甲醇裂解制氫裝置VPSA脫碳部分的操作規(guī)程

甲醇裂解制氫裝置VPSA脫碳部分的操作規(guī)程

一、VPSA部分介紹

1.裝置規(guī)模

公稱產氫能力：10000Nm3/h；

裝置操作彈性：60~110%；

年生產時數(shù)：8000小時

2.裝置組成

本單元由10臺脫碳吸附塔和3臺真空泵等設備組成。

序號名稱位號操作條件操作介質數(shù)量（臺）

溫度:40℃

1脫碳吸附塔T3401A-J壓力：-0.08~2.6MPa.G甲醇裂解氣10

溫度：40℃入口壓力：

-0.08MPa.G出口壓力：

2真空泵P3401A-C0.02MPa.G脫碳解吸氣3

3.工藝流程

來自甲醇裂解部分的甲醇裂解氣自塔底進入脫碳吸附塔。其中絕大部分CO2

及一些雜質氣體被吸附下來，脫碳后的氫氣等氣體進入提氫單元。

吸附塔吸附的C02等氣體通過真空泵抽真空被解吸后高點排放。

4.原料氣規(guī)格

本裝置的設計允許原料氣組分和壓力在較寬的范圍內變化，但在不同的原料

氣條件下吸附參數(shù)應作相應的調整以保證產品的質量，同時產品氫收率也將隨原

料而變化。

當原料氣條件變化時，物料平衡也將發(fā)生相應的變化。在原料氣條件不變的

情況下，所有的調節(jié)均可由計算機自動完成。

本單元設計的原料氣為：甲醇裂解氣其詳細規(guī)格如下：

甲醇裂解氣

組成Mol%Nm3/h

H2O0.27

H274.43

-1-

CO1.26

C0223.97

CH3OH0.07

合計10017421

分子量12.47

溫度40℃

壓力2.6MPa.G

5.產品規(guī)格

本單元的主要產品為脫碳氣，副產品為脫碳解吸氣。在實際生產中，脫碳氣

的純度可通過改變PSA單元的操作條件進行調節(jié)，而解吸氣的組成也會隨原料

氣和產品氣的不同而略有不同。以下為設計的產品氣規(guī)格：

脫碳氣

脫碳氣純度：C02^3.98v%

脫碳氣產量：13650Nm3/h

脫碳氣溫度：40℃

脫碳氣壓力：2.5MpaG

脫碳解吸氣

脫碳解吸氣溫度：40℃

脫碳解吸氣壓力：0.02MpaG

二、工藝過程說明

1.基本原理

吸附是指：當兩種相態(tài)不同的物質接觸時，其中密度較低物質的分子在密度

較高的物質表面被富集的現(xiàn)象和過程。

具有吸附作用的物質（一般為密度相對較大的多孔固體）被稱為吸附劑，被

吸附的物質（一般為密度相對較小的氣體或液體）稱為吸附質。

吸附按其性質的不同可分為四大類，即：化學吸著、活性吸附、毛細管凝縮、

物理吸附。

其中物理吸附是指依靠吸附劑與吸附質分子間的分子力（即范德華力）進行

的吸附。其特點是：吸附過程中沒有化學反應，吸附過程進行得極快，參與吸附

-2-

的各相物質間的平衡在瞬間即可完成，并且這種吸附是完全可逆的。PSA制氫

裝置中的吸附主要為物理吸附。

2.吸附劑及吸附力

工業(yè)PSA制氫裝置所用的吸附劑都是具有較大比表面積的固體顆粒，主要

有：活性氧化鋁類、活性炭類、硅膠類和分子篩類。不同的吸附劑由于有不同的

孔隙大小分布、不同的比表面積和不同的表面性質，因而對混合氣體中的各組分

具有不同的吸附能力和吸附容量。

2.1本單元所用吸附劑的特性如下：

D.A-AS吸附劑

A-AS吸附劑對H20具有很高的吸附能力，同時再生非常容易，并且該吸

附劑還具有很高的強度和穩(wěn)定性，因而適合于裝填在吸附塔的底部脫除水分和保

護上層吸附劑。

2).HXSI-01吸附劑

本裝置所用PSA專用HXSI-01吸附劑屬于一種高孔隙率的無定型二氧化

硅，化學特性為惰性，無毒、無腐蝕性.其中規(guī)格為02-4球狀的吸附劑裝于吸

附塔中下部，用于吸附水分和C02o

2.2吸附劑的處理

幾乎所有的吸附劑都是吸水的，特別是HX5A-98H吸附劑具有極強的親水

性，因而在吸附劑的保管和運輸過程中應特別注意防潮和包裝的完整性，如果

受潮，則必須作活化處理。

對于廢棄的吸附劑，一般采用深埋或回收處理。但應注意：在卸取吸附劑時，

必須先用氮氣進行置換以確保塔內沒有有毒或爆炸性氣體。在正常使用情況下，

PSA工段的吸附劑一般是和裝置同壽命的。

2.3吸附力

在物理吸附中，各種吸附劑對氣體分子之所以有吸附能力是由于處于氣、固

相分界面上的氣體分子的特殊形態(tài)。由于吸附劑對混合氣體中的氫組分吸附能力

很弱，而對其它組分吸附能力較強，因而通過裝有不同吸附劑的混合吸附床層，

就可將各種雜質吸附下來，得到提純的氫氣。

-3-

下圖為不同組分在分子篩上的吸附強弱順序示意圖

組分吸附能力

M氣☆弱

氫氣☆

氧氣☆☆

氤氣☆☆

氮氣☆☆☆

一氧化碳☆☆☆

甲烷☆☆☆☆

二氧化碳☆☆☆☆☆☆

乙烷☆☆☆☆☆☆

乙烯☆☆☆☆☆☆☆

丙烷☆☆☆☆☆☆☆

異丁烷☆☆☆☆☆☆☆☆

丙烯☆☆☆☆☆☆☆☆

戊烷☆☆☆☆☆☆☆☆

T烯☆☆☆☆☆☆☆☆☆

硫化氫☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆

硫醇☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆

戊烯☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆

苯☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆

甲苯☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆

乙基苯☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆

苯乙烯☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆

水☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆強

2.4吸附平衡

吸附平衡是指在一定的溫度和壓力下，吸附劑與吸附質充分接觸，最后吸附質

-4-

在兩相中的分布達到平衡的過程。

在實際的吸附過程中，吸附質分子會不斷地碰撞吸附劑表面并被吸附劑表面

的分子引力束縛在吸附相中；同時吸附相中的吸附質分子又會不斷地從吸附劑分

子或其它吸附質分子得到能量，從而克服分子引力離開吸附相；當一定時間內進

入吸附相的分子數(shù)和離開吸附相的分子數(shù)相等時，吸附過程就達到了平衡。對于

物理吸附而言，動態(tài)吸附平衡很快就能完成，并且在一定的溫度和壓力下，對于

相同的吸附劑和吸附質，平衡吸附量是一個定值。

由于壓力越高單位時間內撞擊到吸附劑表面的氣體分子數(shù)越多，因而壓力越

高平衡吸附容量也就越大；由于溫度越高氣體分子的動能越大，能被吸附劑表面

分子引力束縛的分子就越少，因而溫度越高平衡吸附容量也就越小。

三、工藝條件與裝置處理能力的關系

原料氣組成：

吸附塔的處理能力與原料氣組成的關系很大。原料氣中氫含量越高時，吸附

塔的處理能力越大；原料氣雜質含量越高，特別是凈化要求高的有害雜質含量越

高時，吸附塔的處理能力越小。

原料氣溫度：

原料氣溫度越高，吸附劑的吸附量越小，吸附塔的處理能力越低。

吸附壓力：

原料氣的壓力越高，吸附劑的吸附量越大，吸附塔的處理能力越高。

解吸壓力：

解吸壓力越低，吸附劑再生越徹底，吸附劑的動態(tài)吸附量越大，吸附塔的處

理能力越高。

產品純度：

產品純度越高，吸附劑的有效利用率就越低，吸附塔的處理能力越低。

四、氫氣回收率影響因素

由于PSA裝置的氫氣損失來源于吸附劑的再生階段，因而吸附塔的處理能

力越高，則再生的周期就可以越長，單位時間內的再生次數(shù)就越少，氫氣損失

就越少，氫回收率就越高。

不同工藝流程對氫氣回收率的影響：

-5-

在不同的工藝流程下，所能實現(xiàn)的均壓次數(shù)不同，吸附劑再生時的壓力降也

就不同，而吸附劑再生時損失的氫氣量隨再生壓力降的增大而增大。一般來講,

PSA流程的均壓次數(shù)越多，再生壓力降越小，氫氣回收率越高。但從另一方面考

慮，均壓次數(shù)太多，容易將部分雜質帶入下一吸附塔并在吸附塔頂部形成二次吸

附，從而使該塔在轉入吸附時因頂部被吸附的雜質隨氫氣帶出而影響產品氫純

度。因此在保證純度的情況下，只有適宜的均壓次數(shù)才是最佳的，通常操作壓

力越高，均壓次數(shù)越多。

對于沖洗流程和真空流程來講，沖洗流程需消耗一定量氫氣用于吸附劑再

生，而真空流程則是通過抽真空降低被吸附組分的分壓使吸附劑得到再生，故采

用沖洗流程時，氫氣回收率較低，但真空流程的投資和能耗較高，同時解吸氣穩(wěn)

定性差。

產品氫純度與氫回收率的關系：

在原料氣處理量不變的情況下，產品氫純度越高，穿透進入產品氫中的雜質

量越少，吸附劑利用率越低，每次再生時從吸附劑死空間中排出的氫氣量越大，

氫氣回收率越低.

吸附壓力對氫氣回收率的影響：

吸附壓力越高，吸附劑對各種雜質的動態(tài)吸附量越大.在原料氣處理量和產

品氫純度不變的情況下，吸附循環(huán)周期越長，單位時間內解吸次數(shù)越少，氫氣回

收率越高。

沖洗過程對氫氣回收率的影響：由于被吸附的大量雜質是通過產品氫的回

流沖洗而解吸，故沖洗時間的長短、沖洗氣量的大小、沖洗速度的快慢都將影響

氫氣的回收率。一般來講，沖洗時間越長，沖洗過程越均勻，沖洗氣量越大，

吸附劑的再生越徹底，在純度不變的情況下，吸附時間越長，氫氣回收率越高。

但是，由于沖洗氣來自均壓結束后的順放過程，如沖洗氣量過大，則順放過程壓

力降太大，也可能引起部分雜質穿透，反而不利于沖洗。因此應控制合理的沖洗

氣量。

吸附時間（或吸附循環(huán)周期）對氫氣回收率的影響：

在原料氣流量和其他工藝參數(shù)不變的條件下，延長吸附時間就意味著單位時

間內的再生次數(shù)減少，再生過程損失的氫氣也就越少，氫氣回收率越高.但是，

-6-

在同樣條件下，吸附時間越長，進入吸附劑床層的雜質量越大，因吸附劑動態(tài)吸

附量不變，故穿透進入產品氫的雜質量將增大，這勢必會使產品氫純度下降.

由此可見，吸附時間的改變將同時影響產品氫的純度和收率.在PSA制氫裝置的

實際操作過程中，為了提高PSA裝置運行的經濟性，我們應在保證產品氫中雜質

含量不超標的前提下，盡可能的延長吸附時間以提高氫氣回收率。

五、產品氫純度的影響因素

原料氣流量對純度的影響：

在氣體工藝條件及工藝參數(shù)不變的條件下，原料氣流量的變化對純度的影響

很大，原料氣流量越大，每一循環(huán)周期內進入吸附塔的雜質量越大，雜質也就越

容易穿透，產品氫純度越低.相反，原料氣流量減小，則有利于提高產品氫純度。

解吸再生條件對產品氫純度的影響：

如前所述，解吸的壓力越低，沖洗氫氣越多，沖洗再生時間越長，沖洗氣流

越均勻，則吸附劑的解吸效果也就越好，吸附劑上的殘余雜質越少，這樣也就越

容易保證更高的產品氫純度。

均壓次數(shù)對產品氫純度的影響：

原料氣處理量和吸附循環(huán)周期不變，均壓次數(shù)越多，均壓過程的壓力降越大,

被吸附的雜質也就越容易穿透進入下一吸附塔并在吸附劑床層頂部被吸附，致使

該塔在轉入下一次吸附時雜質很容易被氫氣帶出，影響產品氫純度.

綜上所述，為了提高氫氣回收率進而提高裝置的經濟效益，在原料氣組成、

流量以及溫度一定的情況下應盡量提高吸附壓力、降低解吸壓力、延長吸附時間、

適當降低產品純度（在允許范圍內）；在原料氣流量發(fā)生變化時，應適當調整吸

附時間以保證產品氫純度。

六、工業(yè)吸附分離流程的主要工序

吸附工序一在常溫、高壓下吸附雜質，出產品。

減壓工序一通過一次或多次的均壓降壓過程，將床層死空間氫氣回收。

順放工序一通過順向減壓過程獲得吸附劑再生氣源（采用抽真空方式再生時

無此工序）。

逆放工序一逆著吸附方向減壓使吸附劑獲得部分再生

沖洗（抽真空）工序一用產品氫沖洗（或抽真空）降低雜質分壓，使吸附劑完

-7-

成最終的再生。（本裝置脫碳部分采用抽真空再生，提氫部分采用沖洗再生）

升壓工序一通過一次或多次的均壓升壓和產品氣升壓過程使吸附塔壓力升

至吸附壓力，為下一次吸附作好準備本單元吸附塔的工作步序包括：

吸附、一均降、二均降、三均降、四均降、五均降、六均降、逆放、抽真空、

六均升、五均升、四均升、三均升、二均升、一均升、產品脫碳氣終升共十六個

工藝步序。

七、工藝流程說明

7.1流程簡述

脫碳部分采用10T-6VPSA流程，即：裝置的10個吸附塔中有1個吸附塔始

終處于進料吸附的狀態(tài)，其它9個吸附塔則處于再生的不同工作階段。其吸附和

再生工藝過程由吸附、連續(xù)六次均壓降壓、逆放、抽真空、連續(xù)六次均壓升壓和

產品脫碳氣最終升壓等步驟組成。

脫碳吸附塔的工作過程如下：

1）吸附過程

壓力為2.6MPa.G,溫度為40C的甲醇裂解氣自塔底進入正處于吸附狀態(tài)的

吸附塔（始終有1個吸附塔處于吸附狀態(tài)）。在多種吸附劑的依次選擇吸附下，

其中大量的雜質氣體被吸附下來，未被吸附的氣體從塔頂流出，經壓力調節(jié)系統(tǒng)

穩(wěn)壓后，脫碳氣送至氫提純部分。

當被吸附雜質的傳質區(qū)前沿（稱為吸附前沿）到達床層出口預留段某一位置

時，關掉該吸附塔的原料氣進料閥和產品氣出口閥，停止吸附。吸附床開始轉入

再生過程。

2）均壓降壓過程

這是順著吸附方向將塔內的較高壓力氣體放入其它已完成再生的較低壓力

吸附塔的過程，這一過程不僅是降壓過程，而且也是回收床層死空間脫碳氣的

過程，同時使再生塔的壓力得到升高。本流程共包括了六次均壓降壓過程。

3）逆放過程

這是在均壓降壓過程完成后，逆著吸附方向，將吸附塔壓力降至接近常壓的

過程，此時被吸附的雜質開始從吸附劑中大量解吸出來。

4）抽真空過程

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這是在逆放過程完成后，逆著吸附方向用真空泵對塔抽真空，使吸附的雜質

得以完全解吸的過程。

5）均壓升壓過程

這是在抽真空再生過程完成后，用其它塔的較高壓力氣體依次進行升壓的過

程，這一過程與均壓降壓過程相對應，不僅是升壓過程，而且也是回收其他塔

的床層死空間氣體的過程，本流程共包括了連續(xù)六次均壓升壓過程。

6）產品脫碳氣升壓過程

這是在均壓升壓過程后，用產品脫碳氣將吸附塔壓力升至吸附壓力的過程。

經這一過程后吸附塔便完成了一個完整的“吸附-再生”循環(huán)，又為下一次吸附

做好了準備。

10個吸附塔交替進行以上的吸附、再生操作即可實現(xiàn)氣體的連續(xù)分離與提

純。

7.2工藝流程特點：

與傳統(tǒng)PSA流程相比，本裝置流程具有如下特點：

1）均壓次數(shù)多，脫碳氣/氫氣回收充分，產品氣損失小。

2）抽真空時間連續(xù)，抽真空過程和抽氣流量穩(wěn)定，吸附劑再生效果好。

3）特殊的復合床吸附劑裝填使本裝置能同時適用于脫除甲醇裂解氣中除氫

以外的全部雜質。

4）吸附循環(huán)周期短、吸附劑利用率高。

5）本裝置的自動切塔程序實現(xiàn)了對故障塔的自動切除，實現(xiàn)不停車檢修。

-9-

7.3工藝步序說明

1）本裝置脫碳部分由10臺吸附塔組成，其中始終有1臺（主流程）處于吸

附狀態(tài)，其余9臺處于再生的不同階段。吸附塔的整個吸附與再生過程都是通過

71臺程控閥門按一定的工藝步序和順序進行開關來實現(xiàn)的。為便于識別這些程

控閥門和表述整個工藝過程，我們首先按一定的規(guī)律對程控閥進行編號（其中

KV3501作為抽真空公共閥單獨編號）：

Kq□□□□

1--------------吸附塔號：A?9

------------------閥門功能、作用

01-原料氣進口閥

02-產品氣出口閥

03-—均、產品氣升壓閥

04-二均、三均閥

05-四均、五均、六均閥

06-抽真空閥

07-逆放閥

—33表示脫碳部分

--------------------------表示程序控制閥

7.4工藝步序描述

現(xiàn)以脫碳吸附塔T3401A（簡稱A塔）為例描述主流程的整個工藝步序過程，

T3401B-J的工藝過程與T3401A完全相同。

☆步序1：吸附（A）

原料氣經程控閥KV3301A進入PSA吸附塔T3401A,其中絕大部分C02

及少量的其它雜質組分被吸附劑吸附，得到初步凈化的脫碳氣，經程控閥

KV3302A和壓力調節(jié)閥PV3501穩(wěn)壓后送往提氫單元，少部分脫碳氣通過調節(jié)閥

10

HV3301用于其它吸附塔的產品氣升壓。隨著吸附的進行，當雜質的前沿(即：

吸附前沿)上升至距吸附床出口一定高度時，關閉KV3301A、KV3302A,停止吸

附。這時，吸附前沿與吸附床出口間還留有一段未吸附飽和的吸附劑，稱為預

留段。

☆步序2：一均降壓(E1D)

在吸附過程完成后，打開程控閥KV3303A和KV3303B,將A塔內較高壓力

的脫碳氣放入剛完成了二均升的B塔，直到A、B兩塔的壓力基本相等為止。

這一過程不僅是降壓過程，而且也回收了A塔床層死空間內的脫碳氣。在這一

過程中A塔的吸附前沿將繼續(xù)向前推移，但仍未達到出口。

☆步序3：二均降壓(E2D)

在一均降過程完成后，打開程控閥KV3304A和KV3304G,將A塔內較高壓力

的脫碳氣放入剛完成了三均升的G塔，直到A、G兩塔的壓力基本相等為止。這

一過程繼續(xù)回收A塔床層死空間內的脫碳氣，同時A塔的吸附前沿也將繼續(xù)向前

推移，但仍未達到出口。

☆步序4：三均降壓(E3D)

在二均降過程完成后，打開程控閥KV3304A和KV3304C,將A塔內較高壓力

的脫碳氣放入剛完成了四均升的C塔，直到A、C兩塔的壓力基本相等為止。這

一過程繼續(xù)回收A塔床層死空間內的脫碳氣，同時A塔的吸附前沿也將繼續(xù)向前

推移，但仍未達到出口。

☆步序5：四均降壓(E4D)

在三均降過程完成后，打開程控閥KV3305A和KV3305H,將A塔內較高壓力

的脫碳氣放入剛完成了五均升壓過程的H塔，直到A、H兩塔的壓力基本相等為

止。這一過程繼續(xù)回收A塔床層死空間內的脫碳氣，同時A塔的吸附前沿也將繼

續(xù)向前推移，但仍未達到出口。

☆步序6：五均降壓(E5D)

在四均降過程完成后，打開程控閥KV3305A和KV3305D,將A塔內較高壓力

的脫碳氣放入剛完成了抽真空的D塔，直到A、D兩塔的壓力基本相等為止。這

一過程繼續(xù)回收A塔床層死空間內的脫碳氣，同時吸附前沿也將繼續(xù)向前推移。

☆步序6：六均降壓(E6D)

11

在五均降過程完成后，打開程控閥KV3305A和KV3305I,將A塔內較高壓力

的脫碳氣放入剛完成了抽真空的I塔，直到A、I兩塔的壓力基本相等為止。這

一過程繼續(xù)回收A塔床層死空間內的脫碳氣，同時吸附前沿也將繼續(xù)向前推移。

☆步序7：逆放(D)

在完成連續(xù)均壓降壓過程后，A塔的吸附前沿已完全到達床層出口。這時打

開KV3307A逆著吸附方向將A塔壓力降至接近于常壓，此時被吸附的雜質開始從

吸附劑中解吸出來。脫碳逆放氣中含量較高的C02與抽真空解吸氣混合后高點排

放。

☆步序8：抽真空(V)

逆放結束后，打開程控閥門KV3306A用真空泵對吸附塔A進行抽真空，這時

被吸附的雜質大量解吸出來。

☆步序9：六均升壓(E6R)

在抽真空過程完成后，打開程控閥KV3305A和KV3305G,再將G塔內較高壓

力的脫碳氣回收進剛完成了抽真空的A塔。

☆步序9五均升壓(E5R)

在六均升壓過程完成后，打開程控閥KV3305A和KV3305C,再將C塔內較高

壓力的脫碳氣回收進剛完成了抽真空的A塔。

☆步序10：四均升壓(E4R)

在五均升壓過程完成后，打開程控閥KV3305A和KV3305H,再將H塔內較高

壓力的脫碳氣回收進剛完成了五均升的A塔。

☆步序11：三均升壓(E3R)

在四均升壓過程完成后，打開程控閥KV3304A和KV3304D,再將D塔內較高

壓力的脫碳氣回收進剛完成了四均升的A塔。

☆步序12：二均升壓(E2R)

在三均升壓過程完成后，打開程控閥KV3304A和KV3304I,再將I塔內較高

壓力的脫碳氣回收進剛完成了三均升的A塔。

☆步序13：—均升壓(E1R)

在二均升壓過程完成后，打開程控閥KV3303A和KV3303E,再將E塔內較高

壓力的脫碳氣回收進剛完成了二均升的A塔。

☆步序14：產品氣升壓過程(FR)

12

通過六次均壓升壓過程后，吸附塔壓力已升至接近于吸附壓力。這時打開程

控閥KV3303A、調節(jié)閥HV3301,用脫碳氣將A塔壓力升至吸附壓力。經這一過程

后，吸附塔便完成了整個再生過程，為下一次吸附做好了準備。

吸附塔T3401A-J的工藝步序都是完全相同的，只是在各步序的運行時間上

依次錯開一個吸附時間，這樣就實現(xiàn)了始終有1塔處于吸附狀態(tài)，其余9個塔分

別處于不同的再生狀態(tài)，保證了原料氣的連續(xù)分離與提純。

7.5切塔后的工藝步序

由于脫碳部分是由10臺吸附塔組成。因而為提高裝置的可靠性，本裝置還

編制了一套自動切塔與恢復程序。當某一臺吸附塔出現(xiàn)故障時，可將其脫出工作

線，讓剩余的9個吸附塔轉入9T-5方式工作，如果再有吸附塔出現(xiàn)故障則可繼

續(xù)切除，轉入8T-4流程，直至5T-2流程。

切塔后參數(shù)變化情況如下:

流程總吸附床數(shù)在線吸附床數(shù)均壓次數(shù)真空泵（臺）負荷（％）

10-1-610162100%

10-1-61016150%

9-1-5915290%

8-1-4814280%

7-1-3713280%

6-1-2612270%

5-1-2512260%

注意：由于不同的程序裝置處理量不同，因此在作大量切塔前，最好先根據(jù)

上表減量再進行切塔操作。

八、控制功能說明

依據(jù)變壓吸附氫提純單元的控制要求，本單元不單獨設控制系統(tǒng)，而是與主

裝置共用一套DCS控制系統(tǒng)。并以此為核心構成全部控制與管理功能。

本裝置的基本控制與管理功能包括：程控閥開關控制、模擬量檢測與調節(jié)、

產品氣質量聯(lián)鎖、故障報警與記錄、歷史數(shù)據(jù)記錄、流量累計等功能。分別介紹

如下：

7.6.1程控閥開關控制功能

13

1）基本控制功能和原理

本裝置的吸附與分離過程都是依賴于程控閥門的開關來實現(xiàn)切換的，因而程

控閥門的開關控制是本裝置最重要的控制部分。

本裝置的程控閥開關控制過程示意圖如下：

程控閥開關控制過程說明：

DCS系統(tǒng)根據(jù)工藝要求（見工藝閥態(tài)表）制訂出順控程序，然后按一定的時間

順序將DC24V開關信號送至氣動電磁換向閥，電磁換向閥驅動程控閥門按程序

開、關。

同時，程控閥門將其開、關狀態(tài)通過閥位傳感器反饋給DCS系統(tǒng)，用于狀態(tài)

顯示和監(jiān)控，并通過與輸出信號的對比實現(xiàn)閥門故障的判斷與報警。

2）程控閥畫面的正常顯示

程控閥在DCS畫面上分為兩個部分：驅動頭和閥體，驅動頭的顏色對應控制

輸出信號邏輯，閥體的顏色對應回訊器信號狀態(tài)，表示閥門是否已經開關到位。

☆程控閥驅動頭填充綠色：表示閥門已輸出開啟信號，閥門應打開；

☆程控閥驅動頭未填充綠色：表示閥門未輸出開啟信號，閥門應關閉；

☆程控閥閥體填充綠色：表示閥門回訊信號為開啟，閥門處于開啟狀態(tài)；

☆程控閥閥體未填充綠色：表示閥門回訊信號為關閉，閥門處于關閉狀態(tài)；

3）程控閥報警邏輯說明：

如果程控閥輸出信號與檢測信號不符的時間大于3秒，則產生該程控閥報警

信號，報警信號應進入報警記錄表。并產生聲音報警。

也就是：閥門驅動頭和閥體顏色不同的時間大于3秒，該閥門即應產生報警

信號。

4）程控閥門點動功能說明：

A、對于正常運行的吸附塔，程控閥門是禁止點動的，即此時點動功能無效。

B、在某個吸附塔被切除后，該吸附塔的程控閥可以手動點動開/關。C、公

共程控閥只有在PSA運行程序處于停止狀態(tài)時，才能進行點動。D、點動功能描

述：在點動子窗口下，點動該閥門，經過確認后即可打開該閥門。

5）程控閥門說明：

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本裝置程控閥門的可靠性是本裝置整體可靠性的關鍵，其工藝要求特點是密

封性能要求高、開關次數(shù)頻繁，其中開關最頻繁的程控閥每年開關次數(shù)可達50

萬次。

7.6.2真空泵控制與聯(lián)鎖

1）真空泵的運行狀態(tài)顯示：

☆運行的真空泵顯示：綠色

☆停止的真空泵顯示：紅色

☆信號來源：真空泵電氣柜的無源觸點信號

2）真空泵液位控制：A、真空泵的液位高限報警信號和低位報警信號應在DCS

上顯示出來，該信號為開關量信號。

B、液位控制邏輯：

☆當液位高限信號時，打開排液閥，直到液位高限信號消失，立刻關閉排液

閥。

☆當液位低限信號時，打開補水閥，直到液位低限信號消失，同時高限信號

產生時，關閉進水閥。

3）真空泵聯(lián)鎖控制：

☆在DCS上設置一個真空泵聯(lián)鎖按鈕。

☆在PSA運行狀態(tài)下，真空泵聯(lián)鎖按鈕處于ON時，如果兩臺真空泵全部停

車超過2秒，則PSA裝置自動聯(lián)鎖停車。

7.6.3模擬量檢測與調節(jié)功能

本裝置模擬量調節(jié)均由DCS完成，各檢測及調節(jié)信號的功能與控制方式簡述

如下：

1）脫碳吸附塔壓力指示記錄PI3301A-J

安裝于脫碳吸附塔T3401A-J的出口管上，用于指示記錄各吸附塔的壓力，

該壓力在DCS組態(tài)中要求有顯示和歷史趨勢紀錄。

2）脫碳吸附塔吸附壓力指示記錄調節(jié)PICA3501

本調節(jié)回路由安裝于脫碳氣出口總管上的壓力變送器PT3501和調節(jié)閥

PV3501組成。PT3501和調節(jié)閥PV3501構成一個單回路PID調節(jié)系統(tǒng)，用于正常

生產情況下控制吸附壓力，本調節(jié)回路的設定值一般定為比原料氣壓力低

0.05MPa左右。

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3）脫碳產品氣升壓調節(jié)HIC3301

該調節(jié)回路由各吸附塔上的壓力變送器PT3301A-J和調節(jié)閥HV3301構成，

用于調節(jié)吸附塔產品氣升壓的速度。該調節(jié)回路的工作狀態(tài)將影響裝置產品氣的

穩(wěn)定。

本調節(jié)回路有PID自動模式、斜率模式和手動模式。正常情況下采用全自動

模式，操作工不需要對其進行調節(jié)；只有在某一吸附塔的壓力變送器故障時，才

需要操作工轉到斜率操作模式工作；手動模式生產中不使用，僅僅用于閥門的調

校。

PID自動模式：本調節(jié)回路包括兩個工作段。第一個工作段為對應于一均

E1D/E1R的工作段,在此工作段內，閥門開度為由SP_L逐漸升到SP_H（即從一

均下限開度勻速增大到一均上限開度）。第二個工作段為產品氣升壓FR的時間

段，在此工作段內，采用自適應調節(jié)方式，控制回路采用PID控制，其給定值由

程序內部給定。給定值為變量，變量的起點為開始升壓時刻的吸附塔壓力測量值,

變量的終止點為此時PT3501的檢測值（即：脫碳氣壓力值），在第二工作段內

壓力變量的變化應該是勻速的。PID控制模式下，還應設定一個合適的MV_L值,

因為MV■是PID運算的閥門起始開度，其大小仍將影響吸附塔的升壓過程。（該

調節(jié)閥的上/下限開度由手動設定，一均下限開度通常為5?10%,上限為10?

15%；終升下限為10?20%終升上限為50?90吼最好使終升下限等于一均上限開

度。）

斜率模式：直接由操作工給出閥門開度下限值和上限值，閥門在第一工作段

（一均）內開度為由SP_L逐漸升到SP_H,在第二工作段內閥門將從下限值MV_L

逐步開大直到上限值MV_H。上、下限值的設定原則是：將吸附塔的升壓過程控

制在終升時間內恰好緩慢完成。

應注意：①升壓速度嚴禁過快。

②一均和終升過程中吸附塔壓力變化盡量平穩(wěn)，避免壓力出現(xiàn)大幅波動。

③必須保證最終升到的壓力基本等于吸附壓力。

④MV_L2SP_H是該設定值的基本原則。4）逆放壓力調節(jié)HIC3501

本調節(jié)回路由各吸附塔上的壓力變送器PT3301A-J和調節(jié)閥HV3501構成，

用于調節(jié)逆放速度，減小脫碳解吸氣的壓力波動并降低逆放過程產生的噪音。該

調節(jié)回路的工作狀態(tài)將影響裝置解吸氣的穩(wěn)定和再生效果。

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本調節(jié)回路有PID自動模式、斜率模式和手動模式。正常情況下采用全自動

模式，操作工不需要對其進行調節(jié)；只有在某一吸附塔的壓力變送器故障時，才

需要操作工轉到斜率操作模式工作；手動模式生產中不使用，僅僅用于閥門的調

校。

全自動模式：本調節(jié)回路包括兩個工作段，第一個工作段為沒有吸附塔逆放

的工作段（見閥態(tài)表上無“D”步序的時間段），如果總是有吸附塔逆放，則第

一工作段設定為每次逆放過程結束前的最后三秒，在此工作段內，HV3501閥門

開度為固定值（等于手動設定的下限值）；第二個工作段為正在逆放的時間段（見

閥態(tài)表上有“D”步序的時間段），在此工作段內，采用自適應調節(jié)方式，控制

回路采用PID控制，其給定值（SP值）由程序內部給定，給定值為變量，變量

的起點為逆放的起始壓力（等于開始逆放“D”步序時逆放吸附塔的檢測值），

變量的終止點為0.02Mpa.G,在第二工作段內壓力變量的變化應該是勻速的。

斜率模式：直接由操作工在DCS上直接設定HV3501閥門開度下限值和上限

值，閥門在第一工作段內將按設定的下限值開啟，在第二工作段內閥門開度將從

下限值開始勻速地開大，逐步達到上限值。上、下限值的設定原則是：能在每一

次逆放結束時，恰好將吸附塔內的壓力降到0.02Mpa.Go

組態(tài)時應設定：該調節(jié)閥的下限開度設定限制范圍為10?50臨上限開度設

定限制范圍為30?90%。如果操作工的輸入值高于上限，則實際輸入值等于上限;

如果操作工的設定值低于下限，則輸入值等于下限。

注意：逆放降壓速度太快會造成解吸氣壓力波動和噪音大，而逆放速度太慢

會影響再生的效果。

5）脫碳氣流量指示累計FIQ3501安裝于脫碳氣出口管線P3403上的流量計

FT3501用于顯示和記錄產品脫碳氣的瞬時和累計流量。并需要PT3501為其進行

補償。

6）脫碳氣純度在線分析記錄報警AIA3501C02在線分析儀的取樣點，位于

脫碳氣總管P3403上，用于在線指示脫碳氣中C02的含量，為PSA脫碳操作參數(shù)

的設定和修改提供依據(jù)。

7.7工藝參數(shù)的設定

變壓吸附的工藝參數(shù)主要包括吸附時間、壓力和處理量。其設定的原則與方

法如下:

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7.7.1吸附時間參數(shù)的設定

吸附時間參數(shù)是變壓吸附的最主要參數(shù)，其設定值將直接決定裝置產品氣的

純度和回收率。因而，PSA部分的吸附時間參數(shù)應盡量準確，以保證產品純度合

格，且產品氣回收率最高。

1）吸附時間的設定總原則：

當產品純度過高時應延長吸附時間以提高產量，當產品純度過低（在要求范

圍內）應縮短吸附時間以提高產品純度。

2）PSA吸附時間參數(shù)設定表：

10塔吸附時間

時間序號含義預設值設定原則

T1一均、三均、五均20秒保證兩塔的壓力能均至相等即可

T2逆放、終升時間25秒保證產品純度的情況下盡量延長

T3二均、六均25秒保證兩塔的壓力能均至相等即可

注：單塔總吸附時間=口+丁2+丁3

9塔吸附時間

時間序號含義預設值設定原則

T1一均、三均、五均、45秒保證兩塔的壓力能均至相等

抽真空時間

T2二均、四均、逆放、60秒保證兩塔的壓力能均至相等

抽真空時間在保證產品脫碳氣純度的情況下盡量長

注：單塔總吸附時間=T1+T2

8塔吸附時間

時間序號含義預設值設定原則

一均、三均、逆放、抽真保證兩塔的壓力能均至相等

T160秒

時間在保證氫氣純度的情況下盡量長

T2二均、四均、抽真空時間45秒保證兩塔的壓力能均至相等

注：單塔總吸附時間=丁1+丁2

7塔吸附時間

時間序號含義預設值設定原則

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T1一均、三均時間45秒保證兩塔的壓力能均至相等

T2逆放、終升時間60秒保證兩塔的壓力能均至相等

在保證氫氣純度的情況下盡量長

注：單塔總吸附時間=丁1+丁2

6塔吸附時間

注：單塔總吸附時間=口+丁2

時間序號含義預設值設定原則

T1一均、逆放時間60秒保證兩塔的壓力能均至相等

在保證氫氣純度的情況下盡量長

T2二均、終升時間45秒保證兩塔的壓力能均至相等

注：單塔總吸附時間=T1+T2

5塔吸附時間

時間序號含義預設值設定原則

T1一均、逆放時間60秒保證兩塔的壓力能均至相等

在保證氫氣純度的情況下盡量長

T2二均、終升時間45秒保證兩塔的壓力能均至相等

注：單塔總吸附時間=口+丁2

由于吸附塔的大小和裝填的吸附劑量是固定的，因而在原料氣組成和吸附壓

力一定的情況下，吸附塔每一次所能吸附的雜質總量就是一定的。所以隨著吸附

過程的進行，雜質就會慢慢穿透吸附床，起初是痕量，漸漸就會超過允許值，這

時就必須切換至其它塔吸附。因而，當原料氣的流量發(fā)生變化時，雜質的穿透時

間也就會隨之變化，吸附時間參數(shù)就應隨之進行調整。

流量越大則吸附時間就應越短，流量越小則吸附時間就應越長。這樣才能保

證在各種操作負荷下均能充分地利用吸附劑的吸附能力，在保證產品純度的情況

下獲得最高的氫氣回收率。

3）本裝置的吸附時間參數(shù)可在DCS上人工設定，亦可由DCS自動計算產生

在DCS畫面上PSA部分設有：“TMAUTO”和“TMADJUST'兩個吸附時間自動

調整按鈕。

☆當“TMAUTO”時間自動狀態(tài)設為“OFF”時由手動直接輸入：Tl、T2、T3

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請注意：在手動設定吸附時間參數(shù)時應參照吸附時間表內的原則。

☆當“TMAUTO”時間自動狀態(tài)設為“ON”時（只有原料氣流量計量準確時才

能使用）吸附時間參數(shù)值會根據(jù)原料氣流量的大小自動計算出來。但由于原料氣

的組成、壓力和溫度均有可能發(fā)生波動，這些都將影響吸附時間參數(shù)的準確性。

因而，本裝置的PSA部分還設計了一個“操作系數(shù)”參數(shù)，用于修正這種影響。

“操作系數(shù)”參數(shù)的含義為：將自動計算出的吸附時間乘以“操作系數(shù)”后作為

真實的操作時間。

即：實際吸附時間=操作系數(shù)X理論吸附時間。

操作系數(shù)對PSA裝置運行的影響：

☆增大操作系數(shù)f吸附時間延長一產品純度下降一氫氣回收率提高

☆減小操作系數(shù)一吸附時間縮短一產品純度上升一氫氣回收率降低

由于操作系數(shù)的大小決定著吸附時間的長短，因而對本裝置的運行狀況起著

至關重要的影響，所以調整時應特別精心，其調整步驟如下：

☆增加操作系數(shù)

（當產品氫純度高于要求值時，增加操作系數(shù)）以0.02為單位增加操作系

數(shù)等三個完整的PSA循環(huán)周期（即：3X10X（T1+T2+T3））重復以上的步驟增

加操作參數(shù)直到產品純度下降至允許的最低值以0.05為單位降低操作系數(shù)，使

裝置能在高收率下安全運行

☆減小操作系數(shù)

（當產品氫純度低于要求值時，減小操作系數(shù)）以0.1為單位減小操作系數(shù)

等三個完整的PSA循環(huán)周期（即：3X10X（T1+T2+T3））

重復以上的步驟減小操作參數(shù)直到產品純度上升至允許值以內然后按增加操作

系數(shù)的步驟調整，直到裝置能在高收率下安全運行為止。

☆當“TMADJUST”設為狀態(tài)“OFF”時吸附時間不會因產品純度的變化而調

整。

☆當"TMAD_JUS"設為狀態(tài)“0N”時（只有氫分析儀準確時才能使用）

吸附時間將會隨產品純度的變化而自動調整。當產品中氫純度過低時，軟件

會自動減小時間；當產品中氫純度過高時，軟件會自動增加時間；使裝置在保證

產品純度合格的情況下自動追求最大的回收率。

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建議：在原料氣流量測量和產品分析儀均準確的情況下，最好將“TMAUTO”

“TMADJUST”均設為自動方式，這樣可以簡化操作，并獲得最好的效益。但儀表

不準確或不穩(wěn)定時一定不能投自動。

7.7.2壓力參數(shù)的設定

由于變壓吸附氣體分離工藝的核心就是利用壓力的變化來實現(xiàn)吸附劑對混

合氣體中的雜質組分的吸附與分離，因而壓力也是PSA部分的關鍵參數(shù)。

1)PSA吸附壓力PSA吸附壓力的設定是通過改變吸附壓力調節(jié)回路PICA3501

的設定值來實現(xiàn)的，其設定值一般為2.5Mpa.G。

2)吸附各階段的壓力吸附塔T3401A?J在吸附、再生各階段的壓力，當工藝

流程和吸附壓力一定時，各階段的理想壓力曲線也就自動確定了。所有的調節(jié)均

由計算機自動完成，無須操作人員操作。

吸附塔的實際壓力變化曲線應與理想曲線相近似，但不會完全相同。如果吸

附塔的實際壓力變化曲線與理想曲線形狀差別很大，則說明裝置運行有問題，可

能的問題有：程控閥門動作出錯、程控閥門嚴重泄漏、吸附時間不在正常范圍內、

調節(jié)閥PV3501、HV3301.HV3501故障等。

7.7.3流量的設定

本裝置處理量由用戶要求的氫氣產量決定。系統(tǒng)只對壓力進行控制，但是流

量的改變會直接影響吸附時間的改變，在負荷調整的過程中，應及時進行吸附時

間的調整，以便得到高的純度和收率，從而追求最大的經濟效益。

7.8報警、聯(lián)鎖功能說明

報警標記報警儀表報警內容報警值處理方案

VALVEBAD閥門傳感器程控閥門開關錯誤請檢修人員檢查，如

影響到吸附壓力或產

品純度，則切塔或停

車

PICA3501HIGHPT3501脫碳吸附壓力高/低高限2.55MPa.G請儀表工檢查調節(jié)閥

LOW低限

2.45MPa.G

AIA3501HIGHAT3501脫碳氣C02純度高高限5%減小PSA操作系數(shù)

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報警

7.9產品純度的調整

變壓吸附工藝具有產品純度范圍寬、且易于調整的特點。由于產品純度與產

品回收率是成反向關系的，即：在原料氣條件不變和吸附、解吸壓力一定的情況

下，產品純度越高，氫氣回收率越低；產品純度越低，氫氣回收率越高。

因而，要保證裝置運行于最佳狀態(tài)，就必須將產品純度控制在既能滿足生產

需要，又盡可能低的范圍內。

調整產品氫純度的方法就是：修改吸附時間和修改“操作系數(shù)”。延長吸附

時間、增大“操作系數(shù)”，則降低產品純度縮短吸附時間、減小“操作