變壓吸附提氫裝置氫收率低的原因分析及改進措施

董震

摘 要：近年，興起了一種新型氣體分離技術，即為變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，簡稱PSA），其被廣泛應用于各大型化工工業生產中，其中變壓吸附提氫技術最早實現工業化。該技術是在上世紀60年代迅速發展起來的，而其中以變壓吸附法可從多種工業尾氣中制取純度（V%，下同）大于99.9%的氫氣。目前隨著世界能源的短缺，各國和各行業越來越重視低品位資源的開發與利用，加上各國對環境污染的治理要求也越來越高，使得吸附分離技術在鋼鐵工業、氣體工業、電子工業、石油和化工工業中日益受到重視。

關鍵詞：變壓吸附提氫裝置;氫收率低;改進措施

吸附分離技術是化工生產過程中一個重要的組成部分，由于這一工藝具有能耗低、運行成本小、自動化程度高等特點，在化工生產中的氣體分離中應用越來越廣泛，尤其是在制氫和氫氣提純生產中應用更加廣泛。

1 變壓吸附提氫裝置概述

變壓吸附分離技術的原理是利用吸附劑對氣體分子的吸附選擇性，具有在相同壓力下易吸附高沸點、強極性組分，不易吸收低沸點、弱極性組分的特性，實現氣體混合物的分離和吸附劑的再生。對同一種組分在高壓下吸附量增加（即吸附組分），低壓下吸附量減小（即解吸組分）。在吸附劑選擇吸附的條件下，加壓吸附原料氣中的CH4、C2H6、C3H8、C4、C5、C6等雜質組分，而氫氣等不易吸附的組分則通過吸附床層由吸附器頂部排出，從而實現氣體混合物的分離，而通過降低吸附劑床層的壓力使被吸附的CH4、C2H6、C3H8、C4、C5、C6等組分脫附解吸，使吸附劑得到再生，同時達到制取氫氣的目的。

2 變壓吸附提氫裝置氫收率低的原因分析

2.1 吸附時間的影響

理論上，延長吸附時間就意味著單位時間內的再生次數減少，再生過程中損失的氫氣也就減少，氫收率越高。但是，在同樣的條件下，吸附時間越長，進入吸附劑床層的雜質量也就越大，而受吸附塔大小和吸附劑裝填量的制約，吸附劑的動態吸附量是不會改變的，也就是說不能被吸附劑吸附而穿透吸附劑進入產品氫的雜質量也就會增大，如此勢必造成產品氫的純度下降。因此，變壓吸附提氫裝置的實際操作中，在保證產品氫純度的前提下，應盡可能延長吸附時間，以提高產品氫氣的收率，實現變壓吸附裝置的經濟運行。

2.2 均壓次數的影響

所謂均壓，就是將需降壓解吸的吸附塔內的氣體分別均給需升壓的吸附塔，使需降壓解吸的吸附塔壓力逐級下降、需升壓吸附塔的壓力逐級升高，從而使吸附塔降壓排出產品氫氣的一個過程。可見，增加均壓次數，可回收更多的產品氫氣，氫氣收率得以提高;但是，隨著均壓次數的增加，順放壓力相應降低，使得作為沖洗氣的順放氣中被吸附組分的濃度升高，同時順放壓差變小，吸附劑沖洗再生的效果變差，吸附劑的動態吸附量減少，產品氫的收率隨之降低。

3 變壓吸附提氫裝置氫收率的改進措施

3.1 降低原料氣中CO、CO2及其他雜質含量

①更換變換爐催化劑，提高變換爐入口工藝氣的溫度和水氣比，提高變換爐（R1501、R1502）的操作溫度;②加大低溫甲醇洗裝置的甲醇循環量，降低貧甲醇的溫度，保證甲醇水分離塔（T1605）的正常運行，控制貧甲醇中的水含量;③加強操作運行管理，嚴格控制工藝指標并保持穩定，嚴格控制系統加減量的速率，防止變換爐爐溫和系統壓力波動過大。

3.2 延長吸附時間

在保證變壓吸附裝置產品氫純度≥99.2%的前提下，維持9次均壓運行的同時盡可能地延長吸附時間，即將吸附時間從30s延長至45s，通過優化操作進一步提高變壓吸附提氫裝置產品氫氣的收率。

3.3 保證均壓平衡

重新計算和設計均壓管線的管徑，增大均壓程控閥和均壓管線的尺寸，將二/三均、四/五均、六/七均這3條均壓總管尺寸由DN20變更為DN25，以減小均壓降壓力和均壓升壓力的差值，盡可能地保證均壓降壓力和均壓升壓力的平衡，從設備硬件匹配上降低降壓解吸吸附塔的壓力，為進一步提高變壓吸附提氫裝置的氫收率做好保障。

3.4 回收變壓吸附提氫裝置的解吸氣

本著環保、節能、高效的原則，在變壓吸附提氫裝置下游新增尾氣壓縮裝置，即利用原有的1臺LG-445/6.2型螺桿壓縮機和新增的2臺4M50W-7.9/5.5-56型往復式壓縮機，將解吸氣壓力由0.02MPa提至5.60MPa，然后通過管道回收至節能減排項目變換裝置入口總管，實現變壓吸附提氫裝置解吸尾氣的全部回收利用，進一步降低了生產成本，相當于提高了變壓吸附提氫裝置產品氫氣的收率。

4 結語

變壓吸附提氫裝置工藝具有流程簡單、投資少、能耗低、自動化程度高、產品純度高、成本低等優點，與其他工藝相比，更具有可靠性、靈活性及經濟合理性。整個吸附分離循環過程由計算機控制，全部實現自動化操作，裝置彈性大，能適應原料氣流量和組分的波動。

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