63000Nm3h变压吸附氢提纯装置操作手册.doc

63000Nm3 h变变压压吸吸附附氢氢提提纯纯装装置置 操操 作作 手手 册册 1 目录 序言序言 3 第一章第一章 概述概述 4 第一节 前言 4 第二节 装置概貌 5 2 1 装置规模 5 2 2 装置组成 5 2 3 工艺流程 5 2 4 非标设备及动力设备一览表 5 第三节 设计基础 7 3 1 原料气规格 7 3 2 产品规格 7 第二章第二章 工艺过程说明工艺过程说明 9 第一节 吸附工艺原理 9 1 1 基本原理 9 1 2 吸附剂及吸附力 9 1 3 吸附平衡 13 1 4 工业吸附分离流程及其相关参数 13 1 5 工业吸附分离流程的主要工序 17 第二节 工艺流程说明 17 2 1 流程简述 17 2 2 工艺步序说明 19 2 3 控制功能说明 23 2 4 工艺参数的设定 26 2 5 报警 联锁功能说明 32 第三章第三章 装置的操作装置的操作 34 第一节 装置的开车 34 1 1 首次开车准备 34 1 2 首次开车 37 1 3 正常开车步骤 38 1 4 开车阶段的调整 38 第二节 装置的运行 39 2 1 产品纯度的调整 39 2 2 2 装置参数的调节 39 2 3 吸附塔的切除与恢复 39 2 4 操作注意事项 41 第三节 装置的停车 41 3 1 正常停车 41 3 2 紧急停车 42 3 3 临时停车 42 第四章第四章 维修与故障处理维修与故障处理 44 第一节 故障查找指南 44 1 1 概述 44 1 2 查找指南 44 第二节 故障处理 44 第五章第五章 安全规程安全规程 47 5 1 概要 47 5 2 超压保护 47 5 3 安全阀 48 5 4 废气处理 48 5 5 火灾防护 48 5 6 进入容器前的安全准备工作 50 5 7 其它安全措施 51 附 1 阀门一览表 52 3 第一章 概述 第一节第一节 前言前言 吸附分离是一门古老的学科 早在数千年前 人门就开始利用木炭 酸性白土 硅藻土 等物质所具有的强吸附能力进行防潮 脱臭和脱色 但由于这些吸附剂的吸附能力较低 选 择性较差 因而难于大规模用于现代工业 变压吸附 Pressure Swing Adsorption 气体分离与提纯技术成为大型化工工业的一种生 产工艺和独立的单元操作过程 是在本世纪六十年代迅速发展起来的 这一方面是由于随着 世界能源的短缺 各国和各行业越来越重视低品位资源的开发与利用 以及各国对环境污染 的治理要求也越来越高 使得吸附分离技术在钢铁工业 气体工业 电子工业 石油和化工 工业中日益受到重视 另一方面 六十年代以来 吸附剂也有了重大发展 如性能优良的分 子筛吸附剂的研制成功 活性炭 活性氧化铝和硅胶吸附剂性能的不断改进 以及 ZSM 特种 吸附剂和活性炭纤维的发明 都为连续操作的大型吸附分离工艺奠定了技术基础 由于变压吸附 PSA 气体分离技术是依靠压力的变化来实现吸附与再生的 因而再生速度 快 能耗低 属节能型气体分离技术 并且 该工艺过程简单 操作稳定 对于含多种杂质 的混合气可将杂质一次脱除得到高纯度产品 因而近三十年来发展非常迅速 已广泛应用于 含氢气体中氢气的提纯 混合气体中一氧化碳 二氧化碳 氧气 氮气 氩气和烃类的制取 各种气体的无热干燥等 而其中变压吸附制取纯氢技术的发展尤其令人瞩目 自一九六二年美国联合碳化物公司 UCC 第一套工业 PSA 制氢装置投产以来 UCC 公司 Haldor Topsoe 公司 Linder 公司等已先后向各国提供了近千套变压吸附制氢装置 装置的 处理能力最大已达 100000Nm3 h 以上 与国外相比 国内的变压吸附技术起步较晚 特别是 在 PSA 装置大型化技术方面较为落后 以至在七 八十年代 我国的大型变压吸附装置完全 依赖进口 为改变这种状况 我们进行了坚持不懈的努力 终于成功地完成了变压吸附计算 机集成液压操纵技术和高性能三偏心金属密封程控蝶阀的开发工作 并合作研制成功了比国 外制氢分子筛吸附容量更大 强度更高的新型 5A 制氢分子筛 实现了大型变压吸附装置国产 化关键技术的突破 自九十年代中期 成都华西化工科技股份有限公司通过招标承包设计 建设了我国最大 的 PSA 制氢装置 茂名石化公司 1x105Nm3 h 炼厂氢 PSA 制氢装置 以后 国内技术在中国 PSA 制氢领域已基本完全替代了国外技术 并首次实现了大型变压吸附制氢装置的出口 承 包设计 建设了 苏丹喀土穆炼油厂 11000Nm3 h 催化干气 PSA 制氢装置 这标志着我国的 PSA 制氢技术已达到世界先进水平 4 第二节第二节 装置概貌装置概貌 2 1 装置规模装置规模 装置公称处理原料气能力 74000Nm3 h 装置公称产氢能力 63000Nm3 h 装置设计操作弹性 30 110 2 2 装置组成装置组成 本装置由 12 台吸附塔 三台缓冲罐 两台真空泵 一套液压系统构成 2 3 工艺流程工艺流程 见所附工艺原则流程图 2 4 非标设备及动力设备一览表非标设备及动力设备一览表 序号名 称位 号操作条件填料种类操 作 介 质 数量 台 1 吸附塔T101A L 温度 40 压力 0 08 4 0MPa AS 吸附及 HXSI 01 吸附剂 HXBC 15B 吸附剂 NA CO 吸附及 HX5A 98H 吸附剂 合成气或 脱碳气 12 2 原料气缓冲罐V 101温度 40 压力 0 5MPa 氢气 1 3 解吸气缓冲 罐 V 102 温度 40 压力 0 05 0 01MPa 解吸气 1 4 解吸气混合罐V 103温度 40 压力 0 01 0 005MPa 解吸气 1 5 真空泵 P 101A B进气压力 0 08 0 02MPa 排气压力 0 02MPa 进气流量 20000m3 h 解吸气 2 5 6 液压系统P 01XA B 温度 40 压力 4 5MPa 液压油1 套 6 第三节第三节 设计基础设计基础 3 1 原料气规格原料气规格 PSA 制氢装置是为在特定压力下从特定的组分中提取氢气而设计的 本装置的设计允许 原料气组分和压力在较宽的范围内变化 但在不同的原料气条件下吸附参数应作相应的调整 以保证产品的质量 同时产品氢收率也将随原料而变化 另外 只有在设计条件下操作时 装置才能按设计的物料平衡将原料气分成产品氢和燃 气 当原料气条件变化时 物料平衡也将发生相应的变化 在原料气条件不变的情况下 所 有的调节均可由计算机自动完成 本装置设计的原料气为 合成气或脱碳气 其详细规格如下 名 称合成气脱碳气 H2 86 44 86 03 CH4 0 77 Ar 8 3PPm 0 33 N2 13 56 6 66 CO 1PPm 4 88 组成 mol CO2 1 33 标准态密度 Kg m30 2470 258 温度 4040 压力 MPa G 4 04 0 流量 Nm3 h73998 574650 0 流量 kg h18275 1619259 7 3 2 产品规格产品规格 本装置的主要产品为氢气 其中以合成气为原料的产品氢纯度 99 5 压力 3 9MPa 流 量 63000Nm3 h 以脱碳气为原料的产品氢纯度 99 9 压力 3 9MPa 流量 63000Nm3 h 副产 品为解吸气 其中以合成气为原料的解吸气压力 0 02MPa 流量 10998 5Nm3 h 以脱碳气为 原料的解吸气压力 0 02MPa 流量 11650Nm3 h 以下为设计的产品气规格 1 产品氢气 温度 40 7 压力 3 9MPa G 流量 63000Nm3 h 组分 V 以合成气为原料 以合成气为原料 H299 5 99 9 AR0 0 0 04 N20 5 0 06 CO CO2 10ppm 10ppm 100 00 100 00 2 副产解吸气 不同原料气下的解吸气规格如下 物料名称原料为合成气原料为脱碳气 组成Nm3 hmol Nm3 hmol H2 1279 3 11 63 1284 4 11 03 CH4 0 0 0 00 574 8 4 93 Ar 0 0 0 00 221 1 1 10 N2 9719 2 88 37 4933 9 42 35 CO 0 0 0 00 3642 9 31 27 CO2 0 0 0 00 992 8 8 52 合计 10998 5 100 00 11650 0 100 00 压力0 02Mpa G0 02Mpa G 温度 40 40 8 第二章第二章 工艺过程说明工艺过程说明 第一节第一节吸附工艺原理吸附工艺原理 1 1 基本原理基本原理 吸附是指 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 一般为密度相对较小的气体或液体 称为吸附质 吸附按其性质的不同可分为四大类 即 化学吸着 活性吸附 毛细管凝缩 物理吸附 化学吸附是指吸附剂与吸附质间发生有化学反应 并在吸附剂表面生成化合物的吸附过 程 其吸附过程一般进行的很慢 且解吸过程非常困难 活性吸附是指吸附剂与吸附质间生成有表面络合物的吸附过程 其解吸过程一般也较困 难 毛细管凝缩是指固体吸附剂在吸附蒸气时 在吸附剂孔隙内发生的凝结现象 一般需加 热才能完全再生 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 PSAPSA 制氢装置中的吸附主要为物理吸附 制氢装置中的吸附主要为物理吸附 1 2 吸附剂及吸附力吸附剂及吸附力 工业 PSA 制氢装置所用的吸附剂都是具有较大比表面积的固体颗粒 主要有 活性氧化 铝类 活性炭类 硅胶类和分子筛类 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 1 2 1 本装置所用吸附剂的特性如下 本装置所用吸附剂的特性如下 1 AS 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 9 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 1 3 球状的硅胶装于吸附塔中下部 用于吸附水和二氧化碳 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 CO2 有良好的亲和力 本装置所用活性炭规格 为 1 5 条状 装填于吸附塔中部主要用于脱除 CO2 4 NA CO 专用吸附剂 本装置所用 CO 专用吸附剂是一活性炭为载体的金属络合吸附剂 对 CO 有特较强的络合 吸附作用 装填于吸附塔中上部 用于控制产品气中的 CO 含量 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 型号为 5A 规格为 2 3 球状 无毒 无腐蚀性 5A 分子筛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 5A 分子筛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 CH4 N2 CO 保证最终的产品纯度 6 惰性瓷球 本装置所用惰性瓷球是一种无任何吸附作用的氧化铝球 装填于吸附塔顶部 用于保护 吸附剂 装置吸附剂用量一览表 序号名 称规 格用 量作 用 1AS 吸附及 3 5 球状 白色6 吨吸附水 2HXSI 01 吸附剂 3 5 球状 白色6 吨吸附烃类 3HXBC 15B 吸附剂 1 5 柱状 黑色12 吨吸附 CO2 等 4HXNA CO 吸附及 2 3 柱状 黑色12 吨吸附 CO 5HX5A 98 分子筛 2 3 球状 灰白色300 吨吸附 10 CO N2 瓷 球 15 球状9 吨保护吸附剂 1 2 2 吸附剂的处理吸附剂的处理 几乎所有的吸附剂都是吸水的 特别是 5A 分子筛具有极强的亲水性 因而在吸附剂的 保管和运输过程中应特别注意防潮和包装的完整性 5A 分子筛如果受潮 则必须作活化处理 对于废弃的吸附剂 一般采用深埋或回收处理 但应注意 在卸取吸附剂时 必须先用 氮气进行置换以确保塔内无有毒或爆炸性气体 在正常使用情况下 PSA 工段的吸附剂一般 是和装置同寿命的 1 2 3 吸附力吸附力 在物理吸附中 各种吸附剂对气体分子之所以有吸附能力是由于处于气 固相分界面上 的气体分子的特殊形态 一般来说 只处于气相中的气体分子所受的来自各方向的分子吸引 力是相同的 气体分子处于自由运动状态 而当气体分子运动到气 固相分界面时 即撞击到 吸附剂表面时 气体分子将同时受到固相 和气相中分子的引力 其中来自固相分子的引力 更大 当气体分子的分子动能不足以克服这种分子引力时 气体分子就会被吸附在固体吸附 剂的表面 被吸附在固体吸附剂表面的气体分子又被称为吸附相 其分子密度远大于气相 一般可接近于液态的密度 固体吸附剂表面分子对吸附相中气体分子的吸引力可由以下的公式来描述 分子引力 F C1 rm C2 rn m n 其中 C1 表示引力常数 与分子的大小 结构有关 C2 表示电磁力常数 主要与分子的极性和瞬时偶极矩有关 r 表示分子间距离 因而对于不同的气体组分 由于其分子的大小 结构 极性等性质各不相同 吸附剂对 其吸附的能力和吸附容量也就各不相同 PSA 制氢装置所利用的就是吸附剂的这一特性 由 11 于吸附剂对混合气体中的氢组分吸附能力很弱 而对其它组分吸附能力较强 因而通过装有 不同吸附剂的混合吸附床层 就可将各种杂质吸附下来 得到提纯的氢气 下图为不同组分在分子筛上的吸附强弱顺序示意图 组分 吸附能力 氦气 弱弱 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 强强 12 1 3 吸附平衡吸附平衡 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 在实际的吸附过程中 吸附质分子会不断地碰撞吸附剂表面并被吸附剂表面的分子引力 束缚在吸附相中 同时吸附相中的吸附质分子又会不断地从吸附剂分子或其它吸附质分子得 到能量 从而克服分子引力离开吸附相 当一定时间内进入吸附相的分子数和离开吸附相的 分子数相等时 吸附过程就达到了平衡 对于物理吸附而言 动态吸附平衡很快就能完成 并且在一定的温度和压力下 对于相同的吸附剂和吸附质 平衡吸附量是一个定值 由于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 我们用不同温度下的吸附等温线来描述这一关系 如下图 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 本制氢装置的工作原理利用的是上图中吸附剂在 A B 段的特性来实现气体的吸附与解吸 的 吸附剂在常温高压 即 A 点 下大量吸附原料气中除氢以外的杂质组分 然后降低压力 到 B 点 使各种杂质得以解吸 1 4 工业吸附分离流程及其相关参数工业吸附分离流程及其相关参数 1 4 1 工业吸附分离流程的确定 在实际工业应用中 吸附分离一般分为变压吸附和变温吸附两大类 从吸附剂的吸附等 吸附容量 压力 V3 V2 V1 P2P1 B V4 A 高温 常温 D C 13 温线可以看出 吸附剂在高压下对杂质的吸附容量大 低压下吸附容量小 同时从吸附剂 的吸附等压线我们也可以看到 在同一压力下吸附剂在低温下吸附容量大 高温下吸附容 量小 利用吸附剂的前一性质进行的吸附分离称为变压吸附 PSA 利用吸附剂的后一性质 进行的吸附分离就称为变温吸附 TSA 在实际工业应用中一般依据气源的组成 压力及产品要求的不同来选择 TSA PSA 或 TSA PSA 工艺 变温吸附工艺由于需要升温 因而循环周期长 投资较大 但再生彻底 通常用于微量 杂质或难解吸杂质的净化 变压吸附工艺的循环周期短 吸附剂利用率高 吸附剂用量相对 较少 不需要外加换热设备 被广泛用于大气量多组分气体的分离与纯化 本装置的流程为本装置的流程为 PSAPSA 流程 流程 在工业变压吸附 PSA 工艺中 吸附剂通常都是在常温和较高压力下 将混合气体中的 易吸附组分吸附 不易吸附的组分从床层的一端流出 然后降低吸附剂床层的压力 使被吸 附的组分脱附出来 从床层的另一端排出 从而实现了气体的分离与净化 同时也使吸附剂 得到了再生 但在通常的 PSA 工艺中 吸附床层压力即使降至常压 被吸附的杂质也不能完全解吸 这时可采用两种方法使吸附剂完全再生 一种是用产品气对床层进行 冲洗 以降低被吸附 杂质的分压 将较难解吸的杂质置换出来 其优点是常压下即可完成 但缺点是会多损失部 分产品气 另一种是利用抽真空的办法进行再生 使较难解吸的杂质在负压下强行解吸下来 这就是通常所说的真空变压吸附 Vacuum Pressure Swing Adsorption 缩写为 VPSA 或 VSA VPSA 工艺的优点是再生效果好 产品收率高 但缺点是需要增加真空泵 装置能耗相对较高 在实际应用过程中 究竟采用以上何种工艺 主要视原料气的组成条件 流量 产品纯度及 收率要求以及工厂的资金和场地等情况而决定 本装置采用抽真空方式对吸附剂进行再生 本装置采用抽真空方式对吸附剂进行再生 1 4 2 工艺条件与装置处理能力的关系 原料气组成原料气组成 吸附塔的处理能力与原料气组成的关系很大 原料气中氢含量越高时 吸附塔的处理能 力越大 原料气杂质含量越高 特别是净化要求高的有害杂质含量越高时 吸附塔的处理能 力越小 原料气温度原料气温度 原料气温度越高 吸附剂的吸附量越小 吸附塔的处理能力越低 14 吸附压力吸附压力 原料气的压力越高 吸附剂的吸附量越大 吸附塔的处理能力越高 解吸压力解吸压力 解吸压力越低 吸附剂再生越彻底 吸附剂的动态吸附量越大 吸附塔的处理能力越高 产品纯度产品纯度 产品纯度越高 吸附剂的有效利用率就越低 吸附塔的处理能力越低 1 4 3 氢气回收率影响因素 由于 PSA 装置的氢气损失来源于吸附剂的再生阶段 因而吸附塔的处理能力越高 则再 生的周期就可以越长 单位时间内的再生次数就越少 氢气损失就越少 氢回收率就越高 不同工艺流程下的氢气回收率 不同工艺流程下的氢气回收率 在不同的工艺流程下 所能实现的均压次数不同 吸附剂再生时的压力降也就不同 而吸附 剂再生时损失的氢气量随再生压力降的增大而增大 一般来讲 PSA 流程的均压次数越多 再生 压力降越小 氢气回收率越高 但从另一方面考虑 均压次数太多 容易将部分杂质带入下一吸 附塔并在吸附塔顶部形成二次吸附 从而使该塔在转入吸附时因顶部被吸附的杂质随氢气带出 而影响产品氢纯度 对于冲洗流程和真空流程来讲 冲洗流程需消耗一定量氢气用于吸附剂再生 而真空流程 则是通过抽真空降低被吸附组分的分压使吸附剂得到再生 故采用冲洗流程时 氢气回收率较 低 而真空流程氢气回收率高但能耗较高 产品氢纯度与氢回收率的关系 产品氢纯度与氢回收率的关系 在原料气处理量不变的情况下 产品氢纯度越高 穿透进入产品氢中的杂质量越少 吸附剂 利用率越低 每次再生时从吸附剂死空间中排出的氢气量越大 氢气回收率越低 吸附压力对氢气回收率的影响 吸附压力对氢气回收率的影响 吸附压力越高 吸附剂对各种杂质的动态吸附量越大 在原料气处理量和产品氢纯度不变 的情况下 吸附循环周期越长 单位时间内解吸次数越少 氢气回收率越高 均压次数对氢气回收率的影响 均压次数对氢气回收率的影响 在吸附压力不变的情况下 均压次数越多 均压过程的压力降越大 顺放初压力越低 再生 过程损失的氢气量越小 氢气回收率越高 但均压次数越多 被吸附的杂质也就越容易穿透 进入下一吸附塔并在吸附剂床层顶部被吸附 致使该塔在转入下一次吸附时杂质很容易被氢气 带出 影响产品氢纯度 15 解吸真空度对氢气回收率的影响 解吸真空度对氢气回收率的影响 由于被吸附的大量杂质是通过抽真空而解吸 故真空度越高 吸附剂动态吸附量越大 生 越彻底 在原料处理量不变的情况下 吸附时间越长因而氢气回收率越高 但是 真空度越高 真空能耗越高装置运行费用增大 吸附时间吸附时间 或吸附循环周期或吸附循环周期 对氢气回收率的影响对氢气回收率的影响 在原料气流量和其他工艺参数不变的条件下 延长吸附时间就意味着单位时间内的再生 次数减少 再生过程损失的氢气也就越少 氢气回收率越高 但是 在同样条件下 吸附时间越 长 进入吸附剂床层的杂质量越大 因吸附剂动态吸附量不变 故穿透进入产品氢的杂质量将 增大 这势必会使产品氢纯度下降 由此可见 吸附时间的改变将同时影响产品氢的纯度和 收率 在 PSA 制氢装置的实际操作过程中 为了提高 PSA 装置运行的经济性 我们应在保证产 品氢中杂质含量不超标的前提下 尽可能的延长吸附时间以提高氢气回收率 1 4 4 产品氢纯度的影响因素 原料气流量对纯度的影响 原料气流量对纯度的影响 在气体工艺条件及工艺参数不变的条件下 原料气流量的变化对纯度的影响很大 原料气 流量越大 每一循环周期内进入吸附塔的杂质量越大 杂质也就越容易穿透 产品氢纯度越低 相反 原料气流量减小 则有利于提高产品氢纯度 解吸再生条件对产品氢纯度的影响 解吸再生条件对产品氢纯度的影响 如前所述 在常压冲洗再生的情况下 一方面因要消耗部分产品气用于吸附剂再生 氢气 回收率较低 另一方面 因吸附剂再生不彻底 吸附剂动态吸附量较小 因而若原料气流量不 变 则产品氢纯度下降 与之相比 采用真空解吸再生时 吸附剂动态吸附量大 吸附剂再 生彻底 不仅有利于提高氢气回收率 也提高了产品氢纯度 均压次数对产品氢纯度的影响均压次数对产品氢纯度的影响 原料气处理量和吸附循环周期不变 均压次数越多 均压过程的压力降越大 被吸附的杂质 也就越容易穿透进入下一吸附塔并在吸附剂床层顶部被吸附 致使该塔在转入下一次吸附时杂 质很容易被氢气带出 影响产品氢纯度 综上所述 为了提高氢气回收率进而提高装置的经济效益为了提高氢气回收率进而提高装置的经济效益 在原料气组成 流量以及温度在原料气组成 流量以及温度 一定的情况下应尽量提高吸附压力 降低解吸压力 延长吸附时间 降低产品纯度 在允许一定的情况下应尽量提高吸附压力 降低解吸压力 延长吸附时间 降低产品纯度 在允许 范围内 范围内 在原料气流量发生变化时 应适当调整吸附时间以保证产品氢纯度 在原料气流量发生变化时 应适当调整吸附时间以保证产品氢纯度 16 1 5 工业吸附分离流程的主要工序工业吸附分离流程的主要工序 吸附工序 在常温 高压下吸附杂质 出产品 减压工序 通过一次或多次的均压降压过程 将床层死空间氢气回收 顺放工序 通过顺向减压过程获得吸附剂再生气源 逆放工序 逆着吸附方向减压使吸附剂获得部分再生 冲洗 或抽真空 工序 用产品氢冲洗 或通过抽真空 降低杂质分压 使吸附剂完成 最终的再生 本装置采用抽真空再生 升压工序 通过一次或多次的均压升压和产品气升压过程使吸附塔压力升至吸附压力 为下一次吸附作好准备 本装置主流程的工序包括 吸附 一 八均降 逆放 抽真空 八 一均升 产品氢终升 共二十个工艺步序 第二节第二节 工艺流程说明工艺流程说明 2 1 流程简述流程简述 本装置由 12 台吸附塔和 3 台缓冲罐组成 本装置采用 12 2 8 VPSA 工艺流程 即 装置的十二个吸附塔中有二个吸附塔始终处于 同时进料吸附的状态 其吸附和再生工艺过程由吸附 连续八次均压降压 逆放 抽真空 连续八次均压升压和产品最终升压等步骤组成 具体过程简述如下 a 吸附过程 压力为 4 0MPa G 左右 温度 40 的变换气自装置外来 自塔底进入正处于吸附状态的 吸附塔 同时有 2 个吸附塔处于吸附状态 内 在多种吸附剂的依次选择吸附下 其中的 H2O CO2 N2 CH4 和 CO 等杂质被吸附下来 未被吸附的氢气作为产品从塔顶流出 经压力 调节系统稳压后送出界区去后工段 其中 H2 纯度大于 99 5 压力大于 3 9MPa 当被吸附杂质的传质区前沿 称为吸附前沿 到达床层出口预留段某一位置时 关掉该吸 附塔的原料气进料阀和产品气出口阀 停止吸附 吸附床开始转入再生过程 b 均压降压过程 这是在吸附过程结束后 顺着吸附方向将塔内的较高压力的氢气放入其它已完成再生的 较低压力吸附塔的过程 该过程不仅是降压过程 更是回收床层死空间氢气的过程 本流程 共包括了八次连续的均压降压过程 因而可保证氢气的充分回收 17 c 逆放过程 在顺放过程结束后 吸附前沿已达到床层出口 这时 逆着吸附方向将吸附塔压力降至 接近常压 此时被吸附的杂质开始从吸附剂中大量解吸出来 逆放解吸气经过自适应调节系 统调节后平缓地放进逆放解吸气缓冲罐 然后再经稳压调节阀调节后送解吸气混合罐 d 抽真空过程 逆放结束后 通过抽真空进一步降低杂质组分的分压 使吸附剂得以彻底再生 真空解 吸气进入解吸气混合罐 在解吸气混合罐中与逆放解吸气混合后再送出界区 e 均压升压过程 在真空再生过程完成后 用来自其它吸附塔的较高压力氢气依次对该吸附塔进行升压 这一过程与均压降压过程相对应 不仅是升压过程 而且更是回收其它塔的床层死空间氢气 的过程 本流程共包括了连续八次均压升压过程 f 产品气升压过程 在八次均压升压过程完成后 为了使吸附塔可以平稳地切换至下一次吸附并保证产品纯 度在这一过程中不发生波动 需要通过升压调节阀缓慢而平稳地用产品氢气将吸附塔压力升 至吸附压力 经这一过程后吸附塔便完成了一个完整的 吸附 再生 循环 又为下一次吸附做好了准 备 十二个吸附塔交替进行以上的吸附 再生操作 始终有二个吸附塔处于吸附状态 即可实 现气体的连续分离与提纯 工艺流程特点 工艺流程特点 与传统与传统 PSAPSA 流程相比 本装置流程具有如下特点 流程相比 本装置流程具有如下特点 1 均压次数多 氢气回收充分 氢气损失小均压次数多 氢气回收充分 氢气损失小 2 特殊的复合床吸附剂装填使本装置能同时脱除炼厂气中除氢以外的全部杂质 特殊的复合床吸附剂装填使本装置能同时脱除炼厂气中除氢以外的全部杂质 3 采用多床同时吸附的采用多床同时吸附的 VPSAVPSA 流程 吸附循环周期短 吸附剂利用率高 流程 吸附循环周期短 吸附剂利用率高 4 本流程真空过程连续 真空时间长 吸附剂再生更彻底 本流程真空过程连续 真空时间长 吸附剂再生更彻底 5 本装置的自动切塔程序实现了对故障塔的不停车检修本装置的自动切塔程序实现了对故障塔的不停车检修 主要指程控阀主要指程控阀 2 2 工艺步序说明工艺步序说明 本装置共由 12 台吸附塔组成 其中 2 台始终处于吸附状态 其余 10 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 109 台程控阀门按一定的工艺步序和顺序进行 18 开关来实现的 为便于识别这些程控阀门和表述整个工艺过程 我们首先按一定的规律对程 控阀进行编号 XV 1 吸附塔号 A L 阀门功能 作用 01 原料气进口阀 02 产品气出口阀 03 产品气升压阀 04 一均 二均阀 05 三均 四均阀 06 五均 六均阀 07 七均 八均阀 08 逆放阀 09 抽真空泵阀 10 终升公共阀 表示 VPSA 氢提纯工段 表示程序控制阀 步序描述 步序描述 一 主流程步序描述 现以吸附塔 T101A 简称 A 塔 为例描述主流程的整个工艺步序过程 T101B L 的工艺过 程与 T101A 完全相同 主流程时序图及阀态表详见附表一 步序 1 吸附 A 原料气经程控阀 XV101A 进入 PSA 吸附塔 T101A 其中除 H2 以外的杂质组份被吸附塔中 装填的多种吸附剂依次吸附 得到纯度大于 99 5 的产品氢气经程控阀 XV102A 排出 大部 分氢气经压力调节阀 PV103 稳压后送出界区 少部分氢气通过程控阀 XV103 后用于 B C 两塔 的产品气升压 随着吸附的进行 当杂质的前沿 即 吸附前沿 上升至接近吸附床一定高度 时 关闭 XV101A XV102A 停止吸附 这时 吸附前沿与吸附床出口间还留有一段未吸附饱 和的吸附剂 称为预留段 步序 2 一均降压 E1D 在吸附过程完成后 打开程控阀 XV104A 和 XV104D 通过管线 H2 105 将 A 塔内较高压力 19 的氢气放入刚完成了二均升的 D 塔 直到 A D 两塔的压力基本相等为止 这一过程不仅是降 压过程 而且也回收了 A 塔床层死空间内的氢气 在这一过程中 A 塔的吸附前沿将向前推移 但未达到出口 步序 3 二均降压 E2D 在一均降过程完成后 打开程控阀 XV104A 和 XV104E 通过管线 H2 105 将 A 塔内较高压 力的氢气放入刚完成三均升的 E 塔 用于 E 塔的二均升 这一过程继续回收 A 塔床层死空间 内的氢气 同时 A 塔的吸附前沿继续向前推移 但仍未达到出口 步序 4 三均降压 E3D 在二均降过程完成后 打开程控阀 XV105A 和 XV105F 通过管线 H2 106 将 A 塔内较高压 力的氢气放入刚完成了抽真空的 F 塔 用于 F 塔的三均升 直到 A F 两塔的压力基本相等为 止 这一过程同样是继续回收 A 塔床层死空间内的氢气 同时 A 塔的吸附前沿也将继续向前 推移 但仍未达到出口 步序 5 四均降压 E4D 在三均降过程完成后 打开程控阀 XV105A 和 XV105G 通过管线 H2 106 将 A 塔内较高压 力的氢气放入刚完成了抽真空的 G 塔 用于 G 塔的四均升 直到 A G 两塔的压力基本相等为 止 这一过程同样是继续回收 A 塔床层死空间内的氢气 同时 A 塔的吸附前沿也将继续向前 推移 但仍未达到出口 步序 6 五均降压 E5D 在四均降过程完成后 打开程控阀 XV106A 和 XV106H 通过管线 H2 107 将 A 塔内较高压 力的氢气放入刚完成了抽真空的 H 塔 用于 H 塔的五均升 直到 A H 两塔的压力基本相等为 止 这一过程同样是继续回收 A 塔床层死空间内的氢气 同时 A 塔的吸附前沿也将继续向前 推移 但仍未达到出口 步序 7 六均降压 E6D 在五均降过程完成后 打开程控阀 XV106A 和 XV106I 通过管线 H2 107 将 A 塔内较高压 力的氢气放入刚完成了抽真空的 I 塔 用于 I 塔的六均升 直到 A I 两塔的压力基本相等为 止 这一过程同样是继续回收 A 塔床层死空间内的氢气 同时 A 塔的吸附前沿也将继续向前 推移 但仍未达到出口 步序 8 七均降压 E7D 在六均降过程完成后 打开程控阀 XV107A 和 XV107J 通过管线 H2 108 将 A 塔内较高压 力的氢气放入刚完成了抽真空的 J 塔 用于 J 塔的七均升 直到 A J 两塔的压力基本相等为 20 止 这一过程同样是继续回收 A 塔床层死空间内的氢气 同时 A 塔的吸附前沿也将继续向前 推移 但仍未达到出口 步序 9 八均降压 E8D 在七均降过程完成后 打开程控阀 XV107A 和 XV107K 通过管线 H2 108 将 A 塔内较高压 力的氢气放入刚完成了抽真空的 K 塔 用于 K 塔的八均升 直到 A K 两塔的压力基本相等为 止 这一过程同样是继续回收 A 塔床层死空间内的氢气 同时 A 塔的吸附前沿也将继续向前 推移并基本达到床层出口 步序 10 逆放 D 在均压过程完成后 A 塔的吸附前沿已基本达到床层出口 这时打开 XV108A 逆着吸附 方向将 A 塔压力降至接近于常压 此时被吸附的杂质开始从吸附剂中解吸出来 逆放解吸气 经调节阀 KV102 放入解吸气缓冲罐 V102 再经调节阀 PV104 稳压后进入解吸气混合罐 V103 步序 11 真空再生 V 逆放结束后 打开程控阀门 XV109A 对 A 塔进行抽真空 这时被吸附的杂质随着其分压 的降低而大量解吸出来 并逆着吸附方向流入解吸气混合罐 V103 抽真空过程结束 吸附剂 再生完成 A 塔将转入其后的升压阶段 步序 12 八均升压 E8R 在抽真空过程完成后 打开程控阀 XV107A 和 XV107C 通过管线 H2 108 将 C 塔内较高压 力的氢气放入刚完成了抽真空的 A 塔 用于 A 塔的八均升 直到 A C 两塔的压力基本相等为 止 步序 13 七均升压 E7R 在八均升压过程完成后 打开程控阀 XV107A 和 XV107D 通过管线 H2 108 将 D 塔内较高 压力的氢气放入 A 塔 用于 A 塔的七均升 直到 A D 两塔的压力基本相等为止 步序 14 六均升压 E6R 在七均升压过程完成后 打开程控阀 XV106A 和 XV106E 通过管线 H2 107 将 E 塔内较高 压力的氢气放入 A 塔 用于 A 塔的六均升 直到 A E 两塔的压力基本相等为止 步序 15 五均升压 E5R 在六均升压过程完成后 打开程控阀 XV106A 和 XV106F 通过管线 H2 107 将 F 塔内较高 压力的氢气放入 A 塔 用于 A 塔的五均升 直到 A F 两塔的压力基本相等为止 步序 16 四均升压 E4R 在五均升压过程完成后 打开程控阀 XV105A 和 XV105G 通过管线 H2 106 将 G 塔内较高 21 压力的氢气放入 A 塔 用于 A 塔的四均升 直到 A G 两塔的压力基本相等为止 步序 17 三均升压 E3R 在四均升压过程完成后 打开程控阀 XV105A 和 XV105H 通过管线 H2 106 将 H 塔内较高 压力的氢气放入 A 塔 用于 A 塔的三均升 直到 A H 两塔的压力基本相等为止 步序 18 二均升压 E2R 在三均升压过程完成后 打开程控阀 XV104A 和 XV104I 通过管线 H2 105 将 I 塔内较高 压力的氢气放入 A 塔 用于 A 塔的二均升 直到 A I 两塔的压力基本相等为止 步序 19 一均升压 E1R 在二均升压过程完成后 打开程控阀 XV104A 和 XV104J 通过管线 H2 105 将 J 塔内较高 压力的氢气放入 A 塔 用于 A 塔的一均升 直到 A J 两塔的压力基本相等为止 步序 20 产品气升压过程 FR 通过八次均压升压过程后 吸附塔压力仍然未达到吸附压力 这时打开程控阀 XV103A XV110 通过调节阀 KV101 用产品氢气对 A 塔进行缓慢升压 直至 A 塔压力升至吸附 压力为止 经过上述一系列这降压及升压过程后 吸附塔便完成了整个再生过程 为下一次吸附做 好了准备并由此进入下一吸附循环 吸附塔 T101B L 的工艺步序与 T101A 都是完全相同的 只是在各步序的运行时间上依次 错开 1 2 个吸附时间 这样就实现了始终有 2 塔处于吸附状态 10 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 二 切塔后的步序 PSA 氢提纯装置主流程由 12 台吸附塔组成 为提高装置运行的连续性和可靠性 本 装置还编制了一套自动切塔与恢复程序 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 11 个吸附塔转入 11 2 7 流程运行 如果再有一台吸附塔出现故障则可继 续切除 转入 10 2 6 流程 切除 3 4 5 6 塔后 可依次转入 9 2 5 8 1 5 7 1 4 6 1 3 流程运行 但这时 装置处理气量和产氢量等指标会发生变化 切塔后的相关运行参数见下表 原料气为合成气时正常满负荷情况下的期望值 吸 附 塔 总 数 流 程 在线吸 附床数 均压次 数 操作压力 MPa g 原料处理量 Nm3 h 氢气回收率 12 塔 12 2 8284 07400097 5 11 塔 11 2 727 4 074000 97 0 22 10 塔 10 2 626 4 074000 96 0 9 塔 9 2 525 4 074000 94 0 8 塔 8 1 515 4 060000 94 0 7 塔 7 1 414 2 555000 92 0 6 塔 6 1 313 2 550000 88 0 切塔前后的流程时序表及程控阀阀态表附详见附表二 2 3 控制功能说明控制功能说明 由于 VPSA 装置的主要控制量是开关量 主要的功能要求是逻辑顺控 因此采用PLC 控制系统更为合适 而且随着 PLC 控制系统技术的发展 PLC 已经具备了完善的复杂 PID 调节功能 和可靠的双冗余 热插拔能力 因此本系统确定采用PLC 控制系统 本装置控制主机采用日本原装进口 OMRON 产 CS 系列冗余 PLC 配上位监控站 可实现完善直观的工艺流程监控与动态显示 PID 回路调节 故障自诊断 历史趋势 事故状态和各种操作记录及打印报表 WINDOWS 监控界面具有界面友好 操作简便 且性能可靠的特点 本装置的基本控制与管理功能包括 程控阀开关控制 模拟量检测与调节 质量联锁 故障报警与记录 历史数据记录 流量累计等功能 分别介绍如下 2 3 1 程控阀开关控制功能程控阀开关控制功能 本装置的吸附与分离过程都是依赖于程控阀门的开关来实现切换的 因而程控阀门的开 关控制是本装置最重要的控制部分 本装置的程控阀开关控制过程示意图如下 程控阀开关控制过程说明 PLC 系统根据工艺要求 见工艺阀态表 制订出程序 然后按一定的时间顺序将 DC24V 开 关信号送至液压系统的电磁换向阀 电磁换向阀将该开关电信号转换成驱动气压的高 低压 运行监控 PLC 系统 程序控制 工艺装置程控阀液压系统 工艺参数 运行参数 阀位检测 程序控制驱动 23 信号 送至程控阀的驱动气缸 驱动程控阀门按程序开 关 同时 程控阀门将其开 关状态通过阀位传感器反馈给 PLC 系统 用于状态显示和监控 并通过与输出信号的对比实现阀门故障的判断与报警 说明 液压系统的作用是为程控阀门提供开 关的动力和控制手段 其压力高低对程控说明 液压系统的作用是为程控阀门提供开 关的动力和控制手段 其压力高低对程控 阀的开关影响很大 故用于阀门驱动的液压油压力进阀的开关影响很大 故用于阀门驱动的液压油压力进 PLCPLC 系统 由系统 由 PLCPLC 系统进行显示 监控 系统进行显示 监控 报警和联锁控制 报警和联锁控制 2 3 2 模拟量检测与调节功能模拟量检测与调节功能 本装置模拟量调节均由 PLC 完成 共包括 25 个模拟量检测点和 7 个模拟量调节点 各检 测及调节信号的功能与控制方式简述如下 1 原料气压力指示 记录 调节 报警 PRCA101 本调节回路由安装于原料气进口总管 P 101 上的压力变送器 PT101 安装于原料气超压 放空管线 P 105 上的调节阀 PV101 以及安装于界区外合成气总管上的调节阀组成 用于原料 气压力指示 记录 调节 报警 其调节方式为 先通过界区外合成气管线上的调节阀控制 PSA 原料气压力 其设定值为 4 0MPa 如原料气压力超过 4 1MPa 则通过 PV101 进行超压调 节 超压气通过 P 106 送出界区或通过 P 107 去火炬总管 2 吸附塔压力指示记录 PR102A L 安装于吸附塔 T101A L 的出口总管上的压力变送器 用于指示记录各吸附塔的压力 3 吸附压力指示记录调节 PRCA103 本调节回路由安装于 PSA 产品出口总管 H103 上的压力变送器 PT103 和调节阀 PV103 构成 用于稳定吸附压力及产品氢压力 本调节回路的设定值一般定为比原料气压力低 0 05MPa 左 右 4 逆放气压力记录指示调节 KV102 本调节回路由安装于解吸气缓冲罐进口总管 FG 103 上的调节阀 KV102 以及各吸附塔对应 的压力变送器 PR102A L 构成 用于调节逆放速度 减小逆放罐的压力波动和降低逆放过程产 生的噪音 本调节回路的设定值随逆放压力的变化而变化 调节方式为自适应随动 PID 调节 5 解吸气混合罐进口压力指示 记录 调节 报警 PRCA104 本调节回路由安装于解吸气混合罐 V103 进口管线 FG 110 上的压力变送器 PT104 和调节 阀 PV104 构成 用于解吸气混合罐进口压力指示 记录 调节 报警 避免解吸气混合罐压 力过高 本调节回路的设定值一般为 0 02MPa 报警设定 0 05MPa 6 产品气升压调节阀 KV101 调节阀 KV101 安装于产品气升压总管 H2 109 上 用于调节吸附塔产品气升压的速度 本 24 调节回路的设定值随终升过程的吸附塔压力变化而变化 调节方式为自适应随动 PID 调节 应注意 应注意 升压速度严禁过快 升压速度严禁过快 必须保证最终升到的压力基本等于吸附压力 必须保证最终升到的压力基本等于吸附压力 7 原料气流量指示记录 积算 调节 FRCQ101 该调节回路由安装于原料气进气总管 P 103 上的流量计 FT101 和调节阀 FV101 构成 用 于指示 记录和控制进装置的原料气流量 并在 PLC 中积算其累积值 其设定值将根据进装置 的原料气负荷大小在 30 110 范围内由操作人员设定 8 产品气流量指示记录积算 FRQ102 产品氢流量计 FT102 安装于产品气总管 H2 103 上 用于指示和记录装置的产品氢流量 并在 PLC 中积算其累积值 9 产品氢纯度在线分析记录报警 ARA101 本装置 H2 纯度在线分析仪的取样点 位于产品氢气总管 H2 103 用于在线指示产品氢 纯度 为 PSA 操作参数的设定和修改提供依据 其报警低限设定值 99 5 10 解吸气混合罐液位记录 报警 LRA102 安装于解吸气混合罐上的液位变送器 LT102 用于解吸气混合罐液位的指示 报警 当液 位指示超过报警上限 80 时 由操作工现场排水 11 管阀架区可燃气体检测 报警 EA101a d 安装于管阀架区的可燃气体检测 报警仪用于管阀架区的氢气泄漏量指示 报警 报警 仪数量 安装位置 报警设置等见仪表专业详细设计 2 3 3 现场其他主要仪表现场其他主要仪表 1 真空泵分液罐高液位排水控制和低液位补水控制 安装于真空泵分液罐上的液位开关 LSH101a b 和 LSL101a b 分别用于高液位排水控制和 低液位补水控制 高液位时开启排水电磁阀 HLV102a b 低液位时开启补水电磁阀 LLV101a b 2 原料气分液罐液位指示 安装于原料气分液罐上的现场液位计 LG101 用于 V101 液位指示 并由操作人员定期循检 和排液 2 4 工艺参数的设定工艺参数的设定 变压吸附的工艺参数主要包括吸附时间 压力和处