PSA设计说明书.docx
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PSA设计说明书
设计说明书
0
版次
REV
说明
DESCRIPTION
设计人
DESIGN
校核人
CHK'D
审核人
APPR.
项目经理
PM.
日期
DATE
第一节概述
第二节工艺说明
第三节公用工程
第四节设备
第五节自动控制
第六节电气
第七节分析化验
第八节消防
第九节环境保护
第十节劳动安全卫生
第十一节装置定员
第十二节设计执行的主要标准规范
第一节概述
1.设计依据
1.1四川盛马化工股份有限公司与成都华西工业气体有限公司签订的催化干气PSA氢提纯装置合同技术附件。
2.装置概况
2.1规模及组成
本PSA装置的设计原料：
是催化干气供PSA原料气，采用变压吸附（VPSA）工艺分离提纯氢气的成套装置。
2.1.1装置设计的规模
装置公称产氢能力：
600Nm3/h；
生产方式：
三年连续生产
装置操作弹性（对产品气）：
30~110%
装置设计操作寿命：
≥15年
2.1.2本单元为6-1-3VPSA流程变压吸附氢提纯装置；
2.2生产方案
本单元采用成都华西工业气体有限公司的6-1-3VPSA流程变压吸附氢提纯技术，从原料气中提纯分离出纯度大于99.0%的氢气，然后送出界区去氢气压缩机。
原料气在提纯氢后剩余的PSA装置解吸气送出界区。
2.3设计界区
2.3.1界区示意图
2.3.2界区边界条件表
名称
介质
流量
压力MPa（G）
温度℃
输送方式
管道规格
接口位置
备注
原料
原料气
2743.7Nm3/h
0.9
40
管道
DN80,A1B
管廊上,界区外1米
产品
氢气
606.1Nm3/h
0.8
40
管道
DN40,A1B
管廊上,界区外1米
副产品
解吸气
2137.6m3/h
0.02
40
管道
DN250,A1B
管廊上,界区外1米
放空
可燃气体
最大2743.7Nm3/h
0.05
常温
管道
DN100,A1B
管廊上,界区外1米
事故状态去火炬
排污
污水
400Kg/h
0.02
常温
管道
DN40,A1B
去地管
公用工程
净化风
50Nm3/h
0.4
常温
管道
DN40,A1E
管廊上,界区外1米
仪表用
氮气
500Nm3/次
0.4
常温
管道
DN25,A1B
管廊上,界区外1米
置换用
循环水
20t/h
0.4
34
管道
DN80,A1B
管廊上,界区外1米
冷却用
脱盐水
600Kg/h
0.8
管道
DN40,A1B
管廊上,界区外1米
冷却用
消防蒸汽
1.1
280
管道
DN50,A1B
管廊上,界区外1米
消防用
2.4工艺技术特点
本装置所采用的变压吸附工艺技术，具有如下优点：
☆采用成熟的6-1-3VPSA流程，流程简单、运行可靠。
☆在传统6-1-3VPSA流程的抽真空过程连续,真空时间长,吸附剂的再生彻底,能耗低。
☆本装置先进的PSA专用软件在某个吸附塔出现故障时，可自动无扰动地将故障塔切除，转入5、4塔操作。
在切塔后，可将切除塔隔离进行任意检修。
因而大大地提高了装置运行的可靠性。
☆作为关键设备的PSA程控阀，选用成都华西化工科技股份有限公司专利产品－气动平板阀。
保证了装置长期运行的可靠性。
☆采用华西所开发的专门用于催化干气PSA氢提纯的吸附剂，吸附剂动态吸附量大、脱除杂质精度高，可更有效地保证产品质量和回收率。
☆本装置先进成熟的控制软件包可自动实现吸附时间的优化和吸附压力自适应调节,保证产品的合格和收率的最高。
第二节工艺说明
1.生产流程
1.1流程示意图:
注：
虚线框内为设计界区
1.2工艺原理
吸附是指：
当两种相态不同的物质接触时，其中密度较低物质的分子在密度较高的物质表面被富集的现象和过程。
具有吸附作用的物质（一般为密度相对较大的多孔固体）被称为吸附剂，被吸附的物质（一般为密度相对较小的气体或液体）称为吸附质。
吸附按其性质的不同可分为四大类，即：
化学吸附、活性吸附、毛细管凝缩和物理吸附。
PSA制氢装置中的吸附主要为物理吸附。
物理吸附是指依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力（包括范德华力和电磁力）进行的吸附。
其特点是：
吸附过程没有化学反应，吸附过程进行的极快，参与吸附的各相物质间的动态平衡在瞬间即可完成，这种吸附是完全可逆的。
变压吸附氢提纯工艺过程之所以得以实现是由于吸附剂在这种物理吸附中所具有的两个性质：
一是对不同组分的吸附能力不同，二是吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压上升而增加，随吸附温度的上升而下降。
利用吸附剂的第一个性质，可实现对含氢气源中杂质组分的优先吸附而使氢气得以提纯；利用吸附剂的第二个性质，可实现吸附剂在低温、高压下吸附而在高温、低压下解吸再生，从而构成吸附剂的吸附与再生循环，达到连续分离提纯氢气的目的。
工业PSA-H2装置所选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、活性炭类、硅胶类和分子筛类。
吸附剂最重要的物理特征包括孔容积、孔径分布、表面积和表面性质等。
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。
正是吸附剂所具有的这种：
吸附杂质组分的能力远强于吸附氢气能力的特性，使我们可以将混合气体中的氢气提纯。
吸附剂对各种气体的吸附性能主要是通过实验测定的吸附等温线来评价的。
优良的吸附性能和较大的吸附容量是实现吸附分离的基本条件。
同时，要在工业上实现有效的分离，还必须考虑吸附剂对各组分的分离系数应尽可能大。
所谓分离系数是指：
在达到吸附平衡时，（弱吸附组分在吸附床死空间中残余量/弱吸附组分在吸附床中的总量）与（强吸附组分在吸附床死空间中残余量/强吸附组分在吸附床中的总量）之比。
分离系数越大，分离越容易。
一般而言，变压吸附氢提纯装置中的吸附剂分离系数不宜小于3。
另外，在工业变压吸附过程中还应考虑吸附与解吸间的矛盾。
一般而言，吸附越容易则解吸越困难。
如对于C5、C6等强吸附质，就应选择吸附能力相对较弱的吸附剂如硅胶等，以使吸附容量适当而解吸较容易；而对于N2、O2、CO等弱吸附质，就应选择吸附能力相对较强的吸附剂如分子筛、CO专用吸附剂等，以使吸附容量更大、分离系数更高。
此外，在吸附过程中，由于吸附床内压力是不断变化的，因而吸附剂还应有足够的强度和抗磨性。
在变压吸附氢提纯装置常用的几种吸附剂中，活性氧化铝类属于对水有强亲和力的固体，一般采用三水合铝或三水铝矿的热脱水或热活化法制备，主要用于气体的干燥。
硅胶类吸附剂属于一种合成的无定形二氧化硅，它是胶态二氧化硅球形粒子的刚性连续网络，一般是由硅酸钠溶液和无机酸混合来制备的，硅胶不仅对水有极强的亲和力，而且对烃类和CO2等组分也有较强的吸附能力。
活性炭类吸附剂的特点是：
其表面所具有的氧化物基团和无机物杂质使表面性质表现为弱极性或无极性，加上活性炭所具有的特别大的内表面积，使得活性炭成为一种能大量吸附多种弱极性和非极性有机分子的优良吸附剂。
沸石分子筛类吸附剂是一种含碱土元素的结晶态偏硅铝酸盐，属于强极性吸附剂，有着非常一致的孔径结构，和极强的吸附选择性。
对于组成复杂的气源，在实际应用中常常需要多种吸附剂，按吸附性能依次分层装填组成复合吸附床，才能达到分离所需产品组分的目的。
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。
在一定的温度和压力下，对于相同的吸附剂和吸附质，该动态平衡吸附量是一个定值。
在压力高时，由于单位时间内撞击到吸附剂表面的气体分子数多，因而压力越高动态平衡吸附容量也就越大；在温度高时，由于气体分子的动能大，能被吸附剂表面分子引力束缚的分子就少，因而温度越高平衡吸附容量也就越小。
我们用不同温度下的吸附等温线来描述这一关系，如下图：
从上图的B→C和A→D可以看出：
在压力一定时，随着温度的升高吸附容量逐渐减小。
吸附剂的这段特性正是变温吸附（TSA）工艺所利用的特性。
从上图的B→A可以看出：
在温度一定时，随着压力的升高吸附容量逐渐增大；
变压吸附过程正是利用上图中吸附剂在A-B段的特性来实现吸附与解吸的。
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，然后降低杂质的分压（到B点）使各种杂质得以解吸。
在实际应用中一般依据气源的组成、压力及产品要求的不同来选择PSA、TSA或PSA+TSA工艺。
变温吸附法的循环周期长、投资较大，但再生彻底，通常用于微量杂质或难解吸杂质的净化；变压吸附的循环周期短，吸附剂利用率高，吸附剂用量相对较少，不需要外加换热设备，被广泛用于大气量多组分气体的分离与纯化。
但通常在PSA工艺中吸附剂床层压力即使降至常压，被吸附的杂质也不能完全解吸，这时可采用两种方法使吸附剂完全再生：
一种是用产品气对床层进行“冲洗”，将较难解吸的杂质
冲洗下来，其优点是在常压下即可完成，不再增加任何设备，但缺点是会损失产品气体，降低产品气的收率；另一种是利用抽真空的办法进行再生，使较难解吸的杂质在负压下强行解吸下来，这就是通常所说的真空变压吸附（VacuumPressureSwingAbsorption,缩写为VPSA）。
VPSA工艺的优点是再生效果好，产品收率高，但缺点是需要增加真空泵。
实际采用何种流程需要根据具体的原料气组成、流量、用户对回收率、投资和装置占地面积的要求而灵活确定。
本装置一期采用6-1-3VPSA流程。
核心为：
总共6台吸附塔，1塔同时吸附，包括3次连续均压回收氢气过程，且抽真空再生过程连续。
1.3流程简述:
1.3.16-1-3VPSA主流程
本装置主流程由6台吸附塔和3台缓冲罐，3台真空泵组成。
PSA装置真空流程采用6-1-3VPSA工艺流程，即：
装置的6个吸附塔中有一个吸附塔始终处于进料吸附的状态。
其吸附和再生工艺过程由吸附、连续3次均压降压、逆放、抽真空、连续3次均压升压和产品气升压等步骤组成。
主流程过程简述如下：
a.吸附过程
自装置外来的压力为0.9MPa（G）左右，温度40℃的原料气经分液罐后自塔底进入正处于吸附状态的吸附塔（有1个吸附塔处于吸附状态）内。
在多种吸附剂的依次选择吸附下，其中的C1、CO、和N2等杂质被吸附下来，未被吸附的氢气作为产品从塔顶流出，经压力调节系统稳压后送出界区去后工段。
其中H2纯度大于99.0%，压力大于0.8MPa（G）。
当被吸附杂质的传质区前沿（称为吸附前沿）到达床层出口预留段某一位置时，关掉该吸附塔的原料气进料阀和产品气出口阀，停止吸附。
吸附床开始转入再生过程。
b.均压降压过程
这是在吸附过程结束后，顺着吸附方向将塔内的较高压力的氢气放入其它已完成再生的较低压力吸附塔的过程，该过程不仅是降压过程，更是回收床层死空间氢气的过程，本流程共包括了多次连续的均压降压过程，因而可保证氢气的充分回收。
c.逆放过程
在均压降压过程结束后，吸附前沿已达到床层出口。
这时，逆着吸附方向将吸附塔压力降至接近常压，此时被吸附的杂质开始从吸附剂中大量解吸出来，逆放解吸气放进解吸气缓冲罐。
d.抽真空过程
在逆放过程全部结束后，为使吸附剂得到彻底的再生，用真空泵对吸附塔抽真空，进一步降低杂质组分的分压，使吸附剂得以彻底再生，该过程应尽量缓慢匀速以保证再生的效果。
e.均压升压过程
在抽真空再生过程完成后，用来自其它吸附塔的较高压力氢气依次对该吸附塔进行升压，这一过程与均压降压过程相对应，不仅是升压过程，而且更是回收其它塔的床层死空间氢气的过程，本流程共包括了连续多次均压升压过程。
f.产品气升压过程
在均压升压过程完成后，为了使吸附塔可以平稳地切换至下一次吸附并保证产品纯度在这一过程中不发生波动，需要通过升压调节阀缓慢而平稳地用产品氢气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一个完整的“吸附-再生”循环，又为下一次吸附做好了准备。
六个吸附塔交替进行以上的吸附、再生操作（有一个吸附塔处于吸附状态）即可实现气体的连续分离与提纯。
1.4装置的工作状态表
6-1-3VPSA流程
步序
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
T101A
A
A
E1D
E2D
E3D
D
V
V
E3R
E2R
E1R
FR
T101B
E1R
FR
A
A
E1D
E2D
E3D
D
V
V
E3R
E2R
T101C
E3R
E2R
E1R
FR
A
A
E1D
E2D
E3D
D
V
V
T101D
V
V
E3R
E2R
E1R
FR
A
A
E1D
E2D
E3D
D
T101E
E3D
D
V
V
E3R
E2R
E1R
FR
A
A
E1D
E2D
T101F
E1D
E2D
E3D
D
V
V
E3R
E2R
E1R
FR
A
A
注：
A：
吸附E1D～E3D：
一至三均降压D：
逆放
V：
抽真空E1R～E3R：
一至三均升压FR：
产品终升
2．主要操作条件
2.1主流程6-1-3VPSA操作条件
序号
步序
操作压力MPa（G）
温度
1
吸附（A）
0.9MPa
常温
2
均压降压（ED）
0.9→0.22
常温
3
逆放（D）
0.22→0.02
常温
4
抽真空（V）
-0.08
常温
5
均压升压（ER）
-0.08→0.68
常温
6
产品气升压（FR）
0.68→0.9
常温
3.原料及产品的主要技术规格
3.1原料来源
本PSA装置的设计原料为催化干气，其性能及规格如下：
3.2原料规格
名称
原料
组成
（mol%）
H2
31.24
N2
15.20
O2
1.10
CH4
21.08
C2
22.46
C3
0.55
C4
5.53
C5以上
2.84
H2S
100PPm
温度℃
40
压力MPa（G）
0.9
流量Nm3/h
2743.7
3.3产品规格：
3.3.1产品氢气规格：
氢气组成如下：
（mol%）
H2≥99.0
CO+CO2≤20ppm
C1≤0.2
N2≤0.8
出口温度：
40℃
出口压力：
≥0.8Mpa（G）
产品流量：
~600Nm3/h
3.3.2付产品：
解吸气
出口温度：
40℃
出口压力：
≥0.02Mpa（G）
4.物料平衡
4.16-1-3VPSA流程
物料名称
原料气
产品氢
解吸气
组分
Nm3/h
mol%
Nm3/h
mol%
Nm3/h
mol%
H2
857.14
31.24
600.00
99.00
257.14
12.03
N2
417.05
15.20
4.85
0.80
412.20
19.28
O2
30.18
1.10
30.18
1.41
CH4
578.38
21.08
1.21
0.20
577.17
27.00
C2
616.24
22.46
616.24
28.83
C3
15.09
0.55
15.09
0.71
C4
151.73
5.53
151.73
7.10
C5以上
77.92
2.84
77.92
3.65
H2S
100PPm
0.00
120PPm
合计
2743.73
100
606.06
100.00
2137.67
100
压力
0.9MPa.G
0.8MPa.G
0.03MPa.G
温度
40℃
40℃
45℃
注：
氢气回收率设计值70%。
5.附图附表
1工艺说明书
2设备一览表
3管道特性表
4安全阀计算汇总表
5工艺流程图（PFD）
6工艺管道及仪表流程图（PID）
第三节公用工程
1.用水条件表
序
使用
温度
压力
夏季用量
冬季用量
用途
备
号
地点
℃
MPa
正常m3/h
最高m3/h
正常m3/h
最高m3/h
注
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
真空泵
34
0.4
16
20
14
16
冷却水
2
真空泵
0.8
0.5
0.6
0.5
0.6
真空泵补水用
脱盐水
3
消防蒸汽
280
1.1
间断
2.用电条件表
序
号
使用
地点
电压
V
设备数量（台）
设备容量kW
轴功率
kW
年工作
时数
年用电量
104kW/h.h
备
注
操作
备用
操作
备用
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1
真空泵
380
2
1
75×2
75
8000
连续
2
仪表用电
220
4
3
连续
3
照明用电
220
4
4
检修电源
380
40
小计
380
190
75
220
8
3
连续
附：
电气设计条件
真空泵电气设计条件：
a.真空泵运行状态信号应送DCS，用于状态显示。
b.真空泵的启动与停止应：
仅通过防爆启动柱进行启动，无需在控制室启动，可在控制室停止。
3.压缩空气用量
序
号
使用地点及用途
用量Nm3/h
备注
非净化
净化
正常
最大
正常
最大
1
2
3
4
5
6
7
1
仪表用
50
2
吹扫用
300
首次开车用
合计
300
50
4.氮气用量
序
名
用量
压力
纯度
使用地点及用途
Nm3/次
Mpa
备注
号
称
正常
最大
（G）
要求
1
2
3
4
5
6
7
8
1
氮气
开停工用
500
0.4
置换用
2
氮气
开停工用
500
>0.9
气密用
第四节设备
1．设备概况
本装置共有设备12台，其中非标设备9台，动力设备3台。
非标设备中有6台为疲劳容器。
设备分类表
设备类型
数量（台）
材质
备注
罐
3台
Q245R
塔
6台
Q345R
疲劳容器
真空泵
3台
CS
详细规格见设备一览表
2．主要设备介绍
2.1非标设备条件见图表：
2.2吸附塔的设计说明
本装置吸附塔均为疲劳容器，共6台。
吸附塔内装吸附剂，每台装填填料4.56吨，设计寿命15年，按操作压力在-0.08~0.9MPa.G之间交变，其循环次数按4.0×104次/年进行疲劳设计。
以上疲劳容器设计、制造执行JB4732-2005《钢制压力容器-分析设计标准》。
3．设备部分的设计详见设备专业设计文件
第五节自控仪表
1.环境特征
本装置主要介质包括原料气、氢气、解吸气等，均为易燃易爆介质。
2.控制水平及仪表选型
2.1控制水平
本装置控制主机采用DCS控制系统，PSA氢提纯装置与联合装置共用一套DCS系统。
PSA氢提纯部分的仪表选型水平原则上与联合装置一致，并尽量选择同型号产品以便于用户的维护。
装置的变送器均以智能型为主。
PSA部分的控制软件采用成都华西工业气体有限公司提供的“切塔控制和参数优化软件”并由成都华西化工技股份有限公司进行组态。
2.2控制回路
本装置共有调节回路4套,均为本安调节回路
共有模拟量输入信号19点,其中压力10点、流量2点、液位3点、在线分析2点、PSA区可燃气体分析仪2点，均为4～20mA标准信号。
模拟量输出信号4点，均为4～20mA标准信号；
本装置共有开关量输入信号39点,其中36点程控阀阀位检测信号为本安型信号；3点真空泵运行信号；
本装置共有开关量输出信号42点,其中36点程控阀开关信号为隔爆型信号；6点真空泵液位开关控制信号为隔爆型信号；
2.3仪表选型
1）本装置仪表选型原则上与整体装置仪表选型尽量一致,并尽量采用智能仪表。
2）分析仪表
选用一台在线H2分析仪对产品质量、原料气氢含量及解吸气氢含量进行监控，输出信号为4～20mA。
选用一台在线CO分析仪对产品CO含量进行监控，输出信号为4～20mA。
3）流量仪表
流量测量仪表主要采用孔板加差压变送器测量方式，并配温度、压力补偿。
4）压力仪表
现场压力指示仪表一般采用弹簧管压力表，外径100，不锈钢表壳；压力和差压变送器选用智能型。
5）温度仪表
就地温度指示仪表选用双金属温度计，外径100,不锈钢表壳。
6）电磁阀
程控阀门驱动电磁阀选用美国ASCO进口低功耗气动防爆电磁阀，防护等级：
≥IP65。
7）程控阀
选用成都华西化工科技股份有限公司专利产品：
气动平板阀，规格型号见程控阀门规格书。
8）调节阀
一般选用气动薄膜调节阀。
详细的仪表设计内容见仪表专业设计文件
第六节电气
由于本装置配电部分的全部设计由乙方负责，以保证电气系统设计的统一性和完整性，本装置电气部分的设计主要包括真空泵用电、现场装置照明、检修电源箱、和装置防雷接地等内容。
详细的电气设计内容见电气专业设计文件。
第七节
分析化验
本装置不单设分析室，分析任务由厂中心分析室统一进行。
分析内容及方法入下：
样品名称
分分
混
分
析
析析
合
产
解
备注
化次
原
品
吸
验数
料
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