真空变压吸附技术的工业应用分析

杏长鑫

（中国海油东方石化有限责任公司，海南东方572600）

某石化公司产品质量升级项目建设600 kt/a液相加氢装置，该装置原料为混合常一线、常二线、常三线和催化裂化柴油，装置用于生产符合国Ⅴ排放标准的超低硫柴油产品［1]。配套的氢气提纯装置需处理的混合原料气包括东方石化稀乙烯制乙苯的烷基化尾气及600 kt/a 柴油加氢装置的反应低分气。根据原料气的特点及全厂氢气平衡现状，结合VPSA 相对于PSA 氢气回收率高的特点，经过技术比选及前期论证本项目采用了VPSA抽真空变压吸附技术提纯氢气，为600 kt/a 柴油加氢项目提供氢气原料［2，3]。建设规模：处理原料气13000 m3/h；装置操作弹性：50%～130%；产品规格：质量要求H2≥99.0%；产品气流量≤4550 m3/h；产品气压力≥0.50 MPa；产品气温度≤40 ℃。

1 工艺流程

来自界外的烷基化尾气与柴油加氢低分气先在压力0.55 MPa 进入装置，首先进入原料气混合罐混合后送入由6 个吸附塔及一系列程控阀组成的PSA-H2系统。在PSA 装置中，任一时刻总是有吸附器处于吸附步骤，由入口端通入原料，在出口端获得半产品氢气。每台吸附器在不同时间依次经历吸附、多次压力均衡降、逆向放压、抽空、多次压力均衡升和最终升压。吸附器所有的压力均衡降都是用于其它吸附器的压力均衡升以充分回收将被再生吸附器中的净化气。逆放步骤排出了吸附器中吸留的大部分杂质组分，剩余的杂质通过抽空步骤进一步解吸［4]。解吸气直接送往界外。半产品氢气经脱氧加热器升温后进入脱氧器反应，反应后氧含量小于10×10-6，再经冷却器将温度降至40 ℃以下后送出界外。

2 应用效果

中海油东方石化VPSA 氢提纯单元是600 kt/a液相柴油加氢装置的附属单元，配套13000 m³/h提纯氢气装置。该装置于2016年12月底开始试生产，装置生产运行平稳、氢气产品合格、氢气回收率较高，为进一步检验装置运行性能及能量消耗，在2017年3月28 日10:00 至3月30 日10:00 对该装置进行为期48 h的技术标定［5]。

2.1 标定条件

装置负荷：产品氢气130%负荷，5915 m³/h。

装置混合气进料量：11000 m³/h，其中烷基化尾气9250 m³脱硫后低分气流量1750 m³/h。

解吸气（燃料气）流量：5085 m³/h。

2.2 标定结果

（1）进出组分分析汇总见表1。

表1 进出组分分析汇总

（2）产品指标见表2。

表2 产品指标

（3）氢气收率计算

式中η—氢气回收率，%；FP、FF—分别为产品流量和原料流量，m3/h；XP、XF—分别为产品和原料中的氢气含量，%。

2.3 标定结论

（1）以氢流量计算，装置负荷为127%。

（2）装置在考核期间表现出良好的氢气回收性能，氢气回收率为87.57%，大于85%的设计值。

（3）装置性能考核期间产品质量均优于设计值，产品CO+CO2纯度≤6×10-6，产品氢纯度为99.85%，超过99%的设计值。

（4）产品质量表现出吸附剂良好的活性。

（5）装置标定期间能耗为5623 MJ/t（氢气）远小于设计值15066 MJ/t（氢气），主要是装置设计采用3台真空泵运行，实际只运行2台真空泵。

（6）装置性能考核期间装置运行平稳，真空泵运行稳定，产品气、解吸气流量平稳。

（7）通过VPSA装置把原来作为燃料气的烷基化尾气中的大部分氢气和全部解吸气进行回收，有效利用其热能，解吸气氢含量低于12%。

3 存在的问题

VPSA 装置管道振动较大。VPSA 装置解析气采用4 台真空泵（2 开2 备）将吸附塔内解析气抽负压实现吸附剂的再生，由于抽真空的过程随不同的吸附塔变化而呈周期变化，真空泵负荷忽大忽小，导致真空泵进、出口管线及相连管线振动较大。经与VPSA 技术提供方沟通，对振动管线加消振器处理，解决管线振动问题，消除安全隐患。

4 经济效益核算

按照装置互供料及岛内市场价格及VPSA 装置的运行成本初步核算：

烷基化尾气：9250 m³/h；氢气：3931 m³/h；烷基化尾气价格：0.9 m³/元；氢气价格:1.8 m³/元；氢气提纯费用:0.04 m³/元。

该套装置的年度经济效益为2873.5 万元（按照8500 h/a计算）。

5 结论

该乙苯装置的副产物烷基化尾气及600 kt/a柴油加氢反应低分气混合气体，通过VPSA 装置提纯氢气，解决了二期产品质量升级600 kt/a 柴油加氢装置氢源不足的问题，每年创造2873.5 万元的利润。通过48 h 的标定验证，该套装置负荷达到127%，氢气回收率高（87.57%）；产品质量优于设计值，杂质CO+CO2仅为6×10-6，产品氢纯度达到99.85%；能耗达标，推荐工业化应用。