变压吸附提氢装置氢收率低的原因分析及改进措施

董震

摘 要：近年，兴起了一种新型气体分离技术，即为变压吸附（Pressure Swing Adsorption，简称PSA），其被广泛应用于各大型化工工业生产中，其中变压吸附提氢技术最早实现工业化。该技术是在上世纪60年代迅速发展起来的，而其中以变压吸附法可从多种工业尾气中制取纯度（V%，下同）大于99.9%的氢气。目前随着世界能源的短缺，各国和各行业越来越重视低品位资源的开发与利用，加上各国对环境污染的治理要求也越来越高，使得吸附分离技术在钢铁工业、气体工业、电子工业、石油和化工工业中日益受到重视。

关键词：变压吸附提氢装置;氢收率低;改进措施

吸附分离技术是化工生产过程中一个重要的组成部分，由于这一工艺具有能耗低、运行成本小、自动化程度高等特点，在化工生产中的气体分离中应用越来越广泛，尤其是在制氢和氢气提纯生产中应用更加广泛。

1 变压吸附提氢装置概述

变压吸附分离技术的原理是利用吸附剂对气体分子的吸附选择性，具有在相同压力下易吸附高沸点、强极性组分，不易吸收低沸点、弱极性组分的特性，实现气体混合物的分离和吸附剂的再生。对同一种组分在高压下吸附量增加（即吸附组分），低压下吸附量减小（即解吸组分）。在吸附剂选择吸附的条件下，加压吸附原料气中的CH4、C2H6、C3H8、C4、C5、C6等杂质组分，而氢气等不易吸附的组分则通过吸附床层由吸附器顶部排出，从而实现气体混合物的分离，而通过降低吸附剂床层的压力使被吸附的CH4、C2H6、C3H8、C4、C5、C6等组分脱附解吸，使吸附剂得到再生，同时达到制取氢气的目的。

2 变压吸附提氢装置氢收率低的原因分析

2.1 吸附時间的影响

理论上，延长吸附时间就意味着单位时间内的再生次数减少，再生过程中损失的氢气也就减少，氢收率越高。但是，在同样的条件下，吸附时间越长，进入吸附剂床层的杂质量也就越大，而受吸附塔大小和吸附剂装填量的制约，吸附剂的动态吸附量是不会改变的，也就是说不能被吸附剂吸附而穿透吸附剂进入产品氢的杂质量也就会增大，如此势必造成产品氢的纯度下降。因此，变压吸附提氢装置的实际操作中，在保证产品氢纯度的前提下，应尽可能延长吸附时间，以提高产品氢气的收率，实现变压吸附装置的经济运行。

2.2 均压次数的影响

所谓均压，就是将需降压解吸的吸附塔内的气体分别均给需升压的吸附塔，使需降压解吸的吸附塔压力逐级下降、需升压吸附塔的压力逐级升高，从而使吸附塔降压排出产品氢气的一个过程。可见，增加均压次数，可回收更多的产品氢气，氢气收率得以提高;但是，随着均压次数的增加，顺放压力相应降低，使得作为冲洗气的顺放气中被吸附组分的浓度升高，同时顺放压差变小，吸附剂冲洗再生的效果变差，吸附剂的动态吸附量减少，产品氢的收率随之降低。

3 变压吸附提氢装置氢收率的改进措施

3.1 降低原料气中CO、CO2及其他杂质含量

①更换变换炉催化剂，提高变换炉入口工艺气的温度和水气比，提高变换炉（R1501、R1502）的操作温度;②加大低温甲醇洗装置的甲醇循环量，降低贫甲醇的温度，保证甲醇水分离塔（T1605）的正常运行，控制贫甲醇中的水含量;③加强操作运行管理，严格控制工艺指标并保持稳定，严格控制系统加减量的速率，防止变换炉炉温和系统压力波动过大。

3.2 延长吸附时间

在保证变压吸附装置产品氢纯度≥99.2%的前提下，维持9次均压运行的同时尽可能地延长吸附时间，即将吸附时间从30s延长至45s，通过优化操作进一步提高变压吸附提氢装置产品氢气的收率。

3.3 保证均压平衡

重新计算和设计均压管线的管径，增大均压程控阀和均压管线的尺寸，将二/三均、四/五均、六/七均这3条均压总管尺寸由DN20变更为DN25，以减小均压降压力和均压升压力的差值，尽可能地保证均压降压力和均压升压力的平衡，从设备硬件匹配上降低降压解吸吸附塔的压力，为进一步提高变压吸附提氢装置的氢收率做好保障。

3.4 回收变压吸附提氢装置的解吸气

本着环保、节能、高效的原则，在变压吸附提氢装置下游新增尾气压缩装置，即利用原有的1台LG-445/6.2型螺杆压缩机和新增的2台4M50W-7.9/5.5-56型往复式压缩机，将解吸气压力由0.02MPa提至5.60MPa，然后通过管道回收至节能减排项目变换装置入口总管，实现变压吸附提氢装置解吸尾气的全部回收利用，进一步降低了生产成本，相当于提高了变压吸附提氢装置产品氢气的收率。

4 结语

变压吸附提氢装置工艺具有流程简单、投资少、能耗低、自动化程度高、产品纯度高、成本低等优点，与其他工艺相比，更具有可靠性、灵活性及经济合理性。整个吸附分离循环过程由计算机控制，全部实现自动化操作，装置弹性大，能适应原料气流量和组分的波动。

参考文献：

[1]马冲.浅谈变压吸附提氢装置的操作要点[J].科学大众，2013（10）：177.

[2]王永飞.浅谈变压吸附提氢装置[J].科技风，2013（7）：33.

[3]薛德莲.变压吸附（PSA）氢气提纯装置运行工况浅析[J].化工技术与开发，2012（3）：59-61.

[4]吴林辉.PSA变压吸附制氢技术在本钢的应用[J].金属世界，2009（5）：20-22.