氫氣PSA凈化系統在HDPE裝置的應用及優化

【摘 要】本文介紹了氫氣PSA凈化系統的精制原理及其在中沙（天津）石化有限公司HDPE裝置的應用情況。探討了氫氣PSA凈化系統的優化過程及結果，確定了最佳操作參數，達到了保證氫氣產品質量的目標。

【關鍵詞】PSA；氫氣凈化；高密度聚乙烯裝置；優化

變壓吸附技術（PSA）在我國得到快速發展。目前擴大氫的來源、開發新的制氫工藝及改進現有工藝，越來越受到石化企業的關注。而PSA技術已成為分離提純氫氣的有效途徑。PSA工藝與傳統制氫工藝相比，流程簡單、投資省，氫氣純度達99.9%，排量不到傳統工藝的10%，能耗低。

1 PSA氫氣凈化系統在HDPE裝置的應用

中沙（天津）石化有限公司HDPE裝置引進Ineos公司的Innovenes工藝，設計生產能力為30萬噸/年（8000小時/年），氫氣[1]作為分子量調節劑在聚合反應中使用氫氣作為配位聚合有效的鏈轉移劑被廣泛的應用于聚烯烴工業生產中用以調節聚合物的相對分子量，除此之外，氫氣還能導致催化劑活性的改變，對于不同的反應體系，對聚合速率有著一定的影響。

1.1 氫氣PSA凈化系統流程

100萬噸/年乙烯及配套工程項目所使用氫氣以乙烯裝置產氫氣為原料由管道送至HDPE裝置界區，經精制后的氫氣一路送至聚合反應器，另外一路送至聚丙烯聚合反應器。

氫氣PSA凈化過程中，原料氫氣（純度≥95%）在5.0MPa壓力、40℃溫度下經氣液分離器分離機械水后由下而上通過吸附床層，其中微量相對較強吸附組份C2+、CO、CH4、O2等均被吸附劑吸附，停留在床層內，未被吸附的產品H2從吸附床層上部流出，得到產品氣（純度≥99.5%）。

1.2 PSA（變壓吸附）原理

變壓吸附技術是以吸附劑（多孔固體物質）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高壓下吸附量增加（吸附組分）、減壓下吸附量減少（解吸組分）的特性，將原料氣在高壓力下通過吸附劑床層，相對于氫的高沸點雜質組分被選擇性吸附，低沸點組分的氫不易吸附而通過吸附劑床層，達到氫和雜質組分的分離，然后在減壓下解吸被吸附的雜質組分使吸附劑獲得再生，以于下一次再次進行吸附分離雜質。這種高壓力下吸附雜質提純氫氣、減壓下解吸雜質使吸附劑再生的循環便是變壓吸附過程。

2 優化過程

2.1 分析影響氫氣凈化效果的重要因素[2]

1）吸附劑

因PSA裝置雜質的脫除能力來源于吸附劑的處理能力，所以需要合理選用吸附劑，在使用過程中應注意保護吸附劑，延長使用壽命，保證吸附效果。

2）時間

在原料氣流量及其他工藝參數不變的條件下，延長吸附時間就意味著進入吸附劑床層的雜質量越大，因吸附量不變，故穿透進入產品氫的雜質量將增大，會導致產品氫純度下降；但是延長吸附周期會減少再生次數，氫氣回收率提高。所以在調整過程中，應綜合考慮。

3）壓力

吸附壓力越高，吸附劑對各種雜質的吸附量越大。在產品氫純度不變的情況下，還可以提高氫氣回收率。

2.2 吸附材料及填料

本凈化系統共有各類填料及吸附劑共5種，其中起主要吸附作用的為TSA-193，其他吸附劑也有一定的吸附功效，主要作用為支撐填料，防止升降壓造成翻床、吸附劑隨物料帶入下游系統。

2.3 操作時間的調整

TSA-193對甲烷的吸附能力很強，時間短、吸附量大，因該裝置以保證氫氣純度為目標，故參考如下幾點對運行時間進行了調整。

1）PSA裝置中的物料是動態運行的，靜態數據只能作為參考值，在時間調整中過程中，往往成倍增加。

2）國內已經建成并運行的氫氣PSA凈化裝置中壓力最高僅能達到4.0mpa.g，大多數此類裝置壓力為3.0-4.0mpa.g。在如此高的變壓吸附條件下，勢必會增加塔的臺數，以及增加升降壓次數。尤其是塔的臺數導致 “死空間” 增加，需要延長解吸附時間，進而需增加吸附時間。而脫除“死空間”中的微量雜質（ppm級別）要比脫除大量吸附雜質要難得多，也需要成倍延長吸附時間。

3）凈化后氫氣中的雜質（CO/CO2）含量要求達到1ppm，產品要求規格高。而CO穿透能力較強，吸附時間如果不夠會造成CO穿透至產品中，無法保證產品質量。

4）在保證產品質量合格的情況下，盡量延長吸附時間，提高氫氣回收率。因PSA變壓吸附是動態平衡過程，吸附劑適應新的平衡需要一個過程，調整速度慢，平衡一旦被打破，極易造成雜質穿透，吸附周期要恢復到比調整之前還要短。所以在調整過程中，每次調整幅度為1秒，調整間隔至少2天，間隔越長越好，必要情況下以月為間隔調整。

2.5 效果驗證

表5 原料氣及產品氣組分離線分析數據

2.6 延長吸附劑使用壽命的注意事項

1）吸附劑壓力的快速變化能引起吸附劑床層的松動或壓碎從而危害吸附劑。所以，在操作過程中要防止使吸附器的壓力發生快速變化。

2）進料帶水、帶油是危害吸附劑使用壽命的一大因素，所以進料氣要經過嚴格脫水，注意原料氣水分離器適時排水，避免發生液體夾帶。

3）進料組分不在設計規格的范圍內也會造成對吸附劑的損害，嚴重時可能導致吸附劑永久性的損壞。當進料氣出現高的雜質濃度時，應縮短吸附時間，以防止雜質超載。正常情況下吸附時間太短，則不能充分利用吸附劑，達不到應有的氫收率，造成浪費。

4）進料溫度過高影響吸附劑的吸附能力，易造成雜質超載，溫度過低影響再生，所以要保證進料溫度在要求的范圍內。

5）合理調整吸附時間，及時處理故障報警，防止發生雜質超載。雜質超載嚴重時，可導致吸附劑永久性損壞。

3 結束語

隨著技術人員的不斷摸索和總結，氫氣PSA凈化系統的運行越來越成熟，在氫氣PSA凈化系統的調試和優化階段，高密度聚乙烯裝置的生產操作沒有出現大的波動，生產平穩，各產品質量合格。因此氫氣PSA凈化系統的應用及優化措施，保證了氫氣的產品質量，達到了提高氫氣回收率的目標，方案切實可行。

【參考文獻】

[1]于鵬，徐玲，華靜，陳滇寶.氫氣在配位聚合中的作用[J].中國材料科技與設備，2009，6（03）.

[2]許慶本，高健康.變壓吸附提純氫氣及其影響因素[J].甘肅科技，2008，6：24（12）.

[責任編輯：程龍]