浅议PSA变压吸附制氢工艺及优化

张朋岗　王宝军

摘 要：在我国氢气工业生产过程中，PSA变压吸附制氢工艺占有十分重要的地位，这种工艺在我国石化、国防、冶金、医疗以及环境保护等方面都担负着至关重要的作用，具有十分广泛的应用意义。PSA变压吸附制氢工艺的制氢能力和氢气纯度在实际生产过程中会有诸多的影响因素，在开车过程中也会出现诸多问题，如何有效提升氢气产品的收率、增强吸附剂的吸附能力、优化工艺效率就成为了制氢工业企业所面临的主要课题。本文通过阐述PSA变压吸附制氢工艺的概念以及发展现状，深入研究PSA变压吸附制氢工艺制氢能力和氢气纯度的影响因素，对原有PSA变压吸附制氢工艺进行全面的优化和改造，进而全面提升我国PSA变压吸附制氢的生产效率。

关键词：PSA变压吸附制氢;影响因素;优化和改造

1 PSA变压吸附制氢工艺概述以及发展现状

1.1 PSA变压吸附制氢工艺概述

PSA，翻译成中文即为变压吸附，该项技术主要是针对气体进行吸附分离作业方面的应用，在我国工业生产以及化工生产过程中得到了广泛的应用。PSA变压吸附制氢工艺就是利用变压吸附技术和气体分离技术进行氢气生产的一种工艺，是一种应用和适用范围十分广泛的制氢技术。PSA变压吸附制氢工艺技术实质上是一种物理吸附分离技术，利用不同气体组分间吸附能力的不同而进行分离的一种方式，由于不同气体组分吸附能力上具有差异性，在实际生产过程中，生产工艺装置可依据不同气体的吸附作业特点进行针对性分析，以低温--高压--吸附，低压--高温解析的循环生产工艺进行氢气的提纯生产。由于PSA变压吸附制氢工艺是通过压差的变化进行氢气产品的吸附和再生，在应用生产过程中具有分离率高、能耗低的特性，且整体作业操作简单并效果良好，是当前我国制氢工业生产应用最为广泛的一种制氢工艺。

1.2 PSA变压吸附制氢工艺发展现状

PSA变压吸附制氢工艺在我国制氢工业生产应用中整体发展较好，但随着我国循环经济发展理念的提出，以及绿色环保生产标准的逐渐提升，PSA变压吸附制氢工艺在具体工艺技术方面逐渐展现出了应变不足的缺陷，在煤气处理、原料方面、原料气温度方面以及操作压力等方面出现了诸多问题。

2 PSA变压吸附制氢工艺的影响因素分析

本文研究的PSA变压吸附制氢工艺为8台吸附器和一系列的程控阀门组成，是一种8-2-4流程工艺，即：两座塔同时进料四次均压的八塔工艺，具体的工艺简图如下：

2.1 PSA变压吸附制氢影响吸附能力的主要因素

首先，原料气温度对吸附能力产生影响。原料气温度与吸附能力呈反比曲线，温度越高，则吸附剂的容量就越小，致使吸附、解吸以及再生循环的时间就越短，造成吸附塔的处理能力就越低;其次，原料气组分对吸附能力产生影响。PSA变压吸附制氢工艺会采用不同的原料，致使原料气中的CO、CO2以及烃类物质的组成比例大相径庭，一旦原料气中的杂质所占比例较大，就会对吸附塔的吸附能力产生影响，有害杂质含量较高时就会降低吸附塔的处理能力;第三，操作压力对吸附能力产生影响。通常情况下，PSA变压吸附制氢工艺的压力值越大，则吸附量越大，进而吸附塔的处理能力就越强，而解吸气压力值越低，则吸附剂的再生能力就越彻底，因此，吸附剂的动态吸附容量就越大，吸附塔的处理能力也就越强;第四，氢气纯度对吸附能力产生影响。氢气的损失在整个PSA制氢工艺环节中主要来源于吸附剂的再生阶段，吸附塔的处理能力越强，则再生周期所需的时间就越长，再生次数则在单位时间内的次数就越少，氢气损失量降低则必然导致工艺氢气整体收率的提升。

2.2 PSA变压吸附制氢影响氢气收率的影响因素

首先，吸附时间与吸附气量的关系。吸附时间和吸附气量是决定PSA制氢工艺产品收率和产品纯度的主要参数，吸附的时间越久，则产品的收率就越高，而原料气量越大，则每一个吸附循环周期所吸收的杂质就越多，氢气的纯度就越低，因此，在保障产品纯度，提升收率的前提下，原料气量大就缩短吸附时间，原料气量小就延长吸附时间;其次，吸附时间对氢气收率产生影响。吸附的时间久则代表氢气产品的损失就越少，氢气的收率就高，因此，在实际生产过程中，企业要想提升生产线的经济性就必须在保障氢气纯度不超標的前提下，最大限度的延长吸附时间，进而提升产品收率;第三，吸附压力对氢气收率产生影响。PSA制氢工艺的核心部分就是变压吸附气体技术，压力的变化对原料气混合气体的分离具有十分重要的影响，因此，压力变化数值是PSA变压吸附制氢工艺的关键参数。

3 PSA变压吸附制氢工艺的条件优化

3.1 变压吸附脱碳单元的优化

PSA变压吸附制氢工艺主要是对原料气中的CO、CO2以及氮气等杂质进行吸附脱除，为了提升有效气体的回收几率，提升杂质气体的去除率，降低变压吸附装置的运行压力，对脱碳单元进行如下优化：①优化脱碳单元原料气入口的压力，将原料气入口的压力值进行提升，利用压力值越高吸附剂吸附量越大的特点，来提升吸附塔的处理能力，提升CO2组分的分压，进而提升工艺对CO2的吸附能力以及回收率;②操作时序优化。将原有的T3+T4的工作计划调整为T4计划，并在4阀管线上连接一条冲洗管线并增加一台程控阀门，通过操作时序的优化来实现冲洗的连续性，进而提升脱碳单元吸附剂的动态吸附容量，全面提升氢气产品的收率。

3.2 变换单元的优化

对变换单元进行优化主要是增加一项化学反应环节，即：CO+H2O=CO2+H2，通过该反应可以将原料气中的CO组分转换成为氢气，进而提升原料气中的氢气组分含量，由于PSA变压吸附制氢工艺的吸附能力稳定，那么降低原料气中的杂质气体含量，提升原料气中的氢气纯度可以有效提升吸附塔的处理能力，进而提升氢气产品的收率。

3.3 变压吸附制氢单元的优化

①对原料气入口压力进行优化。当前PSA变压吸附制氢工艺在实际生产过程中的原料气入口压力多为1.2-1.3MPa，没有达到工艺设计的1.4MPa，因此，对制氢单元进气口的压力要进行优化提升，最大限度的达到设计标准，增强吸附剂对杂质组分的吸附能力，提升氢气产品的收率;②对吸附时间进行优化。由于氮气组分在氢气产品中的含量较高，因此，吸附时间的调整要以氮气数据值为主要依据，最大限度的增加吸附时间，进而提升氢气产品收率。在实际生产过程中，生产负荷会发生变动，PSA制氢单元要进行周期性的调整，然而现实中的调整周期往往过长，使得氢气产品的损失较大，吸附单元要依照不同的负荷制定最佳的调整周期和吸附时间，进而保障氢气产品的最大收率运转。

综上所述，PSA变压吸附制氢工艺是我国工业制氢生产中的重要内容，对我国石化领域、医疗领域、环保领域以及冶金领域都产生至关重要的影响。工业制氢企业要充分了解PSA变压吸附制氢工艺的具体内容，挖掘对变压吸附制氢装置产生影响的主要因素，进而通过分析问题而找到具体的优化措施，全面提升PSA变压吸附制氢工艺的高效运转和稳定运行，提升氢气产品的收率，提升我国工业制氢的能力。

参考文献：

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