變壓吸附工藝分析

變壓吸附工藝分析

變壓吸附(PSA)氣體分離裝置中的吸附主要爲物理吸附。變壓吸附氣體分離工藝過(guò)程的實現主要是依靠吸附劑在吸附過(guò)程中所具有的兩(liǎng)個基本性質:一是對(duì)不同組分的吸附能(néng)力不同,而是吸附質在吸附劑上的吸附容量随吸附質的分壓上升而增加,随吸附溫度的上升而下降。利用吸附劑的第一個特性,實現了對(duì)混合氣體中某些組分的分離、提純;利用吸附劑的第二個性質,實現吸附劑在低溫高壓下吸附、在高溫低壓下解吸再生。【有機廢氣處理】

一、基本原理

任何一種(zhǒng)吸附對(duì)于同一被(bèi)吸附氣體(吸附質)來說(shuō),在吸附平衡情況下,溫度越低,壓力越高,吸附量越大。反之,溫度越高,壓力越低,則吸附量越小。因此,氣體的吸附分離方法,通常采用變溫吸附或變壓吸附兩(liǎng)種(zhǒng)循環過(guò)程。

如果壓力不變,在常溫或低溫的情況下吸附,用高溫解吸的方法,稱爲變溫吸附(簡稱TSA)。顯然,變溫吸附是通過(guò)改變溫度來進(jìn)行吸附和解吸的。變溫吸附操作是在低溫(常溫)吸附等溫線和高溫吸附等溫線之間的垂線進(jìn)行,由于吸附劑的比熱容較大,熱導率(導熱系數)較小,升溫和降溫都(dōu)需要較長(cháng)的時(shí)間,操作上比較麻煩,因此變溫吸附主要用于含吸附質較少的氣體淨化方面(miàn)。【廢氣處理】

如果溫度不變,在加壓的情況下吸附,用減壓(抽真空)或常壓解吸的方法,稱爲變壓吸附。變壓吸附操作由于吸附劑的熱導率較小,吸附熱和解吸熱所引起(qǐ)的吸附劑床層溫度變化不大,故可將(jiāng)其看成(chéng)等溫過(guò)程,它的工況近似地沿著(zhe)常溫吸附等溫線進(jìn)行,在較高壓力下吸附,在較低壓力下解吸。變壓吸附既然沿著(zhe)吸附等溫線進(jìn)行,從靜态吸附平衡來看,吸附等溫線的斜率對(duì)它的是影響很大的。

吸附常常是在壓力環境下進(jìn)行的,變壓吸附提出了加壓和減壓相結合的方法,它通常是由加壓吸附、減壓再組成(chéng)的吸附一解吸系統。在等溫的情況下,利用加壓吸附和減壓解吸組合成(chéng)吸附操作循環過(guò)程。吸附劑對(duì)吸附質的吸附量随著(zhe)壓力的升高而增加,并随著(zhe)壓力的降低而減少,同時(shí)在減壓(降至常壓或抽真空)過(guò)程中,放出被(bèi)吸附的氣體,使吸附劑再生,外界不需要供給熱量便可進(jìn)行吸附劑的再生。因此,變壓吸附既稱等溫吸附,又稱無熱再生吸附。【廢氣處理】

在實際生産中根據原料氣的組成(chéng)、壓力機産品淨化要求的不同可選擇PSA、TSA或PSA+TSA工藝。變壓吸附根據降壓解吸方式的不同分爲兩(liǎng)種(zhǒng)工藝:PSA與真空變壓吸附(VPSA)。在實際生産種(zhǒng),究竟采用何種(zhǒng)吸附工藝,主要根據原料氣的組成(chéng)性質、壓力、流量、産品的要求等決定。變壓吸附(Pressure Swing Adsorption)分離技術是一種(zhǒng)低能(néng)耗的氣體分離技術。變壓吸附(PSA)工藝所要求的壓力一般在0.1～2.5MPa,允許壓力變化範圍較寬,一些有壓力的氣源,如氨廠弛放氣、變換氣等,本身的壓力可滿足變壓吸附(PSA)工藝的要求,可省去再次加壓的能(néng)耗。對(duì)于處理這(zhè)類氣源,PSA制氫裝置的消耗僅是照明、儀表用電及儀表空氣的消耗,能(néng)耗很低;PSA裝置壓力損失很小,一般不超過(guò)0.05MPa。

變壓吸附循環是吸附和再生的循環,吸附過(guò)程是吸附劑在加壓時(shí)吸附混合氣中的某些組份,未被(bèi)吸附組份通過(guò)吸附器層流出,當吸附劑被(bèi)強吸附組分飽和以後(hòu),吸附塔需要進(jìn)入再生過(guò)程,也就(jiù)是解吸或脫附過(guò)程。在變壓吸附過(guò)程中吸附器内吸附劑解吸是依靠降低雜質分壓實現的,在工業裝置上可以采用的方法有:

1)降低吸附器壓力(洩壓)

2)對(duì)吸附器抽真空

3)用産品組分沖洗常壓解吸:升壓過(guò)程(A-B): 經(jīng)逆放解吸再生後(hòu)的吸附器處于過(guò)程的最低壓力P1、床内雜質吸留量爲Q1(A點). 在此條件下用産品組分升壓到吸附壓力P3,床内雜質吸留量Q 1不變(B點).【變壓吸附】

吸附過(guò)程(B-C): 在恒定的吸附壓力下原料氣不斷進(jìn)入吸附器,同時(shí)輸出産品組分. 吸附器内雜質組分的吸留量逐步增加,當到達規定的吸留量Q3時(shí)(C點)停止進(jìn)入原料氣,吸附終止. 此時(shí)吸附器内仍預留有一部分未吸附雜質的吸附劑(如吸附劑全部被(bèi)吸附雜質,吸留量可爲Q4,C’點)。【有機廢氣處理】

順放過(guò)程(C-D): 沿著(zhe)進(jìn)入原料氣輸出産品的方向(xiàng)降低壓力,流出的氣體仍爲産品組分,用于别的吸附器升壓或沖洗. 在此過(guò)程中,随床内壓力不斷下降,吸附劑上的雜質被(bèi)不斷解吸,解吸的雜質又繼續被(bèi)未充分吸附雜質的吸附劑吸附,因此雜質并未離開(kāi)吸附器,床内雜質吸留量Q3不變. 當吸附器降壓到D點時(shí),床内吸附劑全部被(bèi)雜質占用,壓力爲P2。

逆放過(guò)程(D-E): 開(kāi)始逆著(zhe)進(jìn)入原料氣輸出産品的方向(xiàng)降低壓力,直到變壓吸附過(guò)程的最低壓力P1(通常接近大氣壓力),床内大部分吸留的雜質随氣流排出器外,床内雜質吸留量爲Q2。

沖洗過(guò)程(E-A): 根據實驗測定的吸附等溫線,在壓力P1下吸附器仍有一部分雜質吸留量,爲使這(zhè)部分雜質盡可能(néng)解吸,要求床内壓力進(jìn)一步降低. 在此利用别的吸附器順向(xiàng)降壓過(guò)程排出的産品組分,在過(guò)程最低壓力P1下進(jìn)行逆向(xiàng)沖洗不斷降低雜質分壓使雜質解吸并随沖洗氣帶出吸附器. 經(jīng)一定程度沖洗後(hòu),床内雜質吸留量降低到過(guò)程的最低量Q1時(shí),再生終止. 至此,吸附器完成(chéng)了一個吸附—解吸再生過(guò)程,再次升壓進(jìn)行下一個循環。【廢氣處理】

真空解吸:

升壓過(guò)程(A-B): 經(jīng)真空解吸再生後(hòu)的吸附器處于過(guò)程的最低壓力P0、床内雜質吸留量爲Q1(A點). 在此條件下用産品組分升壓到吸附壓力P3,床内雜質吸留量Q 1不變(B點)。吸附過(guò)程(B-C): 在恒定的吸附壓力下原料氣不斷進(jìn)入吸附器,同時(shí)輸出産品組分. 吸附器内雜質組分的吸留量逐步增加,當到達規定的吸留量Q3時(shí)(C點)停止進(jìn)入原料氣,吸附終止. 此時(shí)吸附器内仍預留有一部分未吸附雜質的吸附劑(如吸附劑全部被(bèi)吸附雜質,吸留量可爲Q4,C’點)。

順放過(guò)程(C-D): 沿著(zhe)進(jìn)入原料氣輸出産品的方向(xiàng)降低壓力,流出的氣體仍爲産品組分,用于别的吸附器升壓或沖洗. 在此過(guò)程中,随床内壓力不斷下降,吸附劑上的雜質被(bèi)不斷解吸,解吸的雜質又繼續被(bèi)未充分吸附雜質的吸附劑吸附,因此雜質并未離開(kāi)吸附器,床内雜質吸留量Q3不變. 當吸附器降壓到D點時(shí),床内吸附劑全部被(bèi)雜質占用,壓力爲P2。

逆放過(guò)程(D-E): 開(kāi)始逆著(zhe)進(jìn)入原料氣輸出産品的方向(xiàng)降低壓力,直到變壓吸附過(guò)程的最低壓力P1(通常接近大氣壓力),床内大部分吸留的雜質随氣流排出器外,床内雜質吸留量爲Q2。【有機廢氣處理】

抽空過(guò)程(E-A): 根據實驗測定的吸附等溫線,在壓力P1下吸附器仍有一部分雜質吸留量,爲使這(zhè)部分雜質盡可能(néng)解吸,要求床内壓力進(jìn)一步降低. 在此利用真空泵抽吸的方法降低雜質分壓使雜質解吸并随抽空氣帶出吸附器.抽吸一定時(shí)間後(hòu),床内壓力爲P0,雜質吸留量降低到過(guò)程的最低量Q1時(shí),再生終止。至此,吸附器完成(chéng)了一個吸附—解吸再生過(guò)程,再次升壓進(jìn)行下一個循環。

二.變壓吸附脫炭

變壓吸附基本工作原理：是利用吸附劑對(duì)吸附質在不同的分壓下有不同的吸附容量、吸附速度和吸附力,并且在一定壓力下對(duì)被(bèi)分離的氣體混合物的各組分有選擇吸附的特性,加壓吸附除去原料氣中的雜質組分,減壓脫附這(zhè)些雜質而使吸附劑獲得再生。因此,采用多個吸附床,循環地變動所組合的各吸附床壓力,就(jiù)可以達到連續分離氣體混合物的目的。

合成(chéng)氨變換氣中主要組分爲:水(汽)、有機硫、無機硫、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氮、氩及氫氣。這(zhè)些氣體組分在物理吸附劑上的吸附能(néng)力和吸附量,在一定的溫度和壓力下依次減弱和減少。當變換氣通過(guò)吸附床層時(shí),在前的組分優先被(bèi)吸附,即使吸附劑已經(jīng)吸附了在後(hòu)的組分,在前的組分也會(huì)把它頂替出來。難吸附組分氫、氮、甲烷、一氧化碳等氣體很少被(bèi)吸附,從吸附塔出口端排出,做爲脫除了二氧化碳的氣體輸出。在吸附床降壓時(shí),被(bèi)吸附的二氧化碳等氣體解吸出來,同時(shí)吸附劑獲得再生。【廢氣處理】

裝置主要類型:

由于用途不同,變壓吸附脫碳裝置可分爲三種(zhǒng)類型:單純脫除二氧化碳獲得淨化氣的裝置;脫除變換氣中的二氧化碳并聯産食品級液體二氧化碳的裝置;同時(shí)制取脫碳淨化氣和純度爲98%的氣體二氧化碳的裝置。

(1)PSA脫碳裝置目前中小型合成(chéng)氨廠采用最多的仍是單純脫除CO2獲得淨化氣的PSA裝置,以替代傳統的濕法脫碳。根據氨廠的不同需要又分爲兩(liǎng)種(zhǒng)工藝,一種(zhǒng)是替代碳化以增産液氨爲目的的脫碳工藝。變換氣經(jīng)PSA脫碳後(hòu)淨化氣中CO2含量小于0.2%,直接進(jìn)精煉工序。目前此類裝置運行情況,氫回收率﹥97%,淨化氣中氫氮比在3.0左右,并且在脫除CO2的同時(shí),還(hái)將(jiāng)大部分雜質如CH4、CO、H2S脫除,減小了後(hòu)續工段的負擔。另一種(zhǒng)是用于與聯醇裝置配套的工藝。由于淨化氣用于聯醇生産,考慮到甲醇合成(chéng)催化劑的壽命和盡可能(néng)提高CO的回收率問題,一般將(jiāng)脫碳淨化氣中的CO2含量控制在1%~5%的水平。目前此類裝置運行情況,氫回收率﹥98%,CO回收率90%。在脫除CO2的同時(shí),還(hái)將(jiāng)變換氣中的硫化物脫除到0.1mg/m3(标)的水平,原料氣中所含微量氯、氨、水、砷等雜質可同時(shí)脫除。

(2)脫碳并聯産液體CO2裝置將(jiāng)來自PSA脫碳裝置的解吸氣在常壓狀态下進(jìn)入壓縮機,加壓到一定的壓力後(hòu)首先進(jìn)行預處理,除去解吸氣中所含的各類硫化物、微量的砷、氟、氯等以及飽和水,以滿足食品級CO2的要求。預處理後(hòu)的氣體冷卻到0℃以下,使解吸氣的CO2成(chéng)爲液體,然後(hòu)進(jìn)入提純塔使CO2和其他氣體分離,最後(hòu)在提純塔底部得到純度爲99.5%~99.999%的食品級液體CO2産品。

(3)脫碳并同時(shí)制取純CO2裝置,該裝置是由提純系統和淨化系統兩(liǎng)部分組成(chéng),兩(liǎng)系統均采用多塔PSA工藝。變換氣通過(guò)提純系統將(jiāng)CO2濃度富集到98.5%以上,供尿素裝置使用。出提純系統的中間氣進(jìn)入淨化系統,淨化系統將(jiāng)中間氣中的CO2進(jìn)一步淨化到0.2%以下,以保證合成(chéng)氨生産需要。兩(liǎng)段法變壓吸附脫碳的主要特點是,第一段脫除大部分二氧化碳,出口氣中二氧化碳控制在8-12%,吸附結束後(hòu),通過(guò)多次均壓步驟回收吸附塔中的氫氮氣。多次均壓結束後(hòu),吸附塔内還(hái)有0.06MPA(表)的壓力,然後(hòu)逆著(zhe)吸附方向(xiàng)降壓放空,直到吸附塔内壓力放到常壓爲止,二氧化碳被(bèi)排放出來,其濃度大于98%吸附劑得到初步再生。吸附得到初步再生。吸附塔逆放結束後(hòu),先與中間氣緩沖罐連通,用中間氣緩沖罐中的氫氮氣對(duì)吸附塔升壓,直到中間氣緩沖破罐與吸附塔的壓力平衡爲止再用均壓和産品氣對(duì)床層逆向(xiàng)升壓至接近吸附壓力,吸附床便開(kāi)始進(jìn)入下一個吸附循環過(guò)程。經(jīng)過(guò)對(duì)第一段脫碳工業裝置的分析,多次均壓結束後(hòu),吸附塔還(hái)有0.06Mpa(表)的壓力,吸附塔解吸氣中的二氧化碳含量平均大于98%其它爲氫氣,氮氣,一氧化碳及甲院:第二段將(jiāng)第一段吸附塔出口氣中的二氧化碳脫至0.2%以下,吸附結束後(hòu)通過(guò)多次均壓步驟回收吸附塔中的氫氮氣。多次均壓結束後(hòu),吸附塔内還(hái)有0.09MPA(表)的壓力)吸附壓力爲0.8MPA時(shí)),通過(guò)降壓入入中間緩沖罐,直到吸附塔内壓力與中間緩沖罐壓力平衡爲止,此時(shí),吸附塔内壓力在0.005-常壓MPA之間。再生結束後(hòu),用均勻氣和産品氣對(duì)床野逆向(xiàng)升壓至接近吸附壓力,吸附床便開(kāi)始進(jìn)入下一個吸附循環過(guò)程。第二段吸附塔均壓結束後(hòu),吸附塔内的有效氣體沒(méi)有直接放空,而是利用中間緩沖罐將(jiāng)其返回到第一段吸附塔加以回收。【有機廢氣處理】

三、變壓吸附制氧

變壓吸附制氧的基本原理是利用空氣中的氮和氧在吸附劑上因壓力不同而吸附性能(néng)的差異來選擇性吸附進(jìn)行氧氮分離,吸附氮氣及其它雜質,産出氧氣。根據吸附分離的吸附和解吸壓力的不同,通常可將(jiāng)常溫變壓吸附制分離制氧工藝分成(chéng)三種(zhǒng)不同的工藝方式。

1、常壓解吸變壓吸附制氧(PSA-O2):與空氣變壓吸附分離制氮流程相似,一定壓力(0.3 MPa ～0.55MPa)的壓縮空氣經(jīng)空氣預處理系統除去油、塵及大部分的汽态水份後(hòu),潔淨空氣進(jìn)入PSA-O2系統吸附塔,潔淨空氣中大部分的氮氣、二氧化碳、殘餘水份被(bèi)吸附,氧氣則被(bèi)分離出來。當吸附塔内被(bèi)吸附的雜質組份達到設定控制值時(shí),通過(guò)常壓脫附解吸,使該吸附塔的制氧吸附劑再生。由兩(liǎng)塔組成(chéng)的吸附分離系統在DCS系統的控制下通過(guò)程控閥門的起(qǐ)閉而循環切換完成(chéng)連續制氧,該制氧流程通常稱爲變壓吸附常壓解吸制氧流程(PSA-O2)。【廢氣處理】

2、真空解吸變壓吸附制氧(VPSA-O2):經(jīng)鼓風機鼓風輸送低壓的原料空氣(25KPa-39KPa),淨化除去粉塵後(hòu)進(jìn)入吸附塔,吸附塔爲兩(liǎng)塔或三塔體系,吸附塔産品氣爲氧氣。空氣中的氮氣、二氧化碳、水蒸氣被(bèi)吸附達到設定控制值後(hòu),由于吸附壓力較低,先通過(guò)常壓解吸,再經(jīng)過(guò)真空泵抽真空達到一定真空度,使吸附塔内吸附劑雜質徹底脫附再生。由兩(liǎng)塔或三塔組成(chéng)的吸附分離制氧系統在PLC或DCS系統的控制下,程控閥循環切換完成(chéng)連續産氧,該流程通常稱真空解吸變壓吸附制氧流程(VPSA-O2)。

3、真空解吸制氧(VSA-O2):經(jīng)鼓風機鼓風輸送低壓的原料空氣(15KPa ～19KPa),淨化除去粉塵後(hòu)進(jìn)入吸附塔,吸附塔爲兩(liǎng)塔或三塔體系,吸附塔産品氣爲氧氣。空氣中的氮氣、二氧化碳、水蒸氣被(bèi)吸附達到設定控制值後(hòu),由于吸附壓力較低,先經(jīng)常壓解吸,再經(jīng)真空泵抽真空達到一定真空度進(jìn)行真空解吸,徹底脫附再生吸附塔内分子篩雜質。由兩(liǎng)塔或三塔組成(chéng)的吸附分離制氧系統PLC或DCS系統的控制下,程控閥循環切換完成(chéng)連續産氧,該流程通常稱真空解吸制氧流程(VSA-O2),設備規模更大,經(jīng)濟性更強。