变压吸附装置中均压设计的讨论概要.docx

1、变压吸附装置中均压设计的讨论概要变压吸附装置中均压设计的讨论汤 洪 四川天一科技股份有限公司开发设计所 成都 610225摘要 论述 均压 在变压吸附装置中的作 用 , 介绍均 压差的 计算以 及均压 次数的 选择与效 果评价 的方法。关键词 变压吸 附 均压 有效均压次数 气体回收变压吸附气体分离技术是利用气体在吸附剂 上的吸附容量随其分压变化 (即气体分压越高 , 吸附量越大 , 反之亦然 的特性 , 在较高压力下 吸附 , 而弱吸附组分 (如提氢装置的氢气 则直 接通过吸附床输出 ; 通过降低吸附床的被吸附组 分分压 (降低吸附床压力 , 并用被吸附组分含量 较低的气体对吸附床进行冲洗

2、, 或抽真空 , 使被 吸附组分从吸附剂中解吸出来 , 吸附剂得到再生。 变压吸附气体分离技术与其他吸附分离技术 的主要区别是吸附剂解吸再生时不需另加再生气 源及外加能量 (加热再生气用 。主要技术突破 在于应用了 均压 的操作。1 操作过程我们用简单的五塔二次均压操作工艺来说明 变压吸附的操作过程。五塔二次均压的操作时序 如表 1所示。表 1 五塔二次均压操作时序表分步骤 12345678910时间 , s 90909090909090909090 A 塔终压 , ata 10 210 27 24 22 71 21 24 27 210 2吸 附 床 A A1A2E1D E2D PP D P

3、E 2R E1R FRB E1R FR A1A2E1D E2D PP D P E2RC P E2R E1R FR A1A2E1D E 2D PP DD PP D P E2R E1R FR A1A2E1D E2DE E1D E2D PP D P E2R E1R FR A1A2注 :A 吸附 Ei D 均压降 i PP 顺放 D 逆放 P 冲洗 EiR 均压升 i FR 终充以吸附床 A 为例说明变压吸附的工艺操作 过程。分步骤 1、 2, 吸附床 A 处于吸附状态 (A1、 A2 。分步骤 3, 吸附床 A 吸附完成需降压再生 , 通过吸 附床顶 的程序 控制阀 与吸 附床 C 连接 , 向吸附

4、床 C 充压直至压力相等 , 吸附床 A 压力 从 10 2ata 降至 7 2ata, 吸附床 C 压力从 4 2ata 升至 7 2ata, 吸 附 床 A 的步 骤 称 为 均 压 降 1 (E1D 。分步骤 4, 吸附床 A 通过吸附床顶的程序控 制阀与吸附床 D 连接 , 向吸附床 D 充压直至压 力相等 , 吸附 床 A 压力 从 7 2ata 降 至 4 2ata, 吸附床 D 压力 从 1 2ata 升至 4 2ata 。吸附床 A 此步骤称为均压降 2(E2D 。分步骤 5, 吸附床 A 顺向 (与吸附时气体流 向相同 泄压 (简称顺放 , PP , 吸附床 A 压力 从 4

5、 2ata 降至 2 7ata, 排出的气体作为冲洗气对 152003, 13(1 汤 洪 变压 吸附装置中均压设计的讨论 汤 洪 :高级工程师 , 总 工程师 , 1982年毕 业于浙 江大学 化学工 程专业。 长期从 事化 工工艺 设计 工作。联 系电 话 :(028降压完成吸附床 E 进行冲洗 (P , 降低床层被 吸附组分的浓度 , 使吸附床 E 吸附剂得到更彻 底的解吸再生。分步骤 6, 吸附床 A 逆向 (与吸附时气体流 向相反 泄压 (简称逆 放 , D , 将 气体排出系 统 , 吸附床 A 压力从 2 7ata 降至 1 2ata, 完成 降压过程。分步骤 7, 用吸附床 B

6、 的顺放气对吸附床 A 进行冲洗 (P , 进一步降低床层 A 被吸附组分 的浓度 , 并使吸附剂彻底解吸 , 吸 附床 A 再生 完成。分步骤 8, 吸附床 C 向吸附床 A 充压 , 吸附 床 A 压力从 1 2ata 升至 4 2ata, 吸附床 A 此步 骤称为均压升 2(E2R 。分步骤 9, 吸附床 D 向吸附床 A 充压 , 吸附 床 A 压力从 4 2ata 升至 7 2ata, 吸附床 A 此步 骤称为均压升 1(E1R 。分步骤 10, 用产品气对吸附床 A 充压 , 吸 附床 A 压力从 7 2ata 升至吸附压力 10 2ata, 充 压完成。吸附床 A 此步骤称为最终

7、充压 (简称 终充 , FR 。2 均压的作用从变压吸附的工艺操作过程不难看出 , 所谓 均压 就是需降压解吸的吸附床分别向需升压 的不同的吸附床充压 , 需降压解吸的吸附床压力 逐级下降 , 而需升压的吸附床的压力得到逐级升 高 , 从而使吸附床降压排出的有用气体得到有效 利用。均压步骤的主要作用就是回收吸附床降压 时排出的有用气体。3 均压次数的影响我们再来看六塔三次均压操作工艺的时序如 表 2所示。表 2 六塔三次均压操作时序表分步骤 123456789101112时间 , s 909090909090909090909090 A 塔终压 , ata 10 210 27 955 73 4

8、52 451 21 23 455 77 9510 2吸 附 床 A A1A2E1D E2D E3D PP D P E3R E2R E1R FRB E1R FR A1A2E1D E2D E3D PP D P E3R E2RC E3R E2R E1R FR A1A2E1D E2D E3D PP D PD D P E3R E2R E1R FR A1A2E1D E2D E3D PPE E3D PP D P E3R E2R E1R FR A1A2E1D E2DF E1D E2D E3D PP D P E3R E2R E1R FR A1A2回收的有用气体量可用吸附压力与最后一次 均压降终压的差值来计算 ,

9、 从表 2中 A 塔各步 骤终压数据看 , 由于增加了 1次均压 , 回收的有 用气体量有所增加。设 V A 为吸附床的死体积 , m 3, 三次均压时 , 三均终压为 3 45ata, 每个吸 附床降压时回收的气体量为 (10 2-3 45 V A =6 75V A ; 而二次均压时 , 二均终压为 4 2ata, 每个吸附床降压时回收的气体量为 (10 2-4 2 V A =6V A 。显然 , 三次均压回收的有用气体量比 二次均压多。一般说来 , 增加均压次数 , 可回收更多的有 用气体 , 产品气的收率也就提高。因为有了 均 压 操作步骤 , 变压吸附气体分离装置的产品气 , 分离技术

10、的应用才会如此广泛。然而 , 并不是说 , 均压次数越多越好。 首先 , 均压次数的增加需通过增加吸附床数 来实现 , 而增加一个吸附床才能增加 1次均压操 作 , 故均压次数 的增加必然造 成装置投资 的增 加。一般来说 , 从一次均压增加至二次均压、二 次均压增加至三次均压时 , 有用气体的回收率增 加比较明显 , 而由三次均压增加至四次均压 , 有 用气体的回收率仅增加 25个百分点 , 四次均 压增加至五次均压 , 有用气体的回收率仅增加 1 3个百分点。其次 , 参照上述时序表可以看到 , 随着均压 次数的增加 , 顺放初压 (即最后一次均压降的终 压 相应降低 , 使得作为冲洗气的

11、顺放气中被吸16CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计 2003, 13(1附组分的浓度升高 , 同时顺放压差变小 , 因而吸 附剂冲洗再生的效果变差 , 使吸附剂的动态吸附 容量减少 , 导致吸附床吸附时间缩短、产品气的 回收率也降低。再次 , 由 于压力越 低 , 被吸 附气体 解吸越 多 , 则均压降排出气体中的被吸附组分浓度也越 高 , 故随着均压次数的增加 , 回收的低压气体中 的有用 气体含量相应 降低 , 回收的 价值也就小 了。因此 , 一般将均压降控制在 2ata 以上为宜。 4 均压差计算与均压效果评价方法实际上 , 以均压差 (吸附压力 -均压降

12、 1终 压 , 或均压降 i 终压 -均压降 i+1终压 来描述 有用气体回收效果更为直观。因为终充压差正好 与均压差相等 , 而终充是用产品气来充压 , 均压 差的增加必然会造成产品气量的减少 , 有用气体 的回收率也相应减少。4 1 均压差计算一般正常的操作时序将顺放步骤设在所有均 压降步骤之后 , 由于每级均压压力降 (升 是相 同的 , 均压差也就很容易算出。设吸附压力为 P A , 再生压力为 P B , 均压次 数 为 n, 则均压差为 :P =(P A -P B /(n+1 (1 例 1 正常操作时序 , 顺放在所有均压降之 后 , 吸附压力为 19ata, 再生压力为 1 2a

13、ta, 均 压次数为 3, 均压差为 :(19-1 2 /(3+1 =4 45ata这样 , 均 压 降 1的 终 压 为 19-4 45= 14 55ata, 均 压降 2的终 压 为 14 55-4 45= 10 1ata, 均 压 降 3的 终 压 为 10 1-4 45= 5 65ata, 无论均 压次数多少 , 均压降的终压均 可以按此方法计算。在国内 , 为了增加均 压 次数 , 常常采用 一些将顺放步骤设在两次均压降之间的时序 (俗 称 夹心饼干 , 如早期的 4-1-2/P 时序和 现在常用的 6-2-3/P 时序等。这类操作时序 也可以用简单的方法算出其均压差。设吸附压力为

14、P A , 再生压力为 P B , 均压次 数为 n, 顺放压差为 P 1, 则均压差为 :=(P P 1 /(n+1 + P (例 2 设 定吸附压力为 19ata, 再生压力为 1 2ata, 均压次数为 3, 顺放在第 3次均压降之 前 ( 夹心饼干 , 顺放压差为 2ata 。均压差为 P=(19-1 2-3! 2 /(3+1 +2=4 95ata这 样 , 均 压 降 1的 终 压 为 19-4 95= 14 05ata, 均 压 降 2的 终压 为 14 05-4 95= 9 1ata, 均压降 3的终压 (压差为最后一次均压 降与顺放压差之和 为 9 1-4 95=4 15ata

15、 。 4 2 均压次数和均压效果比较例 1和例 2的计算结果 , 在吸附压力、 再生压力 相同 , 均压次数 也 相同时 , 例 2 夹心饼干 的均压差较大 , 即终充压差也较大 , 其回收有用气体的效果也将较差。那么 , 均压次数相同 , 怎么判断其均压效果 呢 ? 我们引 入 有效均压 次数 的 概念。 由式 (1 变形可得n=(P A -P B / P-1(3 我们将式 (3 的计算结果称为 有效均压 次数 , 实际上就等于正常时序时 (顺放步骤设 在所有均压降步骤之后 的均压次数。均压差越 大 , 有效均压次数 越小。显然 , 当均压降不 很低 (如 2ata 时 , 有效均压次 数

16、越多 , 均压效果 (回收有用气体的效果 越好 , 有用气 体回收率越高。如例 2, 按 夹心饼干 操作时 序的 有效均压次数 为 :n=(19-1 2 /4 95-1=2 6(次 而且 , 顺放压差越大 , 其 有效均压次数 越少。如例 2重设顺放压差 P 1=3, 其均压差 为 :P=(19-1 2-3! 3 /(3+1 +3=5 2ata 有效均压次数 为n=(19-1 2 /5 2-1=2 42(次 。而例 1的正常操作时序的 有效均压次数 就是 3次 , 均压效果比 夹心饼干 好。由 此可见 , 有效均压次数 是准确判断均 压操作有用气体回收效果的一个重要指标。 特例 :对于 夹心饼干 操作时序 , 只有当 其顺放压差很小时 (此时无顺放、冲洗操作 , 吸 附剂再生效果差 , 其 均压次数 才接