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        PSA技術(shù)在丙烷脫氫尾氣精制氫氣過(guò)程中的應(yīng)用

        2019-04-09 09:29:58郭萬(wàn)冬張瑜
        天津化工 2019年2期
        關(guān)鍵詞:變壓丙烷分子篩

        郭萬(wàn)冬,張瑜

        (天津渤化石化有限公司,天津?yàn)I海新區(qū)300452)

        丙烷脫氫制丙烯工藝中,生成產(chǎn)品丙烯的同時(shí),副產(chǎn)同等摩爾量的氫氣,混合在乙烷、乙烯、一氧化碳、甲烷等的混合尾氣中,如采用適當(dāng)?shù)姆蛛x手段,可獲得大量的高純度氫氣,做為產(chǎn)品出售能獲取更大經(jīng)濟(jì)效益。PSA做為高效低能耗的氫氣提純技術(shù),被優(yōu)先考慮應(yīng)用在丙烷脫氫尾氣提純氫氣的工藝中,實(shí)際運(yùn)行考察效果良好。

        1 PSA變壓吸附原理

        1.1 概述

        PSA即變壓吸附技術(shù)(Pressure Swing Adsorption.簡(jiǎn)稱(chēng)PSA),是一種新型氣體吸附分離技術(shù),與膜分離法、低溫分離法相比,其具有能耗低、可靠性高、操作維護(hù)簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高和產(chǎn)品純度高等諸多優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于化工、能源、冶金和環(huán)境等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。

        1.2 PSA變壓吸附原理

        PSA變壓吸附是以多孔性固體吸附劑(吸附劑是分子篩和活性炭,通常兩種吸附劑組合使用)內(nèi)部表面對(duì)氣體分子的物理吸附為基礎(chǔ),在兩種壓力狀態(tài)之間工作的可逆的物理吸附過(guò)程,它是根據(jù)混合氣體中雜質(zhì)組分在高壓下具有較大的吸附能力,在低壓下又具有較小的吸附能力,而理想的組分H2則無(wú)論是高壓或是低壓都具有較小的吸附能力的原理。在高壓下,增加雜質(zhì)分壓以便將其盡量多的吸附于吸附劑上,從而達(dá)到高的產(chǎn)品純度。吸附劑的解吸或再生在低壓下進(jìn)行,盡量減少吸附劑上雜質(zhì)的殘余量,以便于在下個(gè)循環(huán)再次吸附雜質(zhì)。

        1.3 PSA變壓吸附適用范圍

        適用于采用PSA進(jìn)行分離的混合氣體應(yīng)具備如下特點(diǎn):混合氣體中各組分必須是在相同的吸附壓力下具有不同的吸附能力,不希望的組分應(yīng)當(dāng)是在較高的壓力下具有較大的吸附能力,而在較低的壓力下,又具有較小的吸附能力。吸附能力相差越大便越容易分離。而希望的組分應(yīng)當(dāng)是非吸附性的,或吸附能力很小,且隨壓力變化吸附能力變化不大。

        1.4 PSA變壓吸附的吸附順序

        分子篩對(duì)一般氣體的吸附順序是:

        活性炭對(duì)一般氣體的吸附順序是:

        1.5 分子篩和活性炭的區(qū)別

        活性炭對(duì)二氧化碳的吸附能力很大,而且吸附量隨壓力的升降變化十分明顯,是二氧化碳的良好的吸附劑,分子篩則不然,它在低壓下就大量吸附二氧化碳,而且隨壓力升高吸附量變化不明顯,在低壓下脫附困難,故不能作二氧化碳的吸附劑。活性炭和分子篩都可用作一氧化碳的吸附劑,活性炭的高壓吸附量比分子篩的大,低壓脫附容易,但是分子篩的吸附能力更強(qiáng),適用于要求產(chǎn)品中一氧化碳很低的情況。分子篩和活性炭都適于在PSA中吸附甲烷,它們?cè)趬毫ψ兓认嗤瑫r(shí),平衡吸附量的變化基本相同,而分子篩對(duì)甲烷的吸附能力更強(qiáng)。

        2 丙烷脫氫工藝中氫氣的產(chǎn)生

        2.1 丙烷脫氫流程圖

        圖1

        2.2 丙烷脫氫產(chǎn)生氫氣的機(jī)理

        丙烷脫氫的主反應(yīng):

        丙烷脫氫副反應(yīng):

        從丙烷脫氫的反應(yīng)過(guò)程可以看出,主反應(yīng)與副反應(yīng)均有氫氣生成,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣的摩爾量與生成的丙烯摩爾量大致相等,以某600KTA產(chǎn)能丙烷脫氫裝置為例,年可副產(chǎn)氫氣28000多t氫氣,折合體積流量在40000Nm3以上,有很大的提純利用價(jià)值。

        3 丙烷脫氫尾氣提氫PSA裝置的應(yīng)用

        3.1 PSA設(shè)計(jì)概述

        以國(guó)內(nèi)某600KTA產(chǎn)能丙烷脫氫裝置為例,設(shè)計(jì)PSA達(dá)到將副產(chǎn)氫氣提純成高純氫的能力,具體工藝流程如下:

        該P(yáng)SA裝置處理能力大于55000Nm3原料氣,開(kāi)工率8000h/a以上,操作彈性(對(duì)原料氣)30%~115%,裝置由10臺(tái)吸附塔、一臺(tái)順?lè)艢夤蕖⒁慌_(tái)逆放氣罐、一臺(tái)解析氣罐、和一臺(tái)原料氣緩沖罐組成;另銜接丙烷脫氫主裝置,配套原料壓縮機(jī)25000Nm3處理能力以上兩套為PSA提供3.0MPaG的吸附壓力,解析氣壓縮機(jī)15000Nm3處理能力以上一套為尾氣增壓至0.4MPaG壓力回燃料氣系統(tǒng)。

        3.2 PSA工藝過(guò)程

        該裝置共由10臺(tái)吸附塔組成,吸附塔的整個(gè)吸附與再生過(guò)程通過(guò)83臺(tái)高可靠性程控閥門(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。每個(gè)吸附塔都執(zhí)行13步的步序操作,即吸附、一均降、二均降、三均降、四均降、順?lè)?、逆放、沖洗、四均升、三均升、二均升、一均升、產(chǎn)品氫終升等。正常運(yùn)行時(shí)為10-2-4模式,即10塔運(yùn)行,2臺(tái)始終處于吸附狀態(tài),4臺(tái)吸附塔在均壓階段,其余4臺(tái)處于其它的再生不同階段。出現(xiàn)局部故障時(shí)可自動(dòng)或手動(dòng)切塔運(yùn)行,切塔后可自動(dòng)9-2-3、8-2-3、7-2-2、6-1-2、5-1-2模式運(yùn)行,但若要保持純度不變,處理能力將相應(yīng)減小。

        3.3 原料組分

        圖2

        3.4 產(chǎn)品氫指標(biāo)

        經(jīng)過(guò)10000 h以上的運(yùn)行后,總結(jié)相關(guān)產(chǎn)品分析數(shù)據(jù),均能達(dá)到既定的產(chǎn)品指標(biāo)要求。

        4 結(jié)語(yǔ)

        隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)力度的不斷加大,清潔能源的應(yīng)用得到社會(huì)各界越來(lái)越多的重視。氫能做為環(huán)境友好的零污染潔凈能源,有著非常廣闊的應(yīng)用前景。丙烷脫氫制丙烯工藝中副產(chǎn)的大量氫氣是難得的氫原料資源,提制高純氫條件充分可積極開(kāi)發(fā)。本文就PSA技術(shù)在丙烷脫氫工藝尾氣精制氫氣領(lǐng)域給出一個(gè)成功的應(yīng)用案例,可為本行業(yè)同類(lèi)裝置的氫氣制取提供可靠的參考和借鑒。

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