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變壓吸附制氫

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變壓吸附(PSA)部分

1.什麼是吸附分離?
答:吸附是化工生產中對流體混合物進行分離的一種方式。是利用混合物中各組分在多孔性固體吸附劑中被吸附力的不同,使其中的一種或數種組分被吸附於吸附劑表面上,從而達到分離的目的。根據吸附劑表面和被吸附物質之間作用力的不同,可分為物理吸附和化學吸附兩種類型。

2.什麼是變壓吸附?

答:變壓吸附簡稱PSA,是對氣體混合物進行提純的工藝過程,該工藝是以多孔性固體物質(吸附劑)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於吸附劑上,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餘量,以便於在下個循環再次吸附雜質。


3.何謂PSA的氫回收率?怎樣計算氫回收率?

   回收率是變壓吸附裝置主要考核指標之一,它的定義是從變壓吸附裝置獲得的產品中被回收氫組分絕對量占進入變壓吸附裝置的原料氣中氫組分絕對量的百分比。

計算方法:

方法一:已知下列條件:

⑴ 進入變壓吸附裝置的原料氣流量(F,Nm3/h)

⑵ 原料氣中氫組分含量(XF,%)

⑶ 從變壓吸附裝置獲得的產品氫氣流量(P,Nm3/h)

⑷ 產品中被回收氫組分的含量(XP,%)

被回收組分的回收率(R)為:

R = P·XP/F·XF×100%

方法二:已知下列條件:

⑴ 原料氣中氫組分含量(XF,%)

⑵ 產品中被回收氫組分的含量(XP,%)

⑶ 解吸氣中的氫組分含量(XW,%)

被回收組分的回收率(R)為:

R = XP(XF—XW)/ XF(XP—XW)×100%


4.採用PSA提純氫氣的工藝有何特點?

答:

⑴ 產品氫純度高,可達99.9%以上。

⑵ 工藝流程短,自動化程度高、可靠性和靈活性好,開停車方便。

⑶ 動設備減少,消耗低,易於管理與維修。

由於排放的廢氣可作為轉化爐的燃料使用,可降低生產綜合費用。


5.什麼樣的混合氣體才能用PSA進行分離?

答:適用於採用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。


6.PSA裝置最常用的吸附劑是什麼?它們對一般氣體的吸附順序如何?

答:PSA最常用的吸附劑是分子篩和活性炭,通常兩種吸附劑組合使用。

分子篩對一般氣體的吸附順序是:

H2<<N2<CH4<CO<CO2

活性炭對一般氣體的吸附順序是:

H2<<N2<CO<CH4<CO2


7.簡述活性氧化鋁和硅膠在PSA裝置中的作用。

答:活性氧化鋁是一種在物理和化學上都很穩定的高純度多孔氧化鋁,其特點是耐磨,對所有腐蝕性氣體和液體都是惰性的,並且有極好的熱穩定性。在PSA工藝上活性氧化鋁可作為一種輔助的吸附劑裝填在吸附劑的底部,首先接觸進料用於脫除進料中的水蒸汽和芳烴。硅膠是一種無定型二氧化硅,呈化學惰性無腐蝕的特點,在PSA工藝上一般是裝填在吸附器的底部用來凈化重烴類和酸性氣。


8.為什麼說PSA運行效果的好壞關鍵是吸附劑?

答:PSA工藝是以吸附劑內部表面對氣體分子的物理吸附為基礎的可逆的循環工藝過程,而實現這一循環工藝過程,最基本要求就是吸附劑具有良好的吸附性能,再生性能以及具有較長的使用壽命。但在裝置運行過程中,吸附劑極易受到如進料帶水,升降壓速度過快,雜質過載等多種因素的損害,從而使吸附劑失去上述性能,由此導致PSA裝置失去對PSA原料氣的提純作用,所以說PSA裝置運行效果的好壞的關鍵是保護好吸附劑。


9.分子篩和活性炭吸附性能的比較。

答: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。

活性炭和分子篩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,適用於要求產品中一氧化碳很低的情況。

分子篩和活性炭都適於在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。


10.新鮮的吸附劑應如何保存?

答:由於新鮮的吸附劑對水分子有很強的親合力,而且吸附了水以後脫附是很困難的,這將嚴重影響PSA裝置的性能,所以新鮮的吸附劑應妥善保管好,應採取以下幾點防護措施:

⑴ 吸附劑的容器應當保存在室內,以防止遭受雨水或受潮。

⑵ 裝有吸附劑的桶不可以刺破,嚴重撞凹或破壞桶的密封。

⑶ 吸附劑直到被立即裝填以前,其容器必須是不開封的。


11.吸附劑是怎樣裝填的?

答:提純回收氫氣的PSA所用的吸附劑通常是由活性炭和分子篩兩種的組合。根據活性炭和分子篩對雜質組分二氧化碳、甲烷、一氧化碳和水的不同吸附特性,一般活性炭做為主吸附劑裝在下層,約佔吸附劑總量的四分之三。分子篩作為輔助吸附劑裝在吸附器上層。如果為了脫水和防止芳烴使吸附劑中毒,通常在床層底部裝一些活性氧化鋁。

吸附劑的裝填步驟及要求:

⑴ 檢查吸附器內部結構合格后,首先裝入活性炭。將活性炭從容器中傾入卸料漏斗,提升到吸附器頂部後轉移到接收漏斗中,吸附劑通過管子流到連接的裝填元件上,通過裝填元件,吸附劑均勻地降落在吸附劑床層的表面上,這樣吸附劑才能獲得均勻一致的最大的堆積密度,並且使吸附劑的下沉和移動最小。

⑵ 活性炭裝填完畢后,應平整料面,使床層基本水平。然後按同樣的裝填方法裝入分子篩。裝填完畢后,平整料面,使吸附劑床層的頂部水平。裝好吸附器頂部分佈器,封好吸附器上、下打開的法蘭。

⑶ 通過同樣的方法裝填全部吸附器,以使經過每個吸附器的氣體流量均勻一致。

在所有吸附劑裝填操作期間,必須最大限度地縮短吸附劑在空氣中的暴露時間,絕對防止暴露在濕氣中。在下雨期間絕對不許裝填。


12.怎樣延長吸附劑的壽命?

答:

吸附劑壓力的快速變化能引起吸附劑床層的鬆動或壓碎從而危害吸附劑。所以,在操作過程中要防止使吸附器的壓力發生快速變化。

⑵ 進料帶水是危害吸附劑使用壽命的一大因素,所以進料氣要經過嚴格脫水,避免發生液體夾帶。

⑶ 進料組分不在設計規格的範圍內也會造成對吸附劑的損害,嚴重時可能導致吸附劑永久性的損壞。所以,當進料氣出現高的雜質濃度時,應縮短吸附時間,以防止雜質超載。

⑷ 進料溫度過高影響吸附劑的吸附能力,易造成雜質超載,溫度過低影響再生,所以要保證進料溫度在要求的範圍內。

⑸ 合理調整吸附時間,及時處理故障報警,防止發生雜質超載。雜質超載嚴重時,可導致吸附劑永久性損壞。


13.簡述吸附劑對水的吸附性能。

答:分子篩對大小相近的分子,優先吸附極性分子,尤其是水分子,分子篩一旦吸附了水分子后,對其它分子的吸附能力明顯下降,而且難於脫附,所以如果進料中帶水易造成分子篩的致命損害。

活性炭對水分子的吸附能力很大,而且容易脫附,所以在PSA中總是將活性炭置於分子篩的下面,使進料中的微量水和絕大多數的二氧化碳被吸附分離。


14.吸附劑吸潮后如何處理方可使用?

答:吸附劑一旦吸潮后即失去活性,通常變壓吸附工業裝置要求分子篩含水量須小於1%,活性炭含水量須小於2%,否則會影響吸附的性能需重新活化。分子篩活化在通氣吹除的情況下活化溫度控制在360℃左右,不通氣情況下活化溫度控制在500℃左右,活性炭活化溫度控制在150℃左右。活化時間通常控制恆溫時間4小時以上。吸附劑吸潮後由於使用廠家一般不具備活化的條件,故都送到吸附劑生產廠家去活化。


15.PSA進料中為什麼要充分脫水?怎樣防止進料帶水?

答:由吸附劑對水的吸附性能可知,吸附劑極易吸水,而且脫附困難,同時吸附劑吸水之後,對其它分子的吸附能力下降。所以必須對進料氣進行嚴格脫水,以防止損害吸附劑。

為了防止進料帶水,通常在進料線上增設進料氣水分離器,同時,為防止冬季飽和氣體在管線中發生冷凝,可視情況將水分離罐后的PSA進料管線進行伴熱或保溫。


16.吸附劑在使用中受潮引起性能下降如何處理?

答:吸附劑在使用中受潮如果不是很嚴重,可以用乾燥的氣體進行吹除或用抽真空方式抽吸,降低水的分壓,使吸附劑恢復部分活性,維持生產使用,但吸附性能難以恢復如初。如果受潮嚴重只有按照吸附劑活化處理辦法重新活化。

17.吸附器充分吸附雜質后,各雜質在吸附劑上如何分佈?為什麼?

答:當吸附器充分地吸附了雜質以後,雜質界面最前沿為氮氣、一氧化碳,其次是甲烷,再次是二氧化碳,最底層是微量的水。

雜質在吸附劑中的分佈規律與吸附劑對各雜質組分的吸附能力以及吸附劑的分佈狀況有關。在吸附器中,活性炭作為主要的吸附劑裝填在下部,分子篩作為輔助吸附劑裝填在上部。進料氣由吸附器底部進入床層,首先接觸活性炭,而活性炭對雜質的吸附能力的大小次序為:H2<<N2<CO<CH4<CO2<H2O,所以吸附過程H2O、CO2、CH4、CO、N2被依次吸附下來。剩餘的雜質N2又被上部分子篩吸附,從而獲得高純度的氫氣。


18.在PSA工藝中,對進料氣中的高級烴含量有何限制?為什麼?如何解決進料氣中高級烴含量多的問題?

答:當PSA工藝被用於直接從煉油廠尾氣中回收氫氣時,就出現了對進料氣中高級烴含量限制的問題。這是因為大分子烴類吸附在吸附劑上容易液化,降壓脫附時難於完全脫附出去,久而久之會使吸附劑的吸附能力下降,因此要限制PSA進料氣中大分子高級烴的含量,一般要求高於碳三的烴類總含量不能大於1.0%。

當PSA進料氣中碳三以上烴類含量較高時,不能直接進變壓吸附,需要在前面增加設備,有的先用變溫吸附脫除碳三以上的重烴,然後再進PSA單元。

19.簡述均壓過程和意義。

答:被吹掃后的吸附器內吸附劑再生完成,但吸附器內壓力很低,與進料壓力的壓差太大,不能直接進行吸附,需要先升壓。而完成吸附步驟的吸附器壓力較高,同時吸附劑顆粒之間,存留一部分氫氣應當回收。均壓過程即是吸附之後的高壓吸附器與再生之後的低壓吸附器進行壓力均衡,高壓吸附器內部的氫氣流入低壓吸附器。均壓過程中,高壓吸附器壓力降低,部分雜質脫附,並隨物流上移,又被上部吸附劑重新吸附,故雜質界面上移。

所以均壓過程使得再生后低壓吸附器的壓力升高,並充分利用高壓吸附器內部存留氫氣,提高氫回收率。


20.為什麼順流卸壓過程中吸附器內的雜質界面上移?

答:變壓吸附是物理吸附,壓力降低時,被吸附的雜質可以脫附,所以當吸附器順流卸壓時,隨著壓力的降低,部分雜質逐漸脫附,並隨著物流上移,同時又被床層上部尚未吸附雜質的吸附劑重新吸附下來。因而順流卸壓過程中吸附器內雜質界面逐漸上移。


21.簡述排放和被吹掃過程及其作用。

:排放是吸附器從供吹掃終止壓力下降到廢氣壓力的逆流卸壓過程,排放位置在吸附器底部,隨著壓力的不斷降低,雜質不斷脫附並排入廢氣系統,雜質前沿界面逐漸下移,所以排放過程使吸附器內大部分雜質脫附排出。排放結束,用供吹掃吸附器提供的純氫從上部進入進行逆流吹掃,使殘留雜質不斷脫附並隨物流排入廢氣系統,從而使絕大多數的吸附劑實現再生。

所以,排放和被吹掃的作用就是排除吸附器內的雜質,使吸附劑實現再生。


22.廢氣緩衝罐有什麼作用?

答:PSA運轉過程中產生的廢氣,其壓力、流量和組成都發生周期性的變化。而作為轉化爐的燃料氣應當具有穩定的壓力、流量和熱值,故PSA裝置設置了廢氣緩衝罐,其作用就是為轉化爐提供流量、壓力和組成接近均勻一致的燃料氣。

23.進料組成變化對PSA有何影響?

答:進料中氫含量增加時,產氫量和氫收率提高。當氫含量低於設計值時,進料中雜質增加,產氫量和氫收率降低。如進料中雜質濃度增高而未能及時縮短吸附時間(或者降低進料流量),則能造成雜質超載,使產品純度下降,影響PSA的操作性能。


24.進料流速變化對PSA有何影響?

答:進料流速降低時,因減少了傳質區的長度而改善了分離效果,應延長吸附時間以充分利用吸附劑,獲得較高的氫收率。當進料流速提高時,加長了傳質區的長度,分離效果變壞,應縮短吸附時間,保證產品純度,保護吸附劑,雖然氫收率下降(活產品純度下降),但因處理量增加產氫量還是提高了。


25.進料溫度變化對PSA有何影響?

答:變壓吸附是物理吸附過程,進料溫度的高低直接影響吸附劑的吸附性能。進料溫度太高,吸附劑的吸附能力下降,因而造成氫收率下降,同時還影響產品純度和吸附劑的使用壽命。而溫度太低了再生困難,如果因此造成吸附劑再生不完全,則惡性循環的後果將導致雜質超載的現象而損害吸附劑。由聯碳公司提供的資料可知,常溫下,10 - 30℃範圍內幾乎有相等的氫收率,進料溫度太高或太低,氫收率都有所下降。的


26.吸附壓力是否越高越好?為什麼?

答:變壓吸附是物理吸附過程,其吸附量隨壓力的增加而增加。開始近乎直線增加,而後增加緩慢,當壓力增加到一定值時,吸附量趨於一穩定的極大值。

在較高壓力下,氫氣的吸附量也增加,所以損失加大;加上再生工藝的特點,使得氫收率有所下降。由此可見,在一定的壓力範圍內,隨壓力的升高雜質的吸附量增加而氫收率提高。而吸附壓力過高氫收率反而下降。所以吸附壓力並非越高越好。用於氫氣提純的PSA裝置的吸附壓力一般設計值為2.3MPa左右。

27.吹掃壓力是否越低越好?為什麼?

答:吹掃壓力即廢氣壓力,吹掃壓力越低,氫回收率越高,吸附劑再生越好。反之,吹掃壓力越高,氫回收率越低。但考慮到廢氣要能直接送到轉化爐做燃料,故廢氣緩衝罐出口壓力最低保持0.03MPa(表)。


28.什麼是雜質超載?有哪些危害?

答:在一定的工藝條件下,每個循環中被吸附劑吸附的雜質量超出最大設計允許吸附量時稱為雜質超載。雜質超載的發生不僅使產品純度下降,而且還損害吸附劑。

29.造成雜質超載的原因有哪些?如何防範?

答:

每周期循環時間過長,使每周期吸附的雜質量超出允許值,造成雜質超載。所以應根據實際進料流量的大小及時調整吸附時間。

⑵ 不適當地使用「手動步進」方式,人為地延長了每周期循環時間,也能造成雜質超載,因此在使用「手動步進」方式時要避免裝置停留在手動步進方式的周期時間超長。

⑶ 閥門泄漏也能引起雜質超載。所以應及時發現閥門故障並及時切換到替換運行程序。

⑷ 進料雜質超出規格要求。如果雜質濃度高,則應及時降低進料量並縮短吸附時間,若雜質的成分特殊,則應及時切出PSA。

⑸ 液體夾帶不僅降低了吸附劑對正常雜質的吸附能力造成雜質超載,而且脫附困難,嚴重損害吸附劑。所以進料氣要經過嚴格地脫水分離。

⑹ 進料溫度過高吸附劑的吸附能力下降,也能造成雜質超載。所以應控制進料溫度在要求的範圍內。


30.吸附器壓力的快速變化對吸附劑會造成什麼危害?

答:吸附器壓力的快速變化將引起吸附劑床層的鬆動或壓碎。使經過吸附器的壓降增加。由於吸附劑的壓碎而產生的粉塵將通過吸附器中的攔截篩網漏出,並且還可能損壞工藝閥門閥座,堵塞儀錶管線,而使裝置的操作性能變壞,甚至會導致停車。


31.為什麼要根據進料流量的大小調整吸附時間?

答:每個吸附器在一定的產品規格要求和一定量吸附劑的條件下,吸附劑對雜質的允許吸附量是一定的。所以每個吸附步驟只能提純一定量的進料氣。在一定的進料流速下,如果吸附時間過長,則吸附劑過多地吸附了雜質造成雜質超載,不僅使產品純度下降,而且使PSA操作性能變壞。若吸附時間太短,則不能充分利用吸附劑,達不到應有的氫收率,造成浪費。所以應根據實際進料流量的大小合理地調整吸附時間,充分利用吸附劑,在保證產品純度和保護好吸附劑的前提下,獲得高的氫收率。


32.簡述吸附時間控制方式的應用。

答:吸附時間的控制方式有自動和手動(或能力和局部)兩種控制方式。自動方式控制時,吸附時間作為進料流率的一個函數自動計算。因此吸附時間可以隨進料流率的變化而及時地自動調整;而且可以通過調整控制係數使得吸附時間與進料流量相匹配,使氫回收率保持在一個高水平上。所以,在正常生產中自動(或能力)控制方式是優先選擇的操作方式。

手動(或局部)控制方式時,吸附時間的控制由操作員利用控制台鍵盤輸入新的吸附時間來實現。所以局部控制方式一般應用於開停車或者進料組成急劇變化和懷疑進料流量計有故障等異常情況下,操作員根據需要或實際進料量的大小,輸入合適的吸附時間,以便儘快地得到合格產品和防止雜質超載的現象發生。


33.如何使低的產品純度恢復正常?

答:要使低的產品純度恢復正常,通常採用縮短吸附時間的操作來實現。首先要找出使產品純度下降的原因,並給予糾正,如果需要切換則應及時切換到相應的替換運行程序,然後縮短吸附時間。可通過局部控制方式人為地輸入一個較小的吸附時間,也可在能力控制方式下通過減小控制係數來縮短吸附時間。如果吸附時間設定到最小而產品純度仍未恢復時,則有必要降低進料流量,使每循環周期的處理量更少,以便儘快地恢復產品純度。產品純度恢復正常后,應緩慢地增加吸附時間以提高氫回收率,並根據實際需要調整進料流量。


34.由替換運行程序切回到主運行程序前,應做好那些準備工作?

答:在六床PSA中,通常把六床循環過程稱為主運行程序,而把低於六床的循環過程稱為替換運行程序。由替換運行程序切回主運行程序前,首先必須確認停運吸附器的雜質水平。如果停運吸附器內原有的雜質量比較高,例如吸附器停運時的步驟是卸壓供吹掃,而切回主運行程序後進行的又是升壓或吸附步驟,則將導致雜質超載,使產品純度下降,PSA的操作性能變壞。所以在切回到主運行程序前,應先將雜質量高的停運吸附器降壓排放、吹掃,使吸附劑得到再生。然後再將停運吸附器的壓力調整到切換步位要求的壓力水平。


35.當要求半負荷生產時,是否應將主運行程序改為替換運行程序?

答:正常生產時,工藝過程應優先選擇主運行程序操作。主運行程序運行時,氫回收率比較高,而且PSA的操作性能最佳,產品和廢氣都波動最小。而替換運行程序運行時,氫回收率降低,並且在替換運行程序運行時,任一時刻只有一台吸附器產生廢氣,或是進行排放或是進行吹掃,因此廢氣的壓力、組成都比主運行程序運行的波動大。所以,當要求半負荷生產時,不應改為替換運行程序運行,而應當仍按主運行程序運行操作,並適當調整吸附時間獲得高的氫回收率。


36.如何防止吸附器內的壓力變化過快?

答:要防止吸附器內的壓力發生過快變化,應注意以下幾種操作:

⑴ 正確使用手動閥門操作。在進行手動閥門操作前,應檢查閥門兩側的壓力。如果閥門兩側的壓差過大,進行手動閥門操作就易造成壓力變化過快。

⑵ 工藝閥門失靈,應及時切換到替換運行程序或停車,以免造成吸附器內的壓力變化過快。

⑶ 在非停車步位開車,或者沒有預先校核吸附器的壓力是否與開車步位一致,則可能引起不正常的壓力變化。所以開車時,要保證吸附器的壓力水平與開車步位一致。

⑷ 使用手動步進方式時,要注意吸附器的壓力水平與所選步位一致,否則易造成吸附器的壓力變化過快。

⑸ 在某些不適當的步位由主運行程序切換到替換運行程序,也能造成吸附器壓力變化過快,所以通常選擇在最佳步位進行切換。

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