氢气吸附原理

1第一章前言本装置是采用变压吸附（简称PSA）法从富氢气流中回收或提纯氢气。改变操作条件可生产出不同纯度的氢气，氢气纯度最高可达99.999%以上。本装置采用气相吸附工艺，因此，原料气不应含有任何液体或固体。本说明中涉及到的压力均为表压，组成浓度为摩尔百分数，流量除专门标注外均为标准状态下的流量。第二章工艺说明本装置为四塔二次均压工艺流程，它的关键部分由四个吸附塔（以下简称A、B、C、D塔）和十八个气动角座阀和二只梭阀组成。另外在原料气输入管路上配置一个原料气缓冲罐（以下简称为E），在产品气输出管路上配置一个氢缓冲罐（以下简称F），使产品气能稳定地输出。一、工作原理和过程实施本装置采用变压吸附（PSA）分离气体的工艺，其原理是利用所采用的吸附剂对不同吸附质的选择性吸附和吸附剂对吸附质的吸附容量随压力变化而有差异的特性，在吸附剂选择吸附条件下，高压吸附除去原料中杂质组分，低压下脱附这些杂质而使吸附剂获得再生。整个操作过程是在环境温度下进行的。吸附剂的再生是通过三个基本步骤来完成的：1.吸附塔压力降至低压首先是顺着吸附的方向进行降压（以下简称为顺向放压），接着是逆吸附的方向进行降压（以下简称为逆向放压）。顺向放压时，有一部分吸附剂仍处于吸附状态。逆向放压时，被吸附的部分杂质从吸附剂中解吸出来，并被排除出吸附塔。2.用产品气在低压下冲洗吸附剂，以清除尚残留于吸附剂中的杂质。3.吸附塔升压到吸附压力，以准备再次分离原料气。本装置采用四塔二次均压变压吸附过程，即每个吸附塔在一次循环中均需要经历吸附（A）、一次均压（1ED），顺向放压（PP），二次均压（2ED），逆向放压（D）、一次升压（2ER），二次升压（1ER），以及最终升压（FR）等九个步骤，四2个吸附塔在执行程序的安排上相互错开，构成一个闭路循环，以保证原料连续输入和产品不断输出。整个过程主要由十八只气动角座阀和二只梭阀来实现。程控阀的功能说明如下：（见PSA-H2氢气提纯工艺流程图）高选阀——A、B、C、D塔出料和二次均压高选阀KVe，f——A、B塔产品输出，以C、D塔终充，对A、B塔均压，冲洗阀KVg，h——C、D塔产品输出，以A、B塔终充，对C、D塔均压，冲洗阀KVa，b，c，d——A、B、C、D塔进料阀KV–e，-f——二次均压阀KVi，j，k，l—逆向放压，冲洗排放切换阀KVm——二均阀KV-m——逆向排放阀A、B、C、D——吸附塔E——原料气缓冲罐F——氢缓冲罐现以A塔为例对工作过程进行说明：1.吸附（A）原料气通过气动角座阀KVa进入A塔，A塔在工作压力下吸附流入原料气中的杂质组分，未被吸附的产品组分H2通过气动角座阀KVe和高选阀流出，其中大部分作为产品从本系统中输出。剩余部分通过调节针阀和气动角座阀KVh向D塔进行最终级升压。吸附过程直至输出产品杂质浓度超过规定值时结束。2.一次降压平衡（1ED），简称：一次均压操纵气动角座阀KVa，切断进A塔原料气，同时操纵气动角座管阀KVf，使A塔与刚结束一次升压步骤的B塔以出口端相连，实行一次压力平衡，一次均压后A、B塔压力基本相等。回收了A塔的死空间的H2。3.顺向放压（PP），简称：顺放A塔完成一次降压平衡（1ED）步骤后，又操纵气动角座阀KVf，使B塔最终升压；A塔内剩余气体顺着出口方向通过气动角座阀KV–e，再通过调节针阀限流，然后再通过气动角座阀KV-g向刚完成逆向放压的C塔进行冲洗。当A塔压力降至规定值后，停止顺向放压，进行下一步骤。34.二次降压平衡（2ED），简称：二次均压操纵气动角座阀KV–e和KVm，使A塔剩余的气体流过选择阀G2进入C塔底部，实现二次均压后A、C塔压力基本相等，又进一步的回收了A塔的死空间的H2。5.逆向放压（D），简称：逆放A塔二次均压（2ED）结束后，操纵气动角座阀KVi和KV–m，使A塔内剩余的气体从塔的入口端排出放空，A塔进行脱附。6.冲洗（P）A塔逆放后，尚残留在踏内的杂质是利用D塔的顺放气，通过气动角座阀KVh，再通过调节针阀限流，然后再通过气动角座阀Kve向刚完成逆向放压的A塔床层进行冲洗，塔内杂质进一步脱附，冲洗脱附气通过气动角座阀KVi排出放空。7.一次升压平衡（2ER），简称：一次升压A塔冲洗步骤结束后，操纵气动角座阀KVm，使A塔排放处关闭，利用D塔顺放后的剩余压力对A塔进行顺向压力平衡。A塔压力升高直至两塔压力基本相等，此时回收D塔空间的H2。8.二次升压平衡（1ER），简称：二次升压在一次升压步骤结束后，操纵气动角座阀KVe处于中通状态，同时操纵气动角座阀KVf处于中通状态利用B塔的一次均压气对A塔进行压力平衡，A塔压力进一步提高。直至两塔压力基本相等，此时回收了B塔死空间的H2。9.最终升压（FR），简称：终充A塔的最终升压是用产品气来升压的，操纵气动角座阀KVe，使其与调节针阀连通。C塔通过气动角座阀KVg输出产品气，A塔的最终升压通过调节针阀与它连通，调节针阀是最终升压的限流阀，在规定时间内最终升压使A塔压力基本接近吸附压力。通过这一步骤后，再生过程全部结束，紧接着便进行下一次循环。其它三个塔的操作步骤与A塔相同，不过在时间上是相互错开的。同一时间4内各塔执行着不同的步骤。调节针阀用于吸附塔的顺放流量调节，使塔内压力在切换时达到规定值；另一调节针阀用于最终升压的流量调节，使之在切换时，升压压力接近吸附压力。两调节针阀，配合程序控制滑管阀按规定的程序操作及梭阀按逻辑关系动作，使变压吸附工艺过程能不断净化原料气，输出产品气。二、工艺流程中主要设备1.吸附塔（A、B、C、D）四个吸附塔是装置中的关键设备，本吸附塔结构设计成隔套式，分内塔和外塔，内塔与外塔串联工作，原料气进和产品气出全部设置在下部，与传统的直通式吸附塔结构完全不同。它的特点：不管在高速气流通过时，吸附塔的吸附剂基本上处于相对静止状态，大大地减小了吸附剂的磨损。吸附塔进出口设置了对冲式和旋式分布气，使气流分布更均衡。隔套式结构使吸附塔更加紧凑，在吸附工艺中，吸附时要产生吸附热，解吸时要吸收热，这种现象都将影响吸附效果，本隔套式结构在一定程度上解决了吸附热的平衡问题，提高了吸附剂的吸附能力。本吸附塔结构已申报专利。2.气动角座阀（KVa、KVb、KVc、KVd、KVe、KVf、KV-e、KV-f、KVg、KVhKV-g、KV-h、KVi、KVj、KVk、KVl）程控阀门是装置中又一种关键设备，整个制氢工艺过程要靠程控阀门的切换来完成。目前国内外在四塔二次均压的工艺流程中用22只程控阀来完成制氢工艺过程，并带来工艺流程配管复杂等，只要其中有一只程控阀出故障，装置就得停下来处理，运行可靠性差。现在我们采用了十八只气动角座阀组来替代22只程控阀，这样就减少了控制阀门，同时也简化了程控系统，提高装置的运行可靠性。三、工艺流程（参见附图PSA制氢流程图）从外管网或压缩机送入装置的压力≤1.6Mpa的原料气（例如弛放气），经阀到原料气贮罐（E）进行缓冲，通过气动角座阀KVa，b，c，d四个阀的其中一个分别进入四个内装吸附剂的吸附塔（A、B、C、D）组成的变压吸附系统。5原料气在变压吸附系统内，从一个塔的内塔自下而上，然后从外塔自上而下通过其中一个正处于吸附步骤的吸附塔，经选择吸附后，产品气从吸附塔出口端流出，通过阀Kve、KVf、KVg或KVh和高选阀输出，产品气经过吸附塔压力调节阀进入产品气缓冲罐（F），又通过手动阀送往后续纯化装置。吸附塔入口端排出的解吸气来自逆放和冲洗两个步骤，解吸气通过阀门KviKVj、KVk、KVl排出，再通过气动角座阀KV-m进入排放总管。排出的解吸气通过阻火器排到大气中或回收利用。在四个吸附塔的入口处，即原料贮罐顶部设置了超压安全保护。当设定压力超过设定值时，安全阀启跳排入放空总管，然后通过阻火器排入大气中。原料贮罐底部的球阀是置换时的排放阀，产品气贮罐置换时打开底部球阀排放阀，排放气都排到放空总管，然后通过阻火器排入大气中。在运行过程中，由于种种原因导致产品纯度不合格时，通过产品连续分析仪发出低纯度报警，手动将不合格气由限流放空阀门排出，等产品合格后，手动关闭限流阀，将合格的产品气回到氢贮罐F。系统设计了氮气置换阀，装置投运之前必须用氮气置换合格后，才能通入原料气。第三章程序控制系统及工艺过程参数检测系统配有一套程序控制系统；二套流量检测；一套产品组分检测报警；一套压力调节系统，装置各点的压力指示为弹簧管压力表。一、程序自动控制系统本装置共有十八只气动角座阀，均由程序控制器来控制和操纵。程控机上右边设有PSA流程示意图，指示灯显示阀门的各种状态。左边为西门子提供的控制操作面板，通过上面的操作键可以对工艺过程中每一步骤的工作时间任意设定，操作面板上方有液晶显示屏，显示四个吸附塔正在工作的各个状态，同时显示正在工作的时间。在液晶显示屏上有一路压力过高报警，一个信号报警显示提供操作人员注意。（一）面板下面操作键说明如下：6F1启动开关：是本控制器的投入工作的开关；F2停止开关：是本控制器停止工作的开关；F3暂停开关：暂停和退出暂停的开关；F4步进（点动键）：立即执行下一步程序；F5手动/自动（黑白开关）：自动：按操作面板设定值输出信号；自动：流程中阀位显示黑色，由手控开关输出信号；1、手控开关（黑白开关）：在手动状态时，由该开关控制输出，在自动状态时，手动开关无作用。F6首页：立即恢复最初画面；（二）面板显示内容：1、阀位显示：由黑白两种颜色显示气动角座阀的开关阀位状态（液晶显示屏显示黑色表示阀门开在哪个位置）。通过阀位指示操作人员可清楚地看出工艺流程中气体的流向。2、报警信号指示：在液晶显示屏上有一路压力过高报警，一个信号报警显示。3、吸附塔工作状态显示：在西门子的液晶显示屏上实时显示四个吸附塔的工作状态（中文显示）。4、工作时间显示：在西门子的液晶显示屏上同时显示每个工艺步骤正在执行的时间。每一步骤开始时从0到设定时间结束，切换到下一步骤后，又从0到设定时间结束。（三）自动切换系统：程序控制器电气转换器程序控制阀7程序控制器：是以它的切换时间为时间发信，切换时间由西门子提供的控制操作面板上的按键设定的时间来进行。切换程序要满足二次均压或四塔一次均压工艺要求，其程序编制在西门子S7-200可编程序控制器内（S7-200安装在箱体内），然后再由S7-200可编程序控制器输出控制信号（电压DC24V）。电气转换器：电气转换为电控滑阀，集中安装在现场的一只控制箱内，将电信号转换成气信号去控制程控阀。控制器输出信号为14路，电控滑阀为14只，14只电控滑阀安装在控制箱内的集成底板上。控制信号发出时仪表空气不断的排入箱内，控制箱始终保持正压，所以是安全的。程序控制阀：本装置采用十二只气动角座阀，每只气动角座阀由两个控制信号去操纵它，它共由二个工作状态（见操作面板布置图），操纵每个工作状态的控制信号的逻辑关系如下：a，a。滑管阀输出的4信号为0.4~0.6Mpa，通过管缆分别直接去操纵气动角座阀，滑管阀联接在PSA工艺流程中，通过它们的动作完成了PSA四塔二次均压的整个工艺过程。二、工艺过程参数检测：1、原料流量测量（FI-201）：在原料气贮罐出口装有一台流量计，指示原料气的进料量。2、产品气流量测量（FI-202）：该流量计指示产品气的输出量。3、产品气微氧检测（AIA-202）：产品微氧检测采用了一台在线连续分析仪，连续指示产品质量，并在产品质量下降到一定值时，发出联锁报警信号。4、吸附塔压力自动调节系统（PIC-201）：保证吸附塔在恒定的压力下工作，超过压力产品气自动输出，同时保证产品气流量计在恒定的压力下工作。5、压力检测：装置各点的压力测量均选用Z-100弹簧管压力表（测压点详见PSA氢气纯化带控制点流程图）。6、程序控制器：程序控制器是一台液晶显示屏，安装在仪表盘上，屏上有控制8面板（面板上的内容前面已述）和流程模拟图，仪表盘内装有西门子S7-200可编程序控制器和接线端子板，输出去控制电气转换。第四章PSA系统启动投运装置启动分初次开车和正常开车。初次开车前应