PSA 變壓吸附技術(shù)在合成氨中的應(yīng)用分析

陳 亮

（山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

合成氨是是一種廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中的化工原料，是保證工業(yè)生產(chǎn)順利進(jìn)行的核心原料，目前由于合成氨的方法比較落后，在合成氨的生產(chǎn)過程中普遍存在著PSA 提氫處理能力弱、氫氣損耗量大等問題，導(dǎo)致合成氨生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性不足，極大地限制了其應(yīng)用范圍的進(jìn)一步提升。

本文以15 萬t/a 合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)為研究對象，對PSA 變壓吸附原理、工藝流程等進(jìn)行了分析，針對性地提出了采用氮?dú)庠偕?微動力回收的綜合優(yōu)化方案。在系統(tǒng)中設(shè)置了凈化段的吸附塔、H2再利用裝作、N2傳輸裝置及相應(yīng)的控制閥芯，實(shí)現(xiàn)了對PSA 變壓吸附工藝流程的優(yōu)化。根據(jù)對優(yōu)化后變壓吸附技術(shù)的應(yīng)用可知，該技術(shù)能夠有效地提升氫氣回收率，對降低反應(yīng)過程中的能耗，提高合成氨反應(yīng)效率和經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的意義。

1 PSA 變壓吸附技術(shù)

PSA 變壓吸附脫碳是合成氨過程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要是把煤氣經(jīng)過變換、脫硫后形成的變換氣傳輸?shù)轿剿?nèi)進(jìn)行深度吸收，然后再對其進(jìn)行精脫硫處理，減少煤氣中二氧化碳和硫化氫氣體的含量，最后把經(jīng)過過濾的氣體送入到后工段使用[1]。在精脫硫過程中解析下來的二氧化碳?xì)怏w在系統(tǒng)中會進(jìn)一步地進(jìn)行減壓分離、回收利用，提高合成氨過程的經(jīng)濟(jì)性。

變壓吸附脫碳的關(guān)鍵在于使用了吸附劑在不同工況下隨吸附質(zhì)分壓不同而有差異的特性。通過吸附劑對不同組分吸附能力的不同實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)物質(zhì)的精確分離和提純，通過吸附容量和吸附質(zhì)風(fēng)壓的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)吸附劑在高壓下吸附在低壓下解吸，滿足了吸附劑吸附和再生的循環(huán)關(guān)系，保證了PSA 變壓吸附過程的循環(huán)進(jìn)行[2]。

2 變壓吸附合成氨技術(shù)需求

在利用變壓吸附技術(shù)進(jìn)行合成氨的過程中，進(jìn)氣處的原料氣成分如表1 所示。

變壓吸附后各產(chǎn)品指標(biāo)要求如表2 所示。

表2 吸附后產(chǎn)品指標(biāo)要求

3 變壓吸附工藝流程優(yōu)化

8.8 萬t/a 合成氨PSA 變壓吸附工藝核心的改造點(diǎn)是在PSA1 段加入了22 塔操作，并把其中4 臺吸附塔為在線吸附，利用多塔均壓、雙塔氮?dú)獯祾咴偕に嚕_保在吸附塔內(nèi)良好的再生效果[3]。在PSA2 區(qū)域共設(shè)置了4 個(gè)吸附塔，而且該區(qū)域的吸附塔使用了17 塔操作方案，提高了便于吸附的均勻性和可靠性。

整套PSA 變壓吸附提氫裝置的操作均在入塔原料氣溫下操作，優(yōu)化后的變壓吸附工藝流程如圖1所示[4]。

圖1 變壓吸附工藝流程圖

3.1 PSA1 段工藝流程分析

變換氣首先通過PSA1 段吸附塔的底部緩慢擴(kuò)散到吸附狀態(tài)塔內(nèi)部，這些變換器在吸附狀態(tài)塔內(nèi)部會被不同類型的吸附床層進(jìn)行針對性的吸附，在經(jīng)過吸附過濾以后，這些氣體中的水分和CO2等氣體會被不同類型的吸附床吸附，從而使到達(dá)吸附塔頂?shù)臍怏w中二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)不超過8%，然后再進(jìn)入到PSA2 段進(jìn)行處理。

在該反應(yīng)區(qū)段，被吸附雜質(zhì)的傳質(zhì)區(qū)前沿到大床層出口的某一位置時(shí)，系統(tǒng)自動關(guān)閉吸附塔底部的進(jìn)料閥和吸附塔頂部的出口閥，停止吸附，直到吸附床層開始再次轉(zhuǎn)入再生過程[5]。在經(jīng)過多次均壓后沿著氣體吸附方向，使吸附塔中含有較高氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w轉(zhuǎn)入到已經(jīng)完成吸附且壓力較低的吸附塔中，在這個(gè)過程中能夠?qū)Υ矊铀揽臻g的氫氣進(jìn)行充分回收[6]。在反應(yīng)均壓過程完成后，可用通過吸附塔底板和吸附塔頂部的閥門來控制吸附塔內(nèi)的壓力，使床層內(nèi)的二氧化碳濃度保持在系統(tǒng)要求的范圍內(nèi)，在完成順放以后，再逆著吸附塔的方向閥吸附，使塔內(nèi)的壓力降低到常壓狀態(tài)，從而滿足吸附劑在常壓狀態(tài)下再生的要求。

在完成逆放以后，可以利用PSA2 段再生氣對吸附床層進(jìn)行吹掃，使常壓狀態(tài)的吸附劑能夠完全再生，然后吸附塔再通過升壓使吸附劑重新恢復(fù)到吸附狀態(tài)[7]，滿足新循環(huán)下的吸附要求。在逆放階段，收集的純度超過98%的二氧化碳?xì)怏w會被進(jìn)行液化處理，作為反應(yīng)過程中二氧化碳崗位的原料。

3.2 PSA2 段工藝流程分析

從PSA1 段出來的中間氣體從吸附塔的底部緩慢擴(kuò)散到吸附狀態(tài)塔內(nèi)部，通過吸附塔內(nèi)部的針對性吸收作業(yè)，使中間氣體內(nèi)的各類水分和雜質(zhì)氣體被精準(zhǔn)吸收，確保了從吸附塔上側(cè)溢出的氫氣中的二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)小于0.2%，便于在下一個(gè)工段進(jìn)一步處理。

在該反應(yīng)區(qū)段，當(dāng)系統(tǒng)傳質(zhì)區(qū)前端到達(dá)床層出口時(shí)，系統(tǒng)會使進(jìn)料閥門和出口閥門關(guān)閉，暫時(shí)終止系統(tǒng)的吸附作用，此時(shí)位于吸附區(qū)域的床層便開始進(jìn)行重生，在通過多次反應(yīng)后，系統(tǒng)中的高壓混合氣體就會在壓力的作用下進(jìn)入到具有更低壓力的吸附塔內(nèi)，通過這個(gè)循環(huán)反應(yīng)過程，使床層空間內(nèi)的氫氣得到全部回收。同時(shí)，在系統(tǒng)完成均壓以后，可以把吸附塔內(nèi)的氣體送緩沖罐進(jìn)行充分的回收。

在系統(tǒng)完成降壓后，用壓縮機(jī)把塔內(nèi)的富氫氣體回收到PSA1 入口系統(tǒng)中，然后再使用氮?dú)鈱Ω鱾€(gè)吸附床層進(jìn)行清洗，使床層中附著的大量吸附劑能夠再利用。在對床層完成吹掃以后，就會控制系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)吸附塔進(jìn)行逐級升壓，最終達(dá)到系統(tǒng)的吸附壓力，然后就可以再進(jìn)入一個(gè)新的吸附循環(huán)。PSA2 段中在整個(gè)反應(yīng)過程中的吸附溫度和進(jìn)氣溫度是一致的，在每個(gè)吸附塔中都會依次進(jìn)行吸附、吹掃過程，確保整個(gè)系統(tǒng)在反應(yīng)過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

4 實(shí)際應(yīng)用情況研究

目前，該新型PSA 變壓吸附裝置已經(jīng)完成改造并在2022 年7 月投入使用，根據(jù)對其實(shí)際運(yùn)行情況的分析，該裝置投入使用后的運(yùn)行穩(wěn)定性高，各個(gè)系統(tǒng)閥門動作順暢且動作精度高。當(dāng)該變壓吸附裝置在8.8 萬m3/h 的負(fù)荷下工作時(shí)，在管道出口處的二氧化碳體積分?jǐn)?shù)小于0.09%，遠(yuǎn)低于不超過0.2%的標(biāo)準(zhǔn)要求，在反應(yīng)過程中對H2的回收率超過了99.2%，一段吸附時(shí)的循環(huán)反應(yīng)時(shí)間增加到了989 s，二段吸附時(shí)的循環(huán)反應(yīng)時(shí)間則增加到了3 588 s。

在優(yōu)化后，PSA 變壓吸附裝置通過增加吸附時(shí)間，從而降低了解吸氣的放空頻率，減少了在反應(yīng)過程中有效氣體的損失，使氣化單爐在滿負(fù)荷工作時(shí)的產(chǎn)量從最初的78 t/班，增加到了98 t/班，產(chǎn)量增加了25.6%。噸氨煤耗由最初的1.45 t 降低到了現(xiàn)在的1.28 t，噸氨煤耗降低了11.7%。顯著提升了PAS 變壓吸附技術(shù)在合成氨中的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型。

5 結(jié)論

為了解決合成氨過程中PSA 變壓吸附所存在的提氫能力差、產(chǎn)量低、能耗高的不足，對變壓吸附原理和優(yōu)化方案進(jìn)行了分析，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）變壓吸附脫碳的關(guān)鍵在于使用了吸附劑在不同工況下隨吸附質(zhì)分壓不同而有差異的特性，實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)物質(zhì)的精確分離和提純；

2）變壓吸附工藝優(yōu)化主要是在PSA1 段加入了22 塔操作，在PSA2 段增加了4 個(gè)吸附塔，采用了17塔的操作模式；

3）優(yōu)化后，反應(yīng)過程中氫氣的回收率達(dá)到了99.2%，產(chǎn)量增加了25.6%，噸氨煤耗降低了11.7%。