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。联系电话 :(028

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。