PSA变压吸附分子筛粉化原因分析

PSA变压吸附分子筛粉化原因分析

王焰(泸天化集团有限责任公司，四川泸州646300)

我公司甲醇车间采用合成氨弛放气中的氢气作原料。1987年甲醇装置投产时制氢采用的是西南院PSA所的四塔一均PSA工艺，两套处理量为3000m3/h。1993年根据实际生产的需要，由西南化工研究院变压吸附研究所设计改造成了处理量为7000 m3/h的八塔三均工艺（也可切换成A、B两个处理量为3500 m3/h的四塔二均单系列操作）。同时八个吸附塔内的吸附剂也由青岛的球状5Ẳ分子筛全部更换成上海环球联碳（UOP）分子筛公司的条状分子筛。

但是PSA在1993年11月改造完仅仅投运了一个多月分子筛就出现大量粉化现象，我们随即采取抽吸出粉化分子筛、补充新分子筛等措施进行处理，投运不久又有粉化现象发生。在其后的几年间，我公司及西南化工研究院PSA研究所都投入大量的人力和物力查找分子筛粉化的原因，如取掉程控阀出口端的阻滤器、改变吸附塔顶部丝网目数及加氧化铝球、改用球形分子筛等办法。经过几年的努力，分子筛粉化越来越少，到1999年、2000年两次对吸附塔开盖检查，分子筛都完好，无粉化现象，而且PSA系统运行十分稳定。为此我们特意将PSA分子筛粉化原因加以分析总结，希望能对变压吸附工艺的提高和发展有所帮助。

1 PSA分子筛粉化现象

在变压吸附装置正常运行中若分子筛粉化将有以下现象发生：

①吸附塔连接的仪表压力信号管线频繁堵塞，拆开后有大量的白色分子筛粉尘；

②PSA产品氢和解吸气放空管有大量白色粉末，气体放空时放空管口可见比较明显的白色灰尘，严重时直接放出分子筛颗粒；

⑧PSA的程控阀经常开关不到位，甚至有堵塞现象，拆开后阀座内有大量分子筛块状颗粒；

④产品氢纯度明显下降；

⑤由PLC控制的一均、二均、三均在规定时间内(一般为30～60s)不能顺利实现两塔压力均衡。

2 分子筛粉化原因分析

根据1993年以来对变压吸附的运行操作经验和对分子筛粉化情况的分析和处理经验总结，我们认为造成分子筛粉化有如下几个因素。

2.1 进吸附塔的原料气带水

对于分子筛来说，原料气带水有两点危害：一是分子筛有很强的吸水性，而且与水有很强的亲和力，吸水后普通的物理方法很难将其脱附，PSA在常温条件下几乎无法脱除，这样造成分子筛对杂质气体的吸附容量大幅度下降，无法提纯氢；二是分子筛吸水后，抗侧压强度大幅度下降(见图1)，在PSA频繁均压过程中(尤其是一均压差达1.4MPa)，极易损坏分子筛。

有两种情况可造成进吸附塔的原料气带水：一是原料气带水量大，分离器分离不完，硅胶也吸附不彻底，水带入分子筛内；二是加热器内漏，加热蒸汽随干燥气进入硅胶进而由原料气带入吸附塔分子筛内。

2.2 阻滤器的影响

PSA的原设计中，程控阀4和5的管道上装有一个阻滤器。当时设计考虑的是：PSA的一均是通过程控阀5的开启来实现的，二均是阀4。一均起始压差1.4 MPa，二均0.8MPa。若不装阻滤器，一是压差太大，易造成分子筛损坏，二是气流速度过大，不安全。因此通过装阻滤器来减缓气流速度，从而保护分子筛、保障安全。

阻滤器相当于一个过滤器，在其锥形部分密布孔径约5～6A的微孔，这些微孔直径与二氧化碳、氮气等分子直径差不多，比氢大，因此均压时氢顺利通过，二氧化碳、氮气等流速受限制。但是分子筛在装填及使用过程中不可避免会产生一定量的粉尘，这些粉尘直径远大于气体分子，故在通过阻滤器时反而堵住了阻滤器的微孔，积累到一定量时可完全堵塞阻滤器，造成无法实现均压，进而引起吸附塔低压终充，高压逆放等不正常现象，造成分子筛的粉化。

后来我们将阻滤器全部拆除，PSA运行时均压在预定时间内都能顺利完成，也未发生安全事故，检查分子筛粉化现象明显减少。

2.3 分子筛装填质量不佳引起粉化

分子筛装填过松，且装填量不够时，由于吸附塔内气流在吸附与再生时方向是变化的，吸附塔内分子筛就长期(分子筛每日将经历从吸附到再生的120～480个周期切换)处于沸腾状态，而此状态时分子筛相互之间边角剪切应力最大，极易引起分子筛粉化。

从我们拆开吸附塔顶部大盖检查情况来看，这一推论也得到应证：每发现分子筛粉化时，分子筛沉降都比较严重，一般都在100～500mm范围内。

2.4 吸附塔顶分子筛压网和压板排布的影响

分子筛装填完毕后，在其上要布压两层40目／cm2的不锈钢丝纲，丝网通过上下两块孔径不同的栅板来固定，目的是防止分子筛被气流带出。

以往对吸附塔顶部大盖拆开检查时都发现有以下现象：分子筛粉化严重时都有不锈钢丝网拉破、卷边、穿洞现象，而且固压栅板明显松动、变形，甚至有固定螺栓拉断现象。分子筛无粉化则丝网无破损，且固压栅板平整、牢靠、无松动现象。这就充分说明压网、压板的布局和固定质量对分子筛影响极大，若装得不佳，将造成分子筛随气流带出吸附塔，进而引起分子筛粉化。

2.5 原料气偏流冲刷

根据对变压吸附装置实际运行的观察和分析讨论，工艺上的一些小缺陷造成原料气严重偏流，引起分子筛粉化。

①终充气由自动调节系统控制，加剧了气流对分子筛的冲刷。

吸附塔的终充设计有一自动调节系统。当任何一个塔处于一均时，该调节阀关闭，终充开始时，调节阀打开，再进行恒流自动调节。但在实际运行中，当调节阀关闭时，调节系统监测流量为0，其阀位输出全开；待终充开始时，终充气量瞬间上升到满量程(2000m3／h以上)，致使气流高速冲刷吸附塔顶部、气流分布栅板、分子筛，进而引起分子筛粉化。

②产品氢管线上设计的两个出口止逆阀，造成原料气偏流冲刷，进而引起分子筛粉化。

PSA运行时，A、B两系列各有一个塔处于吸附状态，而终充是两套系列交替进行。终充气来源于产品氢。因两系列各有一个止逆阀，若A系列的一个塔进入终充状态，其终充气量只能由A系列产品氢提供。尤其是终充开始时气量很大，这样势必造成A系列压力下降，而B系列未变，从而使得进入装置的原料气绝大部分进入A系列，形成偏流。这种现象呈周期性重复波动，造成分子筛床层浮动而损坏分子筛。

3 结束语

1998年6月以上问题都得到解决后，这套PSA系统至2001年5月运行了近三年，一直都很正常，未再出现分子筛粉化现象。