变压吸附装置中均压设计的讨论

变压吸附装置中均压设计的讨论

汤 洪 四川天一科技股份有限公司开发设计所 成都 610225

摘要 论述 均压在变压吸附装置中的作用,介绍均压差的计算以及均压次数的选择与效果评价的方法。

关键词 变压吸附 均压 有效均压次数 气体回收

变压吸附气体分离技术是利用气体在吸附剂上的吸附容量随其分压变化(即气体分压越高,吸附量越大,反之亦然)的特性,在较高压力下吸附,而弱吸附组分(如提氢装置的氢气)则直接通过吸附床输出;通过降低吸附床的被吸附组分分压(降低吸附床压力,并用被吸附组分含量较低的气体对吸附床进行冲洗,或抽真空),使被吸附组分从吸附剂中解吸出来,吸附剂得到再生。

变压吸附气体分离技术与其他吸附分离技术的主要区别是吸附剂解吸再生时不需另加再生气源及外加能量(加热再生气用)。主要技术突破在于应用了 均压的操作。

1 操作过程

我们用简单的五塔二次均压操作工艺来说明变压吸附的操作过程。五塔二次均压的操作时序如表1所示。

表1 五塔二次均压操作时序表

分步骤12345678910时间,s90909090909090909090 A塔终压,ata10 210 27 24 22 71 21 24 27 210 2

吸附床A A1A2E1D E2D PP D P E2R E1R FR

B E1R FR A1A2E1D E2D PP D P E2R

C P E2R E1R FR A1A2E1

D E2D PP D

D PP D P E2R E1R FR A1A2E1D E2D

E E1D E2D PP D P E2R E1R FR A1A2

注:A吸附 Ei D均压降i PP顺放 D逆放 P冲洗 EiR均压升i FR终充

以吸附床A为例说明变压吸附的工艺操作过程。

分步骤1、2,吸附床A处于吸附状态(A1、A2)。

分步骤3,吸附床A吸附完成需降压再生,通过吸附床顶的程序控制阀与吸附床C连接,向吸附床C充压直至压力相等,吸附床A压力从10 2ata降至7 2ata,吸附床C压力从4 2ata 升至7 2ata,吸附床A的步骤称为均压降1(E1D)。

分步骤4,吸附床A通过吸附床顶的程序控制阀与吸附床D连接,向吸附床D充压直至压力相等,吸附床A压力从7 2ata降至4 2ata,吸附床D压力从1 2ata升至4 2ata。吸附床A 此步骤称为均压降2(E2D)。

分步骤5,吸附床A顺向(与吸附时气体流向相同)泄压(简称顺放,PP),吸附床A压力从4 2ata降至2 7ata,排出的气体作为冲洗气对

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2003,13(1) 汤 洪 变压吸附装置中均压设计的讨论

汤 洪:高级工程师,总工程师,1982年毕业于浙江大学化学工程专业。长期从事化工工艺设计工作。联系电话:(028) 85961747。

降压完成吸附床E进行冲洗(P),降低床层被吸附组分的浓度,使吸附床E吸附剂得到更彻底的解吸再生。

分步骤6,吸附床A逆向(与吸附时气体流向相反)泄压(简称逆放,D),将气体排出系统,吸附床A压力从2 7ata降至1 2ata,完成降压过程。

分步骤7,用吸附床B的顺放气对吸附床A 进行冲洗(P),进一步降低床层A被吸附组分的浓度,并使吸附剂彻底解吸,吸附床A再生完成。

分步骤8,吸附床C向吸附床A充压,吸附床A压力从1 2ata升至4 2ata,吸附床A此步骤称为均压升2(E2R)。

分步骤9,吸附床D向吸附床A充压,吸附床A压力从4 2ata升至7 2ata,吸附床A此步骤称为均压升1(E1R)。

分步骤10,用产品气对吸附床A充压,吸附床A压力从7 2ata升至吸附压力10 2ata,充压完成。吸附床A此步骤称为最终充压(简称终充,FR)。

2 均压的作用

从变压吸附的工艺操作过程不难看出,所谓 均压就是需降压解吸的吸附床分别向需升压的不同的吸附床充压,需降压解吸的吸附床压力逐级下降,而需升压的吸附床的压力得到逐级升高,从而使吸附床降压排出的有用气体得到有效利用。均压步骤的主要作用就是回收吸附床降压时排出的有用气体。

3 均压次数的影响

我们再来看六塔三次均压操作工艺的时序如表2所示。

表2 六塔三次均压操作时序表

分步骤123456789101112时间,s909090909090909090909090 A塔终压,ata10 210 27 955 73 452 451 21 23 455 77 9510 2

吸附床A A1A2E1D E2D E3D PP D P E3R E2R E1R FR

B E1R FR A1A2E1D E2D E3D PP D P E3R E2R

C E3R E2R E1R FR A1A2E1

D E2D E3D PP D P

D D P E3R E2R E1R FR A1A2E1D E2D E3D PP

E E3D PP D P E3R E2R E1R FR A1A2E1D E2D

F E1D E2D E3D PP D P E3R E2R E1R FR A1A2

回收的有用气体量可用吸附压力与最后一次均压降终压的差值来计算,从表2中A塔各步骤终压数据看,由于增加了1次均压,回收的有用气体量有所增加。设V A为吸附床的死体积, m3,三次均压时,三均终压为3 45ata,每个吸附床降压时回收的气体量为(10 2-3 45)V A =6 75V A;而二次均压时,二均终压为4 2ata,每个吸附床降压时回收的气体量为(10 2-4 2) V A=6V A。显然,三次均压回收的有用气体量比二次均压多。

一般说来,增加均压次数,可回收更多的有用气体,产品气的收率也就提高。因为有了 均压操作步骤,变压吸附气体分离装置的产品气回收率得以大幅度提高,使得现在变压吸附气体分离技术的应用才会如此广泛。

然而,并不是说,均压次数越多越好。

首先,均压次数的增加需通过增加吸附床数来实现,而增加一个吸附床才能增加1次均压操作,故均压次数的增加必然造成装置投资的增加。一般来说,从一次均压增加至二次均压、二次均压增加至三次均压时,有用气体的回收率增加比较明显,而由三次均压增加至四次均压,有用气体的回收率仅增加2~5个百分点,四次均压增加至五次均压,有用气体的回收率仅增加1 ~3个百分点。

其次,参照上述时序表可以看到,随着均压次数的增加,顺放初压(即最后一次均压降的终压)相应降低,使得作为冲洗气的顺放气中被吸

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CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2003,13(1)