PSA装置的设备和管道布置探讨

康 斌

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

变压吸附法(PSA法)作为一种新型气体分离技术已逐渐得到广泛应用，其中，以PSA法制氢应用最多，根据杂质气体与氢气在吸附剂上吸附能力的差别，PSA法能从其他气体中分离出氢气。含氢的混合气体穿过吸附床层，杂质被多种吸附剂分别吸附，含量逐渐降低，最终得到合格的产品氢气。吸附剂吸附饱和后需要再生，通过将吸附塔的压力降低至尾气压力，并用高纯度的氢气反吹，使杂质解吸。采用变压吸附分离CO的方法最早是由德国林德公司提出，林德公司采用5A分子筛两段法分离，由于5A分子筛对CO与甲烷和氮气的分离系数较小，在原料气中氮气和甲烷含量较高时，为了提高CO纯度，需要大量的冲洗气量。与国外相比，国内的变压吸附技术起步较晚，特别是在PSA装置大型化技术方面较为落后，上世纪80年代前，我国的大型变压吸附装置完全依赖进口。为改变这种状况，上世纪80年代，西南化工研究设计院成功完成了变压吸附的国产化，且设立了国家PSA 技术研究推广中心。其后，依托西南化工研究院的原始技术，国内拥有PSA技术的工艺商逐渐出现。据不完全统计，截至目前，能提供PSA技术的工艺商达15家以上。技术实力雄厚、公司规模大的主要有3家，分别为西南化工研究设计院(成都天一科技股份有限公司)变压吸附分离工程研究所、成都华西化工研究所、成都天立化工科技有限公司。这三家在PSA领域专业逐渐细化，并各自形成独立的技术特点。天一科技偏重研究，产品较齐全，具有PSA制氢、制CO、制CO2、脱碳、浓缩乙烯、天然气脱烃、氯乙烯回收等技术，拥有PSA核心技术中气动程控阀门的技术。成都华西化工研究所PSA技术实力雄厚，产品较齐全，具有PSA制氢、制CO、制CO2、脱碳、制CH4、PSA制富氧、乙炔回收等技术；完成了计算机集成液压操纵技术和高性能三偏心金属密封程控蝶阀的开发工作，并合作研制成功了比国外制氢分子筛吸附容量更大、强度更高的新型制氢分子筛HX5A-98H和HXBC-15吸附剂以及富氧分子筛，实现了大型变压吸附装置国产化关键技术的突破，其程控阀门主要采用液压驱动，大口径阀门多采用自有专利的液压驱动三偏心蝶阀。

1 PSA装置的流程

以下以PSA提CO为例简单介绍流程：PSA提CO装置的作用是将CO 与H2、CH4、N2等其他杂质组分分离，得到CO 产品气。

净化后的转炉气进入PSA-CO 装置吸附塔，经过一定循环步骤后，吸附塔内合格的CO 通过逆向放压和抽真空方式排出吸附塔，进入产品气缓冲罐。一部分CO 作为产品气经压缩后送入后工序，另一部分CO 经置换气压缩机后用于置换吸附塔内残存的杂质组分。

根据总气量确定PSA提CO 装置采用若干个吸附塔流程，各吸附塔交替工作，从而达到连续分离提纯CO 的目的。在一个周期中，每个吸附塔依次经历吸附、均压降压、置换、逆向放压、抽真空、均压升压、预吸附、终充压等工艺过程。下面以其中一个吸附塔为例，对各个操作步骤进行简要描述。

(1) 吸附。净化后的转炉气送入PSA提CO 装置的吸附塔中，CO 被吸附，吸附尾气从吸附塔顶进入下游。

(2) 均压降压。吸附塔依次与低压的吸附塔连通，回收吸附塔内的有用组分。

(3) 置换。部分CO 产品气自吸附塔底进入吸附塔，置换出的杂质组分，经压缩后返回原料气入口。

(4) 逆向放压。吸附塔内的CO 纯度达到要求，打开吸附塔底部的逆向放压阀门，吸附塔压力降至常压，逆放气进入缓冲罐。

(5) 抽真空。真空泵对吸附塔进行抽真空，使被吸附的CO 得以彻底地解吸。

(6) 均压升压。用来自其他吸附塔的气体依次对该吸附塔进行均压升压，最终使相互连通的吸附塔的压力相等。

(7)终升压。用处于吸附步骤中吸附塔位置的吸附尾气，将吸附塔压力升至预定值。

按以上步骤，吸附塔完成了一个完整的吸附-再生循环过程，并为下一个循环过程做好了准备。每个吸附塔交替进行以上各步骤的操作，得到的CO 产品气经压缩后送入下游装置。

2 PSA装置的布置

PSA装置的主要设备有吸附塔、缓冲罐、换热器等。由于程控阀数量较多，且检修频繁，在进行装置布置设计时，不得不将程控阀组的布置作为重点考虑因素。吸附塔的顶部进口管线经过程控阀与十几根管线相连，底部出口管线经过程控阀与近十根管线相连。这意味着每台吸附塔与近20台程控阀以及近20根管道相关联。

每台吸附塔还配备一台真空泵对吸附塔进行抽真空，管线为负压，要求管道阻力降越小越好，因此要求相关管线尽量短，距离吸附塔尽量近。为了便于吸附塔中吸附剂的充装，吸附塔的一侧需留出检修通道和检修空间。因此，该装置的布局依次为吸附塔、程控阀、真空泵。

图1 某厂实拍

由于程控阀数量多，相关管束多，而且程控阀检修频繁，如何布置程控阀成为考虑的重点。吸附塔进出口的程控阀布置在吸附塔区域和真空泵区域之间，管束和阀门联合布置，需要踩着管道才能接近程控阀(见图1)，检修执行机构或阀体都比较困难。因此，考虑将程控阀和管束分层布置，程控阀层设置操作平台，上方设置吊点或者吊车，便于检修，程控阀操作平台下方布置管束。根据装置大小，确定吸附塔的进出口程控阀组集中在同一层或者将吸附塔进出口的阀组分别分布在上下两层。根据需要，确定是否设置真空泵检修吊车。两种布置方案见图2、图3。

图2 程控阀单层布置

3 厂房封闭问题

GB50016-2014《建筑设计防火规范》(2018年版)第3.6.1条规定，有爆炸危险的甲乙类厂房宜独立设置，并宜采用敞开与半敞开式。当项目地处高寒地区时，为了操作、检修以及保护设备的需要，业主经常希望封闭厂房，并配备采暖系统。作为设计方，需要关注安全问题，比如强制通风设施、逃生通道的设置、防火设计等是否满足规范要求。封闭后的厂房需要设置防爆通风，机械通风系统与室内探测报警联锁，为了在冬季保证室内采暖温度，机械通风设备在正常情况下为关闭状态，仅在气体报警后联锁开启。根据SH/T3004-2011《石油化工采暖通风与空气调节设计规范》第4.1.7条规定，补风系统应从清洁区域(即非爆炸危险区域)取风。当以上要求无法实现时，敞开布置将更加安全。

图3 程控阀分层布置

4 吸附塔平台

为了便于吸附剂装填，吸附塔顶需设置平台，而吸附塔为疲劳设备，设备筒体和封头上如果焊接平台或爬梯的支撑预焊件，将会导致局部应力集中，影响设备的使用寿命和安全。因此，操作平台、爬梯以及管架均不得生根在设备上，只能在塔的封头外挂钢带做披挂，所有支撑件焊接在披挂上。由于外挂钢带无法固定，如果上塔直爬梯的休息平台焊接在披挂上，必然不够牢固，增加了不安全因素，如果无法利用相邻的其他设备设置直爬梯，可考虑为此专门设置斜梯。另外，根据GB50160-2008《石油化工企业设计防火标准》(2018年版)的第5.2.26条，设备的构架或平台的安全疏散通道应符合下列规定：可燃气体、液化烃和可燃液体设备的联合平台应设置不少于2个通往地面的梯子(见图4)，作为安全疏散通道。

图4 吸附塔操作平台

5 结语

缘于较高的回收率、较低的工程和能源消耗，使得国内PSA技术在化工领域中的应用突飞猛进，已经逐步应用于大型工业装置中，不再只使用在废弃回收等小型装置上。因此，如何做好设备和管道布置，顺应PSA大型化的潮流，成为非常紧迫的课题。保证安全、节约占地、减少投资、便于操作、检修、人性化等要素，在满足标准规范的前提下，都是做好设备和管道布置的重要因素。