变压吸附制氢装置操作手册.doc
( 4.5 )《变压吸附制氢装置操作手册.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变压吸附制氢装置操作手册.doc（22页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、0工艺技术说明1、吸附制氢装置工艺技术说明1 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外表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。变压吸附PSA气体分别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展的吸附。其特点是：吸附过程中没有化学反响，吸附过程进展的极快，参与吸附的各相物质间的动态平衡在瞬间即可完成，并且这种吸附是完全可逆的。变
2、压吸附气体分别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根本性质：一是对不同组分的吸附力量不同，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。利用吸附剂的第一共性质，可实现对混合气体中某些组分的优先吸附而使其它组分得以提纯；利用吸附剂的其次共性质，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，到达连续分别气体的目的。吸附剂：工业 PSA-H2 装置所选用的吸附剂都是具有较大比外表积的固体颗粒，主要有：活性氧化铝类、活性炭类、硅胶类和分子筛类吸附剂；另外还有针对某种组分选择性吸附而研制的特别吸附材料，
3、如 CO 专用吸附剂和碳分子筛等。吸附剂最重要的物理特征包括孔容积、孔径分布、外表积和外表性质等。不同的吸附剂由于有不同的孔隙大小分布、不同的比外表积和不同的外表性质，因而对混合气体中的各组分具有不同的吸附力量和吸附容量。吸附剂对各种气体的吸附性能主要是通过试验测定的吸附等温线和动态下的穿透曲线来评价的。优良的吸附性能和较大的吸附容量是实现吸附分别的根本条件。同时，要在工业上实现有效的分别，还必需考虑吸附剂对各组分的分别系数应尽可能大。所谓分别系数是指：在到达吸附平衡时，弱吸附组分在吸附床死空间中剩余量/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剩余量/强吸附组10分在吸附床中的总
4、量之比。分别系数越大，分别越简洁。一般而言，变压吸附气体分别装置中的吸附剂分别系数不宜小于 3。另外，在工业变压吸附过程中还应考虑吸附与解吸间的冲突。一般而言，吸附越简洁则解吸越困难。如对于C5、C6 等强吸附质，就应选择吸附力量相对较弱的吸附剂如硅胶等，以使吸附容量适当而解吸较简洁；而对于 N2、O2、CO 等弱吸附质，就应选择吸附力量相对较强的吸附剂如分子筛等，以使吸附容量更大、分别系数更高。此外，在吸附过程中，由于吸附床内压力是周期性变化的，吸附剂要经受气流的频繁冲刷，因而吸附剂还应有足够的强度和抗磨性。在变压吸附气体分别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
5、承受三水合铝或三水铝矿的热脱水或热活化法制备，主要用于气体的枯燥。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力量。活性炭类吸附剂的特点是：其外表所具有的氧化物基团和无机物杂质使外表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外表积，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广谱耐水型吸附剂。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， 有着格外全都的孔径构造和极强的吸附选择性，对 CO、CH4、
6、N2、Ar、O2 等均具有较高的吸附力量。碳分子筛是一种以碳为原料，经特别的碳沉积工艺加工而成的特地用于提纯空气中的氮气的专用吸附剂，使其孔径分布格外集中，只比氧分子直径略大，因此格外有利于对空气中氮氧的分别。对于组成简单的气源，在实际应用中经常需要多种吸附剂，按吸附性能依次分层装填组成复合吸附床，才能到达分别所需产品组分的目的。吸附平衡：吸附平衡是指在肯定的温度和压力下，吸附剂与吸附质充分接触，最终吸附质在两相中的分布到达平衡的过程，吸附分别过程实际上都是一个平衡吸附过程。在实际的吸附过程中，吸附质分子会不断地碰撞吸附剂外表并被吸附剂外表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
7、不断地从吸附剂分子或其它吸附质分子得到能量，从而抑制分子引力离开吸附相；当肯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，吸附过程就到达了平衡。在肯定的温度和压力下，对于一样的吸附剂和吸附质，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外表的气体分子数多，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，能被吸附剂外表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，吸附等温线就是在肯定的温度下，测定出各气体组份在吸附剂上的平衡吸附量，将不同压力下得到的平衡吸附量用曲线连接而成的曲线。不同温
8、度下的吸附等温线示意图：吸附量QtpQp变压吸附QtAT1变温吸B附T2D温度 T2T1CP1P2组分分压从上图的 BC 和 AD 可以看出：在压力肯定时，随着温度的上升吸附容量逐渐减小。实际上，变温吸附过程正是利用上图中吸附剂在A-D 段的特性来实现吸附与解吸的。吸附剂在常温 (即 A 点)下大量吸附原料气中的某些杂质组分，然后上升温度(到 D 点)使杂质得以解吸。从上图的 BA 可以看出：在温度肯定时，随着杂质分压的上升吸附容量渐渐增大；变压吸附过程正是利用吸附剂在 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的某些杂质组分，然后降低杂质的分压(到
9、 B 点) 使杂质得以解吸。吸附剂的这一特性也可以用 Langmuir 吸附等温方程来描述：A =K 1 Xi PA ：吸附质 i 的平衡吸附量，K 、K： 吸附常数 ，P：2i1 + K Xi Pi12吸附压力，Xi：吸附质 i 的摩尔组成。在通常的工业变压吸附过程中，由于吸附-解吸循环的周期短一般只有数分钟，吸附热来不及散失，恰好可供解吸之用，所以吸附热和解吸热引起的吸附床温度变化一般不大，吸附过程可近似看做等温过程，其特性根本符合 Langmuir 吸附等温方程。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TSA法的循环周期
10、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脱除；变压吸附PSA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别与纯化。在变压吸附PSA工艺中，通常吸附剂床层压力即使降至常压，被吸附的组分也不能完全解吸，因此依据降压解吸方式的不同又可分为两种工艺：一种是用产品气或其他不易吸附的组分对床层进展“冲洗”，使被吸附组分的分压大大降低，将较难解吸的杂质冲洗出来，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方法降低被吸附组分的分压，使吸附的组分在负压下解吸出来，这就是通常所说的
11、真空变压吸附 (Vacuum Pressure Swing Absorption,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。在实际应用过程中，到底承受以上何种工艺，主要视原料气的组成性质、原料气压力、流量、产品的要求以及工厂的资金和场地等状况而打算。由于焦炉煤气提纯氢气的特点是：原料压力低，原料组分简单并含有焦油、萘等难以解吸的重组分，产品纯度要求高。因而装置需承受“加压+TSA 预处理+PSA 氢提纯+脱氧+TSA 枯燥”流程。2) 装置流程框图焦炉煤气压缩预处理PSA 工序净化工序1.6MPa 产品氢0.02MPa 解吸气3) 装置工艺流程描述
12、本装置中焦炉煤气组成简单且产品氢纯度要求高，因而本装置工艺流程由压缩工序、预处理工序、变压吸附工序和净化工序组成。由于原料气中的硫萘及焦油含量很低，所以在考虑工艺流程设计时，为节约用户的投资额同时又能保证装置的正常运行， 将工艺流程设定为如下流程：分别简述其流程如下：(1) 压缩工序压缩工序由 2 台1 开 1 备三级往复式压缩机组成。由于本装置的原料气中的萘含量格外低仅为 5mg/Nm3，所以，即使到了压缩三段也不会在三级冷却器中消灭萘结晶堵塞管道的问题。因此，来自界区外的焦炉煤气首先经压缩机的一级加压至 0.22MPa(G)，然后进入压缩机其次和第三级压缩至 1.7MPa(G)后进入后续预
13、处理系统。(2) 预处理工序预处理系统主要由 2 台除油塔、2 台预处理塔、1 台解吸气加热器、1 台解吸气缓冲罐组成。来自压缩三段，压力为 1.7MPa(G)的焦炉煤气进入预处理工序后，首先经过除油塔分别掉其中夹带的油滴，然后自塔底进入预处理塔，其中一台处于吸附脱油、脱 硫萘状态、一台处于再生状态。当预处理塔吸附焦油、硫和萘饱和后即转入再生过程。预处理塔的再生过程包括：a) 降压过程预处理塔逆着吸附方向，即朝着入口端卸压，气体排至煤气管网。b) 加热脱附杂质用 PSA 工序副产的解吸气经加热至 140160后逆着吸附方向吹扫吸附层，使萘、焦油、NH3、H2S 及其它芳香族化合物在加温下得以完
14、全脱附，再生后的解吸气送回焦炉煤气管网。c) 冷却吸附剂脱附完毕后，停顿加热再生气，连续用常温解吸气逆着进气方向吹扫吸附床层， 使之冷却至吸附温度。吹冷后的解吸气也送回焦炉煤气管网。d) 升压过程用处理后的煤气逆着吸附方向将预处理塔加压至吸附压力，至此预处理塔就又可以进展下一次吸附了。(3) 变压吸附工序本装置变压吸附PSA工序承受 5-1-3 PSA 工艺，即装置由五个吸附塔组成， 其中一个吸附塔始终处于进料吸附状态，其工艺过程由吸附、三次均压降压、顺放、逆放、冲洗、三次均压升压和产品最终升压等步骤组成，具体工艺过程如下：经过预处理后的焦炉煤气自塔底进入吸附塔中正处于吸附工况的吸附塔，在吸附
15、剂选择吸附的条件下一次性除去氢以外的绝大局部杂质，获得纯度大于 99.9%的粗氢气，从塔顶排出送净化工序。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， 停顿吸附，转入再生过程。吸附剂的再生过程依次如下：a. 均压降压过程这是在吸附过程完毕后，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，这一过程不仅是降压过程，更是回收床层死空间氢气的过程，本流程共包括了三次连续的均压降压过程，以保证氢气的充分回收。b. 顺放过程在均压回收氢气过程完毕后，连续顺着吸附方向进展减压，顺放出来的氢气放入顺放气缓冲罐中混合并储存起来，用作吸附塔冲洗的再生气源。c
16、. 逆放过程在顺放完毕、吸附前沿已到达床层出口后，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头从吸附剂中大量解吸出来，解吸气送至解吸气缓冲罐用作预处理系统的再生气源。d. 冲洗过程逆放完毕后，为使吸附剂得到彻底的再生，用顺放气缓冲罐中储存的氢气逆着吸附方向冲洗吸附床层，进一步降低杂质组分的分压，并将杂质冲洗出来。冲洗再生气也送至解吸气缓冲罐用作预处理系统的再生气源。e. 均压升压过程在冲洗再生过程完成后，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，而且也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三次均压升压过程。
17、f. 产品气升压过程在三次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，需要通过升压调整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预备。五个吸附塔交替进展以上的吸附、再生操作(始终有一个吸附塔处于吸附状态) 即可实现气体的连续分别与提纯。(4) 净化工序从变压吸附PSA工序来的氢气是含有少量氧气的粗氢气，纯度尚达不到要求， 需要净化。粗氢气首先进入常温脱氧塔，在其中装填的型常温Pd 催化剂的催化下， 氧和氢反响生成水，然后经冷却器冷却至常温，再进入由两个枯燥塔、
18、一个预枯燥塔、一台分液罐、两台换热器等组成的等压 TSA 枯燥系统。经枯燥后的产品氢即可到达纯度 99.999%、氧含量小于 1ppm、露点低于-65的要求。等压 TSA 枯燥系统的工艺过程如下：脱氧后的氢气首先经流量调整回路分成两路。其中一路直接去枯燥塔，其中装填的枯燥剂将氢气中的水分吸附下来，使氢气得以枯燥。在一台枯燥塔处于枯燥的状态下，另一台枯燥塔处于再生过程。枯燥塔的再生过程包括加热再生和吹冷两个步骤。在加热再生过程中，另一路再生氢气首先经预枯燥塔进展枯燥，然后经加热器升温至 140160后冲洗需要再生的枯燥塔，使吸附剂升温、其中的水分得以解吸出来，解吸气经冷却和分液后再与另一路氢气回
19、合，然后去处于枯燥状态的枯燥塔进展枯燥。在吹冷过程中，再生氢气直接去处于再生状态的枯燥塔，将枯燥塔温度降至常温，然后再经加热器加热后去预枯燥塔，对预枯燥塔中的枯燥剂进展加温枯燥，然后经冷却和分液后再与另一路氢气回合， 最终去处于枯燥状态的枯燥塔进展枯燥。为提高装置的牢靠性和在线处理事故的力量，预处理系统设计旁路跨线，可以切除检修。工艺流程简图见附图4) 装置的主要技术特点 本装置牢靠的 TSA 预处理可有效脱除原料气中的重组分杂质，保证了 PSA 吸附剂的长期使用，提高了装置的适应力量，并且不会形成对环境的污染。 本装置预处理承受一段 TSA 净化，并且安排在压缩三段之后，因此投资省且不会有萘
20、堵塞问题。再生过程也不产生二次污染。 PSA 工序承受 5-1-3 流程，与经典的 5-1-2 流程相比增加一次均压次数，可以最少的吸附床实现了三次均压，提高了氢气回收率，降低了装置运行本钱。 本装置的顺放气缓冲技术，可避开传统冲洗再生流程中的二次污染问题，使吸附剂再生效果更好。 净化工序承受先进的常温脱氧工艺，可降低装置投资和运行费用。 本装置先进的 PSA 专用软件在某个吸附塔消灭故障时，可自动将故障塔切除，转入四塔操作，并且不影响处理力量，只是收率有少量下降。这一功能大大地提高了装置运行的牢靠性。5) 装置切塔后的运行参数5-1-3PSA 工艺操作机敏，可以组合多种运行方式，在计算机程序
21、把握下， 可五塔运行，需要时如消灭故障也可自动切换至实现四塔、三塔运行，这样就大大地提高了装置运行的牢靠性。切塔后的相关运行参数见下表。吸 附 塔流 程在线吸均压处理气量 氢气回产氢量 Nm3/h运行方式及相关运行参数表总 数附床数次数Nm3/h收率%五塔5-1-3132700831344.6五塔5-1-2122700811312.2四塔4-1-2122700751215.06)公用工程消耗序号项目规格要求单 位KWh/h消耗指标10使用状况备注220V50HZ连续照明、仪表用1电380V50HZKWh/h3.0连续压缩机用10KV50HZKWh/h450连续压缩机用2循环水 35 0.4 t
22、/h40连续0.5MPa.G3生活用水t/h1连续4饱和蒸气0.81.0Mpat/h0.5连续加热器用5仪表氮压力0.4MPaNm3/h50连续仪表及程控阀用6氮气压力0.4MPaNm3/次500连续开车置换用7)装置的把握功能7.1根本把握功能7.1.1 挨次把握本装置的挨次把握功能要求对全部程控开关阀进展牢靠的开关把握，保证各程控开关阀依据工艺给定的条件和挨次开关，实现PSA 装置的正常切换工作。全部程控开关阀均由进口防爆电磁阀驱动，全部程控阀均带阀位传感器。计算机可随时监控、显示全部程控阀的动作状况，并可对程控阀故障进展自动报警和联锁处理。挨次把握功能还可实现多种切塔和恢复的把握，运行多
- 配套讲稿：
如PPT文件的首页显示word图标，表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制：
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片，仅作为作品整体效果示例展示，禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词：
- 变压 吸附 装置 操作手册
淘文阁 - 分享文档赚钱的网站所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
限制150内