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PSA变压吸附制氢设备使用手册

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产品资讯
2019/05/23 08:58
PSA制氢
PSA变压吸附制氢设备的原理:
1.什么是吸附分离?
答:吸附是化工生产中对流体混合物进行分离的一种方式。是利用混合物中各组分在多孔性固体吸附剂中被吸附力的不同,使其中的一种或数种组分被吸附于吸附剂表面上,从而达到分离的目的。根据吸附剂表面和被吸附物质之间作用力的不同,可分为物理吸附和化学吸附两种类型。
2.什么是变压吸附?
答:变压吸附简称PSA,是对气体混合物进行提纯的工艺过程,该工艺是以多孔性固体物质(吸附剂)内部表面对气体分子的物理吸附为基础,在两种压力状态之间工作的可逆的物理吸附过程,它是根据混合气体中杂质组分在高压下具有较大的吸附能力,在低压下又具有较小的吸附能力,而理想的组分H2则无论是高压或是低压都具有较小的吸附能力的原理。在高压下,增加杂质分压以便将其尽量多的吸附于吸附剂上,从而达到高的产品纯度。吸附剂的解吸或再生在低压下进行,尽量减少吸附剂上杂质的残余量,以便于在下个循环再次吸附杂质。
 
3.何谓PSA的氢回收率?怎样计算氢回收率?
   回收率是变压吸附装置主要考核指标之一,它的定义是从变压吸附装置获得的产品中被回收氢组分绝对量占进入变压吸附装置的原料气中氢组分绝对量的百分比。
计算方法:
方法一:已知下列条件:
⑴ 进入变压吸附装置的原料气流量(F,Nm3/h)
⑵ 原料气中氢组分含量(XF,%)
⑶ 从变压吸附装置获得的产品氢气流量(P,Nm3/h)
⑷ 产品中被回收氢组分的含量(XP,%)
被回收组分的回收率(R)为:
R = P·XP/F·XF×100%
方法二:已知下列条件:
⑴ 原料气中氢组分含量(XF,%)
⑵ 产品中被回收氢组分的含量(XP,%)
⑶ 解吸气中的氢组分含量(XW,%)
被回收组分的回收率(R)为:
R = XP(XF—XW)/ XF(XP—XW)×100%
 
4.采用PSA制氢设备(变压吸附制氢设备)有何优点?
答:
⑴ 产品氢纯度高,可达99.9%以上。
⑵ 工艺流程短,自动化程度高、可靠性和灵活性好,开停车方便。
⑶ 动设备减少,消耗低,易于管理与维修。
由于排放的废气可作为转化炉的燃料使用,可降低生产综合费用。
 
5.什么样的混合气体才能用PSA进行分离?
答:适用于采用PSA进行分离的混合气体应具备如下特点:混合气体中各组分必须是在相同的吸附压力下具有不同的吸附能力,不希望的组分应当是在较高的压力下具有较大的吸附能力,而在较低的压力下,又具有较小的吸附能力。吸附能力相差越大便越容易分离。而希望的组分应当是非吸附性的,或吸附能力很小,且随压力变化吸附能力变化不大。
 
6.PSA装置最常用的吸附剂是什么?它们对一般气体的吸附顺序如何?
答:PSA最常用的吸附剂是分子筛和活性炭,通常两种吸附剂组合使用。
分子筛对一般气体的吸附顺序是:
H2<<N2<CH4<CO<CO2
活性炭对一般气体的吸附顺序是:
H2<<N2<CO<CH4<CO2
 
7.简述活性氧化铝和硅胶在PSA装置中的作用。
答:活性氧化铝是一种在物理和化学上都很稳定的高纯度多孔氧化铝,其特点是耐磨,对所有腐蚀性气体和液体都是惰性的,并且有极好的热稳定性。在PSA工艺上活性氧化铝可作为一种辅助的吸附剂装填在吸附剂的底部,首先接触进料用于脱除进料中的水蒸汽和芳烃。硅胶是一种无定型二氧化硅,呈化学惰性无腐蚀的特点,在PSA工艺上一般是装填在吸附器的底部用来净化重烃类和酸性气。
 
8.为什么说PSA运行效果的好坏关键是吸附剂?
答:PSA工艺是以吸附剂内部表面对气体分子的物理吸附为基础的可逆的循环工艺过程,而实现这一循环工艺过程,最基本要求就是吸附剂具有良好的吸附性能,再生性能以及具有较长的使用寿命。但在装置运行过程中,吸附剂极易受到如进料带水,升降压速度过快,杂质过载等多种因素的损害,从而使吸附剂失去上述性能,由此导致PSA装置失去对PSA原料气的提纯作用,所以说PSA装置运行效果的好坏的关键是保护好吸附剂。
 
9.分子筛和活性炭吸附性能的比较。
答:活性炭对二氧化碳的吸附能力很大,而且吸附量随压力的升降变化十分明显,是二氧化碳的良好的吸附剂,分子筛则不然,它在低压下就大量吸附二氧化碳,而且随压力升高吸附量变化不明显,在低压下脱附困难,故不能作二氧化碳的吸附剂。
活性炭和分子筛都可用作一氧化碳的吸附剂,活性炭的高压吸附量比分子筛的大,低压脱附容易,但是分子筛的吸附能力更强,适用于要求产品中一氧化碳很低的情况。
分子筛和活性炭都适于在PSA中吸附甲烷,它们在压力变化幅度相同时,平衡吸附量的变化基本相同,而分子筛对甲烷的吸附能力更强。
 
10.新鲜的吸附剂应如何保存?
答:由于新鲜的吸附剂对水分子有很强的亲合力,而且吸附了水以后脱附是很困难的,这将严重影响PSA装置的性能,所以新鲜的吸附剂应妥善保管好,应采取以下几点防护措施:
⑴ 吸附剂的容器应当保存在室内,以防止遭受雨水或受潮。
⑵ 装有吸附剂的桶不可以刺破,严重撞凹或破坏桶的密封。
⑶ 吸附剂直到被立即装填以前,其容器必须是不开封的。
 
11.吸附剂是怎样装填的?
答:提纯回收氢气的PSA所用的吸附剂通常是由活性炭和分子筛两种的组合。根据活性炭和分子筛对杂质组分二氧化碳、甲烷、一氧化碳和水的不同吸附特性,一般活性炭做为主吸附剂装在下层,约占吸附剂总量的四分之三。分子筛作为辅助吸附剂装在吸附器上层。如果为了脱水和防止芳烃使吸附剂中毒,通常在床层底部装一些活性氧化铝。
吸附剂的装填步骤及要求:
⑴ 检查吸附器内部结构合格后,首先装入活性炭。将活性炭从容器中倾入卸料漏斗,提升到吸附器顶部后转移到接收漏斗中,吸附剂通过管子流到连接的装填元件上,通过装填元件,吸附剂均匀地降落在吸附剂床层的表面上,这样吸附剂才能获得均匀一致的最大的堆积密度,并且使吸附剂的下沉和移动最小。
⑵ 活性炭装填完毕后,应平整料面,使床层基本水平。然后按同样的装填方法装入分子筛。装填完毕后,平整料面,使吸附剂床层的顶部水平。装好吸附器顶部分布器,封好吸附器上、下打开的法兰。
⑶ 通过同样的方法装填全部吸附器,以使经过每个吸附器的气体流量均匀一致。
在所有吸附剂装填操作期间,必须最大限度地缩短吸附剂在空气中的暴露时间,绝对防止暴露在湿气中。在下雨期间绝对不许装填。
 
12.怎样延长吸附剂的寿命?
答:
吸附剂压力的快速变化能引起吸附剂床层的松动或压碎从而危害吸附剂。所以,在操作过程中要防止使吸附器的压力发生快速变化。
⑵ 进料带水是危害吸附剂使用寿命的一大因素,所以进料气要经过严格脱水,避免发生液体夹带。
⑶ 进料组分不在设计规格的范围内也会造成对吸附剂的损害,严重时可能导致吸附剂永久性的损坏。所以,当进料气出现高的杂质浓度时,应缩短吸附时间,以防止杂质超载。
⑷ 进料温度过高影响吸附剂的吸附能力,易造成杂质超载,温度过低影响再生,所以要保证进料温度在要求的范围内。
⑸ 合理调整吸附时间,及时处理故障报警,防止发生杂质超载。杂质超载严重时,可导致吸附剂永久性损坏。
 
13.简述吸附剂对水的吸附性能。
答:分子筛对大小相近的分子,优先吸附极性分子,尤其是水分子,分子筛一旦吸附了水分子后,对其它分子的吸附能力明显下降,而且难于脱附,所以如果进料中带水易造成分子筛的致命损害。
活性炭对水分子的吸附能力很大,而且容易脱附,所以在PSA中总是将活性炭置于分子筛的下面,使进料中的微量水和绝大多数的二氧化碳被吸附分离。
 
14.吸附剂吸潮后如何处理方可使用?
答:吸附剂一旦吸潮后即失去活性,通常变压吸附工业装置要求分子筛含水量须小于1%,活性炭含水量须小于2%,否则会影响吸附的性能需重新活化。分子筛活化在通气吹除的情况下活化温度控制在360℃左右,不通气情况下活化温度控制在500℃左右,活性炭活化温度控制在150℃左右。活化时间通常控制恒温时间4小时以上。吸附剂吸潮后由于使用厂家一般不具备活化的条件,故都送到吸附剂生产厂家去活化。
 
15.PSA进料中为什么要充分脱水?怎样防止进料带水?
答:由吸附剂对水的吸附性能可知,吸附剂极易吸水,而且脱附困难,同时吸附剂吸水之后,对其它分子的吸附能力下降。所以必须对进料气进行严格脱水,以防止损害吸附剂。
为了防止进料带水,通常在进料线上增设进料气水分离器,同时,为防止冬季饱和气体在管线中发生冷凝,可视情况将水分离罐后的PSA进料管线进行伴热或保温。
 
16.吸附剂在使用中受潮引起性能下降如何处理?
答:吸附剂在使用中受潮如果不是很严重,可以用干燥的气体进行吹除或用抽真空方式抽吸,降低水的分压,使吸附剂恢复部分活性,维持生产使用,但吸附性能难以恢复如初。如果受潮严重只有按照吸附剂活化处理办法重新活化。
17.吸附器充分吸附杂质后,各杂质在吸附剂上如何分布?为什么?
答:当吸附器充分地吸附了杂质以后,杂质界面最前沿为氮气、一氧化碳,其次是甲烷,再次是二氧化碳,最底层是微量的水。
杂质在吸附剂中的分布规律与吸附剂对各杂质组分的吸附能力以及吸附剂的分布状况有关。在吸附器中,活性炭作为主要的吸附剂装填在下部,分子筛作为辅助吸附剂装填在上部。进料气由吸附器底部进入床层,首先接触活性炭,而活性炭对杂质的吸附能力的大小次序为:H2<<N2<CO<CH4<CO2<H2O,所以吸附过程H2O、CO2、CH4、CO、N2被依次吸附下来。剩余的杂质N2又被上部分子筛吸附,从而获得高纯度的氢气。
 
18.在PSA工艺中,对进料气中的高级烃含量有何限制?为什么?如何解决进料气中高级烃含量多的问题?
答:当PSA工艺被用于直接从炼油厂尾气中回收氢气时,就出现了对进料气中高级烃含量限制的问题。这是因为大分子烃类吸附在吸附剂上容易液化,降压脱附时难于完全脱附出去,久而久之会使吸附剂的吸附能力下降,因此要限制PSA进料气中大分子高级烃的含量,一般要求高于碳三的烃类总含量不能大于1.0%。
当PSA进料气中碳三以上烃类含量较高时,不能直接进变压吸附,需要在前面增加设备,有的先用变温吸附脱除碳三以上的重烃,然后再进PSA单元。
19.简述均压过程和意义。
答:被吹扫后的吸附器内吸附剂再生完成,但吸附器内压力很低,与进料压力的压差太大,不能直接进行吸附,需要先升压。而完成吸附步骤的吸附器压力较高,同时吸附剂颗粒之间,存留一部分氢气应当回收。均压过程即是吸附之后的高压吸附器与再生之后的低压吸附器进行压力均衡,高压吸附器内部的氢气流入低压吸附器。均压过程中,高压吸附器压力降低,部分杂质脱附,并随物流上移,又被上部吸附剂重新吸附,故杂质界面上移。
所以均压过程使得再生后低压吸附器的压力升高,并充分利用高压吸附器内部存留氢气,提高氢回收率。
 
20.为什么顺流卸压过程中吸附器内的杂质界面上移?
答:变压吸附是物理吸附,压力降低时,被吸附的杂质可以脱附,所以当吸附器顺流卸压时,随着压力的降低,部分杂质逐渐脱附,并随着物流上移,同时又被床层上部尚未吸附杂质的吸附剂重新吸附下来。因而顺流卸压过程中吸附器内杂质界面逐渐上移。
 
21.简述排放和被吹扫过程及其作用。
:排放是吸附器从供吹扫终止压力下降到废气压力的逆流卸压过程,排放位置在吸附器底部,随着压力的不断降低,杂质不断脱附并排入废气系统,杂质前沿界面逐渐下移,所以排放过程使吸附器内大部分杂质脱附排出。排放结束,用供吹扫吸附器提供的纯氢从上部进入进行逆流吹扫,使残留杂质不断脱附并随物流排入废气系统,从而使绝大多数的吸附剂实现再生。
所以,排放和被吹扫的作用就是排除吸附器内的杂质,使吸附剂实现再生。
 
22.废气缓冲罐有什么作用?
答:PSA运转过程中产生的废气,其压力、流量和组成都发生周期性的变化。而作为转化炉的燃料气应当具有稳定的压力、流量和热值,故PSA装置设置了废气缓冲罐,其作用就是为转化炉提供流量、压力和组成接近均匀一致的燃料气。
23.进料组成变化对PSA有何影响?
答:进料中氢含量增加时,产氢量和氢收率提高。当氢含量低于设计值时,进料中杂质增加,产氢量和氢收率降低。如进料中杂质浓度增高而未能及时缩短吸附时间(或者降低进料流量),则能造成杂质超载,使产品纯度下降,影响PSA的操作性能。
 
24.进料流速变化对PSA有何影响?
答:进料流速降低时,因减少了传质区的长度而改善了分离效果,应延长吸附时间以充分利用吸附剂,获得较高的氢收率。当进料流速提高时,加长了传质区的长度,分离效果变坏,应缩短吸附时间,保证产品纯度,保护吸附剂,虽然氢收率下降(活产品纯度下降),但因处理量增加产氢量还是提高了。
 
25.进料温度变化对PSA有何影响?
答:变压吸附是物理吸附过程,进料温度的高低直接影响吸附剂的吸附性能。进料温度太高,吸附剂的吸附能力下降,因而造成氢收率下降,同时还影响产品纯度和吸附剂的使用寿命。而温度太低了再生困难,如果因此造成吸附剂再生不完全,则恶性循环的后果将导致杂质超载的现象而损害吸附剂。由联碳公司提供的资料可知,常温下,10 - 30℃范围内几乎有相等的氢收率,进料温度太高或太低,氢收率都有所下降。的
 
26.吸附压力是否越高越好?为什么?
答:变压吸附是物理吸附过程,其吸附量随压力的增加而增加。开始近乎直线增加,而后增加缓慢,当压力增加到一定值时,吸附量趋于一稳定的极大值。
在较高压力下,氢气的吸附量也增加,所以损失加大;加上再生工艺的特点,使得氢收率有所下降。由此可见,在一定的压力范围内,随压力的升高杂质的吸附量增加而氢收率提高。而吸附压力过高氢收率反而下降。所以吸附压力并非越高越好。用于氢气提纯的PSA装置的吸附压力一般设计值为2.3MPa左右。
27.吹扫压力是否越低越好?为什么?
答:吹扫压力即废气压力,吹扫压力越低,氢回收率越高,吸附剂再生越好。反之,吹扫压力越高,氢回收率越低。但考虑到废气要能直接送到转化炉做燃料,故废气缓冲罐出口压力最低保持0.03MPa(表)。
 
28.什么是杂质超载?有哪些危害?
答:在一定的工艺条件下,每个循环中被吸附剂吸附的杂质量超出最大设计允许吸附量时称为杂质超载。杂质超载的发生不仅使产品纯度下降,而且还损害吸附剂。
29.造成杂质超载的原因有哪些?如何防范?
答:
每周期循环时间过长,使每周期吸附的杂质量超出允许值,造成杂质超载。所以应根据实际进料流量的大小及时调整吸附时间。
⑵ 不适当地使用“手动步进”方式,人为地延长了每周期循环时间,也能造成杂质超载,因此在使用“手动步进”方式时要避免装置停留在手动步进方式的周期时间超长。
⑶ 阀门泄漏也能引起杂质超载。所以应及时发现阀门故障并及时切换到替换运行程序。
⑷ 进料杂质超出规格要求。如果杂质浓度高,则应及时降低进料量并缩短吸附时间,若杂质的成分特殊,则应及时切出PSA。
⑸ 液体夹带不仅降低了吸附剂对正常杂质的吸附能力造成杂质超载,而且脱附困难,严重损害吸附剂。所以进料气要经过严格地脱水分离。
⑹ 进料温度过高吸附剂的吸附能力下降,也能造成杂质超载。所以应控制进料温度在要求的范围内。
 
30.吸附器压力的快速变化对吸附剂会造成什么危害?
答:吸附器压力的快速变化将引起吸附剂床层的松动或压碎。使经过吸附器的压降增加。由于吸附剂的压碎而产生的粉尘将通过吸附器中的拦截筛网漏出,并且还可能损坏工艺阀门阀座,堵塞仪表管线,而使装置的操作性能变坏,甚至会导致停车。
 
31.为什么要根据进料流量的大小调整吸附时间?
答:每个吸附器在一定的产品规格要求和一定量吸附剂的条件下,吸附剂对杂质的允许吸附量是一定的。所以每个吸附步骤只能提纯一定量的进料气。在一定的进料流速下,如果吸附时间过长,则吸附剂过多地吸附了杂质造成杂质超载,不仅使产品纯度下降,而且使PSA操作性能变坏。若吸附时间太短,则不能充分利用吸附剂,达不到应有的氢收率,造成浪费。所以应根据实际进料流量的大小合理地调整吸附时间,充分利用吸附剂,在保证产品纯度和保护好吸附剂的前提下,获得高的氢收率。
 
32.简述吸附时间控制方式的应用。
答:吸附时间的控制方式有自动和手动(或能力和局部)两种控制方式。自动方式控制时,吸附时间作为进料流率的一个函数自动计算。因此吸附时间可以随进料流率的变化而及时地自动调整;而且可以通过调整控制系数使得吸附时间与进料流量相匹配,使氢回收率保持在一个高水平上。所以,在正常生产中自动(或能力)控制方式是优先选择的操作方式。
手动(或局部)控制方式时,吸附时间的控制由操作员利用控制台键盘输入新的吸附时间来实现。所以局部控制方式一般应用于开停车或者进料组成急剧变化和怀疑进料流量计有故障等异常情况下,操作员根据需要或实际进料量的大小,输入合适的吸附时间,以便尽快地得到合格产品和防止杂质超载的现象发生。
 
33.PSA制氢设备产生的氢气纯度低如何恢复正常?
答:要使低的产品纯度恢复正常,通常采用缩短吸附时间的操作来实现。首先要找出使产品纯度下降的原因,并给予纠正,如果需要切换则应及时切换到相应的替换运行程序,然后缩短吸附时间。可通过局部控制方式人为地输入一个较小的吸附时间,也可在能力控制方式下通过减小控制系数来缩短吸附时间。如果吸附时间设定到最小而产品纯度仍未恢复时,则有必要降低进料流量,使每循环周期的处理量更少,以便尽快地恢复产品纯度。产品纯度恢复正常后,应缓慢地增加吸附时间以提高氢回收率,并根据实际需要调整进料流量。
 
34.由替换运行程序切回到主运行程序前,应做好那些准备工作?
答:在六床PSA中,通常把六床循环过程称为主运行程序,而把低于六床的循环过程称为替换运行程序。由替换运行程序切回主运行程序前,首先必须确认停运吸附器的杂质水平。如果停运吸附器内原有的杂质量比较高,例如吸附器停运时的步骤是卸压供吹扫,而切回主运行程序后进行的又是升压或吸附步骤,则将导致杂质超载,使产品纯度下降,PSA的操作性能变坏。所以在切回到主运行程序前,应先将杂质量高的停运吸附器降压排放、吹扫,使吸附剂得到再生。然后再将停运吸附器的压力调整到切换步位要求的压力水平。
 
35.当要求半负荷生产时,是否应将主运行程序改为替换运行程序?
答:正常生产时,工艺过程应优先选择主运行程序操作。主运行程序运行时,氢回收率比较高,而且PSA的操作性能最佳,产品和废气都波动最小。而替换运行程序运行时,氢回收率降低,并且在替换运行程序运行时,任一时刻只有一台吸附器产生废气,或是进行排放或是进行吹扫,因此废气的压力、组成都比主运行程序运行的波动大。所以,当要求半负荷生产时,不应改为替换运行程序运行,而应当仍按主运行程序运行操作,并适当调整吸附时间获得高的氢回收率。
 
36.如何防止吸附器内的压力变化过快?
答:要防止吸附器内的压力发生过快变化,应注意以下几种操作:
⑴ 正确使用手动阀门操作。在进行手动阀门操作前,应检查阀门两侧的压力。如果阀门两侧的压差过大,进行手动阀门操作就易造成压力变化过快。
⑵ 工艺阀门失灵,应及时切换到替换运行程序或停车,以免造成吸附器内的压力变化过快。
⑶ 在非停车步位开车,或者没有预先校核吸附器的压力是否与开车步位一致,则可能引起不正常的压力变化。所以开车时,要保证吸附器的压力水平与开车步位一致。
⑷ 使用手动步进方式时,要注意吸附器的压力水平与所选步位一致,否则易造成吸附器的压力变化过快。
⑸ 在某些不适当的步位由主运行程序切换到替换运行程序,也能造成吸附器压力变化过快,所以通常选择在最佳步位进行切换。
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