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A、B、C、D——吸附塔 E——原料气缓冲罐
F——氢缓冲罐
现以A塔为例对工作过程进行说明:
1.吸附(A)
原料气通过气动角座阀KV a进入A塔,A塔在工作压力下吸附流入原料气中的杂质组分,未被吸附的产品组分H2通过气动角座阀KV e和高选阀流出,其中大部分作为产品从本系统中输出。
剩余部分通过调节针阀和气动角座阀KVh向D塔进行最终级升压。
吸附过程直至输出产品杂质浓度超过规定值时结束。
2.一次降压平衡(1ED),简称:
一次均压
操纵气动角座阀KVa,切断进A塔原料气,同时操纵气动角座管阀KV f,使A塔与刚结束一次升压步骤的B塔以出口端相连,实行一次压力平衡,一次均压后A、B塔压力基本相等。
回收了A塔的死空间的H2。
3.顺向放压(PP),简称:
顺放
A塔完成一次降压平衡(1ED)步骤后,又操纵气动角座阀KVf,使B塔最终升压;
A塔内剩余气体顺着出口方向通过气动角座阀KV–e,再通过调节针阀限流,然后再通过气动角座阀KV-g向刚完成逆向放压的C塔进行冲洗。
当A塔压力降至规定值后,停止顺向放压,进行下一步骤。
4.二次降压平衡(2ED),简称:
二次均压
操纵气动角座阀KV–e和KVm,使A塔剩余的气体流过选择阀G2进入C塔底部,实现二次均压后A、C塔压力基本相等,又进一步的回收了A塔的死空间的H2。
5.逆向放压(D),简称:
逆放
A塔二次均压(2ED)结束后,操纵气动角座阀KVi和KV–m,使A塔内剩余的气体从塔的入口端排出放空,A塔进行脱附。
6.冲洗(P)
A塔逆放后,尚残留在踏内的杂质是利用D塔的顺放气,通过气动角座阀KV h,再通过调节针阀限流,然后再通过气动角座阀Kv e向刚完成逆向放压的A塔床层进行冲洗,塔内杂质进一步脱附,冲洗脱附气通过气动角座阀KVi排出放空。
7.一次升压平衡(2ER),简称:
一次升压
A塔冲洗步骤结束后,操纵气动角座阀KV m,使A塔排放处关闭,利用D塔顺放后的剩余压力对A塔进行顺向压力平衡。
A塔压力升高直至两塔压力基本相等,此时回收D塔空间的H2。
8.二次升压平衡(1ER),简称:
二次升压
在一次升压步骤结束后,操纵气动角座阀KVe处于中通状态,同时操纵气动角座阀KV f处于中通状态利用B塔的一次均压气对A塔进行压力平衡,A塔压力进一步提高。
直至两塔压力基本相等,此时回收了B塔死空间的H2。
9.最终升压(FR),简称:
终充
A塔的最终升压是用产品气来升压的,操纵气动角座阀KVe,使其与调节针阀连通。
C塔通过气动角座阀KVg输出产品气,A塔的最终升压通过调节针阀与它连通,调节针阀是最终升压的限流阀,在规定时间内最终升压使A塔压力基本接近吸附压力。
通过这一步骤后,再生过程全部结束,紧接着便进行下一次循环。
其它三个塔的操作步骤与A塔相同,不过在时间上是相互错开的。
同一时间内各塔执行着不同的步骤。
调节针阀用于吸附塔的顺放流量调节,使塔内压力在切换时达到规定值;
另一调节针阀用于最终升压的流量调节,使之在切换时,升压压力接近吸附压力。
两调节针阀,配合程序控制滑管阀按规定的程序操作及梭阀按逻辑关系动作,使变压吸附工艺过程能不断净化原料气,输出产品气。
二、工艺流程中主要设备
1.吸附塔(A、B、C、D)
四个吸附塔是装置中的关键设备,本吸附塔结构设计成隔套式,分内塔和外塔,内塔与外塔串联工作,原料气进和产品气出全部设置在下部,与传统的直通式吸附塔结构完全不同。
它的特点:
不管在高速气流通过时,吸附塔的吸附剂基本上处于相对静止状态,大大地减小了吸附剂的磨损。
吸附塔进出口设置了对冲式和旋式分布气,使气流分布更均衡。
隔套式结构使吸附塔更加紧凑,在吸附工艺中,吸附时要产生吸附热,解吸时要吸收热,这种现象都将影响吸附效果,本隔套式结构在一定程度上解决了吸附热的平衡问题,提高了吸附剂的吸附能力。
本吸附塔结构已申报专利。
2.气动角座阀(KVa、KVb、KVc、KVd、KVe、KVf、KV-e、KV-f、KVg、KVh
KV-g、KV-h、KVi、KVj、KVk、KVl)
程控阀门是装置中又一种关键设备,整个制氢工艺过程要靠程控阀门的切换来完成。
目前国内外在四塔二次均压的工艺流程中用22只程控阀来完成制氢工艺过程,并带来工艺流程配管复杂等,只要其中有一只程控阀出故障,装置就得停下来处理,运行可靠性差。
现在我们采用了十八只气动角座阀组来替代22只程控阀,这样就减少了控制阀门,同时也简化了程控系统,提高装置的运行可靠性。
三、工艺流程(参见附图PSA制氢流程图)
从外管网或压缩机送入装置的压力≤1.6Mpa的原料气(例如弛放气),经阀到原料气贮罐(E)进行缓冲,通过气动角座阀KVa,b,c,d四个阀的其中一个分别进入四个内装吸附剂的吸附塔(A、B、C、D)组成的变压吸附系统。
原料气在变压吸附系统内,从一个塔的内塔自下而上,然后从外塔自上而下通过其中一个正处于吸附步骤的吸附塔,经选择吸附后,产品气从吸附塔出口端流出,通过阀Kve、KVf、KVg或KVh和高选阀输出,产品气经过吸附塔压力调节阀进入产品气缓冲罐(F),又通过手动阀送往后续纯化装置。
吸附塔入口端排出的解吸气来自逆放和冲洗两个步骤,解吸气通过阀门Kvi
KVj、KVk、KVl排出,再通过气动角座阀KV-m进入排放总管。
排出的解吸气通过阻火器排到大气中或回收利用。
在四个吸附塔的入口处,即原料贮罐顶部设置了超压安全保护。
当设定压力超过设定值时,安全阀启跳排入放空总管,然后通过阻火器排入大气中。
原料贮罐底部的球阀是置换时的排放阀,产品气贮罐置换时打开底部球阀排放阀,排放气都排到放空总管,然后通过阻火器排入大气中。
在运行过程中,由于种种原因导致产品纯度不合格时,通过产品连续分析仪发出低纯度报警,手动将不合格气由限流放空阀门排出,等产品合格后,手动关闭限流阀,将合格的产品气回到氢贮罐F。
系统设计了氮气置换阀,装置投运之前必须用氮气置换合格后,才能通入原料气。
第三章程序控制系统及工艺过程参数检测
系统配有一套程序控制系统;
二套流量检测;
一套产品组分检测报警;
一套压力调节系统,装置各点的压力指示为弹簧管压力表。
一、程序自动控制系统
本装置共有十八只气动角座阀,均由程序控制器来控制和操纵。
程控机上右边设有PSA流程示意图,指示灯显示阀门的各种状态。
左边为西
门子提供的控制操作面板,通过上面的操作键可以对工艺过程中每一步骤的工作时间任意设定,操作面板上方有液晶显示屏,显示四个吸附塔正在工作的各个状态,同时显示正在工作的时间。
在液晶显示屏上有一路压力过高报警,一个信号报警显示提供操作人员注
意。
(一)面板下面操作键说明如下:
F1启动开关:
是本控制器的投入工作的开关;
F2停止开关:
是本控制器停止工作的开关;
F3暂停开关:
暂停和退出暂停的开关;
F4步进(点动键):
立即执行下一步程序;
F5手动/自动(黑白开关):
自动:
按操作面板设定值输出信号;
流程中阀位显示黑色,由手控开关输出信号;
1、手控开关(黑白开关):
在手动状态时,由该开关控制输出,在自动状态时,手动开关无作用。
F6首页:
立即恢复最初画面;
(二)面板显示内容:
1、阀位显示:
由黑白两种颜色显示气动角座阀的开关阀位状态(液晶显示屏显示黑色表示阀门开在哪个位置)。
通过阀位指示操作人员可清楚地看出工艺流程中气体的流向。
2、报警信号指示:
在液晶显示屏上有一路压力过高报警,一个信号报警显示。
3、吸附塔工作状态显示:
在西门子的液晶显示屏上实时显示四个吸附塔的工作状态(中文显示)。
4、工作时间显示:
在西门子的液晶显示屏上同时显示每个工艺步骤正在执行的时间。
每一步骤开始时从0到设定时间结束,切换到下一步骤后,又从0到设定时间结束。
(三)自动切换系统:
程序控制器:
是以它的切换时间为时间发信,切换时间由西门子提供的控制操作面板上的按键设定的时间来进行。
切换程序要满足二次均压或四塔一次均压工艺要求,其程序编制在西门子S7-200可编程序控制器内(S7-200安装在箱体内),然后再由S7-200可编程序控制器输出控制信号(电压DC24V)。
电气转换器:
电气转换为电控滑阀,集中安装在现场的一只控制箱内,将电信号转换成气信号去控制程控阀。
控制器输出信号为14路,电控滑阀为14只,14只电控滑阀安装在控制箱内的集成底板上。
控制信号发出时仪表空气不断的排入箱内,控制箱始终保持正压,所以是安全的。
程序控制阀:
本装置采用十二只气动角座阀,每只气动角座阀由两个控制信号去操纵它,它共由二个工作状态(见操作面板布置图),操纵每个工作状态的控制信号的逻辑关系如下:
a,a。
滑管阀输出的4信号为0.4~0.6Mpa,通过管缆分别直接去操纵气动角座阀,滑管阀联接在PSA工艺流程中,通过它们的动作完成了PSA四塔二次均压的整个工艺过程。
二、工艺过程参数检测:
1、原料流量测量(FI-201):
在原料气贮罐出口装有一台流量计,指示原料气的进料量。
2、产品气流量测量(FI-202):
该流量计指示产品气的输出量。
3、产品气微氧检测(AIA-202):
产品微氧检测采用了一台在线连续分析仪,连续指示产品质量,并在产品质量下降到一定值时,发出联锁报警信号。
4、吸附塔压力自动调节系统(PIC-201):
保证吸附塔在恒定的压力下工作,超过压力产品气自动输出,同时保证产品气流量计在恒定的压力下工作。
5、压力检测:
装置各点的压力测量均选用Z-100弹簧管压力表(测压点详见PSA氢气纯化带控制点流程图)。
6、程序控制器:
程序控制器是一台液晶显示屏,安装在仪表盘上,屏上有控制面板(面板上的内容前面已述)和流程模拟图,仪表盘内装有西门子S7-200可编程序控制器和接线端子板,输出去控制电气转换。
第四章 PSA系统启动投运
装置启动分初次开车和正常开车。
初次开车前应做好一系列准备工作,而正常开车时只要按规定的操作步骤进行启动。
一、初次开车前的准备工作:
在装置安装完毕后,对整个装置进行吹除和气密性试验,合格后对吸附塔装
填吸附剂,以上工作由甲方完成。
用户在使用之前应对程控系统进行严格的检查及调试,以保证整个装置可随时投运。
在投入原料气之前还必须用干燥、无油的氮气对整个装置的设备和管道进行置换,使含氧量降到0.5%(体积)以下,因为本装置的原料气和产品气以及解吸气均含有大量氢,如果不预选将装置内的氧置换掉,那么在开车时容易引起爆炸燃烧。
二、投料启动;
在经过整个装置的工艺、仪表检查及确定氮气置换合格后,装置已处于随时可投料运行状态。
当装置启动之前,先按上控制器的电源,然后开启动开关,接着开暂停开关,使装置停在某一个工作状态。
先缓慢打开V201阀,让原料气先进入原料气贮罐(E),打开V205阀对贮罐置换,然后缓慢打开VHV203阀,使原料气进入PSA界区,原料气通过气动角座阀KVa,b,c,d四个阀门进入四个塔中的某一个塔。
如果我们发现B塔压力在升起来时,说明B塔先开始投入吸附(A)。
此时我们将控制器设定在一次均压工艺状态下运行,退出暂停键,操作步进键,使控制器上每个塔显示的工作状态与现场同步,即B塔吸附(A),C塔终充(FR),D塔顺放(PP),A塔冲洗(P)。
此时控制器上的时间“一均”时间可设在60秒,“吸附”时间可设在600秒,如果时间不够用,可按暂停键(在操作步进按键时,退出暂停键),同时打开手动调节针阀HV201。
C塔开始最终充压,当C塔充压到接近0.1Mpa时(控制B塔压力在0.1Mpa左右),操作控制步进键,此时C塔投入吸附(A)、D塔逆放(D)、A塔一充(ER)、B塔均压(ED)。
当A、B塔均压平衡后,操作控制器步进键,同时打开手动调节针阀HV202在一定开度,B塔顺放向D塔冲洗,此时C塔吸附(A)、D塔冲洗(P)、A塔终充(FR)、B塔顺放(PP)。
当A塔终充充到接近0.1Mpa时,吸附压力仍控制在0.1Mpa,操作控制步进键,此时A塔投入吸附(A)、B塔逆放(D)、C塔均压(ED)、D塔一充(ER)。
当C、D塔均压平衡后,操作控制器步进键,此时A塔吸附(A)、B塔冲洗(P)、C塔顺放(PP)、D塔终充(FR)。
当D塔终充到接近0.1Mpa时(吸附压力仍控制在0.1Mpa),操作控制步进键,此时D塔吸附(A)、A塔均压(ED)、B塔一充(ER)、C塔逆放(D)。
当A、B塔均压平衡后,操作控制器步进键,此时D塔吸附(A)、A塔顺放(PP)、B塔终充(FR)、C塔冲洗(P)。
当B塔终充到接近0.1Mpa时(吸附压力仍控制在0.1Mpa),操作控制步进键,此时B塔吸附(A)、C塔一充(ER)、D塔均压(ED)、A塔逆放(D)。
前面每一个吸附塔各循环一次,吸附压力都控制在0.1Mpa左右。
目的是在低压下对每个吸附塔进行置换,把塔内和管道中非原料气置换走,排入大气,如果装置未用氮气置换,此步骤更重要,在低压下把空气置换走,消除不安全因素。
当D、C塔均压平衡后,操作控制器步进键,此时B塔吸附(A)、C塔终充(FR)、D塔顺放(PP)、A塔冲洗(P)。
当C塔终充到接近0.2Mpa时(吸附压力控制在0.2Mpa),操作控制步进键,阀门开关及吸附塔工作状态同上。
当B、A塔均压平衡后,操作控制器步进键,阀门开关及吸附塔工作状态同上。
当A塔终充到接近0.3Mpa时(吸附压力控制在0.3Mpa),操作控制步进键,阀门开关及吸附塔工作状态同上。
当C、D塔均压平衡后,操作同上。
当D塔终充到接近0.4Mpa时(吸附压力控制在0.4Mpa),操作同上。
当A、B塔均压平衡后,操作同上。
当B塔终充到接近0.5Mpa时(吸附压力控制在0.5Mpa),操作同上。
每一步进切换一个塔,吸附压力升高0.1Mpa,直至吸附压力达到所需要的工作压力为止。
这种启动称之为爬山启动。
在升压启动过程中将V202阀手动打开一定的开度,让它有少量的产品气输出,输出的产品气同时对产品贮罐进行置换(打开V206阀)。
在一般情况下爬山启动到吸附工作压力时,产品气纯度基本能合格(在99%H2以上)。
同时开启成分分析仪。
当爬山启动到吸附工作压力后,确定均压时间:
两个吸附塔均压时要达到压力完全平衡,需要花费很长时间,因此规定进行均压的两个吸附塔,其压差小于0.05Mpa,即为完成均压过程。
一个吸附塔进行一均步骤时,另外有一个吸附塔正在进行逆放步骤,因此设定一均时间时,还要考虑完成逆放步骤所需的时间。
均压所需要的时间与产品纯度有关,在一般均压时间设定在15~30秒之间。
确定吸附(顺放)时间和顺放流量:
一个吸附塔进行吸附步骤的时间主要由顺放时间来确定的。
增加原料处理量或提高产品质量应当缩短吸附(顺放)时间;
反之,则卡增加吸附(顺放)时间。
然而,在改变吸附(顺放)时间的同时,应调节HV202手动调节阀的开度,使顺放步骤结束时,吸附塔顺放压力应达到规定范围。
确定终充流量:
吸附塔在再次进行吸附步骤之前,利用产品气通过手动调节针阀HV201对吸附塔进行充压,调整HV101一定开度,使在最终升压步骤结束时,被充压的吸附塔刚好接近吸附压力(比吸附压力低0.02~0.05Mpa)。
这样不仅可保持吸附压力稳定,而且降低了原料气处理量和产品气输出的波动。
确定了均压时间、吸附时间、顺放流量、终充流量,程控机可投入自动控制,即装置按照以上设定的时间进行循环切换。
装置投入正常运行后,产品流量计的工作压力恒定在吸附工作压力,故流量计不需要做压力变化的修正。
流量计出厂时已将工作流量换算成标准状态下的流量,使用时间可直接读数。
产品纯度:
一个吸附塔具有吸附杂质的固定能力(即在一个吸附——再生循环里能提纯一定数量的原料气)。
所以循环时间过长或原料气流量过大,产品纯度会下降;
循环时间过短,原料气流量过小,产品纯度很高,但会引起床层未能充分利用而使产品组分的损失增大。
本装置通过调整循环时间的方法可生产出不同纯度的产品,其纯度控制范围通常在98~99.99%之间。
装置的回收率:
本装置生产不同纯度的产品气,它对应着不同的回收率。
产品纯度越高,产品组分的回收率相应降低,所以在操作中不应单纯追求产品的纯度,而要根据实际需求出发,选择适当的纯度以获得较高的效益。
本装置采用二次均压,即多了一次产品气死体积的回收,所以二次均压的回收率要高于一次均压;
由于实现二次均压工艺,装置每个吸附塔要增加二个工作步骤,所以二次均压的处理能力要比一次均压低。
以上介绍的装置启动步骤,是适合装置第一次开车和停车时间较长后再启动时使用。
如停车时间较短,启动时可加快升压速度。
第五章 停车和停车后再启动
停车分为三种情况:
1、正常停车——有计划的停车。
2、紧急停车——突然停电或装置出现故障要立即停车。
3、临时停车——因故不超过1小时的停车。
一、正常停车
正常停车是有计划的停车,停车前通知本装置前后有关工序,然后按下述步骤事实正常停车:
(1)关闭装置原料气入口阀V201、HV203。
(2)关闭装置产品气出口阀PV202、V202。
(3)程序控制器顺放时间设定值随着吸附压力下降逐渐减小,使各吸附塔压力逐渐降至0.2Mpa左右(希望各塔均能保持在正压状态)。
(4)停控制器电源,停氢分仪电源,关取样阀。
二、紧急停车
(1)切断程控器电源,四只气动角座阀全部处于相通位置,关闭进塔的原料气,关闭放空气,关闭出塔的产品气,A、B均压,C、D塔均压,使PSA系统全封闭。
(2)迅速关闭原料气入口阀V201、HV203。
(3)迅速关闭产品气出口阀V202。
(4)根据现场具体情况,也可参照正常停车步骤处理。
三、临时停车
(1)先按暂停键,使PSA工作步骤保持在当前状态。
(2)根据需要,可按停止/启动键,使所有程控阀关闭。
(3)根据需要,可关闭原料气入口阀V201、HV203。
(4)根据需要,可关闭产品气出口阀V202。
四、长期停车
(1)同正常停车(1)、(2)。
(2)程序控制器顺放时间设定值随着吸附压力下降减小,使各吸附塔压力为零为止。
(3)在原料气入口通入置换氮气,并打开V208、HV203。
(4)操作控制器步进键,使四个吸附塔进行氮置换,直至塔内含氢量在安全区(小于3%H2)。
(5)同正常停车
(1)、(4)。
五、停车后再启动
1.正常停车或长期停车后再启动。
按第四章方法执行。
长期停车,在启动前整个装置是否需要氮气置换应视具体情况而定。
2.紧急停车后启动。
紧急停车后,四个吸附塔都保存着一定的压力,停车后控制器具有记忆功能,一般没有进行任何操作,控制器应处于停车时的程序步骤。
打开控制器的电源,装置可直接启动。
3.临时停车后启动,只要各吸附塔压力状态与控制器处于的程序步骤是一致的,只要退出暂停键,装置可直接启动。
4.如果在停车时关闭了原料气入口V201和产品气出口阀V202,则打开V201、V202。
第六章 故障与处理方法
发生故障是指界外条件供给失常或PSA系统本身在运转过程中操作失调或某一部分失灵,引起产品纯度下降。
在故障原因尚未查清之前,装置不需停运,可继续观察,待故障查明后决定停运或继续运行,如系统出现重大问题,则应紧急停车。
一、界外条件供给失常
1、原料气带水
原料气中的机械水进入吸附塔导致吸附剂逐渐失效。
此时应停车,检查带水程度并作出相应处理。
2、停电
停电时,程序控制器无输出,所有气动角座阀全部处于关闭位置,装置于停运状态。
这种情况相当于紧急停车,可按第五章第二节处理。
3、仪表空气压力下降
本装置要求仪表空气压力不低于0.4Mpa,否则将使气动角座阀不能正常工作,导致各吸附塔工作状态混乱,产品质量下降,此时应停车处理。
二、操作失调
PSA过程运转是否正常关键是各吸附塔的再生状况是否良好,系统操作失调会立即或逐步使吸附塔的再生恶化。
由于PSA过程中周期性循环过程,因此只要其中一个吸附塔再生恶化,就会很快波及和传染到其它吸附塔,最终导致产品质量下降。
1、原料处理量与周期时间
吸附塔内的吸附剂对杂质的吸附能力是定量的,一旦处理量增大,就应该相应缩短切换周期时间(即吸附时间),如原料气带入的杂质量超过吸附剂的承受能力,如不及时调整切换周期时间,杂质就会很快污染产品。
2、顺放气量
吸附时间延长或缩短,顺放手动截至阀未及时调整,当顺放气量过多时,正在顺放的那个吸附塔的吸附前沿提前突破,污染了被冲洗的那个吸附塔,顺放气量过少,吸附塔的氢利用率低,逆放压力偏高,也使被冲洗塔不能得到充分的再生。
以上两种情况均会导致再生恶化。
三、PSA系统故障
PSA系统发生故障是指它在运转过程中某一部分失灵,引起产品纯度下降,工作程序混乱,严重的会使装置无法投运。
可能发生的故障有以下几种:
1、故障现象:
现场各塔的压力指示与程控器显示的工作状态不一致,例如:
该均压的不均压;
均压后二个塔压力同时升;
该逆放的不放空;
均压后的气全部放空;
顺放塔的压力不降等。
故障原因:
由于气动角座阀该开的不开,该关的不关所造成。
气动角座阀不动作有两个原因:
(1)气动角座阀本身卡住不能动作;
(2)外界原因,由程控机、电
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