变压吸附（PSA）制氢装置

操作运行说明书

第一章   前言

    本装置是采用变压吸附（PSA）法从富氢气体中回收或提取氢气。改变操作条件可生产不同纯度的氢气，氢气最高纯度可达99.999％以上。

    本装置采用气相吸附工艺，因此，原料气不含有任何液体或固体。

在启动和运转这套装置之前，要求操作人员透彻地阅读本操作运行说明书，因为不适当的操作会导致运行性能低劣和吸附剂的损坏。

本说明书中涉及到的压力均为表压，组分浓度均为摩尔百分数，流量除专门标注外均为标准状态下的流量。

第二章   工艺说明

本装置为五塔PSA制氢装置，它的关键部分由五个吸附塔（以下简称A、B、C、D、E塔）和33个气动阀组成。另外，为提高氢气回收率和氢气纯度，本系统配备了两台真空泵（一开一备）和一台真空缓冲罐；在系统出口管道上装有一台压力调节阀，用以调节、稳定系统操作压力。解析气直接通过消声阻火器放入大气或输入燃料系统作燃料。

一、工作原理和过程实施

本装置采用变压吸附（PSA）分离气体的工艺，从甲醇重整气（包括各种含氢气体）中提取氢气。其原理是利用所采取的吸附剂对不同吸附质的选择吸附和吸附剂对吸附质的吸附容量随压力变化而有差异的特性，在吸附剂选择吸附条件下，将原料气在压力下通过吸附床层，高压吸附除去原料中杂质组分，低压下脱附这些杂质而使吸附剂获得再生。小分子的氢气不被吸附而通过吸附床层,达到氢和杂质组分的分离, 得到产品氢气。

整个操作过程是在环境温度下进行。

吸附剂的再生是通过三个基本步骤来完成的:

1.吸附塔压力降至低压

首先是顺着吸附的方向进行降压（以下简称均压），此时有一部分吸附剂仍处于吸附状态；

２.逆向放压

逆向放压时，被吸附的杂质部分从吸附剂中解吸，并被排出吸附塔；

３.升压

吸附塔升压至吸附压力，以准备再次对原料气进行分离。

本装置采用五塔三次均压变压吸附过程，即每个吸附塔在一次循环中均需要经历吸附（Ａ）、一次均压（1ED）、二次均压（2ED）、三次均压（3ED）、逆向放压（D）、真空解吸（V）、一次升压（3ER）、二次升压（2ER）、三次升压（1ER）以及最终升压（FR）等十个步骤。五个吸附塔在执行程序的时间安排上相互错开，构成一个闭路循环，以保证原料连续输入和产品不断输出

整个过程主要由33个气动程控阀来实现（见五塔吸附工艺流程图）

程控阀的功能说明如下：

KV1——各塔进料阀

KV2——各塔产品输出阀

KV3——各塔逆向放压阀

KV4——各塔均压阀

KV5——各塔终充阀

KV6——各塔升压阀

K201——最终升压调节阀

K202——均压调节阀

现以A塔为例对工作进行说明：

1.吸附（A）

原料气通过气动程控阀KV1A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KV2A流出，其中大部分作为产品从本系统中输出，少部分通过调节阀K201和气动程控阀KV5B对B塔进行最终升压。吸附过程直至输出产品杂质浓度超过规定值是结束。

2.降压平衡（1ED），简称一次均压

操纵气动程控阀KV1A和气动程控阀KV2A，切断进、出A塔原料气，同时操纵气动程控阀KV4A和气动程控阀KV6C，使A塔与刚结束一次升压步骤的C塔出口端相连，实行第一次压力平衡，均压后A、C塔压力基本相等，回收了A塔死空间的H₂。

3. 降压平衡（2ED），简称二次均压

操纵气动程控阀KV4A和气动程控阀KV6D，使A塔与已结束一次升压步骤的D塔出口端相连，实行第二次压力平衡，直至A、D两塔压力基本相等，又一次回收了A塔死空间的H₂。

4. 降压平衡（3ED），简称三次均压

操纵气动程控阀KV4A和气动程控阀KV6E，使A塔与刚结束真空解吸的E塔出口端相连，实行第三次压力平衡，直至A、E两塔压力基本相等，又一次回收了A塔死空间的H₂。

5.逆向放压（D），简称逆放

操纵气动程控阀KV3A和气动程控阀KS131，使A塔内剩余的气体从塔的入口端排出放空，A塔进行解吸（脱附）。

6.真空解吸（V）

A塔逆放后，常压下残存于分子筛内的杂质组分不易排出。此时通过操纵气动程控阀KV3A（开）和气动程控阀KS131（关）、气动程控阀KS132（开）、气动程控阀KS133（开），使A塔内残存的气体由真空泵从塔的入口端抽出放空，对A塔进行真空解吸。

7.一次升压（3ER）

真空解吸结束后，操纵气动程控阀KV3A使A塔处于关闭状态；再通过操纵气动程控阀KV6A和气动程控阀KV4B利用B塔降压平衡后的气体，对A塔进行压力平衡，直至两塔压力相等此时回收了B塔死空间的H₂，同时完成对A塔的一次升压。

8.二次升压（2ER）

一次升压结束后，操纵气动程控阀KV6A和气动程控阀KV4C，利用C塔降压平衡后的气体，对A塔进行压力平衡，直至两塔压力相等，此时既回收了C塔死空间的H₂，同时完成对A塔的二次升压。

9.三次升压（1ER）

二次升压结束后，操纵气动程控阀KV6A和气动程控阀KV4D，利用D塔降压平衡后的气体，对A塔进行压力平衡，直至两塔压力相等，此时既回收了D塔死空间的H₂，同时又完成对A塔的三次升压。

10.最终升压（FR）

A塔的最终升压是利用产品气来进行的。操纵气动程控阀KV5A，使其与调节阀K201连通，E塔通过气动程控阀KV2E输出产品气，同时向A塔实行最终充压，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。

其它四个塔的操作步骤与Ａ塔相同，只不过在时间上是相互错开的。

同一时间内各塔依据吸附时序执行着不同步骤。

调节阀K102用于吸附塔均压流量的调节，使塔内压力在切换时达到规定值；调节阀K101用于最终升压的流量调节，使其在切换时，升压压力接近吸附压力。

两调节阀配合气动程序控制阀和真空泵，按规定的程序操作，使变压吸附工艺过程能不断净化原料气，输出合格产品气。

本装置还可通过程序设置实现四塔二次均压吸附过程，即：当五塔其中某一塔出现故障时，将其隔离；使用其它四塔继续正常生产。在此不详细叙述。

二、工艺流程中的主要设备：

1.吸附塔（A、B、C、D、E）

五个吸附塔是装置中的关键设备。本吸附塔结构设计为直筒式，气体部分采用下进上出方式，气体进出口均设有气体分布装置，以利于进出气体的分布并阻止吸附剂的外漏。

2.真空泵

本装置配有真空泵两台（一开一备），用于吸附塔的真空解析。真空泵的使用可大大提高产品气的纯度，并可提高产品回收率，降低运行成本。

3.真空缓冲罐

真空缓冲罐是为真空泵而配置的。吸附工艺过程中，按程序设置，真空泵多数时间是在抽真空缓冲罐，与KS132和KS133程控阀相配合，利用真空缓冲罐容积大的特点，短时间内可将吸附塔的压力抽空至较低状态，满足工艺生产要求。

4.压力调节阀

为保证全系统的稳定操作，在变压吸附装置出口安装有系统压力调节阀，其压力采样点在重整制氢系统的重整气缓冲罐上。调整压力调节阀的设置，可改变系统的操作压力。

一般情况下，系统操作压力设置完成后，不要随意进行改变。

三、工艺流程介绍（见带控制点工艺流程图）

从甲醇重整系统来的重整气首先通过KV1A气动程控阀进入吸附塔A进行吸附分离，分离后的产品氢气通过KV2A气动程控阀经计量后进入氢气缓冲罐；吸附塔吸附完毕后，KV1A、KV2A气动程控阀关闭，KV4A气动程控阀打开，分别向吸附塔C、D、E一、二、三次均压，以回收塔内的残余H₂。均压结束后，KV4A气动程控阀关闭，并打开KV3A和KS131气动程控阀逆向放压进行A塔吸附剂的再生，至塔内压力接近于常压，解吸气经阻火器排入大气；然后关闭KS131气动程控阀，打开KS132、KS133气动程控阀进行真空解吸至规定时间结束。真空解吸结束后，关闭KV3A气动程控阀，并打开KV6A气动程控阀，分别在规定时间内由B、C、D三塔对A塔进行一、二、三次升压；然后关闭KV6A气动程控阀，并打开KV5A气动程控阀对A塔进行最终充压。最终充压结束后A塔进入下一轮吸附分离过程。

其它四塔吸附过程与此相同。

五个塔的吸附顺序依A、B、C、D、E分别进行。五塔依次吸附一次则一轮循环结束。每一轮循环共有20个步序，每一步序的时间可通过计算机输入并修改。吸附时间的修改，由专业技术人员根据工艺对产品氢气的纯度的要求进行修改，其他任何人不得擅自修改操作参数。

在运行过程中，由于种种原因可能导致产品氢气不合格。经再线氢气分析仪检测发现后，须通过操纵进氢气缓冲罐前的放空阀K203进行限流放空，直至合格为止，然后继续进氢气缓冲罐。

第三章  变压吸附系统启动投运

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，对整个装置应进行吹除和气密性试验，合格后对吸附塔装填吸附剂。

用户在使用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入运行。

在投入原料气之前，还必须用干燥、无油的氮气（或抽真空）对整个装置的设备和管道进行置换，使氧含量降到0.5％以下，因为本装置的原料气、产品气和解析气均含有大量的氢气，如果不预先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、仪表检查及确定置换合格后，装置已处于随时可投料运行状态。

当装置启动前，先将计算机操作画面置于变压吸附自动-手动操作画面，然后点击自动操作按钮，观察变压吸附系统处于哪一个工作状态；再点击手动操作按钮，使变压吸附系统处于备用状态。

吸附工序启动步骤如下：

1.启动空压机，并将其压力控制在0.6-0.7MPa；

2.开重整系统流量计旁通阀，关小重整气放空阀，向变压吸附系统充气，并通过调节重整气放空阀维持重整系统压力；

3.开K201、K202阀；

4.点击计算机变压吸附系统自动操作按钮，开始向吸附塔充气；

5.开并调节吸附系统放空阀K203,维持吸附系统压力在0.2-0.3MPa，进行低压运行，调整并对系统进行置换；

6.调节吸附系统放空阀K203,维持吸附系统压力在0.6-0.7MPa，进行中压运行，调整并对系统进行置换；

7.调节吸附系统放空阀K203，维持吸附系统压力在0.9-1.0MPa，在正常操作压力下运行，调整并对系统进行置换；

8.启动在线分析仪，对产品气进行分析，若合格即可将其切换进入氢气缓冲罐。

9.打开并设置气体压力调节阀在1.0MPa，将产品气送入氢气缓冲罐并对其进行置换。置换气由氢气缓冲罐底部排污阀排出进入大气。

由于此时排出的气体已基本是纯氢了，操作中应采取低压、小量、多次的方式进行，严防出现爆炸燃烧情况。

置换过程中，随时调整重整气放空阀和吸附系统放空阀，以控制两套系统操作压力，保持操作系统的稳定运行。

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，故流量计不需要压力变化的修正。流量计出厂时以将工作流量换算成标准状态下的流量，使用时可直接读数。

产品纯度：一个吸附塔具有吸附杂质的能力（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，会引起床层未能充分利用，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控制在98—99.99％之间。

装置的回收率：本装置不同纯度的产品气，对应着不同的回收率。产品纯度越高，产品组分的回收率越低。所以在操作中不应单纯追求产品的纯度，需要根据实际需要出发，选择适当的纯度以获得较高的效益。本装置采用三次均压，即多了一次产品气死体积的回收，其回收率得到较大提高，一般情况下，可达到85—90％。

以上介绍的装置启动步骤，适合装置的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。

第四章 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，然后按下述步骤实施正常停车：

1. 关闭装置原料气入口阀。

2. 关闭装置产品气出口阀，使系统保持全封闭状态。

3. 停控制器电源，停氢分仪电源，关取样阀。

4. 系统保压（各吸附塔均应保持正压）

二、紧急停车：

1. 迅速关闭装置原料气入口阀

2. 迅速关闭装置产品气出口阀

3. 根据现场具体情况，可参照正常停车步骤处理。

三、临时停车：

1. 点击控制器停止按钮，关闭所有程控阀，使吸附系统工作步骤保持在当前状态；

2. 根据需要，关闭原料气入口阀；

3. 根据需要，关闭产品气出口阀。

四、长期停车

1. 同正常停车1、2操作步骤；

2. 将各吸附塔压力按手动操作逐步放空至压力为零为止；

3. 在原料气入口通入置换氮气；

4. 按手动操作控制按钮，对各吸附塔进行氮气置换，直至塔内含氢量在安全区（小于3％H₂）

5. 同正常停车3、4操作步骤。

五、停车后再启动

1. 正常停车或长期停车后再启动

按第三章方法执行。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，各塔基本上都保持在正常工作状态，因停车后控制器具有记忆功能，控制器应处于停车时的程序步骤。打开控制器的电源，直接点击启动按钮装置即可启动。

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，直接点击启动按钮装置即可启动。

4. 如果在停车时关闭了原料气入口阀和产品气出口阀，应在开车前打开。

第五章 故障与处理方法

发生故障是指外界条件供给失常或吸附系统本身在运行过程中操作失调某一部分失灵，引起产品纯度下降。

在故障原因未查明前装置不需停车，可继续观察，待故障查明后决定视情况而定。常见故障如下：

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会导致吸附剂逐渐失效。此时应停车，检查带水原因及程度，做出相应处理。

2. 停电

停电时，程控器无输出，装置处于停车状态，可按第四章紧急停车处理。

3. 仪表空气压力下降

本装置要求仪表空气压力不低于0.5MPa，否则气动阀将无法正常操作。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

吸附系统运转过程是否正常，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塔的再生恶化。由于吸附过程是周期循环过程，因此只要其中一个吸附塔再生恶化，就会很快波及和污染到其它吸附塔，最终导致产品质量下降。

1. 原料处理量与循环时间

吸附塔内的吸附剂对杂质的吸附能力是定量的，一旦处理量改变，就应该对其吸附时间进行调整。

原料处理量大，塔内气速则快，气体容易穿透床层，应缩短循环时间；

原料处理量小，塔内气速则慢，气体不容易穿透床层，应延长循环时间；

2. 顺放气量

吸附时间延长或缩短，而均压阀K102未能及时调整，当均压气量过多时，正在均压得那个吸附塔的吸附前沿提前突破，不仅污染了正升压的那个吸附塔，也使均压吸附塔本身出口部分吸附剂提前被污染，在实施二次、三次均压时，被升压的那个吸附塔污染更严重；均压气量过少，吸附塔的氢利用率降低，逆放初压力偏高，，也会降低氢气的回收率。

三、吸附系统故障

吸附系统故障是指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，严重的使装置无法运行。

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；均压后两个塔压力同时上升；该逆放的不放空；均压后的气体全部放空；均压塔的压力不降等。

故障原因：程控阀该开的未开，该关的未关。

⑴、程控阀本身卡死

⑵、无输出信号，使程控阀不动作

故障处理方法：

⑴、如属于程控阀自身问题，为不影响生产，可先将其更换，拆下后将其进行修理；

⑵、如程控阀不动作，可从控制管路开始查，其顺序为：管路（包括气源）   电磁阀   线路    程控机有无输出，并做相应处理。

2. 程控机故障

其故障表现在无信号输出、程序不切换、停留于某一状态或程序执行紊乱。

出现此种情况时及时通知供应商进行维修。

四、产品纯度的调整方法：

产品纯度下降表明吸附塔在吸附步骤中杂质祖坟以达到吸附塔的出口端，其原因主要是操作调节不当，或是自控系统发生故障。一旦找出原因，经处理后应尽快恢复至正常操作状态。调整的有效方法一是低负荷（小的处理量）运转一段时间；二是缩短循环时间。如果二者结合起来更好，产品纯度恢复更快。但注意缩短循环时间要保证均压和终充所需的时间。

第六章  安全篇

一、概述

安全生产是关系到人的生命、国家财产安全的大事，是国家的根本性政策，也是一项群众性的工作。因此操作人员应该掌握有关的安全生产基本知识，自觉遵守有关的规章制度、文明生产。

本装置产品为氢气，按GB4968-85火灾分类法属C类火灾；按火灾危险性分类的规定，本界区为甲类；按爆炸危险场所划分的规定，本界区设备和程控阀布置区为Q－3级场所（正常情况下不能形成、在不正常情况下形成爆炸性混合物可能性较小的场所）。

二、氢气的基本特性

分子式为H₂，分子量2.0158，系无色、无味的可燃气体，气体密度0.0899Kg/M³，熔点-259.18℃，沸点-252.8℃（760mmHg柱），自燃点400℃，爆炸极限：4.1-74.2％，极微溶于水、醇、乙醚及各种液体，常温稳定，在高温下有催化剂时很活泼，极易燃、易爆，能与很多金属和非金属化和。氢气不能供给呼吸，故在高浓度下能使人窒息。

三、装置的安全措施

本装置尽可能应安放于室外，如考虑在室内，要保证通风良好，采取一定的安全措施；排放气汇集放空总管，最后经阻火器于户外高处排空。程控系统在设计上已考虑到一旦遇到突然停电，装置能自动处于安全状态；装置设计中工艺管道、阀门和管件的选用都满足含氢介质输送的特殊要求且符合相关规定。

四、氢气系统运行安全要点（摘录于GB4962-85《氢气使用安全技术规程》第四章）

1. 输入系统的氢气中含氧量不得超过0.5％；

2. 氢气系统运行时，不准敲击，不准带压修理和紧固，不得超压，严禁负压。

3. 管道、阀门冻结时，只能用热水或蒸汽加热解冻，严禁使用明火烘烤。

4. 设备、管道和阀门等连接点泄漏检查，可采用肥皂水或携带式可燃气体防爆检测仪，禁止使用明火。

5. 不准在室内排放氢气、吹洗置换。放空降压，必须通过放空管排放。

6. 当氢气发生大量泄漏或积聚时，应立即切断气源，进行通风，不得进行可能发生火花的一切操作。

7.新安装或大修后的氢气系统必须做耐压试验、清洗和气密性试验，符合有关的检验要求，才能投入使用。

8. 氢气系统吹洗置换，一般可采用氮气（或其它惰性气体）置换。

⑴. 氮气中氧含量不超过0.5％。

⑵. 置换必须彻底防止死角未残留余气。

⑶. 置换结束，系统内氧含量必须三次分析合格。

9. 氢气系统动火检修，必须保证系统内部和动火区域的氢气最高含量不超过0.4％。

10. 防止明火和其它激发能源，禁止使用电炉、电钻、火炉、喷灯等一切产生明火、高温的工具余热物体；不得携带火种进入禁火区；选用铜质或包铜合金工具；穿棉质工作服和防静电鞋。

五、消防（摘录于GB4962-85《氢气使用安全规程》第六章）

1. 供氢站应按有关规定设置消防用水，应根据需要配备“干粉”、“1211”和“二氧化碳”等轻便灭火器材，蒸汽灭火系统。

2. 氢气着火应采取下列措施：

⑴. 切断电源；

⑵. 冷却、隔离，防止火灾扩大；

⑶保持氢气系统正压，以防回火。

六、安全生产基本注意事项

1. 操作人员必须按操作手册规定操作，凡新来人员必须经过安全教育和操作法学习。未经安全技术和操作法考试合格者，不准进行独立操作。

2. 操作人员在上班时必须着装整齐，不准携带易燃易爆物品进入现场，严格遵守劳动纪律，严格进行交接班，严格进行巡回检查，严格控制工艺指标，严格执行操作规程，严格执行有关安全规定。

3. 本装置界区内应随时保持清洁，不应堆有易燃易爆物质，尤其在交通要道上不得堆放物品，保证交通要道畅通。

4.本装置界区内应置有消防器材，操作人员应知道消防器材的放置地点和使用方法，平时严禁乱动；消防器材每年定期检查。

5.设备在未卸去压力时，绝对禁止修理工作有焊接、拧紧螺丝，并禁止使用铁器敲击设备。

6. 设备使用的压力表必须检验合格并打上铅封。如压力表指针不回零或误差大于其级数时，不得继续使用。每年必须校验压力表一次，并打上铅封。

7. 严禁在本装置区内吸烟和动火。凡有爆炸及燃烧气体的容器和管道检修需动火前，应报请厂相关部门同意，先用氮气置换、吹扫后，经现场分析合格，并采取了安全措施，领取动火证后方可动火。

没有批准动火证，不与生产系统隔离，不进行清洗置换合格，不把易燃易爆物消除，不按时做动火分析，没有消防措施及无人监护，严格禁止动火。

8. 确保设备、管道、阀门的气密性，检修后还应试漏、置换，合格后方能开车。使用过程中应杜绝气体泄漏现象。

9. 仪表系统发生故障时，应由仪表人员进行修理。仪表人员应与工艺操作人员密切配合，在停车检修后再启动时，必须注意吸附塔内的压力，以防发生高压逆放现象。

                     中国科学院山西煤炭化学研究所