PSA技術在丙烷脫氫尾氣精制氫氣過程中的應用

郭萬冬，張瑜

（天津渤化石化有限公司，天津濱海新區300452）

丙烷脫氫制丙烯工藝中，生成產品丙烯的同時，副產同等摩爾量的氫氣，混合在乙烷、乙烯、一氧化碳、甲烷等的混合尾氣中，如采用適當的分離手段，可獲得大量的高純度氫氣，做為產品出售能獲取更大經濟效益。PSA做為高效低能耗的氫氣提純技術，被優先考慮應用在丙烷脫氫尾氣提純氫氣的工藝中，實際運行考察效果良好。

1 PSA變壓吸附原理

1.1 概述

PSA即變壓吸附技術（Pressure Swing Adsorption.簡稱PSA），是一種新型氣體吸附分離技術，與膜分離法、低溫分離法相比，其具有能耗低、可靠性高、操作維護簡便、自動化程度高和產品純度高等諸多優點，被廣泛應用于化工、能源、冶金和環境等各個工業領域。

1.2 PSA變壓吸附原理

PSA變壓吸附是以多孔性固體吸附劑（吸附劑是分子篩和活性炭，通常兩種吸附劑組合使用）內部表面對氣體分子的物理吸附為基礎，在兩種壓力狀態之間工作的可逆的物理吸附過程，它是根據混合氣體中雜質組分在高壓下具有較大的吸附能力，在低壓下又具有較小的吸附能力，而理想的組分H2則無論是高壓或是低壓都具有較小的吸附能力的原理。在高壓下，增加雜質分壓以便將其盡量多的吸附于吸附劑上，從而達到高的產品純度。吸附劑的解吸或再生在低壓下進行，盡量減少吸附劑上雜質的殘余量，以便于在下個循環再次吸附雜質。

1.3 PSA變壓吸附適用范圍

適用于采用PSA進行分離的混合氣體應具備如下特點：混合氣體中各組分必須是在相同的吸附壓力下具有不同的吸附能力，不希望的組分應當是在較高的壓力下具有較大的吸附能力，而在較低的壓力下，又具有較小的吸附能力。吸附能力相差越大便越容易分離。而希望的組分應當是非吸附性的，或吸附能力很小，且隨壓力變化吸附能力變化不大。

1.4 PSA變壓吸附的吸附順序

分子篩對一般氣體的吸附順序是：

活性炭對一般氣體的吸附順序是：

1.5 分子篩和活性炭的區別

活性炭對二氧化碳的吸附能力很大，而且吸附量隨壓力的升降變化十分明顯，是二氧化碳的良好的吸附劑，分子篩則不然，它在低壓下就大量吸附二氧化碳，而且隨壓力升高吸附量變化不明顯，在低壓下脫附困難，故不能作二氧化碳的吸附劑?；钚蕴亢头肿雍Y都可用作一氧化碳的吸附劑，活性炭的高壓吸附量比分子篩的大，低壓脫附容易，但是分子篩的吸附能力更強，適用于要求產品中一氧化碳很低的情況。分子篩和活性炭都適于在PSA中吸附甲烷，它們在壓力變化幅度相同時，平衡吸附量的變化基本相同，而分子篩對甲烷的吸附能力更強。

2 丙烷脫氫工藝中氫氣的產生

2.1 丙烷脫氫流程圖

圖1

2.2 丙烷脫氫產生氫氣的機理

丙烷脫氫的主反應：

丙烷脫氫副反應：

從丙烷脫氫的反應過程可以看出，主反應與副反應均有氫氣生成，結合生產實際，生產過程中產生的氫氣的摩爾量與生成的丙烯摩爾量大致相等，以某600KTA產能丙烷脫氫裝置為例，年可副產氫氣28000多t氫氣，折合體積流量在40000Nm3以上，有很大的提純利用價值。

3 丙烷脫氫尾氣提氫PSA裝置的應用

3.1 PSA設計概述

以國內某600KTA產能丙烷脫氫裝置為例，設計PSA達到將副產氫氣提純成高純氫的能力，具體工藝流程如下：

該PSA裝置處理能力大于55000Nm3原料氣，開工率8000h/a以上，操作彈性（對原料氣）30%～115%，裝置由10臺吸附塔、一臺順放氣罐、一臺逆放氣罐、一臺解析氣罐、和一臺原料氣緩沖罐組成；另銜接丙烷脫氫主裝置，配套原料壓縮機25000Nm3處理能力以上兩套為PSA提供3.0MPaG的吸附壓力，解析氣壓縮機15000Nm3處理能力以上一套為尾氣增壓至0.4MPaG壓力回燃料氣系統。

3.2 PSA工藝過程

該裝置共由10臺吸附塔組成，吸附塔的整個吸附與再生過程通過83臺高可靠性程控閥門按一定的工藝步序和順序進行開關來實現的。每個吸附塔都執行13步的步序操作，即吸附、一均降、二均降、三均降、四均降、順放、逆放、沖洗、四均升、三均升、二均升、一均升、產品氫終升等。正常運行時為10-2-4模式，即10塔運行，2臺始終處于吸附狀態，4臺吸附塔在均壓階段，其余4臺處于其它的再生不同階段。出現局部故障時可自動或手動切塔運行，切塔后可自動9-2-3、8-2-3、7-2-2、6-1-2、5-1-2模式運行，但若要保持純度不變，處理能力將相應減小。

3.3 原料組分

圖2

3.4 產品氫指標

經過10000 h以上的運行后，總結相關產品分析數據，均能達到既定的產品指標要求。

4 結語

隨著國家對環境保護力度的不斷加大，清潔能源的應用得到社會各界越來越多的重視。氫能做為環境友好的零污染潔凈能源，有著非常廣闊的應用前景。丙烷脫氫制丙烯工藝中副產的大量氫氣是難得的氫原料資源，提制高純氫條件充分可積極開發。本文就PSA技術在丙烷脫氫工藝尾氣精制氫氣領域給出一個成功的應用案例，可為本行業同類裝置的氫氣制取提供可靠的參考和借鑒。