沈 杲

(陽(yáng)煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司，山西 太原 030400)

陽(yáng)煤集團(tuán)清徐化工新材料園區(qū)項(xiàng)目是太化集團(tuán)整體搬遷項(xiàng)目，終端產(chǎn)品是己內(nèi)酰胺、己二酸，其中，40萬(wàn)t/a合成氨及35 000 m3/h制氫裝置是主要配套裝置。合成氨裝置氣體凈化采用的是低溫甲醇洗和液氮洗工藝，在氣體凈化裝置生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的中壓閃蒸氣包含大量氫氣，行業(yè)通常設(shè)計(jì)利用壓縮機(jī)將閃蒸氣送入到氣體凈化裝置入口加以利用。新材料作為上下游一體項(xiàng)目，考慮到園區(qū)內(nèi)有多處利用燃料氣加熱的設(shè)備，設(shè)計(jì)初期將合成氨氣體凈化裝置閃蒸氣作為燃料送入到燃料氣系統(tǒng)。在項(xiàng)目進(jìn)展過(guò)程中燃料氣變更為引入天然氣，另外，園區(qū)內(nèi)建設(shè)的雙氧水裝置需要?dú)錃?，所以提出將合成氨氣體凈化裝置閃蒸氣通過(guò)變壓吸附提取氫氣送到雙氧水裝置使用。

1 變壓吸附提氫裝置設(shè)計(jì)工藝條件

該變壓吸附(PSA)裝置提氫單元采用杭州普菲科空分設(shè)備有限公司的變壓吸附氣體分離專有技術(shù)，變壓吸附技術(shù)是以吸附劑(多孔固體物質(zhì))內(nèi)部表面對(duì)氣體分子的物理吸附為基礎(chǔ)，利用吸附劑在相同壓力下易吸附高沸點(diǎn)組分、不易吸附低沸點(diǎn)組分和高壓下吸附量增加(吸附組分)、減壓下吸附量減小(吸附組分)的特性。將閃蒸氣在壓力下通過(guò)吸附劑床層，相對(duì)于氫的高沸點(diǎn)雜質(zhì)組分被選擇性吸

附，低沸點(diǎn)組分的氫不易吸附而通過(guò)吸附劑床層(作為產(chǎn)品輸出)，達(dá)到氫和雜質(zhì)組分的分離，然后再進(jìn)行吸附分離雜質(zhì)。這種壓力下吸附雜質(zhì)提純氫氣、減壓下解吸雜質(zhì)使吸附劑再生的循環(huán)便是變壓吸附過(guò)程。

1.1 原料氣工藝條件

該裝置處理的原料氣來(lái)自兩方面：一是低溫甲醇洗裝置的三塔和四塔一段閃蒸氣、二是液氮洗V01的閃蒸氣(見(jiàn)表1、表2)。

表1 低溫甲醇洗閃蒸氣

表2 液氮洗閃蒸氣

1.2 產(chǎn)品氣

H2回收率保證值≥80.0%，裝置操作彈性：50%～110%。

達(dá)到雙氧水裝置氫氣純度工藝指標(biāo)要求(見(jiàn)表3)。

2 變壓吸附裝置工藝流程

本裝置采用一段5-1-3PSA提氫工藝，由5個(gè)吸附塔組成，其中，一個(gè)吸附塔始終處于同時(shí)進(jìn)料吸附的狀態(tài)，由吸附、3次均壓降壓、順?lè)?、逆放、沖洗、3次均壓升壓步驟組成。

表3 雙氧水使用氫氣指標(biāo)

來(lái)自低溫甲醇洗和液氮洗閃蒸氣混合氣，先經(jīng)原料氣分液罐分離掉其中的液滴，從吸附塔底部進(jìn)入處于吸附工況的塔內(nèi)，在多種吸附劑組成的復(fù)合吸附床的一次選擇吸附下，一次性除去氫以外的幾乎所有雜質(zhì)，獲得純度大于99.0%的產(chǎn)品氫氣從塔頂排出后經(jīng)緩沖罐穩(wěn)壓、調(diào)壓后送往雙氧水裝置，由逆放和沖洗產(chǎn)生的解析氣放空(見(jiàn)圖1)。

圖1 工藝簡(jiǎn)圖

3 變壓吸附5-1-3PSA提氫工藝特點(diǎn)

1) 5個(gè)塔依次交替進(jìn)行吸附過(guò)程、均壓降壓過(guò)程、逆放過(guò)程、沖洗過(guò)程、均壓升壓過(guò)程、終沖過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)氣體連續(xù)分離與提純。

2) 采用三次均壓回收氫氣過(guò)程，在保證氫氣純度的同時(shí)又是提高氫氣回收率的可靠保證。

3) 采用沖洗解吸工藝，不使用抽真空動(dòng)設(shè)備，降低了能耗，操作更簡(jiǎn)便。

4) 作為關(guān)鍵設(shè)備的PSA程控閥，采用空氣動(dòng)力操作系統(tǒng)，相對(duì)于液壓操作系統(tǒng)具有操作穩(wěn)定性高、清潔、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。

在西方國(guó)家，以英國(guó)的上議院為例，其協(xié)商民主的保障制度就歷經(jīng)了從習(xí)慣法(軟法)到制定法(硬法)的演進(jìn)過(guò)程才建立起了軟法和硬法相結(jié)合的保障機(jī)制。英國(guó)上議院起初的保障機(jī)制來(lái)自日耳曼人的商議習(xí)慣，1215年制定的《自由大憲章》則從憲法的層面為貴族開(kāi)會(huì)協(xié)商議政提供了根本的法律依據(jù)，此后通過(guò)的《權(quán)利請(qǐng)?jiān)笗贰稒?quán)利法案》《國(guó)會(huì)法》《國(guó)會(huì)參政法》以及《人權(quán)法案》等，使英國(guó)上議院逐步建立起較為完善的協(xié)商民主硬法保障機(jī)制。也正是借助這些硬法保障機(jī)制，英國(guó)的上議院可以通過(guò)質(zhì)詢和彈劾等方式追究相關(guān)人員的責(zé)任，從而使其協(xié)商民主實(shí)現(xiàn)的法律力度較大，水準(zhǔn)較高。

5) 所有程控開(kāi)關(guān)閥按照事先給定的邏輯程序順序執(zhí)行，自動(dòng)化程度高。

4 工藝控制

4.1 吸附時(shí)間設(shè)定

裝置吸附時(shí)間參數(shù)可在DCS上設(shè)定，也可由DCS根據(jù)流量自動(dòng)計(jì)算產(chǎn)生。做到流量越大則吸附時(shí)間就應(yīng)越短，流量越小則吸附時(shí)間就應(yīng)越長(zhǎng)，在各種操作負(fù)荷下充分利用吸附劑的吸附能力，保證產(chǎn)品純度的情況下獲得最高的回收率(見(jiàn)表4)。

表4 變壓吸附時(shí)序表

4.2 壓力設(shè)定

變壓吸附氣體分離工藝核心是利用壓力的變化實(shí)現(xiàn)吸附劑對(duì)混合氣體的雜質(zhì)組分的分離，壓力是PSA的關(guān)鍵參數(shù)，原料氣體壓力越高吸附分離效果越好。由工藝設(shè)計(jì)參數(shù)確定，原料氣進(jìn)入裝置的壓力設(shè)定為0.8 MPa(G)，吸附塔各階段的壓力由控制系統(tǒng)依據(jù)理想壓力曲線自動(dòng)設(shè)定完成(見(jiàn)圖2)。

圖2 吸附塔理想壓力曲線示意圖

4.3 報(bào)警、聯(lián)鎖的設(shè)定

PSA裝置主要依據(jù)程控閥自動(dòng)切換工藝流程，因此裝置要求有完善的報(bào)警、聯(lián)鎖系統(tǒng)(見(jiàn)表5、圖3)。

5 主要設(shè)備及吸附劑

1) 氣液分離器

規(guī)格：Ф600 mm×4000 mm，內(nèi)設(shè)絲網(wǎng)除沫器，除掉原料氣帶來(lái)的液滴，保護(hù)吸附劑。

表5 報(bào)警一覽表

圖3 聯(lián)鎖邏輯圖

規(guī)格：Ф1000 mm×7000 mm，保障產(chǎn)品氫氣壓力穩(wěn)定送出。

3) 解吸氣罐

規(guī)格：Ф1200 mm×7000 mm，穩(wěn)定解吸氣壓力。

4) 吸附塔

規(guī)格：Ф800 mm×5000 mm，內(nèi)裝四層填料和吸附劑，是進(jìn)行吸附的重要設(shè)備(見(jiàn)圖4)。

圖4 吸附塔內(nèi)部裝填示意圖

6 結(jié)論

通過(guò)將低溫甲醇洗與液氮洗富氫閃蒸氣利用變壓吸附提氫，能產(chǎn)出約480 m3/h的氫氣，充分利用含氫氣體為雙氧水提供滿足工藝要求的原料氣，回收經(jīng)濟(jì)效益為400多萬(wàn)/年。全部為靜止設(shè)備，相比傳統(tǒng)工藝中利用壓縮機(jī)將富氫氣體回收的設(shè)計(jì)節(jié)約了投資，且維護(hù)操作簡(jiǎn)單，沒(méi)有動(dòng)設(shè)備相對(duì)能耗低，并且避免了當(dāng)作燃料氣的資源浪費(fèi)，使得經(jīng)濟(jì)利益最大化。對(duì)于有需求氫氣的化工一體化園區(qū)，將合成氨凈化裝置低溫甲醇洗也液氮洗閃蒸氣回收氫氣加以利用是一種較經(jīng)濟(jì)的工藝選擇。