1、变压吸附工艺在甲醇装置上的应用刘卫平，任毕龙（山东红日阿康化工股份有限公司，山东 临沂 276021） 2007-07-16变压吸附（PSA）是利用气体中不同组分在固体吸附剂上不同的吸附特性及吸附能力随吸附压力的变化而相应变化的特性，通过一定周期的压力变化过程达到气体分离或提纯的目的。随着该技术工艺指标的优化及应用范围的扩大，变压吸附技术在国内得到了越来越广泛的应用。我公司 100 kt/a 甲醇装置于 2006 年 5 月正式投产，目前已经运行了一年多，该装置共有三处采用了变压吸附工艺，分别用于脱碳、提氢和制氮工段，下面分别进行介绍。1 变压吸附脱碳1.1 装置概况甲醇净化系统压力为 0.8
2、MPa，变压吸附脱碳设置在变换气脱硫之后、精脱硫之前，处理气量约40000m3/h，采用双进双抽七次均压的工艺流程。该工艺配套了一个回收系统，用于均压完成后，将部分CO 含量高的气体回收至系统作为成品气，然后气体进入放空工序，从而增加有效气的回收率。该回收系统采用变频调节的压缩机，从而可以根据系统运行实际情况调整回收气量，降低能耗。脱碳工段共配套10 个吸附塔，每个塔吸附剂装填量 33m3，4 台水环式真空泵，没有备用设备，在装置出现故障时，通过自控程序调整，可以切换到 8 塔或 6 塔运行，从而保证装置运行的连续性和稳定性。1.2 装置运行情况该装置目前已经运行了一年多，在开车初期，由于系统
3、阻力较低，均压完成后，吸附塔内压力低于0.01MPa，因此配套的回收系统没有投入运行，在装置运行半年以后，系统的均压后压力上升到0.010.03MPa，于是启动回收气压缩机，将部分 CO 含量高的气体在放空前回收，从而提高有效气收率。2006 年 12 月份，对变压吸附系统的工艺指标进行了一次测试，通过对装置进出口气体成份取样分析，初步估算该系统有效气（CO+H 2）收率在 96%左右，基本达到了设计要求。1.3 装置特点变压吸附的一个主要特点是运行费用低，配套的主要运转设备是真空泵，因此使整个装置对公用工程要求很低，同时相应运行费用低的优势也弥补了其有效气收率低的不足，这也是当初在确定甲醇脱
4、碳工艺时，没有采用湿法脱碳而选择干法脱碳的一个主要原因。近年来，随着技术的改进，有效气收率的逐步提高，使变压吸附工艺在合成氨和甲醇装置上得以迅速推广。由于装置自动化程度高，所选程控阀、真空泵等设备质量稳定、运行可靠，因此装置开车一年多来，现场无需设置固定人员，每个班只在中控室设置一名操作人员即可保证装置正常运转。从而降低运行费用和生产成本。甲醇装置从开车到现在，装置生产能力已达到 130 kt/a，超过设计能力 30，配套的变压吸附系统在原配置不变情况下仍可稳定运行，可看出装置操作弹性较大。另外，变压吸附的处理能力是通过吸附剂来体现的，因此装置扩能简单，只需增加吸附器和真空泵即可增加装置处理气
5、量，无需对原有装置进行大的改动。由于为干法脱碳，现场干净整洁，没有跑冒滴漏现象，同时由于设备种类少，便于维护，现场整齐。变压吸附的另一个重要特性是不但可以脱碳，还可以脱除硫化氢和有机硫，鉴于此，部分厂家在进行甲醇方案设计时，取消了变换后脱硫工段，直接将变压吸附脱碳放在变换之后，变换后气体直接进精脱硫，经实际运行检验，变压吸附脱硫效率可达到 99.9以上，从而简化了流程，降低投资，但如果采用该工艺流程，要考虑到脱碳工段的放空气含有一定量的硫化氢气体，如果不处理，容易造成环境污染。1.4 选择该工艺应注意的几个方面（1）有效气的收率这是变压吸附工艺最重要的指标，也是目前应用厂家比较关注的一个数据。
6、同湿法脱碳比较，变压吸附工艺的一个主要不足是有效气收率相对较低，因为湿法脱碳有效气收率可达到 98以上，而变压吸附技术一般有效气收率为 96左右，当然有些厂家提出其有效气收率可达到 97甚至 98，但由于对有效气收率的检验目前仍没有一个公认的检测、评定手段，因此实际有效气收率只能大致评定或通过其它数据对照。有效气收率的高低，和对不同的变压吸附工艺的选择是有直接关系的。一般认为，变压吸附的均压次数越高越好，但随着均压次数的增加，系统投资也不断增加，因此有一个相对经济的选择。对于有效气收率的检测，由于对于变压吸附配套的每一个吸附塔来说，在吸附过程中要经历吸附、均压降、抽真空、均压升、终充等步骤，因
7、此，每个塔对气体的处理过程是间歇的，气体压力也是一个不断变化的过程，将多个吸附塔并联起来，才能使整个气体处理过程显得相对连续和平稳，这是造成变压吸附有效气收率难以检测的根本原因。 除了系统进气是连续和稳定的，经变压吸附处理后系统的出气和放空气体，它的气量、压力、气体成份均有一定的波动性，使分析结果出现一定偏差。 （2）程控阀的选择程控阀是变压吸附工艺中的关键控制部件，它的启闭效果、运行寿命直接影响整个工艺的控制指标和稳定运行。不同厂家的程控阀均有各自的特点，但总的说来，可分为两种，一种是以压缩空气为动力的气动阀，另一种是以液压油为动力的油压阀门，两种形式各有特点。对于气动阀门，由于采用压缩空气
8、为起源，无需配套相关油压阀站、蓄能器等配套设备，因此投资较低，在阀门投资方面，气动阀比油压阀门低 20左右，同时占地小，运行费用低，现场非常干净，没有跑冒滴漏。由于气动阀门以压缩空气为动力，因此对压缩空气的洁净度和水分含量有较高要求，特别是水分含量，一般应控制在露点温度45以下，防止由于气体带水使管道或阀门生锈或冬季结冰，从而使程控阀配套的电磁阀卡住，造成程控阀动作失灵。由于空气的可压缩性要大大超过液体，因此气动程控阀的启闭动作相对液压阀对指令的反应有一定的滞后，一般在 23 s 之间，所以在进行阀门控制程序设定时，必须考虑气动阀的滞后时间，否则对气体处理效果影响很大。（3）真空泵的选择真空泵
9、是变压吸附装置中主要运转设备，而整个变压吸附装置的运行费用 80以上来自真空泵，因此高效低耗的设备选择对于降低整个装置的运转费用是非常重要的。变压吸附处理的气体中不但含有 CO、H 2等气体，还含有 CO2、H 2S 等腐蚀性气体，而真空泵为水环式，通过循环水的密封产生真空，因此 CO2、H 2S 等腐蚀性气体遇水后容易对设备过流部件产生辐射，这就对设备材质提出相应的防腐蚀要求。（4）吸附剂的选择及装填虽然国内不同变压吸附技术提供单位所提供的变压吸附工艺不尽相同、各有特点，同时对有效气收率也说法不一，但笔者认为，无论采用何种工艺，对有效气的收率的提高都是有限度的，只有通过对吸附剂本身进行改进，
10、才能从根本上提高对不同气体的选择吸收特性，提高装置效率。对于吸附剂的装填，首先要在装填前对设备进行检查，确保设备内部没有杂物，制作符合要求，特别是丝网没有破损，周边固定牢固，防止吸附剂从设备内漏出。装填过程要防止杂物进入吸附塔内，保证吸附剂装填密实，防止由于吸附塔内压力波动频繁使吸附剂随气流波动产生磨损，降低吸附剂寿命，并产生粉尘带入下一工段。2 变压吸附提氢2.1 装置概况变压吸附提氢的操作压力为 2.2MPa，用于处理甲醇合成弛放气。处理气量约 5500 m3/h，采用两塔进气，三次均压的工艺流程。该装置共配套 6 个吸附塔，2 台真空泵，没有备用设备，在装置出现故障时，通过自控程序调整，
11、可以切塔运行，从而保证装置运行的连续性和稳定性。2.2 装置运行情况该装置目前已经运行了一年多，从运行情况来看，装置运行稳定，操作简单，故障率较低。2006 年12 月份，对变压吸附系统的工艺指标进行一次测试，通过对装置进出口气体成份取样分析，初步估算该系统 H2收率在 93%以上，基本达到了设计要求。2.3 装置特点变压吸附提氢具有流程简单、能耗低、自动化程度高、现场整洁等变压吸附工艺所具备的一些特点。目前用于合成弛放气提氢的工艺有膜提氢工艺和变压吸附工艺，一般而言，膜提氢工艺投资较低，但氢气收率低，一般为 85左右，而变压吸附技术的氢气收率较高，可达 92以上，氢气纯度超过 98，同时纯度
12、越高，相应氢气收率越低。3 变压吸附制氮3.1 装置概况我公司共有两套变压吸附制氮装置，每套能力 50m3/h，可根据工艺要求生产纯度为 99.5或 99.9的氮气。每套装置配备两个吸附塔、空压机和一个冷干机组，全部安装在一个共用底座上。3.2 装置特点及应用由于整套装置为集成式，占地小、安装方便。同时自动化程度高，现场无人职守，维护简单，并可根据下游用气量调整设备供气能力。甲醇装置配套变压吸附制氮一方面是用于装置开停车时系统内部的置换，另一方面是在装置正常运行时，制氮机组所产氮气用来满足部分设备的干气密封需要。通过实际使用证明，采用了制氮机组，可大大提高装置开车速度，我公司原有一套合成氨系统，在装置大修后，系统开车时，由于当时没有制氮机组，采用的是造气制惰的方式进行系统置换，需整套合成氨系统全部检修完毕，具备开车条件后才进行全系统置换，既浪费时间又增加煤的消耗。而甲醇装置开车时，由于氮气管道已经输送至每个工段，因此，可根据每个工段工程进展情况，将具备开车条件的工段逐个进行置换，置换后工段前后总管切断保压，从而缩短开车时间，提高系统安全性。4 结 语从实际应用来看，变压吸附技术具有投资小、操作简单、运行维护费用低、应用范围不断扩大等特点。能够为企业带来很好的经济效益和环保效益，值得在更多行业中得到广泛的应用。
