氢气PSA净化系统在HDPE装置的应用及优化

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【摘 要】本文介绍了氢气psa净化系统的精制原理及其在中沙（天津）石化有限公司hdpe装置的应用情况。探讨了氢气PSA净化系统的优化过程及结果，确定了最佳操作参数，达到了保证氢气产品质量的目标。

【关键词】PSA；氢气净化；高密度聚乙烯装置；优化

变压吸附技术（PSA）在我国得到快速发展。目前扩大氢的来源、开发新的制氢工艺及改进现有工艺，越来越受到石化企业的关注。而PSA技术已成为分离提纯氢气的有效途径。PSA工艺与传统制氢工艺相比，流程简单、投资省，氢气纯度达99.9%，排量不到传统工艺的10%，能耗低。

1 PSA氢气净化系统在HDPE装置的应用

中沙（天津）石化有限公司HDPE装置引进Ineos公司的Innovenes工艺，设计生产能力为30万吨/年（8000小时/年），氢气[1]作为分子量调节剂在聚合反应中使用氢气作为配位聚合有效的链转移剂被广泛的应用于聚烯烃工业生产中用以调节聚合物的相对分子量，除此之外，氢气还能导致催化剂活性的改变，对于不同的反应体系，对聚合速率有着一定的影响。

1.1 氢气PSA净化系统流程

100万吨/年乙烯及配套工程项目所使用氢气以乙烯装置产氢气为原料由管道送至HDPE装置界区，经精制后的氢气一路送至聚合反应器，另外一路送至聚丙烯聚合反应器。

氢气PSA净化过程中，原料氢气（纯度≥95%）在5.0MPa压力、40℃温度下经气液分离器分离机械水后由下而上通过吸附床层，其中微量相对较强吸附组份C2+、CO、CH4、O2等均被吸附剂吸附，停留在床层内，未被吸附的产品H2从吸附床层上部流出，得到产品气（纯度≥99.5%）。

1.2 PSA（变压吸附）原理

变压吸附技术是以吸附剂（多孔固体物质）内部表面对气体分子的物理吸附为基础，利用吸附剂在相同压力下易吸附高沸点组分、不易吸附低沸点组分和高压下吸附量增加（吸附组分）、减压下吸附量减少（解吸组分）的特性，将原料气在高压力下通过吸附剂床层，相对于氢的高沸点杂质组分被选择性吸附，低沸点组分的氢不易吸附而通过吸附剂床层，达到氢和杂质组分的分离，然后在减压下解吸被吸附的杂质组分使吸附剂获得再生，以于下一次再次进行吸附分离杂质。这种高压力下吸附杂质提纯氢气、减压下解吸杂质使吸附剂再生的循环便是变压吸附过程。

2 优化过程

2.1 分析影响氢气净化效果的重要因素[2]

1）吸附剂

因PSA装置杂质的脱除能力来源于吸附剂的处理能力，所以需要合理选用吸附剂，在使用过程中应注意保护吸附剂，延长使用寿命，保证吸附效果。

2）时间

在原料气流量及其他工艺参数不变的条件下，延长吸附时间就意味着进入吸附剂床层的杂质量越大，因吸附量不变，故穿透进入产品氢的杂质量将增大，会导致产品氢纯度下降；但是延长吸附周期会减少再生次数，氢气回收率提高。所以在调整过程中，应综合考虑。

3）压力

吸附压力越高，吸附剂对各种杂质的吸附量越大。在产品氢纯度不变的情况下，还可以提高氢气回收率。

2.2 吸附材料及填料

本净化系统共有各类填料及吸附剂共5种，其中起主要吸附作用的为TSA-193，其他吸附剂也有一定的吸附功效，主要作用为支撑填料，防止升降压造成翻床、吸附剂随物料带入下游系统。

2.3 操作时间的调整

TSA-193对甲烷的吸附能力很强，时间短、吸附量大，因该装置以保证氢气纯度为目标，故参考如下几点对运行时间进行了调整。

1）PSA装置中的物料是动态运行的，静态数据只能作为参考值，在时间调整中过程中，往往成倍增加。

2）国内已经建成并运行的氢气PSA净化装置中压力最高仅能达到4.0mpa.g，大多数此类装置压力为3.0-4.0mpa.g。在如此高的变压吸附条件下，势必会增加塔的台数，以及增加升降压次数。尤其是塔的台数导致 “死空间” 增加，需要延长解吸附时间，进而需增加吸附时间。而脱除“死空间”中的微量杂质（ppm级别）要比脱除大量吸附杂质要难得多，也需要成倍延长吸附时间。

3）净化后氢气中的杂质（CO/CO2）含量要求达到1ppm，产品要求规格高。而CO穿透能力较强，吸附时间如果不够会造成CO穿透至产品中，无法保证产品质量。

4）在保证产品质量合格的情况下，尽量延长吸附时间，提高氢气回收率。因PSA变压吸附是动态平衡过程，吸附剂适应新的平衡需要一个过程，调整速度慢，平衡一旦被打破，极易造成杂质穿透，吸附周期要恢复到比调整之前还要短。所以在调整过程中，每次调整幅度为1秒，调整间隔至少2天，间隔越长越好，必要情况下以月为间隔调整。

2.5 效果验证

表5 原料气及产品气组分离线分析数据

2.6 延长吸附剂使用寿命的注意事项

1）吸附剂压力的快速变化能引起吸附剂床层的松动或压碎从而危害吸附剂。所以，在操作过程中要防止使吸附器的压力发生快速变化。

2）进料带水、带油是危害吸附剂使用寿命的一大因素，所以进料气要经过严格脱水，注意原料气水分离器适时排水，避免发生液体夹带。

3）进料组分不在设计规格的范围内也会造成对吸附剂的损害，严重时可能导致吸附剂永久性的损坏。当进料气出现高的杂质浓度时，应缩短吸附时间，以防止杂质超载。正常情况下吸附时间太短，则不能充分利用吸附剂，达不到应有的氢收率，造成浪费。

4）进料温度过高影响吸附剂的吸附能力，易造成杂质超载，温度过低影响再生，所以要保证进料温度在要求的范围内。

5）合理调整吸附时间，及时处理故障报警，防止发生杂质超载。杂质超载严重时，可导致吸附剂永久性损坏。

3 结束语

随着技术人员的不断摸索和总结，氢气PSA净化系统的运行越来越成熟，在氢气PSA净化系统的调试和优化阶段，高密度聚乙烯装置的生产操作没有出现大的波动，生产平稳，各产品质量合格。因此氢气PSA净化系统的应用及优化措施，保证了氢气的产品质量，达到了提高氢气回收率的目标，方案切实可行。

【参考文献】

[1]于鹏，徐玲，华静，陈滇宝.氢气在配位聚合中的作用[J].中国材料科技与设备，2009，6（03）.

[2]许庆本，高健康.变压吸附提纯氢气及其影响因素[J].甘肃科技，2008，6：24（12）.