浅谈PSA变压吸附制氢工艺及优化

2023-08-20朱宇

中国设备工程 2023年14期

朱宇

（大庆油田化工有限公司甲醇分公司制氢车间，黑龙江大庆 163000）

近年来，我国的化工行业进步明显，各个化工企业为适应行业现代化的发展步伐，都越发关注工艺革新，希望通过现代化工艺克服传统工艺的不足，提升生产效率与质量。PSA变压吸附制氢工艺的流程多、要素多，其工艺应用效果与许多因素有关，化工企业内应用PSA变压吸附制氢工艺时应立足实际情况，创造良好的工艺条件，强化工艺中的流程把控。一些化工企业的PSA变压吸附制氢工艺中存在诸多技术不足，未来这些企业需加强工艺优化与技术改进。

1 影响变压吸附的主要因素

1.1 PSA 变压吸附制氢影响吸附能力的主要因素

PSA变压吸附制氢工艺中，吸附能力为衡量该工艺应用效果的关键指标，就实际的生产过程来看，吸附能力与诸多因素都有关，主要因素为：（1）原料气温度，这一因素与吸附能力有着紧密的联系，二者呈反比曲线，温度越大对应着越小的吸附剂容量，也就导致吸附、解吸、再生循环的效率大大提升，时间缩短，吸附塔的处理能力偏低。（2）原料气组分，企业中采用PSA变压吸附制氢工艺时使用的原料有一定差异，其差异主要体现在物质组分方面，如原料中的杂质含量超标，吸附塔的吸附能力显著下降，在工艺中为达到最佳的吸附效果，应选用低杂质原料。（3）操作压力，PSA变压吸附制氢工艺中压力与吸附量为正向变化的关系，压力越大吸附量越大，此时吸附塔有较强的处理能力，但解吸气的压力值越小，意味着吸附剂具有更强的再生能力，因此，吸附剂的动态吸附容量越大，吸附塔具有更强的处理能力。（4）氢气纯度，在PSA制氢工艺的吸附剂再生阶段，氢气损失较大，此时的吸附塔处理能力越强，对应的再生周期较长，而单位时间内的再生次数相对较少，在此关系下，如在工艺中减小氢气损失量，可提升整体效率。

1.2 PSA 变压吸附制氢影响氢气收率的因素

在PSA变压吸附制氢工艺中，氢气收率也是需重点关注的部分，但氢气收率同样与很多因素有关。首先，吸附时间与吸附气量有关，这两个参数为决定PSA制氢工艺产品收率、产品纯度的重要因素，生产中的吸附时间越长对应着更高的产品收率、原料气量，为此，每个吸附循环周期内吸收的杂质总量越大，氢气纯度越小，难以达到实际的生产需求。因此，在产品纯度、收率都达到要求时，原料气量越大越能缩短吸附时间，反之，则延长吸附时间。其次，吸附时间对氢气收率也存在或大或小的干扰，当在工艺生产中吸附的时间越长时氢气损失量越少，氢气收率更高，为此，有关企业在利用PSA工艺制氢时为创造更大的经济效益，需在确保氢气纯度不超标的情况下适当延长吸附时间，保障产品收率达到标准。最后，氢气收率也与吸附压力有关，PSA制氢工艺中的关键技术为变压吸附气体技术，在工艺流程中，如压力存在较大波动，混合气体分离将难以达到预期，因此，企业在利用PSA制氢工艺时需做好压力管理，动态监测压力的变化情况。

2 PSA变压吸附技术制氢工艺改进

2.1 增多均压次数

工艺生产环节最初二床流程中的一个吸附床负责吸附处理，另一个负责再生，两个吸附床之间维持交替工作状态。当按照有关规定完成吸附处理后，床内的死空间气体将随着压力降低而出现或大或小的损失，吸附压力越高，损失越大。现代化的生产条件下，各项生产任务中人们更为关注生产的经济性、环保性，因此，为最大化回收、利用吸附完时残留于吸附床死空间中的可用部分，需增加均压处理工序，变压吸附工艺吸附环节的吸附床中对应气体杂质浓度峰面未达到吸附床出口位置时，可立即停止吸附工序，将此吸附床与另一结束解吸、等待升压的吸附床相联通，与此同时，降低降压解吸吸附床的压力，增大有升压需求吸附床的压力，在这些工序下使两个吸附床的压力可维持在平衡条件下，完全回收吸附床中死空间范围内的氢气。

2.2 真空解吸工艺

在PSA变压吸附制氢工艺条件下对吸附床层压力的要求较高，只有在特定的压力条件下才能保障正常的生产任务。一般情况下，吸附床层压力可使其降至常压条件，但被吸附的有关杂质无法被全部解吸，面对这一情况，实际的生产作业中可采取以下两种方式再生吸附剂：利用产品气清洗床层，使解吸相对困难的杂质能在此条件下被冲下来，利用这一方式处理时完全可在常压条件下实现，且不需额外配置其他设备，但可能存在产品气体的损失，使产品气回收率难以达到预期；采用抽真空的方式再生，此方式下很难被解吸的杂质在负压条件下可被解吸，实际上为真空变压吸附（VPSA）流程，此方式下的再生效果相对理想，产品收率较高，如在实际的生产中原料气的压力偏低、有较高的回收率要求时更适合采用真空解吸工艺。

2.3 快速变压吸附（PSA）工艺

快速变压吸附为生产领域的新技术，这一技术与传统变压吸附有相似之处，但也有不同之处，就是利用规整化结构对应负载型吸附剂或者多通道旋转阀来提高其循环速度，确保此循环速度远远超出传统变压吸附，并减小有关设备的尺寸，利用这些方式降低设备投资成本，提高整个生产工艺的经济性。快速变压吸附装置在国内的许多炼油厂中都有较为成功的应用，特别是当炼油厂的污染物质含氢排气或者有更高进气压力的条件下，能大范围回收氢气。

2.4 复合型工艺应用

当前的化工市场上陆续出现了多种气体分离方式，工艺流程有所区别且各自都有其适用条件，化工行业内存在多种多样的分离任务，为达到最佳的分离效果，单独采用某一种特定的分离工艺难以达到预期，在具体的分离任务中应结合实际需求选择恰当的分离工艺。为此，相关企业在涉及分离任务时应综合多方面因素，从经济性、技术性、安全性等角度选择恰当的分离工艺或者选定分离工艺组合。在一些企业中应用了膜分离及变压吸附工艺，两种工艺结合后可发挥各自的优势，如膜分离技术下由于存在膜的选择渗透作用，在外部能量及化学位差条件下可分离有关混合物。气体膜分离技术下的分离由气体压力作用来实现，由于高分子聚合物薄膜对气体分子的渗透性各有不同，可在此作用下达到分离、提纯的作用。膜分离与变压吸附工艺对相比较，前一种工艺下的压力更大，在贫气原料中相对适用，但其产品气纯度相对偏低。为此，氢气含量偏低及压力偏高的气源条件下，一般应先实施膜分离处理，随后再由变压吸附来处理，整个工艺流程下的操作简单且成本投资低。

3 PSA变压吸附制氢装置优化

3.1 PSA变压吸附制氢装置脱碳单元的优化

PSA变压吸附制氢装置中经常存在CO2、CO和N2等组分，这些实际上都为杂质，为提高工艺应用效果，在脱碳环节就需处理这些杂质，以保障气体的回收效率，大大降低PSA变压吸附制氢装置的压力，从根本上保障氢气的回收率。实际的生产工艺中，有关人员要从根本上优化脱碳单元，需考虑以下方面：优化和调整PSA脱碳单元原料气的入口压力，在原料气压力偏高的情况下，更能保障吸附剂的吸附效果，使吸附塔有更好的处理性能；增大脱碳单元的原料气压力可同步增大CO2组分的分压，保障吸附剂的吸附性能。

3.2 PSA变压吸附制氢装置变换单元的优化

变化单元内存在化学反应，反应过程为CO+H2O=CO2+H2，结合其反应过程，可将原料气中的CO转变为所需的N2，在此方式下PSA变压吸附制氢装置中原料气的氢气浓度相对较高。结合生产经验，吸附水平与氢气回收率有着紧密的联系，在既定的吸附水平下，如原料气中的氢气越多、杂质越少，吸附塔将具有更强的处理能力，也就可保障氢气回收率；在原料气量和压力相等时，对比开变换和不开变换下PSA变压吸附制氢装置的氢气回收率，前者的氢气回收率明显高于后者。为此，变换单元对增强氢气回收率十分有效。

3.3 PSA变压吸附制氢单元的优化

实际的生产中为提高PSA变压吸附制氢工艺的应用水平，具体可从以下几个方面实施优化与调整，以形成更为完整且有效的工艺体系。

3.3.1 优化原料气吸附压力

当企业生产中应用PSA变压吸附制氢工艺时，理想状态下的压力一般保持在1.4MPa上下，在从实际的生产经验分析，一般无法达到这一压力数值，基本维持在1.2～1.3MPa，这一情况下，为提高氢气回收率，有关人员应在原有基础上适当增大制氢单元原料气的压力，以通过这一方式增强原料气中各种杂质的分压，保障吸附剂吸附杂质的性能。

3.3.2 优化吸附时间

PSA变压吸附制氢工艺下，吸附时间也是要关注的一个重点参数，当吸附时间合理时能保障制氢单元的高效运行。氢气中的N2组分含量较大，为此，整个生产环节N2组分为调节吸附时间的重要因素，具体的调节任务中，有关人员需严格参考氢气纯度理化结果，以保障吸附时间的合理性。如果在生产中负荷变化异常，制氢单元吸附时间的调节周期将相对较长，要调节到最佳状态也需消耗较长的时间，在此过程中易引起氢气组分的损失。为有效降低氢气组分的损失，相关人员在实际的生产中应加强分析与总结，对比不同负荷条件下的吸附时间变化情况，合理调节吸附时间。

3.3.3 优化产品纯度

产品纯度对PSA制氢工艺的应用效果也有直接影响，为增强制氢装置的运行可靠性，相关生产人员在实际的工作中应严格控制氢气纯度，使该指标处于相对正常的条件下，避免纯度过高或过低所引起的生产问题。结合行业内氢气纯度、吸附时间等的研究，发现当氢气纯度超过99.98%的情况下，吸附时间应随之增加4s；如氢气纯度为99.92%～99.98%，吸附时间增加减小，应为2s；氢气纯度在99.88%～99.92%时，吸附时间应增加1s；氢气纯度低于99.80%时吸附时间维持原状。

3.3.4 优化操作系数

PSA变压吸附制氢工艺下的操作系数设置是否合理关乎工艺水平，结合其工艺原理，低温条件下的吸附作用突出，高温下的解吸作用明显，因此，温度过高或者过低都难以达到最佳的工艺效果。从生产经验总结，PSA变压吸附制氢单元入口氢气温度应在40℃以内，为得到PSA变压吸附制氢吸附剂的最佳温度，实际的工作中相关人员应不断总结，以获得温度区间，如夏季和冬季的入口氢气温度不同，分别为20～30℃、30～40℃，只有维持在这一温度条件下，吸附剂的吸附和分离作用才能最好。依据甲烷含量所对应的氢气浓度、产氢量情况，操作系数的影响较为明显，如操作系数从0.68减小到0.64时，产氢量、氢气浓度虽有变化但幅度微乎其微；从0.64减小到0.63时氢气浓度增大，而产氢量减小；从0.63增大到0.64时，产氢量与氢气浓度虽有一定的变化，但变化幅度几乎可忽略不计；从0.64变为0.65时，氢气浓度减小，产氢量增大。