郭萬(wàn)冬，張瑜

（天津渤化石化有限公司，天津?yàn)I海新區(qū)300452）

丙烷脫氫制丙烯工藝中，生成產(chǎn)品丙烯的同時(shí)，副產(chǎn)同等摩爾量的氫氣，混合在乙烷、乙烯、一氧化碳、甲烷等的混合尾氣中，如采用適當(dāng)?shù)姆蛛x手段，可獲得大量的高純度氫氣，做為產(chǎn)品出售能獲取更大經(jīng)濟(jì)效益。PSA做為高效低能耗的氫氣提純技術(shù)，被優(yōu)先考慮應(yīng)用在丙烷脫氫尾氣提純氫氣的工藝中，實(shí)際運(yùn)行考察效果良好。

1 PSA變壓吸附原理

1.1 概述

PSA即變壓吸附技術(shù)（Pressure Swing Adsorption.簡(jiǎn)稱PSA），是一種新型氣體吸附分離技術(shù)，與膜分離法、低溫分離法相比，其具有能耗低、可靠性高、操作維護(hù)簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高和產(chǎn)品純度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化工、能源、冶金和環(huán)境等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。

1.2 PSA變壓吸附原理

PSA變壓吸附是以多孔性固體吸附劑（吸附劑是分子篩和活性炭，通常兩種吸附劑組合使用）內(nèi)部表面對(duì)氣體分子的物理吸附為基礎(chǔ)，在兩種壓力狀態(tài)之間工作的可逆的物理吸附過(guò)程，它是根據(jù)混合氣體中雜質(zhì)組分在高壓下具有較大的吸附能力，在低壓下又具有較小的吸附能力，而理想的組分H2則無(wú)論是高壓或是低壓都具有較小的吸附能力的原理。在高壓下，增加雜質(zhì)分壓以便將其盡量多的吸附于吸附劑上，從而達(dá)到高的產(chǎn)品純度。吸附劑的解吸或再生在低壓下進(jìn)行，盡量減少吸附劑上雜質(zhì)的殘余量，以便于在下個(gè)循環(huán)再次吸附雜質(zhì)。

1.3 PSA變壓吸附適用范圍

適用于采用PSA進(jìn)行分離的混合氣體應(yīng)具備如下特點(diǎn)：混合氣體中各組分必須是在相同的吸附壓力下具有不同的吸附能力，不希望的組分應(yīng)當(dāng)是在較高的壓力下具有較大的吸附能力，而在較低的壓力下，又具有較小的吸附能力。吸附能力相差越大便越容易分離。而希望的組分應(yīng)當(dāng)是非吸附性的，或吸附能力很小，且隨壓力變化吸附能力變化不大。

1.4 PSA變壓吸附的吸附順序

分子篩對(duì)一般氣體的吸附順序是：

活性炭對(duì)一般氣體的吸附順序是：

1.5 分子篩和活性炭的區(qū)別

活性炭對(duì)二氧化碳的吸附能力很大，而且吸附量隨壓力的升降變化十分明顯，是二氧化碳的良好的吸附劑，分子篩則不然，它在低壓下就大量吸附二氧化碳，而且隨壓力升高吸附量變化不明顯，在低壓下脫附困難，故不能作二氧化碳的吸附劑?；钚蕴亢头肿雍Y都可用作一氧化碳的吸附劑，活性炭的高壓吸附量比分子篩的大，低壓脫附容易，但是分子篩的吸附能力更強(qiáng)，適用于要求產(chǎn)品中一氧化碳很低的情況。分子篩和活性炭都適于在PSA中吸附甲烷，它們?cè)趬毫ψ兓认嗤瑫r(shí)，平衡吸附量的變化基本相同，而分子篩對(duì)甲烷的吸附能力更強(qiáng)。

2 丙烷脫氫工藝中氫氣的產(chǎn)生

2.1 丙烷脫氫流程圖

圖1

2.2 丙烷脫氫產(chǎn)生氫氣的機(jī)理

丙烷脫氫的主反應(yīng)：

丙烷脫氫副反應(yīng)：

從丙烷脫氫的反應(yīng)過(guò)程可以看出，主反應(yīng)與副反應(yīng)均有氫氣生成，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣的摩爾量與生成的丙烯摩爾量大致相等，以某600KTA產(chǎn)能丙烷脫氫裝置為例，年可副產(chǎn)氫氣28000多t氫氣，折合體積流量在40000Nm3以上，有很大的提純利用價(jià)值。

3 丙烷脫氫尾氣提氫PSA裝置的應(yīng)用

3.1 PSA設(shè)計(jì)概述

以國(guó)內(nèi)某600KTA產(chǎn)能丙烷脫氫裝置為例，設(shè)計(jì)PSA達(dá)到將副產(chǎn)氫氣提純成高純氫的能力，具體工藝流程如下：

該P(yáng)SA裝置處理能力大于55000Nm3原料氣，開(kāi)工率8000h/a以上，操作彈性（對(duì)原料氣）30%～115%，裝置由10臺(tái)吸附塔、一臺(tái)順?lè)艢夤?、一臺(tái)逆放氣罐、一臺(tái)解析氣罐、和一臺(tái)原料氣緩沖罐組成；另銜接丙烷脫氫主裝置，配套原料壓縮機(jī)25000Nm3處理能力以上兩套為PSA提供3.0MPaG的吸附壓力，解析氣壓縮機(jī)15000Nm3處理能力以上一套為尾氣增壓至0.4MPaG壓力回燃料氣系統(tǒng)。

3.2 PSA工藝過(guò)程

該裝置共由10臺(tái)吸附塔組成，吸附塔的整個(gè)吸附與再生過(guò)程通過(guò)83臺(tái)高可靠性程控閥門按一定的工藝步序和順序進(jìn)行開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)吸附塔都執(zhí)行13步的步序操作，即吸附、一均降、二均降、三均降、四均降、順?lè)?、逆放、沖洗、四均升、三均升、二均升、一均升、產(chǎn)品氫終升等。正常運(yùn)行時(shí)為10-2-4模式，即10塔運(yùn)行，2臺(tái)始終處于吸附狀態(tài)，4臺(tái)吸附塔在均壓階段，其余4臺(tái)處于其它的再生不同階段。出現(xiàn)局部故障時(shí)可自動(dòng)或手動(dòng)切塔運(yùn)行，切塔后可自動(dòng)9-2-3、8-2-3、7-2-2、6-1-2、5-1-2模式運(yùn)行，但若要保持純度不變，處理能力將相應(yīng)減小。

3.3 原料組分

圖2

3.4 產(chǎn)品氫指標(biāo)

經(jīng)過(guò)10000 h以上的運(yùn)行后，總結(jié)相關(guān)產(chǎn)品分析數(shù)據(jù)，均能達(dá)到既定的產(chǎn)品指標(biāo)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)力度的不斷加大，清潔能源的應(yīng)用得到社會(huì)各界越來(lái)越多的重視。氫能做為環(huán)境友好的零污染潔凈能源，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。丙烷脫氫制丙烯工藝中副產(chǎn)的大量氫氣是難得的氫原料資源，提制高純氫條件充分可積極開(kāi)發(fā)。本文就PSA技術(shù)在丙烷脫氫工藝尾氣精制氫氣領(lǐng)域給出一個(gè)成功的應(yīng)用案例，可為本行業(yè)同類裝置的氫氣制取提供可靠的參考和借鑒。