600Nm3h天然气制氢装置变压吸附工段操作运行说明书

600Nm3/h天然气制氢装置变压吸附工段操作运行说明书
工艺过程叙述
PSA提纯氢气装置是由五台吸附塔（E0201A~E,下简称A、B、C、D、E塔）一台气液分离缓冲罐（F0201）、一台产品气缓冲罐（F0202）、一台逆放气缓冲罐（F0203）和一系列程控阀组成。

压力~1.4Mpa的天然气转化器进入(吸附E0201A、B、C、D、E)进行吸附，得到的产品气经过计量在产品缓冲罐（F0202）缓冲之后，减压去用户。

杂质气体经逆放气缓冲罐（F0203）缓冲去转化炉燃烧。

第一章PSA工作原理和基本工作步骤PSA工作原理
采用PSA分离气体工艺技术从天然气转化气中提纯氢气的原理是利用吸附剂对不同吸附质的选择性和吸附剂对吸附质的吸附容量随压力变化而有差异的特性，在高压下吸附原料中的杂质组分、低压下脱附这些杂质而使吸附剂获得
再生。

整个操作过程均在环境温度下进行。

基本原理介绍
1吸附是指：当两种相态不同的物质接触时，其中密度较低物质的分子在密度较高的物质的分子表面被富集的现象和过程。

具有吸附作用的物质（一般为密度相对较大的多孔固体）被称为吸附剂，被吸附的物质（一般为密度相对较小的气体）称为吸附质。

PSA吸附主要为物理吸附。

2物理吸附：是指依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力进行的吸附。

特点是：吸附过程中没有化学反应，吸附过程进行得极快，参与吸附的各相物质间的动态平衡在瞬间即可完成，并且这种吸附是完全可逆的。

变压吸附提氢工艺过程是由于吸附剂在物理吸附中所具有的两个性质：一是对不同组分的吸附能力不同，二是吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的压力上升而增加，随吸附温度的上升而下降。

利用吸附剂的第一个性质，可实现对含氢气源中杂质组分的优先吸附而实现氢气提纯的目的；利
用吸附剂的第二个性质，可实现吸附剂在
低温、高压下吸附而在高温、低压下解吸再生，从而构成吸附剂的吸附与再生循环，达到连续提氢的目的。

PSA装置所选用的吸附剂都是具有较大比表面积的固体颗粒，主要有：活性氧化铝类、活性炭类、硅胶类和分子筛类。

吸附剂最重要的物理特征包括孔容积、孔径分布、表面积和表面性质等。

不同的吸附剂由于有不同的孔隙大小分布、不同的比表面积和不同的表面性质，因而对混合气体中的各组分具有不同的吸附能力和吸附容量。

另外，变压吸附生产过程中吸附与解吸之间是矛盾。

一般而言，吸附越容易则解吸越困难。

对于N2、O2、CO等弱吸附质，就应选择吸附能力相对较强的吸附剂如分子筛、CO 专用吸附剂等，以使吸附容量更大、分离系数更高。

此外，在吸附过程中，由于吸附床内压力是不断变化的，因而吸附剂还应有足够的强度和抗磨性。

硅胶类吸附剂属于一种合成的无定形二氧化硅，它是胶态二氧化硅球形粒子的刚性连续网络，一般是由硅酸钠溶液
和无机酸混合来制备的，硅胶不仅对水有极强的亲和力，而且对烃类和CO2等组分也有较强的吸附能力。

活性炭类吸附剂的特点是：其表面所具有的氧化物基团和无机物杂质使表面性质表现为弱极性或无极性，加上活性炭所具有的特别大的内表面积，使得活性炭成为一种能大量吸附多种弱极性和非极性有机分子的广谱耐水型吸附剂。

3吸附平衡：是指在一定的温度和压力下，吸附剂与吸附质充分接触，最后吸附质在两相中的分布达到平衡的过程。

吸附质分子会不断地碰撞吸附剂表面并被吸附剂表面的分子引力束缚在吸附相中；同时吸附相中的吸附质分子又会不断地从吸附剂分子或其它吸附质分子得到能量，从而克服分子引力离开吸附相；当一定时间内进入吸附相的分子数和离开吸附相的分子数相等时，吸附过程就达到了平衡。

在压力高时，由于单位时间内撞击到吸附剂表面的气体分子数多，因而压力越高动态平衡吸附容量也就越大；在温
度高时，由于气体分子的动能大，能被吸附剂表面分子引力束缚的分子就少，因而温度越高平衡吸附容量也就越小。

如下示意图：
从上图的B→C和A→D可以看出：在压力一定时，随着温度的升高吸附容量逐渐减小。

吸附剂的这段特性正是变温吸附（TSA）
工艺所利用的特性。

从上图的B→A可以看出：在温度一定时，随着压力的升高吸附容量逐渐增大；
变压吸附过程正是利用上图中吸附剂在AB段的特性来实现吸附与解吸的。

吸附剂在常温高压（即A点）下大量吸附原料气中除氢以外的杂质组分，然后降低杂质的分压（到B点）使各种杂质得以解吸。

工艺流程简述
脱
变压吸附流程叙述：
变压吸附主要工艺采用5-1-3/P（5个吸附塔，1个塔同时吸附，3次均压）的常压解吸工作方式。

每个吸附塔在一次循环中均需经历吸附（A）、一均降（E1D）、二均降（E2D）、顺放（PP）、三均降（E3D）、逆放（D）、冲洗（P）、三均升（E3R）、二均升（E2R）、一均升（E1R）以及终充（FR）等十一个步骤。

五个吸附塔在执行程序的安排上相互错开，构成一个闭路循环，以保证原料连续输入和产品不断输出。

基本工作步骤：
变压吸附基本工作步骤分为吸附和再生两步骤。

吸附剂的再生又是通过以下三个基本步骤来完成的：
1.吸附塔压力降至低压
首先是顺着吸附的方向进行降压（简称为顺放PP），接着是逆着吸附的方向进行降压（简称逆放D）。

顺放时，有一部分吸附剂仍处于吸附状态。

逆放时，被吸附的部分杂质从吸附剂中解放，并被排除吸附塔；
2.用纯氢在低压下冲洗吸附剂，以清楚尚残留于吸附剂中
的杂质—─冲洗P；
3.吸附塔用纯氢升压至吸附压力，以准备再次吸附分离原
料气—─终升FR。

本装置主工艺采用5－1－3/P工艺（以下简称1#工艺），即5塔1塔进料三次均压工艺；另外设置一套4－1－2/P的辅助工艺（以下简称2#工艺），即4塔1塔进料二次均压工艺；以备在程控阀外部元件故障导致程控阀不能开关时采用。

整个过程主要由32个程序控制阀来实现。

程序阀编号如
下：
KV 02 XX X
其中：KV--------程序控制
02---------工段编号
XX--------阀门的功能
01－原料气进口阀02－产品气出口阀
03－逆放阀04－顺放阀/二、三均阀
05－终冲阀/－均阀06－冲洗阀
07－解吸气放空阀08－解吸气回收阀
X-------与吸附塔的编号A、B、C、E对应的阀门编号：a、b、c、d、e
第二节PSA工作过程
PSA工作过程：在1#工艺中采用5塔3次均压变压吸附过程，每个吸附塔在一次循环中均需经历吸附（A）、一均压
(E1D)、二均压（E2D）顺放（PP）、三均压（E3D）、逆放（D）、冲洗（P）、三均升（E3R）、二均升（E2R）、一均升（E1R）以及终充（FR）等十一个步骤。

五个吸附塔在执行程序的安排上相互错开，构成一个闭路循环，以保证原料连续输入和产品不断输出。

各塔相互工作关系如表2-1所示：
在2#工艺中采用4塔2次均压变压吸附过程，每个吸附塔在一次循环中均需经历吸附（A）、一均降（E1D）、顺放（PP）、二均降（E2D）、逆放（D）、冲洗（P）、二均升（E2R）、一均升（E1R）以及终冲（FR）等九个步骤。

四个解吸塔在执行程序安排上互相错开，构成一个闭路循环，以保证原料连续输入和产品不断输出。

各塔相互工作关系如表2－2所示：
表2－2：
1#主要工艺过程
一、吸附（A）压力：1.40 Mpa；时间：240 S
开启阀KV0201a、KV0202a
由天然气转化工段来的转化气通过阀KV0201a自上而下进入A塔，在工作压力下吸附杂志组分，未被吸附的产品组分，通过阀KV0202a流出，其中大部分作为产品本系统中的输出，剩余部分通过阀HV-0202、KV0205b向B塔进行终充。

吸附完毕，关闭阀KV0201a、KV0202a。

二、一均降（E1D）压力：1.40 →1.00 Mpa；时间：
30 S
开启阀KV0205a；
A塔停止吸附后，与结束二均升步骤的C塔以出口端相连，即通过阀KV0205a、KV0205c与C塔进行第一级压力平衡，A塔压力降低，均压后A、C塔压力基本相等。

关闭阀KV0205a。

三、二均降（E2D）压力：1.00 →0.60 Mpa；时间：
30 S
开启阀KV0204a；
A塔完成一均降步骤后，与刚结束三均升步骤的D塔以出口端相连，即通过阀KV0204a、KV0204d与D塔进行第二级压力平衡，A塔压力再一步降低，均压后A、D塔压力基本相等
四、顺放（PP）压力：0.60→0.35Mpa；时间：180
S
继续开启阀KV0204a；
A塔完成二均降步骤后，塔内剩余气体经过阀KV0204a 顺着出口方向通过调节阀HV－0201及阀KV0206e冲洗刚完成逆放步骤的E塔。

当A塔压力降至规定值后，进行下一步骤。

五、三均降（E3D）压力：0.35 →0.18 Mpa；时间：
30 S
继续开启阀KV0204a；
A塔完成顺放步骤后，A塔内剩余的气体通过阀KV0204a、KV0204e与E塔以出口端相连，进行第三级压力
平衡，A塔压力再进一步降低，直至两塔压力基本相等。

关闭阀KV0204a。

六、逆放（D）压力：0.18 →0.02 Mpa；时间：30
S
开启阀KV0203a、KV0208
吸附器A上部氢含量较高的气体经KV0203a、KV0208进入逆放气缓冲罐，与先前进入的气体充分混合再去转化工段燃烧，使压力继续降低至接近常压值。

七、冲洗（P）压力：0.02 Mpa；时间：180 S
继续开启阀KV0203a，开启KV0206a；
A塔完成逆放步骤后，尚残存留在塔内的杂志是利用B 塔顺放气，通过阀KV0204b、HV－0201和KV0206a从A 塔出口端进入A塔，自上而下地对A塔床层进行冲洗，使塔内杂志进一步脱附，是吸附剂得到再生；冲洗到一定程度后关闭KV0208，开启阀KV0207，将塔内剩余的气体通过KV0207阀，经VG0210放空，大部分气体已经进入逆放气缓冲罐去燃烧。

关闭阀KV0203a、KV0207；
八、三均升（E3R）压力0.02 →0.18Mpa；时间：30
S
开启阀KV0204a；
A塔完成冲洗步骤之后，与刚结束顺放步骤的B塔以出口端相连，即通过阀KV0204a、KV0204b与B塔进行第三级压力平衡，A塔压力得到升高。

均压后A、B塔压力基本相等。

九、二均升（E2R）压力：0.18 →0.60 Mpa；时间：
30 S
继续开启阀KV0204a；
A塔完成三均升步骤之后，与刚结束一均降步骤的C塔以出口端相连，即通过阀KV0204a、KV0204c与C塔进行第二级压力平衡，A塔压力再一步升高。

均压后A、C塔压力基本相等。

关闭阀KV0204a；
十、一均升(E1R) 压力：0.60 →1.00 Mpa；时间：30
S
开启阀KV205a；
A塔完成二均升步骤之后，与刚结束吸附步骤的D塔以出口端相连，即通过阀KV0205a、KV0205d与D塔进行第一级压力平衡，A塔压力再一步升高。

均压后A、C塔压力基本相等。

十一、终充（FR）压力：1.00 →1.40 Mpa；时间：210 S
继续开启阀KV0205a；
A塔的终究是利用产品气进行的，产品气经手动遥控阀HV-0202及KV0205a,由出口端进入A塔，最终使A塔压力基本接近吸附压力。

通过这一步骤后，再生过程全部结束，紧接着便进行下一次循环。

其它四个塔的操作步骤与A塔相同，不过在时间上是相互错开的。

这些程控阀、手操调解阀HV－0201及HV－0202按规定的程序操作，使变压吸附工艺过程能不间断地净化原料气，
输出产品气。

2#工艺过程
一、吸附(A) 压力；1.40 Mpa；时间：240 S
开启KV0201a、KV0202a
由天然气转化工段来的转化气通过阀KV0201a自下而上进入A塔，在工作压力下吸附杂志组分，未被吸附的产品组分，通过阀KV0202a流出，其中大部分作为产品从本系统中输出，剩余部分通过阀HV0202，KV0205b向B塔进行补充。

吸附完毕，关闭阀KV201a、KV0202a。

二、一均降（E1D）压力：1.40→0.84Mpa；时间：30
S
开启KV0205a；
A 塔停止吸附后，与刚结束二均升压步骤的C塔以出口端相连，即通过阀KV0205c与C塔进行第一级压力平衡，A 塔压力降低。

均压后A、C塔压力基本相等。

关闭KV0205a。

三、顺放（PP）压力：0.84→0.54Mpa；时间：180 S
开启KV0204a；
A塔完成降压平衡一步骤后，塔内剩余气体仍顺着出口方向通过阀KV0204a,手操调解阀HV0201，KV0206d冲洗刚完成逆向放压的D塔。

当A塔压力降至规定值后，停止顺放，进行下一步骤。

四、二均降（E2D）压力：0.54 →0.28Mpa；时间：
30 S
继续开启KV0204a；
A塔剩余的气体通过阀KV0204a、KV0204d与D塔以出口端相连，进行第二级压力平衡，A塔压力再一步降低，直至两塔压力基本相等。

关闭KV0204a。

五、逆放（D）压力：0.28 →0.02Mpa；时间30S
开启阀KV0203a、KV0208；
A塔降压平衡二步骤结束后，逆放气体经过WG0202排出，经KV0208排放到逆放气缓冲罐，使吸附剂得到再生。

A塔压力降为接近常压值。

六、冲洗（P）压力：0.02Mpa；时间：180 S
继续开启阀KV0203a；KV0208；
A塔逆放后，尚残存在塔内的杂质是利用B塔顺放气，通过阀KV0204b、手操调节阀HV0201和KV0206a从A 塔出口端进入A 塔，自上而下地对A塔床层进行冲洗，使塔内杂质进一步脱附，开始的部分气体通过KV0203a、KV0208排放到逆放气缓冲罐，和先前进入的气体混合后去转化工段燃烧；关闭KV0208，开启KV0207，使冲洗气体经VG0210放空。

关闭阀KV0203a，KV0207。

七、二均升（E2R）压力：0.02→0.28Mpa；时间：30
S
开启阀KV0204a；
A塔冲洗后，利用B塔降压平衡二步骤的气体，通过阀KV0204b、KV0204a与A塔以出口端相连，进行第二级压力平衡，A塔压力升高，直至两塔压力基本相等。

关闭阀KV204a；
八、一均升（E1R）压力：0.28 →0.84Mpa；时间：
30 S
开启阀KV0205a；
在升压平衡二步骤结束后，利用正处于降压平衡一步骤的C塔气体通过阀KV0205C、KV0205a与A塔以出口端相连，进行第一级压力平衡，A塔压力进一步升高，直至两塔压力基本相等。

九、终充（FR）压力：0.84 →1.4Mpa；时间：210
S
继续开启阀KV0205a；
A塔的最终升压是利用产品气进行的，产品气经手操调节阀HV0202及KV0205a，由出口端进入A塔，最终使A 塔压力基本接近吸附压力。

通过这一步骤，再生过程全部结束，紧接着便进行下一次循环。

其他三个塔的操作步骤与A塔相同，不过在时间上是相互错开的。

这些程控阀、手操调节阀HV－0201及HV0202按规定的
程序操作，使变压吸附工艺过程能不间断地净化空气，输出产品气。

主程序为5-1-3/P工艺，当某一台吸附器上程控阀因外部元件导致程控阀不能开关时，程序可手动由5-1-3/P工艺切换为4-1-2/P方式运行。