真空變壓吸附技術的工業應用分析

杏長鑫

（中國海油東方石化有限責任公司，海南東方572600）

某石化公司產品質量升級項目建設600 kt/a液相加氫裝置，該裝置原料為混合常一線、常二線、常三線和催化裂化柴油，裝置用于生產符合國Ⅴ排放標準的超低硫柴油產品［1]。配套的氫氣提純裝置需處理的混合原料氣包括東方石化稀乙烯制乙苯的烷基化尾氣及600 kt/a 柴油加氫裝置的反應低分氣。根據原料氣的特點及全廠氫氣平衡現狀，結合VPSA 相對于PSA 氫氣回收率高的特點，經過技術比選及前期論證本項目采用了VPSA抽真空變壓吸附技術提純氫氣，為600 kt/a 柴油加氫項目提供氫氣原料［2，3]。建設規模：處理原料氣13000 m3/h；裝置操作彈性：50%～130%；產品規格：質量要求H2≥99.0%；產品氣流量≤4550 m3/h；產品氣壓力≥0.50 MPa；產品氣溫度≤40 ℃。

1 工藝流程

來自界外的烷基化尾氣與柴油加氫低分氣先在壓力0.55 MPa 進入裝置，首先進入原料氣混合罐混合后送入由6 個吸附塔及一系列程控閥組成的PSA-H2系統。在PSA 裝置中，任一時刻總是有吸附器處于吸附步驟，由入口端通入原料，在出口端獲得半產品氫氣。每臺吸附器在不同時間依次經歷吸附、多次壓力均衡降、逆向放壓、抽空、多次壓力均衡升和最終升壓。吸附器所有的壓力均衡降都是用于其它吸附器的壓力均衡升以充分回收將被再生吸附器中的凈化氣。逆放步驟排出了吸附器中吸留的大部分雜質組分，剩余的雜質通過抽空步驟進一步解吸［4]。解吸氣直接送往界外。半產品氫氣經脫氧加熱器升溫后進入脫氧器反應，反應后氧含量小于10×10-6，再經冷卻器將溫度降至40 ℃以下后送出界外。

2 應用效果

中海油東方石化VPSA 氫提純單元是600 kt/a液相柴油加氫裝置的附屬單元，配套13000 m3/h提純氫氣裝置。該裝置于2016年12月底開始試生產，裝置生產運行平穩、氫氣產品合格、氫氣回收率較高，為進一步檢驗裝置運行性能及能量消耗，在2017年3月28 日10:00 至3月30 日10:00 對該裝置進行為期48 h的技術標定［5]。

2.1 標定條件

裝置負荷：產品氫氣130%負荷，5915 m3/h。

裝置混合氣進料量：11000 m3/h，其中烷基化尾氣9250 m3脫硫后低分氣流量1750 m3/h。

解吸氣（燃料氣）流量：5085 m3/h。

2.2 標定結果

（1）進出組分分析匯總見表1。

表1 進出組分分析匯總

（2）產品指標見表2。

表2 產品指標

（3）氫氣收率計算

式中η—氫氣回收率，%；FP、FF—分別為產品流量和原料流量，m3/h；XP、XF—分別為產品和原料中的氫氣含量，%。

2.3 標定結論

（1）以氫流量計算，裝置負荷為127%。

（2）裝置在考核期間表現出良好的氫氣回收性能，氫氣回收率為87.57%，大于85%的設計值。

（3）裝置性能考核期間產品質量均優于設計值，產品CO+CO2純度≤6×10-6，產品氫純度為99.85%，超過99%的設計值。

（4）產品質量表現出吸附劑良好的活性。

（5）裝置標定期間能耗為5623 MJ/t（氫氣）遠小于設計值15066 MJ/t（氫氣），主要是裝置設計采用3臺真空泵運行，實際只運行2臺真空泵。

（6）裝置性能考核期間裝置運行平穩，真空泵運行穩定，產品氣、解吸氣流量平穩。

（7）通過VPSA裝置把原來作為燃料氣的烷基化尾氣中的大部分氫氣和全部解吸氣進行回收，有效利用其熱能，解吸氣氫含量低于12%。

3 存在的問題

VPSA 裝置管道振動較大。VPSA 裝置解析氣采用4 臺真空泵（2 開2 備）將吸附塔內解析氣抽負壓實現吸附劑的再生，由于抽真空的過程隨不同的吸附塔變化而呈周期變化，真空泵負荷忽大忽小，導致真空泵進、出口管線及相連管線振動較大。經與VPSA 技術提供方溝通，對振動管線加消振器處理，解決管線振動問題，消除安全隱患。

4 經濟效益核算

按照裝置互供料及島內市場價格及VPSA 裝置的運行成本初步核算：

烷基化尾氣：9250 m3/h；氫氣：3931 m3/h；烷基化尾氣價格：0.9 m3/元；氫氣價格:1.8 m3/元；氫氣提純費用:0.04 m3/元。

該套裝置的年度經濟效益為2873.5 萬元（按照8500 h/a計算）。

5 結論

該乙苯裝置的副產物烷基化尾氣及600 kt/a柴油加氫反應低分氣混合氣體，通過VPSA 裝置提純氫氣，解決了二期產品質量升級600 kt/a 柴油加氫裝置氫源不足的問題，每年創造2873.5 萬元的利潤。通過48 h 的標定驗證，該套裝置負荷達到127%，氫氣回收率高（87.57%）；產品質量優于設計值，雜質CO+CO2僅為6×10-6，產品氫純度達到99.85%；能耗達標，推薦工業化應用。