變壓吸附裝置均壓壓力及管徑計算的探討

劉來印 中化泉州石化有限公司 泉州 362103

變壓吸附技術(Pressure Swing Adsorption ，簡稱PSA)是一項用于分離氣體混合物并制取純氣體的技術［1］，具有適用氣源廣、產品純度高、工藝簡單、節能效果顯著等特點。該技術廣泛應用于:變換氣、焦爐煤氣、重整氫、煉廠干氣等含氫氣源中回收氫氣，變換氣脫碳，從富含一氧化碳混合氣中分離提純一氧化碳，天然氣凈化提純甲烷，煉廠干氣提濃乙烯，空氣分離制富氧、純氮等。

1 變壓吸附均壓壓力計算

1.1 變壓吸附過程描述

變壓吸附的基本原理是以吸附劑內部表面對氣體分子的物理吸附為基礎，利用吸附劑在相同壓力下易吸附高沸點組分、不易吸附低沸點組分和提高壓力時吸附量增加、降低壓力時吸附量減少的特性，在高壓力下將原料氣中的高沸點組分吸附、在低壓力下解吸被吸附的雜質組分使吸附劑獲得再生，通過周期性的壓力變換過程實現氣體的分離和提純。

變壓吸附均壓過程中吸附罐的壓力不斷變化，各個吸附罐之間相連管道中的流速隨著每次均壓時間的延長也在不斷降低。所謂“均壓”就是需降壓解吸的吸附床分別向需升壓的不同的吸附床充壓，需降壓解吸的吸附床壓力逐級下降，而需升壓的吸附床的壓力得到逐級升高，從而使吸附床降壓排出的有用氣體得到有效利用，均壓步驟的主要作用是回收吸附床降壓時排出的有用氣體［2］。通常對于降壓的吸附床這一過程叫做“均壓降”，對于升壓的吸附床這一過程叫做“均壓升”。

整個變壓吸附過程通常由吸附(A)、均壓降(多次，第N 次用END 表示)、順放(PP)、逆放(D)、沖洗(P)、抽真空(V)、均壓升(多次，第N 次用ENR 表示)和終充(FR)等步驟組成，根據雜質解吸的難易程度以及對產品純度和回收率的不同要求，上述步驟中的PP、P、V 可以少選或不選。通常情況下，提純氫氣為主的PSA 裝置多選擇沖洗步驟解吸，脫除二氧化碳為主的PSA裝置多選擇抽真空步驟解吸，由于變壓吸附過程壓力變化頻繁［3］，因而無論采取哪種解吸方式，均壓過程都是設計工作的核心步驟。

變壓吸附工藝方案(或稱“時序表”)通常用“總吸附罐數量-同時吸附的吸附罐數量-均壓次數/沖洗或抽空”來表示，如“8 -2 -4/V”表示總共有8 個吸附罐、2 個同時進料、4 次均壓帶抽真空解吸工藝流程。典型的8 -2 -4/V 變壓吸附時序表見表1。

1.2 均壓過程壓力計算

從表1 可以看出，每一個分步驟都有四個吸附罐在同時進行均壓，隨著相互均壓的兩個吸附罐之間壓力逐漸平衡，均壓步驟結束，接著進入下一個分步驟。

表1 8 -2 -4/V 時序表

以8 -2 -4/V 工藝過程為例，對均壓壓力公式進行推導。8 -2 -4/V 共有12 個壓力，即A、E1D、 E2D、 E3D、 E4D、 D、 V、 E4R、 E3R、E2R、E1R、FR，而當均壓和終充過程達到壓力平衡，即均壓降等于均壓升(END =ENR)、終充等于吸附(FR =A)的壓力時，整個工藝過程可簡化為7 個壓力，即A、E1D、E2D、E3D、E4D、D、V。

建立均壓方程如下:

通過(1) ～ (4)可以求解出每個均壓值。同理，對于M 次均壓的第N 次均壓值經過推導可以得出其均壓壓力的計算公式如下:

在上述變壓吸附工藝中每次均壓的壓差△P 相等，計算公式如下:

值得注意的是，公式(5)、 (6)適用于不含順放或順放在均壓結束之后的情況。對于順放發生在均壓過程中或帶中間罐等特殊復雜工藝，需按照時序表單獨推算。

2 變壓吸附均壓管徑計算

2.1 均壓流速的定性分析

以表1 中的吸附罐A 和吸附罐D 為例，在第3周期第1 步，兩個罐進行均壓期間，罐A 壓力從A降至E1D、罐D 壓力從E2R 升至E1R，當均壓剛開始時，兩個罐壓差最大，此時均壓線速度也最大，而當兩個罐壓力接近平衡時，均壓線速度則最小。可見，在罐A 和罐D 進行均壓的過程中，均壓管道內的氣體流速是不斷變化的。

在變壓吸附均壓管道的設計過程中，必須考慮管道內氣體流速變化帶來的影響，選擇合適口徑的管道和閥門，以取得良好的技術經濟效果。

2.2 均壓管徑與平均線速關系推導

以罐A 為例，吸附罐體積為V (m3)，均壓平衡時間為t (s)，管道通徑為D (m)，平均線速為L (m/s)，均壓初始壓力P1(Pa)，均壓結束壓力P2(Pa)，均壓氣量為Q (m3)。

由于變壓吸附過程近似等溫，不考慮溫度變化，氣量與壓力的關系結合通用狀態方程積分可得:

氣量與平均線速的關系如下:

結合公式(7)、(8)可得出均壓管徑及平均線速度的計算公式分別如下:

3 實際應用分析

3.1 某兩套裝置開車數據

表2 和表3 分別為已投產運行的Z 和J 兩套變換氣凈化裝置(均為8 -2 -4/V 工藝方案)均壓過程的相關開車數據。

表2 Z 裝置8 -2 -4/V 流程開車數據

表3 J 裝置8 -2 -4/V 流程開車數據

3.2 均壓壓力比較

已知吸附壓力A 和抽真空壓力V，逆放壓力根據經驗取0.03MPa(G)，根據公式(5)可以分別求得每次均壓的理論值，將實際開車數據與理論值進行比較，結果見表4。

表4 8 -2 -4/V 均壓壓力的開車數據與理論計算值比較表(MPa (G))

從表4 可以看出，每次均壓壓力的實際開車數據比理論值偏低0.04 ～0.19 MPa 不等，而根據公式(6)計算的每次均壓的△P 也才只有0.24 MPa(Z 裝置)和0.29 MPa (J 裝置)，如此大的偏差顯然不是裝置泄漏引起的。

為了找出造成偏差的原因，下面以表1 中的吸附罐A 和吸附罐D 在第3 周期第1 步的第一次均壓降(E1D)和第一次均壓升(E1R)為例，對上述兩套裝置的實際運行情況進行分析。該步驟的均壓過程中，吸附罐A 在進行E1D 后，壓力從吸附壓力A 降至E1D，吸附罐D 在進行E1R 后，壓力從E2R 升至E1R。將此次均壓的壓力降與壓力升的壓力差進行比較，可得出第一次均壓降E1D與第一次均壓升E1R 兩個△P 的比值:

Z 裝置:

J 裝置:

同理，可以進一步得出其他幾次均壓△P 的比值:

Z 裝置:

J 裝置:

由此可見，每次均壓的降壓壓力都比升壓壓力高，即均壓降數值實際上不等于均壓升數值，這正是造成理論計算值與實際數據偏差的原因。

根據經驗，同一次均壓過程中的降壓壓力比升壓壓力高的現象具有普遍性。從變壓吸附工作原理分析:一方面，降壓過程中吸附罐的初末期平均壓力比升壓過程中吸附罐的初末期平均壓力高一檔，即兩個相互均壓的吸附罐所處的狀態不同、過程也不互逆;另一方面，升壓步驟均發生在吸附劑剛剛再生好的吸附罐中，相對于降壓步驟正在解吸的吸附劑吸附容量更大。這兩方面原因的作用造成在均壓時降壓的壓力比升壓的壓力要大的現象。

3.3 吸附放大系數

為了定量地描述在均壓過程中，同等氣量氣體在相同容積吸附罐中引起壓力降低和升高數值不等的現象，需要引入“吸附放大系數”概念。吸附放大系數(λ)，指相同壓力下某種氣體在裝滿某種吸附劑的吸附罐中的摩爾量與其在相同容積空吸附罐中的摩爾量之比，吸附放大系數與吸附容量的大小成正比。

均壓計算中比較常用的是相對吸附放大系數(λ’)，它指相同摩爾量的某種氣體在兩個相同容積吸附罐之間均壓時，降壓壓差與升壓壓差的比值，該比值越大，說明升壓過程相比于降壓過程的吸附容量越大、相對吸附放大系數越大，例如λ’E1R=△PE1D/△PE1R。

當氣體組成、吸附劑類型、吸附罐容積和產品指標相同時，吸附放大系數由均壓初、末期壓力決定，即λE1R=λE2D。由此，可計算各個均壓過程的吸附放大系數。

根據經驗，取吸附至第一次均壓結束階段的絕對放大系數λE1D=1.20，結合本節3.2 中計算的相對放大系數數據，計算出8 -2 -4/V 工藝中各步驟的絕對放大系數見表5。

表5 8 -2 -4/V 各步驟的放大系數λ 值

在變壓吸附過程中，逆放(D)是直接由吸附罐對著緩沖罐(里面未裝吸附劑)泄壓的，因此也是最容易理解和校對吸附放大系數的步驟。以表5 逆放(D)為例，可知λD=3 (或4)，即在逆放步驟，吸附罐每降壓0.1 MPa，相同容積的緩沖罐將升壓0.3 MPa (或0.4 MPa)。

可見，盡管吸附罐中裝滿了吸附劑，但其儲氣容量卻遠大于沒裝吸附劑的容器，這也間接證明氣體分子在吸附劑表面吸附時以近似液態形式存在。

3.4 平均線速度公式修正及實際開車數據分析

引入吸附放大系數λ 修正均壓氣量后，平均線速度公式(9)修正為:

結合表2 和表3 中的開車數據，按照式(11)可以計算出Z 裝置和J 裝置開車時的實際平均線速度，見表6。

表6 8 -2 -4/V 各步驟均壓的平均線速度(m/s)

表6 中，E4R 的平均線速最大，除E4R 外的其他均壓線速相對比較接近(平均值為76m/s)，D 和V 的平均線速最小。E4R 平均線速最大的主要原因是均壓時，該吸附塔剛剛再生完畢(λ 較大)且處于負壓狀態，因此進行E4R 的吸附罐內部能夠相對較長時間保持高壓差;D 和V 平均線速最小的原因主要是受相應吸附塔中吸附劑所吸附雜質的解吸速率制約。

3.5 管徑計算公式修正與應用注意事項

引入吸附放大系數λ 修正均壓氣量后，管徑計算公式(10)修正為:

下面以8 -2 -4/V工藝方案為例，說明在已知吸附罐體積、吸附壓力和抽真空壓力的情況下，公式(12)中的五個變量參數的選取:

(1)吸附放大系數λ，根據表5 分別對不同均壓選取不同的值。

(2)均壓初P1、末期壓力P2，按公式(5)計算后，結合表4 修正。

(3)平均線速度L，根據表6 分別對不同均壓選取不同的值。

(4)均壓時間t，每個均壓步驟通常可取20s左右［4］。

按照上述方法，可以計算出管徑(D)的數值。在實際工業應用中，由于變壓吸附管道一般選擇價格較低的碳鋼［3］，而程控閥價格相對較高，因此最終確定管道和閥門通徑時往往將管徑適當放大而閥門通徑適當減小，以期在滿足技術要求的前提下降低投資。

需要注意的是，由于吸附放大系數和平均線速受均壓壓力、均壓氣體組成、吸附劑類型、產品指標質量要求和吸附劑再生方式等影響，且均壓初、末期壓力計算值也需根據經驗修正，因此上述變量參數的適用范圍有限，在具體設計中應綜合考慮并選擇合適的參數。

4 結語

綜上所述，在變壓吸附設計過程中，可利用吸附放大系數、平均線速等數據，按照本文相關公式，結合經驗對均壓壓力進行修正和對均壓管徑進行計算。本文相關公式也可用于變壓吸附裝置現場開車數據的分析。

1 魏麗婷等. PSA 制氫工藝管網中均壓過程的仿真［J］. 西華大學學報:自然科學版，2006，25 (4):52 -54.

2 湯 洪. 變壓吸附裝置中均壓設計的討論［J］. 化工設計，2003，13 (1):15 -18.

3 李衛鋒，牛 韌. 變壓吸附單元管道設計探討［J］. 煉油設計，2002，32 (9):39 -41.

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