提高PSA提氢装置经济运行的研究

段洪飞

(河南开祥精细化工有限公司 ， 河南 义马 472300)

PSA提氢装置由于操作简单、安全稳定、故障率低等特点，已在化工企业内得到广泛的应用。通过对其在开车过程、运行期间及综合设计等三个方面进行总结分析，以提高其运行的经济性。

1 缩短PSA提氢装置的开车时间

PSA提氢装置在开车过程中，为了获得合格的产品，需要长时间地放空不合格的产品，以置换吸附塔及管道内部的氮气，此过程操作方法不同所使用的时间也不同。通过长期对PSA提氢装置的操作与分析，系统总结出适用于所用装置的开车方法，计算出开车所用的时间。

本次进行试验的一套PSA提氢装置，提氢能力为12 000 Nm3/h，共14台吸附塔，4塔同时参与吸附，5次均压，单台吸附塔的吸附时间为60 s，工作压力2.9 MPa，开车时塔内氮气压力为0.05 MPa。正常的开车步骤产品气合格需要3～4 h，通过此方法开车时间可以控制在1 h左右。具体方法介绍：①氮气置换合格后，启动PSA提氢装置自动控制系统开始运行，缓慢打开进口阀，根据前系统要求控制流量避免由于流量过大造成系统波动。②打开解吸气外送阀，始终保持产品气出口阀处于关闭状态。吸附塔10 min左右可以升到工作压力。③缩短吸附时间为最低60 s运行，加大解吸气的外送量。运行30 min后取样分析，产品气中的氮气含量<1%，45 min后取样分析，产品气中的氮气<100×10-6。达到下工段工艺要求，具备外送条件。④联系下个工段，打开产品气出口阀[1-2]。

本装置多次使用此方法进行开车，并在开车期间取样分析其结果均与上述数据一致。通过分析不难发现其中原理，关键在于产品气出口阀何时打开。

2 延长PSA提氢装置运行期间的吸附时间

操作PSA提氢装置的技术人员知道，通过调整吸附塔的吸附时间，可获得不同纯度的产品氢气。为得到高纯度的产品氢气，势必要减少吸附塔的吸附时间。然而吸附时间减少，意味着吸附塔在单位时间内再生次数的增多，增加了程控阀的开关频次，缩短了阀杆填料的使用周期，造成填料处漏气，需要进行更换，但其难度较大。①工艺置换十分困难，甚至需要整套装置停车置换；②程控阀结构较为复杂，内部零件很多维修技术要求较高；③原厂生产的填料价格昂贵，增加检修费用。因此，通过延长吸附塔的吸附时间，可有效地延长程控阀的使用周期，降低检修费用。寻求如何在保证产品氢气纯度的同时，最大程度地延长吸附塔的吸附时间，是提高PSA提氢装置经济运行的最佳方法。

PSA提氢装置通过在线仪表连续监测，以确保产品气的纯度稳定在规定的范围内。通过对PSA提氢装置研究发现，延长吸附时间的最关键因素是寻找最佳的监测点。目前设计均为产品气出口管道，通过取样分析发现最佳监测点为顺放罐进口管道。

目前，PSA提氢装置氢气纯度在线检测仪表一般安装在产品氢气出口管道上。为了实现其经济运行，在延长吸附塔的吸附时间时，若出现氢气纯度降低，通过降低吸附时间，短时间内可能无法恢复产品氢气的纯度。因为吸附剂在完成吸附平衡后，仍有大量的杂质不能被吸附剂所吸附而进入到产品气缓冲罐内，当在线监测仪表监测到产品氢气纯度降低时，多个吸附塔以及产品气缓冲罐已全部被杂质气污染，这时需要使用大量的氢气进行置换，吸附塔置换合格后才能置换产品气缓冲罐，产品氢气纯度在较长时间内才能恢复，所以选择在产品氢气出口管线上对纯度进行检测，其结果滞后不利于吸附时间的调整[3]。

通过对PSA提氢装置整个运行过程进行观察，发现吸附塔顺放时，是最后一次由塔顶向外送气，且在一个吸附周期内只有一台吸附塔在顺放。将氢气纯度在线监测仪表安装在顺放罐进口管道上进行监控，可以瞬时反应单台吸附塔的吸附情况，及时调整吸附时间，确保产品氢气纯度不受影响。因为在发现氢气纯度下降，只是单台吸附塔有少量的杂质气脱离吸附剂进入顺放气缓冲罐，一般情况下多台吸附塔对应一台顺放气缓冲罐，对整个PSA提氢装置的运行造成影响，只要及时降低吸附时间即可控制产品氢气纯度，稳定最佳吸附时间，从而实现PSA提氢装置经济运行。通过检测点的变更，可以准确地确定其最佳吸附时间，同时便于员工操作及调整，稳定产品气纯度[4]。

3 合理的综合设计及程控阀选型

3.1 解析气的综合利用有利于PSA提氢装置的经济运行

PSA提氢装置是通过降低吸附塔内的压力完成吸附剂的再生，解析气压力越低，吸附剂再生越彻底，吸附剂的动态吸附量越大，越有利于经济运行。为了降低解吸气压力，PSA提氢装置通过增加真空泵已实现降低解吸气压力的目的，并将解吸气送去火炬系统。这样一来，解吸气不但没有回收利用，反而又增加了相应的设备投资以及后期运行费用，不利于装置的经济运行。解吸气的回收利用是提高PSA提氢装置经济运行的最佳手段。通过增加解吸气压缩机，在降低解吸气压力的同时又可以提供不同压力等级解吸气，满足其它工艺的需求，实现解吸气的综合利用。根据解吸气成分的不同，经过加压后可以作为燃料气使用，也可以送入工艺系统合成甲醇等化工产品，实现最大经济价值。

3.2 程控阀的正确选型可降低维护费用

程控阀作为PSA提氢装置最重要的设备，其选型的正确性是影响运行后维护成本的重要因素。目前程控阀一般有两种：一种是气动式蝶阀，另一种是油动式截止阀。下面对其优缺点分别进行分析，以提供合适的选型，达到降低维护成本的目的。

①气动式蝶阀型程控阀。具有结构简单、价格较低、运行费用低，便于维修等优点。缺点较多，如：体积较大、开关速度较慢、密封性差、开启压差偏小等。为了降低设备投入，在设计时气源选用工厂空气，由于其压力较低，为了满足开关时间的要求，执行机构较为庞大，所需安装位置较大。适用于工作压力较低，产品气纯度要求不高，建设面积较大的装置使用。②油动式截止阀。具有结构复杂、价格较高、维修难度大、渗油现象较多卫生难以打扫等缺点。优点如：体积小、开关速度快、密封性好、运行费用低、无开启压差等。由于执行机构较小，需要较高的传动油压，增加液压油站以提高油压。推荐适用工作压力较高，产品气纯度要求较高，建设面积较小的装置使用。

4 结论

通过对PSA提氢装置在开车工程中缩短其时间，减少置换时气体的排放，以节约开车成本；在运行期间通过对不同检测点的分析，寻找最佳的监测点，可以有效地推算出合理的吸附时间，减少程控阀的开关频次，节约运行成本。根据实际情况进行综合设计以及对不同形式的程控阀的优缺点进行介绍，为其设计提供选择的方向，为后期的运行、检修节约维修成本。同时，通过对10年来PSA提氢装置的操作经验总结，以便其他技术人员进行交流学习。