论文部分内容阅读
摘 要：PSA技术，即Press swing adsorption技术，也就是变压吸附技术是气体分离技术的一种，它于上世纪60年代诞生至今，经过了一系列的完善及改进，已经被广泛应用于各个领域之中。特别是在化工分离领域的地位更是至关重要。本文通过对PSA技术的介绍以及PSA技术在提氢装置中的实际应用进行简单论述。
关键词：PSA技术 变压吸附 实际应用
高度自动化、优良的可靠性、操作简便、低成本、低能耗的PSA技术被广泛于各个领域，包括工业、环境工程等。国外从上世纪60年代开始致力于PSA技术的开发研究与应用，我国则是从70年代开始起步，在取得一定成绩的同时，与国外技术先进的企业仍然存在着一定的差距。因此，我们要对PSA技术进行深入研究，同时加大对其的改进与应用力度。
一、PSA技术概述
PSA技术的原理简单来说就是一个压力与循环的过程，即借助吸附柱的功能对多组分结构的混合气体的速率与吸附平衡产生相应影响，使其间存在一定的差异并实现快速吸脱附循环的一个过程，最终达到的是分离气体与循环使用吸附剂的目的与作用。这种技术方法被研究出以后，迅速以其产品高纯度、自动控制简易、低能耗等特点成为了化工分离领域中的重要技术之一。
从PSA技术的原理我们不难看出，其实PSA技术是基于平衡效应、动力学效应以及位阻效应实现的。而在PSA技术刚刚诞生的时候，只是被用于将低浓度组分从混合气体中去除。随着科学技术的快速发展，吸附剂技术与分离技术都得到了较大程度的改进与发展，极大地扩展了PSA的应用范围，从而真正实现了工业化净化分离多组气体。然而PSA技术虽然在不断地被改进与完善，但其所分离出的高纯度产品仍然只是如H2等弱吸附的组分，而对强吸附的组分产品则相对较少，造成这个问题的主要原因一方面是在吸附剂中其他组分与强吸附组分的分离系数过小，另一方面则是要解吸强吸附组分的难度较大。
目前我国的PSA技术水平已经能够提供规模范围从20Nm3/h到10万Nm3/h的PSA技术设备。除此之外，有关PSA技术的理论基础研究仍在我国各大院校或科研组织中得到深入研究，相信在这理论与实践的大力发展之下，我国的PSA技术必将得到稳定、长期的良好发展。
二、PSA技术的实际应用
1.概况
化肥制造企业兖矿峄山化工公司，其年生产能力4*104t的精甲醇、50*104t的尿素、30*104t的合成氨，属大型化工企业。为应对市场竞争、煤价上涨等各类外部因素对其的冲击，该公司基于内部挖潜、节能降耗、提升竞争力、取得更好的经济效益，在原生产设备的基础之上引进了一套利用PSA技术的提氢装置，其规模为10000Nm3/h，从而起到回收脱碳闪蒸气所含的氮、氢气并将其制成原料气以供合成氨使用。
2.工艺流程与设备
应用PSA技术于提氢领域的技术已经较为成熟，其借助吸附剂在不同压力条件下对所吸附质产生不同的吸附力、吸附速度与吸附容量且能够在特定压力条件下有选择性地吸附被分离混合物组分的特点，将闪蒸气里的杂质进行加压吸附消除，同时将杂质通过减压脱附后得到可循环利用的吸附剂。主要组成碳丙脱碳闪蒸气的成分包括氢气、氮气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳及水等。当达到特定的压力与温度时，吸附剂就会依次减少或减弱对闪蒸气组分的吸附容量与吸附力，具体来说就是闪蒸气与吸附剂产生反应后，其吸附的是在前的优先组分，如果在后的组分先期被其吸附，也会被在前优先组分替代。除此之外，吸附容量与吸附力也会随着吸附剂的不同而不同，通常情况下吸附与压力的关系表现为压力下降时，吸附容量相应减少，反之则吸附容量有一定增加。
整套设备包括φ2200*2700的吸附塔8台，2BEL-303极限真空的水环式真空泵1台，0.5MPa最高工作压力、40摄氏度、20立方米的产品缓冲罐1台，φ1500*6000的气水分离器1台以及洗涤塔1台。
其工艺流程为氢回收系统先将小于40摄氏度且为0.38MPa压力的闪蒸气进行吸纳，通过洗涤塔将其中的碳酸丙烯酯去除以后，由气水分离设备将游离水也去除，而后进入负责吸附的塔组，其通过床层的顺序为自下而上，其产品气在出塔后直接从氮氢压缩机的二段入口进入。在这个过程中，如果被吸附杂质浓度的前沿与床层出口相当接近时，则将产品气出口阀门与闪蒸气进口阀门同时关闭，暂停吸附作业，并进行均压回收作业两次，以起到对位于死角的产品进行回收的作用。随后降压，方向为反吸附向，这时排放出的就是易吸附的组分，即初步再生完成，残余吸附杂质则利用抽真空方法进行处理，最终得到完全再生的吸附剂。整个工艺流程完成后，逆向升压出口产品气与回收系统的均压气，直至其压力与吸附压力接近，便可直接进入下个吸附循环。而真空解吸气与逆放气则向大气排放。
3.实际运行及效果评估
经过试运行后，该套装置自2006年2月24日投入运营以来，其闪蒸气的输入流量范围达5000至8500Nm3/h，而产品气的输出流量范围则达2200至4000Nm3/h。
该公司购置利用PSA技术的提氢装置的投资成本为300万元，而吸附剂的投资成本则按10年计，即40万元。而在整套提氢装置运行过程中，其水资源消耗为12m3/h，电力消耗为90kW，氮氢气的回收量则可达3000Nm3/h，这就意味着合成氨的增产达到了1t/h。综合计算后，此套提氢装置年均增收效益800万，收回总投资半年即可实现。
三、结语
综上所述，PSA技术作为一种被广泛应用的气体分离技术，其优势也是相当明显的。随着科学技术的快速发展，PSA技术在各个领域也必将得到更多的实际应用，而通过上述PSA在提氢装置中的应用情况来看，该技术被改进与完善的空间还是很大的，我们必须通过经验的积累以及深入的理论研究，才能将其更好的应用于各方面，从而为企业取得更好的经济效益与社会效益打下良好的基础。
参考文献
[1]辜敏,鲜学福.变压吸附技术的应用研究进展.[J].广州化学.2006,31(2)
[2]李明华.PSA技术在提氢装置中的应用.[J].氮肥技术.2007,28(4)
[3]吴元刚.变压吸附(PSA)技术的应用及改造.[J].氮肥技术.2007,28(4)
作者简介： 边波，性别男，出生年月：1982.03.02，籍贯陕西.榆林，工作单位：陕西煤业化工集团神木天元化工有限公司，学历大学本科。研究方向：煤化工、煤焦油加氢、煤焦油延迟焦化、PSA提氢气、精酚抽提、一氧化碳变换 职称：助工。
关键词：PSA技术 变压吸附 实际应用
高度自动化、优良的可靠性、操作简便、低成本、低能耗的PSA技术被广泛于各个领域，包括工业、环境工程等。国外从上世纪60年代开始致力于PSA技术的开发研究与应用，我国则是从70年代开始起步，在取得一定成绩的同时，与国外技术先进的企业仍然存在着一定的差距。因此，我们要对PSA技术进行深入研究，同时加大对其的改进与应用力度。
一、PSA技术概述
PSA技术的原理简单来说就是一个压力与循环的过程，即借助吸附柱的功能对多组分结构的混合气体的速率与吸附平衡产生相应影响，使其间存在一定的差异并实现快速吸脱附循环的一个过程，最终达到的是分离气体与循环使用吸附剂的目的与作用。这种技术方法被研究出以后，迅速以其产品高纯度、自动控制简易、低能耗等特点成为了化工分离领域中的重要技术之一。
从PSA技术的原理我们不难看出，其实PSA技术是基于平衡效应、动力学效应以及位阻效应实现的。而在PSA技术刚刚诞生的时候，只是被用于将低浓度组分从混合气体中去除。随着科学技术的快速发展，吸附剂技术与分离技术都得到了较大程度的改进与发展，极大地扩展了PSA的应用范围，从而真正实现了工业化净化分离多组气体。然而PSA技术虽然在不断地被改进与完善，但其所分离出的高纯度产品仍然只是如H2等弱吸附的组分，而对强吸附的组分产品则相对较少，造成这个问题的主要原因一方面是在吸附剂中其他组分与强吸附组分的分离系数过小，另一方面则是要解吸强吸附组分的难度较大。
目前我国的PSA技术水平已经能够提供规模范围从20Nm3/h到10万Nm3/h的PSA技术设备。除此之外，有关PSA技术的理论基础研究仍在我国各大院校或科研组织中得到深入研究，相信在这理论与实践的大力发展之下，我国的PSA技术必将得到稳定、长期的良好发展。
二、PSA技术的实际应用
1.概况
化肥制造企业兖矿峄山化工公司，其年生产能力4*104t的精甲醇、50*104t的尿素、30*104t的合成氨，属大型化工企业。为应对市场竞争、煤价上涨等各类外部因素对其的冲击，该公司基于内部挖潜、节能降耗、提升竞争力、取得更好的经济效益，在原生产设备的基础之上引进了一套利用PSA技术的提氢装置，其规模为10000Nm3/h，从而起到回收脱碳闪蒸气所含的氮、氢气并将其制成原料气以供合成氨使用。
2.工艺流程与设备
应用PSA技术于提氢领域的技术已经较为成熟，其借助吸附剂在不同压力条件下对所吸附质产生不同的吸附力、吸附速度与吸附容量且能够在特定压力条件下有选择性地吸附被分离混合物组分的特点，将闪蒸气里的杂质进行加压吸附消除，同时将杂质通过减压脱附后得到可循环利用的吸附剂。主要组成碳丙脱碳闪蒸气的成分包括氢气、氮气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳及水等。当达到特定的压力与温度时，吸附剂就会依次减少或减弱对闪蒸气组分的吸附容量与吸附力，具体来说就是闪蒸气与吸附剂产生反应后，其吸附的是在前的优先组分，如果在后的组分先期被其吸附，也会被在前优先组分替代。除此之外，吸附容量与吸附力也会随着吸附剂的不同而不同，通常情况下吸附与压力的关系表现为压力下降时，吸附容量相应减少，反之则吸附容量有一定增加。
整套设备包括φ2200*2700的吸附塔8台，2BEL-303极限真空的水环式真空泵1台，0.5MPa最高工作压力、40摄氏度、20立方米的产品缓冲罐1台，φ1500*6000的气水分离器1台以及洗涤塔1台。
其工艺流程为氢回收系统先将小于40摄氏度且为0.38MPa压力的闪蒸气进行吸纳，通过洗涤塔将其中的碳酸丙烯酯去除以后，由气水分离设备将游离水也去除，而后进入负责吸附的塔组，其通过床层的顺序为自下而上，其产品气在出塔后直接从氮氢压缩机的二段入口进入。在这个过程中，如果被吸附杂质浓度的前沿与床层出口相当接近时，则将产品气出口阀门与闪蒸气进口阀门同时关闭，暂停吸附作业，并进行均压回收作业两次，以起到对位于死角的产品进行回收的作用。随后降压，方向为反吸附向，这时排放出的就是易吸附的组分，即初步再生完成，残余吸附杂质则利用抽真空方法进行处理，最终得到完全再生的吸附剂。整个工艺流程完成后，逆向升压出口产品气与回收系统的均压气，直至其压力与吸附压力接近，便可直接进入下个吸附循环。而真空解吸气与逆放气则向大气排放。
3.实际运行及效果评估
经过试运行后，该套装置自2006年2月24日投入运营以来，其闪蒸气的输入流量范围达5000至8500Nm3/h，而产品气的输出流量范围则达2200至4000Nm3/h。
该公司购置利用PSA技术的提氢装置的投资成本为300万元，而吸附剂的投资成本则按10年计，即40万元。而在整套提氢装置运行过程中，其水资源消耗为12m3/h，电力消耗为90kW，氮氢气的回收量则可达3000Nm3/h，这就意味着合成氨的增产达到了1t/h。综合计算后，此套提氢装置年均增收效益800万，收回总投资半年即可实现。
三、结语
综上所述，PSA技术作为一种被广泛应用的气体分离技术，其优势也是相当明显的。随着科学技术的快速发展，PSA技术在各个领域也必将得到更多的实际应用，而通过上述PSA在提氢装置中的应用情况来看，该技术被改进与完善的空间还是很大的，我们必须通过经验的积累以及深入的理论研究，才能将其更好的应用于各方面，从而为企业取得更好的经济效益与社会效益打下良好的基础。
参考文献
[1]辜敏,鲜学福.变压吸附技术的应用研究进展.[J].广州化学.2006,31(2)
[2]李明华.PSA技术在提氢装置中的应用.[J].氮肥技术.2007,28(4)
[3]吴元刚.变压吸附(PSA)技术的应用及改造.[J].氮肥技术.2007,28(4)
作者简介： 边波，性别男，出生年月：1982.03.02，籍贯陕西.榆林，工作单位：陕西煤业化工集团神木天元化工有限公司，学历大学本科。研究方向：煤化工、煤焦油加氢、煤焦油延迟焦化、PSA提氢气、精酚抽提、一氧化碳变换 职称：助工。