变压吸附(PSA)氢气提纯装置运行工况研究

王璐（中国石油广西石化公司）

一、装置概述

中国石化的变压吸附(PSA)氢气提纯装置的其设计规模为氢气产量90000m/h，原料气的处理量达到120000m/h，氢气回收率达到96%，其操作弹性值达30%--120%。

本公司使用的变压吸附(PSA)氢气提纯装置跟当前我国同类装置进行比较，具有如下的特点：

1.产品纯度高。根据需要，产品氢的纯度可以达到99.9%，甚至更高。

2.工艺流程简单。变压吸附法可以一步将各种杂质组分脱除而获得纯氢，因此相应的占地面积较小。

3.原料适应性强。对于炼油厂中大部分含氢气源，可以直接采用变压吸附的办法予以提纯。

4.操作弹性大。变压吸附的操作弹性一般可达30%～120%。

5.操作简便。变压吸附装置的设备简单，且全部是自动化操作，开停车只需0.5～2h。

6.吸附剂寿命长。变压吸附一般在常温和中、低压力下进行，且正常操作下吸附剂可与装置同寿命。

二、原料与产品

这一装置于原料设计上确定为中国石化某分公司的原料为重整氢、加氢精制、加氢裂化和二期的渣油加氢脱硫装置冷低分气的混合气，其输出的产品是氢气以及解吸气。笔者经过12月13日6时，22时，以及12月12日10日是，三个不同的时间段对标定期间原料气以及尾气组成的数据进行分析，具体结果如下：

标定期间的原料气的分析项目及平均组成（vol%）包括：

C6+（0.08）、丙烷(1.96)、丙烯(0.14)、异丁烷(0.49)、正丁烷(0.23)、乙炔(0.00)、反丁烯(0.00)、正丁烯(0.00)、异丁烯(0.01)、顺丁烯(0.00)、异戊烷(0.09)、正戊烷(0.03)、1，3-丁二烯(0.00)、丙 炔 (0.00)、二 氧 化 碳(0.00)、乙 烯 (1.10)、乙 烷(2.19)、氧 气(0.13)、氮气(0.57)、甲烷(2.49)、一氧化碳(0.00)、氢气(90.49)。

标定期间的尾气的分析项目及平均组成（vol%）包括：

C6+（0.42）、丙烷(10.74)、丙烯(0.11)、异丁烷(2.86)、正丁烷(1.36)、乙炔(0.00)、反丁烯(0.01)、正丁烯(0.01)、异丁烯(0.05)、顺丁烯(0.01)、异戊烷(0.52)、正戊烷(0.19)、1，3-丁二烯(0.00)、丙炔(0.00)、二氧化碳(0.00)、乙烯(0.02)、乙烷(18.08)、氧气(0.28)、氮气(1.55)、甲烷(12.33)、一氧化碳(0.00)、氢气(51.46)。

同时笔者以12月12日与12月13日从0：00开始，全天每两小时计算一次提纯情况，其中，12月12日纯度最高值为100%，最低值为99.5%，平均纯度为99.85%；12月13日纯度最高值为100%，最低值为99.5%，平均纯度为99.85%。

三、装置运行工况及解决措施

这一装置在2010年的10月份一直运行到2014年7月份，在运作过程中一共出现5次开停工情况，其中因为计划停工占了3次，因为装置吸气压缩机电机电流过高出现的停工占了1次，因为催化剂被击穿造成氢气纯度过低出现的停工占了1次。

1.氢气纯度过低

PSA1程控阀内漏较多。由于PSA1程控阀设计缺陷，造成部分程控阀门不能完全关死，泄露比较严重，进而造成吸附剂特别是分子筛被污染，影响产品纯度；压缩机入口密度小，压缩机吸不上量，为保证解析压力不过高，压缩机入口需要有间断放空同时也损失一部分尾气；一部分氢通过泄露阀进入运行塔中，运行塔解析时氢气进入尾气中损失掉，产品氢收率随之降低。

2.装置大负荷运行存在的问题

在装置大负荷运行期间，存在如下问题：

（1）程控阀漏油情况频繁，部分时刻漏油还比较严重，修阀的过程中需要切除吸附塔，给操作造成的波动；

（2）部分程控阀填料泄露严重，为了维持装置生产，不得不在程控阀填料压盖上打卡子，虽说能够短期维持装置生产，但由于所打的卡子没有经过设计和检测，安全隐患较大。

3.解吸气压缩机出现不上量的情况

PSA1解吸气压缩机K101型式为离心式压缩机。离心式压缩机的特点是对分子量的变化比较敏感，而PSA1在调整吸附时间时就会造成尾气中的氢含量变化，影响尾气的分子量，根据操作经验，当尾气的分子量降低到10左右时，K101就完全不上量了，具体表现就是出口流量为0，入口憋压，只能将PSA1的尾气放入低压火炬系统，造成较大的生产波动，且对设备有损坏，此外，对于解析气的回收利用有较大浪费。针对此问题，本装置在2013年大检修期间，通过在压缩机入口新增一催化干气线，来提高压缩机入口气体组分分子量，大大减少了压缩机不易上量的问题。但如有可能，在未来改造时将压缩机型式由离心式改为往复式，就可以彻底解决这一问题。

4.产品质量说明

在生产操作中，重整调整操作时造成PSA1入口进料量从50000Nm3/h极短时间内波动到110000Nm3/h，造成PSA1当时正处在吸附状态的两塔重烃穿透，使得PSA1的氢气纯度受到影响，从表3中可以看出，氢气纯度最低为99.5%，在此两塔同时吸附时，PSA1装置外送氢气的纯度就会下降，为了保证下游装置所用氢气的纯度和产量，在操作时不能把吸附时间降得太低，同时又要最大限度的回收氢气。而减少吸附时间在增加氢气纯度的同时会减少氢气的收率，本次标定过程中PSA1装置还要确保其它装置特别是聚丙烯装置的用氢纯度，故导致氢气收率低于设计90%的工况

5.原料气组成对吸附能力的影响

原料气组分的变化对吸附塔的处理关系影响很大。因为PSA1的吸附能力通常是由产氢量或者是原料量来衡量的，当原料气中氢气含量越高时，由于所需要吸附的杂质含量低，在吸附能力一定的情况下，吸附塔的处理能力越大；相反，原料气杂质含量越高，吸附塔的处理能力越小，严重时还会造成吸附剂的失活。

[1]纪志愿.氢提纯工艺的选择及其工业应用[J].炼油设计,1998,26(6):46-50.

[2]魏玺群,陈健.变压吸附气体分离技术的应用和发展[J].低温与特气,2002,20(3):1-5.