变压吸附工艺分析

变压吸附工艺分析

变压吸附(PSA)气体分离装置中的吸附主要为物理吸附。变压吸附气体分离工艺过程的实现主要是依靠吸附剂在吸附过程中所具有的两个基本性质:一是对不同组分的吸附能力不同,而是吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压上升而增加,随吸附温度的上升而下降。利用吸附剂的第一个特性,实现了对混合气体中某些组分的分离、提纯;利用吸附剂的第二个性质,实现吸附剂在低温高压下吸附、在高温低压下解吸再生。【有机废气处理】

一、基本原理

任何一种吸附对于同一被吸附气体(吸附质)来说,在吸附平衡情况下,温度越低,压力越高,吸附量越大。反之,温度越高,压力越低,则吸附量越小。因此,气体的吸附分离方法,通常采用变温吸附或变压吸附两种循环过程。

如果压力不变,在常温或低温的情况下吸附,用高温解吸的方法,称为变温吸附(简称TSA)。显然,变温吸附是通过改变温度来进行吸附和解吸的。变温吸附操作是在低温(常温)吸附等温线和高温吸附等温线之间的垂线进行,由于吸附剂的比热容较大,热导率(导热系数)较小,升温和降温都需要较长的时间,操作上比较麻烦,因此变温吸附主要用于含吸附质较少的气体净化方面。【废气处理】

如果温度不变,在加压的情况下吸附,用减压(抽真空)或常压解吸的方法,称为变压吸附。变压吸附操作由于吸附剂的热导率较小,吸附热和解吸热所引起的吸附剂床层温度变化不大,故可将其看成等温过程,它的工况近似地沿着常温吸附等温线进行,在较高压力下吸附,在较低压力下解吸。变压吸附既然沿着吸附等温线进行,从静态吸附平衡来看,吸附等温线的斜率对它的是影响很大的。

吸附常常是在压力环境下进行的,变压吸附提出了加压和减压相结合的方法,它通常是由加压吸附、减压再组成的吸附一解吸系统。在等温的情况下,利用加压吸附和减压解吸组合成吸附操作循环过程。吸附剂对吸附质的吸附量随着压力的升高而增加,并随着压力的降低而减少,同时在减压(降至常压或抽真空)过程中,放出被吸附的气体,使吸附剂再生,外界不需要供给热量便可进行吸附剂的再生。因此,变压吸附既称等温吸附,又称无热再生吸附。【废气处理】

在实际生产中根据原料气的组成、压力机产品净化要求的不同可选择PSA、TSA或PSA+TSA工艺。变压吸附根据降压解吸方式的不同分为两种工艺:PSA与真空变压吸附(VPSA)。在实际生产种,究竟采用何种吸附工艺,主要根据原料气的组成性质、压力、流量、产品的要求等决定。变压吸附(Pressure Swing Adsorption)分离技术是一种低能耗的气体分离技术。变压吸附(PSA)工艺所要求的压力一般在0.1～2.5MPa,允许压力变化范围较宽,一些有压力的气源,如氨厂弛放气、变换气等,本身的压力可满足变压吸附(PSA)工艺的要求,可省去再次加压的能耗。对于处理这类气源,PSA制氢装置的消耗仅是照明、仪表用电及仪表空气的消耗,能耗很低;PSA装置压力损失很小,一般不超过0.05MPa。

变压吸附循环是吸附和再生的循环,吸附过程是吸附剂在加压时吸附混合气中的某些组份,未被吸附组份通过吸附器层流出,当吸附剂被强吸附组分饱和以后,吸附塔需要进入再生过程,也就是解吸或脱附过程。在变压吸附过程中吸附器内吸附剂解吸是依靠降低杂质分压实现的,在工业装置上可以采用的方法有:

1)降低吸附器压力(泄压)

2)对吸附器抽真空

3)用产品组分冲洗常压解吸:升压过程(A-B): 经逆放解吸再生后的吸附器处于过程的最低压力P1、床内杂质吸留量为Q1(A点). 在此条件下用产品组分升压到吸附压力P3,床内杂质吸留量Q 1不变(B点).【变压吸附】

吸附过程(B-C): 在恒定的吸附压力下原料气不断进入吸附器,同时输出产品组分. 吸附器内杂质组分的吸留量逐步增加,当到达规定的吸留量Q3时(C点)停止进入原料气,吸附终止. 此时吸附器内仍预留有一部分未吸附杂质的吸附剂(如吸附剂全部被吸附杂质,吸留量可为Q4,C’点)。【有机废气处理】

顺放过程(C-D): 沿着进入原料气输出产品的方向降低压力,流出的气体仍为产品组分,用于别的吸附器升压或冲洗. 在此过程中,随床内压力不断下降,吸附剂上的杂质被不断解吸,解吸的杂质又继续被未充分吸附杂质的吸附剂吸附,因此杂质并未离开吸附器,床内杂质吸留量Q3不变. 当吸附器降压到D点时,床内吸附剂全部被杂质占用,压力为P2。

逆放过程(D-E): 开始逆着进入原料气输出产品的方向降低压力,直到变压吸附过程的最低压力P1(通常接近大气压力),床内大部分吸留的杂质随气流排出器外,床内杂质吸留量为Q2。

冲洗过程(E-A): 根据实验测定的吸附等温线,在压力P1下吸附器仍有一部分杂质吸留量,为使这部分杂质尽可能解吸,要求床内压力进一步降低. 在此利用别的吸附器顺向降压过程排出的产品组分,在过程最低压力P1下进行逆向冲洗不断降低杂质分压使杂质解吸并随冲洗气带出吸附器. 经一定程度冲洗后,床内杂质吸留量降低到过程的最低量Q1时,再生终止. 至此,吸附器完成了一个吸附—解吸再生过程,再次升压进行下一个循环。【废气处理】

真空解吸:

升压过程(A-B): 经真空解吸再生后的吸附器处于过程的最低压力P0、床内杂质吸留量为Q1(A点). 在此条件下用产品组分升压到吸附压力P3,床内杂质吸留量Q 1不变(B点)。吸附过程(B-C): 在恒定的吸附压力下原料气不断进入吸附器,同时输出产品组分. 吸附器内杂质组分的吸留量逐步增加,当到达规定的吸留量Q3时(C点)停止进入原料气,吸附终止. 此时吸附器内仍预留有一部分未吸附杂质的吸附剂(如吸附剂全部被吸附杂质,吸留量可为Q4,C’点)。

顺放过程(C-D): 沿着进入原料气输出产品的方向降低压力,流出的气体仍为产品组分,用于别的吸附器升压或冲洗. 在此过程中,随床内压力不断下降,吸附剂上的杂质被不断解吸,解吸的杂质又继续被未充分吸附杂质的吸附剂吸附,因此杂质并未离开吸附器,床内杂质吸留量Q3不变. 当吸附器降压到D点时,床内吸附剂全部被杂质占用,压力为P2。

逆放过程(D-E): 开始逆着进入原料气输出产品的方向降低压力,直到变压吸附过程的最低压力P1(通常接近大气压力),床内大部分吸留的杂质随气流排出器外,床内杂质吸留量为Q2。【有机废气处理】

抽空过程(E-A): 根据实验测定的吸附等温线,在压力P1下吸附器仍有一部分杂质吸留量,为使这部分杂质尽可能解吸,要求床内压力进一步降低. 在此利用真空泵抽吸的方法降低杂质分压使杂质解吸并随抽空气带出吸附器.抽吸一定时间后,床内压力为P0,杂质吸留量降低到过程的最低量Q1时,再生终止。至此,吸附器完成了一个吸附—解吸再生过程,再次升压进行下一个循环。

二.变压吸附脱炭

变压吸附基本工作原理：是利用吸附剂对吸附质在不同的分压下有不同的吸附容量、吸附速度和吸附力,并且在一定压力下对被分离的气体混合物的各组分有选择吸附的特性,加压吸附除去原料气中的杂质组分,减压脱附这些杂质而使吸附剂获得再生。因此,采用多个吸附床,循环地变动所组合的各吸附床压力,就可以达到连续分离气体混合物的目的。

合成氨变换气中主要组分为:水(汽)、有机硫、无机硫、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氮、氩及氢气。这些气体组分在物理吸附剂上的吸附能力和吸附量,在一定的温度和压力下依次减弱和减少。当变换气通过吸附床层时,在前的组分优先被吸附,即使吸附剂已经吸附了在后的组分,在前的组分也会把它顶替出来。难吸附组分氢、氮、甲烷、一氧化碳等气体很少被吸附,从吸附塔出口端排出,做为脱除了二氧化碳的气体输出。在吸附床降压时,被吸附的二氧化碳等气体解吸出来,同时吸附剂获得再生。【废气处理】

装置主要类型:

由于用途不同,变压吸附脱碳装置可分为三种类型:单纯脱除二氧化碳获得净化气的装置;脱除变换气中的二氧化碳并联产食品级液体二氧化碳的装置;同时制取脱碳净化气和纯度为98%的气体二氧化碳的装置。

(1)PSA脱碳装置目前中小型合成氨厂采用最多的仍是单纯脱除CO2获得净化气的PSA装置,以替代传统的湿法脱碳。根据氨厂的不同需要又分为两种工艺,一种是替代碳化以增产液氨为目的的脱碳工艺。变换气经PSA脱碳后净化气中CO2含量小于0.2%,直接进精炼工序。目前此类装置运行情况,氢回收率﹥97%,净化气中氢氮比在3.0左右,并且在脱除CO2的同时,还将大部分杂质如CH4、CO、H2S脱除,减小了后续工段的负担。另一种是用于与联醇装置配套的工艺。由于净化气用于联醇生产,考虑到甲醇合成催化剂的寿命和尽可能提高CO的回收率问题,一般将脱碳净化气中的CO2含量控制在1%~5%的水平。目前此类装置运行情况,氢回收率﹥98%,CO回收率90%。在脱除CO2的同时,还将变换气中的硫化物脱除到0.1mg/m3(标)的水平,原料气中所含微量氯、氨、水、砷等杂质可同时脱除。

(2)脱碳并联产液体CO2装置将来自PSA脱碳装置的解吸气在常压状态下进入压缩机,加压到一定的压力后首先进行预处理,除去解吸气中所含的各类硫化物、微量的砷、氟、氯等以及饱和水,以满足食品级CO2的要求。预处理后的气体冷却到0℃以下,使解吸气的CO2成为液体,然后进入提纯塔使CO2和其他气体分离,最后在提纯塔底部得到纯度为99.5%~99.999%的食品级液体CO2产品。

(3)脱碳并同时制取纯CO2装置,该装置是由提纯系统和净化系统两部分组成,两系统均采用多塔PSA工艺。变换气通过提纯系统将CO2浓度富集到98.5%以上,供尿素装置使用。出提纯系统的中间气进入净化系统,净化系统将中间气中的CO2进一步净化到0.2%以下,以保证合成氨生产需要。两段法变压吸附脱碳的主要特点是,第一段脱除大部分二氧化碳,出口气中二氧化碳控制在8-12%,吸附结束后,通过多次均压步骤回收吸附塔中的氢氮气。多次均压结束后,吸附塔内还有0.06MPA(表)的压力,然后逆着吸附方向降压放空,直到吸附塔内压力放到常压为止,二氧化碳被排放出来,其浓度大于98%吸附剂得到初步再生。吸附得到初步再生。吸附塔逆放结束后,先与中间气缓冲罐连通,用中间气缓冲罐中的氢氮气对吸附塔升压,直到中间气缓冲破罐与吸附塔的压力平衡为止再用均压和产品气对床层逆向升压至接近吸附压力,吸附床便开始进入下一个吸附循环过程。经过对第一段脱碳工业装置的分析,多次均压结束后,吸附塔还有0.06Mpa(表)的压力,吸附塔解吸气中的二氧化碳含量平均大于98%其它为氢气,氮气,一氧化碳及甲院:第二段将第一段吸附塔出口气中的二氧化碳脱至0.2%以下,吸附结束后通过多次均压步骤回收吸附塔中的氢氮气。多次均压结束后,吸附塔内还有0.09MPA(表)的压力)吸附压力为0.8MPA时),通过降压入入中间缓冲罐,直到吸附塔内压力与中间缓冲罐压力平衡为止,此时,吸附塔内压力在0.005-常压MPA之间。再生结束后,用均匀气和产品气对床野逆向升压至接近吸附压力,吸附床便开始进入下一个吸附循环过程。第二段吸附塔均压结束后,吸附塔内的有效气体没有直接放空,而是利用中间缓冲罐将其返回到第一段吸附塔加以回收。【有机废气处理】

三、变压吸附制氧

变压吸附制氧的基本原理是利用空气中的氮和氧在吸附剂上因压力不同而吸附性能的差异来选择性吸附进行氧氮分离,吸附氮气及其它杂质,产出氧气。根据吸附分离的吸附和解吸压力的不同,通常可将常温变压吸附制分离制氧工艺分成三种不同的工艺方式。

1、常压解吸变压吸附制氧(PSA-O2):与空气变压吸附分离制氮流程相似,一定压力(0.3 MPa ～0.55MPa)的压缩空气经空气预处理系统除去油、尘及大部分的汽态水份后,洁净空气进入PSA-O2系统吸附塔,洁净空气中大部分的氮气、二氧化碳、残余水份被吸附,氧气则被分离出来。当吸附塔内被吸附的杂质组份达到设定控制值时,通过常压脱附解吸,使该吸附塔的制氧吸附剂再生。由两塔组成的吸附分离系统在DCS系统的控制下通过程控阀门的起闭而循环切换完成连续制氧,该制氧流程通常称为变压吸附常压解吸制氧流程(PSA-O2)。【废气处理】

2、真空解吸变压吸附制氧(VPSA-O2):经鼓风机鼓风输送低压的原料空气(25KPa-39KPa),净化除去粉尘后进入吸附塔,吸附塔为两塔或三塔体系,吸附塔产品气为氧气。空气中的氮气、二氧化碳、水蒸气被吸附达到设定控制值后,由于吸附压力较低,先通过常压解吸,再经过真空泵抽真空达到一定真空度,使吸附塔内吸附剂杂质彻底脱附再生。由两塔或三塔组成的吸附分离制氧系统在PLC或DCS系统的控制下,程控阀循环切换完成连续产氧,该流程通常称真空解吸变压吸附制氧流程(VPSA-O2)。

3、真空解吸制氧(VSA-O2):经鼓风机鼓风输送低压的原料空气(15KPa ～19KPa),净化除去粉尘后进入吸附塔,吸附塔为两塔或三塔体系,吸附塔产品气为氧气。空气中的氮气、二氧化碳、水蒸气被吸附达到设定控制值后,由于吸附压力较低,先经常压解吸,再经真空泵抽真空达到一定真空度进行真空解吸,彻底脱附再生吸附塔内分子筛杂质。由两塔或三塔组成的吸附分离制氧系统PLC或DCS系统的控制下,程控阀循环切换完成连续产氧,该流程通常称真空解吸制氧流程(VSA-O2),设备规模更大,经济性更强。