盧建國(guó)，劉 晶

（內(nèi)蒙古億利化學(xué)工業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014300）

內(nèi)蒙古億利化學(xué)工業(yè)有限公司聚氯乙烯分廠VCM精餾工序尾氣，經(jīng)加收氯乙烯及乙炔后，原為直接放空，為了合理的利用資源，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能增產(chǎn)的目的，增加VCM氫氣回收裝置。該技改項(xiàng)目于2012年12月正式投產(chǎn)，2013年全年回收氫氣4 818 912 Nm3，經(jīng)過近一年的運(yùn)行，目前生產(chǎn)平穩(wěn)，達(dá)到了預(yù)期效果。

1 變壓吸附分離原理

在電石法生產(chǎn)聚氯乙烯的過程中，來自乙炔分廠的乙炔氣和燒堿分廠的氯化氫氣體，經(jīng)混合脫水后，進(jìn)入轉(zhuǎn)化器生成氯乙烯，經(jīng)過凈化工序除去過量的氯化氫后，進(jìn)入精餾工序進(jìn)一步脫除高沸物和低沸物后得到合格單體，精餾尾氣作為本裝置的原料氣進(jìn)一步回收氫氣。

1.1 變壓吸附分離原理[1]

該提氫裝置中的吸附主要為物理吸附，其特點(diǎn)是吸附過程沒有化學(xué)反應(yīng)，吸附過程進(jìn)行得極快，參一吸附的各相物質(zhì)間的動(dòng)態(tài)平衡在瞬間即可完成，并且這種吸附是完全可逆的。物理吸附具有2個(gè)特性，一是對(duì)不同組分的吸附能力不同，二是吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附容量隨吸附質(zhì)分壓的增加而增加，隨吸附溫度的上升而下降。利用吸附劑的第一個(gè)特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)凈化尾氣中氮?dú)?、甲烷等組分的優(yōu)先吸附而得到高純氫；利用吸附劑的第二個(gè)特性，可實(shí)現(xiàn)吸附劑在低溫下解吸再生，從而構(gòu)成吸附劑的吸附與再生循環(huán)過程，達(dá)到連續(xù)分離的目的。

1.2 吸附劑的選擇[2]

所選用的吸附劑有活性氧化鋁、活性炭、硅膠和分子篩?；钚匝趸X屬于對(duì)水有強(qiáng)親和力的固體，主要用于氣體的干燥；硅膠吸附劑屬于一種合成的無定形二氧化硅，不僅對(duì)水有極強(qiáng)的親和力，而且對(duì)烴類和二氧化碳等組分也有較強(qiáng)的吸附能力；活性炭吸附劑表面所具有的氧化物基團(tuán)和無機(jī)物雜質(zhì)使其表面性質(zhì)表現(xiàn)為弱極性或非極性，加上活性炭所具有的特別大的內(nèi)表面積，使得活性炭成為一種能大量吸附多種弱極性和非極性有機(jī)分子的廣譜耐水型吸附劑；分子篩吸附劑屬于強(qiáng)極性吸附劑，有著非常一致的孔徑結(jié)構(gòu)和極強(qiáng)的吸附選擇性。對(duì)于像本裝置組成復(fù)雜的氣源需要多種吸附劑，按吸附性能依次分層裝填組成復(fù)合吸附床，才能達(dá)到分離所需產(chǎn)品組分的目的。

1.3 工藝方案的選擇

1.3.1 工藝流程的選擇

該氫氣回收裝置采用的主要工藝是變壓吸附，該公司現(xiàn)有的尾氣回收裝置只是對(duì)其中的C2H3Cl、C2H2進(jìn)行了回收，H2、N2、O2則直接排空。為了更好的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)循環(huán)、擴(kuò)能減排，新增1套五床層變壓吸附精餾尾氣制氫裝置。5臺(tái)吸附器的整個(gè)吸附與再生工藝切換通過38臺(tái)程控閥按一定的工藝順序進(jìn)行開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。原料氣來自精餾的尾氣，壓力為0.45～0.65 MPa，精餾尾氣通過原有裝置回收其中的氯乙烯和乙炔后，凈化氣進(jìn)入本PSA裝置，殘留的氯乙烯、乙炔等通過吸附后得到要回收的氫氣，氫氣經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)入氫氣緩沖罐，然后，進(jìn)入氫氣管網(wǎng)，送到燒堿分廠合成工序再次利用。

由于裝置原料氣壓力不高、凈化氣體中的氮?dú)獾入s質(zhì)組分含量不高，且裝置規(guī)模較小，因此選擇抽真空再生的變壓吸附工藝流程。

1.3.2 對(duì)吸附塔數(shù)的選擇

吸附塔數(shù)量的確定主要取決于裝置的處理量，同時(shí)應(yīng)兼顧裝置的投資和占地面積等因素。由于本裝置處理量規(guī)模較小，綜合考慮各方面的因素，采用5塔工藝流程，能滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的要求。

1.3.3 對(duì)均壓次數(shù)的選擇

均壓次數(shù)的選擇主要取決于原料氣的壓力、組成和產(chǎn)品純度要求等因素。一般而言，原料氣壓力越高均壓次數(shù)應(yīng)越多，以保證非吸附組分的充分回收；本裝置采用3次均壓工藝。

1.4 工藝流程簡(jiǎn)述

該系統(tǒng)由5臺(tái)吸附塔、1臺(tái)凈化氣緩沖罐、1臺(tái)產(chǎn)品氫氣緩沖罐、3臺(tái)真空泵（2開1備）組成，來自精餾裝置的尾氣進(jìn)入緩沖罐，經(jīng)流量計(jì)計(jì)量后，直接進(jìn)入變壓吸附提氫單元。原料氣經(jīng)程控閥從塔（A～E）下部進(jìn)入正處于吸附步驟的吸附塔，原料氣從下而上通過吸附床層，其中的強(qiáng)吸附質(zhì)氮?dú)獾入s質(zhì)被吸附劑吸附從而留在床層內(nèi)，其他未被吸附的非吸附相產(chǎn)品氫氣從塔頂排出，當(dāng)該吸附塔吸附飽和后，該塔停止吸附，通過程控閥切換原料氣進(jìn)入其他塔。而該吸附飽和的塔通過逆放和抽空方式將吸附的氮?dú)獾入s質(zhì)組分進(jìn)行解吸，其中逆放步驟的解吸氣直接放空，逆放結(jié)束后，進(jìn)入抽空步驟，該步驟的解吸氣經(jīng)過真空泵后分離器直接放空。真空解吸完成后，該塔進(jìn)入升壓步驟，升壓結(jié)束后，又進(jìn)入下一次吸附。該提氫單元采用5-1-3/VPSA工藝流程。5個(gè)吸附塔中任何時(shí)刻總有1個(gè)吸附塔處于吸附步驟，另外，4個(gè)塔處于解吸的不同階段。每個(gè)吸附塔在一次循環(huán)中都要依次經(jīng)過吸附（A）、第一級(jí)壓力均衡降（E1D）、第二級(jí)壓力均衡降（E2D）、第三級(jí)壓力均衡降（E3D）、逆向放壓（D）、抽空（V）、第三級(jí)壓力均衡升（E3R）、第二級(jí)壓力均衡升（E2R）、第一級(jí)壓力均衡升（E1R）和最終升壓（FR）等步驟。

1.5 工藝流程框圖和物料衡算

1.5.1 工藝流程框圖

VCM凈化尾氣變壓吸附提純氫氣的工藝流程框圖見圖1，圖中的虛線框范圍為本裝置界區(qū)范圍，本裝置界區(qū)自原料氣進(jìn)裝置的第一個(gè)截止閥入口端起，至產(chǎn)品氫氣和逆放氣排放為止，儀表和電氣設(shè)計(jì)交接點(diǎn)在控制室內(nèi)。

圖1 變壓吸附提純氫氣工藝流程框圖

1.5.2 物料衡算

衡算范圍包括原料氣，產(chǎn)品氣和解吸氣，見表1。

表1 物料衡算

1.6 該裝置工藝技術(shù)特點(diǎn)

該裝置能耗低，單套機(jī)組電耗僅37 kW，總體裝機(jī)容量為111 kW同時(shí)吸附劑壽命長(zhǎng)，正常使用達(dá)10年以上。該流程采用抽真空解吸，吸附劑再生效果好，氫氣回收率高。該裝置可以在一定流量下采用5－1－3工藝流程，當(dāng)超過一定流量后，可以自動(dòng)切換至5－2－2工藝流程，裝置操作彈性大。作為關(guān)鍵設(shè)備的程控閥，選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)閥門，具有體積小、重量輕、動(dòng)作快（小于2 s）、密封性能好（ANSI六級(jí)）、壽命長(zhǎng)（大于100萬次）和閥位顯示可靠等優(yōu)點(diǎn)，保證了裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。

1.7 控制系統(tǒng)特點(diǎn)

該裝置采用PLC控制系統(tǒng)，選用S7-300配上位機(jī)。共包括3個(gè)模擬量調(diào)節(jié)回路和33個(gè)開關(guān)點(diǎn)控制回路。本裝置的全部程控開關(guān)閥和控制調(diào)節(jié)閥，按照工藝給定的條件進(jìn)行順序控制和模擬調(diào)節(jié)。所有的程控開關(guān)閥均帶顯示和報(bào)警功能。裝置可以依據(jù)原料氣量、原料氣組成和產(chǎn)品純度的變化自動(dòng)地調(diào)整吸附循環(huán)時(shí)間，優(yōu)化裝置的運(yùn)行狀況，使裝置在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，可以自動(dòng)地獲得最高的產(chǎn)品回收率及最佳的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益。

2 氫回收裝置運(yùn)行情況

2.1 考核情況

該氫回收裝置2012年6月開始土建，12月正式投入生產(chǎn)，2013年1月生產(chǎn)開始正常運(yùn)行。2013年5月7日到10日，完成了對(duì)氫回收裝置72 h性能考核。

產(chǎn)品氫氣純度平均為99.98%，合格率達(dá)100%；氫氣含乙炔合格率達(dá)100%；氫氣含單體合格率為38.89%（由于原料氣中含單體偏高，可能使產(chǎn)品氣中含單體合格率偏低）?？己似陂g9日16：50，10日10：10由于燒堿原因各降量4 h。回收率考核情況見表2。

表2 流量統(tǒng)計(jì)表 Nm3

根據(jù)表2計(jì)算，回收率為55 736.6×99.98%/ 88 123.2×89.965%=70.29%。產(chǎn)品氣H2純度平均為99.98%，原料氣中氫含量平均為89.965%。由于氫氣純度在線分析儀數(shù)值是以現(xiàn)場(chǎng)取樣人工分析數(shù)據(jù)進(jìn)行校核的，以現(xiàn)場(chǎng)取樣人工分析數(shù)據(jù)為計(jì)算依據(jù)。

2.2 存在問題

2.2.1 回收率比設(shè)計(jì)值偏低

氫氣純度控制較高，達(dá)到99.98%，由于回收率和純度成反函數(shù)關(guān)系，純度高回收率可能下降?，F(xiàn)在實(shí)際操作壓力為0.4 MPa，比設(shè)計(jì)值0.5 MPa低，根據(jù)等溫吸附方程式，吸附量和吸附壓力成正比，故吸附壓力越高，吸附量越大，即吸附效果越好，反之，吸附效果就差，故回收率有所下降。實(shí)際原料氣組分和設(shè)計(jì)原料氣組分有差距，設(shè)計(jì)時(shí)，原料氣含氫66.19%，實(shí)際原料氣含氫89.965%，致使回收率下降一些；設(shè)定氫排空壓力為0.32 MPa，考核期間，排空一次，損失一部分氫氣，可能致使回收率降低。

2.2.2 設(shè)備性能較低

3臺(tái)氫氣回收真空泵出口溫度偏高，約為110℃以上。

2.2.3 其他問題

（1）在考核期間，由于電磁閥原因，KV106E閥門開關(guān)不到位。

（2）DCS消音尚未處理好。

在針對(duì)上述問題，逐一排查存在問題，回收率等主要工藝指標(biāo)現(xiàn)已達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，設(shè)備、儀表等問題逐步得到解決，目前，裝置運(yùn)行平穩(wěn)、正常。

3 經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益

該裝置2013年全年回收氫氣430 t，既提高PVC的產(chǎn)量，又減少了液氯產(chǎn)量，降低了液氯庫(kù)存，提高了安全系數(shù)。2013年回收氫氣量見表3。

表3 2013年氫回收裝置回收氫氣量 t

經(jīng)過處理后剩余的廢氣中主要為氮?dú)?、氧氣、少量的氯乙烯和乙炔，其中，污染物中氯乙烯和乙炔的含量均小?0×10-6，達(dá)到了國(guó)家廢氣的排放標(biāo)準(zhǔn)，可以直接排入到大氣。PSA氫氣回收裝置的投入使用，很好的處理了PVC生產(chǎn)過程中精餾尾氣超標(biāo)排放對(duì)環(huán)境造成的污染問題，成功的解決發(fā)展與環(huán)境之間的矛盾。

4 結(jié)論

PSA技術(shù)作為一項(xiàng)氣體分離與凈化技術(shù)，技術(shù)成熟，操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，運(yùn)行和維護(hù)成本低，在精餾尾氣中回收氫氣的作用顯而易見。

［1］解傳明，徐欣宇，汪懷玉.氯乙烯精餾尾氣變壓吸附技術(shù)研究及成功運(yùn)用.石油化工，2010，（29）：143－145.

［2］趙倫東，婁恒勇.精餾尾氣變壓吸附回收裝置的應(yīng)用和改進(jìn).貴州化工，2009：34（2）：56－58.