變壓吸附課件

變壓吸附學(xué)習(xí)

PSA1概況：變壓吸附（PressureSwingAdsorption.簡(jiǎn)稱(chēng)PSA）是一種新型氣體吸附分離技術(shù)，它有如下優(yōu)點(diǎn)：⑴產(chǎn)品純度高。⑵一般可在室溫和不高的壓力下工作，床層再生時(shí)不用加熱，節(jié)能經(jīng)濟(jì)。⑶設(shè)備簡(jiǎn)單，操作、維護(hù)簡(jiǎn)便。⑷連續(xù)循環(huán)操作，完全達(dá)到自動(dòng)化。正是因?yàn)檫@樣的優(yōu)點(diǎn)，PSA技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，技術(shù)發(fā)展迅速并相當(dāng)成熟。變壓吸附發(fā)展史變壓吸附始創(chuàng)于20世紀(jì)60年代初，并于70年代實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

80年代以來(lái)至今高吸附分離性能的沸石分子篩的相繼開(kāi)發(fā)利用和工藝流程的改進(jìn)，使得變壓吸附空分技術(shù)得到迅速地發(fā)展，與深冷空分裝置相比，PSA過(guò)程具有啟動(dòng)時(shí)間短和開(kāi)停車(chē)方便、能耗較小和運(yùn)行成本低、自動(dòng)化程度高和維護(hù)簡(jiǎn)單、占地面積小和土建費(fèi)用低等特點(diǎn)。2原理

2.1先看吸附，當(dāng)兩種相態(tài)不同的物質(zhì)接觸時(shí)，其中密度較低物質(zhì)的分子在密度較高的物質(zhì)表面被富集的現(xiàn)象和過(guò)程。具有吸附作用的物質(zhì)（一般為密度相對(duì)較大的多孔固體）被稱(chēng)為吸附劑，被吸附的物質(zhì)稱(chēng)為吸附質(zhì)。吸附按其性質(zhì)的不同可分為四大類(lèi)，即：化學(xué)吸附、活性吸附、毛細(xì)管凝縮、物理吸附。本次學(xué)習(xí)的變壓吸附主要就是物理吸附。

氣相固相物理吸附是指依靠吸附劑與吸附質(zhì)分子間的分子力（即范德華力）進(jìn)行的吸附。其特點(diǎn)是：吸附過(guò)程中沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，吸附過(guò)程進(jìn)行的極快，參與吸附的各相物質(zhì)間的平衡在瞬間即可完成，并且這種吸附是完全可逆的。2.2吸附平衡吸附平衡是指在一定的溫度和壓力下，吸附劑與吸附質(zhì)充分接觸，最后吸附質(zhì)在兩相中的分布達(dá)到平衡的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程為動(dòng)態(tài)平衡，對(duì)于相同的吸附劑和吸附質(zhì)，其平衡吸附容量是一個(gè)定值，這個(gè)量主要受壓力與溫度影響。壓力越高單位時(shí)間內(nèi)撞擊到吸附劑表面的氣體分子數(shù)越多，因而壓力越高平衡吸附容量也就越大；由于溫度越高氣體分子的動(dòng)能越大，能被吸附劑表面分子引力束縛的分子就越少，因而溫度越高平衡吸附容量也就越小。從上圖的B→A和C→D可以看出：在溫度一定時(shí)，隨著壓力的升高吸附容量逐漸增大；從上圖的B→C和A→D可以看出：在壓力一定時(shí)，隨著溫度的升高吸附容量逐漸減小。一般吸附在常溫狀態(tài)下吸附，視作等溫。圖一不同溫度下的吸附等溫線

2.3原理所以說(shuō)變壓吸附（PSA），就是利用吸附劑對(duì)不同氣體組分隨壓力變化而變化的吸附特性，加壓吸附部分組分，降壓解吸這些組分，從而吸附劑得到再生，并使不同氣體得到分離的過(guò)程。下面主要講解咱們的制氫PSA3變壓吸附的主要內(nèi)容（1）吸附劑（2）工藝流程（3）自控系統(tǒng)（4）故障判斷及處理4吸附劑4.1PSA吸附劑：吸附塔內(nèi)自下而上吸附劑有活性氧化鋁、硅膠、活性炭、CO吸附劑、分子篩，不同的吸附劑由于有不同的孔隙大小分布、不同的比表面積和不同的表面性質(zhì)，因而對(duì)混合氣體中的各組分具有不同的吸附能力和吸附容量。本裝置所用吸附劑的特性如下：

1).AS（活性氧化鋁）吸附劑在大型PSA氫提純中的應(yīng)用結(jié)果表明：我公司的AS吸附劑對(duì)H2O均有很高的吸附能力，同時(shí)再生非常容易，并且該吸附劑還具有很高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，因而適合于裝填在吸附塔的底部脫除水分和保護(hù)上層吸附劑。2).HXSI-01吸附劑本裝置所用PSA專(zhuān)用硅膠屬于一種高空隙率的無(wú)定型二氧化硅，化學(xué)特性為惰性，無(wú)毒、無(wú)腐蝕性.其中規(guī)格為Φ1-3球狀的硅膠裝于吸附塔中下部，用于吸附水分和CO2。3).HXBC-15B吸附劑本裝置所用活性炭是以煤為原料，經(jīng)特別的化學(xué)和熱處理得到的孔隙特別發(fā)達(dá)的專(zhuān)用活性炭。屬于耐水型無(wú)極性吸附劑，對(duì)原料氣中幾乎所有的有機(jī)化合物都有良好的親和力。本裝置所用活性炭規(guī)格為Φ1.5條狀，裝填于吸附塔中部主要用于脫除CO2組分。4).HX-CO專(zhuān)用吸附劑本裝置所用的HX-CO專(zhuān)用吸附劑是一種以活性碳為載體的對(duì)CO有良好吸附和解吸能力的吸附劑，裝填于吸附塔的上部，用于脫除CO2和CO。5).HX5A-98H吸附劑本裝置所用的分子篩為一種具有立方體骨架結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽，規(guī)格為Φ2-3球狀，無(wú)毒，無(wú)腐蝕性。HX5A-98H吸附劑不僅有著較大的比表面積，而且有著非常均勻的空隙分布，其有效孔徑為0.5nm。HX5A-98H吸附劑是一種吸附量較高且吸附選擇性極佳的優(yōu)良吸附劑，裝填于吸附塔的上部，用于脫除甲烷、CO、N2，保證最終的產(chǎn)品純度。下圖為不同組分在分子篩上的吸附強(qiáng)弱大致順序組分吸附能力氦氣☆弱氫氣☆氧氣☆☆氬氣☆☆氮?dú)狻睢睢钜谎趸肌睢睢罴淄椤睢睢睢疃趸肌睢睢睢睢睢钜彝椤睢睢睢睢睢钜蚁睢睢睢睢睢睢畋椤睢睢睢睢睢睢町惗⊥椤睢睢睢睢睢睢睢畋睢睢睢睢睢睢睢钗焱椤睢睢睢睢睢睢睢疃∠睢睢睢睢睢睢睢睢盍蚧瘹洹睢睢睢睢睢睢睢睢睢盍虼肌睢睢睢睢睢睢睢睢睢钗煜睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢畋健睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢罴妆健睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢钜一健睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢畋揭蚁睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢钏睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢睢顝?qiáng)

不同的氣體，要選擇合適的吸附劑。5工藝流程

5.1流程簡(jiǎn)述

來(lái)自界區(qū)外的壓力2.5MPa(G)、溫度40℃的變換氣從塔底部進(jìn)入吸附塔（T2001A～H）中正處于吸附工況的塔(始終有2臺(tái))，在多種吸附劑組成的復(fù)合吸附床的依次選擇吸附下，一次性除去氫以外的幾乎所有雜質(zhì)，直接獲得純度大于99.9%的產(chǎn)品氫氣從塔頂排出，然后經(jīng)吸附壓力調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓后送出界區(qū)。

PSA單元除送出產(chǎn)品氫外，還產(chǎn)生逆放解吸氣和沖洗解吸氣。逆放解吸氣來(lái)自于吸附床的逆放步驟，沖洗解吸氣產(chǎn)生于沖洗步驟，所有解吸氣最后均送解吸氣混合罐V-2003。逆放解吸氣和沖洗解吸氣在混合罐中混合后送往轉(zhuǎn)化爐。吸附塔的工作過(guò)程依次如下：吸附過(guò)程原料氣經(jīng)程控閥XV4701A～H，自塔底進(jìn)入PSA吸附塔T2001A～H中正處于吸附狀態(tài)的兩臺(tái)吸附塔，其中除H2以外的雜質(zhì)組分被裝填的多種吸附劑依次吸附，得到純度大于99.9%的產(chǎn)品氫氣從塔頂排出，經(jīng)程控閥XV4702A～H和吸附壓力調(diào)節(jié)閥PV2003后送出界區(qū)。均壓降壓過(guò)程這是在吸附過(guò)程完成后，順著吸附方向?qū)⑺?nèi)較高壓力氣體依次放入其它已完成再生的較低壓力塔的過(guò)程，這一過(guò)程不僅是降壓過(guò)程，而且也回收了吸附床層死空間內(nèi)的氫氣，本裝置主流程共包括四次連續(xù)均壓降壓過(guò)程，分別稱(chēng)為：一均降（E1D）、二均降（E2D）、三均降（E3D）、四均降（E4D）。一均降通過(guò)程控閥XV4703A～H進(jìn)行，二均降、三均降通過(guò)程控閥XV4704A～H進(jìn)行，四均降通過(guò)程控閥XV4706A～H進(jìn)行。

順?lè)胚^(guò)程均壓過(guò)程結(jié)束后，吸附塔壓力仍有0.4MPa左右，而此時(shí)的雜質(zhì)吸附前沿仍未到達(dá)床層頂部，故可通過(guò)順?lè)奴@得沖洗再生氣源。順?lè)胚^(guò)程通過(guò)XV4706A～H、XV4710進(jìn)行，順?lè)艢膺M(jìn)入順?lè)艢夤轛2001。逆放過(guò)程這是吸附塔在完成順?lè)胚^(guò)程后，逆著吸附方向?qū)⑺?nèi)壓力降至0.05MPa的過(guò)程，此時(shí)被吸附的雜質(zhì)開(kāi)始從吸附劑中解吸出來(lái)。逆放解吸氣經(jīng)程控閥門(mén)XV4708A～H及調(diào)節(jié)閥PV2005A放入逆放緩沖罐V2002，再經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥PV2006調(diào)節(jié)到后進(jìn)入解吸氣混合罐V2003。沖洗過(guò)程在這一過(guò)程中，用來(lái)自于順?lè)艢夤轛2001的氫氣逆著吸附方向?qū)ξ酱矝_洗，使吸附劑中的雜質(zhì)得以完全解吸。沖洗通過(guò)程控閥XV4705A～H、XV4707A～H，調(diào)節(jié)閥PV2004進(jìn)行，沖洗解吸氣進(jìn)入解吸氣混合罐V2003。逆放和沖洗解吸氣于V2003中混合后經(jīng)調(diào)節(jié)閥PV2009送出界區(qū)去制氫轉(zhuǎn)化爐。均壓升壓過(guò)程該過(guò)程與均壓降壓過(guò)程相對(duì)應(yīng)。在這一過(guò)程中，分別利用其它吸附塔的均壓降壓氣體依次從吸附塔頂部對(duì)吸附塔進(jìn)行升壓。本裝置主流程共包括四次連續(xù)均壓升壓過(guò)程，依次稱(chēng)為：四均升（E4R）、三均升（E3R）、二均升（E2R）和一均升（E1R）。產(chǎn)品氣升壓過(guò)程經(jīng)過(guò)四次均壓升壓過(guò)程后，再用產(chǎn)品氫經(jīng)程控閥XV4709、XV4703A～H和調(diào)節(jié)閥PV2008將吸附塔壓力升至吸附壓力。經(jīng)這一過(guò)程后，吸附塔便完成了整個(gè)再生過(guò)程，為下一次吸附做好了準(zhǔn)備。工藝流程特點(diǎn)：均壓次數(shù)多，氫氣回收充分，氫氣損失小。沖洗時(shí)間連續(xù)，沖洗過(guò)程和沖洗氣流量穩(wěn)定，吸附劑再生效果好。特殊的復(fù)合床吸附劑裝填使本裝置能同時(shí)適用于脫除變換氣中除氫以外的全部雜質(zhì)。采用多床同時(shí)吸附的PSA流程，吸附循環(huán)周期短、吸附劑利用率高。本裝置的自動(dòng)切塔程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)故障塔的不停車(chē)檢修。8-2-4PSA步序表

從工藝步序可以看到：PSA氫提純部分的8臺(tái)吸附塔的工藝步序是完全相同的，只是在各步序的運(yùn)行時(shí)間上依次為一個(gè)固定時(shí)間(與吸附時(shí)間有關(guān)），這樣就實(shí)現(xiàn)了始終有兩塔處于吸附狀態(tài)，其余六塔分別處于不同的再生狀態(tài)，保證了原料氣的連續(xù)分離與提純。對(duì)于操作而言，要記住的是每一個(gè)程控閥門(mén)的功能，和吸附塔的工作順序，這樣就能在裝置故障時(shí)迅速判斷出故障的位置。

6工藝步序說(shuō)明本裝置共由8臺(tái)吸附塔組成，其中2臺(tái)始終處于吸附狀態(tài)，其余6臺(tái)處于再生的不同階段。吸附塔的整個(gè)吸附與再生過(guò)程都是通過(guò)66臺(tái)程控閥門(mén)按一定的工藝步序和順序進(jìn)行開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

01-原料氣進(jìn)口閥

02-產(chǎn)品氣出口閥03-一均、產(chǎn)品氣升壓閥

04-二均、三均閥

05-沖洗進(jìn)口閥

06-四均、順?lè)砰y

07-沖洗出口閥08-逆放閥09－產(chǎn)品氣升壓公共閥

10-順?lè)殴查y切塔后的參數(shù)與工藝步序

由于PSA氫提純裝置是由8臺(tái)吸附塔組成。因而為提高裝置的可靠性，本裝置還編制了一套“自動(dòng)/手動(dòng)”切塔與恢復(fù)程序。即：當(dāng)某一臺(tái)吸附塔出現(xiàn)故障時(shí)，可將其脫出工作線，讓剩余的7個(gè)吸附塔轉(zhuǎn)入7-2-3方式工作，如果再有吸附塔出現(xiàn)故障則可繼續(xù)切除，轉(zhuǎn)入6-2-2、5-2-2、4-1-2流程。但這時(shí)，裝置產(chǎn)品純度和產(chǎn)氫量等指標(biāo)仍可以維持原指標(biāo)不變，只是原料消耗有所增加。切塔后裝置參數(shù)變化情況如下：

切塔后裝置的工藝步序表：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工藝參數(shù)的設(shè)定

變壓吸附的工藝參數(shù)主要包括吸附時(shí)間、壓力和處理量。其設(shè)定的原則與方法如下：吸附時(shí)間參數(shù)的設(shè)定吸附時(shí)間參數(shù)是變壓吸附的最主要參數(shù)，其設(shè)定值將直接決定裝置產(chǎn)品氫的純度和氫氣回收率。因而，PSA部分的吸附時(shí)間參數(shù)應(yīng)盡量準(zhǔn)確，以保證產(chǎn)品純度合格，且氫氣回收率最高。吸附時(shí)間參數(shù)設(shè)定表：

由于吸附塔的大小和裝填的吸附劑量是固定的，因而在原料氣組成和吸附壓力一定的情況下，吸附塔每一次所能吸附的雜質(zhì)總量就是一定的。所以隨著吸附過(guò)程的進(jìn)行，雜質(zhì)就會(huì)慢慢穿透吸附床，起初是痕量，漸漸就會(huì)超過(guò)允許值，這時(shí)就必須切換至其它塔吸附。因而，當(dāng)原料氣的流量發(fā)生變化時(shí)，雜質(zhì)的穿透時(shí)間也就會(huì)隨之變化，吸附時(shí)間參數(shù)就應(yīng)隨之進(jìn)行調(diào)整。流量越大則吸附時(shí)間就應(yīng)越短，流量越小則吸附時(shí)間就應(yīng)越長(zhǎng)。這樣才能保證在各種操作負(fù)荷下均能充分地利用吸附劑的吸附能力，在保證產(chǎn)品純度的情況下獲得最高的氫氣回收

壓力參數(shù)的設(shè)定由于變壓吸附氣體分離工藝的核心就是利用壓力的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)吸附劑對(duì)混合氣體中的雜質(zhì)組分的吸附與分離，因而壓力也是PSA的關(guān)鍵參數(shù)。PSA吸附壓力

PSA吸附壓力的設(shè)定是通過(guò)改變吸附壓力調(diào)節(jié)回路PRCA2003的設(shè)定值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。吸附各階段的壓力吸附塔T2001A～H在吸附、再生各階段的壓力當(dāng)工藝流程和吸附壓力一定時(shí)，各階段的理想壓力曲線也就自動(dòng)確定了。所有的調(diào)節(jié)均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，無(wú)須操作人員操作。吸附塔理想壓力曲線壓力

8-2-4流程：(當(dāng)吸附壓力變化時(shí)，此壓力曲線將相應(yīng)變化)

吸附塔的實(shí)際壓力變化曲線應(yīng)與以上的理想曲線相近似，但不會(huì)完全相同。如果吸附塔的實(shí)際壓力變化曲線與以上的理想曲線形狀差別很大，則說(shuō)明裝置運(yùn)行有問(wèn)題，可能的問(wèn)題有：程控閥門(mén)動(dòng)作出錯(cuò)、程控閥門(mén)嚴(yán)重泄漏、吸附時(shí)間不在正常范圍內(nèi)、調(diào)節(jié)閥故障等。吸附塔實(shí)際壓力曲線壓力7裝置的運(yùn)行

變壓吸附氫提純裝置在正常運(yùn)行過(guò)程中的操作是非常少的，幾乎所有的調(diào)節(jié)均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，操作人員只需注意產(chǎn)品純度是否在最佳范圍，和裝置是否有報(bào)警可。7.1產(chǎn)品純度的調(diào)整變壓吸附工藝具有產(chǎn)品純度范圍寬、且易于調(diào)整的特點(diǎn)。由于產(chǎn)品純度與產(chǎn)品回收率是成反向關(guān)系的，即：在原料氣條件不變和吸附、解吸壓力一定的情況下，產(chǎn)品純度越高、氫氣回收率越低；產(chǎn)品純度越低、氫氣回收率越高。因而，要保證裝置運(yùn)行于最佳狀態(tài)，就必須將產(chǎn)品純度控制在即能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，又盡可能低的范圍內(nèi)。調(diào)整產(chǎn)品氫純度的方法就是：修改吸附時(shí)間和減少原料處理量。7.2裝置處理量的調(diào)節(jié)當(dāng)裝置的處理量改變之后(或原料氣組成改變后)，將有可能影響產(chǎn)品的純度，這時(shí)可調(diào)整“吸附時(shí)間”，使產(chǎn)品純度重新運(yùn)行于最佳范圍7.3沖洗的控制沖洗的速度是由沖洗調(diào)節(jié)閥回路控制的，可以投入自動(dòng)調(diào)整，也可在手動(dòng)狀態(tài)下通過(guò)調(diào)整其設(shè)定值即可控制沖洗速度。為保證吸附劑的再生效果，沖洗的時(shí)間應(yīng)盡量長(zhǎng)。7.4產(chǎn)品氣升壓控制產(chǎn)品氣升壓的速度是由產(chǎn)品氣升壓調(diào)節(jié)閥控制的，可以投入自動(dòng)調(diào)整，也可在手動(dòng)狀態(tài)下通過(guò)給定產(chǎn)品氣升壓調(diào)節(jié)閥的最大和最小開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)增大產(chǎn)品氣升壓調(diào)節(jié)閥的最大和最小開(kāi)度時(shí)，升壓速度加快；當(dāng)減小產(chǎn)品氣升壓調(diào)節(jié)閥的最大和最小開(kāi)度時(shí)，升壓速度減慢；為保證升壓過(guò)程平穩(wěn)，產(chǎn)品氣升壓調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度設(shè)定原則是：在升壓時(shí)間內(nèi)能恰好緩慢地將吸附塔壓力升至吸附壓力。逆放、均壓、產(chǎn)品氣升壓、沖洗的速度均不益太快，都應(yīng)堅(jiān)持這樣的原則：在保證能達(dá)到壓力要求的條件下應(yīng)盡量緩慢進(jìn)行。否則可能影響再生效果和吸附劑使用壽命。沖洗的時(shí)間應(yīng)盡量長(zhǎng)且應(yīng)緩慢均勻進(jìn)行。

PSA程控閥故障判斷及切塔、恢復(fù)操作

4號(hào)閥內(nèi)漏的判斷方法

該塔四均升完成后，壓力不能恒定，而是持續(xù)上漲，且在其它步序時(shí)無(wú)明顯上漲現(xiàn)象，可以確定該塔4號(hào)閥內(nèi)漏

2，3號(hào)閥內(nèi)漏的判斷方法該塔四均升完成后，壓力持續(xù)上漲，且二均完成后壓力仍有上漲趨勢(shì)，可以判斷是2號(hào)或3號(hào)閥內(nèi)漏，將此塔切除后，若壓力保持不變（與吸附壓力相等），則可以確定2號(hào)閥內(nèi)漏，若將該塔切除后，壓力伴隨一均，終升壓力波動(dòng)，則可以確定3號(hào)閥內(nèi)漏。

1號(hào)閥內(nèi)漏的判斷方法該塔四均升完成后，壓力持續(xù)上漲，且二均完成后壓力仍有上漲趨勢(shì)，可以初步判斷1號(hào)閥有可能漏，若將該塔切除，并關(guān)閉出口閥后壓力保持在切除時(shí)的壓力，但出口閥打開(kāi)后，壓力又漲至吸附塔進(jìn)料壓力，可以判斷1號(hào)閥內(nèi)漏。

電磁閥故障由于油路內(nèi)雜質(zhì)導(dǎo)致電磁閥卡住，不能動(dòng)作時(shí)，可根據(jù)不同情況采取不同措施，若電磁閥處于打不開(kāi)的狀態(tài)，可以待合適的步序時(shí)切除該塔，聯(lián)系儀表維修，若出現(xiàn)不能關(guān)閉的狀態(tài)，無(wú)論在任何步序，必須將此塔立即切除，否則轉(zhuǎn)化爐將會(huì)超溫，待切除后聯(lián)系儀表處理。吸附塔的切除由于PSA氫提純裝置是由8臺(tái)吸附塔組成。因而為提高裝置的可靠性，本裝置編制了一套切塔與恢復(fù)程序。即：當(dāng)某一臺(tái)吸附塔出現(xiàn)故障時(shí)，可將其脫出工作線，讓剩余的吸附塔繼續(xù)生產(chǎn)。

1)切塔步驟故障塔判斷；當(dāng)某吸附塔的壓力異常和程控閥檢出錯(cuò)同時(shí)發(fā)生時(shí)，就認(rèn)為此塔故障，應(yīng)予以切除。此時(shí)DCS將提示操作人員。(吸附塔變成紅色)切塔操作；經(jīng)操作人員確認(rèn)故障屬實(shí)后，直接在DCS上選中故障塔的切除鍵，然后將其置“ON”。則程序?qū)⒆詣?dòng)關(guān)斷該塔的所有程控閥，將故障塔切出工作線。

c.控制機(jī)自動(dòng)將程序切入與切塔前相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，保證切除時(shí)各吸附塔壓力無(wú)大的波動(dòng)。切塔后，