氫氣提純

氫氣提純是變壓吸附分離技術在氫氣提純裝置中的套用。

基本介紹

• 中文名：氫氣提純
• 操作係數：1.06
• 吸附溫度：40℃
• 切換時間：8h

基本原理

變壓吸附過程是利用裝在立式壓力容器內的辛化矽膠，活性炭、分子篩等固體吸附劑，對混合氣體中的各種雜質進行選擇性的吸附。由於混合氣體中各組分沸點不同，根據易揮發的不易吸附，不易揮發的易被吸附的性質，將原料氣通過吸附劑床層，氫以外的其餘組分作為雜質被吸附劑選擇性地吸附，而沸點低、揮發度最高的氫氣基本上不被吸附，以大於98v%左右的純度離開吸附床，從而達到與其它雜質分離的目的。

一是由於大連石化分烴化尾氣制氫裝置原料氣品種繁多，正常情況下使用乙苯裝置來的烴化尾氣、苯乙烯裝置來的脫氫尾氣、加氫裝置返回的加氫尾氣及部分催化乾氣，在乙苯裝置停車時單獨使用催化乾氣；二是組分特別複雜，除H2外，還含有一定量的N2、C2H4、及C5+等烴類組分；三是吸附壓力低，僅有0.50MPa左右。為了保證裝置的可靠性和產品氫的質量與回收率，因此就決定了該裝置採用了先進可靠的“前處理+TSA+VPSA+脫氧”工藝流程。原料氣首先經前處理除去少量液滴和部分C6，再經變溫吸附（TSA）除去C5+以上組分，最後經變壓吸附（VPSA）和脫氧過程，實現H2與N2、O2和C2+等雜質組分的分離。

變溫吸附的基本原理是利用吸附劑對不同組分的吸附容量隨溫度的不同而有較大差異的特性，在吸附劑選擇吸附的條件下，常溫吸附原料氣中的高沸點雜質組分，高溫脫除這些雜質，使吸附劑得到再生。TSA系統由2個吸附塔（A、B）組成，運行時一塔始終處於吸附狀態，而另一塔始終處於再生狀態，兩塔交替操作，每個塔每次工作要經歷吸附、降壓、加熱抽空、冷卻、加壓等5個循環步序，以保證連續淨化原料氣，淨化後的混合原料氣進入VPSA部分。以A塔為例說明其工藝過程。

原料氣經前處理塔後進入A吸附塔，在塔內飽和水和C5以上組分被吸附劑吸附。吸附到一定程度，開始逆向放壓，當塔內壓力降至0.02MPa時，用VPSA部分排出的真空解吸氣經加熱器加熱到120~170℃左右後，逆著吸附方向沖洗吸附床層，使其中的雜質得以脫附，所脫附的雜質被真空泵抽入真空解吸氣緩衝罐。脫附完畢後，停止加熱解吸氣，繼續逆著吸附方向，直接用常溫下的真空解吸氣沖洗吸附床層，使之逐漸冷卻至常溫，該真空解吸氣同樣被真空泵抽入真空解吸氣緩衝罐中，最終它們和VPSA部分的真空解吸氣一起被尾氣壓縮機排入低壓瓦斯管網。冷吹結束後，用經過淨化的B塔原料氣對A塔進行充壓，使A塔壓力與原料氣壓力接近。至此，A塔完成一次循環，可以進行下一周期吸附過程

變壓吸附原理是利用吸附劑對氣體的吸附容量隨壓力的不同而有差異的特性，加壓吸附原料氣中的某些組分使其分離，減壓下脫除這些組分使吸附劑獲得再生，採用多個吸附床循環操作，使氣體分離過程連續進行。VPSA系統有6個塔，採用6－2－3方式工作，即始終有2個塔處於吸附狀態，4個塔處於再生狀態，工藝步序完全相同，只是在各步序的運行時間上依次錯開1/2個吸附時間。若某一塔出現故障時，啟動自動切塔與恢復程式，可將其脫出工作線。

經過TSA系統處理過的淨化氣自下而上進入吸附塔床層，一次性除去氫以外的絕大部分雜質（僅剩少量N2、CH4、O2），獲得純度大於98%的粗氫氣，大部分進入產品脫氧部分，只有一小部分作為其它塔的最終充壓用氣。當吸附塔吸附到一定程度時，就要對吸附劑進行再生。本工藝採用均壓降壓、逆放、抽真空、均壓升壓、產品氣升壓的方法，實現吸附劑的再生。圖1示意說明了一個吸附塔吸附、解吸的全過程。

工藝流程

變壓吸附氫提純裝置工藝流程見圖2。來自乙苯/苯乙烯和加氫裝置的各種尾氣經冷卻器冷卻後進入原料氣緩衝罐，除去其中的大部分反烴化料液體，再進入前處理塔，吸附掉氣體中夾帶的少量液滴和部分C6，然後進入TSA系統，在常溫下除去混合原料氣中C5以上的組分。之後進入VPSA系統，在6個塔循環操作、交替吸附的作用下生產出粗氫氣再進入脫氧塔，若氧含量滿足工藝要求，可不經脫氧塔直接進氫氣壓縮機壓縮後送出裝置。TSA和VPSA再生時用真空泵抽真空，排出的解吸氣經尾氣壓縮機送入低壓瓦斯管網。

氫氣提純裝置設計能力為6000到20000Nm3/h，本次標定的原料氣量為15200Nm3/h，採用6塔三均方案，由於加氫裝置沒有向氫提純裝置返加氫尾氣，故無加氫尾氣量。沒有投用脫氧塔的情況下，氧氣雜質含量遠低於100μg/g的設計要求。裝置能耗較小，其中蒸汽占近66%，而這主要是由尾氣壓縮機（蒸汽透平）所消耗的，蒸汽加熱器間歇工作，只占很小一部分。標定期間的氫氣回收率為90.47%。（氫回收率=（產品氫氣量×純度）/（原料氣量×氫氣含量）×100%）

發展歷史

變壓吸附（PSA）氣體分離與提純技術成為大型化工工業的一種生產工藝和獨立的單元操作過程，是本世紀60年代迅速發展起來的。一方面是由於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，以及各國對環境污染的治理要求也越來越高，使得吸附分離技術日益受到重視；另一方面，60年代以來，吸附劑也有了重大進展，如性能優良的分子篩吸附劑的研製成功，活性炭吸附劑、活性氧化鋁和矽膠性能的不斷改進等等，這些都為連續操作的大型吸附分離工藝奠定了技術基礎。

根據石化原油一次加工能力10.5Mt/a，催化加工能力5.7Mt/a，為了充分利用乾氣資源，建設了0.1Mt/a催化乾氣制乙苯/苯乙烯聯合裝置。經聯合裝置排出的烴化尾氣和脫氫尾氣含有非常可觀的氫氣，如果將其作為燃料燒掉，每年要燒掉純氫約3500t，十分可惜。如果將烴化尾氣和脫氫尾氣中的氫氣提純出來，用於滿足當時在建的加氫精制裝置的需要，既能充分利用資源，又可避免採用輕油或煉廠氣蒸汽轉化法制氫所具有的投資高、能耗大的缺點。

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處理能力20000烴化尾氣PSA氫提純裝置，它以催化裂化乾氣或烴化尾氣、脫氫尾氣和加氫尾氣為原料，生產出合格氫氣產品。該裝置於1999年4月25日首次投料，26日生產出合格氫氣產品。經過一年多的運行，於2000年6月18日對裝置進行了一次標定，標定時間為24h，標定期間裝置操作平穩，設備運轉正常。

技術特點

技術成熟

採用成熟、先進的變壓吸附氫氣提純技術，利用煉廠氣副產品，生產出純度高達99%的氫氣產品，實現了資源的綜合利用，既減少了污染，又為企業增加了經濟效益。

成本低

實踐證明，烴化尾氣變壓吸附氫提純技術在工業上是可行的，它完全可以滿足裝置處理多種複雜原料氣的需要，且吸附壓力較低，無須增設加壓設備，降低了裝置的投資。

自動化程度高

該裝置操作靈活，自動化程度非常高，無須單獨設定操作員，且具有聯鎖功能，為裝置的安全運行打下了良好基礎。

技術參數

標定條件及物料平衡

項目 數據 項目 數據

TSA系統工藝參數 逆放壓力/MPa 0.02

吸附壓力/MPa 0.53 抽真空壓力/MPa -0.07

吸附溫度/℃ 40 產品氫加壓/MPa 0.46

再生壓力/MPa -0.07 操作係數 1.06

再生溫度/℃ 170 烴化尾氣量/Nm3.h-1 14000

切換時間/h 8 脫氫尾氣量/Nm3.h-1 1200

操作係數 1.06 氫氣量/Nm3.h-1 4500

VPSA系統工藝參數 解吸氣量/Nm3.h-1 10700

吸附壓力/MPa 0.50

主要功能

（1）本裝置比傳統流程增加了TSA原料氣預處理部分，能脫除大部分C5以上雜質，有效地保證了後續PSA吸附劑的壽命，並對原料組分的變化起緩衝作用。

（2）VPSA部分採用6－2－3技術，即六個吸附塔始終有兩個處於吸附狀態，每循環中三次均壓，真空解吸。

（3）採用常溫脫氧催化劑，簡化工藝流程。

（4）自動化控制水平高，具有事故自檢，聯鎖處理功能，提高了裝置運行的可靠性。

（5）PSA程控閥選用專利產品，具有體積小，動作快，密封性能好，壽命長優點。