变压吸附（PSA）脱碳系统运行优化

杨战波， 杨 勇， 曹洪刚

（河南煤业化工集团中原大化公司，河南 濮阳 457004）

引 言

河南省中原大化有限责任公司乙二醇项目变压吸附装置自2012年8月份投产以来，低负荷生产稳定，在高负荷试车中出现了脱碳工段出口CO2含量超标，进而影响后续CO工段产品气纯度，造成无法提高负荷。此后，对装置进行技改和运行调整，再次开车过程中未高负荷运行，装置运行稳定，CO2没有超标现象。为应对全年度高负荷生产需要，对系统进行分析，寻找系统存在的工艺技术隐患，寻找最适合的操作方法，预防工艺事故再次出现。

1 脱碳工序简介

1.1 工艺说明

在变压吸附过程中吸附床内吸附剂解吸是依靠降低杂质分压实现的。本装置采用的方法是：降低吸附床压力（泄压）及冲洗解吸。变压吸附循环中吸附、解吸过程示意图见图1［1］。

升压过程（A－B）：经解吸再生后的吸附床处于过程的最低压力P1，床内杂质吸附量为Q1（A点）。在此条件下用产品组分升压到吸附压力P3，床内杂质吸附量Q1不变（B点）。

图1 变压吸附循环中吸附－解吸过程示意图

吸附过程（B－C）：在恒定的吸附压力下原料气不断进入吸附床，同时输出产品组分。吸附床内杂质组分的吸留量逐步增加，当到达规定的吸留量Q3（C点）时停止进入原料气，吸附终止。此时，吸附床内仍预留有一部分未吸附杂质的吸附剂（如吸附剂全部吸附杂质，吸附量可为Q4，C′点）。

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塔外，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下吸附床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CO制取和氢制取工段的不含CO2等杂质气的尾气对吸附床进一步置换和冲洗，从而达到吸附剂再生的目的，床内杂质吸留量降低到过程的最低量Q1时，再生终止。至此，吸附床完成一次吸附－解吸再生过程，再次升压进行下一次循环［1］。

PSA－CO2／R工序采用14－3－8／P工艺运行，即，3台吸附器处于进入原料气、产出半产品气的吸附步骤，其余11台吸附器处于吸附剂再生的不同步骤。14座塔在程序安排上相互错开，以保证原料气连续输入、半产品气连续输出。

1.2 吸附剂介绍

脱碳吸附剂有多种，根据工艺对产品气分离的要求，本装置脱碳选择了硅胶作为主要吸附剂，其对CO2的吸附容量、穿透曲线、动态吸附性能、吸附选择性等比较适合工艺条件的要求。

2 PSA－CO2／R脱碳工序影响因素分析

2.1 空速因素影响分析

空速主要是吸附步骤原料气进气速度与工段吸附时间的比值，PSA－CO2／R 采用14－3－8工艺运行，运行中共14个分周期，其中吸附占用3个分周期，利用调整分周期长短控制空速的大小。

图2为空速与脱碳气CO2含量运行图。通过数据分析，空速对半产品气CO2含量的影响不大，但是空速的相对变化量对CO2产品气影响较大，期间出现的CO2含量上升，均由于在负荷较高情况下空速调整速度过快，造成工段出口产品气中CO2含量异常上升。由于吸附时空速的调整与解析气量的平衡影响着工段出口的CO2含量，吸附空速的调整过快会打破与解析的平衡，造成CO2的超标。

图2 空速与脱碳气CO2含量运行图

图2 出现的CO2超标问题原因是空速短时间变量大，造成CO2穿越吸附塔，形成饱和吸附，解析困难。由于CO2含量对空速调整有一定的滞后性，空速调整过快、幅度过大以及生产负荷均对系统解析造成影响。随着空速的增大，其调整幅度和速度要逐渐降低。

2.2 温度因素影响分析

在运行过程中经历不同季节，受环境温度的影响，装置运转及控制条件情况也有较大差别。环境温度对生产的影响主要是吸附床层温度低对吸附剂性能的影响。低温有利于吸附但同时不利于解析，温度降低到一定程度会造成吸附和解析的失衡，造成出口端产品气CO2超标。控制合适的床层温度才能保持吸附剂正常工作。温度与脱碳气的运行图如图3。本工段采用的吸附剂最佳工作温度范围在20℃～40℃。在本装置工作的当地环境温度冬夏温差较大，夏季工作时，吸附温度20℃～30℃，冲洗温度20℃～35℃，吸附剂工作运行较好；冬季及低温环境下吸附温度下降至5℃～15℃，解析时冲洗的工作温度为0℃～15℃，吸附剂吸附与解析难以平衡，出口产品气CO2含量难以控制，影响负荷的提高。通过10月～12月2个运行时段不同工作温度下装置运行的分析，寻求吸附平衡的最佳控制范围。

图3 温度与脱碳气CO2运行图

通过2段运行情况分析，温度因素对CO2超标有一定影响，其中解析气温度对CO2含量的影响最明显，温度降至10℃以下后低温解析难度增大，通过调整空速和冲洗气量能降低出口CO2含量，但其对空速有明显限制作用，对后续负荷提高和控制影响较大。另一方面，在CO2超标后，吸附剂过饱和后低温难以解析，在负荷30%左右时能达到最大平衡，提高空速即打破解析和吸附的平衡。

2.3 组分因素影响分析

原料气组分的变动对分离会造成一定的影响，由于变压吸附是利用平衡浓度和分压变化的原理来工作的，吸附剂吸附能力相对变化较小，单一组分含量超出设计工作范围或在稳定工况下异常升高会造成出口端含量超标。根据设计，本装置原料气组分如表1。

表1 原料气组成

主要组分变动对生产的影响：H2和CO组分变动对半产品质量影响较小，对半产品H2和CO组分比例产生一定的影响，后续工段需根据变化调整吸附时间，保障产品气量的连续稳定。

由于后续CO制取工段吸附剂对N2、CH4与CO的分离系数相差较小，分离较难，N2、CH4浓度产生波动对后续CO产品的质量有较大影响，虽根据原料气设计组分浓度不超范围，但是短时间内的波动会造成后续产品气CO浓度下降。图4为运行中的实例，N2对系统运行的影响。由于脱碳工序对N2吸附有限，原料气中N2的波动会直接反应到后续工段。

图4 N2对系统运行的影响

根据实际运行情况，在原料气中N2或CH4出现波动时要平衡半产品气中CO含量和N2含量，适当降低空速、减少脱碳工段产品气中N2的含量，避免产品气中N2的大幅波动。为保障后续产品气质量的稳定，脱碳工序需调整N2的吸附前沿向下移，减小N2的穿越量，消除原料气N2或CH4波动对后续CO制取的影响。

CO2组分变动对产品质量影响最大，由于其在脱碳工序中解析难度相对较大，CO2组分浓度超出设定值或在运行中大幅波动，会造成吸附塔CO2的流出曲线向出口平移甚至达到穿透浓度造成出口含量超标。

2.4 压力因素影响分析

高压有利于杂质组分的吸附和提高吸附量，但过高的压力对压缩功需求高，另外，根据工艺状况，选择合适的吸附压力有利于节省能耗。本装置根据前、后工段的实际情况，吸附压力选择为3.2MPa，实际运行压力在3.0MPa～3.2MPa。在运行中压力对运行的不利影响不明显。

2.5 操作因素影响分析

PSA装置自动化程度高，但运行过程中相关自动设备工况的调整对装置有明显影响，如尾气压缩机外送量减小，解析气排气压力提高，冲洗气量减少，不利吸附剂解析。另外，手动调节阀设置和逆放、冲洗等压力的设置对吸附剂的解析有明显影响，合理的调整系统解析压力有利于吸附剂的再生，对提高负荷和稳定产品质量有利。

3 结论

温度、空速、组分等均对系统稳定运行产生影响，但更多时候是以复合影响的情况出现，对系统稳定运行主要是吸附的动态平衡变化和温度因素的影响。

脱碳最佳运行温度范围在20℃～40℃，设计中也是以常温工作为主。变压吸附在解析过程中由于压力变化会降温，受环境温度影响，吸附温度和解析温度的温差会达到20℃以上，冬季解析温度最低会在0℃以下。在低温情况下吸附的动态平衡会产生较大变化，保持装置运行时对解析条件要求更高，会造成生产物流平衡产生偏移。在解决本装置运行中以控制解析气量和解析时间来控制脱碳工段运行。由于脱碳工段冲洗气来自后续的CO分离和H2分离工段，但受限于原料气工艺条件的限制，原料气温度全年运行在10℃～25℃。夏季环境温度高，床层温度及解析气温度高，运行中出现CO2含量升高后，适当调整温度即可降低。冬季低温环境，床层温度低，解析气温度通过与环境的换热温度更低，最低至0℃以下，高负荷下很容易造成吸附剂吸附与解析无法平衡。

随着温度的下降，吸附剂吸附能力提高，解析能力下降，动态吸附容量减少，为提高产气率，增加空速，吸附与解析的平衡很容易被打破。

为避免工艺事故的出现，尤其在低温情况下，采取控制空速预防解析与吸附失衡，并引用部分半产品H2作为脱碳工段冲洗气，增加解析能力，另外，在原料气调整过中要缓慢操作，调节幅度要小和调节频率要低，确定装置稳定的情况下再进行后续操作。

［1］顾飞龙.变压吸附空气分离技术的开发与应用［J］.化工装备技术，1999，20（1）：47－51.