变压吸附课件

变压吸附学习

PSA1概况：变压吸附（PressureSwingAdsorption.简称PSA）是一种新型气体吸附分离技术，它有如下优点：⑴产品纯度高。⑵一般可在室温和不高的压力下工作，床层再生时不用加热，节能经济。⑶设备简单，操作、维护简便。⑷连续循环操作，完全达到自动化。正是因为这样的优点，PSA技术发展到现在，技术发展迅速并相当成熟。变压吸附发展史变压吸附始创于20世纪60年代初，并于70年代实现工业化生产。

80年代以来至今高吸附分离性能的沸石分子筛的相继开发利用和工艺流程的改进，使得变压吸附空分技术得到迅速地发展，与深冷空分装置相比，PSA过程具有启动时间短和开停车方便、能耗较小和运行成本低、自动化程度高和维护简单、占地面积小和土建费用低等特点。2原理

2.1先看吸附，当两种相态不同的物质接触时，其中密度较低物质的分子在密度较高的物质表面被富集的现象和过程。具有吸附作用的物质（一般为密度相对较大的多孔固体）被称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。吸附按其性质的不同可分为四大类，即：化学吸附、活性吸附、毛细管凝缩、物理吸附。本次学习的变压吸附主要就是物理吸附。

气相固相物理吸附是指依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力（即范德华力）进行的吸附。其特点是：吸附过程中没有化学反应，吸附过程进行的极快，参与吸附的各相物质间的平衡在瞬间即可完成，并且这种吸附是完全可逆的。2.2吸附平衡吸附平衡是指在一定的温度和压力下，吸附剂与吸附质充分接触，最后吸附质在两相中的分布达到平衡的过程。这个过程为动态平衡，对于相同的吸附剂和吸附质，其平衡吸附容量是一个定值，这个量主要受压力与温度影响。压力越高单位时间内撞击到吸附剂表面的气体分子数越多，因而压力越高平衡吸附容量也就越大；由于温度越高气体分子的动能越大，能被吸附剂表面分子引力束缚的分子就越少，因而温度越高平衡吸附容量也就越小。从上图的B→A和C→D可以看出：在温度一定时，随着压力的升高吸附容量逐渐增大；从上图的B→C和A→D可以看出：在压力一定时，随着温度的升高吸附容量逐渐减小。一般吸附在常温状态下吸附，视作等温。图一不同温度下的吸附等温线

2.3原理所以说变压吸附（PSA），就是利用吸附剂对不同气体组分随压力变化而变化的吸附特性，加压吸附部分组分，降压解吸这些组分，从而吸附剂得到再生，并使不同气体得到分离的过程。下面主要讲解咱们的制氢PSA3变压吸附的主要内容（1）吸附剂（2）工艺流程（3）自控系统（4）故障判断及处理4吸附剂4.1PSA吸附剂：吸附塔内自下而上吸附剂有活性氧化铝、硅胶、活性炭、CO吸附剂、分子筛，不同的吸附剂由于有不同的孔隙大小分布、不同的比表面积和不同的表面性质，因而对混合气体中的各组分具有不同的吸附能力和吸附容量。本装置所用吸附剂的特性如下：

1).AS（活性氧化铝）吸附剂在大型PSA氢提纯中的应用结果表明：我公司的AS吸附剂对H2O均有很高的吸附能力，同时再生非常容易，并且该吸附剂还具有很高的强度和稳定性，因而适合于装填在吸附塔的底部脱除水分和保护上层吸附剂。2).HXSI-01吸附剂本装置所用PSA专用硅胶属于一种高空隙率的无定型二氧化硅，化学特性为惰性，无毒、无腐蚀性.其中规格为Φ1-3球状的硅胶装于吸附塔中下部，用于吸附水分和CO2。3).HXBC-15B吸附剂本装置所用活性炭是以煤为原料，经特别的化学和热处理得到的孔隙特别发达的专用活性炭。属于耐水型无极性吸附剂，对原料气中几乎所有的有机化合物都有良好的亲和力。本装置所用活性炭规格为Φ1.5条状，装填于吸附塔中部主要用于脱除CO2组分。4).HX-CO专用吸附剂本装置所用的HX-CO专用吸附剂是一种以活性碳为载体的对CO有良好吸附和解吸能力的吸附剂，装填于吸附塔的上部，用于脱除CO2和CO。5).HX5A-98H吸附剂本装置所用的分子筛为一种具有立方体骨架结构的硅铝酸盐，规格为Φ2-3球状，无毒，无腐蚀性。HX5A-98H吸附剂不仅有着较大的比表面积，而且有着非常均匀的空隙分布，其有效孔径为0.5nm。HX5A-98H吸附剂是一种吸附量较高且吸附选择性极佳的优良吸附剂，装填于吸附塔的上部，用于脱除甲烷、CO、N2，保证最终的产品纯度。下图为不同组分在分子筛上的吸附强弱大致顺序组分吸附能力氦气☆弱氢气☆氧气☆☆氩气☆☆氮气☆☆☆一氧化碳☆☆☆甲烷☆☆☆☆二氧化碳☆☆☆☆☆☆乙烷☆☆☆☆☆☆乙烯☆☆☆☆☆☆☆丙烷☆☆☆☆☆☆☆异丁烷☆☆☆☆☆☆☆☆丙烯☆☆☆☆☆☆☆☆戊烷☆☆☆☆☆☆☆☆丁烯☆☆☆☆☆☆☆☆☆硫化氢☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆硫醇☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆戊烯☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆苯☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆甲苯☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆乙基苯☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆苯乙烯☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆水☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆强

不同的气体，要选择合适的吸附剂。5工艺流程

5.1流程简述

来自界区外的压力2.5MPa(G)、温度40℃的变换气从塔底部进入吸附塔（T2001A～H）中正处于吸附工况的塔(始终有2台)，在多种吸附剂组成的复合吸附床的依次选择吸附下，一次性除去氢以外的几乎所有杂质，直接获得纯度大于99.9%的产品氢气从塔顶排出，然后经吸附压力调节阀稳压后送出界区。

PSA单元除送出产品氢外，还产生逆放解吸气和冲洗解吸气。逆放解吸气来自于吸附床的逆放步骤，冲洗解吸气产生于冲洗步骤，所有解吸气最后均送解吸气混合罐V-2003。逆放解吸气和冲洗解吸气在混合罐中混合后送往转化炉。吸附塔的工作过程依次如下：吸附过程原料气经程控阀XV4701A～H，自塔底进入PSA吸附塔T2001A～H中正处于吸附状态的两台吸附塔，其中除H2以外的杂质组分被装填的多种吸附剂依次吸附，得到纯度大于99.9%的产品氢气从塔顶排出，经程控阀XV4702A～H和吸附压力调节阀PV2003后送出界区。均压降压过程这是在吸附过程完成后，顺着吸附方向将塔内较高压力气体依次放入其它已完成再生的较低压力塔的过程，这一过程不仅是降压过程，而且也回收了吸附床层死空间内的氢气，本装置主流程共包括四次连续均压降压过程，分别称为：一均降（E1D）、二均降（E2D）、三均降（E3D）、四均降（E4D）。一均降通过程控阀XV4703A～H进行，二均降、三均降通过程控阀XV4704A～H进行，四均降通过程控阀XV4706A～H进行。

顺放过程均压过程结束后，吸附塔压力仍有0.4MPa左右，而此时的杂质吸附前沿仍未到达床层顶部，故可通过顺放获得冲洗再生气源。顺放过程通过XV4706A～H、XV4710进行，顺放气进入顺放气罐V2001。逆放过程这是吸附塔在完成顺放过程后，逆着吸附方向将塔内压力降至0.05MPa的过程，此时被吸附的杂质开始从吸附剂中解吸出来。逆放解吸气经程控阀门XV4708A～H及调节阀PV2005A放入逆放缓冲罐V2002，再经压力调节阀PV2006调节到后进入解吸气混合罐V2003。冲洗过程在这一过程中，用来自于顺放气罐V2001的氢气逆着吸附方向对吸附床冲洗，使吸附剂中的杂质得以完全解吸。冲洗通过程控阀XV4705A～H、XV4707A～H，调节阀PV2004进行，冲洗解吸气进入解吸气混合罐V2003。逆放和冲洗解吸气于V2003中混合后经调节阀PV2009送出界区去制氢转化炉。均压升压过程该过程与均压降压过程相对应。在这一过程中，分别利用其它吸附塔的均压降压气体依次从吸附塔顶部对吸附塔进行升压。本装置主流程共包括四次连续均压升压过程，依次称为：四均升（E4R）、三均升（E3R）、二均升（E2R）和一均升（E1R）。产品气升压过程经过四次均压升压过程后，再用产品氢经程控阀XV4709、XV4703A～H和调节阀PV2008将吸附塔压力升至吸附压力。经这一过程后，吸附塔便完成了整个再生过程，为下一次吸附做好了准备。工艺流程特点：均压次数多，氢气回收充分，氢气损失小。冲洗时间连续，冲洗过程和冲洗气流量稳定，吸附剂再生效果好。特殊的复合床吸附剂装填使本装置能同时适用于脱除变换气中除氢以外的全部杂质。采用多床同时吸附的PSA流程，吸附循环周期短、吸附剂利用率高。本装置的自动切塔程序实现了对故障塔的不停车检修。8-2-4PSA步序表

从工艺步序可以看到：PSA氢提纯部分的8台吸附塔的工艺步序是完全相同的，只是在各步序的运行时间上依次为一个固定时间(与吸附时间有关），这样就实现了始终有两塔处于吸附状态，其余六塔分别处于不同的再生状态，保证了原料气的连续分离与提纯。对于操作而言，要记住的是每一个程控阀门的功能，和吸附塔的工作顺序，这样就能在装置故障时迅速判断出故障的位置。

6工艺步序说明本装置共由8台吸附塔组成，其中2台始终处于吸附状态，其余6台处于再生的不同阶段。吸附塔的整个吸附与再生过程都是通过66台程控阀门按一定的工艺步序和顺序进行开关来实现的。

01-原料气进口阀

02-产品气出口阀03-一均、产品气升压阀

04-二均、三均阀

05-冲洗进口阀

06-四均、顺放阀

07-冲洗出口阀08-逆放阀09－产品气升压公共阀

10-顺放公共阀切塔后的参数与工艺步序

由于PSA氢提纯装置是由8台吸附塔组成。因而为提高装置的可靠性，本装置还编制了一套“自动/手动”切塔与恢复程序。即：当某一台吸附塔出现故障时，可将其脱出工作线，让剩余的7个吸附塔转入7-2-3方式工作，如果再有吸附塔出现故障则可继续切除，转入6-2-2、5-2-2、4-1-2流程。但这时，装置产品纯度和产氢量等指标仍可以维持原指标不变，只是原料消耗有所增加。切塔后装置参数变化情况如下：

切塔后装置的工艺步序表：7-2-3PSA步序表

6-2-2PSA步序表

5-1-2PSA步序表

4-1-2PSA步序表

7工艺参数的设定

变压吸附的工艺参数主要包括吸附时间、压力和处理量。其设定的原则与方法如下：吸附时间参数的设定吸附时间参数是变压吸附的最主要参数，其设定值将直接决定装置产品氢的纯度和氢气回收率。因而，PSA部分的吸附时间参数应尽量准确，以保证产品纯度合格，且氢气回收率最高。吸附时间参数设定表：

由于吸附塔的大小和装填的吸附剂量是固定的，因而在原料气组成和吸附压力一定的情况下，吸附塔每一次所能吸附的杂质总量就是一定的。所以随着吸附过程的进行，杂质就会慢慢穿透吸附床，起初是痕量，渐渐就会超过允许值，这时就必须切换至其它塔吸附。因而，当原料气的流量发生变化时，杂质的穿透时间也就会随之变化，吸附时间参数就应随之进行调整。流量越大则吸附时间就应越短，流量越小则吸附时间就应越长。这样才能保证在各种操作负荷下均能充分地利用吸附剂的吸附能力，在保证产品纯度的情况下获得最高的氢气回收

压力参数的设定由于变压吸附气体分离工艺的核心就是利用压力的变化来实现吸附剂对混合气体中的杂质组分的吸附与分离，因而压力也是PSA的关键参数。PSA吸附压力

PSA吸附压力的设定是通过改变吸附压力调节回路PRCA2003的设定值来实现的。吸附各阶段的压力吸附塔T2001A～H在吸附、再生各阶段的压力当工艺流程和吸附压力一定时，各阶段的理想压力曲线也就自动确定了。所有的调节均由计算机自动完成，无须操作人员操作。吸附塔理想压力曲线压力

8-2-4流程：(当吸附压力变化时，此压力曲线将相应变化)

吸附塔的实际压力变化曲线应与以上的理想曲线相近似，但不会完全相同。如果吸附塔的实际压力变化曲线与以上的理想曲线形状差别很大，则说明装置运行有问题，可能的问题有：程控阀门动作出错、程控阀门严重泄漏、吸附时间不在正常范围内、调节阀故障等。吸附塔实际压力曲线压力7装置的运行

变压吸附氢提纯装置在正常运行过程中的操作是非常少的，几乎所有的调节均由计算机自动完成，操作人员只需注意产品纯度是否在最佳范围，和装置是否有报警可。7.1产品纯度的调整变压吸附工艺具有产品纯度范围宽、且易于调整的特点。由于产品纯度与产品回收率是成反向关系的，即：在原料气条件不变和吸附、解吸压力一定的情况下，产品纯度越高、氢气回收率越低；产品纯度越低、氢气回收率越高。因而，要保证装置运行于最佳状态，就必须将产品纯度控制在即能满足生产需要，又尽可能低的范围内。调整产品氢纯度的方法就是：修改吸附时间和减少原料处理量。7.2装置处理量的调节当装置的处理量改变之后(或原料气组成改变后)，将有可能影响产品的纯度，这时可调整“吸附时间”，使产品纯度重新运行于最佳范围7.3冲洗的控制冲洗的速度是由冲洗调节阀回路控制的，可以投入自动调整，也可在手动状态下通过调整其设定值即可控制冲洗速度。为保证吸附剂的再生效果，冲洗的时间应尽量长。7.4产品气升压控制产品气升压的速度是由产品气升压调节阀控制的，可以投入自动调整，也可在手动状态下通过给定产品气升压调节阀的最大和最小开度来调节。当增大产品气升压调节阀的最大和最小开度时，升压速度加快；当减小产品气升压调节阀的最大和最小开度时，升压速度减慢；为保证升压过程平稳，产品气升压调节阀的开度设定原则是：在升压时间内能恰好缓慢地将吸附塔压力升至吸附压力。逆放、均压、产品气升压、冲洗的速度均不益太快，都应坚持这样的原则：在保证能达到压力要求的条件下应尽量缓慢进行。否则可能影响再生效果和吸附剂使用寿命。冲洗的时间应尽量长且应缓慢均匀进行。

PSA程控阀故障判断及切塔、恢复操作

4号阀内漏的判断方法

该塔四均升完成后，压力不能恒定，而是持续上涨，且在其它步序时无明显上涨现象，可以确定该塔4号阀内漏

2，3号阀内漏的判断方法该塔四均升完成后，压力持续上涨，且二均完成后压力仍有上涨趋势，可以判断是2号或3号阀内漏，将此塔切除后，若压力保持不变（与吸附压力相等），则可以确定2号阀内漏，若将该塔切除后，压力伴随一均，终升压力波动，则可以确定3号阀内漏。

1号阀内漏的判断方法该塔四均升完成后，压力持续上涨，且二均完成后压力仍有上涨趋势，可以初步判断1号阀有可能漏，若将该塔切除，并关闭出口阀后压力保持在切除时的压力，但出口阀打开后，压力又涨至吸附塔进料压力，可以判断1号阀内漏。

电磁阀故障由于油路内杂质导致电磁阀卡住，不能动作时，可根据不同情况采取不同措施，若电磁阀处于打不开的状态，可以待合适的步序时切除该塔，联系仪表维修，若出现不能关闭的状态，无论在任何步序，必须将此塔立即切除，否则转化炉将会超温，待切除后联系仪表处理。吸附塔的切除由于PSA氢提纯装置是由8台吸附塔组成。因而为提高装置的可靠性，本装置编制了一套切塔与恢复程序。即：当某一台吸附塔出现故障时，可将其脱出工作线，让剩余的吸附塔继续生产。

1)切塔步骤故障塔判断；当某吸附塔的压力异常和程控阀检出错同时发生时，就认为此塔故障，应予以切除。此时DCS将提示操作人员。(吸附塔变成红色)切塔操作；经操作人员确认故障属实后，直接在DCS上选中故障塔的切除键，然后将其置“ON”。则程序将自动关断该塔的所有程控阀，将故障塔切出工作线。

c.控制机自动将程序切入与切塔前相对应的点，保证切除时各吸附塔压力无大的波动。切塔后，