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1、30万吨PDH项目PSA提纯氢气说明书目录1.变压吸附的发展22.变压吸附操作原理23.工业化四塔PSA流程43.1 四塔PSA单元循环操作图43.2 四塔PSA单元循环操作表44.Aspen Adsorption模拟PSA变压吸附54.1 模拟流程图54.2 变压吸附模拟步骤54.3 变压吸附模拟结果9PSA提纯氢气说明书1.变压吸附的发展变压吸附（PSA）气体分离与提纯技术成为一种生产工艺和独立的单元操作过程，是在20世纪60年代迅速发展起来的。这一技术是由于随着世界能源的短缺，各国和各行业越来越重视低品位资源的开发与利用，以及各国对环境污染的治理要求也越来越高，使得吸附分离技术在钢铁工业
2、、气体工业、电子工业、石油和化学工业中日益受到重视；另一方面，20世纪6年代以来，吸附剂也有了重大的发展，如性能优良的分子筛吸附剂研制成功，活性炭、活性氧化铝和硅胶吸附剂的性能不断改进，以及ZSM特种吸附剂和活性炭纤维的发明，都为连续操作的大型吸附分离工艺奠定了技术基础。由于变压吸附气体分离技术是依靠压力的变化来实现吸附和再生的，因而再生速度快、能耗低，属节能型气体分离技术。并且该工艺过程简单，操作稳定，对于含多种杂质的混合气可将杂质一次脱出得到高纯度产品。因而近30年来发展非常迅速，已广泛运用与含氢气体中氢气的提纯，混合气体中CO、CO2、O2、N2、氩气和烃类的制取，各种气体的无热干燥等。
3、其中变压吸附制取纯氢技术的发展尤其令人瞩目。2.变压吸附操作原理变压吸附的基本原理可用图2-1的等温吸附曲线表示，在不同的温度下，吸附等温曲线的斜率不同，随着温度的升高，吸附等温曲线的斜率减小。当吸附组分的分压维持一定时，温度升高，吸附容量沿垂线AC变化，A点和C点吸附量之差 为组分的脱附量，如此利用体系温度的变化进行吸附和脱附的过程称为变温吸附（TSA）。如果在吸附和脱附过程中床层的温度维持恒定，利用吸附组分的分压，吸附剂的吸附容量相应改变，过程沿等温线T1进行，则在AB线两端吸附量 为每经加压吸附和减压脱附循环的组分分离量。如此利用压力变化进行的分离操作称为变压吸附。如果要使用吸附和脱附过
4、程吸附剂的吸附容量和差值增加，可以同时采用减压和加热的方法进行脱附再生，沿AD线两端的吸附容量差值,则为联合脱附再生。在实际的变压吸附分离操作中，组分的吸附热都较大，吸附过程是放热反应，随着组分的脱附，变压吸附的工作点从E移向F点，吸附时从F点返回E点，沿着EF线进行，每经加压吸附和减压脱附循环的组分分离量 为实际变压吸附的差值。因此，要使吸附和脱附过程吸附剂的吸附量差值加大，对所选用的吸附剂除对各组分的选择性要大以外，其吸附等温线的斜率的变化也要显著，并尽可能使其压力的变化加大，以增加其吸附量的变化值。为此，可采用升高压力或抽真空的方法操作。一般优惠型吸附等温线的低压端，曲线较为峻峭，所以在
5、真空脱附，或用不吸附组分气体吹扫床层脱附，都可以较大程度地提高变压吸附过程的吸附量。图2-1 等温吸附曲线3.工业化四塔PSA流程3.1 四塔PSA单元循环操作图图3-1 四塔PSA分离H2流程图3.2 四塔PSA单元循环操作表表3-1 四塔PSA单元循环操作表塔1吸附并流均压并流降压并流均压逆流降压逆流吹扫逆流均压逆流均压逆流升压塔2逆流降压逆流吹扫逆流均压逆流均压逆流升压吸附并流均压并流降压并流均压塔3并流均压并流降压并流均压逆流降压逆流吹扫逆流均压逆流均压逆流升压吸附塔4逆流均压逆流升压吸附并流均压并流降压并流均压逆流降压逆流吹扫逆流均压4.Aspen Adsorption模拟PSA变压
6、吸附4.1 模拟流程图图4-1 模拟流程图4.2 变压吸附模拟步骤此模拟分为四个吸附塔，每个吸附塔两个吸附床层，每个吸附塔进行六个循环过程。我们用双塔代替四塔模拟，能简单清晰地观察到出口产品组成的变化。六个循环过程为：1.塔1增压，塔2降压（30s）2.塔1吸附，塔2脱附吹扫（40s）3.均压操作（160s）4.塔1降压，塔2增压（30s）5.塔1脱附吹扫，塔2吸附（40s）6.均压操作（160s）表4-1四塔PSA单元循环操作表时间/s3070230260300460塔1增压吸附均压降压脱附均压塔2降压脱附均压增压吸附均压打开进料阀门VF，打开吸附塔1的原料进口阀门VF1并调节阀门开度为，打
7、开吸附塔1的出口阀门VP1，关闭吸附塔1泄压阀门VW1。关闭吸附塔的原料进口阀门VF2，关闭吹扫阀门VPurge,打开吸附塔2的放压阀门VW2，打开废气阀门VW。经上述操作步骤，使得原料气不断进入吸附塔1，从而使得吸附塔1的压力不断增加，而吸附塔2的气体不断排出，从而压力不断减小。吸附塔1增压，吸附塔2降压30s后，压力达到吸附压力。此时关闭吸附塔1的进料阀门VF1,打开吸附塔1的出口阀门，并设置出口流量 ，打开吹扫阀门VPurge，并设置阀门开度为。经上述操作步骤，吸附塔1开始吸附，吸附后的产品氢气一部分去产品储罐，一部分经过吹扫阀门VPurge进入吸附塔2对脱附的甲烷气体进行吹扫。吸附塔1
8、吸附，吸附塔2脱附进行40s后，原料气中的甲烷气体基本被吸附剂吸附。关闭吸附塔1的产品出口阀门VP1以及吸附塔2的泄压阀门压阀门。此时吸附塔1与吸附塔2通过吹扫阀门VPurge连接形成密闭空间，从而达到均压效果。均压160s后，打开吸附塔2的原料进口阀门VF2，设置其阀门开度，打开吸附塔1的泄压阀门VW1，设置其阀门开度。经上述操作步骤，使得原料气不断进入吸附塔2，从而使得吸附塔2的压力不断增加，而吸附塔2的气体不断排出，从而压力不断减小。吸附塔2增压，吸附塔1降压30s后，压力达到吸附压力。此时关闭吸附塔2的进料阀门VF2,打开吸附塔2的出口阀门，并设置出口流量为，打开吹扫阀门VPurge，
9、并设置阀门开度为。经上述操作步骤，吸附塔2开始吸附，吸附后的产品氢气一部分去产品储罐，一部分经过吹扫阀门VPurge进入吸附塔1对脱附的甲烷气体进行吹扫。吸附塔2吸附，吸附塔1脱附进行40s后，原料气中的甲烷气体基本被吸附剂吸附。关闭吸附塔2的产品出口阀门VP2以及吸附塔1的泄压阀门VW1。此时吸附塔2与吸附塔1通过吹扫阀门VPurge连接形成密闭空间，从而达到均压效果。上述六个步骤不断循环得到高纯度氢气。4.3 变压吸附模拟结果图4-2 产品组成时间图由图4-2可知，产品氢气组在每次循环后明显增加，在经过1440s后，氢气产量稳定在99.99%，满足工艺要求。图4-3 产品流量及组成时间图从
10、图4-3可以看出产品流量也是呈周期性变化，符合增压，吸附均压，降压，脱附吹扫的循环过程，其模拟符合实际生产要求。图4-4 床层压力时间图由图4-4可以看出：床层压力随时间呈周期性变化，其周期为460s，压力最大值为10bar，最小为1.013bar。表明床层经历过增压，吸附，压降，脱附，吹扫几个过程，其模拟结果符合实际生产需求。图4-5 产品及压力时间图从图4-5可以看出增压到一定值后，开始床层开始吸附，产品组成逐渐发生变化。吸附完成后，产品组成保持不变，一部分作为产品外输，一部分作为后面床层的吹扫气体，从而床层压力下降，进行脱附。不断进行增压，吸附，降压，脱附的循环，从而使氢气的纯度达到目标产物的纯度。 11