朱宇

（大慶油田化工有限公司甲醇分公司制氫車間，黑龍江 大慶 163000）

近年來，我國的化工行業(yè)進(jìn)步明顯，各個(gè)化工企業(yè)為適應(yīng)行業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展步伐，都越發(fā)關(guān)注工藝革新，希望通過現(xiàn)代化工藝克服傳統(tǒng)工藝的不足，提升生產(chǎn)效率與質(zhì)量。PSA變壓吸附制氫工藝的流程多、要素多，其工藝應(yīng)用效果與許多因素有關(guān)，化工企業(yè)內(nèi)應(yīng)用PSA變壓吸附制氫工藝時(shí)應(yīng)立足實(shí)際情況，創(chuàng)造良好的工藝條件，強(qiáng)化工藝中的流程把控。一些化工企業(yè)的PSA變壓吸附制氫工藝中存在諸多技術(shù)不足，未來這些企業(yè)需加強(qiáng)工藝優(yōu)化與技術(shù)改進(jìn)。

1 影響變壓吸附的主要因素

1.1 PSA 變壓吸附制氫影響吸附能力的主要因素

PSA變壓吸附制氫工藝中，吸附能力為衡量該工藝應(yīng)用效果的關(guān)鍵指標(biāo)，就實(shí)際的生產(chǎn)過程來看，吸附能力與諸多因素都有關(guān)，主要因素為：（1）原料氣溫度，這一因素與吸附能力有著緊密的聯(lián)系，二者呈反比曲線，溫度越大對(duì)應(yīng)著越小的吸附劑容量，也就導(dǎo)致吸附、解吸、再生循環(huán)的效率大大提升，時(shí)間縮短，吸附塔的處理能力偏低。（2）原料氣組分，企業(yè)中采用PSA變壓吸附制氫工藝時(shí)使用的原料有一定差異，其差異主要體現(xiàn)在物質(zhì)組分方面，如原料中的雜質(zhì)含量超標(biāo)，吸附塔的吸附能力顯著下降，在工藝中為達(dá)到最佳的吸附效果，應(yīng)選用低雜質(zhì)原料。（3）操作壓力，PSA變壓吸附制氫工藝中壓力與吸附量為正向變化的關(guān)系，壓力越大吸附量越大，此時(shí)吸附塔有較強(qiáng)的處理能力，但解吸氣的壓力值越小，意味著吸附劑具有更強(qiáng)的再生能力，因此，吸附劑的動(dòng)態(tài)吸附容量越大，吸附塔具有更強(qiáng)的處理能力。（4）氫氣純度，在PSA制氫工藝的吸附劑再生階段，氫氣損失較大，此時(shí)的吸附塔處理能力越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的再生周期較長，而單位時(shí)間內(nèi)的再生次數(shù)相對(duì)較少，在此關(guān)系下，如在工藝中減小氫氣損失量，可提升整體效率。

1.2 PSA 變壓吸附制氫影響氫氣收率的因素

在PSA變壓吸附制氫工藝中，氫氣收率也是需重點(diǎn)關(guān)注的部分，但氫氣收率同樣與很多因素有關(guān)。首先，吸附時(shí)間與吸附氣量有關(guān)，這兩個(gè)參數(shù)為決定PSA制氫工藝產(chǎn)品收率、產(chǎn)品純度的重要因素，生產(chǎn)中的吸附時(shí)間越長對(duì)應(yīng)著更高的產(chǎn)品收率、原料氣量，為此，每個(gè)吸附循環(huán)周期內(nèi)吸收的雜質(zhì)總量越大，氫氣純度越小，難以達(dá)到實(shí)際的生產(chǎn)需求。因此，在產(chǎn)品純度、收率都達(dá)到要求時(shí)，原料氣量越大越能縮短吸附時(shí)間，反之，則延長吸附時(shí)間。其次，吸附時(shí)間對(duì)氫氣收率也存在或大或小的干擾，當(dāng)在工藝生產(chǎn)中吸附的時(shí)間越長時(shí)氫氣損失量越少，氫氣收率更高，為此，有關(guān)企業(yè)在利用PSA工藝制氫時(shí)為創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益，需在確保氫氣純度不超標(biāo)的情況下適當(dāng)延長吸附時(shí)間，保障產(chǎn)品收率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。最后，氫氣收率也與吸附壓力有關(guān)，PSA制氫工藝中的關(guān)鍵技術(shù)為變壓吸附氣體技術(shù)，在工藝流程中，如壓力存在較大波動(dòng)，混合氣體分離將難以達(dá)到預(yù)期，因此，企業(yè)在利用PSA制氫工藝時(shí)需做好壓力管理，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)壓力的變化情況。

2 PSA變壓吸附技術(shù)制氫工藝改進(jìn)

2.1 增多均壓次數(shù)

工藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)最初二床流程中的一個(gè)吸附床負(fù)責(zé)吸附處理，另一個(gè)負(fù)責(zé)再生，兩個(gè)吸附床之間維持交替工作狀態(tài)。當(dāng)按照有關(guān)規(guī)定完成吸附處理后，床內(nèi)的死空間氣體將隨著壓力降低而出現(xiàn)或大或小的損失，吸附壓力越高，損失越大。現(xiàn)代化的生產(chǎn)條件下，各項(xiàng)生產(chǎn)任務(wù)中人們更為關(guān)注生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性，因此，為最大化回收、利用吸附完時(shí)殘留于吸附床死空間中的可用部分，需增加均壓處理工序，變壓吸附工藝吸附環(huán)節(jié)的吸附床中對(duì)應(yīng)氣體雜質(zhì)濃度峰面未達(dá)到吸附床出口位置時(shí)，可立即停止吸附工序，將此吸附床與另一結(jié)束解吸、等待升壓的吸附床相聯(lián)通，與此同時(shí)，降低降壓解吸吸附床的壓力，增大有升壓需求吸附床的壓力，在這些工序下使兩個(gè)吸附床的壓力可維持在平衡條件下，完全回收吸附床中死空間范圍內(nèi)的氫氣。

2.2 真空解吸工藝

在PSA變壓吸附制氫工藝條件下對(duì)吸附床層壓力的要求較高，只有在特定的壓力條件下才能保障正常的生產(chǎn)任務(wù)。一般情況下，吸附床層壓力可使其降至常壓條件，但被吸附的有關(guān)雜質(zhì)無法被全部解吸，面對(duì)這一情況，實(shí)際的生產(chǎn)作業(yè)中可采取以下兩種方式再生吸附劑：利用產(chǎn)品氣清洗床層，使解吸相對(duì)困難的雜質(zhì)能在此條件下被沖下來，利用這一方式處理時(shí)完全可在常壓條件下實(shí)現(xiàn)，且不需額外配置其他設(shè)備，但可能存在產(chǎn)品氣體的損失，使產(chǎn)品氣回收率難以達(dá)到預(yù)期；采用抽真空的方式再生，此方式下很難被解吸的雜質(zhì)在負(fù)壓條件下可被解吸，實(shí)際上為真空變壓吸附（VPSA）流程，此方式下的再生效果相對(duì)理想，產(chǎn)品收率較高，如在實(shí)際的生產(chǎn)中原料氣的壓力偏低、有較高的回收率要求時(shí)更適合采用真空解吸工藝。

2.3 快速變壓吸附（PSA）工藝

快速變壓吸附為生產(chǎn)領(lǐng)域的新技術(shù)，這一技術(shù)與傳統(tǒng)變壓吸附有相似之處，但也有不同之處，就是利用規(guī)整化結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)負(fù)載型吸附劑或者多通道旋轉(zhuǎn)閥來提高其循環(huán)速度，確保此循環(huán)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)變壓吸附，并減小有關(guān)設(shè)備的尺寸，利用這些方式降低設(shè)備投資成本，提高整個(gè)生產(chǎn)工藝的經(jīng)濟(jì)性?？焖僮儔何窖b置在國內(nèi)的許多煉油廠中都有較為成功的應(yīng)用，特別是當(dāng)煉油廠的污染物質(zhì)含氫排氣或者有更高進(jìn)氣壓力的條件下，能大范圍回收氫氣。

2.4 復(fù)合型工藝應(yīng)用

當(dāng)前的化工市場(chǎng)上陸續(xù)出現(xiàn)了多種氣體分離方式，工藝流程有所區(qū)別且各自都有其適用條件，化工行業(yè)內(nèi)存在多種多樣的分離任務(wù)，為達(dá)到最佳的分離效果，單獨(dú)采用某一種特定的分離工藝難以達(dá)到預(yù)期，在具體的分離任務(wù)中應(yīng)結(jié)合實(shí)際需求選擇恰當(dāng)?shù)姆蛛x工藝。為此，相關(guān)企業(yè)在涉及分離任務(wù)時(shí)應(yīng)綜合多方面因素，從經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性、安全性等角度選擇恰當(dāng)?shù)姆蛛x工藝或者選定分離工藝組合。在一些企業(yè)中應(yīng)用了膜分離及變壓吸附工藝，兩種工藝結(jié)合后可發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，如膜分離技術(shù)下由于存在膜的選擇滲透作用，在外部能量及化學(xué)位差條件下可分離有關(guān)混合物。氣體膜分離技術(shù)下的分離由氣體壓力作用來實(shí)現(xiàn)，由于高分子聚合物薄膜對(duì)氣體分子的滲透性各有不同，可在此作用下達(dá)到分離、提純的作用。膜分離與變壓吸附工藝對(duì)相比較，前一種工藝下的壓力更大，在貧氣原料中相對(duì)適用，但其產(chǎn)品氣純度相對(duì)偏低。為此，氫氣含量偏低及壓力偏高的氣源條件下，一般應(yīng)先實(shí)施膜分離處理，隨后再由變壓吸附來處理，整個(gè)工藝流程下的操作簡單且成本投資低。

3 PSA變壓吸附制氫裝置優(yōu)化

3.1 PSA變壓吸附制氫裝置脫碳單元的優(yōu)化

PSA變壓吸附制氫裝置中經(jīng)常存在CO2、CO和N2等組分，這些實(shí)際上都為雜質(zhì)，為提高工藝應(yīng)用效果，在脫碳環(huán)節(jié)就需處理這些雜質(zhì)，以保障氣體的回收效率，大大降低PSA變壓吸附制氫裝置的壓力，從根本上保障氫氣的回收率。實(shí)際的生產(chǎn)工藝中，有關(guān)人員要從根本上優(yōu)化脫碳單元，需考慮以下方面：優(yōu)化和調(diào)整PSA脫碳單元原料氣的入口壓力，在原料氣壓力偏高的情況下，更能保障吸附劑的吸附效果，使吸附塔有更好的處理性能；增大脫碳單元的原料氣壓力可同步增大CO2組分的分壓，保障吸附劑的吸附性能。

3.2 PSA變壓吸附制氫裝置變換單元的優(yōu)化

變化單元內(nèi)存在化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)過程為CO+H2O=CO2+H2，結(jié)合其反應(yīng)過程，可將原料氣中的CO轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧腘2，在此方式下PSA變壓吸附制氫裝置中原料氣的氫氣濃度相對(duì)較高。結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，吸附水平與氫氣回收率有著緊密的聯(lián)系，在既定的吸附水平下，如原料氣中的氫氣越多、雜質(zhì)越少，吸附塔將具有更強(qiáng)的處理能力，也就可保障氫氣回收率；在原料氣量和壓力相等時(shí)，對(duì)比開變換和不開變換下PSA變壓吸附制氫裝置的氫氣回收率，前者的氫氣回收率明顯高于后者。為此，變換單元對(duì)增強(qiáng)氫氣回收率十分有效。

3.3 PSA變壓吸附制氫單元的優(yōu)化

實(shí)際的生產(chǎn)中為提高PSA變壓吸附制氫工藝的應(yīng)用水平，具體可從以下幾個(gè)方面實(shí)施優(yōu)化與調(diào)整，以形成更為完整且有效的工藝體系。

3.3.1 優(yōu)化原料氣吸附壓力

當(dāng)企業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用PSA變壓吸附制氫工藝時(shí)，理想狀態(tài)下的壓力一般保持在1.4MPa上下，在從實(shí)際的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)分析，一般無法達(dá)到這一壓力數(shù)值，基本維持在1.2～1.3MPa，這一情況下，為提高氫氣回收率，有關(guān)人員應(yīng)在原有基礎(chǔ)上適當(dāng)增大制氫單元原料氣的壓力，以通過這一方式增強(qiáng)原料氣中各種雜質(zhì)的分壓，保障吸附劑吸附雜質(zhì)的性能。

3.3.2 優(yōu)化吸附時(shí)間

PSA變壓吸附制氫工藝下，吸附時(shí)間也是要關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)參數(shù)，當(dāng)吸附時(shí)間合理時(shí)能保障制氫單元的高效運(yùn)行。氫氣中的N2組分含量較大，為此，整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)N2組分為調(diào)節(jié)吸附時(shí)間的重要因素，具體的調(diào)節(jié)任務(wù)中，有關(guān)人員需嚴(yán)格參考?xì)錃饧兌壤砘Y(jié)果，以保障吸附時(shí)間的合理性。如果在生產(chǎn)中負(fù)荷變化異常，制氫單元吸附時(shí)間的調(diào)節(jié)周期將相對(duì)較長，要調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)也需消耗較長的時(shí)間，在此過程中易引起氫氣組分的損失。為有效降低氫氣組分的損失，相關(guān)人員在實(shí)際的生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)分析與總結(jié)，對(duì)比不同負(fù)荷條件下的吸附時(shí)間變化情況，合理調(diào)節(jié)吸附時(shí)間。

3.3.3 優(yōu)化產(chǎn)品純度

產(chǎn)品純度對(duì)PSA制氫工藝的應(yīng)用效果也有直接影響，為增強(qiáng)制氫裝置的運(yùn)行可靠性，相關(guān)生產(chǎn)人員在實(shí)際的工作中應(yīng)嚴(yán)格控制氫氣純度，使該指標(biāo)處于相對(duì)正常的條件下，避免純度過高或過低所引起的生產(chǎn)問題。結(jié)合行業(yè)內(nèi)氫氣純度、吸附時(shí)間等的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氫氣純度超過99.98%的情況下，吸附時(shí)間應(yīng)隨之增加4s；如氫氣純度為99.92%～99.98%，吸附時(shí)間增加減小，應(yīng)為2s；氫氣純度在99.88%～99.92%時(shí)，吸附時(shí)間應(yīng)增加1s；氫氣純度低于99.80%時(shí)吸附時(shí)間維持原狀。

3.3.4 優(yōu)化操作系數(shù)

PSA變壓吸附制氫工藝下的操作系數(shù)設(shè)置是否合理關(guān)乎工藝水平，結(jié)合其工藝原理，低溫條件下的吸附作用突出，高溫下的解吸作用明顯，因此，溫度過高或者過低都難以達(dá)到最佳的工藝效果。從生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，PSA變壓吸附制氫單元入口氫氣溫度應(yīng)在40℃以內(nèi)，為得到PSA變壓吸附制氫吸附劑的最佳溫度，實(shí)際的工作中相關(guān)人員應(yīng)不斷總結(jié)，以獲得溫度區(qū)間，如夏季和冬季的入口氫氣溫度不同，分別為20～30℃、30～40℃，只有維持在這一溫度條件下，吸附劑的吸附和分離作用才能最好。依據(jù)甲烷含量所對(duì)應(yīng)的氫氣濃度、產(chǎn)氫量情況，操作系數(shù)的影響較為明顯，如操作系數(shù)從0.68減小到0.64時(shí)，產(chǎn)氫量、氫氣濃度雖有變化但幅度微乎其微；從0.64減小到0.63時(shí)氫氣濃度增大，而產(chǎn)氫量減??；從0.63增大到0.64時(shí)，產(chǎn)氫量與氫氣濃度雖有一定的變化，但變化幅度幾乎可忽略不計(jì)；從0.64變?yōu)?.65時(shí)，氫氣濃度減小，產(chǎn)氫量增大。

4 結(jié)語

當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，PSA變壓吸附制氫工藝的應(yīng)用越發(fā)普遍，但該工藝的應(yīng)用效果受到諸多因素的制約，為達(dá)到最佳的工藝效果，相關(guān)生產(chǎn)人員在實(shí)際的工作中應(yīng)強(qiáng)化流程管理、參數(shù)控制，以發(fā)揮該工藝的優(yōu)勢(shì)。