变压吸附装置中均压设计的讨论概要

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 , s 90909090909090909090 A 塔终压 , ata 10 210 27 24 22 71 21 24 27 210 2
吸附床 A A1A2E1D E2D PP D P E 2R E1R FR
B E1R FR A1A2E1D E2D PP D P E2R
C P E2R E1R FR A1A2E1
D
E 2D 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 15
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。

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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 , s 909090909090909090909090 A 塔终压 , ata 10 210 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 , m 3, 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 , 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
附组分的浓度升高 , 同时顺放压差变小 , 因而吸附剂冲洗再生的效果变差 , 使吸附剂的动态吸附容量减少 , 导致吸附床吸附时间缩短、产品气的回收率也降低。

再次 , 由于压力越低 , 被吸附气体解吸越多 , 则均压降排出气体中的被吸附组分浓度也越高 , 故随着均压次数的增加 , 回收的低压气体中的有用气体含量相应降低 , 回收的价值也就小了。

因此 , 一般将均压降控制在 2ata 以上为宜。

4 均压差计算与均压效果评价方法
实际上 , 以均压差 (吸附压力 -均压降 1终压 , 或均压降 i 终压 -均压降 i+1终压来描述有用气体回收效果更为直观。

因为终充压差正好与均压差相等 , 而终充是用产品气来充压 , 均压差的增加必然会造成产品气量的减少 , 有用气体的回收率也相应减少。

4 1 均压差计算
一般正常的操作时序将顺放步骤设在所有均压降步骤之后 , 由于每级均压压力降 (升是相同的 , 均压差也就很容易算出。

设吸附压力为 P A , 再生压力为 P B , 均压次数为 n, 则均压差为 :
P =(P A -P B /(n+1 (1 例 1 正常操作时序 , 顺放在所有均压降之后 , 吸附压力为19ata, 再生压力为 1 2ata, 均压次数为 3, 均压差为 :
(19-1 2 /(3+1 =4 45ata
这样 , 均压降 1的终压为 19-4 45= 14 55ata, 均压降 2的终压为 14 55-4 45= 10 1ata, 均压降 3的终压为 10 1-4 45= 5 65ata, 无论均压次数多少 , 均压降的终压均可以按此方法计算。

在国内 , 为了增加均压次数 , 常常采用一些将顺放步骤设在两次均压降之间的时序 (俗称夹心饼干 , 如早期的 4-1-2/P 时序和现在常用的 6-2-3/P 时序等。

这类操作时序也可以用简单的方法算出其均压差。

设吸附压力为 P A , 再生压力为 P B , 均压次数为 n, 顺放压差为 P 1, 则均压差为 :
=(P P 1 /(n+1 + P (
例 2 设定吸附压力为 19ata, 再生压力为 1 2ata, 均压次数为 3, 顺放在第 3次均压降之前 ( 夹心饼干 , 顺放压差为 2ata 。

均压差为 P=(19-1 2-3! 2 /(3+1 +2=4 95ata
这样 , 均压降 1的终压为 19-4 95= 14 05ata, 均压降 2的终压为 14 05-4 95= 9 1ata, 均压降 3的终压 (压差为最后一次均压降与顺放压差之和为 9 1-4 95=4 15ata 。

4 2 均压次数和均压效果
比较例 1和例 2的计算结果 , 在吸附压力、再生压力相同 , 均压次数也相同时 , 例 2 夹心饼干的均压差较大 , 即终充压差也较大 , 其回收有用气体的效果也将较差。

那么 , 均压次数相同 , 怎么判断其均压效果呢 ? 我们引入有效均压次数的概念。

由式 (1 变形可得
n=(P A -P B / P-1(3 我们将式 (3 的计算结果称为有效均压次数 , 实际上就等于正常时序时 (顺放步骤设在所有均压降步骤之后的均压次数。

均压差越大 , 有效均压次数越小。

显然 , 当均压降不很低 (如 >2ata 时 , 有效均压次数越多 , 均压效果 (回收有用气体的效果越好 , 有用气体回收率越高。

如例 2, 按夹心饼干操作时序的有效均压次数为 :
n=(19-1 2 /4 95-1=2 6(次
而且 , 顺放压差越大 , 其有效均压次数越少。

如例 2重设顺放压差 P 1=3, 其均压差为 :
P=(19-1 2-3! 3 /(3+1 +3=5 2ata 有效均压次数为
n=(19-1 2 /5 2-1=2 42(次。

而例 1的正常操作时序的有效均压次数就是 3次 , 均压效果比夹心饼干好。

由此可见 , 有效均压次数是准确判断均压操作有用气体回收效果的一个重要指标。

特例 :对于夹心饼干操作时序 , 只有当其顺放压差很小时 (此时无顺放、冲洗操作 , 吸附剂再生效果差 , 其均压次数才接近有效均压次数。

, 17
2003, 13(1 汤洪变压吸附装置中均压设计的讨论
次均压的操作时序 , 也可以用有效均压次数来判断其均压操作的有用气体回收效果。

例 3 某变压吸附装置为四次均压 , 其中两次均压借助均压缓冲罐完成。

吸附压力 8 94ata, 再生压力 0 2ata, 均压缓冲罐的容积为吸附塔死体积的4倍。

其均压差为 1 9ata, 而其有效均压次数为 :
n=(8 94-0 2 /1 9-1=3 6(次
显然其有效均压次数未达到 4次。

特例 :对于靠均压缓冲罐来实现多次均压的操作 , 只有当其均压缓冲罐容积很大时 (此时投资也很大 , 其均压次数才接近
有效均压次数。

由以上各例的计算结果可以看出 , 夹心饼干和靠均压缓冲罐来实现多次均压的操作 , 与正常操作时序 (顺放操作在所有均压降之后的操作工艺相比 , 其均压效果 (有用气体回收效果差一些。

5 结语
均压是变压吸附气体分离装置的一个关键操作步骤。

如何设置均压 (次数、时序直接影响装置的气体分离效果和装置投资。

目前国内变压吸附装置的均压设置五花八门 , 有将顺放操作设置在最后一次均压之前的 , 有通过缓冲罐来实现多次均压的 , 实际上其所谓的均压次数并不能达到应有的有用气体回收效果。

而采用本文介绍的有用气体回收量的计算方法 , 或用更直观的有效均压次数 , 可定量地判
断各种均压设置对变压吸附装置有用气体回收率的影响 , 从而为变压吸附装置的均压设计的合理性提供可靠判据。

(修改回稿 2002-11-27
(上接第 19页
(1 减少吸入管路的水力损失。

在一般情况下 , 卸油鹤管的最高点处 , 管内的油品压力最低 , 这是最容易发生气阻之处。

合理加大吸入管直径 , 减小流速 , 使吸入管最短 , 并尽可能减少吸入管的阀门、管件 , 可以有效减少管路的压力损失 , 提高鹤管顶部剩余压力 , 从而克服气阻。

(2 选用潜油泵式鹤管。

在普通型的鹤管上增加气动或液动潜油泵 , 它特别适于高气温、低气压地区接卸轻质油品或其它化工产品。

气动潜油泵是以压缩空气作动力源 , 无需电源及其它动力源 , 使用安全可靠。

液动潜油泵则是以专用液压站向液动马达提供高压液压油作为动力源。

潜油泵式鹤管改变了上卸系统为负压工作的状态 , 因而从根本上解决了气阻问题。

(3 采用 SUB 滑片输油泵。

SUB 滑片泵是一种新型的容积式输加油泵 , 其出口压力最高可达到 1 0M Pa, 吸入口极限真空度可达 0 09MPa 。

不仅适用于输送介质温度 -20~80∀的汽油、煤油、柴油等轻质油品 , 还适用于输送高粘度的润滑油和化工介质。

SUB 滑片泵具有结构紧凑、快速自吸以及较强的液、气二相输送的特点 , 无需设置真空系统 , 即使是在恶劣的工作环境及工况下仍能正常工作。

近年来 , 通过对小型油库铁路卸油工艺改造 , 证明 SUB 滑片泵是比较理想的卸油泵。

5 结语
轻油上卸工艺流程简单 , 易于操作 , 只要管路设计合理 , 吸入管压力损失小 , 并采用新型鹤管和卸油泵等 , 配合夏季夜间卸油、油罐降温等方法 , 就可以有效防止气阻 , 加快卸车速度 , 减少空气污染和油品损耗。

(收稿日期 2002-02-06
(上接第 50页
4 结语
化工企业因其工艺的特殊性 , 往往处于危险生产环境 , 因此电气设计人员应引起重视 , 熟悉有关的设计规范 , 掌握所选电气产品的性能 , 并结合实际 , 以满足企业的安全生产需要。

(收稿日期 2002-06-12
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CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计 2003, 13(1
ABS TRACTS
Scheme Study for Production Capacity -increasing
Retrofit of Absorber of Acrylonitrile Unit
Xiao Zhenping
(L anz hou Design I nstitu te of SINOPEC , L anzhou 730060 T he study i s related to impact of theoreti cal number of trays, pres sure, cold circulation on the bottom of the absorber, and inlet location of condensate from after condenser of quench tow er on absorption ef fect and consumption of 0∀ cooling amount. T hrough th i s produc tion capacity-increasing schem e of the absorber, absorpti on effect of acrylonitrile is not only improved, but consumpti on of low tempera ture brine also reduced.
K ey words acrylonitrile absorber production capacity -in creasing retrofit
S tudy on Calcu lation of Batch Distillation Process
for Multi -Components
Tan Chong
(East China Engineering Corporation , Hefei 230024
It i ntroduces that a short-cut method i s us ed for calculating batch distillati on proces s for multi-components.
Key words multi-component distillati on batch distillati on relative volatility
Side Reaction of Low T emperature Shift Catalyst
Li Weichun
(Chemic al Co. L td . , CNOOC , Dongf ang 572600
It analyzes reason of the side reaction of low temperature shift cat al yst, taken place during production, and puts forw ard measures for reducing the si de reacti on at the same ti m e.
Key words low temperature shift catalyst side reaction affec tion measure
Reduction of Urea Content of Stripping
Waste Liquid by Using Urea -washing Recovery Technology Guan Wei
(H e f eng Che mical Co. L td. , Jia ngj in 402260
It introduces that urea is used to wash recovery tow er in urea evap oration system so as to reduce urea content in the stripping w aste liq uid, and recover most of urea, achieving envi ronment and economic benefits.
K ey words urea-washi ng recovery tow er strippi ng w aste liq uid
Discussion on Design of Equ alization Pressu re Pres surization of Pressu re S wing Absorption Unit
T ang Hong
(Dev elop ment Desig n Institute of Sich uan Tianyi S cien tif ic & Technology Co. L td. , Chengd u 610225
It introduces function of equali zation pressure pressurization in the pressure swing absorption unit, calculation of pressure difference, selection of times of the equalization pressure pressurization and eval uation method of effect.
Key words pressure sw ing absorption equalization Pressure Pressurization effective times of pressure equalization gas recovery Unloading Improvement of L ight O il
Gan M in
(Design I nstitute o f L uoyang Petroche mical Complex , L uoyang 471012
T he features of light oil unloading are simple fl ow sheet and easy operation. Pressure loss of suck-in pipe is less if design of pipe route is reasonable. Gas block can be effectively avoided if new type of pipe and oil transferring pump w ith SUB slip vane are adopted. T hen oil loss is reduced. It is specially suitable to the gasoline an d diesel oil l size oil tanks.
K ey words unloading of light oil oil-transferring pump pro cess
Study on Design of Liqu id Ammonia Filling Station
Weng Wu
(I nd ustrial Design I nstitute of Wenz hou M unicip ality , Wen zhou 325003
Study on optimization of parameter selection of liquid ammonia fill i ng as per requirement of relevant standards and codes.
Key words Liquid ammoni a filling station design
Production Capacity Analysis and Series Design of
Soda Ash Steam Calciner
Du W eigang
(Dalian De sig n and Resear ch Institu te of Dalian Chemical G roup Company , Dalian 116031
Analyze all factors affecting production capacity of soda ash steam calciner, and briefly describe design an d application of the series e quipment.
Key words Calciner production capacity series
Application of Vibrated and Fluidized B ed in
Drying of Eurika Asphalt
Chen Yiguang
(Desig n Institute of Nanj ing Chemic al G roup Company , Nan j ing 210048
The study, based on the i ndustrial material, Eurika asphalt, ana l yzes dynamic characteri stics, features of heat transfer and dryi ng of th e drier with vibrated and fluidized bed. Sorting -out and calcula tion are performed for main parameters for type selection design of drier w ith vibrated and fluidized bed.
Key words vibrated and fluidized bed drier asphalt
Mu lti -loop Control of Circulation Oil T emperature of S ynthetic Reactor of Vinyl Acetate
Li Guoyuan, et al
(Guizhou Crystal Chemical (G roup Co. L td. , Qingzhe n 551402
It introduces multi-loop automatic control system using smart control technology, which replaces conventional control mode. Over all automatic control for circulation oil temperature by oil temperature adjuster is realized for synthetic reaction of vinyl acetate.
Key words synthetic reaction of vinyl acetate oil temperature adjuster multi-loop control sys tem
Design of Fire -fighting Water Supply of
High -storeyed Residence Q uarter
Yang Qin
(Yangtze Petro -c he mical Design Institute , Nanjing 210048 It exhaus tively describes desi gn of fire-fighti ng w ater supply to Yangtze high-storeyed building C, and analyzes selecti on of fire-fighting system to the high-storeyed residence quarter, fire-fight i ng area classification an d i nstallation of fire-fighting pressure reduc i ng valves.
Key words high-s toreyed residence quarter fire-fi ghting w a ter des i gn
Plot Plan Design for Pip e Rack of Flammable
Materials O uts ide Plant
Liu Fang
(Northeast S ubsidiary Co. of China National Petroleu m Engi neering De sig n Co. L td. , Jilin 132021
Based on design practices, define space of fire proof pipe rack, and elaborate design principle of pipe rack of outside plant.
Key words pipe rack regulation and criteri on prevention space routing of qi pe rack
1
2003, 13(1 ABST RA CT S OF CHEM I CAL EN GI NEER IN G DESIG N。