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CHEMICAL ENGINEERING DESIGN
化工设计2013,23(2
变压吸附装置均压压力及管径计算的探讨
刘来印“中化泉州石化有限公司泉州362103
摘要本文系统地推导了变压吸附过程中均压压力和管道流速的计算公式,结合均压压力的理论计算值
与实际开车数据并进行对比,引入吸附放大系数对管径计算进行修正,为变压吸附管径设计和现场开车数据定
量分析提供理论基础。
关键词变压吸附均压压力管道设计吸附放大系数
变压吸附技术( Pressure Swing Adsorption,简的主要作用是回收吸附床降压时排出的有用气
称PSA)是一项用于分离气体混合物并制取纯气体体。通常对于降压的吸附床这一过程叫做“均
的技术山,具有适用气源广、产品纯度高、工艺压降”,对于升压的吸附床这一过程叫做“均压
简单、节能效果显著等特点。该技术广泛应用于:升”。
变换气、焦炉煤气、重整氢、炼厂干气等含氢气
整个变压吸附过程通常由吸附(A)、均压降
源中回收氢气,变换气脱碳,从富含一氧化碳混(多次,第N次用END表示)、顺放(PP)、逆放
合气中分离提纯一氧化碳,天然气净化提纯甲烷,(D)、冲洗(P)、抽真空(V)、均压升(多次,
炼厂干气提浓乙烯,空气分离制富氧、纯氮等。
第N次用ENR表示)和终充(FR)等步骤组成,
1变压吸附均压压力计算
根据杂质解吸的难易程度以及对产品纯度和回收
率的不同要求,上述步骤中的PP、P、V可以少选
1.1変压吸附过程描述
或不选。通常情况下,提纯氢气为主的PSA装置
変压吸附的基本原理是以吸附剂内部表面对多选择冲洗步骤解吸,脱除二氧化碳为主的FSA
气体分子的物理吸附为基础,利用吸附剂在相同装置多选择抽真空步骤解吸,由于变压吸附过程
压力下易吸附高沸点组分、不易吸附低沸点组分压力变化频繁,因而无论采取哪种解吸方式,
和提高压力时吸附量增加、降低压力时吸附量减均压过程都是设计工作的核心步骤。
少的特性,在高压力下将原料气中的高沸点组分
变压吸附工艺方案(或称“时序表”)通常用
吸附、在低压力下解吸被吸附的杂质组分使吸附“总吸附罐数量ー同时吸附的吸附罐数量一均压次
剂获得再生,通过周期性的压力变换过程实现气数/冲洗或抽空”来表示,如“8-2ー4/V”表示
体的分离和提纯。
总共有8个吸附罐、2个同时进料、4次均压带抽
变压吸附均压过程中吸附罐的压力不断变化
真空解吸工艺流程。典型的8-2-4/V变压吸附
各个吸附罐之间相连管道中的涴速随着每次均压时序表见表1。
时间的延长也在不断降低。所谓“均压”就是需12均压过程压力计算
降压解吸的吸附床分别向需升压的不同的吸附床
从表1可以看出,每一个分步骤都有四个吸附
充压,需降压解吸的吸附床压力逐级下降,而需罐在同时进行均压,随着相互均压的两个吸附罐
升压的吸附床的压力得到逐级升高,从而使吸附之间压力逐渐平衡,均压步骤结東,接着进入下
床降压排出的有用气体得到有效利用,均压步骤一个分步骤。
*刘来印:工程师。2003年毕业于郑州大学化学工程与工艺专业。主要从事制氢与加氢工程技术工作。联系电话:18965550928,E
mailliulaiyin@sinochem.como
2013,23(2)
刘来印变压吸附装置均压压力及管径计算的探讨
表18-2-4/V时序表
分周期
4
5
6
分步骤
罐A
A ELD E2D E3D E4P D
V EAR F3R E2R EIR
FR
罐B
EIR FR
AAA EID E2D E3D E4D D V
EAR E3R E2R
E3R ZR ER F
AA EID E2D E3D FA D VV
罐D
R E3R E2R ELR
A E1D E2D E3D E4D D
罐E
V E4R E3R E2R EIR FR AAAA EID E2D E3D EAD
罐F
E3D AD D VV EAR E3R 2R EIR FR AAAA E1D E2D
罐G
EID E2D E3D E4D D VV EAR E3R E2R EIR FR A
罐H
A E1D E2D E3D E4D D
Y E4R E3R E2R EIR FR A
4/V工艺过程为例,对均压压力公降至EID、罐D压力从E2R升至EIR,当均压刚
式进行推导。8-2-4/V共有12个压力,即A、开始时,两个罐压差最大,此时均压线速度也最
E1D、E2D、E3D、FAD、D、V、E4R、E3R、大,而当两个罐压力接近平衡时,均压线速度则
E2R、EIR、FR,而当均压和终充过程达到压力平最小。可见,在罐A和鑵D进行均压的过程中
衡,即均压降等于均压升(END=ENR)、终充等均压管道内的气体流速是不断变化的。
于吸附(FR=A)的压力时,整个工艺过程可简
在变压吸附均压管道的设计过程中,必须考
化为7个压カ,即A、E1D、E2D、E3D、F4D、虑管道内气体流速变化带来的影响,选择合适口
径的管道和阀门,以取得良好的技术经济效果。
建立均压方程如下:
2.2均压管径与平均线速关系推导
ELD=0.5 (A+E2R
(1)以罐A为例,吸附罐体积为V(m2),均压平
E2D=0.5(E1D+E3R)
(2)衡时间为t(s),管道通径为D(m),平均线速为
E3D=0.5(E2D+E4R)
3)L(m/s),均压初始压力P3(Pa),均压结東压力
E4D=0.5 (E3D+V)
(4)P2(Pa),均压气量为Q(m3)
通过(1)~(4)可以求解出每个均压值
由于变压吸附过程近似等温,不考虑温度变
同理,对于M次均压的第N次均压值经过推导可化,气量与压力的关系结合通用状态方程积分
以得出其均压压力的计算公式如下
可得
END=[(M+1-N)A+N]/(M+1)
Q=Vn(P/P)
在上述变压吸附工艺中每次均压的压差△P相
气量与平均线速的关系如下:
等,计算公式如下:
Q=a(mD2/4)
△P=(A-V)/(M+1)
(6
结合公式(7)、(8)可得出均压管径及平均
值得注意的是,公式(5)、(6)适用于不含线速度的计算公式分别如下
顺放或顺放在均压结束之后的情况。对于顺放发
L=(Wn(P1/P2)/(0.25mD2t)
生在均压过程中或带中间罐等特殊复杂工艺,需D=√(Wn(PAP2))/(0.25ma)
(10)
按照时序表单独推算。
3实际应用分析
2変压吸附均压管径计算
3.1某两套装置开车数据
2.1均压流速的定性分析
表2和表3分别为已投产运行的Z和J两套变
以表1中的吸附罐A和吸附罐D为例,在第3换气净化装置(均为8-2-4/V工艺方案)均压
周期第1步,两个罐进行均压期间,罐A压力从A过程的相关开车数据。