衡吸附量是一个定值。

  由于压力越高单位时间内撞击到吸附剂表面的气体分子数越多，因而压力越高平衡吸附容量也就越大；由于温度越高气体分子的动能越大，能被吸附剂表面分子引力束缚的分子就越少，因而温度越高平衡吸附容量也就越小。

在温度一定时，随着压力的升高吸附容量逐渐增大；在压力一定时，随着温度的升高吸附容量逐渐减小。

制氢装置的工作原理利用的是气体的吸附与解吸。

吸附剂在常温高压（即A点）下大量吸附原料气中除氢以外的杂质组分，然后降低压力（到B点）使各种杂质得以解吸。

4、装置概况

a.原料

ＰＳＡ单元处理的原料为变换气，其组成见下表。

原料组成：

组成    H2    CO    CO2    CH4    H2O    Σ

含量V％    74.68    2.90    16.39    5.38    0.47    100

  流量：

15000Nm3/h

  压力：

2.5MPa（G）

  温度：

≤40℃

b.产品

  产品为氢气，质量要求  H2：

≥99.9％

  杂质含量：

CH4＜0.1％；CO＜10ppm；CO2＜20ppm；其他：

970ppm

      压力：

2.5MPa

      流量：

10000Nm3/h

c.副产物

  副产物为解吸气，当装置收率为82％时，其组成如下表。

副产物组成

组成    H2    CO    CO2    CH4    Σ  

V％    21.76    7.81    44.19    14.50    100

  输出压力：

0.02MPa（G）

      温度：

≤40℃

      流量：

5000Nm3/h

5、工艺原理

a.工艺原理

  变换气中的主要组份是H2，其它杂质组份有CO、CO2、CH4、水等。

ＰＳＡ单元由８塔变压吸附氢提纯系统（PSA）组成，在变压吸附氢提纯系统脱除大部分杂质组份，得到纯净的氢气产品。

  变压吸附原理是利用不同气体组份相同压力下在吸附剂上的吸附能力不同和同一气体组份不同压力下在吸附剂上的吸附容量有差异的特性，来实现对混合气中某一组份的分离提纯。

变换气中氢是吸附能力最弱的组份，吸附压力下变换气中的其它强吸附组份被吸附在固体相吸附剂中，在吸附塔出口端获得弱吸附组份产品氢气。

通过降压、逆放和冲洗方式使强吸附组份从吸附剂上脱附出来，吸附剂得到再生，用于下一个吸附分离过程。

八个吸附塔交替循环操作，达到连续制取氢气的目的。

b.工艺流程

  来自界区外的压力2.5MPa（G）、温度40℃的变换气从塔底部进入吸附塔（T4101A～H）中正处于吸附工况的塔（始终有1台），在多种吸附剂组成的复合吸附床的依次选择吸附下，一次性除去氢以外的几乎所有杂质，直接获得纯度大于99.9%的产品氢气从塔顶排出，然后经吸附压力调节阀PV4703A稳压后送出界区。

　　PSA单元除送出产品氢外，还产生逆放解吸气和冲洗解吸气。

逆放解吸气来自于吸附床的逆放步骤，冲洗解吸气产生于冲洗步骤，所有解吸气最后均送解吸气混合罐V4103。

逆放解吸气和真空解吸气在混合罐中混合后送往转化炉进行燃烧。

6、变压吸附氢提纯系统（PSA）工艺过程

a吸附塔的工作过程依次如下：

吸附过程

  原料气经程控阀XV4701A～H，自塔底进入PSA吸附塔T4101A～H中正处于吸附状态的1台吸附塔，其中除H2以外的杂质组分被装填的多种吸附剂依次吸附，得到纯度大于99.9%的产品氢气从塔顶排出，经程控阀XV4702A～H和吸附压力调节阀PV4703A后送出界区。

均压降压过程

  这是在吸附过程完成后，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塔的过程，这一过程不仅是降压过程，而且也回收了吸附床层死空间内的氢气，本装置主流程共包括四次连续均压降压过程，分别称为：

一均降（E1D）、二均降（E2D）、三均降（E3D）、四均降（E4D）。

一均降通过程控阀XV4703A～H进行，二均降、三均降通过程控阀XV4704A～H进行，四均降通过程控阀XV4706A～H进行。

顺放过程

  均压过程结束后，吸附塔压力仍有0.49MPa左右，而此时的杂质吸附前沿仍未到达床层顶部，故可通过顺放获得冲洗再生气源。

顺放过程通过XV4706A～H、XV4710进行，顺放气进入顺放气罐V4101。

逆放过程

  这是吸附塔在完成顺放过程后，逆着吸附方向将塔内压力降至0.05MPa的过程，此时被吸附的杂质开始从吸附剂中解吸出来。

逆放解吸气经程控阀门XV4708A～H及调节阀PV4705A放入逆放缓冲罐V4102，逆放后期，压力小于0.05MPa的少量逆放气再经压力调节阀PV4705B调节到后进入解吸气混合罐V4103。

冲洗过程

  在这一过程中，用来自于顺放气罐V4101的氢气逆着吸附方向对吸附床冲洗，使吸附剂中的杂质得以完全解吸。

冲洗通过程控阀XV4705A～H、XV4707A～H，调节阀PV4704进行，冲洗解吸气进入解吸气混合罐V4103。

逆放气和冲洗解吸气于V4103中混合后送去制氢转化炉。

均压升压过程

  该过程与均压降压过程相对应。

在这一过程中，分别利用其它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。

本装置主流程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）。

产品气升压过程

  经过四次均压升压过程后，再用产品氢经程控阀XV4709、XV4703A～H和调节阀PV4708将吸附塔压力升至吸附压力。

经这一过程后，吸附塔便完成了整个再生过程，为下一次吸附做好了准备。

工艺流程特点：

  与传统PSA流程相比，本装置流程具有如下特点：

均压次数多，氢气回收充分，氢气损失小。

冲洗时间连续，冲洗过程和冲洗气流量稳定，吸附剂再生效果好。

特殊的复合床吸附剂装填使本装置能同时适用于脱除变换气中除氢以外的全部杂质。

采用多床同时吸附的PSA流程，吸附循环周期短、吸附剂利用率高。

本装置的自动切塔程序实现了对故障塔的不停车检修。

b工艺步序说明

本装置共由8台吸附塔组成，其中1台始终处于吸附状态，其余7台处于再生的不同阶段。

吸附塔的整个吸附与再生过程都是通过66台程控阀门按一定的工艺步序和顺序进行开关来实现的。

为便于识别这些程控阀门和表述整个工艺过程，我们首先按一定的规律对程控阀进行编号：

        XV    4  □□  □

                        吸附塔号：

A～H

                        阀门功能、作用

                        01-原料气进口阀

                        02-产品气出口阀

                        03-一均、产品气升压阀

                        04-二均、三均阀

                        05-冲洗进口阀

                        06-四均、顺放阀

                        07-冲洗出口阀

    08-逆放阀

    09－产品气升压公共阀

        10-顺放公共阀

                        表示变换气PSA氢提纯工段

                        表示程序控制阀

7、步序描述：

注：

  ON--阀门开

A：

吸附  E1D～E4D：

一均降压～四均降压  P：

顺放  D：

逆放

PP：

冲洗  E1R～E4R：

一均升压～四均升压  FR：

产品升压

现以吸附塔T4101A（简称A塔）为例描述主流程的整个工艺步序过程，T4101B～H的工艺过程与T4101A完全相同（主流程时序图及阀态表详见附表一）。

☆步序1：

吸附（A）

原料气经程控阀XV4701A进入PSA吸附塔T4101A，其中除H2以外的杂质组份被吸附塔中装填的多种吸附剂依次吸附，得到纯度大于99.9%的产品氢气经程控阀XV4702A排出。

大部分氢气经压力调节阀PV4703A稳压后送出界区，少部分氢气通过程控阀XV4709后用于B、C两塔的产品气升压。

随着吸附的进行，当杂质的前沿（即：

吸附前沿）上升至接近吸附床一定高度时，关闭XV4701A、XV4702A，停止吸附。

这时，吸附前沿与吸附床出口间还留有一段未吸附饱和的吸附剂，称为预留段。

☆步序2：

一均降压（E1D）

在吸附过程完成后，打开程控阀XV4703A和XV4703D，将A塔内较高压力的氢气放入刚完成了二均升的D塔，直到A、D两塔的压力基本相等为止。

这一过程不仅是降压过程，而且也回收了A塔床层死空间内的氢气。

在这一过程中A塔的吸附前沿将继续向前推移，但仍未达到出口。

☆步序3：

二均降压（E2D）

在一均降过程完成后，打开程控阀XV4704A和XV4704E，将A塔内较高压力的氢气放入刚完成三均升的E塔，用于E塔的二均升。

这一过程继续回收A塔床层死空间内的氢气，同时A塔的吸附前沿也将继续向前推移，但仍未达到出口。

☆步序4：

三均降压（E3D）

在二均降过程完成后，打开程控阀XV4704A和XV4704F，关闭XV4704E将A塔内较高压力的氢气放入刚完成了四均升的F塔，用于F塔的二均升，直到A、F两塔的压力基本相等为止。

这一过程同样是继续回收A塔床层死空间内的氢气，同时A塔的吸附前沿也将继续向前推移，但仍未达到出口。

步序5：

四均降压（E4D）

在三均降过程完成后，打开程控阀XV4706A和XV4706G，将A塔内较高压力的氢气放入刚完成了冲洗再生的G塔，直到A、G两塔的压力基本相等为止。

这一过程继续回收A塔床层死空间内的氢气，同时A塔的吸附前沿也将继续向前推移，同时A塔的吸附前沿也将继续向前推移，但仍未达到出口。

步序6：

顺放（P）

四均降过程结束后，吸附塔压力仍有0.49MPa左右，此时通过程控阀XV4706A和XV4710将塔内较高压力的氢气放入顺放罐V4101。

☆步序7：

逆放（D）

在完成连续顺向减压过程后，A塔的吸附前沿已基本达到床层出口。

这时打开XV4708A，逆着吸附方向将A塔压力降至接近于常压，此时被吸附的杂质开始从吸附剂中解吸出来。

逆放解吸气大部分经调节阀PV4705A放入解吸气缓冲罐V4102，再经调节阀PV4706稳压后进入解吸气混合罐V4103，少量经调节阀PV4705B直接进入解吸气混合罐V4103。

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