PSA提氢操作手册.doc

变压吸附提氢装置变压吸附提氢装置 操操 作作 手手 册册 成成都都华华西西 工工业业气气体体 有有限限公公司司编编制制 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 1 目录 序 言 3 第一章 概述 4 第一节 前言 4 第二节 装置概貌 6 2 1 装置规模 6 2 2 装置组成 6 2 3 工艺流程 6 2 4 非标设备设备一览表 6 第三节 设计基础 8 3 1 原料气规格 8 3 2 产品规格 8 第二章 工艺过程说明 10 第一节 吸附工艺原理 10 1 1 基本原理 10 1 2 吸附剂及吸附力 10 1 3 吸附平衡 14 1 4 工业吸附分离流程及其相关参数 15 1 5 工业吸附分离流程的主要工序 18 第二节 工艺流程说明 19 2 1 流程简述 19 2 2 工艺步序说明 21 2 3 控制功能说明 24 2 4 工艺参数的设定 28 2 5 报警 联锁功能说明 35 第三章 装置的操作 36 第一节 装置的开车 36 1 1 首次开车准备 36 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 2 1 2 首次开车 39 1 3 正常开车步骤 40 1 4 开车阶段的调整 40 第二节 装置的运行 41 2 1 产品纯度的调整 41 2 2 装置参数的调节 41 2 3 吸附塔的切除 42 2 4 操作注意事项 43 第三节 装置的停车 44 3 1 正常停车 44 3 2 紧急停车 44 3 3 临时停车 44 第四章 安全规程 49 5 1 概要 49 5 2 超压保护 49 5 3 安全阀 50 5 4 废气处理 50 5 5 火灾防护 50 5 6 进入容器前的安全准备工作 52 5 7 其它安全措施 53 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 3 序序 言言 本操作手册是成都华西 工业气体 有限公司专为 内蒙庆华集团内蒙煤化有限公司 13000Nm3 h H2装置编写的 用于向 自控人员提供编程组态的依据和向 装置操作人员 提供正确的操作步骤 以及预防和处理事故的方法 本装置是采用变压吸附 简称PSA 法从甲醇驰放气 中提纯氢气的成套装置 在 启动和运行本装置前 要求操作人员透彻地阅读本操作手册及相关图纸 因为 不适当的 操作会导致运行性能低劣 产品不合格 甚至吸附剂损坏或造成安全事故 本操作手册不可能对装置的所有操作及安全防护措施作完全描述 如有疑问 成都 华西工业气体 有限公司的技术服务人员将在操作人员培训期间给予解答 同时 在任何 情况下 装置操作人员均应遵守石化行业和本工厂的其它有关安全 劳动保护 事故预防 及生产管理的规定 成都华西 工业气体 有限公司 保留用开工和生产阶段所测数据对本操作手册进行补充 的权利 本操作手册中的内容及技术数据属 成都华西 工业气体 有限公司 技术机密 未 经成 都华西工业气体 有限公司 许可 用户有义务限制本操作手册只向买方的操作及维护人员 提供 本装置设计的原始数据由 内蒙庆华集团内蒙煤化有限公司 提供 并在设计过程给 予了大力支持和帮助 在此 致以特别的谢意 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 4 第一章第一章 概述概述 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 PIessure 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 1 105Nm3 h 重整氢 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 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 5 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 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 6 第二节第二节 装置概貌装置概貌 2 1 装置规模装置规模 装置设计产氢能力 13000Nm3 h 装置设计操作弹性 30 110 2 2 装置组成装置组成 本装置由一台原料气缓冲罐 8 台吸附塔 一台产品气缓冲罐 一台顺放气缓冲罐 一 台富氮气缓冲罐 一台逆放气缓冲罐 一台解析气缓冲罐以及配套程控阀门构成 2 3 工艺流程工艺流程 见所附工艺原理流程图 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 H GL H2 活性氧化铝 HXSI 01 吸附剂 HXBC 15B 吸附剂 HX5A 98H 吸附剂 甲醇驰放 气 8 2原料气分液罐V101原料气1 3顺放气缓冲罐V102氢气1 4产品气缓冲罐V103解吸气1 5富氮气缓冲罐V106解吸气1 6 富炭逆放气缓 冲罐 V104解吸气1 7 富炭逆放气缓 冲罐 V105 解吸气1 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 7 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 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富 CO 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 甲醇驰放气 其详细规格如下 mol 压力 4 0 5 4Mpa 减压到 2 2MPa 温度 40 流量 20000 25000Nm3 h 组成 V 组分 参数 名称 H2CH4COCO2N2 硫 H2O 驰放气 65 685 83 55 810 150 1ppm1 0 3 2 产品规格产品规格 本装置的主要产品为氢气 用作加油品加工及合成氨 副产品为解吸气 压缩回收 在 实际生产中 产品氢的纯度可通过改变 PSA 装置的操作条件进行调节 而解吸气的组成也会 随原料气和产品气的不同而略有不同 以下为设计的产品气规格 1 产品氢气 H2 99 9 体积比 CO CO2 15ppm 气体压力 2 15Mpa 温度 40 气量 13000Nm3 h 2 富碳气 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 8 气量 3862Nm3 h 纯度 N2n 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 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 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 11 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 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 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 吸附容量 压力 V3 V2 V1 P2 P1 V4 高温 常温 C B D A 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 13 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 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 PSA 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 PIessure 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 本装置采用冲洗方式可对吸附剂进行再生 本装置采用冲洗方式可对吸附剂进行再生 1 1 4 2 工艺条件与装置处理能力的关系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 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 14 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 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 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 冲洗过程对氢气回收率的影响冲洗过程对氢气回收率的影响 由于被吸附的大量杂质是通过产品氢的回流冲洗而解吸 故冲洗时间的长短 冲洗气量 的大小 冲洗速度的快慢都将影响氢气的回收率 一般来讲 冲洗时间越长 冲洗过程越均 匀 冲洗气量越大 吸附剂的再生越彻底 在纯度不变的情况下 吸附时间越长 氢气回收 率越高 但是 由于本装置的冲洗气来自均压结束后的顺放过程 如需加大冲洗气量 则顺 放过程压力降太大 将会引起部分杂质穿透 反而不利于冲洗 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 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 15 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 解吸再生对产品氢纯度的影响解吸再生对产品氢纯度的影响 如前所述 在常压冲洗再生的情况下 因要消耗部分产品气用于吸附剂再生 氢气回收率 较低 同时也减少了部分杂质转入下一个吸附步骤 这有利于产品氢纯度的提高 冲洗再生 相对越彻底 吸附剂动态吸附量越大 因而若原料气流量不变 则产品氢纯度提高 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 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 抽真空 工序 用产品氢冲洗 或抽真空 降低杂质分压 使吸附剂完成最终的再 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 四均降 顺放一 顺放二 逆放 冲洗 四 一 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 16 均升 产品氢终升共十四个工艺步序 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 17 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 本装置采用 8 2 1 4 PSA 流程 即装置的 8 个吸附塔中有 2 1 个吸附塔始终处 于进料吸附的状态 其吸附和再生工艺过程由吸附 连续四次均压降压 逆放 冲洗 连续 四次均压升压和产品最终升压等步骤组成 吸附塔的工作过程依次如下 吸附塔的工作过程依次如下 a a 吸附过程吸附过程 原料气经水分罐分离掉其中的游离水并经过流量调节后进入吸附塔 在高压下 其 中的 H2O CO2 N2 CH4 CO 等被多种吸附剂吸附 未被吸附 H2等组分从塔顶排出 经 过缓冲罐缓冲后进入后工序 当被吸附 H2O CO2 N2 CH4 CO 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 b 均压降压过程均压降压过程 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产品气的过程 本流程共包括了四次连续的均压降压过程 因而可保证产品气的充分回收 c c 顺放过程顺放过程 在均压过程结束后 吸附前沿还未达到床层出口 这时 顺着吸附方向先将吸附塔压 力降至约 0 25Mpa G 此时的顺放气进入顺放气缓冲罐 然后经调节阀调节后作为吸附塔再 生时的冲洗气 然后继续顺着吸附方向将吸附塔压力降至约 0 10Mpa G 该部分气体可作为 其它气源使用 d d 逆放过程逆放过程 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 CO2 CH4 CO 开始从吸附剂中大量解吸出来 逆放解吸气进逆 放解吸气缓冲罐 然后经调节阀调节后再送解吸气混合罐 e e 冲洗过程冲洗过程 逆放结束后 为使吸附剂得到彻底的再生 用顺放罐中气体逆着吸附方向对吸附床层 进行冲洗 进一步降低杂质气体组分的分压 使吸附剂得以彻底再生 冲洗解吸气经调节阀 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 18 调节后再送解吸气混合罐 f f 均压升压过程均压升压过程 在冲洗再生过程完成后 用来自其它吸附塔的较高压力产品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四次均压升压过程 g g 产品气升压过程产品气升压过程 在 4 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 8 8 个吸附塔交替进行以上的吸附 再生操作个吸附塔交替进行以上的吸附 再生操作 始终有始终有 2 2 1 1 个吸附塔处于吸附状态 个吸附塔处于吸附状态 即即 可实现原料气的连续净化 可实现原料气的连续净化 8 8 个吸附塔分两列布置 每列个吸附塔分两列布置 每列 4 4 台 在故障时 装置可自动切换至台 在故障时 装置可自动切换至 7 7 塔 塔 6 6 塔 塔 5 5 塔 塔 4 4 塔操作 以便不停车在线检修故障 这一功能大大地提高了装置的可靠性 塔操作 以便不停车在线检修故障 这一功能大大地提高了装置的可靠性 2 2 程控阀门编号说明程控阀门编号说明 吸附塔的整个吸附与再生过程都是通过程控阀门按一定的工艺步序和顺序进行开关来实 现的 为便于识别这些程控阀门 我们按一定的规律对程控阀进行了编号 XV 吸附塔号 A H 阀门编号 功能 作用 表示程序控制阀 3 2 13 2 1 装置的主要操作条件表装置的主要操作条件表 序号步序操作压力温度 1 吸附 A 2 2MPa 常温 2 一次均压降压 E1D 2 2MPa 1 77MPa 常温 3 二次均压降压 E2D 1 77MPa 1 34MPa 常温 4 三次均压降压 E3D 1 34MPa 0 91MPa 常温 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 19 5 四次均压降压 E4D 0 91MPa 0 48MPa 常温 6 顺放一 PP1 0 48MPa 0 20MPa 常温 7 顺放二 PP2 0 33MPa 0 10MPa 常温 8 逆放 D 0 18MPa 0 05MPa 常温 9 冲洗 P 0 05MPa 0 03MPa 常温 10 四次均压升压 E4R 0 03MPa 0 48MPa 常温 11 三次均压升压 E3R 0 48MPa 0 91MPa 常温 12 二次均压升压 E2R 0 91MPa 1 34MPa 常温 13 一次均压升压 E1R 1 34Pa 1 77MPa 常温 14 产品气升压 FR 1 77MPa 2 2 MPa 常温 2 3 控制功能说明控制功能说明 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 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 DCS 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 关信号送至气动电磁换向阀 电磁换向阀将气源送至程控阀的驱动气缸 驱动程控阀门按程 序开 关 同时 安装在程控阀门上传感器将其开 关状态反馈给 DCS 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 运行监控 DCS 系统 程序控制 工艺装置程控阀驱动气源 工艺参数 运行参数 阀位检测 程序控制驱动 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 20 驱动气源的作用是为程控阀门提供开 关的动力和控制手段 程控阀门说明 程控阀门说明 本装置程控阀门的可靠性是本装置整体可靠性的关键 其工艺要求特点是密封性能要求 高 开关次数频繁 其中开关最频繁的程控阀每年开关次数可达 50 万次以上 并且要求开启 速度可调 故本装置的程控阀执行了严格的材质标准 保证了阀门的高密封性能和超长寿命 程控阀门的结构及维护详见程控阀门使用说明书 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 压力和处理量 其设定的原则与方法如下 2 2 4 1 吸附时间参数的设定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 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 吸附时间的设定总原则 产品纯度过高则延长吸附时间 产品纯度过低则缩短吸附时间吸附时间的设定总原则 产品纯度过高则延长吸附时间 产品纯度过低则缩短吸附时间 吸附时间参数设定表 8 2 1 4 主流程 时间参数 时间序号含 义预设值设 定 原 则 Time1一均 三均时间30 秒保证两塔的压力能均至相等 Time2二均 四均 逆放时间60 秒保证两塔的压力能均至相等 注 单塔总吸附时间 2 Time1 Time2 单塔抽真空时间 2 Time1 Time2 单塔终升时间 Time2 在吸附时间不变且能保证均压时压力相等的情况下 应尽可能延长在吸附时间不变且能保证均压时压力相等的情况下 应尽可能延长 Time2 以保证终升 以保证终升 逆放过程尽量平稳 逆放过程尽量平稳 以上的预设值为满负荷预设值 且与最终开车后的整定值可能有差异 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 起初是恒量 渐渐就会超过允 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 21 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 在保证产品纯度的前提下 为尽可能提高氢气回收率 在保证产品纯度的前提下 为尽可能提高氢气回收率 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 获得最高的氢气回收率 力 获得最高的氢气回收率 2 5 报警 联锁功能说明报警 联锁功能说明 2 2 5 1 报警一览表报警一览表 报警仪表报警内容报警值处理方案 阀位传感器 程控阀门 开关错误 请检修人员检查 如影响到吸 附压力或产品纯度 则切塔或 停车 驱动气源压 力变送器 气源压力低 报告生产指挥中心 如程控阀 门不能正常开关 紧急停车 第三章第三章 装置的操作装置的操作 第一节第一节 装置的开车装置的开车 1 1 系统置换系统置换 在装置正式投料前还应用干燥 洁净干燥 洁净的氮气对整个装置进行彻底置换使整个系统的含氧 量低于 0 5 体积 置换方法可按正常运行步骤进行 即以氮气做为原料气通入 启动系统 程控阀后直到产品气出口和解吸气出口氧含量均小于 0 5 为止 至少三次取样分析均合格才 能视为合格 如氮气量不足 则可分阶段逐塔逐管通入氮气进行置换 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 22 1 2 首次开车首次开车 在所有设备 仪表 微机都已准备完毕并经过了严格检查 系统也已完成置换后 即可进 入装置的首次投料 开车过程 其步骤如下 1 确认系统已氮气置换合格 2 确认原料气组成已合格 不带油水 液态 3 拆除进出界区的所有工艺气管线盲板 并作记录 4 控制系统及所有仪表通电 并投入操作状态 5 在 DCS 操作画面上 设定好所有调节系统的操作参数 具体见第二章 6 确认驱动气源压力正常 7 在 DCS 操作画面上 用将 PSA 系统运行按钮置为 RUNNING 状态 使程控阀开始投入 运行 7 缓慢打开原料气进口阀 逐渐向系统内投料 投料速度不宜过快 应保持在每分钟吸附 塔压力上升 0 1MPa 左右 8 当吸附塔压力升至 2 0MPa 后 打开手动产品气放空调节阀 将不合格的产品气放入燃气 管网 9 当运行一段时间 PSA 出口氢气纯度达到要求 关闭产品气放空调节阀 PV6203B 同时将 PV6203A 投自动并打开产品气出界区阀门 至此 整个装置即转入正常运行状态 1 3 正常开车步骤正常开车步骤 由于正常停车后氢提纯装置处于正压封闭状态 因而再次开车时无须再置换开车过程将 比首次开车简单 具体步骤如下 1 控制系统及所有仪表通电 并投入运行 2 驱动气源压力正常 启动 PSA 系统运行按钮 3 逐渐向系统缓慢投料 当吸附塔压力升至 2 0MPa 后 打开产品气放空调节阀将不合格 的产品气放入燃气管网 开车初期系统内的氮气通过现场放空管放空 3 氢气纯度指标合格后 关闭产品气放空调节阀 PV6203A 同时打开产品气出界区阀门 系 统转入正常运行 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 23 1 4 开车阶段的调整开车阶段的调整 由于开车阶段系统的正常压力系统尚未建立起来 因而在开车的初期应用 30 50 的负 荷缓慢加量 并选择较短的吸附时间 使产品纯度迅速合格 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 24 第二节第二节 装置的运行装置的运行 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 和装置是否有报警即可 2 1 产品纯度的调整产品纯度的调整 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 成反比关系的 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 缩短吸附时间 提高产品纯度 延长吸附时间 降低产品纯度 具体的修改办法见第二章第二节的 2 4 2 2 装置参数的调节装置参数的调节 2 2 1 调整吸附时间调整吸附时间 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 操作系数 以调整吸附时间 使产品纯度重新运行于最佳范围 2 2 2 产品气升压控制产品气升压控制 产品气升压的速度的控制是通过产品气升压调节阀 KV6201 实现的 需要操作人员设定 一个需要的控制值 然后 转入自动调节 2 2 3 逆放压力的调节与控制逆放压力的调节与控制 本装置逆放压力的调节与控制是通过调节阀 KV6202 来实现的 调节的目的是在保证逆 放终压达到设定值要求的同时使逆放过程尽量缓慢 减小逆放对富 CO 混合罐压力造成的波 动 调节方法是随动 PID 调节 需要操作工调节的只是改变 KV6202 最大 最小开度设定值 PID 参数和时间参数设置 在吸附时间不变的前提下 改变时间参数 T1 T2 的设定值 2 2 3 顺放压力的调节与控制顺放压力的调节与控制 本装置顺放压力的调节与控制是最为重要的 顺放压力降的大小 冲洗过程的均匀连续 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 25 性对产品氢的纯度和收率影响很大 PV6204 调节的目的是在保证一定的顺放压力降的前提下 使冲洗过程尽量缓慢均匀 调节方法是随动 PID 调节 需要操作工调节的是 在顺放时间不 变的情况下 通过改变 PV6204 的最大 最小开度设定值来调节顺放量 顺放过程吸附塔压 力降 及通过修改 PV6204 的 PID 参数使其 SP 值与 PV 值能很好的 吻合 值得注意的是 为保证足够的冲洗气量 顺放过程的吸附塔值得注意的是 为保证足够的冲洗气量 顺放过程的吸附塔压力降压力降应控制不低于应控制不低于 0 25MPa 2 3 吸附塔的切除吸附塔的切除 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 切切塔塔步步骤骤 a 故障塔判断 当出现下列三种情况 产品氢纯度大幅下降 某吸附塔的压力异常 程控阀检出错 之 二时 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 b 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 e 切塔后 在装置正常运行情况下 请检修人员检修故障塔 f 如果在已切除一台吸附塔后又有吸附塔故障出现 则重复以上的操作即可继续切塔运 行 注意 注意 本装置只允许依次切除 不允许同时切除两个塔 PSA 装置的绝大多数故障均出现在仪表和控制系统上 因而通常切塔后的检修无需拆 工艺管线和设备 但被切除塔在检修时 如需要拆开连接的工艺管道或设备 则必须先停车 再将塔内气 体排入燃气系统并进行置换 2 切除塔恢复切除塔恢复 当被切除塔故障排除后 需要将其重新投入正常运行 但如果投入的时机 状态不对 将引起较大的压力波动和产品纯度变化 甚至可 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 26 能出现故障和安全事故 为此 本装置设计的自动恢复软件能够自动找出最佳状态恢复 使 系统波动最小 在恢复之前 必须确认被恢复塔的压力数据准确 否则 会造成压力波动大 在恢复之前 必须确认被恢复塔的压力数据准确 否则 会造成压力波动大 甚至造成安全事故 甚至造成安全事故 恢复过程如下 a 操作人员发出塔恢复指令 在控制机上直接点动要恢复塔的切除键 将其置 OFF 然后确认 b 计算机自动等待合适的时间将故障塔恢复至运行程序 程序根据各塔的压力状态 自动确定恢复后应进入的最佳运行步序 然后自动等待 到该步序的最佳切入时机 切入新程序 2 4 操作注意事项操作注意事项 1 系统严禁将水带入 PSA 单元 否则将损坏吸附剂 2 在生产过程中 如须检修与工艺气接触的任何设备均应先进行置换 3 操作工应定时现场巡检 排放导淋 4 在作切塔 放空等会影响后工段的处理前 应确定故障的真实性 并通知后工段 5 逆放 均压 产品气升压的速度均不宜太快 应坚持这样的原则 在保证能达到压力要逆放 均压 产品气升压的速度均不宜太快 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 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 6 在吸附时间一定时 冲洗和逆放的时间应尽量长且应缓慢均匀进行 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 27 第三节第三节 装置的停车装置的停车 装置 停车一般可分为三种情况即 正常计划停车 紧急停车和临时停车 3 1 正常停车正常停车 在接到生产调度的停车通知后即可进行正常停车操作 正常停车步骤 1 关闭原料气进气阀 产品气出口阀 使氢提纯系统与界区外隔断 PSA 程序继续运行 使各塔压力基本相等并且都处于较高的正压 关闭逆放气向界区 外输送阀 注 如计划停车时间很长 车间应根据情况确定是否于 PSA 单元进出界区的阀门上加盲 板以完全隔离 PSA 单元 2 停止 PSA 装置运行 至此 就完成了整个正常停车过程 停车后 氢提纯系统处于正压状态 且与界区隔断 因而 系统可较长时间地处于安全停车状态 但由于停车后系统内仍然是易燃 易爆气体 所以整个界区仍然是防爆界区 严禁动火 在正常停车后 装置各吸附塔的压力相同 因而再次开车时应按正常开车步骤操作 3 2 紧急停车紧急停车 当本装置出现事故或前后装置出现事故时 需紧急停车其停车步骤如下 停止 PSA 程序 关闭程控阀门 同时 程序将自动记住停车时的状态 这时系统即已处于紧急停车状态 3 3 临时停车临时停车 如因工作需要做短时间的停车 不超过 1 小时 则可进行临时停车 其步骤与紧急停车 相同 紧急停车或临时停车后的重新投运 由于程序仍记录着停车时的状态且各吸附塔的压力也与停车时一样 所以这时可从停车 时的状态直接投运 让系统无扰动地恢复到正常工作状态 对产品纯度影响很小 步骤如下 1 确认各吸附塔的压力与 DCS 上显示的暂停状态相符 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 28 2 看吸附塔压力历史记录 确认压力未发生大的变化 3 在 DCS 上将暂停按钮的状态由 PAUSE 置为 RUNNING 系统即转入正常运行 特别注意 采用这种方法恢复运行前 必须确认各吸附塔的压力与停车锁存特别注意 采用这种方法恢复运行前 必须确认各吸附塔的压力与停车锁存 的状态是一致的 否则 一旦启动将可能使高压塔的气体串入低压的解吸气系的状态是一致的 否则 一旦启动将可能使高压塔的气体串入低压的解吸气系 统造成事故 统造成事故 如果吸附塔压力与显示的状态不符 则必须先点动阀门将吸附塔压力逐渐放如果吸附塔压力与显示的状态不符 则必须先点动阀门将吸附塔压力逐渐放 掉 或用原料气补压到要求压力 然后重新启动系统 掉 或用原料气补压到要求压力 然后重新启动系统 卸压的方法一般是将气体放到放空总管排出 注意不造成超压 补压的方法卸压的方法一般是将气体放到放空总管排出 注意不造成超压 补压的方法 是将原料气进气阀是将原料气进气阀 XV6201 打开打开 再用手动阀控制升压速度 用原料气将吸附塔再用手动阀控制升压速度 用原料气将吸附塔 压力补充到要求压力 注意不可在原料气管内压力与塔内压力差大于压力补充到要求压力 注意不可在原料气管内压力与塔内压力差大于 0 2Mpa 时时 打开原料气进塔程控阀对塔快速升压 打开原料气进塔程控阀对塔快速升压 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 29 第四章第四章 安全规程安全规程 5 1 概要概要 PSA 装置最大的危险来自爆炸性气体和有毒气体 如 H2 CH4 CO 及烃类 的泄漏 火灾 与爆炸 因此 该装置中各部件的密封性是装置设计和运行中的最重要的问题 如果设备承受压力过大或对设备进行粗心大意的操作及维修都能使密封性能遭到破坏 如果设备遇到不利的因素 设备将承受过大的压力 这类因素包括 压力 温度 腐蚀或磨 损 还有机械力 振动或热膨胀等 只要象压力 温度和流量这样的过程参数稳定在规定的范围内 操作过程才是安全的 也不会对环境造成危害 应严密的监视 记录和调整超出正常工况的较大误差 操作人员应记住 各种故障都可能导致操作失常 所以在可能发生严重后果的地方 应 安装自动报警和联锁系统 全体操作人员必须经受良好的培训 已判明报警 并及时采取必要措施以免发生危险 5 2 超压保护超压保护 装置内的所有设备通均常在一定压力下运行 这个压力通常由自动控制系统来保证 然而 一旦过程计算机 控制回路及公用设施故障 装置所不能承受的高压就有可能产 生 因此 除报警和联锁系统外 还应安装安全泄放设备 以便保护操作人员和设备 安全设计基础 ASME 美国机械工程师学会 压力容器规范第 VIII 章第一节 石油化工企业设计防火规范 GB50160 92 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范 GB50058 92 石油化工企业职业安全卫生设计规范 SH3047 93 工业企业噪声控制设计规范 GBH87 85 职业性接触毒物危害程度分级 GB5044 85 工业企业设计卫生标准 TJ36 79 生产设备安全卫生设计规范 GB5083 85 吸附床的保护 整个 PSA 装置的吸附塔通过安全阀释放高压而得到保护 而高压一般是由上游高压气源 或外部 火源 导致吸附床内气体膨胀而产生的 如果某只吸附床受到附近的火源的热辐射 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 30 便可产生上述情况 这时应用消防水冷却该容器的表面 以防这个容器过长时间地遭受热冲 击 尾气系统的保护 尾气系统必须保护的主要情况是 在某一吸附床进料阀打开的同时 尾气阀也由于故障 而打开 导致高压气体串入解吸气缓冲系统 而解吸气缓冲系统为 PSA 装置的低压部分 因 而也配备有安全阀 5 3 安全阀安全阀 安全阀是一种由于阀的上游静压升高而自动泄压设备 其特性是阀门能迅速开启到最大开度 它通常用于泄放蒸汽 气体等介质 安全阀是所谓的全行程阀 在压力达到其设定值后 安 全阀突然开启达到要求的全行程 严 禁 堵 塞 安 全 阀 常规安全阀 一个常规 标准 的安全阀 有一个弹簧槽连通到阀门排放侧 阀门背压的改变直接影 响操作性能 开启压力 关闭压力和泄放量 排放火炬系统的常规安全阀必须密封良好 也 就是排放口 气孔都必须堵死 阀杆必须填充密封 安全阀的检修和维护 故障安全阀的拆卸要按照用户手册和制造厂家提供的说明进行 由于吸附床的安全阀没 有备用的阀 如果这些安全阀其中之一必须更换 那么必须将上游阀和下游阀关死并上盲板 才能拆卸 在火炬系统拆除或安装盲板时 应用塑料布封闭连接法兰面 并充入氮气 安全阀的具 体检修详见生产厂家的安全阀操作和维护手册 5 4 废气处理废气处理 从尾气压控系统和安全阀可能释放出的可燃性气体全部被引到火炬总管 如果安全阀位 置比主火炬总管水平高度低 总管就需用原料气或氮气连续吹扫 以防止冷凝液从火炬系统 倒流 5 5 火灾防护火灾防护 本装置处理的气体是可燃气体 只要它们贮存在密闭的容器 空气不可能进入的容器 就没有发生火灾或爆炸的危险 这样的危险仅仅存在于下列情况之中 由于气体的泄漏 排 一步法PSA分离CO和H2装置 成都华西化工科技股份有限公司 31 放而导致易燃气体逸出或者有空气渗入容器之中 易燃气体只在一定浓度范围 燃烧极限 内燃烧 如果易燃气体在燃烧之前同空气混合 那么爆炸就会随之