变压吸附PSA法制氧操作规程.docx
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变压吸附PSA法制氧操作规程
变压吸附(PSA)法
从空气中提取富氧装置
操作规程
XXXXXX化工有限公司
2009年9月
1.概 述
1.1.前言
本装置是采用变压吸附(PressureSwingAdsorption简称PSA)法,从空气中提取氧气和氮气。
本装置采用两段PSA制氧制氮工艺,在第一段提浓段中对空气进行提浓,从塔底回收浓度大于99.9%的氮气产品,并从塔顶回收浓度大于95%的氮气产品;在其后的第二段精制段中,对中间气进一步脱除氮气,使塔顶氧气浓度大于90%;在第三段纯氧段中吸附氧气,废气从塔顶排出,并从塔底获得浓度大于99%(V)的O2产品。
本装置采用气相吸附工艺,因此原料气不应含有任何液体和固体。
在启动和运转这套装置前,要求操作人员透彻地阅读这份操作说明书,因为不适当的操作会导致运行性能低劣和吸附剂损坏。
本说明书中所涉及压力均为表压,组成浓度均为体积百分数,以下不再专门标注。
1.2.装置概况
1.2.1.原料气规格
1.2.1.1.原料气典型组成
组成
O2
N2
Ar
CO2
惰性气体
∑
V%
20
79.0184
0.9276
0.03
0.024
100
1.2.1.2.原料气压力:
≥0.20MPa(G)
1.2.1.3.原料气温度:
≤40℃
1.2.2.设计规模
1.2.2.1.公称产氧能力(折合100%O2):
2,500Nm3/h
1.2.2.2.装置操作弹性:
70~105%
1.2.2.3.操作时数:
8,000小时/年
1.2.3产品规格
1.2.3.1产品氧气
⑴产品氧气含量:
≥99%(V)
⑵产品氧气压力:
0.01Mpa(99%O2),0.17Mpa(90%O2)
⑶产品氧气温度:
≤40℃
⑷产品氧气规模:
≥2,500Nm3/h(折合纯氧)
⑸年开车时间:
8,000小时
1.2.3.2产品氮气
⑴产品氮气含量:
≥99.9%(V)
⑵产品氮气压力:
0.003MPa
⑶产品氮气温度:
≤40℃
⑶产品氮气规模:
6,500Nm3/h(V)
1.2.3.3产品氮气
⑴产品氮气含量:
≥95%(V)
⑵产品氮气压力:
0.05MPa
⑶产品氮气温度:
≤40℃
⑶产品氮气规模:
400Nm3/h(V)
1.2.4技术性能指标
1.2.4.1电耗:
1050KW
1.2.4.2循环水:
120t/h
1.2.5工艺流程:
工艺流程示意图
1.2.6装置组成:
本装置提浓段包括3台换热器(E0101A/B,E0102)、12台吸附塔(T0101A-L)、2台空气鼓风机(C0101A/B)、2台氮气置换风机(C0102A/B)、1台氮气产品缓冲罐(V0101)。
精制段包括7台吸附塔(T0201A-G)、4台混合气缓冲罐(V0201、V0202A-C)、2台换热器(E0201,E0202)。
纯氧段包括3台吸附塔(T0301A-C)、3台缓冲罐(V301,V302,V303)、1台氧气置换风机(C0301)
本装置公用部分包括一套液压系统,一套DCS计算机集散控制系统,共有程序控制阀274台。
序号
名称
型号及规格
单位
数量
材料
单重(吨)
总重(吨)
1
第一段吸附塔
Φ2000×12
Vg=8.05m3
台
12
碳钢
5.195
62.34
2
第二段吸附塔
Φ1600×10
Vg=3.98m3
台
7
碳钢
3.660
25.62
3
第三段吸附塔
Φ1600×10
Vg=6.19m3
台
3
碳钢
3.210
9.63
4
产品氮气缓冲罐
Φ3000×12
Vg=8.05m3
台
1
碳钢
19.221
19.221
5
混合气缓冲罐
Φ2000×10
Vg=15m3
台
1
碳钢
3.420
3.420
6
混合气缓冲罐
Φ2400×10
Vg=40m3
台
2
碳钢
6.818
13.636
7
混合气缓冲罐
Φ2400×10
Vg=40m3
台
1
碳钢
6.914
6.914
8
混合气缓冲罐
Φ2000×10
Vg=15m3
台
1
碳钢
3.315
3.315
9
氧气缓冲罐
Φ2600×12
Vg=50m3
台
1
碳钢
10.510
10.510
9
氧气置换缓冲罐
Φ2400×12
Vg=30m3
台
1
碳钢
6.300
6.300
合计
台
30
160.906
1.2.7主要设备技术特性
序号
设备名称
规格型号
单位
数量
1
空气冷却器
换热面积:
F=92m2
台
2
2
解析气换热器
换热面积:
F=31.8m2
台
2
3
氮气换热器
换热面积:
F=31.8m2
台
1
4
空气鼓风机
台
2
5
氮气鼓风机
RRF-300RQ=130Nm3/min
台
2
6
氧气鼓风机
台
1
7
油泵
NP100 Q=100L/min
台
8
2.工艺说明
2.1工艺流程简述
本装置共有三段,其中第一段称为提浓段,采用12-2-4-RP流程;第二段称为精制段,采用7-2-1-P流程;第三段成为纯氧段,采用3-1-RP流程。
制氧系统工艺流程图见施工图TL0904-3-02-01,TL0904-3-02-02,TL0904-3-02-03,空气经离心鼓风机加压至0.20MPa,先经后冷却器冷却至40℃,进入处于吸附步骤的提浓段吸附塔,空气中的H2O、CO2、N2、Ar等杂质部分被吸附,出塔中间气送入精制段进行进一步处理。
当被吸附杂质的浓度前沿接近床层出口时,关闭提浓段吸附塔入口阀和出口阀,使其停止吸附,通过四次均压步骤回收床层死空间的氧气,再顺着吸附方向使用产品气进行连续置换,使塔内氮气浓度达到产品要求。
置换结束,逆放降压回收氮气产品,并对吸附剂进行初步再生。
逆放结束,使用精制段底部过来的气体对吸附剂床层进行吹扫,使吸附剂床层进一步再生,并回收吹扫气中的氧气。
在吹扫气中的氧气达到吸附剂床层底部之前,停止吹扫,依次使用V0202C、V0202B、V0202A对吸附塔进行二段升升压。
二段升结束后,利用提浓段的均压气和中间气对床层逐步升压至接近吸附压力,吸附床便开始进入下一个吸附循环过程。
部分置换气作为95%的氮气产品回收,吹扫气排入大气。
提浓段来的中间气和纯氧段混合气缓冲罐的由下而上通过精制段吸附床层,出塔氧气送入纯氧段进一步精制。
当被吸附杂质的浓度前沿接近床层出口时,关闭吸附塔入口阀和出口阀,使其停止吸附,通过一次均压步骤回收床层死空间的氧气,并在吸附剂床层的上端进行顺放将气体放入V0201C以回收氧,然后逆着吸附方向降压,依次将气体放入V0202A、V0202B、V0202C对吸附剂床层进行初步再生,逆放结束使用V0201中回收的气体对吸附剂床层进行吹扫,进一步再生吸附剂床层。
然后利用精制系统的均压气和产品气将吸附剂床层的压力提高到吸附压力,吸附床便开始进入下一个吸附循环过程。
精制段出来的由下而上通过精制段吸附床层,出塔混合气送入精制段V202C用作第一段的二段升气体。
当床层吸附的氧气饱和时,关闭吸附塔的出口阀和入口阀,使其停止吸附。
然后使用风机将V0302纯氧缓冲罐中的纯氧加压对吸附塔进行置换,置换气体放入V0301用作精制段的原料气。
通过置换,将塔内死空间内的N2,Ar等杂质置换出去,使氧气浓度达到99.9%,然后打开底部阀门,逆放回收产品氧。
产品回收结束后吸附塔就进入下一个循环。
就PSA工艺而言,单台吸附塔都是吸附-再生-吸附间歇循环方式工作,具体到本装置,提浓段每个吸附塔在一次循环中需经历:
吸附(A)、一均降(E1D)、二均降(E2D)、三均降(E3D)、四均降(E4D)、置换(RP)、逆放(BD)、吹扫(P)、二段升一(2ER1)、二段升二(2ER2)、二段升三(2ER3)、四均升(E4R)、三均升(E3R)、二均升(E2R)、一均升(E1R)、终升(FR)一十六个步骤。
精制段每个吸附塔在一次循环中需经历:
吸附(A)、一均降(E1D)、顺放(PP)、逆放(BD)、、吹扫(P)、均升(R)、一均升(E1R)、终升(FR)共八个步骤。
为连续处理工艺原料气,采用多个吸附床,循环地变动所组合吸附床工艺状态,通过合理步序安排,保证任一时刻均有相同数量吸附塔处于吸附状态就实现了连续分离气体混合物的目的。
整个过程通过DCS控制系统自动控制共274台程控阀开关来实现,根据程控阀功能不将程控阀分类编号如下:
提浓段:
KV101A-L:
原料气程控阀
KV102A-L:
中间气及中间气终升程控阀
KV103A-L:
一均、二均顶部程控阀
KV104A-L:
三均、四均顶部程控阀
KV105A-L:
置换顶部程控阀
KV106A-L:
吹扫顶部程控阀
KV107A-L:
二段升三程控阀
KV108A-L:
二段升一、二段升二程控阀
KV109A-L:
逆放顶部程控阀
KV110A-L:
一均、二均底部程控阀
KV111A-L:
三均、四均底部程控阀
KV112A-L置换底部程控阀
KV113A-L逆放程控阀
KV114A-L 吹扫底部程控阀
KV115A-L 逆放底部程控阀
公用程控阀
KV116鼓风机超压放空阀
KV117A/B:
吹扫回收程控阀
KV118A/B:
吹扫放空阀
KV119A/B:
置换回收氮气程控阀
KV120A/B:
置换回收氮气程控阀
精制段:
KV201A-G:
中间气进料程控阀
KV202A-G:
氧气程控阀
KV203A-G:
均压、终升程控阀
KV204A-G:
顺放程控阀
KV205A-G:
吹扫程控阀
KV206A-G:
逆放一、逆放二程控阀
KV207A-G:
逆放三程控阀
KV208A-G:
吹扫底部程控阀
公用程控阀
KV209A/B:
终升程控阀
KV210A/B:
顺放程控阀
KV211A/B:
吹扫程控阀
KV212A/B:
逆放一程控阀
KV213A/B:
二生三程控阀
KV214A/B:
逆放二程控阀
KV215A/B:
二升二控阀
纯氧段:
KV301A-C:
氧气进料程控阀
KV302A-C:
混合气程控阀
KV303A-C:
置换气顶部程控阀
KV304A-C:
置换气底部程控阀
KV305A-C:
纯氧程控阀
2.2工艺步序
由于所有吸附塔经历工艺过程完全一致,只是在同一时刻所处工艺状态不同而已,下面分别以提浓段、精制段、纯氧段A塔为例说明工艺步序及程控阀动作如下:
2.2.1提浓段:
(1)吸附
空气经离心风机加压后由换热器降温,从A塔下端程控阀KV101A入塔,在吸附工作压力下自下而上地流经吸附床时,气流中氮气被吸附剂选择性地吸附,吸附氮气后气体经KV102A从塔顶排出,其中的一部份气体用作最终升压气,而大部分气体输往精制段。
当氮气的吸附前沿将要到达吸附床出口时,即停止进料和输出中间气。
此时吸附前沿到出口端之间尚留一段“未吸饱和的吸附剂”——预留段。
(2)一均降
A塔吸附停止后,通过程控阀KV103A、KV103D及KV110A、KV110D立即与D塔进行压力均衡,即A塔与D塔出口连通。
此时A塔的吸附前沿继续向前推进,当A、D两塔压力基本平衡后,A塔的吸附前沿仍未到达出口端。
这一过程的作用是回收A塔死空间内的部分氧气,其组成与输出的中间气基本相同。
(3)二均降
一均降结束后,A塔内还有较高压力,通过程控阀KV103A、KV103E及KV110A、KV110E与E塔进行压力均衡,即A塔与E塔出口连通。
此时A塔的吸附前沿继续向前推进,当A、E两塔压力基本平衡后,A塔的吸附前沿仍未到达出口端。
此时,需继续均压。
(4)三均降
二均降结束后,A塔内还有较高压力,通过程控阀KV104A、KV104F及KV111A、KV111F与F塔进行压力均衡,即A塔与F塔出口连通。
此时A塔的吸附前沿继续向前推进,当A、F两塔压力基本平衡后,A塔的吸附前沿仍未到达出口端。
此时,需继续均压。
(5)四均降
三均降结束后,通过程控阀KV104A、KV104G及KV111A、KV112G与G塔进行压力均衡,即A塔与G塔出口连通。
此时A塔的吸附前沿继续向前推进,当A、G两塔压力基本平衡后,A塔的吸附前沿基本到达出口端,此时A塔有效气体基本回收完毕。
(6)置换
四均降结束后,打开KV112A使用产品氮气对吸附剂床层进行置换,使床层内氮气浓度达到产品要求,置换后的气体经KV105A,由KV119、KV120放空或者回收作为95%的氮气产品。
置换气压力为0.06MPa。
(7)逆放
置换结束后,关闭KV109A和KV115A,打开KV113A回收产品氮气
(8)吹扫
逆放结束后,打开KV106A用精制段的吹扫气进行吹扫,气体通过床层后,经KV114A,最后由公共阀KV117A/B回收,或者经KV118A/B放空。
(9)二段升三
吹扫结束后,打开KV107A,用混合气缓冲罐的V202C的气体对吸附塔进行升压,以回收有效气体。
(10)二段升二
二段升一结束后,继续开KV108A,用混合器缓冲罐V202B的气体对吸附塔进行升压,以回收有效气体。
(11)二段升一
二段升二结束后,开KV108A,用混合器缓冲罐V202A的气体对吸附塔进行升压,以回收有效气体。
(12)四均升
二段升一结束后,通过程控阀KV104A、KV104G及KV111A、KV111G与G塔进行压力均衡,即A塔与G塔连通,A塔进行四均升,G塔进行四均降。
(13)三均升
四均升结束后通过程控阀KV104A、KV104H及KV111A、KV111H与H塔进行压力均衡,即A塔与H塔出口连通。
A塔进行三均升,H塔进行三均降。
(14)二均升
三均升结束后通过程控阀KV103A、KV103I及KV110A、KV110I与I塔进行压力均衡,即A塔与I塔出口连通。
A塔进行二均升,I塔进行二均降。
(15)一均升
二均升结束后通过程控阀KV103A、KV103J及KV110A、KV110J与J塔进行压力均衡,即A塔与J塔出口连通。
A塔进行一均升,J塔进行一均降。
对A塔的一系列均升过程,不但回收了各塔死空间内的氧气和提高了A塔的压力,而且还将A塔残存的少量杂质,推向吸附塔的进口端,起着吸附剂的“更新”作用。
(16)再加压
即为最终充压,利用K、L吸附塔吸附过程的中间气,把A塔压力提高到操作压力。
中间气经阀KV102A由A塔出口端充入A塔,最终使A塔压力基本接近吸附压力。
这一过程同样也有把A床内少量杂质组分再一次推向入口端的作用。
通过八次充压,吸附床为下一循环的所有准备工作即告完毕,紧接着进行下一循环过程。
其余十一塔的操作步骤与A塔完全相同,只是在时间上按一定程序相互错开。
2.2.2精制段:
(1)吸附
来自提浓段的中间气,经程控阀KV201A,从A塔下端入塔,在吸附工作压力下自下而上地流经吸附床时,气流中氮气被吸附剂选择性地吸附,吸附氮气后气体经KV202A从塔顶排出,其中的一部份气体用作最终充压气,而大部分气体进入纯氧段。
当氮气的吸附前沿将要到达吸附床出口时,即停止进料和输出产品气。
此时吸附前沿到出口端之间尚留一段“未吸饱和的吸附剂”——预留段。
(2)一均降
A塔吸附停止后,通过程控阀KV203A、KV203D立即与D塔进行压力均衡,即A塔与D塔出口连通。
此时A塔的吸附前沿继续向前推进,当A、D两塔压力基本平衡后,A塔的吸附前沿仍未到达出口端。
这一过程的作用是回收A塔死空间内的部分氧气。
(3)顺放
一均降结束后,打开程控阀KV204,经KV210A/B将吸附塔有效气体从吸附塔顶部放到混合气缓冲罐V0201作吹扫气用。
(4)逆放一
顺放结束后,打开程控阀KV206A,对吸附塔从底部降压解析,解析气经KV212A/B进入混合气缓冲罐V202A,然后经KV213A/B用作提浓段二生三步骤的升压气。
(5)逆放二
逆放一结束后,继续打开程控阀KV206A,对吸附塔从底部降压解析,解析气经KV214A/B进入混合气缓冲罐V202B,然后经KV215A/B用作提浓段二生二步骤的升压气。
(6)逆放三
逆放二结束后,打开程控阀KV207A,继续对吸附塔从底部降压解析,解析气经进入混合气缓冲罐V202C,然后用作提浓段二生一步骤的升压气。
经顺放和三次逆放后,吸附剂得到了初步再生。
(7)吹扫
逆放三结束后,打开KV211A/B,混合气缓冲罐V201的气体经KV211A/B,KV205A对吸附塔进行吹扫,以进一步再生吸附剂,吹扫后的气体经KV208A用作第一段的吹扫气。
(8)一均升
吹扫结束后,打开KV103A与KV103E,使A塔与E塔进行压力均衡,即A塔与E塔出口连通。
以回收E塔死空间的气体和压力,此时A塔进行一均升,E塔进行一均降。
(9)再加压
均升结束后,利用F、G吸附塔吸附过程的产品气,把A塔压力提高到操作压力。
产品气经阀KV209A/B、KV203A由A塔进出口端充入A塔,最终使A塔压力基本接近吸附压力。
通过两次充压,吸附床为下一循环的所有准备工作即告完毕,紧接着进行下一循环过程。
其余六塔的操作步骤与A塔完全相同,只是在时间上按一定程序相互错开。
2.2.3纯氧段:
(1)吸附
来自精制段的氧气,经程控阀KV301A,从A塔下端入塔,在吸附工作压力下自下而上地流经吸附床时,气流中氧气被吸附剂选择性地吸附,吸附氧气后气体经KV302A从塔顶排出,排出的气体放空或者进入V202C。
当床层吸附的氧气饱和时,停止进料和排出混合气。
(2)置换
A塔吸附停止后,使用V302经过C0301加压的纯氧产品经过KV304A、KV303A对A塔死空间内的N2、Ar进行置换,使塔内气体纯度达到产品要求。
(3)逆放
置换结束后,打开KV305A将塔内的产品纯氧放入产品缓冲罐V302。
塔内吸附剂降压再生。
产品回收结束后,塔进气升压进入下一个循环。
2.3工艺步序时间参数设置
2.3.1提浓段基本时间设置
提浓段控制程序均通过T1、T2两个时间参数设置来控制一个运行周期时间,每个参数控制步序时序时间如下:
循环时间=12(T1+T2);
A=2(T1+T2);
E1D=E1R=E3D=E3R=2ER1=2ER3=T1;
E2D=E2R=E4D=E4R=2ER2=FR=T2;
FR=2(T1+T2);
BD=T1+T2;
P=T1+T2
2.3.2精制段基本时间设置
精制段控制程序均通过T1、T2两个时间参数设置来控制一个运行周期时间,每个参数控制步序时序时间如下:
循环时间=7(T1+T2);
A=2(T1+T2);
E1D=E2R=BD1=BD3=T1
PP=BD2=FR=T2
P=TI+2T2
2.3.3纯氧段基本时间设置
纯氧段控制程序均通过T1时间参数设置来控制一个运行周期时间,每个参数控制步序时序时间如下:
循环时间=3T1
A=T1;
RP=T1;
BD=T1。
2.4工艺步序吸附塔压力设置
2.4.1提浓段工艺步序吸附塔压力设置
2.4.2精制段工艺步序吸附塔压力设置
2.4.3纯氧段工艺步序吸附塔压力设置
2.5控制功能说明
依据变压吸附制氧单元的控制要求,本单元控制系统采用DCS控制系统,构成控制与管理功能。
本单元的基本控制与管理功能包括:
程控阀开关控制、模拟量检测与调节、安全联锁、故障报警与记录、历史数据记录、流量累计等功能。
2.5.1程控阀开关控制功能
本单元吸附与分离过程依赖于程控阀门的开关来实现切换,因而程控阀门的开关控制是本单元最重要的控制部分。
程控阀开关控制过程示意图见下图:
运行监控
DCS系统
程序控制
工艺单元
程控阀
液压系统
工艺参数
运行参数
阀位检测
程序控制
驱动
2.5.2程控阀开关控制过程说明:
DCS系统根据工艺要求制订出程序,然后按一定的时间顺序将DC24V开关信号送至液压系统的电磁换向阀,电磁换向阀将该开关电信号转换成驱动液压油的高、低压信号,送至程控阀的驱动油缸,驱动程控阀门按程序开、关。
同时,程控阀门将其开、关状态通过霍尔传感器反馈给DCS系统,用于状态显示和监控,并通过与输出信号的对比实现阀门故障的判断与报警。
液压系统的作用是为程控阀门提供开、关的动力和控制手段,同时其自身运行的参数如:
压力、液位、运行状态等也反馈回DCS系统,由DCS系统进行显示、监控、报警和联锁控制。
2.5.3液压系统说明:
本单元的液压系统主要由集成液压泵站、蓄能器站和电磁换向阀构成。
集成液压泵站其控制点包括:
液位控制:
在泵站上装有一台带报警、联锁液位变送器,用于监控泵站的油箱液位。
当油箱液位低于报警值时,DCS将报警提醒值班人员加油并检查油压系统有无泄露点;
油温控制:
泵站上装有一台温度计,当液压油温度超过50℃时,值班人员应打开冷却水阀。
压力控制:
液压系统设计有现场压力表和智能压力变送器各一台,可将液压系统工作压力传送至DCS控制系统,当系统压力低于设定值5.0MPa时,DCS系统将自动启动备用泵并报警。
2.5.4模拟量检测与调节功能
本单元模拟量调节均由DCS完成,工艺系统共包括52个模拟量检测点和8个模拟量调节点。
各检测及调节信号的功能与控制方式简述如下:
2.5.4.1压力指示记录报警
PIRA101A~L,分别安装于吸附塔T101A~L出口总管上,用于指示记录吸附塔压力,共12个;
PIRA102,安装于氮气缓冲罐入口管上,用于指示记录氮气缓冲罐压力,共1个;
PIRA201A~G,分别安装于吸附塔T201A~G出口总管上,用于指示记录吸附塔压力,共7个;
PIRA202,安装于缓冲罐V201入口管上,用于指示记录缓冲罐压力,共1个;
PIRA203,安装于缓冲罐V202A出口管上,用于指示记录缓冲罐压力,共1个;
PIRA204,安装于缓冲罐V202B出口管上,用于指示记录缓冲罐压力,共1个;
PIRA205,安装于缓冲罐V202C出口管上,用于指示记录缓冲罐压力,共1个;
PIRA301A~C,分别安装于吸附塔T301A~C出口总管上,用于指示记录吸附塔压力,共3个;
PIRA302,安装于缓冲罐V301出口管上,用于指示记录缓冲罐压力,共1个;
PIRA303,安装于缓冲罐V302出口管上,用于指示记录缓冲罐压力,共1个;
PIRA304,安装于缓冲罐V3023出口管上,用于指示记录缓冲罐压力,共1个。
2.5.4.2温度指示记录报警
TIRA101,安装于PA0106上,用于指示记录进入吸附塔的空气温度,共1个;
TIRA102A/D/G/J,安装于T0101A/D/G/J上,用于指示记录吸附塔的床层上部温度,共
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- 变压 吸附 PSA 法制 操作规程
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