PSA变压吸附技术制氢影响因素及优化措施

摘 要：本文介绍了变压吸附工作原理， 并分析了影响变压吸附的主要因素， 认为吸附时间与吸附压力是影响变压吸附最主要的因素； 同时， 在变压吸附操作中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， 以提高氢气回收率进而提高装置的经济效益。

关键词：PSA变压吸附 制氢 优化

变压吸附（Pressure Swing Adsorption.简称PSA），是一种新型气体吸附分离技术，被广泛应用于各大型化工工业生产中，该技术是在上世纪 60 年代迅速发展起来的。尤其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；

变压吸附氢提纯工艺过程之所以得以实现是由于吸附剂在物理吸附中的具有的两个性质： 一是对不同组分的吸附能力不同， 二是吸附物质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压上升而增加， 随吸附温度的上升而下降。利用吸附剂的这些特性， 可实现吸附剂在低温、高压下吸附而在高温、低压下解析再生， 从而构成吸附剂的吸附与再生循环， 达到连续分离提纯氢气的目的。

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。因而近二十年来发展非常迅速， 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、氢气和烃类的制取、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。

一、变压吸附的操作原理

变压吸附分离技术是以固定床吸附， 在连续改变体系平衡的热力学参数下， 加压气体组份吸附， 减压被吸附组份解吸， 放出该气体组份， 吸附剂得到再生。如果在吸附和解吸过程中床层的温度维持恒定， 利用吸附组份的分压变化吸附剂的吸附容量相应改变， 如图 1， 过程沿吸附等温线T1进行， 则在AB 线两端吸附量之差 q= qA- qB 为每经加压（吸附） 和 减压（解吸） 循环组份的分离量。如此利用压力变化进行的分离操作就是变压吸附。如果要使吸附和解吸过程吸附剂的吸附容量的差值增加， 可以同时采用减压和加热方法进行解吸再生， 在实际的变压吸附分离操作中， 组份的吸附热都较大， 吸附过程是放热反应， 随着组份的解吸， 变压吸附的工作点从 E 移向 F 点， 吸附时从F点返回 E 点， 沿着EF 线进行， 每经加压吸附和减压解吸循环的组份分离量 q= qE- qF为实际变压吸附的差值。由此分析， 要使吸附和解吸过程吸附剂的吸附量差值加大， 对所选用的吸附剂除对各组份的选择性要大以外， 其吸附等温线的斜率变化也要显著， 即等温线的曲率要大， 并尽可能使其压力的变化加大， 以增加其吸附量的变化值。

二、影响变压吸附的主要因素

1.原料其组成对装置吸附能力的影响

由于不同的制氢装置所采用的转化工艺、制氢原料等诸多方面存在差异， 所以 PSA 原料中温变换气中烃类及 CO、CO2的含量差别也较大， 原料气组成与吸附塔的处理的关系很大。PSA 的氢气吸附能力通常是以产氢量或原料量来衡量的， 当原料气中氢气含量越高时， 由于所需要吸附的杂质含量低，在吸附剂能力一定的情况下， 吸附塔的处理能力越大； 反之， 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。

2.原料气温度对装置吸附能力的影响

在其他条件相同的情况下， 原料气温度越高， 吸附平衡曲线越靠下， 吸附剂的吸附容量越小， 吸附、解吸、再生的循环时间越短， 吸附塔的处理能力越低。

3.操作压力对装置吸附能力的影响

PSA 单元的吸附压力一般为系统压力变化过程中的最高压力， 在近年来的制氢装置设计中， 最高吸附压力与中温变换反应器出口压力接近。一般来讲， 制氢转化的压力在 2. 1MPa- 3. 1 MPa 之间，整个转化中反应的系统压力差越小， 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， 但由此增加的操作费用和设备投资会随之增加。而解吸压力越低， 吸附剂再生越彻底， 吸附剂的动态吸附量越大， 再次吸附效果好， 吸附塔的处理能力越高。

三、PSA变压吸附制氢技术优化措施

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比关系的，即：在原料气条件不变和吸附、解吸压力一定的情祝下，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，修改吸附时间和修改操作系数，延长吸附时间、增大操作系数，则降低产品纯度；缩短吸附时间，减小操作系数，则提高产品纯度。

2.装置参数的调节

2.1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，或将TMADJUST置为ON让计算机白动调整。

2.2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KVl621的随动PID调节来实现的，KV1621的设定值由计算机自动计算产生，无需操作工进行修改，需要调节的只是KVl621的最大，最小开度和PDI参数。

2.3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PV162A5、PV1625B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（减小逆放对解吸气混合罐压力造成的波动），调节方法是随动PID调节，需要调节的只是改变PV1625A、PV1625B的最大！最小开度设定值和时间参数设置（在吸附时间不变的前提下，改变时间参数Tl、T2、T3、T4的设定值。

2.4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性对产品氢的纯度和收率影响很大，PV1624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，终压达到设定值要求的同时使逆放过程尽量缓慢（减小逆放对解吸气混合罐压力造成的波动），调节方法是随动PID调节，需要操作调节的也只是改变Pv1624的最大，最小开度设定值。

参考文献

[1]万鸿斌. 变压吸附装置的气体分离技术[ M ] . 化工科技动态， 1992.

[2] 马正飞. 气固吸附平衡与吸附动力学研究 [ D] . 南京：南京化工大学， 1997.

作者简介：曹海鹏，性别：男，工作单位：陕西煤业化工集团神木天元化工有限公司。